1976—2009年间天津湿地面积变化特征及驱动因素分析

高 军，王中良 ，2

（1.天津师范大学天津市水资源与水环境重点实验室，天津300387；2.中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，贵阳550002）

湿地具有极高的生产力，每平方米湿地年均可以产生2 kg左右的有机质，仅次于热带雨林的生产力[1]，它与海洋生态系统、森林生态系统并列为全球三大生态系统.然而近200年来，由于人类社会经济活动不断加剧，湿地面积不断减小，其未来发展趋势越来越引起人们的担忧和重视[2].湿地地域面积广大、交通不便，这造成实地的调查研究要耗费大量的人力物力，而遥感技术的不断发展为湿地的监测研究提供了方便[3]，与传统的调查方法相比，利用遥感技术进行湿地资源调查具有客观、准确、经济和高效等优势[4].与此同时，遥感技术已应用于所有湿地类型的研究中[5]，成为对湿地进行监测研究的最为科学的途径[6].随着美国地球资源观测与科学中心（EROS）在2010年将近250万景的Landsat影像免费开放[7]，研究人员对大范围区域的长期监测更为便捷.Bortels和Liesbeth等[8]通过Landsat TM和ETM+以及ASTER影像，对位于希腊阿姆夫拉基亚湾的湿地在1989—2004年间的动态变化进行研究，确定此方法对于决策者和管理者是一种简单、有效和经济的手段.Lyons等[9]使用1972—2010年的Landsat影像，利用面向对象方法制作了昆士兰州东南沿海土地覆被图；Xie和Xu等[10]通过1988、1998和2008共3年的Landsat TM影像对天津古海岸湿地国家级自然保护区进行了土地利用变化研究.发达国家利用遥感技术，对湿地资源实施动态监测研究已成为国家湿地管理与评估的基础内容[11-12].与此同时，各地学者也在不断研究提高遥感分类精度的方法[13]，Zhang等[14]使用多种分类方法并用于提取海岸湿地植被信息，分类精度大大优于单一传统的最大似然法.莫立江等[15]在ENVI EX软件的Feature Extraction平台上，利用Landsat TM影像数据，采用面向对象方法对杭州湾南岸地区湿地景观进行遥感解译，验证了面向对象方法在中低分辨率遥感影像的湿地信息提取中的有效性.本研究使用1976—2009年间的 Landsat影像，在 ArcGIS和ENVI平台上利用面向对象方法，对天津市湿地进行34年间动态变化研究.

1 研究区概况

天津市地理坐标为 N38°33′57″～N40°14′57″，E116°42′5″～E118°3′31″，疆域面积 11 917.3 km2，东临渤海，北依燕山，地处滨海平原，海河流域下游.境内河网密布，水库湖泊众多，坑塘洼淀星罗棋布，具有丰富的湿地资源.海河的五大支流—北运河、永定河、大清河、子牙河、南运河—在此处汇合和入海，素有“九河下梢”、“河海要冲”之称.全市年平均气温12～13℃[16]，年降水量在522.2～663.4 mm，年蒸发量约1 640.1 mm[17].据调查，1920年代天津全域湿地面积达5 471 km2，占全区总面积的45.9%.但到2000年，天然湿地面积比例已由45.9%减少到3.6%[18]，较1950年代减少一半还多（54.7%），其中市区湿地面积下降了80%[19]，时至今日这种减少趋势仍在继续.随着城市的不断扩张和滨海新区的迅速发展，保护湿地资源的重要性日显突出，社会各界开始重新审视这种宝贵的资源，各方面的研究迅速开展.

2 研究技术和路线

2.1 建立分类体系

按照国家生态环境现状调查的湿地分类体系，湿地类型分为人工湿地和天然湿地2大类，天然湿地包括河流、沼泽、湖泊和滩涂4个二级类型；人工湿地包括水稻田、坑塘、水库、沟渠和盐田5个二级类型.根据天津市湿地特点将湿地分为：海滩、河流湿地、湖泊库区湿地、沼泽湿地、盐田湿地、坑塘湿地和水稻田湿地[19].

2.2 数据来源

考虑到研究区域的尺度问题，本研究的主要数据源为LandsatMSS、TM和ETM影像（TM和ETM的分辨率为30m，MSS的分辨率为60 m）.在陆地卫星Landsat TM/ETM+的轨道上，天津市位于WRS 122-32和WRS122-33.影像的成像时间分别是1976年、1984年9月、1992年7月、1999年8月、2001年9月、2005年9月和2009年9月，除1976年影像为9月2号、9月20号、10月7号3幅影像拼接而成之外，其他影像均由2景成像时间一致的影像拼接而成，共15景Landsat影像.高程数据使用Version 1 of the ASTER GDEM数据，研究区边界通过对天津市行政区划图得到.

2.3 数据处理

首先在ArcGIS平台上对天津市行政区划图进行地理配准和矢量化，从而得到研究区的矢量边界，该矢量边界将作为下一步遥感影像裁剪的依据.分别对各景Landsat影像在ENVI平台中进行预处理，包括地理配准[20]、图像裁剪和空间增强.通过对ASTERGDEM进行图像镶嵌、图像裁剪和投影转换得到天津市的DEM数据.将DEM影像与经过处理的Landsat影像进行波段叠加，使Landsat影像增加DEM波段，为之后在ENVI EX中的面向对象分类提供辅助信息.

2.4 湿地信息提取

本研究使用面向对象的分类方法[16]，该方法突破了传统分类方法以像元为基本分类和处理单元的局限性，以含有更多语义信息的多个相邻像元组成的对象（含超级对象和子对象）为处理单元，可以实现较高层次的遥感图像分类和目标地物提取[21].面向对象的分类方法首先对遥感影像进行分割，得到同质对象（又称基元），再根据影像分类要求或者目标地物提取要求，通过分析计算目标地物的多种特征（如光谱特征、几何特征、结构特征、纹理特征和空间位置等），达到对遥感影像分类或目标地物提取的目的.

对分割后的图像采用建立规则分类.对于湿地信息来说，7波段（2.08～2.23μm）对于区分不同泥滩类型有重要的作用，且湿地植物在TM/ETM+7波段有特定的反射光谱.在TM7波段内，不同植物种类的区别较大，有利于湿地结构的识别.5波段（1.55～1.75μm）对于水分反应敏感，将其用于合成影像，有利于沼泽发育程度的分析判断[22].4波段（0.76～0.90μm）可用于测量生物量和作物长势、区分植被类型、绘制水体边界、探测水中生物的含量和土壤湿度，有利于增强土壤-农作物与陆地-水域之间的反差.经过试验分析对比确定，将TM/ETM+4、5、7波段作为湿地信息提取的主要依据.MSS影像只有4个波段，前3个波段为湿地信息提取的主要依据.

除光谱特征外，在制定规则提取地物信息时，还将结合几何特征和纹理特征等信息.建立规则分类的方法与决策树方法类似，不同之处在于规则分类法进行运算处理的对象不是单独的像元，而是已经经过分割和定义的基元.这些基元不单有光谱信息，还可以通过对其空间信息、纹理信息和HIS色彩信息制定相应的规则以提取目标地物.

通过基于规则的面向对象分类法得到天津市土地覆被矢量图后，将此矢量图在ArcGIS10中进行目视解译，纠正错分的地类，进一步提高分类精度.

3 结果与分析

表1为1976—2009年天津市各类湿地面积的统计情况.

对表1中数据进行分类统计，得到1976—2009

表1 1976—2009年天津市各湿地类型面积统计Tab.1 Statisticsof variouswetlands type in Tianjin from 1976 to 2009km2

年天津地区湿地面积的变化情况，结果如图1所示.

由图1可以看出，湿地总面积显现出一个先增长后减少的过程，面积变化幅度达到1 568.54 km2.图1中，天津市湿地总面积曲线与人工湿地面积的曲线走势十分相似，其相关系数达到0.997，表现出极大的正相关性.而天津市湿地总面积和天然湿地面积的相关系数为-0.849，表明天津市湿地总面积受人工湿地面积的影响大.

3.1 人工湿地

对1976—2009年天津地区各类人工湿地面积的变化情况进行统计，结果如图2所示.对比图1和图2可以看到，天津市人工湿地与水稻田湿地的变化趋势在1976到2001年间完全一致.这是因为在此期间，水稻田湿地占人工湿地比例逐步上升，至1999年所占比例为47.19%，而其在1999年至2001年的迅速减少导致人工湿地面积在1999年—2001年的下降.

3.1.1 坑塘湿地

本研究将坑塘湿地定义为面积小于11 000 m2的水面，由于MSS分辨率过低，无法提取坑塘信息，因此1976年和1984年没有数据（表1）.坑塘湿地零星分布于天津市全市境内，虽然其斑块数量众多，但因其个体面积小，总面积并不大（最大值为37.42 km2，最小值为12.73 km2），因此坑塘湿地对天津市湿地总体状况影响不大，故不做细致讨论.

3.1.2 盐田湿地

盐业是天津市传统工业，自清康熙年间，盐田便在塘沽区和汉沽区沿海位置应运而生.表1和图2表明，自1976年，天津的盐田湿地一直不断减少，其中，位于汉沽区内的盐田湿地变化较小，但塘沽区内的盐田湿地则变化明显，如图3所示.

由图3可知，位于塘沽区中部、天津港北部的大片盐田，面积为60.38 km2，在2001消失了大部分，通过图像叠加分析得出，在1976年到2001年期间，此片盐田消失了53.96 km2，至2009年，此处的盐田已经消失殆尽，且消失的部分全部变更为城市建设用地.

位于塘沽区南部的盐田在天津市总盐田中比重较大.1976年，其面积达到98.52 km2，占当年盐田湿地面积的48.16%，2001年此部分盐田面积减少了29.71 km2，减少部分的用地类型变更为湖泊库区湿地，但在随后10多年间，这部分盐田没有大的变动.虽然在2001年这部分盐田面积有所减少，然而其所占盐田湿地总面积的比例在当年却上升了5.25%.

位于塘沽区最北部的盐田在2001年至2009年期间逐步被开发成城市建设用地.位于汉沽区内的盐田湿地自1976年起便没有明显变化，总面积一直保持在40 km2左右.

3.1.3 湖泊库区湿地

湖泊库区湿地的面积在研究时间段内增长显著（图2），2005年达到1 416.98 km2，相比1976年增加了910.75 km2.由图2曲线可以看出湖泊库区的面积在1984—1992年8年间快速增长，1992—2005年13年间虽然也有增加，但增长缓慢，且在2005—2009年4年间又减少到1992年的水平.

1976年天津市湖泊库区主要由于桥水库、沿海养殖区、北大港和南大港水库组成，除此之外，只在西青区东北部存在少量养殖鱼塘，天津市其余地区少有湖泊库区分布.1992年，天津市湖泊库区增长明显，其增长原因可归结以下几点：（1）沿永定新河下游，在东丽区和塘沽区内开发了大片湖泊库区用于养殖；（2）西青区在东部和中部地区也大力开挖湖泊库区，新增湖泊库区湿地110.71 km2，占西青区总面积的18.52%；（3）位于大港区内北大港和南大港之间的地区也有大部分转变为湖泊库区；（4）静海县内毗邻独流减河建设了团泊洼水库，其水面面积在1992年达到50.10 km2.

湖泊库区湿地面积在1992年至2005年间的缓慢增加主要得益于全市各县区的小面积水域，其斑块众多，增长显著：（1）位于静海县团泊洼水库东部的湖泊库区增加了13.35 km2，接近原面积的2倍；（2）南大港内沼泽湿地全部消失变为湖泊库区湿地，自2005年起，南大港全部被水面所覆盖，转变为湖泊库区湿地，沼泽湿地消失，此情况一直延续至今；（3）大黄堡湿地在1992年以沼泽湿地为主，这段期间部分沼泽湿地被逐步开发成湖泊库区，导致大黄堡范围内的湖泊库区面积增加显著.

在之后的2005—2009年共4年间，湖泊库区湿地面积减少了265.09 km2，恰好回归至1992年水平，团泊洼水库和北大港水库的变化是引起此次变化的主要因素.除此之外，处于永定新河下游，位于东丽、宁河和塘沽三县区交界处的人工水域用地类型发生改变；汉沽区因城镇建设，部分水域被填埋，改成城市建设用地；西青区内鸭淀水库水量不足，使得周围一些水域变为沼泽湿地；津南区内的天嘉湖因正处于商业开发施工期间，大部分水面被暂时掩埋.

3.1.4 水稻田湿地

天津市水稻田湿地在1990年代增长迅速，而在2000年后又迅速降回到1980年代的水平.在1980年代天津市水稻种植集中于宝坻、宁河和蓟县南部，相比1999年，此时水稻面积并不大.1990年代初期，水稻种植飞速发展，种植区域主要集中于天津市中部和东部的宝坻东南部、宁河、东丽和津南区，短短8年间水稻面积增长779.72 km2，并在1999年达到最大值.而1999年和2000年，天津市平原区降水稀少，降水量分别只有335.1 mm和371.2 mm[23]，不利于水稻种植.而在接下来的2001—2003年，天津市环境干旱，水稻灌溉均借助地下水，不断增加的种植成本导致水稻生产的经济利益不断下降，甚至入不敷出，因此水稻田湿地发生剧减.

3.2 天然湿地

天津市天然湿地在1976年至1984年间增加了41.59 km2，但在1990年代末期一路减少，此时天然湿地占总湿地面积的比例也由49.14%减少到18.85%.21世纪后，天然湿地面积开始增加，截止2009年，天然湿地在湿地总量中的比重增长至34.5%.图4为1976—2009年天津地区各类天然湿地面积的变化趋势.

3.2.1 河流湿地

天津市河流湿地面积总体变化平稳，只在1999年因为干旱下降较为严重.1999—2009年，河流湿地面积逐步增加.2005年，基本达到1980年代水平；2009年，河流湿地面积超过20世纪七八十年代，达到30多年来最大值.

1999年独流减河干涸严重，除西琉城大桥附近尚有水面覆盖外，整个西青区和静海县内的独流减河均接近干涸状态.而流经大港区的独流减河段，其河面在往年间都较为宽广，平均达200 m（约7个像元），而在1999年，河面宽度只有1个像元.

除独流减河消减严重外，武清、宁河和静海境内的河流大部分消失.1976年武清境内有2条贯穿全境的河流，其水域面积为15.86 km2，到1999年时这2条河流的大部分已经无法识别，可识别出的河段面积只有1.78 km2.宁河境内河流丰富，河流湿地面积在1976年时为45.71 km2，至1999年只剩下21.02 km2.静海县西部有2条河流直通南北，1999年，其中一条已经消失，另外一条也因河面收缩，北半部信息已经无法识别.

2009年，天津市全境内的河流数量增加，河网密度上升.这些增加的河流中，部分是本来就存在的，只是由于之前的河面宽度过小，不足以达到地表信息提取的最低要求；其他增加的河流是1980年代之后为引流各大河流用于农业灌溉新开凿的.

3.2.2 海滩

天津市无沙质海滩，汉沽、塘沽和大港沿渤海湾地带皆是泥质海滩.本研究将海滩定义为沿海浅水区域，图3显示了天津市海滩面积总体呈现逐步减少的趋势.

1976年时天津市渤海湾与陆地之间还是天然过渡带，之后逐渐在渤海湾修筑了沿岸堤，将陆地边界向海域推进，导致海滩减少；其次，滨海新区的建设势必会对部分海岸进行开发利用，进一步侵蚀海滩；再次，天津市的填海造陆工程对其周围海域有明显影响.除去人为因素，影响海滩面积还有潮汐作用.因为潮汐的存在，影像获取的时间会对海滩信息有着很大影响，若是影像获取时恰逢落潮，则海滩面积会增加很多；若是赶在了涨潮时间，则海滩面积就会缩减明显.图3中曲线下滑平缓，2005—2009年出现剧降，此处的曲线变化便是因潮汐的影响.

3.2.3 沼泽湿地

沼泽湿地作为区域生态系统的重要组成部分，具有调节区域气候、净化环境和维持区域水分平衡等多种自然功能[24].天津市沼泽湿地主要集中于武清、宁河、塘沽和大港4个区县，位于武清的大黄堡湿地、宁河的七里海湿地、大港的南大港和北大港水库及其北部的独流减河两河道之间的地域是天津沼泽湿地的主要分布区，另外塘沽区黄岗水库二库南部还有大片沼泽湿地存在.这4处是天津市沼泽湿地的主要分布区域，占据天津市沼泽湿地总面积的90%以上，自1976年至2005年这4处的沼泽湿地是天津市沼泽湿地变化的决定因素.

天津市沼泽湿地面积在1976—2001年间，总体变化并不显著，只在1980年代略有增加.而在2001年后却出现了迅速缩减和快速增长的过程.1980年代沼泽湿地的增加主要是受大港区内沼泽湿地的影响.北大港水库和南大港因降水量的变化，其地物类型会在沼泽湿地和湖泊库区湿地之间相互转换，并且变动频繁剧烈.这是此次增加的主要因素.另外一个因素是大黄堡内沼泽湿地的增长.1984年位于大黄堡东部与尔王庄水库之间出现大片沼泽湿地，并且北部的沼泽湿地也有部分扩展.

图3中，在2001—2005年间，沼泽湿地的面积下滑明显，已经减少到300 km2以下，计算得出此段时间内的沼泽湿地面积减少了59.25 km2.在这段时间内，大黄堡湿地内部分沼泽湿地被开发成鱼塘使用，沼泽湿地面积减少达16.02 km2.东七里海一片沼泽湿地被改为鱼塘使用，此次变更的面积为1.66 km2，为东七里海总面积的9.2%.大港区内沼泽湿地面积减少了40.61 km2，对其贡献最为突出是北大港水库和南大港.

在2005—2009年的5年间，沼泽湿地增加迅速，主要源于北大港水库、团泊洼水库、东丽湖及其周边和塘沽区的填海造陆工程所在地这4处的变化.北大港水库在2009年时，库存水量稀少，水域面积严重缩减，沼泽湿地大量扩张，除了西北角和西边小部分区域外皆变为沼泽湿地，此时北大港水库内水域面积只有原来面积的9.81%.团泊洼水库与北大港相类似，沼泽湿地已达到总面积的77.92%，甚至在库区西北部还出现小片的旱地.团泊洼东部有大片鱼塘，此时部分鱼塘内因没有注水而暂时变为沼泽湿地.东丽湖在2009年时因施工建设，湖内水源被排空，使得整个东丽湖变为一片沼泽.东丽湖周围的众多鱼塘，也因东丽湖的影响暂时变成了沼泽.塘沽区内进行的填海造陆工程其工艺方式决定了其工程范围内的海域要经过海洋-沼泽-陆地这一变化过程.在这段时间内，塘沽区因填海造陆工程增加沼泽湿地面积33.96 km2，此时增加的沼泽都是由筑堤围涂而形成的.但随着工程的进行，沼泽化的地区会逐步变为陆地，即塘沽区内新增的沼泽湿地会随着填海造陆工程的进展而逐步消失，并且这些暂时的沼泽湿地对生态环境的影响也不大.

4 结语

通过对1976—2009年天津湿地的变化情况和驱动因素进行分析可以看出，人类活动是天津市湿地变化的主要驱动因素.相比1970年，天津市湿地总量虽然还是有所增加，但天然湿地面积却一直减少.虽然2009年天然湿地罕见地有所增长，但这其中团泊洼水库占了主要部分，并且近年来团泊洼也是处于开发状态，受人为影响十分严重，土地利用类型变更迅速.这几十年来，天津市天然湿地的存在状态不容乐观，但值得肯定是，2000年以后天然湿地总体变化很小，这说明了对湿地保护工作的落实.在天津市的主要沼泽湿地中，大黄堡湿地是受人为影响最为严重的地方，大面积地开挖鱼塘，导致其生态价值大幅降低.七里海由于政策的保护，分成东西七里海.其中东七里海北半部被开发出了2片水域，且其水域面积较广；西七里海被保护的较好，只有东北角一小片地区改成水域.北大港水库则是受人为干扰最小的地方，但是其受降水等自然条件的影响较大，使得沼泽和水库间没有明显的界限，并且相互之间转换频繁.

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