基于RSEI模型的滨海围垦区生态环境动态变化分析——以杭州湾南岸为例

刘恺恺，冯秀丽，张 驰

（宁波大学地理科学与旅游文化学院，浙江·宁波 315211）

当今社会经济迅速发展，城市化进程加速推进。东部沿海地区人地矛盾日益突出，围填海活动是缓解这些地区人地矛盾的重要方式之一。滨海围垦区是人类与自然相互作用的最前沿地带，围垦活动对滨海自然生态环境的改变极为显著，这已成为生态学、海洋学、地理学等学科的研究热点之一。已有研究也表明围垦活动会对区域的土壤性质、生物多样性、景观格局、生态安全和生态系统服务等方面产生显著影响[1-5]，围填海区域的生态环境变化一直以来都是学者关注的热点。

生态环境问题涉及生态学、环境科学、土地科学、地理学等众多学科，各学科侧重点不同，参考的标准也不一样。现有的生态环境质量评价所用的方法主要有生态足迹[6]、生态系统服务价值[7]、遥感生态指数等研究方法。前两种方法所需数据较多，计算较复杂，而遥感生态指数模型（RSEI）完全基于遥感数据[8]，计算简便易操作。该模型完全基于光谱信息，耦合了植被指数、湿度分量、土壤指数和地表温度4个评价指标，分别代表了绿度（NDVI）、湿度（WET）、干度（NDBSI）、热度（LTS）四大生态要素，通过主成分分析后计算生态质量的得分[9]。该方法已被广泛用于城市和区域生态环境评估[10-11]，近些年的应用范围不断扩展，如流域生态格局研究[12-13]、湿地变化评价[8,14]等。其独特优势是依靠遥感技术的长时间动态监测能力，方便快捷地揭示区域生态环境时空演化特征。

现有研究对滨海围垦区生态环境定量评价的成果较少。滨海围垦区是人类改造自然最强烈的区域，对滨海围垦区生态环境质量变化的分析有助于更好地协调人类活动与生态保护之间的关系，更好实现区域可持续发展。本文基于RSEI模型对杭州湾南岸围垦区生态质量进行定量评价，分析2000-2020年这20年间区域生态环境变化情况，探究围垦存量的面积变化以及围垦增量对环境的影响。

1 研究区概况

杭州湾为钱塘江入海口，呈独特的喇叭口状。在独特的地形和水动力条件作用下入海口沉积了大量的泥沙，其两岸主要为淤积型海岸线[15]，本研究选取沉积速率较快的南岸为研究区（图1）。南岸的慈溪市有着近千年的围垦历史，早期海岸以自然淤积为主，解放后开始修建丁字坝，采用人工促淤的方式加速淤涨[16]。随着经济快速发展，土地的供需矛盾不断增加，围垦耕地成为解决人地矛盾的途径之一。伴随着围垦活动持续向海推进，滨海生态环境受到一定程度破坏。于此同时，已围垦土地的开发强度也在不断加强，早期围垦形成的耕地正逐渐转变为建筑用地，在此规划新建的杭州湾新区也已成为国家级经济技术开发区，人类开发强度不断向极高强度转变[17]，生态环境发生剧烈变化。本研究拟探讨经济社会快速发展背景下的滨海围垦区生态环境动态变化。

图1 研究区地理位置图Fig.1 The geographical location of the study area

2 数据与方法

2.1 数据来源与处理

遥感影像来源于USGS网站(https://glovis.usgs.gov)。下载2000年、2010年、2020年三个时间截面的遥感影像，选取植被覆盖较好，云量较少的5月份影像。在ENVI 软件中对影像进行辐射定标、FLAASH大气校正、裁剪等操作。由于模型基于影像的光谱信息计算，为避免过大的研究区和过高的建筑密度对各项指标的影响，裁剪范围选取慈溪市 329国道以北，滨海开发区以西的区域。

2.2 研究方法

（1）RSEI模型

遥感生态指数模型耦合了绿度、湿度、热度、干度四个维度的分量，可定量评价区域生态环境质量。公式如下：

式中VI为绿度、WET为湿度、LST为热度、NDBSI为干度。绿度指标用NDVI表示；干度指标由土壤指数(SI)和建筑指数(IBI)两者加权平均而得，反映地表的“干化”程度；湿度指标采用缨帽变换后的湿度分量表示；热度指标用地表温度表示，本文采用大气校正法反演地表温度。各指标的计算公式见文献[11-13]。

以上4个指标都可以在ENVI软件的Band Math中计算得到，为避免大规模水体对计算结果的影响，计算前利用MNDWI[18]水体指数去除水体。计算后的指标量纲不同，采用最大值归一化法处理后对各指标进行主成分分析，保留方差最大的第一主成分PC1为初始值，用1减去初始值并归一化至[0,1]之间，得到的RSEI数值越大即生态质量越好[19]。

（2）重心转移分析

该方法结合空间重心统计模型和GIS技术，计算研究对象空间分布的重心坐标[20]。获取各时期的分布重心后，可在时间尺度上衡量要素的变化，该方法被广泛用于点状要素分布重心的计算。由于本文数据为遥感分类数据，为了方便计算，按最小像元转换为点状数据，获取点状数据的经纬度坐标进行计算，具体公式如下：

式中：n为样本数，X和Y为分布重心的经纬度坐标，Xi和Yi为第i个样本的经度和纬度，Wi为该阶段样本数量。

3 结果与分析

3.1 生态质量演化特征

已有研究表明围垦对生态环境的负面影响较大，最直接的就是对沿海湿地的影响。如刘彦随等结合社会经济要素定量评价了围垦对区域的综合影响，发现长江三角洲区域在1990-2000期间围垦的生态环境效应有所增加，随后开始减弱[21]。本研究则进一步从总体变化特征、面积变化特征、重心变化特征三方面详细刻画围垦区生态环境的动态变化，特别关注围垦增量的影响和已围垦存量的演变。

（1）总体变化特征

为直观反映生态质量的空间分异，参考已有分类方法[22]，并结合实际情况与可视化效果。将RSEI指数分为I、Ⅱ、Ⅲ类，分别代表高、中、低三个等级的生态环境质量区。对各时期的面积和占比情况进行统计（表1）并绘制区域生态质量分级图（图2），结果表明：

2000-2020年间区域生态环境质量显著下降，平均RSEI值从0.610下降至0.457，下降幅度明显。同时生态质量主导类型逐渐由I型转向Ⅲ型，二十年间区域面积增长37%，Ⅱ类面积占比变化不大；空间分布上。初始期主要为I和Ⅱ型中高质量类，连片且贯穿东西分布，Ⅲ类主要分布在区域南北两侧（图2a）；2010年后区域东西差距明显，东部整体呈现上升趋势，中西部原本分散的Ⅲ类开始向外扩展和延伸，逐渐连成一体。垂直方向上出现平行于海岸的高质量带（图2b）；2020年后，Ⅲ类漫延至全境，原有东部高质量I类开始减少，只残留少量中质量Ⅱ类。此时高质量类主要分布在区域西北部，入海口沉积形成大面积低质量类（图2c）。

表1 不同生态质量面积及RSEI变化Table 1 The area and RSEI change of various ecological quality

（2）面积变化特征

图2 各时期生态质量分级图Fig.2 The ecological quality of each period

将三个时期的生态质量分级图叠加，绘制转移矩阵以分析其内部面积的相互转换（表2）。从类型来看，2000-2010年由存量引起的生态环境变化更显著。Ⅱ、Ⅲ类面积显著增加，主要由I类转入引起，分别转入132.75 km2、154.67 km2。增量方面，该段时间新增面积163.76 km2，约占总量的25%，新增类型以Ⅲ类为主；2010-2020年，存量方面的变化与第一阶段略有差异，该阶段Ⅲ类的变动主要由Ⅱ类转入。Ⅱ类转入转出相抵后变动不大。I类面积减少约50%，期末只有82.77 km2。围垦的新增面积在该阶段略有减少，为141.56 km2，但依旧以低质量的Ⅲ类为主。

表2 2000-2020年各类生态质量用地转移矩阵Table 2 The transfer matrix of various ecological quality of 2000-2020

（3）重心变化特征

利用重心模型对各时期的分布重心进行测度（图3）。研究发现I类和Ⅲ类的初始分布重心位置相近，表明该阶段各等级质量区的空间分布较为均衡，差异不明显。第一阶段Ⅲ类重心向西北显著移动，是自然和人为因素叠加所致。人为活动导致土地开发强度提升，西部大面积的高质量耕地被破坏，生态质量降低。入海口十年间淤积形成了大片泥滩，植被发育不充分导致区域生态质量较差。第二阶段Ⅲ类重心向东移动，成因是东部前期尚未开发的大片耕地在这一时期遭到破坏，加上沿岸自然淤积形成大量生态质量较低的滩涂和泥滩。而该时期西部新围垦的区域主要改造为耕地和湿地，如改造滩涂形成的杭州湾湿地公园。一增一减导致Ⅲ类重心向东移动；Ⅱ类分布重心一直向西北移动，成因是第一阶段东部的Ⅱ类区域经过改造，转出为I类。第二阶段的移动主要是新增围垦区被开发所致；I类的移动特征为先向东北后向西北，与Ⅲ类相反且有很强因果关系，由于各阶段I类面积变化剧烈，其重心摆动幅度也更大。

图3 各类型的分布重心变化Fig.3 The center of gravity changes of various ecological quality

3.2 生态因子变化分析

以往有研究发现，杭州湾围垦活动早期主要将沿海滩涂转换为耕地，之后转出为其他用地，土地利用方式变化剧烈[23]。王丽佳等人的研究也表明杭州湾滨海围垦土地主要向中度、极高度开发方向转变，人类开发强度普遍较高[17]。以上研究都表明区域人类活动不断加强，地表覆盖发生强烈变化。本研究则进一步通过4种环境变量分析这种变化的具体表现。

对各时期RSEI的4个分量进行分析，制作各因子均值及主成分载荷值表（表3）。由于各时期的面积和水体变动幅度大，横向可比性较弱，但各时期第一主成分贡献率都大于70%，表明变换后的结果具有一定的解释力。进一步分析各主成分的载荷和特征值发现，NDVI和WET两个生态因子与第一主成分呈正相关关系，LTS和NDBSI则呈负相关。其中WET和NDBSI的均值变化都不大，主要原因是两者与建筑、裸土等因素密切相关，围垦活动减少了裸土，增加了耕地，一定程度上抵消了这种剧烈变化。而NDVI和LTS不仅均值变化大，载荷量也较高，表明其对RSEI变化的贡献较大。进一步绘制NDVI和LTS两个分量的变化图（图4），20年间，热度呈现不断上升趋势，这与区域地表性质的剧烈变化有关，由图可以看出，热度面积不断增加，主要分布在区域内部和中西部，这些区域围垦一定时间后由耕地转变为建设用地。表征绿度的NDVI呈现先下降后增长的趋势，第一阶段下降原因主要是内部耕地的减少，对应NDVI降低的区域主要位于东部。第二阶段的增长则是新增耕地和湿地所致，对应的空间分布则处于最外围。综合上述可知，区域环境的剧烈变化主要受NDVI与LTS的影响，两个分量共同导致区域生态环境的恶化。

表3 各因子均值及主成分载荷Table 3 The mean of each factor and the load of PCA

图4 不同时期LTS与NDVI变化Fig.4 The changes of LTS and NDVI in different periods

3.3 围垦对生态环境的影响

通过上文分析可知，区域主导类型由I类逐渐向Ⅱ、Ⅲ类，是致使整体生态环境不断降低的主要原因。具体面积上，三个时间截面Ⅲ类的面积分别为153.83 km2(22%)、429.21 km2(51%)、601.81 km2(64%)，对应的RSEI分别为0.610、0.550、0.457，Ⅲ类面积的占比不断升高，导致区域RSEI指数不断下降，而Ⅲ类面积的主要来源是由已围垦的I、Ⅱ类转出。结合图2深入分析也可以发现，初期的Ⅲ类面积小且主要位于河口处，为刚发育形成的滩涂，而已围垦区域生态质量以I、Ⅱ类为主，后期内部I、Ⅱ类普遍转变为Ⅲ类，表明早期围垦活动一般是将低质量的海涂和泥滩改造为耕地，但随着人类开发活动的深入，已围垦区域的农用地逐渐转换为建设用地，区域生态环境开始下降。

为进一步探究围垦增量带来的生态质量变化，叠加前后两个时期的生态等级和海岸线提取生态质量提升区域进行细致分析。分析2000-2010年的变化可知，生态环境改善区域主要集中在两个时期的海堤内部（图5a），大致呈现与海岸线平行分布的特征；2010-2020年变化呈现显著区域差异，这一时期国家层面已经对围填海活动进行了限制，10年间只在中西部进行了少量围垦，东部修建丁字坝自然促淤。该阶段RSEI东西差异明显，西部新围垦的区域主要是耕地以及改造滩涂形成的湿地，生态等级为I类。而东部未进行新的围垦，自然淤积的海涂生态质量为Ⅲ类。该时期生态质量改善区域同样位于两个时期的海堤内部（图5b），进一步表明了围垦活动将初期自然裸露的泥滩改造为耕地对区域生态环境具有一定的改善作用。

图5 不同时期生态质量提升区Fig.5 The RSEI improvement areas in different periods

然而，新增围垦的生态改善作用是在人为活动不断改变海岸环境的前提下产生的。长时间角度来看，正是由于围垦活动致使堤外环境快速变化，自然湿地发育不足，还未成型就被围垦。假若停止围垦，海岸带自然形成的湿地和滩涂对区域生态环境的促进作用更加明显。另一方面，围垦存量随着时间的推移，土地开发强度不断提高，耕地不断被改造为建筑用地，如杭州湾新区的开发，使低质量Ⅲ类的面积不断扩大，导致区域生态环境迅速恶化。

4 结论与讨论

4.1 结论

本文基于RSEI模型对滨海围垦区生态环境的动态变化进行了深入研究，揭示了区域生态环境变化的主要原因，探讨了围垦对区域生态环境的影响，主要结论如下：

（1）2000-2020年区域生态环境质量显著下降，RSEI从0.610下降至0.457。区域生态环境的变化主要由NDVI和LTS两个分量的剧烈变化所引起，NDVI显著降低，LTS则不断升高，两者叠加导致区域生态环境质量显著下降。

（2）生态环境质量构成方面，由I类主导逐渐转为Ⅲ类主导，I类占比由初始期的53%下降到期末的11%，下降幅度较大，且主要转出方向为Ⅲ类。各等级的分布重心主要在西北—东南方向上来回摆动，I类与Ⅲ类存在明显负相关关系。

（3）新增的围垦土地早期主要改造为农业用地，会使区域NDVI分量提升，从而对生态环境具有一定改善作用，但后期存量用地逐渐向建设用地转变，最终会导致区域LTS分量的升高，从而降低区域生态环境质量。

4.2 讨论

本研究中各生态因子与RSEI指数的相关关系与徐涵秋等[9,24]的研究结果一致，即区域生态环境的变化主要由NDVI和LTS的剧烈变化所引起。研究认为早期围垦通过改造海涂、泥滩等低质量用地为耕地，对区域生态环境有暂时的促进作用，后期在围垦区进行的建设活动则会导致区域生态环境的迅速恶化，该研究结果与马田田等[25-26]的研究结果一致，围垦形成的耕地只能暂时缓解区域人口和环境压力，是短暂且不可持续的。同时本研究也存在一些不足，其中土地利用方式与区域生态环境之间的关系还有待进一步定量化探讨。

20年的人类活动致使区域生态环境下降明显，应加强自然岸线的保护，切实保护已围垦耕地，降低土地开发强度，限制围垦耕地的非农化，加快实施生态修复工程，特别是海岸线自然生态的恢复。2018年《国务院关于加强滨海湿地保护严格管控围填海的通知》发布, 要求严格管控围填海活动, 严守海洋生态保护红线。对于慈溪市这个具有近千年围垦历史的地区，在没有围垦增量的情况下，更应该加强对滨海环境的保护，停止围填海活动。自然形成的滨海湿地才是生态环境平衡持续的增量。另一方面，对已围垦区域的开发也要在经济效益和环境效益中寻求平衡，寻找一种可持续的滨海经济发展模式。