天津市滨海新区湿地景观格局变化及驱动力分析

樊彦丽，田淑芳

中国地质大学（北京） 地球科学与资源学院，北京 100083

湿地是生态系统的重要组成部分，是自然界最富生物多样性的生态景观，也是人类最重要的生存环境之一，具有巨大的环境功能和效益，如涵养陆地水分、调节地表径流、防御季节洪水、调节区域气候、美化生态环境等（张华等，2007，2009）。然而，随着人口急剧增长和社会经济飞速发展，湿地资源快速退化，部分功能和生物多样性下降甚至丧失，这对人类生产生活和湿地资源可持续利用将会构成严重威胁，因此加强保护湿地生态环境，开展湿地时空变化过程研究具有重要意义。近年来，众多国内外学者展开对典型湿地景观格局演化及驱动力的分析：Wright and Gallant（2007）基于1999年、2001年和2003年的 Landsat影像对美国Lamar谷底湿地进行信息提取并分析其景观格局变化；Davranche et al（2010）基于Spot影像，对Camargue湿地进行分类，并完成其湿地景观格局的变化监测及驱动力分析；查东平等（2015）结合RS和 GIS 技术，以 Landsat遥感影像和 HJ-1A/B 作为基础数据，研究鄱阳湖湿地景观格局变化，为生态经济区发展和生态环境保护决策提供理论依据。关于天津市滨海新区湿地，国内学者也展开了一些研究，孟伟庆等（2010）运用景观格局方法对1979 — 2008年天津滨海新区湿地景观格局进行了动态分析及驱动力分析；穆雪男（2014）基于1976 — 2013年6期遥感影像，分析了天津滨海新区围填海不同时期演进过程、岸线变迁及湿地景观格局时空变化；陈文刚（2017）以1995 — 2015年5期Landsat数据为基础，分析了天津滨海新区海岸带土地利用类型变化趋势及海岸线变化特征。

虽然对天津市滨海新区湿地研究已有一定成果，但目前对于滨海新区湿地分类不够细化，同时大多围绕围填海集中在海岸带湿地区域，本文以此为研究背景，基于Landsat影像，将天津市滨海新区湿地划分为11类，并对其近30年湿地景观格局时空演化进行动态分析、质心分析和指数分析，根据转移变化图和质心位置移动图直观呈现滨海新区30年来湿地演化历程，研究范围覆盖整个滨海新区及其周围海域，另外从自然因素和社会因素分析湿地景观变化的主要驱动因子，着重分析“围海造陆”政策对于湿地变化的影响。

1 研究区域概况

天津市湿地资源丰富，总面积占其国土面积的20.9%，而滨海新区湿地资源最为丰富。滨海新区地处华北平原北部，位于天津市东面，濒临渤海，地理坐标为北纬 38°40′ — 39°00′，东经117°20′ — 118°00′（图 1）；属暖温带半湿润大陆性季风气候；地貌属滨海冲积平原，海拔1 — 3 m；拥有海岸线153 km，陆域面积2270 km2，海域面积3000 km2；区内湿地资源丰富，主要包括浅海水域、滩涂沼泽、河流水域等自然湿地及盐田、坑塘水库、养殖场等人工湿地。

2 材料与方法

2.1 数据来源及研究方法

本研究采用了近30年遥感数据和非遥感数据。遥感数据来源于地理空间数据云Landsat卫星TM数据（1986年、1996年、2006年）和OLI数据（2016年），各影像数据云覆盖率均小于5%，为保持分辨率一致（30 m），对于OLI数据单独采用其多光谱波段。为满足湿地、植被覆盖解译要求，时相统一选择7 — 10月份，既靠近河流湖泊等水体丰水期，又可明显反应水生植物的生长状态（刘洁，2013）。非遥感数据包括天津市行政区划图、2006 — 2020年滨海新区土地利用总体规划图、2009年二调数据成果、2015年北部沿海地区湿地资源矢量数据及野外调查数据。

图1 天津滨海新区位置示意图Fig.1 Location of the study area

本文将天津滨海新区作为研究区，以TM/OLI数据作为主要数据源，配合土地利用规划、二调数据、自然资源综合调查成果数据和野外调查数据等非遥感数据得到研究区四期遥感影像解译图，用定量化方法研究并呈现1986 — 2016年滨海新区湿地景观格局的演化历程，从自然因素和社会因素两方面分析其湿地变化的主要驱动因子，为滨海新区湿地资源保护和科学利用、城市规划以及可持续发展提供有力的依据。

2.2 分类系统

基于天津市滨海新区湿地景观总体特征及研究区内可判读的所有湿地类型，根据“全国自然资源遥感综合调查”中采用的湿地类型划分标准，建立分类体系，见表1。

2.3 数据处理及湿地信息提取

在遥感影像分类解译前，对影像进行预处理，包括影像校正、波段组合（分别合成标准假彩色影像和真彩色影像）及研究区域裁剪，影像的裁剪边界除了需对行政边界做缓冲区外还需包含渤海湾海域地带。

解译以标准假彩色影像为主，真彩色合成影像为辅，依据影像色调、形态、纹理以及野外实地调查照片，建立了滨海新区湿地解译标志；在自然资源综合调查湿地矢量数据基础上，依据上述湿地分类体系，得到滨海新区1986 — 2016年4期湿地分类图（图2）及相应湿地分类统计数据（表2）。

表1 天津市滨海新区湿地景观分类体系Tab.1 Wetland landscape classif i cation system

2.4 精度评价

在研究区生成随机样本点，同时综合研究区二调数据成果和野外调查数据形成检验样本，利用总体精度、Kappa系数对研究区分类数据进行精度评价，结果见表3。由表可知研究区1986 — 2016年4期的总体精度都在90%以上，Kappa系数均在0.89以上，最高可达0.9490，因此分类效果良好，可进行下一步分析。

3 湿地景观格局演化动态分析

湿地提取结果表明：1986 — 2016年30年间湿地资源总面积呈减少趋势（表2），1996年湿地总面积较1986年退化22.319 km2，2006年较1996年退化94.496 km2，2016年较2006年退化最为严重，可达407.947 km2，较1986年累计退化达524.762 km2。其中城市人工景观水面和淡水养殖场呈增长趋势，海水养殖场和农用池塘呈先增后减趋势，而稻田/冬水田、水库、盐田以及各类自然湿地（包括浅海水域、永久性河流、淤泥质沙滩、沼泽湿地）则呈逐年减少趋势，且幅度较大。下文通过各湿地景观类型的转化方式及景观格局指数对滨海新区30年间的动态变化进行详细分析。

图2 1986 — 2016滨海新区湿地分类图Fig.2 Distribution of wetlands between 1986 and 2016

3.1 湿地景观质心分布动态变化

斑块质心是用来描述地理目标空间分布的指标，通过对其位置变化可以判断出研究区湿地景观空间动态变化。通过计算研究区1986 — 2016年4期的湿地资源质心及历年各湿地类型质心，分析研究区的湿地空间变化，质心分布情况见图3。

表2 1986 — 2016年滨海新区湿地景观类型面积及其所占比例Tab.2 Area of wetland and its proportion between 1986 and 2016

表3 1986 — 2016年滨海新区湿地分类精度表Tab.3 Accuracy of wetlands classi fication between 1986 and 2016

滨海新区湿地资源的分布总体集中在中部近海地区（图3a），从纵向来看，1986 — 2006年，湿地资源质心由北向南持续移动，且1986 — 1996年移动幅度较小；2006 — 2016年则向北移动，截止到2016年，湿地资源质心基本位于1986 — 2006年质心中部，湿地资源分布趋于南北分布均匀化（图2，以中间横轴为南北分界线，纵轴为东西分界线），这种移动是由于1986 — 2006年偏北部区域湿地减幅相对南部较大，而2006 — 2016年南部近海区域湿地资源减幅相对北部较大引起的；从横向来看，1986 — 2016年湿地资源质心持续向西推进，这种移动主要是由于沿海湿地退化幅度相对较大引起的。

图3 1986 — 2016滨海新区湿地资源质心分布图（a），1986 — 2016滨海新区湿地类型质心分布图（b）Fig.3 Centroid distribution of wetland between 1986 and 2016 (a),centroid distribution of different wetland between 1986 and 2016 (b)

对于不同湿地类型而言，从移动方向来看，在1986 — 2016年，永久性河流、沼泽湿地、海水养殖场、淡水养殖场、农用池塘质心整体向西南方向移动，浅海水域、淤泥质沙滩、盐田、水库、稻田/冬水田、城市人工景观水面质心均为整体向东北方向移动；从移动幅度来看，永久性河流、沼泽湿地、水库、农用池塘、盐田移动幅度相对较小，淤泥质沙滩、海水养殖场、淡水养殖场、城市人工景观水面移动幅度较大，且对于自然湿地而言均表现出1986 — 2006年移动微小，而2006 — 2016年移动较大的趋势，对于人工湿地而言，则都表现出在1986 — 1996、2006 — 2016年移动幅度较小，而1996 — 2006年变化幅度最大的趋势（图3b）。

3.2 湿地景观类型转移矩阵及分析

转移矩阵从定量角度分析景观结构类型之间的相互转化，能详细地刻画出区域景观变化的结构特征化及各类的转化目标（史培军等，2000）。通过对滨海新区不同时期湿地类型数据进行空间叠加分析（Feng et al，2016），得到研究区各时段湿地类型转移矩阵（表4 — 6）和相应湿地类型转化图（图4），呈现了研究区1986 — 1996 年、1996 — 2006 年和 2006 — 2016年湿地景观类型的面积转移，定量说明了研究区域不同时段内各湿地景观类型之间的相互转化过程，进而更好地呈现了近30年间滨海新区湿地景观的演化历程。

表4 1986 — 1996年湿地景观类型面积转移矩阵Tab.4 Transition matrix of Wetland landscape area between 1986 and 1996 / km²

表5 1996 — 2006年湿地景观类型面积转移矩阵Tab.5 Transition matrix of Wetland landscape area between 1996 and 2006 / km²

表6 2006 — 2016年湿地景观类型面积转移矩阵Tab.6 Transition matrix of Wetland landscape area between 1996 and 2006 / km²

图4 湿地景观转化图Fig.4 Distribution of wetlands change

1986 — 2016年，研究区内湿地景观类型变化呈以下特点：①湿地类型的转化大体呈自然湿地—人工湿地—其他用地的趋势，各时段内末期人工湿地面积较初期有所增加，自然湿地面积大幅减少，且各时段内都有大幅湿地转化为其他用地，这对于保持研究区内生物多样性和区域生态功能都有一定负面作用（表4 — 6）；②各时段沿海区域湿地转化斑块密度较内陆区域大，这与沿海区域主要分布自然湿地类型及滨海新区围海造陆的政策密不可分（图4）；③随时间增长，湿地转化斑块面积增大，数量增多，各类型间转化越来越复杂多样化，以2006 — 2016年最为显著（图4）。

3.3 湿地景观格局指数及分析

研究选取景观斑块密度（PD）、形状指数（LSI）、聚合度指数（AI）三个斑块类型水平指数，及总核心面积指数（TCA）、蔓延度指数（CONTAG）、香农多样性指数（SHDI）三个景观水平指数对30年间研究区景观格局进行动态分析，经反复演算确定的最佳栅格单元大小为30 m×30 m，利用景观生态学软件Fragstats 3.3得到研究区1986 — 2016年景观格局指数（表7 — 8），并将其作为研究区景观格局变化分析的依据。

3.3.1 基于斑块类型水平的指数分析

斑块密度（PD）表示单位面积上斑块数目，表征景观的完整性和破碎化，是斑块破碎化程度最直观的体现。1986 — 2016年，除海水养殖场、水库的PD值呈现出微小的波动外，其余湿地类型均呈现出持续上升趋势，但总体而言，2016年各湿地类型的PD值较1986年都显示出了不同幅度的增加（表7），即各湿地类型的破碎化程度都在不断增强，2006 — 2016年湿地的破碎化程度最为严重。

景观形状指数（LSI）用来反映景观形状的复杂程度，值越大即形状越复杂，一般情况下体现出了人工干预的强度。从总体趋势上看，除海水养殖场外，2016年各湿地类型LSI较1986年均呈现增长趋势，其中淤泥质沙滩、浅海水域、沼泽湿地、农用池塘及稻田/冬水田则是逐年增长，其余各类型LSI虽有一定波动，但都比较微小。就海水养殖场而言，1986 — 1996年LSI呈现出增长趋势，1996 — 2016年则持续减少，这一趋势与1986 — 2016年其面积变化趋势一致，面积的增减伴随着形状的复杂与否，反映出了海水养殖场的变化受人工干扰较大（表7）。

表7 1986 — 2016年滨海新区湿地景观类型格局指数（斑块类型水平）Tab.7 Wetland landscape pattern index between 1986 and 2016 (Patch type level)

景观聚集度指数（AI）反应斑块的离散程度，若一个景观由许多离散斑块组成，则AI值较小，若景观中以少数大斑块为主或同一类型斑块高度连接时，AI值较大。1986 — 2016年，除淡水养殖场外，各湿地类型2016年的AI值较1986年都有一定程度的减少，即各湿地景观类型的斑块趋于分散化（表7），这与各湿地景观面积的减少密不可分。其中城市人工景观水面在1996年出现了较大的波动，由图2可知，1986年城市人工景观水面较少，相应分布较为集中，而1996年人工景观水面有所增加，但均为小斑块且其分布与前期相比较为分散，在此之后，随着城市人工景观水面的大幅增加，其分布密度增大，聚集度指数值也随之发生了变动。另外，就淡水养殖场而言，1986 — 1996年AI呈减少趋势，1996 — 2016年AI则持续增大，1986 — 1996年淡水养殖场面积大幅减少（图2），导致其分布聚集度降低，1996年之后面积持续增加，其聚集度指数随之不断增大，其分布趋于集中。

3.3.2 基于景观水平的指数分析

蔓延度指数（CONTAG）用来表示斑块聚合程度和蔓延趋势，值越大说明景观中斑块类型连接性越好，值越小则说明景观中小斑块数目越多，相应景观的破碎化程度也越高。1986 — 2016年研究区CONTAG值总体表现为下降趋势，即2016年较1986年相比湿地景观的破碎化程度加深。在1986 — 2006年CONTAG值持续下降，而2006 — 2016年则表现出了上升趋势（表8），这是由于在此期间随着城市化进程一些零散斑块消失，而一些较大斑块破碎形成。

总核心面积指数（TCA）指斑块核心面积的总和，即斑块扣除边缘区的内部核心面积，其与斑块边缘效应具有重要关系。一般而言，核心区大而完整的斑块较能发挥生态效益，因此核心区面积的大小一定程度上可以代表湿地生态功能的高低。研究区1986 — 2016年总核心面积持续下降，其中2006 — 2016年下降幅度最大（表8），反映出30年来研究区生态功能持续下降，而2006 — 2016年间最为严重，表明在此期间生态功能在一定程度上遭到了严重破坏。

表8 1986 — 2016年滨海新区湿地景观类型格局指数（景观水平）Tab.8 Wetland landscape pattern index between 1986 and 2016 (Landscape level)

香农多样性指数（SHDI）反映景观多样性水平，SHDI增大说明斑块类型增加或各斑块类型在景观中呈均衡化趋势分布。表8所示该研究区SHDI呈先增后减，在1986 — 2006年SHDI指数逐年上升，而在该区域内没有类型的增加，说明该时间段内各斑块类型在景观中分布趋于均衡化。2006 — 2016年SHDI指数微小下降，说明在该时间段内各景观类别所占比例差异有所增加，景观类别分布更为集中，总体而言，2016年的SHDI指数较1986年呈上升趋势，斑块分布较1986年更为均衡。

4 湿地景观演化驱动力分析

1986 — 2016年滨海新区湿地景观格局演化分析表明，滨海新区湿地景观类型增减变化复杂，空间特征变化明显，区域景观类型变化较大，景观格局日趋破碎化，尤其是在2006 — 2016年最为突出。这一系列变化是自然因素和社会因素共同作用的结果，本研究选取气温和降水两个自然因素及经济、人口、政策三个社会因素，对滨海新区湿地景观格局演化驱动力进行分析。

4.1 自然因素

通过收集天津市气象资料，结合赵玉洁等（2004）的天津市滨海新区50年局地气候变化特征分析，近50年来滨海新区年平均气温呈显著上升趋势，升温幅度约每10年上升0.3℃，而年降水量总体呈现出减少趋势，年际振荡显著。气温的上升，降水的减少导致本区地表蒸发量增大，地表、地下的水源补给减少，这样的趋势在一定程度上对湿地的生存造成了威胁。

4.2 社会因素

（1）经济驱动因子：经济的发展是引起土地利用方式演变及湿地景观格局变化的根本动力，它对于土地利用和湿地景观格局的影响是深层次、全方位的。根据天津市统计年鉴1986、1996、2006、2016（天津市统计局，1986，1996，2006；天津市统计局和国家统计局天津调查总队，2016），1986 — 2016年天津市滨海新区国民生产总值持续增长，其中2006 — 2016年GDP增长迅猛，在2016年达到了100.02×1010元（表9），成为国内首个GDP过万亿元的国家级新区，整体呈指数化增长模式，这与1986 — 2016年滨海新区湿地景观格局发生巨大变化相一致。飞速发展的经济势必加速城市化的进程，城镇边缘用地不断向外围扩张，城镇数量和规模也不断扩大，致使大量湿地被开发占用，促使各类湿地向建设用地大幅转化。1986 — 2016年GDP增长速率与湿地的退化速率呈正相关，与总核心面积指数呈负相关，所以经济的增长对于湿地的退化起到了很强的推动作用，进而引起了生态功能的退化。

表9 1986 — 2016年滨海新区GDP及人口变化Tab.9 Change of GDP and population between 1986 and2016

（2）人口驱动因子：人口是影响湿地景观格局变化的最主要因素之一，人口增长将引起对粮食、住房等方面的需求增加，因此需要不断地扩大建设用地和农业用地的面积，这将导致土地利用类型及结构的变化。湿地作为天津市滨海新区的重要土地利用类型，占到了很大的比重，人口大幅增长引起的土地类型的变化势必引起湿地景观格局的类型和结构发生变化。根据天津市统计年鉴1986、1996、2006、2016（天津市统计局，1986，1996，2006；天津市统计局和国家统计局天津调查总队，2016），1986 — 2016年常住人口增长迅速，2016年达到了297.01万人，近1986年人口的3.6倍，其中2006 — 2016年增长最为突出，增长近195万人（表9），这一增长模式与GDP增长模式一致。人口增长速率与湿地退化速率呈正相关，与总核心面积指数呈负相关。人口的大幅增长势必对湿地景观格局的存在构成巨大威胁。

（3）国家政策驱动因子：国家政策的调控也是引起湿地景观格局变化的重要因素之一。对于滨海新区而言，影响其湿地景观格局变化的最主要政策是“围海造陆”，自2008年以来，天津市滨海新区掀起了一轮围海造陆的浪潮，致使大量淤泥质沙滩及浅海水域自然湿地转化为建设用地等其他用地类型，这也是造成2006 — 2016年湿地景观格局发生巨大转变的原因。

根据1986 — 2016年4期分类数据得到1986 — 1996 年、1996 — 2006 年及 2006 — 2016 年滨海新区填海分布图（图5），30年来滨海新区海岸带湿地在“围海造陆”的政策下退化日益严重。其中2006 — 2016年填海面积（A）最大，达293.096 km2，若以1986年海岸带面积（OA）为基期（1104.520 km2），则退化面积（TA）从1996年的2.15%增到了2016年的26.54%（表10）。随着填海面积的不断增大，滨海新区湿地退化总面积大幅增加，1986 — 2016年填海面积占了湿地退化面积的大部分比例。1986 — 1996年填海面积大于湿地退化面积，这一现象表明在此期间有人工湿地的产生，也进一步反映出填海面积在湿地退化面积中占了很大的比重；1996 — 2006年填海面积占湿地退化总面积的63.55%；2006 — 2016年填海面积占湿地退化总面积的71.85%，所占比重都大于60%（表10）。

图5 1986 — 2016年填海面积示意图Fig.5 Reclamation area distribution between 1986 — 2016

表10 填海面积及湿地退化统计表Tab.10 Reclamation area and wetlands degradation statistics

天津市“围海造陆”的政策使其海岸带湿地严重减少，进而导致滨海新区的湿地面积大幅减少，湿地景观格局发生很大变化，因此“围海造陆”的政策对于天津市滨海新区湿地退化及湿地景观格局的演化起到了十分重要的作用。

综上所述，自然因素和社会因素的共同作用促进了湿地景观格局的转化以及湿地资源的退化，而人为因素相对于自然因素对湿地资源的影响作用是放大的，自然因素为湿地景观格局的转化提供了内在动力，而各项社会因素则大大加速了湿地景观格局的转化和湿地资源的退化。

5 结论

由滨海新区各时期湿地景观格局分布数据及转移矩阵、湿地景观类型转化分析及景观质心的动态变化可知：

1986 — 2016年滨海新区湿地面积累计减少524.762 km2，以 2006 — 2016年减幅最大，达407.947 km2。减少区域集中在环渤海地带的淤泥质沙滩和浅海水域，主要转化为建设用地。随时间增长，湿地景观格局的变化由沿海逐步向内陆推进，各湿地景观类型间转化也越来越复杂，以2006 — 2016年变化最为突出。

1986 — 2016年，湿地景观斑块密度逐渐增大，湿地景观破碎度在日益增强；景观形状日趋复杂，由此体现出人为因素对于湿地景观的干扰日益严重；景观聚集度在指数湿地面积及分布的共同作用下，体现出复杂的变化。整体景观的总核心面积指数不断降低，湿地生态功能日益减弱；伴随零散斑块的消失、大型斑块的碎化，景观斑块蔓延度指数呈现出先增后减的趋势；从香农多样性指数来看，研究区景观斑块分布逐步趋于均衡化。

1986 — 2016年，在气温和降水等自然因素及经济、人口、政策等社会因素的共同作用下，滨海新区湿地景观格局发生了极大变化，其中以2006 — 2016年的变化最为明显。自然因素为湿地景观格局的转化提供了内在动力，而社会因素则加速了湿地景观格局的转化和湿地资源的退化，成为湿地景观格局变化的主要驱动力，其中经济和人口的增减与湿地景观的演化进程呈正相关，即经济增长越快、人口增幅越大，则湿地退化速度越快，且国家政策的调控直接影响到湿地景观格局的变化，应当引起有关部门高度重视。