福建省滨海湿地人类活动影响强度时空分异及经济驱动机制

洪 兵,林巧莺,,俞 慎,张德健,杨丽丽

(1.中国科学院城市环境研究所 城市环境与健康重点实验室,福建 厦门 361021;2.中国科学院大学,北京 100049;3.泉州师范学院 资源与环境科学学院,福建 泉州 362000;4.厦门理工学院 计算机与信息工程学院,福建 厦门 361024)

人类活动影响下生态环境演变及其响应研究是平衡区域发展与环境问题的重要命题,也是当前人类社会可持续发展首要解决的科学问题。滨海湿地位于海陆过渡带, 被誉为“地球之肾”, 是一种重要且脆弱的生态系统[1-4]。 全球50%的湿地、 35%的红树林、 30%的珊瑚礁和29%的海草正在持续消失或退化[5-8]。 快速城镇化和密集人类活动是驱动自然滨海湿地消失或退化的主要原因[9-13]。 中国是快速城镇化的发展中国家, 沿海地区是人类活动最密集的区域。 至2015年, 超43%的中国人口居住在沿海省市[14], 滨海湿地资源呈现消失及退化现象。 由美国保尔森基金会、 中国国家林业局、 中国科学院地理科学与资源研究所联合调查的中国滨海湿地报告指出, 过去50年间我国已损失53%的温带滨海湿地、 73%的红树林和80%的珊瑚礁[15]。 1949—2008年期间, 16 878 km2的滨海湿地被开垦利用, 预计至2020年还将开垦约5 880 km2的滨海湿地[16]。 滨海湿地人类活动影响强度及其空间分异研究已成为滨海湿地损失及退化研究的热点问题之一[2, 13, 16-17]。

福建省位于我国东南沿海, 滨海湿地资源丰富, 是我国17个生物多样性保护重点区域之一[18]。 但福建沿海人口密集、 经济发达,密集的人类活动已造成大量滨海湿地资源消失或生态环境退化[18-19]。 本研究应用Erdas Image 和ArcGIS软件, 对1990—2015年多期遥感影像进行目视解译, 获取福建滨海湿地景观25年间的动态变化, 分析福建滨海湿地土地流转以及人为干扰度的时空演变规律, 探讨滨海湿地人类活动影响强度的经济驱动机制, 为福建省及沿海各省滨海湿地保护与管理提供参考依据, 为平衡沿海地区经济发展与滨海生态环境保护提供科学参考依据, 也为沿海地区“新型城镇化”建设的“可持续发展”提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

福建省位于我国东南沿海,23°33′N—28°20′N,115°50′E—120°40′E,海岸线总长6 128 km,其中大陆岸线3 752 km,居全国第二位。本研究以福建1990年滨海湿地(包括自然滨海湿地和养殖区、 水田等农业湿地)为研究区范围,北至宁德福鼎市,与浙江省毗邻;南至漳州诏安县,与广东省毗邻;向海方向,以近海海域6 m等深线为边界;向陆方向,以1990年滨海湿地陆上边界为基准。研究区域面积共计7 654 km2。

1.2 数据来源与处理

考虑到人类活动对滨海湿地的影响近年来显著加强, 本次研究选取了1990、 2000、 2005、 2010和2015年的遥感影像数据进行研究。 遥感影像均来自美国陆地资源卫星(Landsat), 1990和2000年为Landsat 5 TM影像、 2005和2010年为Landsat 7 ETM+影像、 2015年为Landsat 8 OLI_TRIS影像。 所有遥感影像均由全球土地覆盖数据库( http://www.landcover.org/data/)和中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台( http://www.gscloud.cn/)下载获取。遥感影像数据空间分辨率均为30 m,Landsat 5 TM影像和Landsat 7 ETM+影像由5、4、3波段合成彩色影像、Landsat 8 OLI_TRIS影像由6、5、4波段合成彩色影像。影像配准以2010年遥感影像为基准,对1990、2000、2005和2015年影像进行二次多项式配准,均方根误差控制在0.5像素之内。由于不同时相遥感影像拍摄时潮汐位置不同,因此在根据遥感影像解译滨海湿地过程中,尽量参考1990—2015年间处于最低潮位的影像进行解译。近海海域6 m等深线根据美国国家海洋和大气管理局的国家地理数据中心( http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html)提供的全球地形模型(ETOPO 1)提取。

1.3 滨海湿地景观分类和人为干扰度指数(HDI)

结合《全国土地分类》(试行)和福建滨海湿地的现状, 将福建滨海景观分为自然滨海湿地(包括浅海海域、 滩涂、 河口海域、 红树林和沙滩等)、 农业用地(包括养殖和水田等农业湿地)和建筑用地3种类型(表1)。

表1 福建省滨海景观类型及其干扰度系数

人为干扰度即人类生产等活动对生态环境的强度[20],不同的湿地景观类型代表着不同的人类开发利用强度[21]。本文参照孙永光等、梁发超等、陈爱莲等和陈鹏等的研究成果[17, 21-23],结合研究区域湿地实际情况确定干扰度系数(表1), 通过构建人为干扰度(human disturbance index, HDI)模型来表征福建省滨海湿地的人类活动影响强度,HDI的计算公式为[22]

(1)

式中:n为景观类型;Ai为采样网格中第i种景观类型的面积(km2);Aj为采样网格的面积(km2);Pi为第i种景观类型所反映的人为干扰度系数。

本文采用1 km×1 km的网格覆盖研究区域,利用HDI公式的计算结果赋给每个网格中心点,通过反距离加权,得到不同时期人为干扰度强度空间分布图,获取福建省滨海湿地人类活动影响规律。

1.4 滨海湿地人类活动影响强度的城镇化响应

将式(1)计算得到的福建滨海湿地人为干扰度分为5等级:0～0.2为未干扰、0.2～0.4为轻微人为干扰、0.4～0.6为中等人为干扰、0.6～0.8为强人为干扰、0.8～1.0为强烈人为干扰。利用ArcGIS软件分区统计福建省沿海县市滨海湿地人为干扰度。从《福建省统计年鉴》收集1990、2000、2005、2010和2015年各沿海县市社会经济数据,包括国民生产总产值、第一产业产值、第二产业产值、第三产业产值和年末人口总数等。利用SAS统计分析软件,对福建省沿海县、市滨海湿地人为干扰度与社会经济因子进行Pearson相关分析。

2 结果与分析

2.1 福建滨海湿地资源时空动态变化

1990—2015年间福建省自然滨海湿地资源面积呈持续减少趋势(图1), 从1990年6 961 km2减少至2015年6 569 km2, 共损失392 km2。 其中, 滩涂的损失率最大, 25年来有35%的滩涂已消失, 共减少86 km2, 年均减少率达1.4%, 2005—2010年间, 滩涂的年均减少率最大, 高达3.3%。 河口水域也持续减少, 共减少30 km2, 年均减少率达0.3%, 2010—2015年间, 河口水域年均减少率最大, 达到0.7%。湖泊和沙滩也是持续减少,分别减少了0.99 km2和8.1 km2,年均减少率达到0.7%和0.5%。红树林湿地呈现增加的趋势,1990—2015年间增加了3.8 km2, 年均增长率达到2.7%, 2015年达到9.4 km2。 农业湿地包括水田和养殖区则呈现先增长后减少的趋势, 由1990年693 km2增加至2010年809 km2(增加116 km2), 尔后至2015年减少了45 km2, 较1990年增加71 km2。 其中, 养殖区亦呈现先增长后减少的趋势, 1990—2010年间增加了181 km2,较1990年增加了41%,年均增长率为2%,2005—2010年间增长率最大,高达2.9%;尔后至2015年养殖区减少了21 km2,年均减少率为0.7%。水田则呈持续减少趋势,从1990年249 km2减少到2015年160 km2,减少了89 km2,年均减少率为1.4%。建设用地呈持续增长趋势,从1990年到2015年增加了322 km2。

从25年来福建滨海湿地土地流转的空间分布(图2)可知, 自然滨海湿地(包括滩涂、 河口水域、浅海水域、 沙滩、 红树林和湖泊池塘)流转为农业用地(养殖区和水田)的区域主要集中在宁德、福州、 泉州和漳州附近, 自然滨海湿地流转为建设用地的区域主要集中在厦门、 泉州、 莆田和福州部分区域, 以浅海水域流转成建设用地及滩涂流转成建设用地为主。 农业用地流转为建设用地的区域也主要集中在厦门、 泉州、 莆田和福州部分区域。

图1 1990—2015年福建滨海湿地面积变化(浅海水域除外)Fig.1 Changes of coastal wetlands in Fujian from 1990 to 2015

图2 1990—2015年福建滨海湿地土地流转空间分布Fig.2 Spatial distribution of land conversions of coastal wetlands in Fujian from 1990 to 2015

2.2 人为干扰度时空动态变化

2.2.1 福建滨海湿地人为干扰度的动态变化 人类活动是导致福建滨海湿地变化的主要因素。从图3可看出,1990—2015年期间,福建滨海湿地的人为干扰度不断加强,除了未干扰(0～0.2)这一等级减少外,其他等级都有不同程度的增加。其中,强烈人为干扰(0.8～1.0)增加幅度最大,2015年较1990年增加了203 km2,仅2010—2015年间就增加了93 km2,年均增长率为16.9%；其次是轻微人为干扰(0.2～0.4)增加幅度也较大,增加了166 km2,年均增长率为1.7%,2000—2005年间,年均增长率最大,达到2.4%；25年来中等人为干扰(0.4～0.6)和强人为干扰(0.6～0.8)分别增加了114和123 km2,年均增长率分别达到1.97%和1.2%。这主要是因为随着城镇化的发展,浅海水域、滩涂和河口水域等自然滨海湿地被开发围垦成养殖区或建设用地,自然滨海湿地其他类型或农业湿地被开发成建设用地。

图3 1990—2015年福建滨海湿地人为干扰度等级构成变化Fig.3 Composition changes of human disturbance of coastal wetlands in Fujian from 1990 to 2015

2.2.2 福建滨海湿地人为干扰度的空间变化 1990—2015年间福建滨海湿地人为干扰空间分异特征显著(图4)。 1990年福建滨海湿地人为干扰度中高值区(人为干扰度>0.6)零星分布,主要集中在福州市的连江县、福州市辖区、福清市和莆田市辖区的沿海地区;宁德市沿海干扰度强度相对较小。随着人类活动的加强,对滨海湿地的影响不断增加,自然滨海湿地逐渐被开发转化成农业湿地和建设用地, 部分农业湿地也转化为建设用地, 滨海湿地的人为干扰度不断加强。 到2015年, 福建沿岸滨海湿地人为干扰度明显加强,福州、莆田、厦门、泉州和漳州等地沿海形成明显的人为干扰带。

图4 1990(a)、2015(b)年福建滨海湿地人为干扰度空间变化Fig.4 Spatial distribution of human disturbance of coastal wetlands in Fujian 1990(a), 2015(b)

滨海湿地人为干扰度的变化及其空间分布,是湿地保护及修复的重要依据。由近25年来福建滨海湿地人为干扰度的变化(图5)可知,福建滨海湿地人为干扰度强度不断增加,人类活动对滨海湿地的影响不断增加,22.4%的滨海湿地呈现人为干扰强度增加的趋势,主要分布在宁德市辖区、 罗源县、 连江县、 福清市、 莆田市辖区、 惠安县、 厦门市等沿海地区。 这些区域的滨海湿地应成为湿地保护、 湿地监测和生态修复的重点。 此外, 有4.8%的滨海湿地呈现人为干扰强度下降的趋势, 主要分布在福州市辖区、 厦门市等局部区域, 这可能与当地积极开展湿地修复与保护有关。

2.3 福建滨海湿地人为干扰度的经济驱动

与地质构造、海平面上升、侵蚀等自然因素相比,经济发展被认为是世界自然滨海湿地土地流转损失的重要因素[24]。本研究仅对福建滨海湿地的人为干扰度的经济驱动机制进行分析,由滨海湿地人为干扰度与沿海县市经济发展的Pearson相关性分析(表2)可得,福建滨海湿地人为干扰度与国民生产总值、第二产业产值、第三产业产值以及人均国民生产总值相关(p<0.05)。其中,受到强烈人为干扰的滨海湿地主要是从自然滨海湿地或农业湿地流转为建设用地,因此受到强烈人为干扰的滨海湿地与经济发展的相关性最大,与国民生产总值、第二产业产值的相关性分别为0.645和0.630,均大于其他人为干扰度等级与经济因子的相关性。福建省沿海经济发达,尤其是制造业和服务业等产业较为发达,2017年第二产业产值和第三产业产值分别占地区生产总值的49%和44%,但由于福建多为山地丘陵地貌,因此,在开发建设过程中,围垦开发滨海湿地的现象较多。

图5 1990—2015年福建滨海湿地人为干扰度变化的空间分布结果Fig.5 Spatial distribution vesults of human disturbance changes of coastal wetlands in Fujian from 1990 to 2015

干扰等级国民生产总产值第一产业产值第二产业产值第三产业产值人均国民生产总值未干扰-0.0110.011-0.040-0.021-0.168轻微0.456∗∗0.0690.422∗∗0.382∗∗0.211∗中等0.355∗∗0.0650.326∗∗0.284∗∗0.132强0.201∗0.0430.208∗0.1150.025强烈0.645∗∗0.1590.630∗∗0.520∗∗0.456∗∗

注:*、**分别表示显著性水平为p<0.05、p<0.01。

3 结论与展望

对近25年来福建滨海湿地人类活动影响强度的时空分异及其经济驱动机制分析,得出以下结论:

(1)近25年来,福建自然滨海湿地面积呈持续减少趋势,主要流转为养殖区和建设用地;农业用地面积呈先增加后减少趋势,建设用地面积逐年增加。

(2)福建滨海湿地强人为干扰度由1990年零星分布演变为2015年形成明显的人为干扰带。22.4%的滨海湿地呈现人为干扰强度增加的趋势,主要分布在福州、莆田、泉州、厦门等沿海地区。

(3)福建滨海湿地人为干扰度主要与国民生产总值、第二产业产值、第三产业产值和人均国民生产总值相关。

科学化、定量化地分析滨海湿地的时空动态变化以及人类活动对滨海湿地的影响,可以为合理保护和利用滨海湿地提供科学依据,为平衡沿海地区经济发展与滨海生态环境保护提供参考依据。本研究结果可以为合理规范人类活动对滨海湿地资源的开发利用提供参考依据。今后将从流域污染物输出及其沿海县、市污染物排放对滨海湿地的生态功能退化的影响来进一步研究人类活动对滨海湿地的影响。