張運清，謝作輪，李秀珍，張 騫

(華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062)

橋梁連陸對海島土地利用變化的影響:以朱家尖島為例

張運清，謝作輪，李秀珍①，張 騫

(華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062)

交通條件嚴重制約和限制海島的發(fā)展，連陸跨海大橋的建設使得海島與陸地緊密相連，特別是旅游型海島經(jīng)濟發(fā)展提速，大橋建設對海島土地利用的影響尚不明確。以朱家尖島為例，依據(jù)跨海大橋建成通車時間節(jié)點以及遙感影像的可獲得性，選取近26 a的5期遙感影像作為數(shù)據(jù)源進行人機交互式遙感解譯。通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和土地利用動態(tài)度模型，揭示土地利用演變過程，探索跨海大橋建成前后土地利用的變化。結(jié)果表明：(1)1990—2015年，陸地總面積增加694 hm2；土地利用類型發(fā)生較大變化，建設用地面積增加948 hm2(增加521%)，耕地面積減少736 hm2(減少37%)。(2)海島土地利用變化對橋梁連陸的響應具有明顯的階段性：連陸前，土地利用動態(tài)度先減小后變大；連陸工程建成后，土地利用動態(tài)度變大。(3)連陸橋梁的建設直接改變了海島與陸地之間物質(zhì)和能量的流通方式，從而間接影響海島的土地利用格局。

土地利用；連陸海島；朱家尖島

土地覆被變化改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，進而影響地表各種生態(tài)過程[1]。對土地利用變化的研究，能夠直觀反映特定區(qū)域生態(tài)環(huán)境健康情況[2]。通過遙感和GIS實現(xiàn)多種尺度下區(qū)域土地利用定量分析，為進一步研究生態(tài)功能變化提供依據(jù)[3-4]。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，道路橋梁等基礎設施在全球范圍內(nèi)迅速蔓延，影響了15%～20%的陸地表面[5-6]。道路橋梁的建設能夠改變區(qū)域可達性，進而改變區(qū)域土地利用狀況并導致生態(tài)系統(tǒng)功能的變化[7-9]。有研究發(fā)現(xiàn)道路橋梁的建設，特別是跨海灣或跨江大橋具有顯著的“時空壓縮”效應，能壓縮時間距離，改善交通條件，從而降低互動成本，帶動經(jīng)濟發(fā)展，進而影響區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)及空間格局[10]。隨著中國跨江跨海灣橋隧的建設，相關(guān)研究也不斷增加，集中于長江跨江通道[11-13]、杭州灣跨海大橋[14]和渤海海峽跨海通道[15]等方面。關(guān)于時空壓縮效應帶來的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟發(fā)展及旅游空間結(jié)構(gòu)的影響分析[16]已有報道。吳巍等[12]發(fā)現(xiàn)過江通道建設將引起連接區(qū)域建設用地的增加，也有學者發(fā)現(xiàn)高速公路和城市干道的建設也會引起土地利用變化[17]。但對于旅游型海島土地利用變化研究尚不多見。旅游型海島土地利用變化與非旅游型海島相比更易受游客數(shù)量、出游頻率及季節(jié)性差異的影響。因此，開展旅游型海島土地利用變化研究對于更好地開發(fā)利用海島顯得十分迫切。

有學者開展了舟山群島生態(tài)系統(tǒng)健康、旅游空間結(jié)構(gòu)及生態(tài)安全預警等方面的研究，但是尚缺乏跨海大橋建成前后土地利用變化的研究[18-19]。寧波與舟山，上海與崇明，上海與大、小洋山港，溫州與洞頭，福州與平潭，以及湛江與東海島等多地海島連陸工程相繼建成通車，使得定量評估海島連陸前后土地利用變化顯得十分迫切。筆者以朱家尖島為例，結(jié)合遙感與GIS技術(shù)手段，定量評價連陸前后土地利用的變化，以期豐富土地利用變化研究案例，為進一步研究島嶼連陸工程的生態(tài)響應機制提供參考。

1 研究區(qū)概況

朱家尖島(29°49′～29°57′ N，122°19′～122°25′ E)位于浙江舟山群島東南部海域，是舟山群島的第5大島，陸域面積約為70 km2。該島屬亞熱帶季風氣候區(qū)，夏季易受臺風影響，年平均氣溫約為16 ℃，年降水量為1 200 ～2 000 mm。該島屬于丘陵和海積平原地貌，南部和東部地勢較高，北部、西部較低。島上常住人口為3.4萬人，隨著舟山跨海大橋的逐步建成，島上游客接待量快速增加。在海島旅游快速發(fā)展過程中，海島土地利用變化強烈。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

以Landsat-TM影像作為主要遙感數(shù)據(jù)源，分辨率為30 m，覆蓋研究區(qū)范圍的影像軌道號為117/39?？紤]到金塘大橋的建成實現(xiàn)了朱家尖島與大陸的直接連通、朱家尖海峽大橋?qū)⒅凵奖緧u與朱家尖島連通以及其余橋梁的通車時間(圖1)。

圖1 朱家尖島位置示意Fig.1 Location map of the Zhujiajian Island

選擇2000、2005和2010年影像作為橋梁逐步建成通車過程中的影像，選取1990年作為基期影像，并選擇2015年影像以保持研究的現(xiàn)勢性。

利用ENVI 5.1軟件對遙感影像進行圖像校正、圖像增強和圖像裁剪等預處理。根據(jù)研究區(qū)土地利用信息特征，在借鑒國內(nèi)外土地利用分類成果的基礎上，結(jié)合實際研究需要，將朱家尖土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、建設用地、水塘溝渠、鹽田、沙灘、新圍水體和海域(非全部海域，僅為筆者研究涉及的海域部分)9種土地利用類型?；诘仡惒煌墓庾V特征，依據(jù)歷史地圖數(shù)據(jù)，結(jié)合實際踏勘結(jié)果，建立合適的解譯標志，進行人機交互式判讀，獲取研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)。結(jié)合野外GPS驗證點、Google Earth高清影像及相關(guān)歷史圖件，采用位置精度評價法，計算遙感影像的解譯精度分別為89.3%(1990-08-07)、91.6%(2000-05-14)、91.0%(2005-08-04)、93.0%(2010-01-18)和92.2%(2015-01-23)，分類效果較好，滿足筆者研究需要。相關(guān)社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)主要來源于舟山統(tǒng)計信息網(wǎng)、《舟山統(tǒng)計年鑒》(2004—2014年)和朱家尖管理委員會。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣可反映特定區(qū)域特定時段土地利用類型間相互轉(zhuǎn)化的動態(tài)過程、結(jié)構(gòu)特征及變化方向[20]。

2.2.2 土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度分為單一土地利用動態(tài)度(K)和綜合土地利用動態(tài)度(D)，是反映各地類面積變化幅度和速率以及區(qū)域各地類變化差異的一種指數(shù)，該值越大，表示土地利用動態(tài)度越大，土地利用變化越活躍[21]。K和D計算公式為

(1)

(2)

式(1)～(2)中，K為研究時段內(nèi)某一年土地利用類型動態(tài)度；Ua、Ub分別為研究初期、末期某一土地利用類型面積，hm2；T為研究時段，當T設定為年時，K為研究區(qū)某種土地利用類型年變化率；D為綜合土地利用動態(tài)度；SLU,i為監(jiān)測起始時間第i類土地利用類型面積，hm2；ΔSLU,ij為監(jiān)測時段第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化為第j類土地利用類型面積的絕對值，hm2。

2.2.3 主成分分析

根據(jù)主成分分析法的原理和資料獲取的難易程度，選取朱家尖島2004—2014年第一產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員數(shù)、第二產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員數(shù)、第三產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員數(shù)、旅游人口數(shù)、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、工業(yè)總產(chǎn)值和國民生產(chǎn)總值7個指標。

2.2.4 土地利用程度綜合指數(shù)

土地利用程度綜合指數(shù)可以反映區(qū)域土地利用程度[22]，該值越大，表示土地利用程度越強，其計算公式為

(3)

式(3)中，La為土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為第i級土地利用程度分級指數(shù)；Ci為第i級土地利用面積比例；n為研究區(qū)土地利用類型數(shù)。

根據(jù)實際情況，研究區(qū)未利用地或難利用地，林地、草地、水域，耕地、園地、人工草地，以及城鎮(zhèn)、居民點、工礦用地、交通用地4大類的土地利用程度分級指數(shù)分別為1、2、3和4。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用現(xiàn)狀與分布特征

2015年土地利用類型結(jié)構(gòu)(圖2)顯示，林地面積最大，占總面積的44%，主要分布在南部的大青山、中部的朱家尖大山(又稱廟根大山)、東北部的白山-太平崗和西北部的順母涂山等丘陵山地。耕地面積為1 235 hm2，占總面積的18%，建設用地面積占總面積的17%，主要分布在幾座山地之間的淤積平原上。其余土地利用類型較集中地分布在島嶼北側(cè)。總體土地利用格局呈現(xiàn)南部連片分布、北部破碎化分布狀態(tài)。

3.2 土地利用的歷史變化過程

1990—2000年是城鎮(zhèn)化及單一基礎設施工程直接影響階段(表1)。1990年，建設用地、耕地和海域面積分別為182、1 971和694 hm2。2000年建設用地增加約2倍，耕地面積轉(zhuǎn)移25%(增加5%，被占用20%)，海域面積減少105 hm2。新圍水體面積增加98 hm2。這一時期是城鎮(zhèn)化起步階段，在大洞岙形成朱家尖行政中心，這與1992年撤銷朱家尖區(qū)與全島其余3鄉(xiāng)合并設立朱家尖鎮(zhèn)相關(guān)。此外，相繼建成了舟山機場、蜈蚣峙碼頭、朱家尖海峽大橋、舟山機場至蜈蚣峙碼頭公路和南沙-里沙公路等基礎設施。這一階段特征表現(xiàn)為基礎設施及城鎮(zhèn)建設直接占用，使得土地利用類型快速變化。

2000—2005年為朱家尖海峽大橋影響階段(表1)。這一時期建設用地增加主要占用耕地，耕地面積減少12%，同時，水利設施修建占用125 hm2耕地(耕地轉(zhuǎn)變?yōu)樗翜锨拿娣e)。建設用地和耕地之間轉(zhuǎn)化的熱點區(qū)域主要分布在南沙、里沙和棉增，變化的主要特點是游客客流增加緩慢，土地利用類型變化緩慢。

2005—2010年為連島橋梁逐步建成的影響增強階段(表1)。由于逐步完成連島工程，交通條件進一步改善，人為建設活動增加。其中，建設用地面積增加40%，耕地面積減少9%，圍海面積為233 hm2。在這個時期，建設主要占用耕地，使得耕地面積進一步減少，圍海造陸增加了建設用地和草地面積。

2010—2015年為橋梁連陸影響進一步增強階段(表1)。建設用地面積增加30%，耕地面積轉(zhuǎn)移11%。在這一時段，圍海程度增強，海域面積減少356 hm2，耕地面積減少120 hm2。橋梁連陸工程完成之后，其對朱家尖土地利用變化的影響程度進一步增加。

圖2 1990—2015年朱家尖島土地利用類型分布Fig.2 Land use type distribution of the Zhujiajian Island from 1990 to 2015

3.3 土地利用動態(tài)度

由表2可知，不同土地類型動態(tài)度變化曲線存在差異。耕地的土地利用動態(tài)度逐漸減小且趨于平穩(wěn)，土地利用動態(tài)度在1990—2000年最大，為7.2%，這是因為這個階段島內(nèi)橋梁、機場等基礎設施建設直接占用大量耕地。隨著耕地資源保護意識的增強，耕地的土地利用動態(tài)度逐漸變小。隨著連陸跨海大橋的逐步通車，建設用地動態(tài)度逐步增加。綜合土地利用動態(tài)度呈先減小再增加的變化趨勢，2000—2005年間土地變化最為緩慢，綜合土地利用動態(tài)度僅為6.3%，1990—2000年綜合土地利用動態(tài)度最大，達到26.1%。建設用地的變化能夠較好地體現(xiàn)連島橋梁建設不同階段土地利用變化特征。

3.4 土地利用變化驅(qū)動力分析

土地利用變化驅(qū)動力主要分為自然和社會經(jīng)濟2個部分。其中，自然驅(qū)動因子主要包括地形、地貌、氣候和土壤等方面，在較長時間尺度上起到控制作用。在短時間尺度上社會經(jīng)濟是土地利用變化的主要驅(qū)動因子。基于朱家尖島對應時間序列的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，通過主成分分析探討土地利用變化的主要驅(qū)動因子。

表1 1990—2015年朱家尖島土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

Table 1 Transition matrix of land use types of the Zhujiajian Island from 1990 to 2015 hm2

T1、T2、T3和T4分別為1990—2000、2000—2005、2005—2010和2010—2015年4個時段。

3.4.1 主成分分析

對數(shù)據(jù)進行主成分分析，分析結(jié)果表明前2個主成分的累積貢獻率為92%，滿足85%的最低要求。因此，將前2項作為主成分因子，計算各因子對于原始指標的載荷狀況(表3)。表3顯示，在第1主成分中第三產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員數(shù)、旅游人口數(shù)、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、工業(yè)總產(chǎn)值和國民生產(chǎn)總值5個因子占比較大，作用明顯。旅游人口數(shù)從1999年的63萬人次增加到2014年的482萬人次，為1999年的7.7倍。工業(yè)總產(chǎn)值從2004年的37 380萬元增加到2014年的273 006萬元。第一產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員數(shù)占比較小，這說明經(jīng)濟活動對土地利用的影響非常巨大。在第2主成分中，第二產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員數(shù)因子載荷較大，作用比較明顯。因此，影響朱家尖島土地利用變化的主要驅(qū)動因子為以第二、第三產(chǎn)業(yè)為主的經(jīng)濟活動。

表2 朱家尖島不同階段土地利用動態(tài)度的變化

Table 2 Dynamic degree of the land use in the Zhujiajian Island in different periods

土地利用類型T1T2T3T4建設用地5.31.33.73.4耕地7.23.01.92.0林地1.300.40.4鹽田0.60.10.80.4水塘溝渠1.11.90.80新圍水體1.4004.9草地1.90.12.50.4沙灘0.02000.03海域7.103.55.3綜合土地利用動態(tài)度26.16.313.516.9

T1、T2、T3和T4分別為1990—2000、2000—2005、2005—2010和2010—2015年4個時段。

表3 1990—2015年朱家尖島土地利用影響因子主成分分析旋轉(zhuǎn)成分矩陣

Table 3 Rotated component matrix of land use in the Zhujiajian Island from 1990 to 2015

驅(qū)動因子因子載荷成分1成分2第一產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員數(shù)-0.347-0.869第二產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員數(shù)0.1470.940第三產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員數(shù)0.8340.491旅游人口數(shù)0.8520.447農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值0.925-0.050工業(yè)總產(chǎn)值0.8910.420國民生產(chǎn)總值0.9050.397

3.4.2 橋梁因子分析

舟山跨海大橋始建于1999年，2009年建成通車。1990—1999年，這一階段朱家尖島處于孤立狀態(tài)，2000—2009年，這一階段朱家尖島與群島內(nèi)部的連通逐漸加強，2010—2015年，這一階段朱家尖島與大陸發(fā)生直接聯(lián)系。因此，根據(jù)橋梁建成的時間節(jié)點劃分為1990—1999年孤立階段、2000—2009年內(nèi)部連通階段和2010—2015年連陸階段。朱家尖島作為普陀山觀音文化旅游的一個重要部分，大橋建成最直接的作用是對旅游經(jīng)濟的帶動。研究顯示，1999年朱家尖海峽大橋建成通車，使得普陀山機場的旅客吞吐量比1998年增長約22%，朱家尖中外游客數(shù)量比1998年增加45%。因此，旅游人口數(shù)可以作為間接反映舟山跨海大橋?qū)ρ芯繀^(qū)產(chǎn)生影響的指標。

建設用地作為變化最活躍的土地利用類型，在分析橋梁因子作用時，可用建設用地的變化指示土地利用格局的變化。1997—1999年普陀山機場的修建和2007—2009年郵輪碼頭的修建，使得建設用地面積大大增加，然而，這不是直接由于舟山跨海大橋的修建造成的。因此，在分析橋梁因子的作用時，去除了這部分建設用地面積。

由圖3可知，1990—1999年建設用地的年增長率為27.2 hm2·a-1。2000—2009年，隨著朱家尖海峽大橋的建成，建設用地面積呈快速增長趨勢，隨后放緩，2005年后穩(wěn)步增長。2009年舟山跨海大橋的建成對朱家尖島建設用地的增加無明顯影響。因此，對朱家尖島建設用地增加影響較大的是朱家尖海峽大橋的建設。

圖3 1990—2014年建設用地面積和旅游人口數(shù)的變化Fig.3 Changes in area of built-up land and number of tourists from 1990 to 2014

1990—1999年，由于資料不完整，旅游人口數(shù)數(shù)據(jù)只有1998和1999年2期數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析可知，旅游人口數(shù)的年增長率為8.2萬人·a-1。1999—2009年旅游人口數(shù)的年平均增長率為20.0萬人·a-1。舟山跨海大橋的建成大大加速了旅游人口的增長，2009—2014年旅游人口數(shù)年增長率為42.5萬人·a-1，為前一階段的2.1倍。因此，2次橋梁建設過程都對朱家尖島旅游人口的增長產(chǎn)生影響，并且橋梁連陸對旅游人口數(shù)的影響遠大于群島內(nèi)部連通對其的影響。

如圖4所示，對建設用地面積(y)與旅游人口數(shù)(x)進行回歸分析，其回歸方程為y=1.363 8x+437.5(R2=0.967 2)，建設用地與旅游人口數(shù)之間存在顯著相關(guān)性(P<0.01)。這主要是因為旅游活動的增加會促進相關(guān)基礎設施的建設，同時，基礎設施的增加也會促進旅游業(yè)的發(fā)展。

政策等因子的影響也不容忽視。2012—2030年《浙江舟山群島新區(qū)規(guī)劃》中明確提出將朱家尖島作為普陀國際旅游島群的一部分，重點開發(fā)游艇、郵輪、康體、滑翔、潛水、攀巖等旅游新業(yè)態(tài)和新項目，打造世界一流的海洋休閑度假島群。該規(guī)劃的實施無疑會對朱家尖島的土地利用格局進一步產(chǎn)生重大影響。

圖4 1999—2014年建設用地與旅游人口數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between the area of built-up land and the number of tourists from 1999 to 2014

3.5 土地利用程度

1990、2000、2005、2010和2015年朱家尖島土地利用程度綜合指數(shù)分別為250、255、256、257和260，表明1990—2015年該指數(shù)在不斷增加，這意味著研究時段內(nèi)土地利用程度逐漸變大。1990—2000和2010—2015年土地利用程度綜合指數(shù)的變化較大，而在2000—2010年其變化幅度較小。朱家尖島生態(tài)系統(tǒng)完整性遭到破壞，且破壞程度逐漸加深。

4 結(jié)論與對策

4.1 結(jié)論

基于遙感和GIS技術(shù)手段，通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和土地利用動態(tài)度模型，揭示朱家尖島土地利用格局演變過程，得出以下結(jié)論：

(1)在研究時段內(nèi)，朱家尖島陸地總面積增加694 hm2，土地利用類型發(fā)生較大變化，建設用地面積增加948 hm2(增加521%)，耕地面積減少736 hm2(減少37%)。

(2)海島土地利用變化對橋梁連陸的響應具有明顯的階段性：連陸前，土地利用動態(tài)度先減小后變大；連陸工程建成后，土地利用動態(tài)度變大。在整個研究階段，土地利用程度逐漸變大。

(3)連陸橋梁的建設直接改變了海島與陸地之間物質(zhì)和能量的流通方式，從而間接影響海島的土地利用格局。

4.2 海島生態(tài)系統(tǒng)的保護對策

海島的面積較小，生態(tài)系統(tǒng)抵抗力較弱，一旦遭到破壞，海島生態(tài)系統(tǒng)極易崩潰。然而，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程逐步加快，人口增加和供地不足的矛盾逐漸加深。海島生態(tài)系統(tǒng)的保護迫在眉睫，因此，提出以下建議：

(1)加強對海島土地利用的規(guī)劃。土地是海島最為稀缺的資源，在海島開發(fā)過程中，堅持規(guī)劃先行。防止開發(fā)建設的盲目性，避免無序發(fā)展，使海島的開發(fā)建設活動始終貫徹遵循生態(tài)保護優(yōu)先的規(guī)劃原則。

(2)加強對生態(tài)環(huán)境的保護，促進海島的可持續(xù)發(fā)展。合理限制建設用地規(guī)模，防止城鎮(zhèn)攤大餅式擴張，促進城鎮(zhèn)內(nèi)涵式發(fā)展。切實保護耕地資源，嚴守耕地保護紅線。沙灘作為朱家尖島獨特的旅游資源，對海島旅游具有十分重要的作用，需進行嚴格保護。

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(責任編輯： 李祥敏)

Influence of Connection With Mainland via Bridge on Land Use of Islands: A Case Study of Zhujiajian Island.

ZHANGYun-qing，XIEZuo-lun，LIXiu-zhen，ZHANGQian

(State Key Laboratory of Estuarine and Costal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

The traffic conditions of an island often seriously restrict its development. A sea-crossing bridge connecting an island with the mainland makes the transportation more convenient and its relations closer, greatly stimulating rapid development of the economy on the island, especially a turism-based island economy. The construction of such a bridge will no wonder have some influences on land use of the island. But so far little has been reported on this aspect. Zhujiajian Island was cited as a case for analysis. Based on timing and availability of remote sensing images of the Zhujiajian Island, five remote-sensing images taken at different times during the past 26 years were selected as the source of data for interpretation of the man-computer interaction type. Transition matrix and land use dynamic models were used to illustrate processes of the change in land use, before and after construction of the bridge. Results show that：(1) During the years of 1990-2015, the island increased in total land area by 694 hm2and varied sharply in landscape structure and land use, the area of constriction land increased by 948 hm2(521%), while the area of agriculture land decreased by 736 hm2(37%); (2) The change in land use occurred gradually in coincidence with the construction of the sea-crossing bridge. Before getting connected with the mainland, the island changed slightly in land use with dynamics declining; and once the bridge was erected, it was subjected to great changes in land use; and (3) The bridge has directly changed the pathway of the material and energy flows between the island and mainland, which in turn affects indirectly land use pattern of the island.

land use; island connected with mainland; Zhujiajian Island

2016-08-01

國家海洋公益性行業(yè)科研專項(201505012-4)

F311;X87

A

1673-4831(2017)07-0607-08

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.07.005

張運清(1990—)，男，山東費縣人，碩士生，研究方向為景觀生態(tài)學。E-mail： 1066395481@qq.com

① 通信作者E-mail: xzli@sklec.ecnu.edu.cn