王德旺，何萍，徐杰，任穎，侯利萍

國家環(huán)境保護區(qū)域生態(tài)過程與功能評估重點實驗室，中國環(huán)境科學研究院

濕地具有供給、調節(jié)、支持等生態(tài)系統(tǒng)服務功能[1-2]。近幾十年來，我國東部沿海城市所轄濕地呈現(xiàn)快速消失態(tài)勢，引起社會的高度關注[3-8]。天津市濕地資源的變化在中國東部沿海城市極具代表性，20世紀初，天津市濕地面積達5 471 km2，占全區(qū)面積的45.9%；2000年減少為3 583 km2，占比僅為30.1%，減少了34.5%。20世紀70年代之前，淤積造田、河流改造、興建水庫等是天津市濕地面積減少的主要原因；改革開放之后，城市拓展、農村經濟發(fā)展成為濕地面積減少的主要原因[9-10]。已有較多學者針對天津市濕地資源進行了研究，如曹喆等[10-11]分別研究了天津市和天津市濱海新區(qū)濕地的變化與驅動力；劉東云等[12]運用矩陣方法和景觀格局指數法研究了1999—2007年天津市濕地變化狀況，利用CA-Markov模型預測濕地變化趨勢，并采用主成分分析法識別濕地變化的驅動力；肖慶聰等[9]分析了1993—2007年天津市濱海新區(qū)濕地面積變化，并用典型分析法識別濕地退化的驅動因素；呂金霞等[13]通過矩陣和空間分析法研究了1980—2015年天津市濱海新區(qū)濕地變化，采用趨勢分析法依據濕地遙感參數變化識別濕地受損狀況。以上研究都是利用遙感解譯的土地利用數據，分析天津市或天津市部分區(qū)域濕地變化狀況，在此基礎上采用景觀指數法分析景觀格局變化或利用模型預測景觀變化趨勢，同時較多研究采用主成分分析或典型相關分析研究濕地景觀變化的驅動力，個別學者還結合遙感參數變化識別濕地受損區(qū)域。

濕地與林地、草地共同構成生態(tài)用地[14]。在平原城市區(qū)，生態(tài)用地除作為生物生境外，還可以調節(jié)氣候、緩解熱島效應并作為景觀用地和休閑場所。生態(tài)輻射效應能夠反映生態(tài)用地對人居環(huán)境的影響，輻射范圍的確定一般采用緩沖區(qū)分析法[15-16]。天津市地處華北平原地區(qū)，土地開發(fā)強度大，2006—2014年濕地面積占生態(tài)用地面積的62.70%～76.81%[17]，遠高于綠地面積，是天津市最重要的生態(tài)用地，可見，相較其他北方城市，天津市人居環(huán)境對濕地的依賴度更高。另外，天津市地處東北亞—澳大利亞侯鳥遷徙通道，是鳥類重要的繁殖地和停歇地，在城市化進程中，控制人類活動干擾強度，對營造鳥類適宜生境、恢復物種多樣性具有深遠影響[18-21]。筆者將濕地退化的重點區(qū)域、濕地斑塊的微觀變化以及濕地演變對人和鳥類等的生態(tài)影響納入研究，利用2000—2015年天津市土地利用數據，結合地理信息系統(tǒng)(GIS)技術，可視化揭示天津市濕地的時空演變過程和景觀斑塊變化特征，并探究其在服務人居環(huán)境和提供鳥類棲息地方面的生態(tài)影響，以期為天津市濕地生態(tài)修復提供參考。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

天津市地處華北平原東北部、海河流域下游。境內河網密布，水庫湖泊眾多，坑塘洼淀星羅棋布，擁有豐富的濕地資源。較大的濕地主要有漢沽鹽田、北大港濕地、團泊洼濕地、大黃堡濕地、七里海濕地、黃莊洼、青甸洼、東淀等；海河的五大支流北運河、永定河、大清河、子牙河、南運河在天津市境內入海。天津市屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年降水量為534.4 mm，降水集中在6—8月，年均氣溫為12.6 ℃，年蒸發(fā)量約為1 160 mm[22]。

1.2 數據來源

土地利用數據由2000、2005、2010、2015年共4期Landsat衛(wèi)星影像解譯而成，空間分辨率為30 m，按照政府間氣候變化專門委員會(IPCC)和聯(lián)合國糧食及農業(yè)組織的土地覆被分類系統(tǒng)(LCCS)共劃分為6個一級類型、40個二級類型。行政邊界源自2009年國家測繪局公布的1∶25萬行政邊界數據。應用ArcMap 10.2軟件完成空間數據裁剪、合并與緩沖區(qū)分析等操作，應用Fragstats 4.1軟件分析濕地景觀格局指數。

1.3 研究方法

1.3.1土地利用變化分析

運用ArcMap 10.2軟件對2000、2005、2010、2015年的土地利用數據做相交分析并篩選其中濕地成分，然后使用Excel的數據透視表工具繪制馬爾科夫轉移矩陣，進而對濕地構成和占比信息進行統(tǒng)計，并對空間分布及變化狀況進行圖示。

1.3.2景觀格局分析

景觀格局指數是高度濃縮景觀格局信息，反映其結構組成和空間配置特征的定量指標[23]。運用Fragstats 4.1軟件，選取斑塊數(NP)、平均斑塊面積(MPS)、聚集度指數(AI)、景觀形狀指數(LSI)、周長面積分維數(PAFRAC)、香農多樣性指數(SHDI)和香農均勻度指數(SHEI)7個參數，從景觀層面分析天津市濕地景觀格局。

1.3.3斑塊聚類分析

為從微觀尺度了解不同大小的濕地數量、面積減少等方面的差異，以2000年天津市濕地斑塊為基準，運用ArcMap 10.2軟件選取濕地中的草本沼澤和水庫坑塘等面狀濕地，按斑塊面積大小分為10級(0～0.01、0.01～0.02、0.02～0.03、0.03～0.04、0.04～0.05、0.05～0.10、0.10～0.50、0.50～1.00、1.00～5.00、>5.00 km2)，按照沒有變化、部分消失和完全喪失3種形態(tài)剖析濕地削減狀況與斑塊大小的關系。

1.3.4生態(tài)用地輻射效應

對一定面積的生態(tài)用地斑塊設定不同生態(tài)服務輻射半徑，以生態(tài)用地輻射率(Bi)和覆蓋建設用地比例(Ci)作為生態(tài)用地對人居環(huán)境服務水平的表征指標[24-25]。而不在生態(tài)用地輻射范圍的建成區(qū)，則可作為未來城市生態(tài)建設的重點區(qū)域[26-28]。由于天津市小微濕地數量多且輻射效應不明顯，在ArcMap 10.2軟件中只篩選面積≥0.1 km2的濕地，另外對河流類濕地不作分析。生態(tài)用輻射率計算公式如下：

Bi=SiS總×100%

(1)

式中：i為緩沖區(qū)半徑，m，參考梁顥嚴等[25,29]對公園綠地服務能力的研究，將大于0.5 km2的大型生態(tài)用地緩沖半徑分為500、1 000、1 500和2 000 m 4個等級，0.1～0.5 km2的中小型生態(tài)用地緩沖半徑取500和1 000 m 2個等級；Si為生態(tài)用地輻射面積，km2；S總為陸域總面積，km2。

覆蓋建設用地比例計算公式如下：

Ci=SbiSb×100%

(2)

式中：Sbi為生態(tài)輻射區(qū)建設用地面積，km2；Sb為建設用地總面積，km2。

1.3.5潛在的鳥類適宜生境分析

以生態(tài)用地為鳥類適宜生境，以建設用地為人類活動干擾源，在ArcMap 10.2軟件中按照一定的警戒距離開展緩沖區(qū)(干擾范圍)分析，識別剩余潛在的鳥類適宜生境。由于天津市地處東北亞—澳大利亞候鳥遷徙通道，珍稀瀕危鳥類物種較多，參照張佰蓮等[30-32]對濕地鳥類警戒行為的研究，結合天津市實際情況，選取300 m作為警戒距離。

2 結果與分析

2.1 濕地面積與轉化

2.1.1濕地類型與面積變化

天津市濕地可分為自然濕地和人工濕地兩大類，自然濕地包括河流和草本沼澤，人工濕地包括水庫坑塘和運河水渠。2015年天津市濕地總面積為1 963.57 km2，占全市面積的16.50%，其中自然濕地和人工濕地面積分別占24.40%和75.60%，不同類型濕地面積占比大小依次為水庫坑塘>草本沼澤>河流>運河水渠(表1)。由變化量看，2000—2015年濕地面積減少了260.92 km2，減少率為11.73%。2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年分別減少了29.74、168.56和62.62 km2，其中2005—2010年減少得最快。在構成上，河流面積增加了14.52 km2，水庫坑塘、草本沼澤和運河水渠面積分別減少了194.80、73.63和7.01 km2。

由天津市濕地轉出類型的面積統(tǒng)計(圖1)發(fā)現(xiàn)，2000—2015年濕地主要轉化為建設用地、耕地、未利用地、草地和林地，轉化面積分別為242.29、132.77、93.65、35.91和2.26 km2。由每個時段濕地轉出量看，濕地向建設用地、草地和林地的轉化有放緩趨勢，而向耕地和未利用地的轉化有加劇趨勢。

表1 2000—2015年天津市濕地面積及占比統(tǒng)計

1)填海造陸導致全市陸域面積不斷增長，濕地面積占比對應于各年份陸域面積;濕地空間轉化、生態(tài)影響等的分析采用4期中共有陸域部分，即不考慮造陸擴張面積。

圖1 天津市濕地轉出面積統(tǒng)計Fig.1 Statistics of areas for wetlands transferred out in Tianjin City

2.1.2濕地重點轉出區(qū)域

圖2 2000—2015年天津市濕地空間轉化狀況Fig.2 Spatial transformation of wetlands in Tianjin City in 2000-2015

2000—2015年天津市濕地空間轉化狀況如圖2所示。由圖2可知，2000—2015年天津市濕地增加區(qū)主要分布在潮白新河、永定新河、薊運河三河交匯的入?？诟浇?；而濕地減少區(qū)分布在永定新河和獨流減河之間的廣大區(qū)域。天津市濕地在6個區(qū)域轉出最為劇烈(圖3)，按建設用地轉化率高低排序為薊運河—永定新河交匯處、大港區(qū)獨流減河入?？趦砂?、南運河—衛(wèi)津河—鴨淀水庫—獨流減河圈圍區(qū)、東麗湖—黃港水庫南部、永金水庫區(qū)和津南水庫區(qū)。不同區(qū)域的開發(fā)建設情況如下：1)薊運河—永定新河交匯處，有68.34 km2的濕地轉化為建設用地，主要開發(fā)建設中新生態(tài)城、東疆保稅港區(qū)、濱海旅游區(qū)、北塘經濟區(qū)、中心漁港經濟區(qū)等；2)大港區(qū)獨流減河入?？趦砂?，有49.85 km2的濕地轉化為建設用地，主要開發(fā)建設南港工業(yè)區(qū)(左岸)，南港輕紡工業(yè)園、南港生活區(qū)(右岸)；3)南運河—衛(wèi)津河—鴨淀水庫—獨流減河圈圍區(qū)，分別有38.43、9.72 km2的濕地轉為建設用地和農田，主要建設活動是西青新城、楊柳青鎮(zhèn)的新增建設用地；4)東麗湖—黃港水庫南部，分別有26.15、9.65、8.48 km2的濕地轉為建設用地、草地和農田，主要是經濟開發(fā)區(qū)西區(qū)、津南新城的建設；5)永金水庫區(qū)，分別有4.22、3.69 km2的濕地轉為建設用地和農田，主要建設內容為小淀鎮(zhèn)和大畢莊鎮(zhèn)的新增建設用地；6)津南水庫區(qū)，分別有5.67、3.16、2.64 km2的濕地轉為草地、農田和建設用地，主要建設內容為八里臺鎮(zhèn)和小站鎮(zhèn)的新增建設用地。綜上，由于城鎮(zhèn)開發(fā)、農業(yè)發(fā)展、水資源補給不足等原因[11,33-34]，6個區(qū)域共有189.63 km2的濕地開發(fā)為建設用地，25.05 km2的濕地開墾為耕地，15.32 km2的濕地退化為草地。這與“十一五”時期天津市濱海新區(qū)開發(fā)，西青新城、津南新城等城市新城創(chuàng)建，以及小淀、大畢莊、大寺、楊柳青等重點片區(qū)開發(fā)建設有關[35-36]。

2.2 濕地景觀格局變化

2.2.1景觀格局指數分析

2000—2015年天津市濕地景觀的斑塊數、景觀形狀指數和周長面積分維數有所增加，平均斑塊面積和聚集度指數有所減少，香農多樣性指數和香農均勻度指數基本不變(表2)。整體上，濕地景觀更加破碎和分散，多樣性水平一般，斑塊比例不均勻。

表2 2000—2015年天津市濕地景觀格局指數

圖3 2000—2015年天津市濕地重點轉出區(qū)域Fig.3 Key regions for wetlands transferred out in Tianjin City in 2000-2015

2.2.2不同大小等級濕地斑塊的變化

2000年天津市分等級濕地斑塊分布如圖4所示。經統(tǒng)計，天津市濕地斑塊共計3 805個，其中面積≤0.03、0.03～0.05、0.05～0.10、0.10～0.50、>0.50 km2的斑塊數量分別為1 565、560、647、750和283個，數量占比分別為41.13%、14.72%、17.00%、19.71%和7.44%(圖5)。2000—2015年部分消失的斑塊有3 135個，占比為82.39%，是各等級濕地斑塊的主要成分；完全喪失的斑塊有610個，占比為16.03%，主要存在于≤0.50 km2的中小斑塊濕地內；沒有變化的斑塊僅60個，占比為1.58%。總體上，各等級濕地斑塊數量變化情況為部分消失>完全喪失>沒有變化。

圖4 2000年天津市分等級濕地斑塊空間分布Fig.4 Spatial distribution of wetland patches in different grades in Tianjin City in 2000

圖5 2000—2015年天津市分等級濕地斑塊的數量及變化Fig.5 Number and variation of wetland patches in different grades in Tianjin City in 2000-2015

2000—2015年各等級濕地斑塊面積變化如圖6所示。由圖6可知，在≤0.50 km2的中小型濕地中，部分消失和完全喪失的斑塊面積占比相近，遠高于沒有變化的斑塊面積占比；在>0.50 km2的大型濕地中，部分消失的斑塊面積占主要成分，>5.00 km2的大型濕地不存在完全喪失的斑塊。不同等級濕地斑塊面積減少區(qū)間為0.86～267.50 km2，減少面積共計481.45 km2。隨斑塊變大，濕地減少面積(部分消失與完全喪失的面積之和)呈增加趨勢。天津市年蒸發(fā)量約為年降水量的2倍，降水條件差，采用外調水和城市退水等方式增加生態(tài)補水，有助于緩解濕地面積驟減的趨勢[37-38]。

2.3 濕地演變造成的生態(tài)影響

2.3.1生態(tài)用地輻射效應

2000年和2015年天津市生態(tài)用地輻射效應統(tǒng)計結果如表3所示。由表3可知，2000—2015年雖然生態(tài)用地面積減少了7.42%，建設用地面積增長了54.80%，但生態(tài)用地輻射范圍和覆蓋建設用地范圍分別增長了9.96%和69.30%。這表明天津市生態(tài)用地重要性提高、輻射效應增強，可以為更廣泛區(qū)域的居民提供生態(tài)服務與產品。由生態(tài)用地輻射效應分等級統(tǒng)計結果(表4)和生態(tài)用地輻射范圍空間變化(圖7)可以看出，2000—2015年生態(tài)用地輻射率由47.26%上升為51.96%，覆蓋建設用地比例由64.29%上升為70.31%，緩沖區(qū)生態(tài)用地效應增強。隨緩沖半徑的增大，生態(tài)用地對天津市陸域的輻射范圍和覆蓋建設用地范圍均逐漸下降，其中，緩沖半徑500 m的輻射范圍最大，其次是500～1 000 m，緩沖半徑大于1 000 m后的輻射范圍最小。天津市生態(tài)輻射薄弱區(qū)域主要分布在平原地區(qū)東北—北—西—西南的寬闊弧形區(qū)域以及中心六區(qū)和海河干流沿線城市建設密集區(qū)。隨濕地和生態(tài)用地面積的減少，中心六區(qū)和海河干流沿線的輻射盲區(qū)出現(xiàn)擴張[16,28-29]，應引起重視。

圖6 2000—2015年天津市分等級濕地斑塊面積及變化Fig.6 Area and variation of wetland patches in different grades in Tianjin City in 2000-2015

表3 生態(tài)用地輻射效應統(tǒng)計結果

表4 生態(tài)用地輻射效應分等級統(tǒng)計結果

圖7 2000—2015年天津市生態(tài)用地輻射范圍空間變化Fig.7 Radiation range spatial variation of ecological lands in Tianjin City in 2000-2015

2.3.2人類活動對鳥類生境的干擾

圖8 2000—2015年天津市人類活動對鳥類生境干擾范圍的變化Fig.8 Interference range variation of human activities on bird habitat in Tianjin City in 2000-2015

2000—2015年人類活動對鳥類生境的干擾范圍變化如圖8所示。由圖8可知，人類活動對鳥類生境的干擾在天津市中心六區(qū)和濱海新區(qū)最嚴重。經統(tǒng)計，2000—2015年天津市受干擾的鳥類生境由903.01 km2增至1 324.89 km2，在生態(tài)用地總面積中占比由46.72%升至48.61%；潛在的鳥類適宜生境由1 968.74 km2減少到1 400.71 km2，占比由68.51%降為51.39%。人類活動對鳥類生境干擾范圍劇烈擴張，到2015年海河干流周邊已經難以尋找鳥類的適宜生境，有效、開闊的生境主要集中在團泊洼水庫、北大港水庫、大黃堡濕地、七里海濕地、于橋水庫、漢沽鹽田、大港鹽田等大型濕地與北部山區(qū)。

3 結論與建議

(1)天津市濕地演變分析表明，2000—2015年天津市濕地面積共減少了260.92 km2，其中2005—2010年減少速度最快，主要發(fā)生在薊運河—永定新河交匯處、大港區(qū)獨流減河入?？趦砂?、東麗湖—黃港水庫南部等6個區(qū)域。

(2)景觀格局分析表明，2000—2015年天津市濕地總體呈破碎和分散趨勢。各等級濕地斑塊變化分析發(fā)現(xiàn)，面積≤0.50 km2的中小濕地斑塊完全喪失的斑塊面積占比高且數量最多，表明中小型濕地更容易發(fā)生喪失。

(3)2000—2015年天津市生態(tài)用地面積減少了7.42%，同時建設用地面積增加了54.80%，建設用地與生態(tài)用地的交融使得生態(tài)用地對周邊人居環(huán)境的重要性提升、輻射效應范圍增加，但應重點關注天津市中心六區(qū)和海河干流沿線的生態(tài)用地輻射盲區(qū)擴張現(xiàn)象，修復受損的生態(tài)用地，增加生態(tài)補水等，促使生態(tài)濕地恢復良好的生態(tài)服務功能。

(4)扣除人為干擾范圍后，2000—2015年潛在的鳥類適宜生境由1 968.74 km2減少為1 400.71 km2，2015年潛在適宜生境僅占生態(tài)用地的51.39%，且集中在平原大型濕地片區(qū)和北部山區(qū)。連通與拓展現(xiàn)有的生態(tài)用地，將有助于鳥類等的生物多樣性維護。