呂金霞，蔣衛(wèi)國(guó)*，王文杰，荔琢，陳征，陳坤

1.地表過程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部 2.環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部 3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 4.生態(tài)環(huán)境部土壤與農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術(shù)中心

濕地具有地球之腎的美譽(yù)，是地球上的三大生態(tài)系統(tǒng)之一，對(duì)人類的生存和發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。此外，濕地可以提供廣泛的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，如蓄水、防洪、灌溉、氣候調(diào)節(jié)和維持區(qū)域生態(tài)平衡等[1- 3]。近30年來(lái)，隨著全球人口數(shù)量的快速增加和城市化進(jìn)程的加快，對(duì)濕地資源的一系列不合理的開發(fā)利用，造成濕地嚴(yán)重受損，尤其是天然濕地面積日益減少[2]。對(duì)濕地變化和受損情況進(jìn)行識(shí)別與分析顯得尤為重要。

自1972年美國(guó)發(fā)射第一顆陸地衛(wèi)星以來(lái)，遙感技術(shù)在濕地變化分析中得到了較為廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)濕地受損識(shí)別進(jìn)行了較多的研究。Mondal等[4]利用3期Landsat影像及馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣分析了1990—2016年濕地受損與城市發(fā)展的關(guān)系；Gong等[5]利用目視解譯方法，基于Landsat衛(wèi)星影像，對(duì)全中國(guó)的濕地進(jìn)行了分類提取，并對(duì)其1970—2008年的變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和分析；劉子瀟等[6- 7]基于Landsat影像，提取和分析了天津?yàn)I海新區(qū)濕地信息和動(dòng)態(tài)變化過程；Pekel等[8]使用300萬(wàn)張Landsat影像，定量分析了1984—2015年全球地表水的變化特征；Tang等[9]利用長(zhǎng)時(shí)間序列的Landsat數(shù)據(jù)，結(jié)合Google Earth Engine評(píng)估了1985—2015年布拉斯加州的濕地淹沒分布圖；Petus等[10]基于MODIS歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，分析了2002—2010年澳大利亞大自流盆地濕地植被覆蓋度的退化狀態(tài)；劉迪[11]利用光譜解混技術(shù)對(duì)濕地水體、土壤和植被綜合變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

以往研究中，主要從濕地生態(tài)系統(tǒng)種類和分布受損及濕地要素受損2個(gè)方面進(jìn)行濕地面積及范圍的受損研究。在濕地類型及景觀格局變化監(jiān)測(cè)中，主要利用濕地類型的分類數(shù)據(jù)，對(duì)比濕地面積和景觀格局變化特征以獲取濕地受損特征，往往注重不同濕地類型之間的變化(如湖泊與沼澤濕地類型的變化)，而忽略了同種濕地類型之間要素的變化分析(如沼澤濕地內(nèi)部含水量的變化)。濕地要素受損遙感識(shí)別可以獲取濕地在長(zhǎng)時(shí)間序列上的變化特征，補(bǔ)充在同種類型濕地之間變化的不足，但已有研究往往注重濕地水、土壤、生物等單一指標(biāo)在時(shí)間序列的變化，對(duì)綜合要素分析較少，且缺少與濕地類型和景觀格局的對(duì)比分析。

筆者基于土地利用數(shù)據(jù)和Landsat影像數(shù)據(jù)，利用轉(zhuǎn)移矩陣方法和趨勢(shì)分析法，綜合分析了濕地類型和要素的變化特征，構(gòu)建“濕地類型- 濕地要素”綜合受損遙感識(shí)別方法，分析濕地受損的時(shí)空變化特征。通過對(duì)濕地受損情況進(jìn)行遙感識(shí)別，可以從宏觀上監(jiān)測(cè)濕地資源的時(shí)空變化特征，并對(duì)濕地的恢復(fù)與重建進(jìn)行有效的評(píng)估，對(duì)濕地的合理開發(fā)和可持續(xù)發(fā)展具有重要的作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

天津?yàn)I海新區(qū)位于天津市東部沿海地區(qū)、環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的中心地帶，地處華北平原北部(117°20′E～118°00′E，38°40′N～ 39°00′N)，屬于暖溫帶季風(fēng)型大陸氣候，一年之中四季分明[12]。

天津?yàn)I海新區(qū)面積為2 270 km2，其2015年土地利用類型如圖1所示。該地區(qū)濕地資源豐富，包括北大港濕地自然保護(hù)區(qū)、天津市海洋牧場(chǎng)示范區(qū)、薊運(yùn)河營(yíng)城段蘆葦濕地、天然淤泥灘涂濕地，以及黃港一庫(kù)、黃港二庫(kù)、北塘水庫(kù)等濕地[13]。濱海新區(qū)是天津國(guó)家級(jí)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)和國(guó)家級(jí)新區(qū)，是國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的第一個(gè)國(guó)家綜合改革創(chuàng)新區(qū)，自成立以來(lái)，城市化進(jìn)程加快，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，區(qū)域內(nèi)濕地迅速被城鎮(zhèn)建設(shè)用地侵占，同時(shí)濕地生態(tài)景觀發(fā)生了很大的轉(zhuǎn)變。研究該區(qū)域濕地受損的定量變化情況，對(duì)濱海新區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)安全和天津市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

圖1 天津?yàn)I海新區(qū)土地利用類型(2015年)Fig.1 Landuse types of Tianjin Binhai New Area in 2015

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究技術(shù)路線

基于中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所劉紀(jì)遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)的土地利用數(shù)據(jù)，獲取了天津?yàn)I海新區(qū)1980s、1995、2000、2005、2007、2009和2015年7期的土地利用空間分布圖(空間分辨率為30 m)，對(duì)該數(shù)據(jù)利用Landsat影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯判讀和野外驗(yàn)證，分類精度達(dá)91.2%，符合制圖要求[14]；基于美國(guó)地質(zhì)勘探局(USGS)Landsat數(shù)據(jù)(包括Landsat 5和Landsat 8 OLI數(shù)據(jù))，獲取了天津?yàn)I海新區(qū)1984—2015年植被生長(zhǎng)季6—9月且云含量小于10%的影像，影像經(jīng)過輻射校正，得到大氣層頂反射率數(shù)據(jù)(TOA)?；谕恋乩脭?shù)據(jù)，通過馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣和GIS空間分析法分析濕地類型受損狀況；利用趨勢(shì)分析法分析長(zhǎng)時(shí)間序列和不同階段濕地要素的受損狀況；對(duì)濕地類型受損和濕地要素受損進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，綜合其評(píng)價(jià)結(jié)果分析濱海新區(qū)濕地受損模式(圖2)。

圖2 研究技術(shù)路線Fig.2 The technical roadmap of research

1.3 濕地受損遙感識(shí)別方法

1.3.1濕地類型受損識(shí)別法

選取馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣法定量揭示濕地類型在不同時(shí)期的動(dòng)態(tài)變化特征。馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣由俄國(guó)數(shù)學(xué)家馬爾科夫提出，該矩陣可以描述土地利用變化的結(jié)構(gòu)和特征，可以反映研究階段的初始和結(jié)束時(shí)期的土地利用結(jié)構(gòu)，還可以反映研究階段內(nèi)土地利用的來(lái)源、組成和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移情況[14]。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

式中：k、l分別為研究期初與研究期末的濕地利用類型數(shù)；Pkl為第l類濕地轉(zhuǎn)化為第k類濕地的轉(zhuǎn)移概率。

1.3.2濕地要素趨勢(shì)分析法

將Theil- Sen Median趨勢(shì)分析和Mann- Kendall檢驗(yàn)方法結(jié)合，用作判斷長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)趨勢(shì)[15]。利用該方法可以分析濕地要素中NDVI[16]、歸一化水體指數(shù)(NDWI)[17]和土壤濕度指數(shù)(SMMI)[18]在長(zhǎng)時(shí)間序列上的變化趨勢(shì)。作為一種統(tǒng)計(jì)學(xué)常用的方法，其優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)分布不需要服從特定的分布規(guī)律，可以抵抗數(shù)據(jù)誤差，顯著性檢驗(yàn)的結(jié)果具有可信度。其中，Theil- Sen Median趨勢(shì)分析是一種穩(wěn)健的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)的趨勢(shì)計(jì)算方法，可以減少數(shù)據(jù)異常值的影響。該趨勢(shì)計(jì)算n(n- 1)/2個(gè)數(shù)據(jù)組合的斜率的中位數(shù)，計(jì)算公式為：

(2)

式中：S為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量；Ei和Ej分別為像元i年和j年的濕地要素值。當(dāng)S>0時(shí)，E呈增加趨勢(shì)，反之呈減少趨勢(shì)。

Mann- Kendall檢驗(yàn)用于檢測(cè)數(shù)據(jù)是否呈持續(xù)增加或減少趨勢(shì)，計(jì)算公式：

設(shè)定{Ei}，i=1989年,1990年,…，2015年，定義統(tǒng)計(jì)量(Z)為：

(3)

(4)

式中：sgn為函數(shù)符號(hào)；Z的取值范圍為(-∞，+∞)。在給定顯著性水平下，當(dāng)|Z|>μ1-a/2時(shí)，表示研究序列在α水平上存在顯著的變化，一般取α=0.05。

將Theil- Sen Median趨勢(shì)分析和Mann- Kendall檢驗(yàn)結(jié)果結(jié)合起來(lái)，可以反映濕地要素的受損趨勢(shì)。SNDVI和SNDWI以0為界限，<0定義為退化區(qū)域，≥0定義為改善區(qū)域。由于SNDVI基本不存在等于0的區(qū)域，所以本文按照實(shí)際情況，將SNDVI為-0.005～0.005的區(qū)域劃分為穩(wěn)定不變的區(qū)域，<-0.005定義為退化區(qū)域，≥0.005定義為改善區(qū)域。將Mann- Kendall檢驗(yàn)在0.05置信水平上的顯著性結(jié)果劃分為顯著(Z≥1.96和Z<-1.96)和不顯著(-1.96≤Z<1.96)，進(jìn)行分級(jí)結(jié)果疊加，得到濕地要素綜合受損趨勢(shì)的5個(gè)等級(jí)(表1)。

表1 濕地要素受損趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)

2 結(jié)果與討論

2.1 濕地面積變化

1980s—2015年濱海新區(qū)濕地面積變化如圖3所示。由圖3可知，濱海新區(qū)濕地面積呈先減少后緩慢增長(zhǎng)再加快增長(zhǎng)趨勢(shì)。1980s—2000年，濕地面積呈減少趨勢(shì)，從1980s年的1 018.76 km2減至2000年的687.51 km2，減少了331.25 km2，年增長(zhǎng)為-2.98%；2000—2009年，濕地面積呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，從2000年的687.51 km2增至2009年的846.64 km2，增加了159.13 km2，年增長(zhǎng)率為2.10%；2009—2015年，濕地面積呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，從2009年的846.64 km2增至2015年1 060.15 km2，增加了213.52 km2，年增長(zhǎng)率為3.27%?？傮w上，1980s—2015年濕地面積增加了41.40 km2，年增長(zhǎng)率為0.13%。

圖3 1980s—2015年天津?yàn)I海新區(qū)濕地面積變化Fig.3 Change of wetland area in Tianjin Binhai New Area from 1980s to 2015

2.2 濕地類型受損區(qū)識(shí)別

濱海新區(qū)濕地受損空間和增加區(qū)域的空間分布及濕地向不同土地利用類型的轉(zhuǎn)換如圖4所示。

圖4 天津?yàn)I海新區(qū)濕地受損空間分布Fig.4 Spatial distribution of wetland loss in Tianjin Binhai New Area

由圖4可知，濕地受損嚴(yán)重的區(qū)域分布在濱海新區(qū)邊緣，主要由城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張所致，濕地增加區(qū)主要集中在濱海新區(qū)東北角，以水庫(kù)養(yǎng)殖區(qū)等人工濕地增加為主。濱海新區(qū)濕地向其他土地利用類型轉(zhuǎn)換的面積占比如圖5所示。由圖5可知，1980s—2015年濱海濕地受損占用的土地利用類型主要為城鎮(zhèn)用地、旱地、草地、未利用地、林地。其中濕地轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)用地的面積最多，達(dá)184.75 km2；其次是旱地，面積為117.81 km2；轉(zhuǎn)化為草地的面積為52.79 km2。從受損的階段來(lái)看，旱地面積占濕地受損總面積的比例從1980s—2000年的6.11%升到2009—2015年的33.56%；而城鎮(zhèn)用地的面積比例逐漸減少。

圖5 天津?yàn)I海新區(qū)濕地侵占來(lái)源及面積占比Fig.5 Sources of wetland encroachment in Tianjin Binhai New Area

2.3 濕地要素受損趨勢(shì)分析

在長(zhǎng)時(shí)間序列濕地要素識(shí)別中，NDVI和SMMI可以識(shí)別濕地灘涂、水庫(kù)坑塘和水田等受損區(qū)，而NDWI可以識(shí)別湖泊和水庫(kù)坑塘等受損區(qū)，但對(duì)植被覆蓋較多的地方識(shí)別效果較差，3個(gè)濕地要素的綜合分析可以較好地識(shí)別濕地受損區(qū)。綜合濕地類型受損區(qū)范圍，1984—2015年濱海新區(qū)濕地要素變化趨勢(shì)如圖6所示。由圖6可知，濱海新區(qū)濕地各要素均呈退化趨勢(shì)，通過統(tǒng)計(jì)各要素顯著退化的像元數(shù)，得出NDVI顯著退化的區(qū)域面積為364.66 km2，NDWI、SMMI顯著退化的面積分別為221.28、253.94 km2。

根據(jù)濕地受損的階段性特征，分析了濱海新區(qū)3個(gè)不同時(shí)段(1984—2000年、2000—2009年、2009—2015年)濕地要素受損趨勢(shì)，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，1984—2000年濱海新區(qū)植被在東南及東北部分區(qū)域表現(xiàn)出顯著的退化趨勢(shì)，通過統(tǒng)計(jì)各要素顯著退化的像元數(shù)，得出NDVI顯著退化面積為209.13 km2，而水體和土壤濕度表現(xiàn)不明顯；2000—2009年植被和水體在東南和東北部分區(qū)域表現(xiàn)出顯著退化趨勢(shì)，NDVI和NDWI顯著退化的面積分別為80.67和71.23 km2，而土壤濕度表現(xiàn)不明顯；2009—2015年植被在較大范圍表現(xiàn)出改善趨勢(shì)，水體在小范圍內(nèi)表現(xiàn)出顯著退化趨勢(shì)。

圖6 1984—2015年天津?yàn)I海新區(qū)濕地要素變化趨勢(shì)Fig.6 Trends of wetland vegetation, water body and soil moisture in Tianjin Binhai New Area from 1984 to 2015

圖7 天津?yàn)I海新區(qū)不同時(shí)段濕地要素變化趨勢(shì)(1984—2000年，2000—2009年，2009—2015年)Fig.7 Trends of wetland elements in Tianjin Binhai New Area at different periods (1984- 2000, 2000- 2009, 2009- 2015)

2.4 濕地受損模式分析

濱海新區(qū)處于渤海灣，由于受到濱海區(qū)域和城市發(fā)展的綜合影響，濕地受損狀況有其自身的特點(diǎn)。1980s—2000年，濱海新區(qū)的濕地面積呈先減少后增加的趨勢(shì)，以2000年作為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，2000年前濕地面積受損嚴(yán)重，這主要是由于區(qū)域內(nèi)水田被城鎮(zhèn)用地侵占引起的；2000年后，濕地面積呈現(xiàn)改善狀態(tài)，主要是由于濱海區(qū)域養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展和海水?dāng)U張?jiān)斐傻模匀斯竦孛娣e增長(zhǎng)為主。濕地要素變化趨勢(shì)顯示，整個(gè)區(qū)域內(nèi)植被和土壤濕度呈現(xiàn)一致的退化趨勢(shì)，而水體則呈現(xiàn)改善趨勢(shì)。

綜合分析濕地類型受損和要素受損特征發(fā)現(xiàn)，由于新型城市化的發(fā)展，濱海新區(qū)城市擴(kuò)張表現(xiàn)明顯，主要分布在b區(qū)和c區(qū)(圖8)，其土壤濕度呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)；濕地受損較為顯著的區(qū)域?yàn)閐區(qū)，其濕地植被呈顯著的退化趨勢(shì)；典型濕地?cái)U(kuò)張區(qū)域分布在養(yǎng)殖業(yè)擴(kuò)張區(qū)(a區(qū))和海水?dāng)U張區(qū)，該濕地類型主要為人工濕地，濕地經(jīng)濟(jì)價(jià)值功能較高，而濕地的生態(tài)功能較天然濕地有所減弱。天然濕地仍存在較大受損威脅(d區(qū))。因此在新型城市化主導(dǎo)發(fā)展下的濱海城市濕地，保護(hù)和維持天然濕地面積，更好地發(fā)揮濕地的生態(tài)功能，為動(dòng)植物提供良好的棲息環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)城市與資源協(xié)調(diào)統(tǒng)一發(fā)展的重要舉措。

3 結(jié)論與展望

(1)濕地類型受損分析結(jié)果顯示，天津?yàn)I海新區(qū)濕地類型的受損主要分為3個(gè)時(shí)期(1980s—2000年、2000—2009年，2009—2015年)，在此期間濕地經(jīng)歷了從受損到恢復(fù)的過程。1980s—2015年濱海新區(qū)濕地面積增加了41.40 km2，濕地受損最嚴(yán)重的區(qū)域分布在濱海新區(qū)東北部。

濕地要素分析結(jié)果顯示，濱海新區(qū)濕地要素的受損趨勢(shì)不同時(shí)期表現(xiàn)不同，且不同地區(qū)濕地受損的主導(dǎo)因素不同。1984—2015年，區(qū)域內(nèi)植被和土壤濕度呈現(xiàn)較為一致的變化趨勢(shì)，而水體變化則相反。在不同時(shí)間段內(nèi)，影響濕地面積受損的主導(dǎo)因素不同，1984—2000年、2000—2009年、2009—2015年濱海新區(qū)濕地受損分別是植被、水體和植被占主要地位。

(2)綜合濕地類型和濕地要素受損分析，識(shí)別出濕地受損模式為新型城市化濱海濕地受損模式。濕地受損區(qū)域主要包括城市擴(kuò)張區(qū)、養(yǎng)殖業(yè)擴(kuò)張區(qū)、海水?dāng)U張區(qū)和天然濕地受損區(qū)。濕地面積受損主要是由于城市擴(kuò)張引起的，同時(shí)受到養(yǎng)殖業(yè)和海水?dāng)U張的影響，使人工濕地面積增加。天然濕地面積仍存在較大程度的受損，因此在新型城市化主導(dǎo)下，濱海新區(qū)天然濕地的維持工作是濕地保護(hù)和發(fā)展的重要內(nèi)容。

天津?yàn)I海新區(qū)濕地的健康與可持續(xù)發(fā)展是區(qū)域發(fā)展的重要保障，通過識(shí)別濕地受損模式，來(lái)定量評(píng)價(jià)濕地資源動(dòng)態(tài)變化，是濕地修復(fù)工作的基礎(chǔ)。在新型城市發(fā)展背景下，維持濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，加強(qiáng)濕地資源的保護(hù)，是構(gòu)建綠水青山、維持城市安全的重中之重。