土地覆被变化改变生态系统的结构和功能，进而影响地表各种生态过程^[1]。对土地利用变化的研究，能够直观反映特定区域生态环境健康情况^[2]。通过遥感和GIS实现多种尺度下区域土地利用定量分析，为进一步研究生态功能变化提供依据^[3-4]。随着社会经济的发展，道路桥梁等基础设施在全球范围内迅速蔓延，影响了15%~20%的陆地表面^[5-6]。道路桥梁的建设能够改变区域可达性，进而改变区域土地利用状况并导致生态系统功能的变化^[7-9]。有研究发现道路桥梁的建设，特别是跨海湾或跨江大桥具有显著的“时空压缩”效应，能压缩时间距离，改善交通条件，从而降低互动成本，带动经济发展，进而影响区域土地利用结构及空间格局^[10]。随着中国跨江跨海湾桥隧的建设，相关研究也不断增加，集中于长江跨江通道^[11-13]、杭州湾跨海大桥^[14]和渤海海峡跨海通道^[15]等方面。关于时空压缩效应带来的产业结构、经济发展及旅游空间结构的影响分析^[16]已有报道。吴巍等发现过江通道建设将引起连接区域建设用地的增加，也有学者发现高速公路和城市干道的建设也会引起土地利用变化^[17]。但对于旅游型海岛土地利用变化研究尚不多见。旅游型海岛土地利用变化与非旅游型海岛相比更易受游客数量、出游频率及季节性差异的影响。因此，开展旅游型海岛土地利用变化研究对于更好地开发利用海岛显得十分迫切。

有学者开展了舟山群岛生态系统健康、旅游空间结构及生态安全预警等方面的研究，但是尚缺乏跨海大桥建成前后土地利用变化的研究^[18-19]。宁波与舟山，上海与崇明，上海与大、小洋山港，温州与洞头，福州与平潭，以及湛江与东海岛等多地海岛连陆工程相继建成通车，使得定量评估海岛连陆前后土地利用变化显得十分迫切。笔者以朱家尖岛为例，结合遥感与GIS技术手段，定量评价连陆前后土地利用的变化，以期丰富土地利用变化研究案例，为进一步研究岛屿连陆工程的生态响应机制提供参考。

1 研究区概况

朱家尖岛(29°49′~29°57′ N，122°19′~122°25′ E)位于浙江舟山群岛东南部海域，是舟山群岛的第5大岛，陆域面积约为70 km²。该岛属亚热带季风气候区，夏季易受台风影响，年平均气温约为16 ℃，年降水量为1 200 ~2 000 mm。该岛属于丘陵和海积平原地貌，南部和东部地势较高，北部、西部较低。岛上常住人口为3.4万人，随着舟山跨海大桥的逐步建成，岛上游客接待量快速增加。在海岛旅游快速发展过程中，海岛土地利用变化强烈。

2 数据来源与研究方法 2.1 数据来源与处理

以Landsat-TM影像作为主要遥感数据源，分辨率为30 m，覆盖研究区范围的影像轨道号为117/39。考虑到金塘大桥的建成实现了朱家尖岛与大陆的直接连通、朱家尖海峡大桥将舟山本岛与朱家尖岛连通以及其余桥梁的通车时间(图 1)。

选择2000、2005和2010年影像作为桥梁逐步建成通车过程中的影像，选取1990年作为基期影像，并选择2015年影像以保持研究的现势性。

利用ENVI 5.1软件对遥感影像进行图像校正、图像增强和图像裁剪等预处理。根据研究区土地利用信息特征，在借鉴国内外土地利用分类成果的基础上，结合实际研究需要，将朱家尖土地利用类型划分为耕地、林地、草地、建设用地、水塘沟渠、盐田、沙滩、新围水体和海域(非全部海域，仅为笔者研究涉及的海域部分)9种土地利用类型。基于地类不同的光谱特征，依据历史地图数据，结合实际踏勘结果，建立合适的解译标志，进行人机交互式判读，获取研究区土地利用数据。结合野外GPS验证点、Google Earth高清影像及相关历史图件，采用位置精度评价法，计算遥感影像的解译精度分别为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)，分类效果较好，满足笔者研究需要。相关社会经济数据主要来源于舟山统计信息网、《舟山统计年鉴》(2004—2014年)和朱家尖管理委员会。

2.2 研究方法 2.2.1 土地利用转移矩阵

土地利用类型转移矩阵可反映特定区域特定时段土地利用类型间相互转化的动态过程、结构特征及变化方向^[20]。

2.2.2 土地利用动态度

土地利用动态度分为单一土地利用动态度(K)和综合土地利用动态度(D)，是反映各地类面积变化幅度和速率以及区域各地类变化差异的一种指数，该值越大，表示土地利用动态度越大，土地利用变化越活跃^[21]。K和D计算公式为

$ K = \frac{{{U_{\rm{b}}} - {U_{\rm{a}}}}}{{{U_{\rm{a}}}}} \times \frac{1}{T} \times 100\% , $

(1)

$ D = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {\mathit{\Delta} {S_{{\rm {LU}},ij}}} }}{{2 \times \sum\limits_{i = 1}^n {{S_{{\rm {LU}},i}}} }} \times \frac{1}{T} \times 100\% 。$

(2)

式(1)~(2) 中，K为研究时段内某一年土地利用类型动态度；U_a、U_b分别为研究初期、末期某一土地利用类型面积，hm²；T为研究时段，当T设定为年时，K为研究区某种土地利用类型年变化率；D为综合土地利用动态度；S_{LU, i}为监测起始时间第i类土地利用类型面积，hm²；ΔS_{LU, ij}为监测时段第i类土地利用类型转化为第j类土地利用类型面积的绝对值，hm²。

2.2.3 主成分分析

根据主成分分析法的原理和资料获取的难易程度，选取朱家尖岛2004—2014年第一产业从业人员数、第二产业从业人员数、第三产业从业人员数、旅游人口数、农业总产值、工业总产值和国民生产总值7个指标。

2.2.4 土地利用程度综合指数

土地利用程度综合指数可以反映区域土地利用程度^[22]，该值越大，表示土地利用程度越强，其计算公式为

$ {L_{\rm{a}}} = 100 \times \sum\limits_{i = 1}^n {{A_i} \times {C_i}} 。$

(3)

式(3) 中，L_a为土地利用程度综合指数；A_i为第i级土地利用程度分级指数；C_i为第i级土地利用面积比例；n为研究区土地利用类型数。

根据实际情况，研究区未利用地或难利用地，林地、草地、水域，耕地、园地、人工草地，以及城镇、居民点、工矿用地、交通用地4大类的土地利用程度分级指数分别为1、2、3和4。

3 结果与分析 3.1 土地利用现状与分布特征

2015年土地利用类型结构(图 2)显示，林地面积最大，占总面积的44%，主要分布在南部的大青山、中部的朱家尖大山(又称庙根大山)、东北部的白山-太平岗和西北部的顺母涂山等丘陵山地。耕地面积为1 235 hm²，占总面积的18%，建设用地面积占总面积的17%，主要分布在几座山地之间的淤积平原上。其余土地利用类型较集中地分布在岛屿北侧。总体土地利用格局呈现南部连片分布、北部破碎化分布状态。

3.2 土地利用的历史变化过程

1990—2000年是城镇化及单一基础设施工程直接影响阶段(表 1)。1990年，建设用地、耕地和海域面积分别为182、1 971和694 hm²。2000年建设用地增加约2倍，耕地面积转移25%(增加5%，被占用20%)，海域面积减少105 hm²。新围水体面积增加98 hm²。这一时期是城镇化起步阶段，在大洞岙形成朱家尖行政中心，这与1992年撤销朱家尖区与全岛其余3乡合并设立朱家尖镇相关。此外，相继建成了舟山机场、蜈蚣峙码头、朱家尖海峡大桥、舟山机场至蜈蚣峙码头公路和南沙-里沙公路等基础设施。这一阶段特征表现为基础设施及城镇建设直接占用，使得土地利用类型快速变化。

2000—2005年为朱家尖海峡大桥影响阶段(表 1)。这一时期建设用地增加主要占用耕地，耕地面积减少12%，同时，水利设施修建占用125 hm²耕地(耕地转变为水塘沟渠的面积)。建设用地和耕地之间转化的热点区域主要分布在南沙、里沙和棉增，变化的主要特点是游客客流增加缓慢，土地利用类型变化缓慢。

2005—2010年为连岛桥梁逐步建成的影响增强阶段(表 1)。由于逐步完成连岛工程，交通条件进一步改善，人为建设活动增加。其中，建设用地面积增加40%，耕地面积减少9%，围海面积为233 hm²。在这个时期，建设主要占用耕地，使得耕地面积进一步减少，围海造陆增加了建设用地和草地面积。

2010—2015年为桥梁连陆影响进一步增强阶段(表 1)。建设用地面积增加30%，耕地面积转移11%。在这一时段，围海程度增强，海域面积减少356 hm²，耕地面积减少120 hm²。桥梁连陆工程完成之后，其对朱家尖土地利用变化的影响程度进一步增加。

3.3 土地利用动态度

由表 2可知，不同土地类型动态度变化曲线存在差异。耕地的土地利用动态度逐渐减小且趋于平稳，土地利用动态度在1990—2000年最大，为7.2%，这是因为这个阶段岛内桥梁、机场等基础设施建设直接占用大量耕地。随着耕地资源保护意识的增强，耕地的土地利用动态度逐渐变小。随着连陆跨海大桥的逐步通车，建设用地动态度逐步增加。综合土地利用动态度呈先减小再增加的变化趋势，2000—2005年间土地变化最为缓慢，综合土地利用动态度仅为6.3%，1990—2000年综合土地利用动态度最大，达到26.1%。建设用地的变化能够较好地体现连岛桥梁建设不同阶段土地利用变化特征。

3.4 土地利用变化驱动力分析

土地利用变化驱动力主要分为自然和社会经济2个部分。其中，自然驱动因子主要包括地形、地貌、气候和土壤等方面，在较长时间尺度上起到控制作用。在短时间尺度上社会经济是土地利用变化的主要驱动因子。基于朱家尖岛对应时间序列的社会经济数据，通过主成分分析探讨土地利用变化的主要驱动因子。

3.4.1 主成分分析

对数据进行主成分分析，分析结果表明前2个主成分的累积贡献率为92%，满足85%的最低要求。因此，将前2项作为主成分因子，计算各因子对于原始指标的载荷状况(表 3)。表 3显示，在第1主成分中第三产业从业人员数、旅游人口数、农业总产值、工业总产值和国民生产总值5个因子占比较大，作用明显。旅游人口数从1999年的63万人次增加到2014年的482万人次，为1999年的7.7倍。工业总产值从2004年的37 380万元增加到2014年的273 006万元。第一产业从业人员数占比较小，这说明经济活动对土地利用的影响非常巨大。在第2主成分中，第二产业从业人员数因子载荷较大，作用比较明显。因此，影响朱家尖岛土地利用变化的主要驱动因子为以第二、第三产业为主的经济活动。

3.4.2 桥梁因子分析

舟山跨海大桥始建于1999年，2009年建成通车。1990—1999年，这一阶段朱家尖岛处于孤立状态，2000—2009年，这一阶段朱家尖岛与群岛内部的连通逐渐加强，2010—2015年，这一阶段朱家尖岛与大陆发生直接联系。因此，根据桥梁建成的时间节点划分为1990—1999年孤立阶段、2000—2009年内部连通阶段和2010—2015年连陆阶段。朱家尖岛作为普陀山观音文化旅游的一个重要部分，大桥建成最直接的作用是对旅游经济的带动。研究显示，1999年朱家尖海峡大桥建成通车，使得普陀山机场的旅客吞吐量比1998年增长约22%，朱家尖中外游客数量比1998年增加45%。因此，旅游人口数可以作为间接反映舟山跨海大桥对研究区产生影响的指标。

建设用地作为变化最活跃的土地利用类型，在分析桥梁因子作用时，可用建设用地的变化指示土地利用格局的变化。1997—1999年普陀山机场的修建和2007—2009年邮轮码头的修建，使得建设用地面积大大增加，然而，这不是直接由于舟山跨海大桥的修建造成的。因此，在分析桥梁因子的作用时，去除了这部分建设用地面积。

由图 3可知，1990—1999年建设用地的年增长率为27.2 hm²·a^-1。2000—2009年，随着朱家尖海峡大桥的建成，建设用地面积呈快速增长趋势，随后放缓，2005年后稳步增长。2009年舟山跨海大桥的建成对朱家尖岛建设用地的增加无明显影响。因此，对朱家尖岛建设用地增加影响较大的是朱家尖海峡大桥的建设。

1990—1999年，由于资料不完整，旅游人口数数据只有1998和1999年2期数据，对数据进行分析可知，旅游人口数的年增长率为8.2万人·a^-1。1999—2009年旅游人口数的年平均增长率为20.0万人·a^-1。舟山跨海大桥的建成大大加速了旅游人口的增长，2009—2014年旅游人口数年增长率为42.5万人·a^-1，为前一阶段的2.1倍。因此，2次桥梁建设过程都对朱家尖岛旅游人口的增长产生影响，并且桥梁连陆对旅游人口数的影响远大于群岛内部连通对其的影响。

如图 4所示，对建设用地面积(y)与旅游人口数(x)进行回归分析，其回归方程为y=1.363 8x+437.5(R² =0.967 2)，建设用地与旅游人口数之间存在显著相关性(P＜0.01)。这主要是因为旅游活动的增加会促进相关基础设施的建设，同时，基础设施的增加也会促进旅游业的发展。

政策等因子的影响也不容忽视。2012—2030年《浙江舟山群岛新区规划》中明确提出将朱家尖岛作为普陀国际旅游岛群的一部分，重点开发游艇、邮轮、康体、滑翔、潜水、攀岩等旅游新业态和新项目，打造世界一流的海洋休闲度假岛群。该规划的实施无疑会对朱家尖岛的土地利用格局进一步产生重大影响。

3.5 土地利用程度

1990、2000、2005、2010和2015年朱家尖岛土地利用程度综合指数分别为250、255、256、257和260，表明1990—2015年该指数在不断增加，这意味着研究时段内土地利用程度逐渐变大。1990—2000和2010—2015年土地利用程度综合指数的变化较大，而在2000—2010年其变化幅度较小。朱家尖岛生态系统完整性遭到破坏，且破坏程度逐渐加深。

4 结论与对策 4.1 结论

基于遥感和GIS技术手段，通过土地利用转移矩阵和土地利用动态度模型，揭示朱家尖岛土地利用格局演变过程，得出以下结论：

(1) 在研究时段内，朱家尖岛陆地总面积增加694 hm²，土地利用类型发生较大变化，建设用地面积增加948 hm²(增加521%)，耕地面积减少736 hm²(减少37%)。

(2) 海岛土地利用变化对桥梁连陆的响应具有明显的阶段性：连陆前，土地利用动态度先减小后变大；连陆工程建成后，土地利用动态度变大。在整个研究阶段，土地利用程度逐渐变大。

(3) 连陆桥梁的建设直接改变了海岛与陆地之间物质和能量的流通方式，从而间接影响海岛的土地利用格局。

4.2 海岛生态系统的保护对策

海岛的面积较小，生态系统抵抗力较弱，一旦遭到破坏，海岛生态系统极易崩溃。然而，随着社会经济的快速发展，城市化进程逐步加快，人口增加和供地不足的矛盾逐渐加深。海岛生态系统的保护迫在眉睫，因此，提出以下建议：

(1) 加强对海岛土地利用的规划。土地是海岛最为稀缺的资源，在海岛开发过程中，坚持规划先行。防止开发建设的盲目性，避免无序发展，使海岛的开发建设活动始终贯彻遵循生态保护优先的规划原则。

(2) 加强对生态环境的保护，促进海岛的可持续发展。合理限制建设用地规模，防止城镇摊大饼式扩张，促进城镇内涵式发展。切实保护耕地资源，严守耕地保护红线。沙滩作为朱家尖岛独特的旅游资源，对海岛旅游具有十分重要的作用，需进行严格保护。