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目前，城市化已经成为人类活动改造自然环境的主要方式之一。而由快速城市化过程导致的大规模土地利用/覆盖变化在当前的土地利用和土地覆盖变化研究中显得格外引人注目。原因在于这种快速的土地利用/覆盖变化不仅对气候变化、陆地生态系统地球物理和地球化学循环过程、全球陆地.海洋相互作用有着重要的影响，而且这种快速急剧的土地利用变化同样影响着人类经济收益和社会财富，对于全球粮食安全、水环境安全、人群健康形成较大压力。因此，快速城市化背景下土地利用变化研究成为目前全球变化研究的前沿和热点课题。国际地圈一生物圈计划(IGBP)和全球环境变化中的人文领域计划(HDP)于1995年联合提出“土地利用和土地覆盖变化”(Land use and land cover change，LUCC)研究计划，极大促进了土地变化科学(Land Change Science，LCS)研究的发展。总体上看，目前土地变化科学研究的焦点问题集中在三个方面：①监测和分析全球不同时空尺度下发生的土地利用/土地覆被变化；②综合理解这种人类-环境复合系统的变化的原因、结果和产生的生态效应，以及综合评价这种土地利用变化过程的可持续性；③空间建模模拟土地利用/土地覆被变化及其生态效应，并优化土地利用时空格局。
世界一半以上的人口及其生产和消费活动都集中在占全球面积不到10％的海岸带地区，海岸带地区是快速城市化影响土地用变化的最为活跃的前沿地带。目前，这种变化在经济发展、城市化速度相对更快、人口密度更大的我国东部沿海城市地区显得尤为典型。一个方面，中国人均土地资源短缺，高人口密度带来了该地区严重的“土地赤字”问题；另一方面，在海岸带地区仍存在着严重的盲目土地开发、无序城市蔓延、以及粗放利用土地的现象。这两个方面的双重影响下，该地区的环境和资源发生了前所未有的变化，大量优质农田被侵占，原有的沿海湿地系统正在发生快速的深刻变化，其生态安全和健康水平急剧下降。这种沿海地区土地利用的急剧变化所产生的资源环境的影响已日益制约该地区经济、社会和环境的和谐发展。虽然国内外在城市化驱动土地利用变化及其生态效应方面己经取得了较多的研究成果，但这些研究往往多从单一的过程出发，缺乏对典型快速城市地区土地利用系统性和综合性的全过程研究，尤其在土地利用格局分析、土地利用适宜性评价、土地利用变化模拟及优化等方面的多尺度研究仍显不足。如何对以往的研究理论和方法进行整合和集成，探索土地利用空间格局演变的复杂性、非线性特征，诊断及科学评价土地利用变化方式，优化土地利用时空格局以满足区域经济.社会.环境协调发展的需要，已成为当前研究所需要解决的论题。因此，十分有必要依据格局、效应、评价、优化建模这一研究思路，综合集成遥感(RS)、地理信息系统(GIS)和模型定量化技术方法，研究中国沿海快速城市化地区城市扩张影响生态系统退化的格局与过程以及适应性调控管理对策，具有重要的现实意义和理论意义。
连云港是开展上述研究的理想和典型区域。这是因为2009年，江苏沿海开发已上升为国家战略，这就意味着江苏沿海地区会面临新一轮的开发热度。而实际上，江苏沿海开发，连云港是重中之重；近五年，连云港的城市用地扩展迅速，经济总量增速加快，“连云港速度”令世人震惊。但是这样震惊的连云港速度是通过大量填海造地、侵占优质耕地以及牺牲环境资源为代价换来的。这样的快速城市化及生态系统响应的过程为开展相关研究提供了鲜活的素材。
本研究以2004和12008年两期Landsat TM/ETM卫星遥感影像作为主要数据源，以ERDAS8.7、ARCGIS9.3、ORIGINE8.0作为主要分析平台，利用城市生态学、景观生态学、遥感监测、GIS空间分析建模等定量研究方法，研究4个方面的主要问题：(1)连云港2004-2008年间城市扩张、农田损失、湿地退化的时空特征；(2)连云港快速城市扩张影响生态系统的格局与过程；(3)是否是一种无序、分散、高生态影响的城市蔓延过程，连云港的土地利用是否是一种集约的、可持续利用的方法；(4)在综合考虑生态保护和维持生态系统稳定性、多样性的情况下，连云港未来的城市用地布局应该如何优化配置和科学管理。
在研究连云港2004-2008年间城市扩张、农田损失、湿地退化的时空特征方面。首先，基于光谱特征分析、纹理特征分析以及引入形状特征指数，建立多步骤土地利用分类专家决策树，对2004和2008年两期Landsat TM/ETM卫星遥感影像进行土地利用分类图制作，主要识别水田、旱地、城镇居民点用地、工业用地、近岸海水、滩涂、盐田、河流、水库、坑塘、有林地、疏林地、被损裸露山体十三种土地利用类型。然后，利用空间叠加分析的规则和方法，把2004年和2008年的土地利用分类进行叠加，识别2004-2008年间土地利用的空间变化特征，重点关注城市扩张变化的信息、农田损失的信息、湿地损失的信息。结果显示：农田(包括水田和旱地)是区域内第一主导的用地类型，2004年和2008年农田景观分别占研究区域总面积的52.26％和49.39％。沿海湿地是区域内的第二主导用地类型，2004年和2008年沿海湿地景观分别占研究区域总面积的31.94％和29.99％。与此同时，2004-2008年间建设用地(包括城乡居民点以及工业用地)面积不断扩大，所占区域总面积从2004年的8.2％变成2008年的14.26％，建设用地的景观优势逐年增加。在连云港快速城市扩张的影响下，271.04 km2(2004年水田的11.27％)的水田以及124.34 km2(2004年旱地的20.33％)的旱地转变成了建设用地；从空间上来看，农田转变成建设用地的重点区域主要在城市中心城区、赣榆县中心、灌云县中心、灌南县中心周围的城乡结合部以及区域城市主干道临近区域；另外，研究还发现快速城市化的过程会导致城郊区域的部分农田出现抛荒现象。同样在快速城市扩张的影响下，湿地也存在着严重的退化现象，在过去三年，105.49 km2(2004年盐田的27.54％)的盐田被围填用作工业用地，其中主要的围填区域集中在连云港大浦化工区的北边以及连云港徐圩新区的西北角烧香河和烧香支河交汇处；同时，还有1.74 km2的近岸海域被围填海用作港口开发建设；另外，27.07 km2的坑塘(占2004年坑塘面积的32.18％)以及0.01 km2的水库(占2004年水库面积的0.0047％)损失用于城市开发建设。在所有变化成建设用地的湿地中，盐田占所有转变的77.38％，湿地生态系统的损失以及沿海城市化压力的增大使得北部海州湾水域环境质量产生了急剧的恶化。
在连云港快速城市扩张影响生态系统的格局与过程研究方面，本研究采用了集成的时空监测和分析方法分析空间格局指数(包括面积百分比、变化强度、破碎度、平均斑块面积、最大斑块指数、连通度、分形维数)的时空变化，这些集成的时空监测和分析方法包括城乡梯度带分析(构建了西北-东南走向跨越城市中心城区、赣榆县中心、灌云县中心、灌南县中心的5km×5km大小的18个梯度带采样网格)、空间网格采样分析(覆盖研究区的5km×5km大小的空间采样网格)、时空统计拟合分析方法。结果表明：城市梯度带上所有网格(无论是城镇中心区域网格还是城郊区域网格或者是农村区域网格)都呈现出均一的快速建设用地扩展的特征，这个均一的快速城市扩展特征说明区域内存在着明显的城市蔓延现象；梯度带上距离城市中心和赣榆县中心10-30km内的网格破碎度指数随时间在降低以及平均斑块面积随时间在提高的特征表明这些区域正经历着城市用地的斑块的聚集过程，相反梯度带上其他网格则经历着扩散的空间增长过程；破碎度与城市建设用地比例的空间统计拟合结果表明，城市用地形态随着城市用地比例的提高呈现出“倒U”型的关系，即城市用地形态从起初的分散扩展特征转变成集聚发展的特征，这个形态转变发生的拐点出现在城市用地比例达到40％的时候；而且，本研究不仅印证了这个“倒U”型关系的理论，还发现了快速城市化过程影响下的“倒U”型曲线与慢速或匀速城市化过程的“倒U”型曲线的形态区别，快速城市化过程影响下的“倒U”型曲线会比慢速或匀速城市化过程的“倒U”型曲线更宽及更高；另外，通过统计拟合分析还可以发现，平均斑块面积、最大斑块面积与城市建设用地比例呈现出显著的指数增长关系，连通度则与城市建设用地比例呈现显著的对数关系；最后，空间格局指数的变化与距离城市/县城中心的距离的统计关系结果表明，离城市/县城中心5～20km城乡结合带的格局变化最为复杂、多样和剧烈。
在诊断连云港现在的城市扩张过程的可持续性和集约性方面，本研究首先利用城市用地变化与人口变化弹性系数、城市用地变化与GDP变化弹性系数、城市用地变化与收入水平变化弹性系数、城市用地变化与粮食产量变化弹性系数构建城乡用地效率综合指数，以城区、镇乡为分析单元，评价城市用地的效率集约特征。其次，本研究利用新增建设用地斑块距现有建设用地斑块距离、新增建设用地斑块距城市/县城中心距离，新增建设用地斑块距主要干道距离、新增建设用地斑块面积、新增建设用地斑块所处临域空间建设用地指数构建空间集聚发展综合评定指数，评价和统计新增建设用地相关指标的百分比和空间格局特征。最后，本研究利用新增建设用地斑块距生态敏感区距离、新增建设用地斑块距基本农田保护区距离、新增建设用地斑块距污染严重河流距离构建生态影响综合评定指数，评价和统计新增建设用地相关指标的百分比和空间格局特征。结果表明：中心城区区域、青口镇、宋庄镇、罗阳镇、墩尚镇、花果山乡、云台乡、穆圩乡、小伊乡、板埔乡、伊芦乡、侍庄乡、新安镇、宿城乡、南城镇等用地效率指数较高，而北陈集乡、新集乡、三口镇、宁海乡、四队镇、城西镇等则用地效率指数极低，用地效率低的乡镇需要严格控制用地审批，提高用地效率，做好用地管理；用地集聚度的分析结果表明，12.26％的新增用地表现出明显的用地蔓延特征，84％的新增建设用地表现出初步的用地蔓延特征，而仅有3.76％的新增建设用地是属于紧凑型用地发展方式：36.69％的新增建设用地未落在生态敏感区、基本农田保护区和污染严重的河流临近区域，44.81％的新增建设用地则对生态敏感区、基本农田保护区和污染严重的河流产生一定压力和影响，而18.51％的新增建设用地对生态敏感区、基本农田保护区和污染严重的河流的压力和影响较大。
在平衡城市用地发展与生态保护用地需求优化配置连云港未来城市用地布局方面，本研究首先利用离港口最近距离、离城市主干道最近距离、工业集聚发展指数、土地利用政策制约指数构建工业用地发展适宜性评价指标体系，利用交通可达性指数、潜在大气污染指数、空间临域指数、土地利用政策制约指数构建居住用地发展适宜性评价指标体系，利用旅游空间可达性指数构建旅游用地发展评价指标体系，根据以上适宜性评价指标体系，经过指标标准化处理和AHP方法赋权重，得到三幅在没有考虑生态约束下未来连云港三种主要城市用地(工业、居住、旅游)的适宜度空间评价结果。然后，建立保护海州湾渔场、保护优质农田、严重污染水体区域限批空间约束指数，建立三种不同生态制约的空间发展约束条件。最后，基于三种主要城市用地发展适宜度评价结果以及三种生态约束空间设定，设计四种未来城市用地空间扩展情景，区分近期(2010-2020年)和远期(2020-2030年)，设置四种情景不同时期三种用地的扩展规模，建立用地扩展分配规则，得到四种情景下未来工业用地、居住用地、旅游用地的空间分配优化方案和结果。其中第一种情景主要根据新一轮连云港城市总体规划修编思想来设定，第二种情景考虑保护海州湾渔场的需求，第三和第四种情景充分考虑在云台山周围发展旅游用地和发展江苏CBD的需求。
世界一半以上的人口及其生产和消费活动都集中在占全球面积不到10％的海岸带地区，海岸带地区是快速城市化影响土地用变化的最为活跃的前沿地带。目前，这种变化在经济发展、城市化速度相对更快、人口密度更大的我国东部沿海城市地区显得尤为典型。一个方面，中国人均土地资源短缺，高人口密度带来了该地区严重的“土地赤字”问题；另一方面，在海岸带地区仍存在着严重的盲目土地开发、无序城市蔓延、以及粗放利用土地的现象。这两个方面的双重影响下，该地区的环境和资源发生了前所未有的变化，大量优质农田被侵占，原有的沿海湿地系统正在发生快速的深刻变化，其生态安全和健康水平急剧下降。这种沿海地区土地利用的急剧变化所产生的资源环境的影响已日益制约该地区经济、社会和环境的和谐发展。虽然国内外在城市化驱动土地利用变化及其生态效应方面己经取得了较多的研究成果，但这些研究往往多从单一的过程出发，缺乏对典型快速城市地区土地利用系统性和综合性的全过程研究，尤其在土地利用格局分析、土地利用适宜性评价、土地利用变化模拟及优化等方面的多尺度研究仍显不足。如何对以往的研究理论和方法进行整合和集成，探索土地利用空间格局演变的复杂性、非线性特征，诊断及科学评价土地利用变化方式，优化土地利用时空格局以满足区域经济.社会.环境协调发展的需要，已成为当前研究所需要解决的论题。因此，十分有必要依据格局、效应、评价、优化建模这一研究思路，综合集成遥感(RS)、地理信息系统(GIS)和模型定量化技术方法，研究中国沿海快速城市化地区城市扩张影响生态系统退化的格局与过程以及适应性调控管理对策，具有重要的现实意义和理论意义。
连云港是开展上述研究的理想和典型区域。这是因为2009年，江苏沿海开发已上升为国家战略，这就意味着江苏沿海地区会面临新一轮的开发热度。而实际上，江苏沿海开发，连云港是重中之重；近五年，连云港的城市用地扩展迅速，经济总量增速加快，“连云港速度”令世人震惊。但是这样震惊的连云港速度是通过大量填海造地、侵占优质耕地以及牺牲环境资源为代价换来的。这样的快速城市化及生态系统响应的过程为开展相关研究提供了鲜活的素材。
本研究以2004和12008年两期Landsat TM/ETM卫星遥感影像作为主要数据源，以ERDAS8.7、ARCGIS9.3、ORIGINE8.0作为主要分析平台，利用城市生态学、景观生态学、遥感监测、GIS空间分析建模等定量研究方法，研究4个方面的主要问题：(1)连云港2004-2008年间城市扩张、农田损失、湿地退化的时空特征；(2)连云港快速城市扩张影响生态系统的格局与过程；(3)是否是一种无序、分散、高生态影响的城市蔓延过程，连云港的土地利用是否是一种集约的、可持续利用的方法；(4)在综合考虑生态保护和维持生态系统稳定性、多样性的情况下，连云港未来的城市用地布局应该如何优化配置和科学管理。
在研究连云港2004-2008年间城市扩张、农田损失、湿地退化的时空特征方面。首先，基于光谱特征分析、纹理特征分析以及引入形状特征指数，建立多步骤土地利用分类专家决策树，对2004和2008年两期Landsat TM/ETM卫星遥感影像进行土地利用分类图制作，主要识别水田、旱地、城镇居民点用地、工业用地、近岸海水、滩涂、盐田、河流、水库、坑塘、有林地、疏林地、被损裸露山体十三种土地利用类型。然后，利用空间叠加分析的规则和方法，把2004年和2008年的土地利用分类进行叠加，识别2004-2008年间土地利用的空间变化特征，重点关注城市扩张变化的信息、农田损失的信息、湿地损失的信息。结果显示：农田(包括水田和旱地)是区域内第一主导的用地类型，2004年和2008年农田景观分别占研究区域总面积的52.26％和49.39％。沿海湿地是区域内的第二主导用地类型，2004年和2008年沿海湿地景观分别占研究区域总面积的31.94％和29.99％。与此同时，2004-2008年间建设用地(包括城乡居民点以及工业用地)面积不断扩大，所占区域总面积从2004年的8.2％变成2008年的14.26％，建设用地的景观优势逐年增加。在连云港快速城市扩张的影响下，271.04 km2(2004年水田的11.27％)的水田以及124.34 km2(2004年旱地的20.33％)的旱地转变成了建设用地；从空间上来看，农田转变成建设用地的重点区域主要在城市中心城区、赣榆县中心、灌云县中心、灌南县中心周围的城乡结合部以及区域城市主干道临近区域；另外，研究还发现快速城市化的过程会导致城郊区域的部分农田出现抛荒现象。同样在快速城市扩张的影响下，湿地也存在着严重的退化现象，在过去三年，105.49 km2(2004年盐田的27.54％)的盐田被围填用作工业用地，其中主要的围填区域集中在连云港大浦化工区的北边以及连云港徐圩新区的西北角烧香河和烧香支河交汇处；同时，还有1.74 km2的近岸海域被围填海用作港口开发建设；另外，27.07 km2的坑塘(占2004年坑塘面积的32.18％)以及0.01 km2的水库(占2004年水库面积的0.0047％)损失用于城市开发建设。在所有变化成建设用地的湿地中，盐田占所有转变的77.38％，湿地生态系统的损失以及沿海城市化压力的增大使得北部海州湾水域环境质量产生了急剧的恶化。
在连云港快速城市扩张影响生态系统的格局与过程研究方面，本研究采用了集成的时空监测和分析方法分析空间格局指数(包括面积百分比、变化强度、破碎度、平均斑块面积、最大斑块指数、连通度、分形维数)的时空变化，这些集成的时空监测和分析方法包括城乡梯度带分析(构建了西北-东南走向跨越城市中心城区、赣榆县中心、灌云县中心、灌南县中心的5km×5km大小的18个梯度带采样网格)、空间网格采样分析(覆盖研究区的5km×5km大小的空间采样网格)、时空统计拟合分析方法。结果表明：城市梯度带上所有网格(无论是城镇中心区域网格还是城郊区域网格或者是农村区域网格)都呈现出均一的快速建设用地扩展的特征，这个均一的快速城市扩展特征说明区域内存在着明显的城市蔓延现象；梯度带上距离城市中心和赣榆县中心10-30km内的网格破碎度指数随时间在降低以及平均斑块面积随时间在提高的特征表明这些区域正经历着城市用地的斑块的聚集过程，相反梯度带上其他网格则经历着扩散的空间增长过程；破碎度与城市建设用地比例的空间统计拟合结果表明，城市用地形态随着城市用地比例的提高呈现出“倒U”型的关系，即城市用地形态从起初的分散扩展特征转变成集聚发展的特征，这个形态转变发生的拐点出现在城市用地比例达到40％的时候；而且，本研究不仅印证了这个“倒U”型关系的理论，还发现了快速城市化过程影响下的“倒U”型曲线与慢速或匀速城市化过程的“倒U”型曲线的形态区别，快速城市化过程影响下的“倒U”型曲线会比慢速或匀速城市化过程的“倒U”型曲线更宽及更高；另外，通过统计拟合分析还可以发现，平均斑块面积、最大斑块面积与城市建设用地比例呈现出显著的指数增长关系，连通度则与城市建设用地比例呈现显著的对数关系；最后，空间格局指数的变化与距离城市/县城中心的距离的统计关系结果表明，离城市/县城中心5～20km城乡结合带的格局变化最为复杂、多样和剧烈。
在诊断连云港现在的城市扩张过程的可持续性和集约性方面，本研究首先利用城市用地变化与人口变化弹性系数、城市用地变化与GDP变化弹性系数、城市用地变化与收入水平变化弹性系数、城市用地变化与粮食产量变化弹性系数构建城乡用地效率综合指数，以城区、镇乡为分析单元，评价城市用地的效率集约特征。其次，本研究利用新增建设用地斑块距现有建设用地斑块距离、新增建设用地斑块距城市/县城中心距离，新增建设用地斑块距主要干道距离、新增建设用地斑块面积、新增建设用地斑块所处临域空间建设用地指数构建空间集聚发展综合评定指数，评价和统计新增建设用地相关指标的百分比和空间格局特征。最后，本研究利用新增建设用地斑块距生态敏感区距离、新增建设用地斑块距基本农田保护区距离、新增建设用地斑块距污染严重河流距离构建生态影响综合评定指数，评价和统计新增建设用地相关指标的百分比和空间格局特征。结果表明：中心城区区域、青口镇、宋庄镇、罗阳镇、墩尚镇、花果山乡、云台乡、穆圩乡、小伊乡、板埔乡、伊芦乡、侍庄乡、新安镇、宿城乡、南城镇等用地效率指数较高，而北陈集乡、新集乡、三口镇、宁海乡、四队镇、城西镇等则用地效率指数极低，用地效率低的乡镇需要严格控制用地审批，提高用地效率，做好用地管理；用地集聚度的分析结果表明，12.26％的新增用地表现出明显的用地蔓延特征，84％的新增建设用地表现出初步的用地蔓延特征，而仅有3.76％的新增建设用地是属于紧凑型用地发展方式：36.69％的新增建设用地未落在生态敏感区、基本农田保护区和污染严重的河流临近区域，44.81％的新增建设用地则对生态敏感区、基本农田保护区和污染严重的河流产生一定压力和影响，而18.51％的新增建设用地对生态敏感区、基本农田保护区和污染严重的河流的压力和影响较大。
在平衡城市用地发展与生态保护用地需求优化配置连云港未来城市用地布局方面，本研究首先利用离港口最近距离、离城市主干道最近距离、工业集聚发展指数、土地利用政策制约指数构建工业用地发展适宜性评价指标体系，利用交通可达性指数、潜在大气污染指数、空间临域指数、土地利用政策制约指数构建居住用地发展适宜性评价指标体系，利用旅游空间可达性指数构建旅游用地发展评价指标体系，根据以上适宜性评价指标体系，经过指标标准化处理和AHP方法赋权重，得到三幅在没有考虑生态约束下未来连云港三种主要城市用地(工业、居住、旅游)的适宜度空间评价结果。然后，建立保护海州湾渔场、保护优质农田、严重污染水体区域限批空间约束指数，建立三种不同生态制约的空间发展约束条件。最后，基于三种主要城市用地发展适宜度评价结果以及三种生态约束空间设定，设计四种未来城市用地空间扩展情景，区分近期(2010-2020年)和远期(2020-2030年)，设置四种情景不同时期三种用地的扩展规模，建立用地扩展分配规则，得到四种情景下未来工业用地、居住用地、旅游用地的空间分配优化方案和结果。其中第一种情景主要根据新一轮连云港城市总体规划修编思想来设定，第二种情景考虑保护海州湾渔场的需求，第三和第四种情景充分考虑在云台山周围发展旅游用地和发展江苏CBD的需求。