2005—2020年环渤海地区土地利用变化及驱动因素研究

摘 要：作为拉动我国北方经济增长的重要经济体，环渤海地区已成为我国北方最具经济活力的地区之一，在我国经济建设发展过程中起着举足轻重的作用。以遥感数据为基础，利用相关社会经济数据，从时间和空间两个维度对环渤海地区9个典型城市（北京市，天津市，河北省石家庄市、保定市，山东省济南市、青岛市、烟台市，辽宁省大连市、沈阳市）2005—2020年的土地利用变化及其驱动因素进行分析。结果表明，2005—2020年环渤海地区的耕地和草地面积减小，而建设用地、水域和未利用地的面积有所增加；从驱动因素来看，自然因素和经济社会因素共同影响环渤海地区土地利用/覆被变化。

关键词：土地利用；驱动因素；耕地面积；建设用地；环渤海地区

中图分类号：F301.2 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2023）02-153-5

0 引言

土地利用／覆被变化（Land Use/Cover Change，LUCC）是全球环境变化的重要组成部分和主要原因之一［1］。自20世纪90年代以来，关于LUCC的研究已成为全球环境变化研究的重点领域和我国资源科学、地理学、遥感信息科学等多学科的研究热点［2］。

环渤海地区已成为我国北方最具经济活力的地区之一。而近年来，环渤海地区却面临着土地利用结构不合理及利用强度不高等问题，严重制约区域协调发展。因此，了解环渤海地区的土地利用/覆被变化与其驱动因素，对当地加强土地规划和促进区域土地合理利用意义重大。近年来，针对环渤海地区土地利用状况及其变化，不少学者开展了相关研究［3］。例如，吴莉等［4］基于Landsat TM/ETM遥感影像数据，分析2000—2010年环渤海地区海岸带土地利用变化情况，但其研究区域仅限于海岸带，并未对内陆地区及土地利用变化的驱动因素展开分析；朱会义等［5］利用遥感和地理信息系统方法，揭示1985—1995年环渤海地区土地利用的时空变化特征及其驱动因素的影响，但分析研究的驱动因素仅涉及社会经济层面，对于自然层面的驱动因素分析较少。

笔者以遥感数据为基础，利用相关社会经济数据，从时间和空间两个维度对环渤海地区9个典型城市（北京市，天津市，河北省石家庄市、保定市，山东省济南市、青岛市、烟台市，辽宁省大连市、沈阳市）2005－2020年的土地利用变化进行分析，以期探明该区域土地利用变化和土地利用类型相互转换的机制及驱动因素，以助力区域土地资源可持续利用和经济社会可持续发展。

1 研究区概况

环渤海地区包括北京市、天津市及辽宁省、河北省、山西省、山东省和内蒙古自治区的中部地区，全区陆域面积达112万km2，共有157个城市。为综合考虑统计单元典型性，此研究选取9个典型城市（北京市、天津市、石家庄市、保定市、济南市、青岛市、烟台市、大连市及沈阳市）作为研究对象。研究区地处暖温带季风气候区，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，降水主要集中于夏季，多年平均降水量610 mm，季风性气候显著。研究区地形主要是平原和丘陵。截至2020年，研究区总人口达10 043.94万人，国内生产总值为103 776.63亿元。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

此研究所用的土地利用数据由中国科学院资源环境科学与数据中心提供，为2005年、2010年、2015年、2020年共4期分辨率为1 km的土地利用遥感监测数据。此研究通过Arcgis10.7叠加各市行政边界获得其土地利用数据，且根据中国科学院资源环境数据库技术标准分类等级，结合研究区土地利用特点，将土地利用类型分为6类：耕地、草地、林地、水域、建设用地和未利用土地。此研究所用社会经济数据来源为9市4期统计年鉴，包括地区生产总值（GDP）、人口数量等指标。研究区气象资料来自中国气象数据网，并通过对其进一步计算，进而对影响研究区土地利用变化的气候驱动因素进行分析。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用动态度。单一土地利用动态度指数可定量描述土地利用变化的速度，预测土地利用变化的区域差异和趋势［6］。

[K=Ua-UbUa×1T×100%] （1）

式（1）中：K为研究期内某种土地利用类型的动态度，即年变化率；Ua、Ub分别为研究初期及末期某种土地类型的面积；T为研究时段长度。

综合土地利用动态度（L）用于分析研究区土地利用类型整体的数量变化。

[L=i=1nΔΜUi-j2i=1nΔΜUi×1T×100%] （2）

式（2）中：L为研究初期第i类土地利用类型的面积；ΔMUi-j为第i类土地利用类型面积转化为非i类土地利用类型面积的绝对值；ΔMUi为前期土地利用类型的面积；n为土地类型数（n=1，2，3，…）；T为研究时段长度。当T设定为年时，L的值就是该研究区土地利用年变化率［7］。

2.2.2 气象数据。在提取研究区年均降水量和气温数据的基础上，利用累积距平法对研究区研究期内的年均降水量和气温变化特征和趋势进行分析。

[ADi=i=1n（xi-x）/x] （3）

式（3）中：ADi为研究期内某年的年均气温或降水量的累积距平值，xi为某年的年均气温或者降水量，[x]为研究期内的多年平均气温或降水量。

3 环渤海地区土地利用变化的时空分析

3.1 研究区土地利用变化过程分析

为研究2005—2020年环渤海地区（以典型区域为代表）的土地利用类型变化方向，笔者利用综合土地利用变化动态度计算方法求出该研究区域的土地利用转移矩阵（见表1）。

由表1可知，环渤海地区土地利用的主要转移类型是耕地、建设用地和林地之间的转化。其中，耕地转出面积位于所有地类之首，主要转向建设用地和林地。15年间，环渤海地区耕地转化成建设用地的面积达到了11 348.20 km2，约占耕地总转出面积的57.12%。这表明随着城市的扩张和人们生活水平的提高，特别是城镇化和工业化发展下，大量耕地转化为居住用地和交通用地，造成耕地面积减少。此外，15 a间环渤海地区耕地转化成林地的面积为3 782.15 km2，约占耕地总转出面积的19.04%。这主要得益于自2009年渤海环境保护省部际第一次联席会议以来，国家林业和草原局从渤海沿海区域湿地保护、沿海防护林建设、退耕还林和自然保护区建设入手，不断加强环渤海地区生态修复所取得的显著成效。在研究期内，环渤海地区草地面积有所减小，主要是转化为耕地和林地，转化成耕地和林地的草地面积之和占草地总转化面积的83.07%。这表明环渤海地区为适应城市的高速发展和满足更多人的生活需求而不得不进行过度垦荒，一定程度上对生态环境带来不可逆转的危害。在研究期内，环渤海地区水域面积有所增加，其主要转化来源为耕地。这说明随着社会的发展，人们的环保意识不断增强，积极退耕还林、还水域。在研究期内，环渤海地区未利用地面积也有所增加，其主要转化来源为水域，面积比例达54.22%。其部分原因可能是滨海地区土壤受到海水浸渍而形成盐碱地，而盐碱地作为未利用地的重要组成部分，势必也会带来未利用地面积的增加。

3.2 研究区土地利用变化程度分析

通过对环渤海地区（以典型区域为例）2005年、2010年、2015年和2020年4个时间截面土地利用数据的统计分析，总结2005—2020年环渤海地区土地利用的变化程度及区域内土地利用的差异。

2005—2020年，研究区内耕地的土地利用动态度为-0.01%。其中，天津市为-0.80%，北京市为-1.42%，保定市为-0.59%，石家庄市为-0.77%，济南市为-0.49%，大连市和沈阳市分别为-0.09%和-0.42%。此变化多由于产业结构调整对耕地的占用，还有各种自然和人为因素影响下水土流失等现象造成的耕地面积减小。2005—2020年，青岛市和烟台市耕地利用动态度分别为0.27%和0.17%，其新增耕地包含土地开发整理和高标准农田建设新增耕地。2005—2020年，研究区草地的土地利用动态度为-0.78%。其中，北京市为-0.07%，河北省保定市为-0.40%，山东省济南市、青岛市和烟台市分别为-1.16%、-4.21%和-1.81%，辽宁省大连市和沈阳市分别为-1.34%和-1.82%。不难看出，研究期内山东省和辽宁省草地面积的减小趋势十分明显。沈阳市在2005—2010年、2010—2015年、2015—2020年内的草地土地利用动态度分别为-0.28%、-0.29%和-5.02%，大体呈稳步下降趋势。但河北省石家庄市和天津市的草地土地利用动态度却有所提高，天津市甚至高达3.61%。2020年天津市高覆盖草地占草地总面积的97.35%，与2015年相比增加近62%，并集中分布于中北部和西南部，对于涵养水源起到巨大作用。2005—2020年，研究区林地的土地利用动态度为0.52%。其中，天津市为0.71%，北京市为0.11%，保定市为0.04%，沈阳市为0.25%，石家庄市为-0.57%，济南市、青岛市、烟台市和大连市分别为-0.91%、-0.56%、-0.58%和-0.65%。研究期内京津冀主要地区林地面积增加的原因在于政府积极加大退耕还林还草还湿支持力度，加快改善京津冀水生态环境。而研究期内山东省及辽宁省部分地区林地面积减少的原因主要在于随着城市发展进程的加快，乱砍滥伐林木及非法争占林地的现象屡禁不止。2005—2020年，研究区水域土地利用动态度为0.46%。其中，青岛市在2005—2010年、2010—2015年、2015—2020年内的土地利用动态度分别为0.52%、0.10%和5.96%，烟台市分别为0.68%、-0.06%和18.43%。2015—2020年，上述两地水库坑塘面积均有所增加，水库坑塘对于蓄水防旱的作用不容小觑。2005—2020年，研究区建设用地的土地利用动态度为2.95%。其中，天津市为2.88%，北京市为2.30%，保定市为3.98%，石家庄市为4.83%，济南市、青岛市和烟台市分别为4.35%、1.27%和2.23%，大连市和沈阳市分别为3.64%和2.35%。由上述数据不难看出建设用地面积增长之快，其原因主要在于高速扩张的城市规模和不断增长的人口总量导致建设用地面积需求量不断增大。以天津市为例，其在2005—2010年、2010—2015年、2015—2020年的建设用地土地利用动态度分别为0.57%、0.85%和6.91%，反映出该地建设用地面积与日俱增的趋势。2005—2020年，研究区未利用地的土地利用动态度为7.37%。其中，天津市为25.22%，北京市为100.00%，保定市为40.91%，石家庄市为93.33%，济南市、青岛市和烟台市分别为-6.06%、-3.25%和-3.03%，大连市和沈阳市分别为6.11%和5.25%。天津市、北京市、保定市和石家庄市未利用地面积变化剧烈的原因在于2015—2020年当地沼泽地面积的显著增大。近年来，京津冀陆续制定并实施多项湿地保护政策，不断恢复建设湿地，严格湿地用途管控，对于保护生物多样性、恢复生态环境做出巨大贡献。而山东省未利用地面积的减小主要在于多年来山东省采取“改土”与“改种”相结合的策略，致使盐碱地面积不断缩小。

3.3 研究区土地利用空间差异

为了更加直观地研究环渤海地区土地利用的空间差异，笔者利用综合土地利用动态度测度不同时期不同地区土地利用动态变化。通过计算可知，济南市2005—2010年土地利用动态度明显大于同处于山东省的烟台市和青岛市，主要原因在于2005—2010年济南市其他地类土地利用动态度在与同时期后两市相差较小情况下，其建设用地的土地利用动态度高达2.23%，明显高于同时期后两市建设用地的土地利用动态度。而2005—2010年济南市耕地面积减小了108.00 km2，说明其建设用地面积的扩大是以牺牲其他地类的面积为代价的。究其原因在于随着人口的增加，城市居民住房与农村宅基地建设不可避免地占用耕地，加之城镇化进程的加快，各类交通用地占用耕地的趋势也愈发明显。同处于环渤海地区东北部的沈阳市2010—2015年土地利用动态度明显低于大连市。通过计算发现，2010—2015年沈阳市草地的土地利用动态度为-0.29%，而大连市为-0.11%，减少的草地部分向建设用地和耕地转化。究其原因在于随着城镇化进程的加快，工矿、道路等建设用地占用了大量草地。同时，为满足粮食需求而出现的盲目开垦、过度开垦等，也成为草地面积不断减少的原因之一。就同处于环渤海地区西部的京津冀三地而言，天津市2015—2020年的土地利用动态度要明显高于其他两地。通过计算发现，2015—2020年天津市林地的土地利用动态度为2.67%，而北京市、保定市与石家庄市只有0.4%、0.07%和-1.66%，林地面积扩大是天津市土地利用动态度提高的主要原因。2015—2020年，天津市推行了诸多有关林地保护的政策方针，如《天津市双城中间绿色生态屏障区造林绿化专项规划（2018—2035年）》。在方针政策的驱动下，天津市林地面积不断增加，对于保护生态环境、促进国民经济发展起到巨大作用。