1997—2017年南京沿江湿地资源的时空变化分析

赵子涵　王君　刘咏梅　李栋梁

摘 要：湿地作为生态系统的重要组成部分，是连接水体与水体、水体与陆地之间的重要纽带。湿地资源的时空变化特征对于湿地资源的保护开发、城市建设规划有着重要的决策支持意义。该研究以南京长江沿岸3km缓冲区为对象，基于随机森林法，分别对1997、2009、2017年3期Landsat TM/OLI影像进行湿地资源分类。结果表明，1997—2017年南京沿江湿地总面积减少41.91km2，其中水体总面积减少9.81km2。湿地类型结构方面，天然湿地面积减少，人工湿地面积增多，主要表现为城市道路交通、港口建设等占用河湖湿地;退耕还湿、建立湿地公园、发展大棚农业等是稻田湿地转变为绿地的主要原因。因此，在未来城市规划建设中，要严格保护湿地资源，在保持湿地资源面积稳定的同时，更应注重优化湿地资源的生态结构。

关键词：沿江湿地;Landsat TM/OLI;随机森林法;湿地分类;时空变化

中图分类号 X37文献标识码 A文章编号 1007-7731（2020）12-0118-05

Abstract：As an important part of the ecosystem， wetlands are playing a significant role in linking water with water and land. The characteristics of spatio-temporal changes of wetland resources have important decision support significance for the protection and development of wetland resources and urban construction planning. In this paper， the three-stage Landsat TM / OLI images of 1997， 2009， and 2017 were used to classify wetland resources based on the random forest method within the 3km buffer zone along the Yangtze River in Nanjing. The results show that， from 1997 to 2017， the total area of wetlands along the Yangtze River in Nanjing decreased by 41.91km2， of which the total area of water bodies decreased by 9.81km2. In terms of wetland type structure， the area of natural wetlands decreases and artificial wetlands increases， mainly manifested as the occupation of river and lake wetlands by urban road traffic and port construction; Returning farmland to wetland， establishing wetland parks， and developing greenhouse agriculture are the main reasons for the conversion of paddy field wetlands to green spaces. In the future urban planning and construction， wetland resources should be strictly protected. While maintaining the area of wetland resources stable， more attention should be paid to optimizing the ecological structure of wetland resources.

Key words：Wetlands along the river; Landsat TM/OLI; Random forest classification method; Wetland classification; Spatio-temporal change

濕地是指自然或人工、暂时或长久性的沼泽、湿原、泥炭地或水域地带。湿地作为生态系统的重要组成部分，是连接水体与水体、水体与陆地的重要纽带。作为“自然之肾”[1]，湿地不仅在涵养水源、净化水体、防洪抗旱、调节局部气候等方面有着突出的贡献[2]，而且是许多水生、陆生动植物的居所。此外，湿地旅游的兴起也为湿地资源的开发利用提供了一个新的方向[3]。

人口增长，土地利用变化对湿地资源的变化有着极大的影响[4]。目前，我国湿地正面临着数量减少、面积缩小、污染严重、湿地流域水土流失、湿地对气候和区域生态的调节能力下降等问题[5]。据了解，1978—2008年中国自然湿地面积减少约33%，而人工湿地面积增加约122%[6]，这得益于我国退耕还林、退耕还湿工程政策的实现[7]。韩颖等在研究5个时期长江入海口的湿地土地利用格局及变化时发现水田及滩涂面积减少，主要原因是围填海活动以及泥沙淤积等[8]。此外，湿地农业是湿地开发利用的另外一种形式，林香青等在研究山东湿地农业中揭示了山东湿地农业发展模式单一、发展观念落后等问题。粗放的生产经营、只追求经济效益的发展模式，加剧了湿地农业的面源污染、系统退化[9]。因此，各地在建设绿水青山的过程中应该加强区域合作，多区域、多部门地对湿地生态系统开展系统性、整体性的保护[10]。

现阶段，国内外学者对于湿地资源类型的提取多采用遥感影像解译的方法[11]，并利用NDVI、NDWI提取植被与水体等[12]。本研究基于Landsat影像，利用随机森林法对南京沿江湿地类型分类，分析了南京沿江湿地资源时空变化特征，在一定程度上揭示人类社会发展与自然环境保护之间的动态变化过程，以期为进一步科学合理制定沿江湿地开发保护政策提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究區概况 南京市位于我国东南部长江下游的丘陵地区，距长江入海口347km，长江干流呈西南-东北走向穿越南京市域，南京沿江湿地的区域范围定义为118°22′～119°14′E，31°14′～32°37′N。属亚热带湿润气候区，季风显著，降水丰沛。南京城区以西、以南地貌类型主要以沿江平原为主，以北为岗地和沿江平原地貌，以东主要是低山丘陵型地貌形态。南京沿江主要为河漫滩湿地，在漫长的发育过程中，沿江两岸的土壤时常被泛滥的河水所覆盖，加之气候和江岸的变迁，在河流的转弯处等地淤积泥沙成岛，使得本区湿地沿河流的分布呈带状或线形。目前，南京辖区内长江岸线长约308km，长江湿地生态岸线总长度约121.4km，湿地总面积973km2。其中，江北新区（含八卦洲）的生态岸线长约52km，约占全市生态岸线的43%，占江北新区岸线总长度的40%，主要分布在绿水湾湿地、八卦洲环洲湿地、龙袍湿地3段（图1）。

1.2 数据来源 本研究采用美国陆地卫星landsat5 TM、landsat8 OLI 3期影像数据，均下载于https：//earthexplorer.usgs.gov/（USGS，美国地质勘探局官网）。影像的选择确保无云且日期相近，避免因季节不同而导致雨季和非雨季各植被类型、生长情况、水田作物收割、灌排水情况和水体水位的差异，提高了数据的准确性及有效性（表1）。

结合南京市行政区划界，提取长江南京段沿岸矢量数据，由沿江向陆地拓展构建3km缓冲区，即得到研究区范围，面积817.7km2。

1.3 研究方法

1.3.1 归一化水体指数 根据水体及植被在不同波段反射率的不同构建归一化水体指数（NDWI）。水体的反射率在蓝绿波段最强，随后向中红外波段逐渐减弱，即近红外和中红外波段范围内对水体的吸收性最强;而植被恰恰相反，其反射率在近红外波段有强反射峰[13]。由此，通过如下波段运算，构建归一化水体指数，凸显影像中的水体信息[14]。NDWI的计算公式如下：

式中，G为绿光波段，即Landsat5 TM影像的TM2波段，Landsat8OLI中的OLI3波段;NIR是近红外波段，选用TM4和OLI5波段。

利用归一化水体指数提取水体，比较近20年来长江南京段水体面积的变化，可以从宏观角度反映湿地资源的数量变化。

1.3.2 随机森林法 随机森林法是遥感信息自动提取中一种较新的机器学习模型。通过集成学习的思想，将多棵树集成的一种算法，其基本单元是决策树。其中，每1棵决策树都是1种分类器，对于单个输入样本，多棵树会有多个分类结果。随机森林将所有分类结果进行投票，将投票次数最多的结果作为最终输出结果。已有研究表明，在准确率方面，随机森林法具有极大的优势，能够在大数据集上有效运行，适用性高;随机森林包含多种如回归分析、无监督学习等统计数据，分析时可以同时对其进行并行演算分析[15]。基于上述诸多优势，本研究采用随机森林法进行湿地类型的分类提取。根据湿地分类标准[16]，结合遥感影像的目视解译以及实地考察，将研究区域的类型划分为河流湿地、湖泊湿地、沼泽湿地、稻田、水产养殖、植被以及其他地物类型（工矿交通、港口、居住用地等在此归为1类）共7种。基于随机森林法的分类精度评价，Kappa系数为0.77，总分类精度86.3%，其中水体的分类精度达91.2%。

2 结果与分析

2.1 时间变化特征 由图2可知，1997—2017年区域各利用类型中，以绿地、居住工厂、水产养殖以及湖泊湿地为主，河流湿地、沼泽湿地、稻田占比下降。1997、2009、2017年3年湿地面积总和分别为623.76km2、639.3km2、581.85km2，湿地面积先略有增加、而后减少，整体呈减少趋势，年均减少2.1km2。本次研究选择深秋初冬季节的影像，目的是排除不同季节降水、径流季节差异等自然因素产生的湿地面积变化。湿地面积的减少在很大程度上与城市建设有关，不断推进的城市化进程，导致城市居住、工矿、交通等用地不断扩张，从而一定程度上侵占了部分湿地资源。受长江水资源开发利用、农业生态结构调整的影响，虽然整个长江流域总体上河、湖湿地面积减少较为显著，但南京沿江湿地资源从1997年至2009年，沼泽湿地的减少速率较快，随着对生态环境保护重视程度的加深，2009—2017年沼泽湿地的保护效果较为显著，面积比重基本保持不变。这是其作为长江流域沿岸较为发达的高城市化水平城市，第二产业向第三产业优化过渡发展过程中，坚持响应政府退耕还林还草、退耕还湿的号召，严格控制对长江沿岸湿地的围垦，开展一系列生态工程如退耕还林、沿江大保护等产生的直接效应。近年来，南京从全局角度实施的湿地资源保护与开发措施，为减少耕地侵占长江湿地资源起到了极好的作用，可以为其他城市的生态治理、沿江保护提供一定的发展借鉴。

从湿地与其他用地类型的面积转移矩阵（表2～4）可见，南京沿江湿地类型变化显著。1997—2017年，各个阶段都有不同植被覆盖度之间的转移，其中较为突出的转变有：河流湿地转化为其他地物类型和绿地的面积分别为16.53km2、15.06km2，占总变化面积的7.5%、6.8%;沼泽湿地转化为其他地物类型和绿地的面积分别为23.99km2、30.52km2，占32.5%、41.3%;稻田转化为居住工厂和绿地的面积分别为14.23km2、34.2km2，占24.7%、59.5%，新形势下农村农业改革、发展生态农业、水稻种植向建设经济作物种植的转变对稻田面积减少有很大贡献;绿地转化为其他地物类型的面积69.38km2，占27.2%。与此同时，部分暂时搭建的人造设施以及居住工厂为主的其他地物类型转化为绿地的面积达65.41km2，就绿地与其他地物类型两者的转换而言，仅有少范围的绿地转变为其他地物类型，因此，城市用地面积的扩张并非是占用大范围的绿地;水产养殖转化为其他地物类型和绿地的比例分别为24.3%、27.6%。综上，湿地较大一部分转化为以居住工厂为主的其他地物类型和绿地，而稻田转化为绿地的现象也极为突出。以稻田为主的耕地面积的减少很大程度上与响应政府号召，实施退耕还林还草、大力发展生态农业，将水稻种植转变为特色经济作物为主，其中以八卦洲的芦蒿种植为代表，产量高、经济效益好。

2.2 空间变化特征 通过阈值法（>0.15）在归一化水体指数影像图上提取水体，生成二值图，规定图像灰度值为1的是水体。统计结果表明，研究区水体面积从1997年的196.95km2缩小到2017年的187.14km2，总水体面积缩小9.81km2。由二值图（蓝色代表水体）的变化（图3）可以看出，以红色放大区域为代表的水体减少区域主要体现在水稻田的减少以及水产养殖的少数增多，其主要分布在河流入江口附近的農田地区。长江南京段上游西北岸有明显的占用长江水道面积部分，影像上能直观地辨出长江水道面积的减少，这也是区域水体面积减少的直接原因之一。水体增多的区域主要集中在长江八卦洲及其下游沿岸的北侧，此区域现为南京市八卦洲湿地公园及南京市六合区龙袍省级湿地公园所在地。近年来随着生态文明城市的建设，退耕还林还草、保护湿地，大力开展湿地公园的建设与保护工作，即人工湿地的增多极大程度上缓解了湿地面积的减少态势。这也与中国整体湿地面积变化趋势即自然湿地面积减少，人工湿地面积增多相应证。区域整体水域面积的缩小揭示了随着城市社会经济的发展对水体的侵占，区域水循环输入小于输出，从而导致水分亏损的现象。

南京沿江湿地资源类型的空间变化还体现在八卦洲上游北岸地区（图4）的沼泽湿地向水产养殖用地转变，也就是自然湿地向人工湿地转变。例如，位于八卦洲下游北岸地区，即现南京市六合区龙袍省级湿地公园就是2009年开始由大面积稻田等自然湿地逐步转变而来的。另外，随着经济社会的发展，长江沿岸的水产养殖业不断兴起，近20年来水产养殖用地面积稍有上升，主要位于南京长江北岸。南岸由于接近主城区，地价昂贵以及城市开发建设，大多数用地类型向城市用地、港口、工矿交通、绿地等非湿地转变。

与1997年相比，沿江湿地生态环境在逐渐倒退。人类活动是南京沿江湿地资源演化的主要原因，许多大面积的河网被城市道路所替换，长江沿岸港口建设用地的增多等导致河流湖泊面积缩减严重，由于改用先进的大棚技术大力发展果蔬农业、改种经济作物，致使沿江的水稻田（人工湿地）也不断减少，导致湿地难以发挥稳定的生态环境调节和保护功能。

总之，湿地资源变化主要发生在南京长江段北岸，南岸大部分为城市建设所占用，少数转变为沿江绿地及生态公园。

3 结论与建议

（1）1997—2017年河流湿地、沼泽湿地、稻田占地面积减少，绿地、居住工厂、水产养殖以及湖泊湿地占地面积增多，即天然湿地面积减少，人工湿地面积增多。湿地总面积呈减少趋势，尤其是河、湖湿地的减少导致区域水体面积的减少。因此，今后应加强对河、湖湿地的保护。

（2）1997—2017年人工湿地增多，在一定程度上缓解了湿地面积减少的趋势。退耕还林还草政策的施行、湿地公园的建设，增加了区域人工湿地、绿地面积。因此，今后应继续加强对生态环境的建设与保护。

（3）长江南京段南侧湿地主要是被城市建设占据。因此，今后应在沿江建设滨江生态带，既能对生态环境达到保护效果，又能够提升城市美观度。

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（责编：施婷婷）