1957—2019年厦门市马銮湾海岸线和围填海时空演变及互动关系分析

2021-05-19丁晟平崔胜辉徐礼来汤剑雄杨妙鸿

应用海洋学学报 2021年2期

丁晟平，崔胜辉，徐礼来，汤剑雄，杨妙鸿

(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.厦门市城市代谢重点实验室, 福建厦门 361021)

海岸线是海洋与陆地的分界线，更是重要的生态过渡带、资源富集区和海洋开发活动的聚集区[1]。海岸线变化直接影响潮间带滩涂资源量及海岸带环境，将引起海岸带多种资源与生态过程的改变，影响沿海人民的生存发展[2]。随着沿海地区海域开发活动不断加强，围填海为主的人类活动成为引起海湾、海岸带特征发生变化的重要原因[3]，导致海岸线不断变化，影响和破坏滨海湿地的生态功能，从而引发众多资源、生态和环境问题[4]。

国内外已有大量关于岸线变迁或围填海变化的研究。研究重点集中于岸线长度、类型的变化特征及驱动力机制[2,5-16]、围填海过程与环境效应[4,17-24]等方面。时间尺度上，由于数据的限制，长时间尺度下岸线变化研究相对较少；空间尺度上多以沿海发达省市[5-7,15,18-19]、海湾[3,8-9,20-23]、河口[10-11]等岸线变化显著的海岸为主。如叶梦姚等(2017)利用RS和GIS技术分析了1990—2015年浙江省大陆岸线的长度、曲折度、空间范围及开发利用状况等综合特征[6]；朱高儒等(2012)分析了渤海湾西北岸1974—2010年填海造陆的空间分布与数量变化特征[22]；侯西勇等(2016)研究了1940—2014年来我国海湾岸线类型结构、开发利用程度和空间位置的变化特征，以及海湾面积、形状和重心分布的变化特征[3]。然而现有研究多分析岸线变迁与围填海的某一方面，将两者结合的定量分析不多，尤其是长时间序列岸线与围填海的历史演变过程的研究较少，且缺乏海岸线变迁与围填海活动之间互动关系的深入探讨。

海湾作为沿海地区重要的地貌单元，其国家战略要地、对外交通要地、岸线开发重点区和休闲旅游场所的地位日渐凸显[25]。厦门市马銮湾是开发利用海洋资源比较活跃的地区之一，经历了农业现代化、工业化、城镇化的发展过程，集中了围海晒盐、农业围垦、围海养殖、工业建设等多种经济活动，近年来开始向生态海湾新城转变。大规模的围填海活动造成了海湾空间形态的改变，岸线变化显著，研究围填海影响下岸线时空变化特征，对于海湾经济建设、生态修复和保护具有较强的现实意义。因此，以厦门市马銮湾为研究区，建立岸线与围填海时空动态的评估方法，在分析1957—2019年马銮湾岸线变迁和围填海时空演变特征的基础上，探索岸线变迁与围填海的互动关系，可为马銮湾海湾新城的可持续开发、利用和保护提供决策依据，同时对我国海湾地区的岸线开发与围填海管理具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

马銮湾位于厦门市西北部，东临厦门西海域，与厦门本岛北部隔海相望(图1)，地形从西北、南两侧向马銮湾水域倾斜，形成典型的海湾地形特征，本研究马銮湾指马銮湾及其周边海域。马銮湾海岸类型属于典型的淤泥质缓坡海岸，历史上马銮湾潮间带是典型的河口潮间带红树林湿地，生态良好，物种繁多，水中有小型鲸和白海豚等珍稀物种出没。马銮湾地区分属于集美、海沧2个行政区，涉及杏滨、新阳、东孚、灌口4个街道(镇)，研究区内工业发展繁荣。为发展盐业，1958 年开始修筑马銮湾海堤，1960 年海堤建成后马銮湾区域掀起了围填海热潮。2005年厦门市启动马銮湾海堤开口改造工程，实行破堤建桥，改建的新阳大桥新桥于2017年1月正式通车。2015年进入马銮湾新城建设的新阶段，新城定位为海峡两岸合作的地区性服务基地、产城融合的国际化智慧生态海湾新城。

图1 1957—2019年厦门市马銮湾围填海区域图Fig. 1 Map of reclamation area around Maluan Bay in Xiamen from 1957 to 2019

1.2 数据来源与处理

数据来源包括：①历史图集，其中包括1957、1972、1983、1992、1997、2002年厦门市地图；②马銮湾1972—2019年7期遥感影像(表1)，其中MSS、TM影像来源于美国地质调查局网站(http://glovis.usgs.gov)，SPOT 5、SPOT 7和Worldview II为课题组收集的高分辨率影像，无人机航片来自厦门市测绘与基础地理信息中心；③厦门市10 m分辨率DEM数据；④其他资料，包括天地图、地方志、行政区划图等。此外，本研究开展了大量关于马銮湾岸线类型的外业调查，为海岸线解译提供了重要支持。

应用ENVI 5.2软件对6期影像进行几何校正、图像增强等预处理，同时将历史图集扫描数字化，然后以2013年0.5 m高分辨率Worldview II影像为基准对其他影像、历史图集进行配准，得到相同坐标系下地理配准后的影像或图集。数据统一采用WGS-84坐标系，投影为通用横轴墨卡托投影。

表1 马銮湾地区遥感影像数据表Tab. 1 Remote sensing image data of Maluan Bay

1.3 研究方法

1.3.1 海岸线的提取由于历史图集和高分影像海陆分界线清晰可见，采取目视解译的方法，在ArcGIS 10.2中手动矢量化岸线位置信息；运用改进归一化水体指数法(MNDWI)[26]对1987、1997年的影像进行海陆分割、二值化处理，在ArcGIS 10.2中自动矢量化提取岸线位置。然后根据各类海岸线在遥感影像上的空间形态、色调、纹理特征不同，参照研究区天地图、地方志等资料综合分析与人工判读岸线类型信息，最终得到1957—2019年马銮湾共8期岸线结果，岸线类型分为自然岸线、防护岸线、农业围垦岸线、盐田岸线、养殖岸线、围而未用岸线、建设岸线7类。不同类型岸线采取不同的提取规则(表2)。

表2 马銮湾海岸线分类及提取Tab. 2 Classification and extraction of Maluan Bay coastline

1.3.2 围填海信息的提取在eCognition 8.7软件中通过面向对象的方法，结合海湾地貌特征提取遥感影像的围填海信息。再参考天地图、DEM等资料，利用ArcGIS 软件修正分类结果。同时在ArcGIS中结合辅助资料提取1957、1972年地图中围填海信息。将围填海利用类型分为耕地、盐田、水体(含水库、湖泊)、养殖池、建设用地、未利用地共6种类型。

1.3.3 岸线分形维数岸线分形维数用来刻画岸线形态变化的复杂程度。采用网格计数法计算岸线分形维数，基本方法是使用不同长度的正方形网格去覆盖被测岸线长度，当网格长度(r)取不同值时，覆盖整条岸线所需网格数目[N(r)]会出现相应的变化，根据分形理论有：

lnN(r)=-Dln (r)+B

(1)

式(1)中：B为待定常数，D即为待测岸线的分形维数。采用不同的r值和N(r) 值，通过拟合分析即可得到分形维数D(1

1.3.4 岸线开发利用程度按照人类活动对岸线的影响程度，对各类型岸线利用程度分级(表3)，按照下面公式计算，该指数值越小，岸线越接近自然状态，值越大，人类活动对岸线的影响越剧烈[3]。

(2)

式(2)中：I为岸线开发利用程度指数,Ai为第i类岸线的利用程度级数，Ci为第i类岸线的长度百分比，n为岸线类型数量。为了表达更直观，公式已做归一化处理。

表3 各类型岸线开发利用程度分级指数Tab. 3 Indices of exploit intensity on various types of shoreline

1.3.5 土地利用程度参考庄大方等(1997)提出的土地利用程度分析方法[28]，结合马銮湾特殊的围填海土地利用特点，将土地利用程度分为4级(表4)，本研究的未利用地为填海或养殖池退养形成，故将其划分为人为再生利用级。此外，本研究中土地利用程度计算对原公式做了归一化处理。

表4 土地利用程度分级赋值表Tab. 4 Classification values of land use intensity

2 结果与讨论

2.1 马銮湾岸线时空动态变迁特征

2.1.1 岸线长度与曲折度变化如图2、3所示，62年间马銮湾岸线总体向海推进，变化显著。岸线长度先减后增，从1957年的44.47 km减少到2007年的23.34 km，之后再增加到2019年的31.39 km，62年间减幅为29.4%,大陆岸线减幅为43.0%，其中1957—1972年减少最多为13.63 km。岸线分形维数增减反复，数值D∈[1.009 6,1.070 4]，其中在1957年岸线分形维数最高，曲折度最大，1957—2007年随着海岸不断开发岸线趋于平直化，岸线分形维数总体呈下降趋势；2007—2017年岸线分形维数增大，这与内湾退养还海有关，退养后内湾岸线由进转退，岸线曲折化，岸线长度开始增加。此外，2015年马銮湾新城建设后“填海造岛”活动兴起，使得岸线长度进一步增加，到2019年人工岛岸线达6.04 km。

2.1.2 岸线利用类型变化自然岸线占比从1957年的91.2%锐减到2019年的7.8%(图4)，除了外湾的南岸，其他岸段全部被人工化；人工岸线则从1957年的3.90 km增加到2019年的28.94 km，年均增加0.47 km(图2、3)。1957—1987年岸线迅速向海推进，并在内湾出现大量盐田岸线和农业围垦岸线，之后演变为养殖岸线；1987—2007年岸线长度变化缓慢，盐田岸线消失，期间养殖岸线占比较大，1997年占比最大，为57.91%；2007—2019年马銮湾城镇扩张迅速，建设岸线和围而未用岸线呈强劲增加态势，到2019年总占比为87.85%，其中围而未用岸线为16.34 km，开发潜力较大，期间养殖岸线迅速减少，2019年养殖岸线仅剩0.08 km。62年间岸线主体类型经历了从自然岸线向养殖岸线再到建设岸线和围而未用岸线逐步变迁的过程。空间分布上，盐田岸线、农业围垦岸线、养殖岸线、围而未用岸线主要分布在内湾岸段。

2.1.3 岸线利用程度变化如图4所示，1957—2019年马銮湾岸线利用程度稳步上升，指数从0.27增加到0.79，说明人类活动对岸线的影响程度逐渐增大。不同时期岸线利用程度增加的速度存在一定差异：增长最快的时期为1957—1972年，年均增长率为6.52%，该时期由于滩涂围垦，大量自然岸线被人工化，使得岸线利用程度大幅上升，之后随着海岸开发过程的推进增长速度放缓。

岸线开发利用的空间差异性明显。1957年各岸段岸线利用程度均比较小；1957—1972年内湾岸线开发利用程度快速上升且远高于外湾岸线，这是因为1960年马銮湾海堤建成后内湾进行了大规模的围垦，同期外湾总体处于自然演替阶段；1972—1997年外湾北岸进入快速开发阶段，交通和工业扩张迅速，围填海现象显著，岸线利用程度指数从0.35快速上升到0.89；1997年后呈现外湾北岸>内湾>外湾南岸的空间分异特征；2019年外湾北岸岸线利用程度指数高达0.99，可供开发的岸线资源十分有限，同期外湾南岸岸线利用程度指数为0.62，还有一定开发空间。

图2 1957—2019年马銮湾岸线变迁过程Fig. 2 Shoreline evolution around Maluan Bay from 1957 to 2019

图3 1957—2019年马銮湾岸线长度、类型和曲折度变化Fig. 3 Changes in length and type and sinuosity of shoreline around Maluan Bay from 1957 to 2019

图4 1957—2019年马銮湾岸线利用程度与自然岸线占比的变化Fig. 4 Changes of the shoreline utilization intensity and natural shoreline ratio around Maluan Bay from 1957 to 2019

2.2 马銮湾围填海时空动态演变特征

2.2.1 围填海面积与速度变化马銮湾围填海面积呈现增长趋势，不同时期增长速度存在明显差异(图5、6)。1957—2019年围填海总面积达到2 187.39 hm2，其中1957—1997年围填海面积快速增加，1997年达到2 172.87 hm2，1997—2013年新增面积仅为94.35 hm2，而2013—2019年围填海面积减少了278.06 hm2，这是因为2015年马銮湾开展生态修复工程、部分养殖池退养还海。62年间围填海面积增长速率呈现波动，1957—1972年增长最快，变化速率为83.57 hm2/a；1972—2007年增长速率不断下降，其中1997—2007年增长速率最慢，变化速率仅为3.82 hm2/a；2007—2013年围填海速率小幅增加，变化速率为11.22 hm2/a。从空间分布来看，重点变化区域与岸线变化区域一致。围填海面积中内湾远大于外湾，内、外湾占比分别为81.2%、18.8%。

图5 1957—2019年马銮湾围填海演进过程Fig. 5 Evolution of reclamation around Maluan Bay from 1957 to 2019

2.2.2 围填海利用类型变化 1957年马銮湾沿岸存在大量滩涂与天然红树林，由于20世纪50年代烧碱工业用盐需要，于1957年兴建海堤，1960年海堤建成后大量滩涂被逐步围垦为盐田和耕地，到1972年围填海类型中耕地和盐田占比分别为69.3%、26.5%，滩涂围垦完全破坏了红树林；1983年马銮湾成为水产养殖基地后，养殖业迅猛发展，一方面耕地和盐田转变为养殖池，另一方面围海养殖逐步向浅海发展，到2007年养殖池面积高达1 484.46 hm2，占围填海面积的67.1%；1997年之后，由于城镇建设的发展，建设用地和未利用地持续增加，空间分布上呈现“外湾北岸-内湾南岸-内湾北岸”的时序特征，到2019年建设用地、未利用地占比分别为44.9%、42.8%，2019年未利用地高达852.17 hm2，主要为养殖池退养后填海形成的裸地，开发潜力较大。62年间马銮湾围填海经历了晒盐、农垦、养殖、城镇建设4个阶段，主要利用类型从耕地向养殖池再到建设用地和未利用地逐步演变。

2.2.3 围填海区土地利用程度变化如图6所示，随着农业围垦、围海养殖、填海造地等人类活动变化，总围填海区土地利用程度指数呈上升趋势，从1957年的0.25增加到2019年的0.76，增加了2.03倍，增速最快的为1957—1972年，年均增长率为7.05%，之后增速有所放缓，与岸线利用程度变化趋势相同。2013—2019年城镇快速扩张，围填海区建设用地显著增加，但土地利用程度指数从0.79减少到0.76，这与期间退养还海、总围填海区中的养殖池转为浅海海域有关。

图6 1957—2019年马銮湾围填海土地利用类型与程度变化Fig. 6 Reclamation type and intensity changes of land-use around Maluan Bay from 1957 to 2019

2.3 岸线变迁与围填海活动的互动关系

围填海活动是岸线变迁的重要影响因素，二者之间具有显著的相关关系。围填海面积与岸线长度(y1=-0.008 5x1+43.568，R2=0.887，p<0.001)、大陆岸线长度(y2=-0.009 0x1+43.492，R2=0.970，p<0.001)、大陆人工岸线长度(y3=0.007 6x1+5.462，R2=0.911，p<0.001)、自然岸线长度(y4=-0.016 6x1+38.029，R2=0.961，p<0.001)、岸线利用程度指数(y5=0.000 2x1+0.271，R2=0.936，p<0.001)均呈极显著关系(表5)。其中，围填海面积与岸线长度、大陆岸线长度、自然岸线长度呈负相关，与大陆人工岸线长度、岸线利用程度指数呈正相关；同时围填海面积与岸线长度的变化在速度上表现了同步性；从岸线与围填海的利用类型来看，建设岸线长度与建设用地面积(y=0.011 4x+0.667，R2=0.974，p<0.001)、围而未用岸线长度与未利用地面积(y=0.011 8x+2.021,R2=0.836,p=0.011)呈显著正相关，而养殖岸线长度与养殖池面积中度相关且显著性水平较低(p=0.067)(表6)；总围填海区土地利用程度和岸线利用程度(y5= 0.911 1x2+0.051，R2=0.983,p<0.001)、大陆人工岸线长度(y3=31.026 0x2-1.630，R2=0.903，p<0.001)呈极显著正相关,与大陆岸线长度(y2=-35.797 0x2+51.288，R2=0.911，p<0.001)、自然岸线长度(y4=-66.823 0x2+52.918，R2=0.924，p<0.001)呈显著负相关。然而，围填海面积、总围填海区土地利用程度指数与岸线分形维数不相关(表5)。综上，围填海活动与岸线变化有密切联系，围填海面积、总围填海区土地利用程度指数和岸线长度、岸线利用程度指数呈极显著线性关系，同时围填海活动也影响了岸线类型的变化。

表5 马銮湾岸线与围填海相关系数与显著性水平统计(1)Tab. 5 Correlations between the reclamation and shoreline around Maluan Bay (1)

20世纪60年代至80年代初，由于工业用盐、生活用粮的需求，围海晒盐、农业围垦成为马銮湾主要的滩涂开发活动，大量围海活动使岸线长度锐减，导致岸线自然属性发生改变，人工岸线占比大幅增加，岸线分形维数下降，岸线利用程度指数增加；20世纪80年代至21世纪初，水产养殖的高收益、养殖技术的提高使围海养殖迅速向海域扩张，岸线长度减少，岸线类型快速改变；21世纪以来，马銮湾新增围填海的面积较少，期间围填海由围海向填海转变，交通扩张、城镇建设推动了填海进程，建设岸线、围而未用岸线明显增多，岸线利用程度指数上升，而近几年随着围填海管控和湿地保护政策实施，内湾退养还海，岸线后退、长度不断增加。综上，围海晒盐、农业围垦、围海养殖、城镇建设等围填海活动是马銮湾海岸线变化的重要因素。

表6 马銮湾岸线与围填海相关系数与显著性水平统计(2)Tab. 6 Correlations between the reclamation and shoreline around Maluan Bay (2)

岸线对围填海活动同时具有约束作用。围填海要考虑海岸的适宜性与成本大小，不同类型岸线所处海岸的自然条件不同，具有不同的地形地貌特征，这些独特的地形地貌制约着围填海活动。自然海岸中，淤泥质海岸、砂质海岸滩涂资源丰富，围填海条件优越，造陆成本低，便于围滩造田，是围填海的热点区域，而基岩海岸多为突出的海岬角或陡崖，围填海难度大，很少出现围填海活动。此外，随着围填海不断推进，滩涂、红树林等滨海湿地逐步消失，使得生物多样性受损，自然岸线被严重破坏，围填海面积与自然岸线长度为负反馈，沿海地区自然岸线保护的诉求将影响围填海的进程，制约无序的围填海活动。

2.4 讨论

2.4.1 岸线与围填海的互动关系本研究发现1957—2019年马銮湾岸线长度与围填海面积呈显著负相关，岸线分形维数与围填海面积无显著相关。而魏帆等(2019)在环渤海的研究表明岸线长度与围填海面积呈正相关(y= 0.61x+1 411.87，R2=0.99，p<0.000 1)，环渤海区域1980—2017年围填海面积增加1 988.5 km2，同期岸线增长1 159.9 km[13]。这是因为马銮湾作为半封闭内凹状海湾，早期围填海方式多采用由海岸向海延伸式、大面积整体围填，海湾截弯取直，使得岸线长度与分形维数减少，后期围海养殖变化的剧烈性与无序性使岸线分形维数增减不一。而环渤海区域围填海方式为多区块组团式，后期多突堤式围填海，导致岸线凸起，岸线长度与分形维数增大。此外，马銮湾与环渤海区域研究尺度不同，对结果也有一定的影响。总之，岸线长度和分形维数受围填海面积、海岸形状、围填海方式等因素共同作用。本研究仅对岸线变迁与围填海关系开展了相关分析，二者之间的互动机制还需通过模型构建进行定量模拟研究。

2.4.2 海湾地区的自然岸线保护自然岸线指由海陆相互作用形成的海岸线，是重要的生态空间和自然资源，被列为国家生态文明建设的重要目标。2017年国家海洋局公布的《海岸线保护与利用管理办法》[27]提出建立自然岸线保有率控制制度，规定到2020年，全国大陆自然岸线保有率不低于35%，并规定福建省≥37%。随后，地方政府也提出了相应的大陆自然岸线保有率控制目标，其中厦门市≥18.1%[29]。而由于滩涂围垦和填海造地，马銮湾自然岸线锐减，2019年自然岸线保有率仅为7.8%，当前马銮湾处于大开发、大建设时期，要严格保护自然岸线，整治修复受损岸线。基于岸线变迁与围填海之间的显著相关性，可以使用自然岸线保有率作为控制海岸带管理的指标，但在不同空间尺度的具体应用中，还应实行岸线分类(如严格保护、限制开发、优化利用等开发类型)[28]，根据不同湾区的实际情况制定合理的自然岸线保有率目标。

2.4.3 湾区开发的社会经济效益和生态效益随着我国社会经济的快速发展、城市化进程不断加快，海湾地区通过大规模的围填海活动缓解了人地矛盾，取得了显著的经济效益。从20世纪50年代至20世纪末，我国对围填海政策导向为鼓励开发，期间马銮湾先后经历了晒盐、农垦和围海养殖3次大规模围填海活动，有力地缓解了粮食短缺危机、促进了社会经济发展。21世纪初，由于工业化和城镇化的迅速发展，兴起了第四轮围填海热潮。经历了四次围填海高潮后，海湾地区生态环境遭受巨大破坏，开发建设和生态环境保护的矛盾日益突出。以马銮湾为例，过度无序的围填海对生态环境造成了严重威胁，使海域面积剧减，滨海湿地遭到破坏，红树林等特殊生境被毁，生物多样性下降，海湾自净能力减弱。与此同时，随着2002年《中华人民共和国海域使用管理法》[30]的颁布，我国对围填海的政策由鼓励转为控制，采取严格审批的管理政策[31]，同年马銮湾开展了海域养殖综合整治。2015年马銮湾启动新城建设，逐步开展生态修复工程，随着2017年《围填海管控办法》[32]、2018年《关于加强滨海湿地保护严格管控围填海的通知》[33]的陆续颁布，围填海管控进入“史上最严”时期，除国家重大战略外，全面停止新增围填海审批。至此马銮湾围填海增长趋势得到有效遏制，近海养殖逐步清退还海，2013—2019年马銮湾海域面积增加了278.06 hm2，按照《厦门市马銮湾新城控制性详细规划》[34]，马銮湾将建设湿地公园、生态岛等生态工程，湾区开发由之前的注重社会经济效益向兼顾社会经济效益和生态效益、建设海湾生态新城转变。然而，Huang等(2012)[35]在对马銮湾的研究中发现该地区在城市化进程中部分社区的脆弱性增加，主要原因之一是失地农民在该区发展中获得收益较少。因此，湾区开发要注重社会经济效益和生态效益相统一，促进可持续发展，同时要注重居民福利的提高。