吳孟孟，賈培宏，2，潘少明，2，楊魯永

（1.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.南京大學(xué) 連云港高新技術(shù)研究院，江蘇 連云港 222000）

海岸帶是人類活動最密集的地帶，也是全球變化影響最敏感最顯著的地帶。土地利用變化既是全球環(huán)境變化的重要組成部分，也是造成全球環(huán)境變化的重要因素，是當前國際上十分關(guān)注的研究領(lǐng)域（Vitousek，1994）。連云港是中國于1984年首批提出沿海開放的14 座城市之一，位于中國沿海中部，區(qū)位優(yōu)勢極為突出，《全國海洋開發(fā)規(guī)劃》將其列為全國3 個“海洋特殊開發(fā)區(qū)”之一，《中國21 世紀議程》強調(diào)將連云港建設(shè)成連接太平洋沿岸國家與中亞地區(qū)的國際港口城市、環(huán)境優(yōu)美的旅游中心、國際貿(mào)易中心和交通樞紐，江蘇省委、省政府明確要求連云港加快建設(shè)成為江蘇北部發(fā)展振興的“第一增長極”。為了加快城市發(fā)展進程，連云港市海岸帶土地利用率普遍提高，土地利用狀態(tài)變化活躍。

生態(tài)足跡（Ecological Footprint，EF），是由加拿大生態(tài)經(jīng)濟學(xué)家Rees 等1992年提出，并在1996年由其博士生Wackernage 完善的一種衡量人類對自然資源利用程度以及自然界為人類提供生命支持的方法，也是一種度量環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)承載力的方法，又稱為生態(tài)占用、生態(tài)痕跡、生態(tài)腳印。其主要是計算給定人口和經(jīng)濟條件下，通過將個人消耗的資源以及吸納人類所排放的廢物折合成全球統(tǒng)一的具有生產(chǎn)力的地域面積，來計算區(qū)域生態(tài)的供給與需求差值—生態(tài)赤字或生態(tài)盈余，以測度不同區(qū)域內(nèi)人類活動對生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀的影響，其度量單位是“全球性公頃”（hm2）。

本研究選擇1987-2012年4 個時相的ETM+遙感影像，運用GIS 空間分析技術(shù)，進行土地利用類型影像解譯判讀、地類圖斑數(shù)據(jù)采集、處理、分析及數(shù)量計算，獲取研究區(qū)近25年來生態(tài)足跡及海岸帶土地利用變化狀況之間的數(shù)量關(guān)系，實現(xiàn)海岸帶土地利用變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境影響效應(yīng)的定量化評價。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)范圍

連云港海岸帶主要包括砂質(zhì)海岸、基巖海岸和淤泥質(zhì)海岸。連云港市自解放以來興建、整修了從北到南的沿海大堤，通常情況下，海堤是人工岸線的標志性界線，本研究以海堤作為淤泥質(zhì)海岸線位置（劉艷芬，2007）。

中國在進行海岸帶調(diào)查時，規(guī)定調(diào)查范圍一般為：自海岸線向陸方向延伸10 km 左右，向海至10～15 m 等深線位置；在河口地區(qū)，則是向陸延至潮區(qū)界，向海延至深水線或淡水舌。我國黃海和東海海底基本處于大陸架上，坡度很小，一般不超過0.1°，根據(jù)連云港海岸帶水下地形狀況計算得出，10～15 m 等深線距海岸線約9 km 左右。海域面積變化值是本研究一個重要的影響因素，本研究規(guī)定的海岸帶范圍為：自海岸線向陸、向海兩方向各延伸延展10 km。由此計算出本文研究區(qū)海岸帶面積為2 084.97 km2（圖1）。

圖1 連云港海岸帶的范圍

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究選用遙感數(shù)據(jù)源為：1987年9月21日的Landsat-5 TM 影 像、 2002年12月27日 的Landsat-7 ETM+影像、2007年5月7日的TM 影像以及2012年4月26日的ETM+影像。以1987年為起點，2012年為終點，以五年為單位依次選取2002年、2007年的Landsat 遙感影像，這一時間序列與國家五年計劃相對應(yīng)，研究結(jié)果可以在一定程度上反映連云港在“十五計劃”、“十一五規(guī)劃”與“十二五規(guī)劃”期間的海岸帶土地利用變化狀況。

生態(tài)足跡模型數(shù)據(jù)源選自2003年、2008年和2013年《連云港統(tǒng)計年鑒》，各生物生產(chǎn)性土地面積具體用到的數(shù)據(jù)有：①耕地：谷類（小麥、稻谷、玉米）、豆類、薯類、油料、棉花、茶葉；②林地：水果、紙板；③草地：豬肉、牛肉、羊肉、禽肉、奶類、禽蛋、蜂蜜；④水域：水產(chǎn)品；⑤建筑用地：熱力、電力；⑥化石能源用地：原煤、焦炭、汽油、煤油、柴油、燃料油、液化石油氣（連云港市統(tǒng)計局，2003；連云港市統(tǒng)計局，2008；連云港市統(tǒng)計局，2013）。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用分類方法

根據(jù)遙感數(shù)據(jù)源特點及研究目標，本研究運用美國ARCGIS 軟件進行數(shù)據(jù)采集、處理、土地利用圖斑提取、空間數(shù)據(jù)綜合分析、數(shù)理統(tǒng)計計算等，影像判讀解譯選用美國ENVI 軟件。

首先，用ENVI 軟件對各年代遙感影像進行多波段合成處理，得到真彩色影像，運用軟件提供的圖像增強技術(shù)進行影像增強，提高影像上各類地物的辨別效果，再對增強后的影像進行幾何糾正、空間配準（鄧書斌，2010）。

根據(jù)國土資源部、國土局、建設(shè)部的土地分類體系，參照美國海岸土地利用/土地覆蓋分類標準，將我國沿海土地利用/土地覆蓋按照潮上帶、潮間帶和近岸海域分別建立分類體系（劉寶銀 等，2005）。為方便對連云港海岸帶土地利用變化進行研究，數(shù)據(jù)提取中，將連云港海岸帶潮上帶、潮間帶和近岸海域的分類進行統(tǒng)一化和適當合并，選取耕地、林地、建筑用地、海域、其他水域、灘涂、鹽場、未利用地8 個土地利用類型。運用ENVI 軟件對遙感圖像解譯生成訓(xùn)練樣本（ROI），接著基于預(yù)定義ROI 用最大似然法進行監(jiān)督分類和精度評價（鄧書斌，2010）。再將不同時期的連云港海岸帶土地利用分類柵格圖像分別按照國家標準的土地利用分類進行矢量提取、輸出，同時運用ArcGIS 軟件對部分地物信息進行重分類、修整等。在ArcGIS 軟件中，以海岸線為中心線，向海向陸各建10 km 寬度的緩沖區(qū)，界定出本研究的海岸帶工作區(qū)。運用生成的研究區(qū)邊界作為裁剪范圍線對所有分類圖像分別進行裁剪輸出所有研究數(shù)據(jù)層。

1.3.2 生態(tài)足跡計算方法

生態(tài)足跡的基本思想是將人類消費需要的自然資產(chǎn)的“利息”（生態(tài)足跡）與自然資產(chǎn)產(chǎn)生的“利息”（生態(tài)承載力）轉(zhuǎn)化為可以共同比較的土地面積，二者的比較用來判斷人類對自然資產(chǎn)的過度利用情況（Wackernagel et al， 2006；徐中民等，2006）。

生態(tài)足跡計算公式（Wackernagel et al，1997；岳東霞等，2004）為：

式中，EF 為總的生態(tài)足跡，N 為總?cè)丝跀?shù)，ef 為人均生態(tài)足跡，ri為均衡因子，ai為生產(chǎn)第i種產(chǎn)品的生物生產(chǎn)性土地面積。

生態(tài)承載力計算公式（Wackernagel et al，1997；岳東霞等，2004）為：

式中，EC 為總的生態(tài)承載力，ec 為人均生態(tài)承載力，aj為人均擁有生物生產(chǎn)性土地面積，rj為均衡因子（與計算生態(tài)足跡時所用的均衡因子相同），yj為產(chǎn)量因子。

在計算生態(tài)足跡時，根據(jù)海岸帶生物生產(chǎn)性特點，土地面積計算主要考慮6 種類型：耕地、林地、草地、水域、建筑用地和化石能源用地。為了將這6 種具有不同生物生產(chǎn)力的土地面積轉(zhuǎn)化為可加總比較的具有相同生態(tài)生產(chǎn)力的土地面積，需要對各生物生產(chǎn)性土地面積乘以均衡因子。某類生物生產(chǎn)性土地面積的均衡因子等于全球該類生物生產(chǎn)性土地面積的平均生態(tài)生產(chǎn)力除以全球所有生物生產(chǎn)性土地面積的平均生態(tài)生產(chǎn)力（張志強等，2001）。參考Wackernagel 等（1997，1999） 計算的世界各國生態(tài)足跡估算的結(jié)果可以確定均衡因子的取值。并且在計算生態(tài)承載力時，為了比較不同國家和地區(qū)同類生物生產(chǎn)性土地面積，需要對各面積再乘以產(chǎn)量因子。某國家或地區(qū)某類土地面積的產(chǎn)量因子等于其平均生產(chǎn)力除以世界同類土地的平均生產(chǎn)力（張志強等，2001）。由于市范圍內(nèi)商品和資源的流通與交易量難以統(tǒng)計，且考慮到生態(tài)系統(tǒng)的完整性，本文選用江蘇省產(chǎn)量因子來計算連云港市生態(tài)承載力。結(jié)合文獻（Wackernagel，1999）中計算中國生態(tài)足跡時的取值，江蘇省產(chǎn)量因子可以根據(jù)全國產(chǎn)品平均產(chǎn)量與江蘇省平均產(chǎn)量之間的比值確定（張芳怡等，2006）。WCED 的報告《我們共同的未來》建議應(yīng)留出12%的生物生產(chǎn)面積以保護生物多樣性（徐中民等，2001），因此在生態(tài)承載力計算時扣除12%的生物多樣性保護面積（Haberl et al，2001）。

若生態(tài)足跡與生態(tài)承載力差值為正，表示生態(tài)赤字，反之即生態(tài)盈余。在不影響數(shù)據(jù)分析的前提下，為方便計算，用人均數(shù)值計算生態(tài)赤字或盈余情況。

2 結(jié)果和討論

2.1 土地利用變化

海岸帶土地利用變化包括土地利用類型面積變化和類型轉(zhuǎn)換。面積變化反映不同類型的數(shù)量變化。通過分析海岸帶土地利用類型的數(shù)量變化，可以在一定程度上了解土地利用變化態(tài)勢和結(jié)構(gòu)變化（高志強等，1999；劉紀遠，1996）。

2.1.1 土地利用類型面積變化

監(jiān)督分類精度評價結(jié)果（表1）顯示各年份遙感圖像總分類精度和Kappa 系數(shù)均超過90%，說明分類方式合理，分類精度高，后續(xù)計算結(jié)果可靠。

表1 1987-2012年監(jiān)督分類精度評價

運用ENVI 和ArcGIS 軟件對遙感圖像進行處理后獲得1987年、2002年、2007年和2012年的土地利用分類專題圖（圖2a-d）。根據(jù)遙感解譯結(jié)果，分別統(tǒng)計1987年、2002年、2007年和2012年連云港海岸帶土地利用分類專題圖面積信息，如表2 所示。

圖2 （a） 1987年分類專題圖

圖2 （b） 2002年分類專題圖

圖2 （c） 2007年分類專題圖

圖2 （d） 2012年分類專題圖

表2 1987-2012年各土地利用類型面積（單位：km2）及其百分比（%）

由表2 中4 個時相各地物類型土地利用面積所占比例，可看出連云港海岸帶土地利用特征為：①1987-2012年用地類型主要是海域、鹽場、建筑用地和耕地，林地、未利用地、灘涂和其他水域面積占比較小。②海域面積近五年有大幅減少，2012年較2007年減少51.744 6 km2。③鹽場面積波動幅度較大，1987-2002年減少84.189 1 km2；2002-2007年增加61.230 6 km2；2007年至2012年又減少48.216 8 km2。④建筑用地面積基本呈增長趨勢，且漲幅較大，1987-2002年增加182.890 0 km2；2002-2007年小幅減少13.484 8 km2； 2007-2012年又增加109.524 6 km2。⑤耕地面積基本呈減少趨勢，1987-2002年減少186.903 7 km2；2002-2007年小幅增加32.614 0 km2；2007-2012年又減少34.025 2 km2。

2.1.2 土地利用類型轉(zhuǎn)換 利用ArcGIS 軟件根據(jù)矢量層交集操作進行空間疊加分析，得到1987-2002年、2002-2007年和2007-2012年3 個時期內(nèi)連云港海岸帶土地利用轉(zhuǎn)換矩陣（表3-5）。

轉(zhuǎn)換結(jié)果顯示：①耕地1987-2002年主要轉(zhuǎn)化為建筑用地和鹽場；2002-2007年主要轉(zhuǎn)化為建筑用地、未利用地和林地；2007-2012年主要轉(zhuǎn)化為建筑用地。②林地1987-2002年主要轉(zhuǎn)化為耕地和建筑用地；2002-2007年主要轉(zhuǎn)化為建筑用地和未利用地；2007-2012年主要轉(zhuǎn)化為建筑用地和耕地。③建筑用地1987-2002年主要轉(zhuǎn)化為耕地和鹽場；2002-2007年主要轉(zhuǎn)化為鹽場和耕地，其次轉(zhuǎn)化成未利用地和林地；2007-2012年主要轉(zhuǎn)化為鹽場和耕地。④海域面積所占比例大，1987-2002年主要轉(zhuǎn)化為灘涂、鹽場和建筑用地；2002-2007年主要轉(zhuǎn)化為建筑用地、灘涂和鹽場；2007-2012年主要轉(zhuǎn)化為鹽場和建筑用地。⑤其他水域1987-2002年主要轉(zhuǎn)化為鹽場和建筑用地；2002-2007年主要轉(zhuǎn)化為鹽場和建筑用地，其次轉(zhuǎn)化成林地和未利用地；2007-2012年主要轉(zhuǎn)化為鹽場和海域。⑥灘涂1987-2002年主要轉(zhuǎn)化為鹽場和建筑用地；2002-2007年主要轉(zhuǎn)化為鹽場、建筑用地和耕地；2007-2012年主要轉(zhuǎn)化為海域、鹽場、建筑用地和耕地。⑦鹽場1987-2002年主要轉(zhuǎn)化為建筑用地和灘涂；2002-2007年主要轉(zhuǎn)化為建筑用地、耕地和其他水域；2007-2012年主要轉(zhuǎn)化為海域、其他水域和建筑用地。⑧未利用地在三個時期內(nèi)轉(zhuǎn)化率都很高，說明未利用地開發(fā)程度很高，1987-2002年主要轉(zhuǎn)化為耕地和建筑用地，2002-2012年主要轉(zhuǎn)化為建筑用地、鹽場和耕地。

表3 1987-2002年土地利用轉(zhuǎn)換矩陣（單位：km2）及其百分比（%）

表4 2002-2007年土地利用轉(zhuǎn)換矩陣（單位：km2）及其百分比（%）

表5 2007-2012年土地利用轉(zhuǎn)換矩陣（單位：km2）及其百分比（%）

2.1.3 土地利用變化驅(qū)動力分析 美國全球變化委員會將土地利用變化驅(qū)動力分為自然驅(qū)動與人力驅(qū)動兩類：自然驅(qū)動指由于流體地球與固體地球變化對地球表層所造成的影響，其突出標志是氣候—水文過程對地表的改造；人力驅(qū)動主要包括工業(yè)新陳代謝與土地轉(zhuǎn)變，Turner 等進一步將其分為人口與其收入的變化、技術(shù)變化、政治/經(jīng)濟制度變化和文化變化（盧玲等，2001）。

2.1.3.1 自然驅(qū)動分析 自然驅(qū)動包括氣候水文、地質(zhì)地貌、土壤植被等諸多要素。土壤是構(gòu)成土地的核心要素，是影響土地利用最深刻的因素之一。土壤對土地利用的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：其一，土壤肥力大小直接影響土地生產(chǎn)力高低；其二，土壤類型差異與土地利用形式、可耕性、耕作方式、輪作制度等密切相關(guān)（李吉英，2006）。連云港在地貌上位于淮北平原與魯中南丘陵的結(jié)合部，地勢西北高、東南低，境內(nèi)海洋、高山、平原齊觀，丘陵、河湖、灘涂俱備。農(nóng)田主要分布在連云港市東南區(qū)，土壤類型適合農(nóng)作物生長；城鎮(zhèn)主要建設(shè)在西部崗嶺區(qū)，土壤類型較為堅固不易松散；鹽田和灘涂主要位于東部沿海區(qū)，土壤含鹽量較高。土壤條件是形成土地利用類型分布的重要因素，同時也在一定程度上限制各土地利用類型間的轉(zhuǎn)換。

土地利用變化劇烈之處，往往受人類的干擾活動相對容易。平原地帶地勢平坦、交通發(fā)達，建設(shè)用地與農(nóng)用地之間轉(zhuǎn)換較普遍，因此連云港海岸帶建設(shè)用地增加多是由位于平原地帶的耕地或林地轉(zhuǎn)換來；海拔越高對林地的變化限制越大，林地變化大都發(fā)生在海拔較低處，所以連云港內(nèi)山脈山腳處林地受人類活動干擾較嚴重，變化較劇烈；灘涂由于離城區(qū)較遠，所以受人類活動干擾相對較輕。

2.1.3.1 人力驅(qū)動分析 人口變化是導(dǎo)致土地利用變化的主要原因。連云港市總?cè)丝趶?987年的311.72 萬增至2002年的464.03 萬，2007年增至482.23 萬，2012年又增至510.99 萬。隨著連云港市總?cè)丝诘淖兓?，連云港海岸帶建設(shè)用地面積也發(fā)生了相應(yīng)變化，從1897年的206.131 0 km2增至2002年的389.021 0 km2，2007年小幅降至375.536 2 km2，2012年又大幅增至485.060 8 km2。對比人口變化趨勢和建設(shè)用地變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)2002-2007年人口數(shù)增加而建設(shè)用地面積卻呈小幅減少趨勢，說明該時間段內(nèi)建設(shè)用地發(fā)展尚集中在內(nèi)陸，沿海岸帶開發(fā)規(guī)模不大。建設(shè)用地增加必然導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用地減少，1987-2012年農(nóng)業(yè)用地的變化趨勢與建筑面積的變化趨勢有很好的對應(yīng)關(guān)系。

除了人口變化這一重要因素之外，經(jīng)濟增長、技術(shù)進步、制度及政策因素等也對土地利用變化產(chǎn)生著不同程度的影響。

2.2 生態(tài)足跡分析

連云港市身為海濱城市，各縣鄉(xiāng)依托海堤公路和沿海鐵路，沿海土地利用類型的模式及其轉(zhuǎn)化，直接反映出臨海產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的規(guī)模及特點，因此，生態(tài)足跡可以反映出連云港海岸帶土地利用變化的生態(tài)效應(yīng)。由表8 看出，連云港市人均生態(tài)足跡由2002年的1.850 8 hm2/人增至2007年的2.369 9 hm2/人，又進一步增至2012年的2.908 2 hm2/人，而人均生態(tài)承載力則由2002年的0.614 7 hm2/人降至2007年的0.810 2 hm2/人，至2012年又降至0.581 5 hm2/人，可見生態(tài)承載力需求（生態(tài)足跡）與生態(tài)承載力供給呈反方向發(fā)展趨勢。計算表明，2002年就開始傾向生態(tài)赤字，人均生態(tài)赤字為1.236 1 hm2/人，2007年增至1.772 8 hm2/人，2012年進一步增至2.326 7 hm2/人。說明連云港市人口對自然資源的利用一直在增加，已逐漸超出自然生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)承載力范圍，生態(tài)足跡與生態(tài)承載力之間的矛盾出現(xiàn)，意味著研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)有所退化，人地關(guān)系趨于緊張。

近10年間，水域和耕地在用地結(jié)構(gòu)需求中占主要內(nèi)容，隨著該地類需求的逐漸增大，耕地的生態(tài)承載力開始逐漸減小，水域承載力尚可保持不變；其次為化石能源和草地，化石能源用地需求大幅增加，草地需求先略有減少后大幅增加，其承載力則基本保持不變；6 種土地利用類型的生態(tài)承載力都不足以支撐其生態(tài)足跡。可以看出，整個市域范圍內(nèi)的耕地面積呈現(xiàn)不足，水域、草地、林地面積偏少，化石能源用地量大。就海岸帶區(qū)域而言，1987-2012年鹽場和建筑用地的面積遠大于耕地、林地、未利用地、灘涂和其他水域的面積；建筑用地面積基本呈增長趨勢，且漲幅較大，而耕地面積基本呈減少趨勢，且主要轉(zhuǎn)化為建筑用地；海域、林地、灘涂和其他水域面積主要向建筑用地和鹽場轉(zhuǎn)換。

表6 2002-2012年人均生態(tài)足跡

表7 2002-2012年人均生態(tài)承載力

表8 2002-2012年生態(tài)足跡模型計算總結(jié)（hm2/人）

研究數(shù)據(jù)表明，連云港市整體土地利用模式表現(xiàn)出不可持續(xù)性，海岸帶生態(tài)環(huán)境趨于不安全狀態(tài)。

3 結(jié)論

研究數(shù)據(jù)表明，1987-2012年25年間，連云港海岸帶的土地利用狀況發(fā)生了顯著變化，占據(jù)主要地位的土地利用類型是海域、鹽場、建筑用地和耕地；鹽場面積波動幅度較大；建設(shè)用地面積大幅度增加，25年間共增加了278.93 km2，耕地面積大幅度減少，25年間共減少了188.31 km2，耕地減少的流向主要是建設(shè)用地。說明這一時期為連云港海岸帶的高速發(fā)展期。

土地利用類型轉(zhuǎn)換矩陣分析表明，研究區(qū)25年間土地利用類型差異較大，轉(zhuǎn)移較頻繁，反映出人類活動對研究區(qū)土地利用影響不斷加強，研究顯示人口、土壤植被、地質(zhì)地貌和經(jīng)濟發(fā)展是影響土地利用變化的主要驅(qū)動力。

近25年間，連云港市生態(tài)足跡與生態(tài)承載力供給呈反方向發(fā)展趨勢，生態(tài)赤字日益明顯，連云港市人口對自然資源的利用已逐漸超出自然生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)承載力范圍，生態(tài)系統(tǒng)有所退化，人地關(guān)系趨于緊張。耕地面積的大幅減少導(dǎo)致生態(tài)承載力減小；化石能源用地和草地需求的大幅增加導(dǎo)致生態(tài)足跡增加；6 種土地利用類型的生態(tài)承載力都不足以支撐其生態(tài)足跡。連云港市耕地面積不足，水域、草地、林地面積偏少，化石能源用地量大。海岸帶土地資源利用模式亟需改進，須調(diào)整海岸帶資源開發(fā)利用的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加強海岸帶土地利用集約節(jié)約力度及生態(tài)環(huán)境建設(shè)，研究適合連云港市海岸帶土地利用可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)模式。

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