海口市近30年来湿地变化及其驱动力分析

钟尊倩，邱彭华，杨 星

（海南师范大学 地理与环境科学学院，海南 海口 571158）

湿地是一种具有重要生态环境与社会经济功能的独特生态系统，具有明显的脆弱性[1]，在自然环境和人类活动的影响下其结构和功能易发生变化，如不合理的土地利用方式使湿地景观破碎化、面积锐减和生态服务功能退化，最终导致湿地资源流失[2-9]。鉴于湿地的重要性与面积锐减的现实，国内外学者对湿地已开展了广泛的研究，主要集中于湿地景观格局变化分析[10-12]、湿地变化驱动机制分析[13-18]、湿地生态系统服务价值评估[19-23]及其环境效应[24-25]4个方面。近年来，关于海南省的湿地研究也逐渐增多。例如，林宁等分析了海南省湿地生态系统存在的问题和管理对策[26]；周梦瑶等介绍了海南省湿地的主要类型、特点、生态价值和保护现状，认为海南省湿地生态系统健康的主要威胁来源于人类社会因素中的城市发展、水产养殖和加工、旅游观光，以及自然因素中的海水酸化、海平面上升与海洋灾害气候[27]；李儒等以2002—2013年3期SPOT影像为数据源，采用湿地变化分类解译法（即直接解译动态斑块）对东寨港保护区湿地变化信息进行了提取与分析[28]；雷金睿等运用景观格局指数和数理统计等方法分析了1990—2018年海南岛湿地景观演变特征及其驱动因子[29]。总体来看，已有的海南湿地研究主要集中在省域尺度即大尺度上，缺乏市县级中尺度的研究，同时对湿地变化原因或驱动力分析不够深入。海口市历史上水网十分密集，素有“水城”之称，但自建省以来，随着经济和城镇化的快速发展，海口市大量湿地被开发占用。因湿地锐减及国家对湿地保护的日益重视，近年来海口市政府高度重视湿地保护与恢复工作，如2017年3月批准《海口市湿地保护与修复工作实施方案》《海口湿地保护修复三年行动计划》，同年6月完成《海口市湿地保护修复总体规划（2017—2025年）》。鉴于海南湿地研究的不足及海口市对湿地保护工作的日益重视，本研究拟运用3S 技术提取与分析海口市1985—2018年4个年份的湿地时空演变信息，利用主成分分析法对海口市湿地变化的主要驱动力进行甄别，以期为海口市的湿地利用、保护、恢复与管理工作提供科学参考。

1 研究区概况

本研究以海口市陆域区及其由海岸线（2018年）向海延伸至水深6 m的近海水域为研究区，如图1所示。海口市地处海南岛北部，位于19°32′N—20°05′N，110°10′E—110°41′E；地势平缓，海拔最高处为222.8 m，多台地、平原，南渡江纵贯市域中部；属热带海洋性季风气候，年平均气温23.8 ℃，年平均降水量1 664 cm，多年平均相对湿度85%。2019年，全市实现地区生产总值1 671.93亿元，财政收入465.92亿元，3次产业结构比为4.3∶16.5∶79.2，第三产业的经济稳定作用明显。

图1 研究区位置与范围[审图号：琼S(2021)023号]Figure 1 Location and scope of the study area[Review No.:Joan S(2021)023]

2 湿地分类与数据来源

2.1 湿地分类体系

参照《湿地分类》（GB/T 24708-2009），并结合海口市湿地实际情况，本研究湿地分类体系（表1）包括自然湿地和人工湿地2个一级类，其中自然湿地细分为湖泊湿地、沼泽湿地、近海与海岸湿地、河流湿地以及红树林湿地5个二级类，人工湿地细分为水产养殖场、水田、库塘湿地、娱乐性人工湿地与其他人工湿地5个二级类。近海与海岸湿地指浅海水域、沙石海滩、淤泥质海滩等分布区；河流湿地指河流水面、洪泛湿地（内陆滩涂）和三角洲/沙洲/沙岛分布区；水产养殖场指用于水产养殖用途的水面，包括淡水养殖场与海水养殖场；水田指有水源灌溉的耕地；库塘湿地指为灌溉、水电和防洪等目的而建造的人工蓄水设施；娱乐性人工湿地指用于娱乐休闲的人工景观水面；其他人工湿地指除上述湿地之外的积水区或设施，如污水处理厂、采矿塌陷积水区与沟渠。

表1 1985—2018年海口市湿地与非湿地面积变化Table 1 Changes of wetland and non-wetland areas in Haikou from 1985 to 2018

2.2 数据来源与处理

本研究所用数据包括1985年、1995年、2005年和2018年的影像数据（前3个年份的影像分辨率为17 m，2018年的影像分辨率为1.07 m）、海口市政区图与海岸线图、海口市1995年与2005年土地利用现状图、海口市1996 年1∶2.5 万与1∶5 万历史地形图、海口市气象数据和海口市社会经济数据。影像数据来源于Google Earth，气象数据来源于中国气象科学数据中心，社会经济数据来源于1985—2018年《海口市统计年鉴》和《海南省统计年鉴》，其它数据来自相关职能部门。

依据影像与历史地形图的比对，在全市范围内选取40 个近30 年来未有明显变化的地物，使用RTKGNSS实地采集地面控制点。影像经辐射校正、大气校正、几何精校正和投影等预处理后，用研究区范围图进行裁剪，得到4期研究区遥感影像。以历史土地利用现状图和地形图为辅助，在ArcGIS中进行目视解译，提取全市湿地与非湿地（仅分建设用地、其他用地2类）图斑。从解译后的各期数据中随机抽取10%的图斑与历史地形图、历史土地利用现状图、0.56 m谷歌影像及现场确认比较，进行精度验证。结果显示：2018年、2005年、1995年、1985年数据的解译精度分别为95%、90%、89%和90%。

3 研究方法

3.1 转移矩阵分析

转移矩阵由马尔科夫提出，能全面、具体地描述各湿地类型的变化特征和湿地转移方向，常用于湿地演变特征研究，可作为湿地类型变化特征与转移方向分析的基础［30-33］。对于任何一种湿地类型，其变化情况可分为转入、转出与未变3种，其数学表达式为

式中，Pij表示湿地类型i转化为湿地类型j的转移面积。

3.2 主成分分析

主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）是重要的降维方法，能从原来错综复杂的多个变量中线性变换出少数重要变量（即主要变量）［34]，已广泛应用于人口统计、数量地理和数理分析等学科或领域。

4 结果与分析

4.1 海口市湿地变化分析

4.1.1 数量变化

湿地遥感解译结果表明，1985—2018 年海口市湿地总面积呈下降趋势（表1），由1985 年的80 820.55 hm2减少至2018 年的70 410.57 hm2，减少了13%；从细分时段看，2005—2018 年湿地面积减少幅度最大，减少了6 585.53 hm2。1985—2018年二级湿地类型中面积净减少量排在前4位的分别是水田（8 438.44 hm2）、河流湿地（2 579.69 hm2）、近海与海岸湿地（2 263.99 hm2）以及库塘湿地（1 393.31 hm2）。在此期间，水产养殖场面积净增加了3 774.85 hm2，湖泊湿地、沼泽湿地、红树林湿地、娱乐性人工湿地和其他人工湿地面积变化幅度不大。非湿地总面积由1985年的163 506.45 hm2增至2018年的173 916.44 hm2，其中建设用地面积净增了16 726.07 hm2。

4.1.2 转移变化

湿地转移主要表现为湿地类型之间的转移、湿地与非湿地之间的转移两个方面。湿地转移矩阵（表2）显示，1985—2018年湿地类型间转移较显著的主要为近海与海岸湿地、河流湿地、水产养殖场和水田，转出量分别为459.68、1 344.51、373.23和2 672.37 hm2，转入量分别为124.44、392.20、2 532.47和1 324.01 hm2。水产养殖场面积净增加2 159.24 hm2，近海与海岸湿地、河流湿地和水田分别减少335.24、952.31 和1 348.36 hm2。同期，由湿地向建设用地和其他用地的转移量分别为5 397.19和20 747.66 hm2，由建设用地和其他非湿地用地向湿地的转移量分别为692.40 和15 039.25 hm2，建设用地和其他用地分别增加了4 704.78 和5 708.41 hm2，非湿地增加量主要来源于湿地中的湖泊湿地、近海与海岸湿地、河流湿地、水田和库塘湿地。从湿地转移两个方面可以看出，湖泊湿地、近海与海岸湿地、河流湿地、水田的数量与规模明显减少和降低。

4.1.3 空间变化

1985—2018年海口市湿地空间分布如图2所示。1985—1995年海口市湿地空间变化如图3（a）和（b）所示，此时段市域东部和南渡江沿岸的水田急剧减少，南渡江河流湿地、近海与海岸湿地明显减少，库塘湿地、南渡江入海口的河流湿地、主城区与沿海附近的水产养殖场、南渡江接近定安县段沿岸与入海口东侧沿海附近的水田则有明显增加，其他湿地变化不显著。1995—2005年海口市湿地空间变化如图3（c）与（d）所示，此期间南渡江以东和沿海一带的水田急剧减少，近海与海岸湿地呈明显持续减少态势，主城区附近的水产养殖场明显减少，南渡江河流湿地在海口范围的南部半段有小幅恢复，美兰区江东滨海区和秀英区邻近澄迈老城滨海区的水产养殖场显著增加，其他湿地变化不明显。2005—2018年海口市湿地空间变化如图3（e）与（f）所示，此阶段南渡江西部区域（如龙塘、遵谭、东山、长流与西秀等镇）的水田、南渡江河流湿地、海口东北部的近海与海岸湿地、海口东北部桂林洋农场的库塘湿地均明显减少，南渡江以东灵山镇内滨海区的水产养殖场有所增加，主城区内有少量娱乐性人工湿地增加，其他湿地变化不明显。

综合表1、2、图2和图3的信息，研究区3个时段的湿地均有较显著变化，变化范围几乎包括整个研究区，总体上呈现出以下几个特点：（1）随着时间的推移，湿地变化显著区由沿江转向沿海；（2）以南渡江为界，1985—1995年和1995—2005年海口市湿地变化主场区集中于南渡江以东地区，2005—2018年南渡江以西地区生产性人工湿地类型有少量增加；（3）滨海地区在3个时期均有湿地变化，但1995—2005年滨海地区的湿地空间变化范围、强度均明显大于其他两个时期；（4）海口市西部的羊山地区（石山镇、永兴镇、遵谭镇、龙桥镇和龙泉镇西部）是全市湿地贫乏区；（5）海口市四个辖区的湿地规模由大到小依次为琼山区>美兰区>龙华区>秀英区，美兰区湿地分布的空间集聚性最强；（6）随着海口市建成区的扩张，原来郊区的湿地收缩或丧失明显，绝大多数转换成了非湿地中的建设用地；（7）水田、河流湿地、近海与海岸湿地、库塘湿地和水产养殖场是空间变化的主要湿地类型。

表2 1985—2018年海口市湿地与非湿地转移矩阵Table 2 Transfer matrix of wetland and non-wetland in Haikou from 1985 to 2018hm2

4.2 海口市湿地变化驱动力分析

4.2.1 湿地变化影响因素选取

图2 1985—2018年海口市湿地空间分布图Figure 2 Spatial distribution of Haikou wetland from 1985 to 2018

图3 海口市1985—2018年不同时段湿地净增减变化图Figure 3 Net increase and decrease of wetlands in Haikou during different periods from 1985 to 2018

导致湿地发生变化的原因本质上是干扰，而干扰又无外乎自然与人为两方面，其中每个方面又包括多个影响因素。例如，自然因素包括气候（气温、降水、蒸发等）、风暴潮、海平面变化、潮汐动力、洪水和地形等，人为因素包括社会发展、经济发展、城镇化、工程建设、土地开发或开垦、定居、污染和政策等。本研究参考湖泊湿地、滨海湿地和三角洲湿地等变化驱动力研究的指标选取标准[35-37]，根据研究区的自然与社会经济状况、数据资料的可获取性和指标的代表性等，从自然、人文两个方面选取了干燥度（降水量/蒸发量）、海平面上升值、总人口数、非农业人口数、城镇人均可支配收入、地均GDP值、城市化率、渔业总产值、水产养殖规模、全社会固定资产投资额和建成区面积等11个指标变量进行主成分分析。

4.2.2 主成分分析

利用SPSS 软件包进行主成分分析，11 个指标变量的因子分析适合度检验结果显示，KMO = 0.806，Bartlett 球形检验P值<0.001，说明11 个指标变量之间具有明显的结构性和相关性关系，可进行因子分析。除干燥度、水产养殖规模两个指标变量外，其他指标变量共同度均大于0.8，属于理想状态。总方差解释结果显示（表3），前两个成分特征值均大于1，方差贡献率分别为74.597%、10.661%，且累计贡献率为85.258%，故提取前两个公共因子作为主成分。由旋转后的因子载荷矩阵（表4）可知，第一主成分影响的主要变量为地均GDP值、全社会固定资产投资额、建成区面积、城镇人均可支配收入、渔业总产值、总人口数和非农业人口数等，可以命名为“社会经济因素”；在第二主成分影响的主要变量为海平面上升值和干燥度，可以命名为“自然因素”。结果表明，1985年以来影响海口市湿地变化的主导因素为社会经济因素。

表3 总方差解释Table 3 Total variance interpretation

表4 旋转后的因子载荷矩阵Table 4 Factor load matrix after rotation

4.2.3 主导驱动因子影响剖析

为验证主成分分析中在第一主成分上载荷较高的指标变量与湿地面积的具体关系，以湿地总面积作为因变量，以总人口数、非农业人口数、建成区面积、城镇人均可支配收入、地均GDP值、渔业总产值和全社会固定资产投资额作为自变量，进行简单线性相关分析，结果见表5。湿地总面积与7个社会经济指标均存在极显著的负相关关系（P<0.001），其中，全社会固定资产投资额、地均GDP值、建成区面积和城镇人均可支配收入的线性斜率分别为-291.37、-1.883、-0.43与-0.265，而全社会固定资产投资额（R2=0.904）、地均GDP值（R2=0.922）、城镇人均可支配收入（R2=0.963）和渔业总产值（R2=0.934）的拟合性较高，表明社会经济因素是湿地变化的重要驱动因素。

表5 社会经济因素与湿地总面积的线性关系Table 5 Simple linear relationship between socio-economic factors and wetland area

4.2.3.1 人口因素与湿地变化

人口是最具活力的湿地面积及类型变化驱动因素之一[38]。人口增长促使交通、住房、基础设施等建设用地需求不断增加，进而影响湿地变化。据《海口市统计年鉴》，海口市总人口数由1988年的87.91万人增长至2018年的227.21万人，年增长率为4.64%，其中非农业人口增加71.1万人，年增长率为2.37%。在建省初期，随着人口的增加，人们对粮食和经济发展的需求持续增加，不断将自然湿地开垦为农田、水产养殖场，并修建道路和水利工程等，使得自然湿地破碎化，尤其是南渡江以东地区湿地面积骤减，所以2005年之前全市湿地变化主场区集中于南渡江以东地区。自海南设立经济特区以来，海口市以项目建设为抓手，采取有力措施，大力发展现代服务业、旅游业，强力推进产业结构优化升级，集成开发土地资源，致使全市湿地面积锐减。但“十一五”以来，环境保护工作力度的加强促使南渡江以西地区生产性人工湿地类型有少量增加。

4.2.3.2 城镇化与湿地变化

在人口剧增和经济发展的推动下，海口市建设用地需求量不断提高，城镇数量的增加和规模的扩大导致大量湿地被开发占用，湿地大幅转化为建设用地（表6）。1985—1995年、1995—2005年和2005—2018年城镇化占用湿地量分别为1 836.13、3 331.46 和2 866.63 hm2。三个细分时段的湿地占用情况有所差异，其中2005—2018年自然湿地被城镇建设占用量最大，为1 378.94 hm2；1995—2005年人工湿地被城镇建设占用量最大，为2 635.56 hm2。1985—2018 年城镇化总共占用湿地5 397.19 hm2，最终导致湿地萎缩和生态功能退化。

1988年以来，在建省办经济特区、建设海南国际旅游岛和海南自由贸易港等几波改革热潮的影响下，海口市城市空间不断扩张。以海口市2018 年主城区范围为参照，对主城区四个典型年份（1985、1995、2005、2018年）的湿地变化进行分析，结果如图4所示。海口市主城区建设用地面积由1985年的5 797.69 hm2增至2018年的13 333.39 hm2，净增129.98%；同一时期，海口市主城区内的湿地由3 740.25 hm2减至905.14 hm2，净减少了75.80%。1985—2018年海口市主城区的自然湿地在各细分时段均呈减少态势，减少量最大值出现在2005—2018 年，净减少量达1 158.06 hm2。1985—1995 年人工湿地净增了232.73 hm2，但随后其他两个时段均呈减少趋势，其中1995—2005年净减少了888.92 hm2。海口市主城区的城市化建设挤占了原来城市内部及近郊的大量湿地，且逐渐由沿江挤占转向沿海挤占，对水田、河流湿地、近海与海岸湿地等生态环境造成了很大威胁。

表6 1985—2018年海口市城镇化建设占用湿地情况Table 6 Wetland occupied by urbanization construction in Haikou from 1985 to 2018

图4 1985—2018年海口市主城区湿地与非湿地面积变化Figure 4 Changes of wetland and non-wetland area in the main urban area of Haikou from 1985 to 2018

4.2.3.3 经济发展与湿地变化

海口市的经济规模在人口增长、城市化和产业结构调整的拉动下快速增长。与1988年相比，2018年海口市地均GDP值、全社会固定资产投资额和城镇人均可支配收入分别增长了4 743.29元、13 060 184万元和35 025元/人。由表5可知，湿地总面积与社会经济因素中的全社会固定资产投资额、地均GDP值和城镇人均可支配收入均存在极显著的负相关关系（P<0.001），拟合度均较高，表明经济规模的增长加剧了土地消费，进而降低了湿地保有量，成为湿地变化的重要驱动力。与传统的种植业相比，水产养殖业的经济效益更为可观。根据《海口市统计年鉴》，1988—2017年海口市渔业总产值总体上呈增长趋势，而同期海口市湿地总面积则呈缩减态势（图5）。

图5 海口市渔业总产值与湿地面积变化比较Figure 5 Comparison of changes in Haikou's total fishery output value and wetland areas

1988年海南建省办经济特区后，在“百万人才下海南”政策吸引下，海口市人口激增，渔业产业迎来了发展机遇。而20世纪90年代初的房地产泡沫事件促使更多人转入水产养殖行业，使全市渔业总产值在1995—2005年迅速增长。此后因盲目追求经济效益而忽视污染问题，加上捕捞强度过大、捕捞技术较落后和国际金融动荡等因素的影响，2006年海口市渔业总产值出现回落。2010年海南国际旅游岛建设启动后，政府相关部门和水产养殖户积极调整水产养殖业结构，投入资金更新改造养殖塘、渔船和渔具，推广先进养殖技术，有力地促进了全市渔业产业的发展，2010—2017年海口市年渔业总产值快速增长。建省以来海口市年渔业总产值呈现出“三增（长）两（回）落”、“长（期）增短（期）落”和总体增长的变化特点。随着市民生活水平的提高，水产蛋白质受到越来越多消费者的青睐，水产养殖业逐渐成为海口市的重要支柱产业，水产养殖场面积持续扩大，大量其他湿地类型和非湿地类型转换成水产养殖场，改变了海口市土地利用结构和湿地景观格局。

4.2.3.4 干燥度与湿地变化

干燥度是表征气候干燥程度的指数，指某地一定时段内的蒸发量与同期降水量的比值[39]。根据海口市逐日气象数据，计算出1985年以来每年的干燥度。以年份为自变量，分别以干燥度和湿地面积为因变量进行分析，结果如图6所示。虽然1985—2018年干燥度有上下波动，但其拟合直线总体呈下降趋势，同期的湿地面积变化拟合直线也呈下降趋势，但干燥度变化拟合直线的斜率大于湿地面积变化拟合直线的斜率，说明湿地面积减少的速度大于干燥度下降速度。

图6 海口市湿地面积变化与干燥度变化比较Figure 6 Comparison of changes in wetland area and dryness in Haikou

根据海南省气象公报和《中国气象灾害·海南篇》[40]记载，包括海口在内的海南岛虽然地处热带，但其气象干旱和水文干旱却是一种常态，在1951年至1980年的30年中全岛有25年出现春旱；1984年1—3月，海南全省降水偏少33%；1987年8—10月，全省绝大部分地区秋季连旱；1990年10月至2000年5月，全省多次出现冬春连旱，连续旱日最高达207天；2004年9月至2005年7月，受无热带气旋影响，出现继1977年全岛性大旱之后的又一次全省性的大范围四季连旱；2015年夏季全岛降水偏少，气温偏高，气象干旱反复出现。从气象统计数据来看，随着全球变暖，海口市气候有向“暖干”方向变化的趋势，在一定程度上会给湿地特别是内陆湿地带来一些不利影响，比如缺水萎缩、水质变差等，表明干燥度是影响海口市湿地面积变化的驱动力之一。

4.2.3.5 海平面上升与湿地变化

海平面上升会侵蚀海岸，淹没滨海低地，加重风暴潮灾害，进而影响人类的生产生活。根据《2018年中国海平面公报》[40]，1980—2018 年中国沿海海平面变化总体呈波动上升趋势，海平面上升速率为3.3 mm/a。据此计算，1985—2018年海平面累计共上升了108.9 mm。

2018年7月，中国南海海平面为1980年以来同期最高，海南沿海各月海平面均高于常年同期，预计未来30年，南海沿海海平面将上升70～170 mm[41]。海口市地势总体低平，滨海平原和三角洲平原面积较大，海平面上升会给滨海地区的湿地带来复杂影响：河流湿地中的河口水面面积增加，而河口滩涂和河口三角洲面积减少；浅海水域面积扩大，而滨海咸水沼泽、咸水湖、海水养殖场、红树林湿地和沙石海滩等则会出现一定萎缩。受海平面上升的影响，2004—2006年海口市海甸岛和新埠岛长约6 km的海岸线因海岸侵蚀出现了约有150 hm2的土地损失[42]。受台风“威马逊”和“海鸥”引发的风暴潮和近海海浪影响，海口市西海岸的镇海村受侵蚀海岸长1.4 km，镇海渔港弧形防波堤局部崩塌；海口市东海岸有4.2 km的海岸受到侵蚀，总侵蚀面积超10 hm2；南渡江入海口东侧受侵蚀岸段长10.5 km，海岸线后退明显，沙石海滩、淤泥质海滩等近海与海岸湿地面积减少[43]。以上数据与实例表明，尽管海平面上升是一个缓慢过程，但它已然成为影响海口市滨海区湿地变化的重要自然驱动力之一。

5 结论

本研究运用3S技术，对海口市1985—2018年的湿地变化及其驱动力进行了分析，主要结论如下。

（1）海口市湿地面积由1985年的80 820.55 hm2减少至2018的70 410.57 hm2，2005—2018年减少幅度最大，34年间全市湿地总量减小了13%。减少较显著的湿地类型主要为近海与海岸湿地、河流湿地和水田，分别减少了335.24、952.31和1 348.36 hm2。

（2）海口市湿地变化范围几乎包括整个研究区，随着时间的推移，湿地变化显著区由沿江转向沿海；以南渡江为界，1985—1995年和1995—2005年，全市湿地变化主场区集中于南渡江以东地区，2005—2018年南渡江以西地区生产性人工湿地有少量增加；滨海地区在3个细分时段均有湿地变化，但1995—2005年变化范围和强度均明显大于其他两个时期；西部羊山地区是全市湿地分布贫乏区。

（3）社会经济因素是造成海口市湿地变化的主要原因。无论是在市域尺度还是在主城区尺度，近30年来海口市人口增长、城镇扩张和经济规模扩大均使得土地需求不断增加，使大量湿地被占用，明显降低了湿地保有量，最终导致湿地萎缩和生态功能退化。在人口增长及居民生活水平提高等因素的驱动下，水产养殖业逐渐成为海口市的重要支柱产业，全市水产养殖场面积持续增加，大量其他湿地和非湿地转换成水产养殖场，改变了海口市土地利用结构和湿地景观格局。