2000—2015年天津市湿地景观变化和生态影响

王德旺，何萍，徐杰，任颖，侯利萍

国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，中国环境科学研究院

湿地具有供给、调节、支持等生态系统服务功能[1-2]。近几十年来，我国东部沿海城市所辖湿地呈现快速消失态势，引起社会的高度关注[3-8]。天津市湿地资源的变化在中国东部沿海城市极具代表性，20世纪初，天津市湿地面积达5 471 km2，占全区面积的45.9%；2000年减少为3 583 km2，占比仅为30.1%，减少了34.5%。20世纪70年代之前，淤积造田、河流改造、兴建水库等是天津市湿地面积减少的主要原因；改革开放之后，城市拓展、农村经济发展成为湿地面积减少的主要原因[9-10]。已有较多学者针对天津市湿地资源进行了研究，如曹喆等[10-11]分别研究了天津市和天津市滨海新区湿地的变化与驱动力；刘东云等[12]运用矩阵方法和景观格局指数法研究了1999—2007年天津市湿地变化状况，利用CA-Markov模型预测湿地变化趋势，并采用主成分分析法识别湿地变化的驱动力；肖庆聪等[9]分析了1993—2007年天津市滨海新区湿地面积变化，并用典型分析法识别湿地退化的驱动因素；吕金霞等[13]通过矩阵和空间分析法研究了1980—2015年天津市滨海新区湿地变化，采用趋势分析法依据湿地遥感参数变化识别湿地受损状况。以上研究都是利用遥感解译的土地利用数据，分析天津市或天津市部分区域湿地变化状况，在此基础上采用景观指数法分析景观格局变化或利用模型预测景观变化趋势，同时较多研究采用主成分分析或典型相关分析研究湿地景观变化的驱动力，个别学者还结合遥感参数变化识别湿地受损区域。

湿地与林地、草地共同构成生态用地[14]。在平原城市区，生态用地除作为生物生境外，还可以调节气候、缓解热岛效应并作为景观用地和休闲场所。生态辐射效应能够反映生态用地对人居环境的影响，辐射范围的确定一般采用缓冲区分析法[15-16]。天津市地处华北平原地区，土地开发强度大，2006—2014年湿地面积占生态用地面积的62.70%～76.81%[17]，远高于绿地面积，是天津市最重要的生态用地，可见，相较其他北方城市，天津市人居环境对湿地的依赖度更高。另外，天津市地处东北亚—澳大利亚侯鸟迁徙通道，是鸟类重要的繁殖地和停歇地，在城市化进程中，控制人类活动干扰强度，对营造鸟类适宜生境、恢复物种多样性具有深远影响[18-21]。笔者将湿地退化的重点区域、湿地斑块的微观变化以及湿地演变对人和鸟类等的生态影响纳入研究，利用2000—2015年天津市土地利用数据，结合地理信息系统(GIS)技术，可视化揭示天津市湿地的时空演变过程和景观斑块变化特征，并探究其在服务人居环境和提供鸟类栖息地方面的生态影响，以期为天津市湿地生态修复提供参考。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

天津市地处华北平原东北部、海河流域下游。境内河网密布，水库湖泊众多，坑塘洼淀星罗棋布，拥有丰富的湿地资源。较大的湿地主要有汉沽盐田、北大港湿地、团泊洼湿地、大黄堡湿地、七里海湿地、黄庄洼、青甸洼、东淀等；海河的五大支流北运河、永定河、大清河、子牙河、南运河在天津市境内入海。天津市属暖温带半湿润大陆性季风气候，年降水量为534.4 mm，降水集中在6—8月，年均气温为12.6 ℃，年蒸发量约为1 160 mm[22]。

1.2 数据来源

土地利用数据由2000、2005、2010、2015年共4期Landsat卫星影像解译而成，空间分辨率为30 m，按照政府间气候变化专门委员会(IPCC)和联合国粮食及农业组织的土地覆被分类系统(LCCS)共划分为6个一级类型、40个二级类型。行政边界源自2009年国家测绘局公布的1∶25万行政边界数据。应用ArcMap 10.2软件完成空间数据裁剪、合并与缓冲区分析等操作，应用Fragstats 4.1软件分析湿地景观格局指数。

1.3 研究方法

1.3.1土地利用变化分析

运用ArcMap 10.2软件对2000、2005、2010、2015年的土地利用数据做相交分析并筛选其中湿地成分，然后使用Excel的数据透视表工具绘制马尔科夫转移矩阵，进而对湿地构成和占比信息进行统计，并对空间分布及变化状况进行图示。

1.3.2景观格局分析

景观格局指数是高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置特征的定量指标[23]。运用Fragstats 4.1软件，选取斑块数(NP)、平均斑块面积(MPS)、聚集度指数(AI)、景观形状指数(LSI)、周长面积分维数(PAFRAC)、香农多样性指数(SHDI)和香农均匀度指数(SHEI)7个参数，从景观层面分析天津市湿地景观格局。

1.3.3斑块聚类分析

为从微观尺度了解不同大小的湿地数量、面积减少等方面的差异，以2000年天津市湿地斑块为基准，运用ArcMap 10.2软件选取湿地中的草本沼泽和水库坑塘等面状湿地，按斑块面积大小分为10级(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)，按照没有变化、部分消失和完全丧失3种形态剖析湿地削减状况与斑块大小的关系。

1.3.4生态用地辐射效应

对一定面积的生态用地斑块设定不同生态服务辐射半径，以生态用地辐射率(Bi)和覆盖建设用地比例(Ci)作为生态用地对人居环境服务水平的表征指标[24-25]。而不在生态用地辐射范围的建成区，则可作为未来城市生态建设的重点区域[26-28]。由于天津市小微湿地数量多且辐射效应不明显，在ArcMap 10.2软件中只筛选面积≥0.1 km2的湿地，另外对河流类湿地不作分析。生态用辐射率计算公式如下：

Bi=SiS总×100%

(1)

式中：i为缓冲区半径，m，参考梁颢严等[25,29]对公园绿地服务能力的研究，将大于0.5 km2的大型生态用地缓冲半径分为500、1 000、1 500和2 000 m 4个等级，0.1～0.5 km2的中小型生态用地缓冲半径取500和1 000 m 2个等级；Si为生态用地辐射面积，km2；S总为陆域总面积，km2。

覆盖建设用地比例计算公式如下：

Ci=SbiSb×100%

(2)

式中：Sbi为生态辐射区建设用地面积，km2；Sb为建设用地总面积，km2。

1.3.5潜在的鸟类适宜生境分析

以生态用地为鸟类适宜生境，以建设用地为人类活动干扰源，在ArcMap 10.2软件中按照一定的警戒距离开展缓冲区(干扰范围)分析，识别剩余潜在的鸟类适宜生境。由于天津市地处东北亚—澳大利亚候鸟迁徙通道，珍稀濒危鸟类物种较多，参照张佰莲等[30-32]对湿地鸟类警戒行为的研究，结合天津市实际情况，选取300 m作为警戒距离。

2 结果与分析

2.1 湿地面积与转化

2.1.1湿地类型与面积变化

天津市湿地可分为自然湿地和人工湿地两大类，自然湿地包括河流和草本沼泽，人工湿地包括水库坑塘和运河水渠。2015年天津市湿地总面积为1 963.57 km2，占全市面积的16.50%，其中自然湿地和人工湿地面积分别占24.40%和75.60%，不同类型湿地面积占比大小依次为水库坑塘>草本沼泽>河流>运河水渠(表1)。由变化量看，2000—2015年湿地面积减少了260.92 km2，减少率为11.73%。2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年分别减少了29.74、168.56和62.62 km2，其中2005—2010年减少得最快。在构成上，河流面积增加了14.52 km2，水库坑塘、草本沼泽和运河水渠面积分别减少了194.80、73.63和7.01 km2。

由天津市湿地转出类型的面积统计(图1)发现，2000—2015年湿地主要转化为建设用地、耕地、未利用地、草地和林地，转化面积分别为242.29、132.77、93.65、35.91和2.26 km2。由每个时段湿地转出量看，湿地向建设用地、草地和林地的转化有放缓趋势，而向耕地和未利用地的转化有加剧趋势。

表1 2000—2015年天津市湿地面积及占比统计

1)填海造陆导致全市陆域面积不断增长，湿地面积占比对应于各年份陆域面积;湿地空间转化、生态影响等的分析采用4期中共有陆域部分，即不考虑造陆扩张面积。

图1 天津市湿地转出面积统计Fig.1 Statistics of areas for wetlands transferred out in Tianjin City

2.1.2湿地重点转出区域

图2 2000—2015年天津市湿地空间转化状况Fig.2 Spatial transformation of wetlands in Tianjin City in 2000-2015

2000—2015年天津市湿地空间转化状况如图2所示。由图2可知，2000—2015年天津市湿地增加区主要分布在潮白新河、永定新河、蓟运河三河交汇的入海口附近；而湿地减少区分布在永定新河和独流减河之间的广大区域。天津市湿地在6个区域转出最为剧烈(图3)，按建设用地转化率高低排序为蓟运河—永定新河交汇处、大港区独流减河入海口两岸、南运河—卫津河—鸭淀水库—独流减河圈围区、东丽湖—黄港水库南部、永金水库区和津南水库区。不同区域的开发建设情况如下：1)蓟运河—永定新河交汇处，有68.34 km2的湿地转化为建设用地，主要开发建设中新生态城、东疆保税港区、滨海旅游区、北塘经济区、中心渔港经济区等；2)大港区独流减河入海口两岸，有49.85 km2的湿地转化为建设用地，主要开发建设南港工业区(左岸)，南港轻纺工业园、南港生活区(右岸)；3)南运河—卫津河—鸭淀水库—独流减河圈围区，分别有38.43、9.72 km2的湿地转为建设用地和农田，主要建设活动是西青新城、杨柳青镇的新增建设用地；4)东丽湖—黄港水库南部，分别有26.15、9.65、8.48 km2的湿地转为建设用地、草地和农田，主要是经济开发区西区、津南新城的建设；5)永金水库区，分别有4.22、3.69 km2的湿地转为建设用地和农田，主要建设内容为小淀镇和大毕庄镇的新增建设用地；6)津南水库区，分别有5.67、3.16、2.64 km2的湿地转为草地、农田和建设用地，主要建设内容为八里台镇和小站镇的新增建设用地。综上，由于城镇开发、农业发展、水资源补给不足等原因[11,33-34]，6个区域共有189.63 km2的湿地开发为建设用地，25.05 km2的湿地开垦为耕地，15.32 km2的湿地退化为草地。这与“十一五”时期天津市滨海新区开发，西青新城、津南新城等城市新城创建，以及小淀、大毕庄、大寺、杨柳青等重点片区开发建设有关[35-36]。

2.2 湿地景观格局变化

2.2.1景观格局指数分析

2000—2015年天津市湿地景观的斑块数、景观形状指数和周长面积分维数有所增加，平均斑块面积和聚集度指数有所减少，香农多样性指数和香农均匀度指数基本不变(表2)。整体上，湿地景观更加破碎和分散，多样性水平一般，斑块比例不均匀。

表2 2000—2015年天津市湿地景观格局指数

图3 2000—2015年天津市湿地重点转出区域Fig.3 Key regions for wetlands transferred out in Tianjin City in 2000-2015

2.2.2不同大小等级湿地斑块的变化

2000年天津市分等级湿地斑块分布如图4所示。经统计，天津市湿地斑块共计3 805个，其中面积≤0.03、0.03～0.05、0.05～0.10、0.10～0.50、>0.50 km2的斑块数量分别为1 565、560、647、750和283个，数量占比分别为41.13%、14.72%、17.00%、19.71%和7.44%(图5)。2000—2015年部分消失的斑块有3 135个，占比为82.39%，是各等级湿地斑块的主要成分；完全丧失的斑块有610个，占比为16.03%，主要存在于≤0.50 km2的中小斑块湿地内；没有变化的斑块仅60个，占比为1.58%。总体上，各等级湿地斑块数量变化情况为部分消失>完全丧失>没有变化。

图4 2000年天津市分等级湿地斑块空间分布Fig.4 Spatial distribution of wetland patches in different grades in Tianjin City in 2000

图5 2000—2015年天津市分等级湿地斑块的数量及变化Fig.5 Number and variation of wetland patches in different grades in Tianjin City in 2000-2015

2000—2015年各等级湿地斑块面积变化如图6所示。由图6可知，在≤0.50 km2的中小型湿地中，部分消失和完全丧失的斑块面积占比相近，远高于没有变化的斑块面积占比；在>0.50 km2的大型湿地中，部分消失的斑块面积占主要成分，>5.00 km2的大型湿地不存在完全丧失的斑块。不同等级湿地斑块面积减少区间为0.86～267.50 km2，减少面积共计481.45 km2。随斑块变大，湿地减少面积(部分消失与完全丧失的面积之和)呈增加趋势。天津市年蒸发量约为年降水量的2倍，降水条件差，采用外调水和城市退水等方式增加生态补水，有助于缓解湿地面积骤减的趋势[37-38]。

2.3 湿地演变造成的生态影响

2.3.1生态用地辐射效应

2000年和2015年天津市生态用地辐射效应统计结果如表3所示。由表3可知，2000—2015年虽然生态用地面积减少了7.42%，建设用地面积增长了54.80%，但生态用地辐射范围和覆盖建设用地范围分别增长了9.96%和69.30%。这表明天津市生态用地重要性提高、辐射效应增强，可以为更广泛区域的居民提供生态服务与产品。由生态用地辐射效应分等级统计结果(表4)和生态用地辐射范围空间变化(图7)可以看出，2000—2015年生态用地辐射率由47.26%上升为51.96%，覆盖建设用地比例由64.29%上升为70.31%，缓冲区生态用地效应增强。随缓冲半径的增大，生态用地对天津市陆域的辐射范围和覆盖建设用地范围均逐渐下降，其中，缓冲半径500 m的辐射范围最大，其次是500～1 000 m，缓冲半径大于1 000 m后的辐射范围最小。天津市生态辐射薄弱区域主要分布在平原地区东北—北—西—西南的宽阔弧形区域以及中心六区和海河干流沿线城市建设密集区。随湿地和生态用地面积的减少，中心六区和海河干流沿线的辐射盲区出现扩张[16,28-29]，应引起重视。

图6 2000—2015年天津市分等级湿地斑块面积及变化Fig.6 Area and variation of wetland patches in different grades in Tianjin City in 2000-2015

表3 生态用地辐射效应统计结果

表4 生态用地辐射效应分等级统计结果

图7 2000—2015年天津市生态用地辐射范围空间变化Fig.7 Radiation range spatial variation of ecological lands in Tianjin City in 2000-2015

2.3.2人类活动对鸟类生境的干扰

图8 2000—2015年天津市人类活动对鸟类生境干扰范围的变化Fig.8 Interference range variation of human activities on bird habitat in Tianjin City in 2000-2015

2000—2015年人类活动对鸟类生境的干扰范围变化如图8所示。由图8可知，人类活动对鸟类生境的干扰在天津市中心六区和滨海新区最严重。经统计，2000—2015年天津市受干扰的鸟类生境由903.01 km2增至1 324.89 km2，在生态用地总面积中占比由46.72%升至48.61%；潜在的鸟类适宜生境由1 968.74 km2减少到1 400.71 km2，占比由68.51%降为51.39%。人类活动对鸟类生境干扰范围剧烈扩张，到2015年海河干流周边已经难以寻找鸟类的适宜生境，有效、开阔的生境主要集中在团泊洼水库、北大港水库、大黄堡湿地、七里海湿地、于桥水库、汉沽盐田、大港盐田等大型湿地与北部山区。

3 结论与建议

(1)天津市湿地演变分析表明，2000—2015年天津市湿地面积共减少了260.92 km2，其中2005—2010年减少速度最快，主要发生在蓟运河—永定新河交汇处、大港区独流减河入海口两岸、东丽湖—黄港水库南部等6个区域。

(2)景观格局分析表明，2000—2015年天津市湿地总体呈破碎和分散趋势。各等级湿地斑块变化分析发现，面积≤0.50 km2的中小湿地斑块完全丧失的斑块面积占比高且数量最多，表明中小型湿地更容易发生丧失。

(3)2000—2015年天津市生态用地面积减少了7.42%，同时建设用地面积增加了54.80%，建设用地与生态用地的交融使得生态用地对周边人居环境的重要性提升、辐射效应范围增加，但应重点关注天津市中心六区和海河干流沿线的生态用地辐射盲区扩张现象，修复受损的生态用地，增加生态补水等，促使生态湿地恢复良好的生态服务功能。

(4)扣除人为干扰范围后，2000—2015年潜在的鸟类适宜生境由1 968.74 km2减少为1 400.71 km2，2015年潜在适宜生境仅占生态用地的51.39%，且集中在平原大型湿地片区和北部山区。连通与拓展现有的生态用地，将有助于鸟类等的生物多样性维护。