珠海市湿地景观格局演变及其驱动力分析

郁 林，党星海，纪 婵，李治斌，徐晓龙

（1.兰州理工大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730050；2.珠海欧比特宇航科技股份有限公司，广东 珠海 519080）

湿地是一种陆生生态环境与水生生态环境相结合的生态环境[1]，也是最具生产力的自然环境之一，为自然生物提供了复杂的生存环境[2]，在维护区域生态平衡等方面具有不可替代的作用[3-5]。近年来，由于城市人口迅猛增加、区域经济飞速发展，对土地利用的需求急剧增加[6]，湿地景观格局遭到严重破坏，甚至威胁到人们的生存环境[7]。随着粤港澳大湾区发展规划的提出，对处于粤港澳大湾区中心的珠海市来说，其未来经济将会飞速发展，若不能有效保护其湿地资源，将会对珠海市的生态环境造成严重威胁，因此急需开展珠海市湿地景观格局分析与研究。

卫星遥感技术因其覆盖度广、重访周期短、分辨率高和实时性强等优点，已成为地类普查和湿地动态监测的重要方式[8]。近年来，由于我国湿地景观不断遭到破坏，因此湿地景观的变化监测及其驱动力因素分析已成为湿地遥感监测的热门方向，如毛德华[9]等通过分析我国东北地区的湿地变化情况，得到气候和人为因素是湿地变化的重要原因的结论；Ernoult A[10]等通过对塞纳河流域漫滩鸟类和维管植物的研究，得到生物多样性的潜在驱动因素来自过去和现在的景观格局的结论；Debanshi S[11]等利用卫星图像结合差分水体指数对恒河三角洲印度部分地区的湿地进行了圈定，并采用细胞自动机对湿地面积变化进行了模拟分析；张莹莹[12]等利用构建LUCC统计模型和计算湿地景观格局指数的方法研究了1974－2017年江汉平原洪湖湿地自然保护区的变化情况，发现其湿地生态系统遭到严重破坏；宫宁[13]等利用遥感技术分析了我国近30 a湿地的变化情况，结果表明自然湿地在不断消失，非自然湿地在逐步增加，其驱动因素因湿地类型的不同而有所差异；马学垚[14]等研究了多期长江三角洲地区滨海湿地景观格局的变化情况，并对其驱动要素进行了分析；徐晓然[15]等通过多期的遥感影像，提取了海南红树林地湿地景观的变化情况，并进行了景观格局分析。

综上所述，目前湿地景观格局演变研究已成为湿地生态系统研究的热点，国内研究主要集中在长江三角洲、江汉平原等较大的区域，而对珠海等沿海城市湿地景观格局的研究相对较少；且已有研究大多基于30 m分辨率的Landsat卫星影像，空间分辨率相对较低。鉴于此，本文采用10 m空间分辨率的Sentinel-2卫星影像对拥有独特地理位置的珠海市湿地系统进行了研究。首先通过4期遥感影像对珠海市湿地图斑进行精细分类；然后利用ArcGIS空间分析方法和Fragstats计算景观格局指数，进而计算珠海市湿地系统近年来的动态变化情况；最后结合人口、经济、降雨、气温等因素，利用统计学原理对驱动力进行了分析，以期为珠海市湿地系统保护以及粤港澳大湾区生态系统安全提供参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

珠海市是粤港澳大湾区九城之一，地处广东省的西南部，东侧隔海相望香港与深圳，西侧与江门市新会区相邻，南侧紧挨澳门，北侧与中山市接壤，被大湾区 5个地市环抱[16]。受南亚热带季风气候影响，珠海市常年多雷雨天气，每年4－9月受东南季风侵扰，降雨量明显增多，占全年总降雨量的85%，为雨季；10月－次年3月受东北季风影响，降雨偏少，为旱季；年平均降雨可达2 000多mm，全年相对湿度为80%。珠海市整体地势相对平坦，西北地区高、东南沿海地区低，市内河流纵横，分布有6条河流、88个水库以及大量坑塘、沼泽，拥有丰富的湿地资源。近年来，随着沿海城市的飞速发展，出现了围海造陆、自然坑塘养殖化、填库造陆、资源浪费等破坏自然湿地的情况，对珠海市湿地生态系统造成了严重威胁，因此展开湿地景观格局的探讨，对珠海市湿地安全保护具有重要的参考价值。

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源与预处理

为准确提取珠海市陆域湿地的分布信息，遥感影像数据中的云量需控制在3%以下；为了对比年份湿地景观格局，遥感影像选择不同年份同一月份的数据；还需综合考虑影像的质量、获取度、使用效率等情况。本文最终选取的遥感影像数据为2016-07-29、2017-10-11、2018-10-02、2019-10-04的Sentinel-2影像数据，数据均来源于欧航局（https://scihub.copernicus.eu/）。

1.2.2 湿地分类方案

以《第三次全国土地调查工作分类》和《湿地公约》中湿地分类标准为基础[17-18]，结合研究区目前的状况，本文将珠海市陆域湿地划分为水田、红树林地、沼泽湿地等10个类型。由于森林沼泽、灌丛沼泽、沼泽草地光谱信息较相近，为了提高分类精度，准确分析湿地景观格局变化情况，统一归为沼泽湿地。

1.2.3 信息提取与精度验证

高精度样本有助于提高分类精度[19]，样本选取时遵循纯净、典型、代表3个特性，选取最优像元作为样本。本文选取的样本数据包括实地数据和Google Earth高分辨率目视解译数据，其中实地数据为2019-08-27的现场踏勘数据，现场调研点分布如图1所示，主要包括GPS精确定位、照片、无人机全景数据等；室内通过计算机在Google Earth上进行目视解译选取样本点。为了提高精度，各类地物样本应不低于100个，且随机均匀分布在研究范围内。

表3 2017－2018年珠海市湿地图斑面积转移矩阵/ hm2

图1 珠海市湿地外业调研点分布图 （审图号：JS(2012)01-040）

本文利用NDWI结合目视判读确定水体提取阈值，进而提取研究区域的水体。研究区河流面积较大、长度较长，首先利用面积和长宽比形状特征对研究区河流进行提取，并生成掩膜文件；再对非河流进行分类，坑塘通常呈矩形且面积较小，湖泊的圆度信息强于水库和沟渠，沟渠面积和宽度较小，因此采用面积、形状和宽度指数区分三者。由于水库位置固定且地理位置明确，因此采用人工目视解译的方法进行解译。对于其他湿地类型，本文采用监督分类与非监督分类相结合的方式进行提取，并利用广东省土地利用数据和Google Earth数据对分类结果进行后期精细处理。结合人工目视解译，形成珠海市湿地类型分布图，如图2所示。

图2 珠海市湿地类型分布图

1.2.4 动态变化分析方法

结合近年来国内外研究现状，本文利用ArcGIS10.6结合Excel构建土地利用转移矩阵。土地利用空间类型转换是基于转移矩阵分析得到式（1）[4]。状态转移是指客观事物由一种状态转移到另一种状态的定量表达。

式中，Aij为研究区土地利用类型由初始状态到研究末期的转换状态，具体到A11为地块转移面积；n为土地利用类型的数量。

1.2.5 景观格局分析方法

结合实际情况，本文利用ArcGIS10.6面转栅格工具将矢量面转换成10 m×10 m的对应的栅格数据，并输入到Fragstats4.1软件中进行计算。景观格局指数分为类型水平和景观水平，其中类型水平包括斑块平均面积（MPS）、斑块面积（CA）、聚集度指数 （COHESION）、最大斑块面积指数（LPI）；景观水平包括斑块数量（NP）、斑块密度（PD）、斑块聚合度（AI）、香浓多样性指数（SHDI），具体景观指数信息、计算方法和说明详见参考文献[15]。上述指标能详细反映景观斑块的破碎度、聚合性、离散性、多样性等信息。

2 研究结果与分析

2.1 珠海市湿地面积景观类型动态变化分析

本文利用ArcGIS10.6软件计算得到对应湿地图斑2016年、2017年、2018年、2019年的湿地面积，再利用Office表格分析统计珠海市湿地图斑面积及其占比，结果如表1所示，可以看出，珠海市湿地总面积在以500 hm2/a的速度减少，4 a共减少了1 656.66 hm2， 其中水田面积减少了236.42 hm2，沟渠面积减少了358.84 hm2，坑塘面积减少了1 089.97 hm2； 相反红树林地面积在持续增加，其中2018－2019年增加较多，达到20.07 hm2，4 a共增加了38.34 hm2；河流、湖泊、水库等自然湿地总体没有太大变化，其中河流面积总体增加了30.16 hm2，湖泊面积总体减少了19.19 hm2，水库面积总体减少了16.09 hm2；从纵向统计来看，珠海市湿地坑塘最多，占比达到50%以上，其次为河流，占比达到35%。

表1 珠海市湿地图斑面积及其占比

珠海市湿地景观转移矩阵如表2～4所示，可以看出，2016－2019年大量坑塘转移为非湿地，导致非湿地面积大量增加，影像解译中显示2017年珠海市斗门区占用大量养殖坑塘修建了机场；由于政府2015年成立的饮用水水源地保护条例，2016－2019年有少量的非湿地转移为水库用地；2016－2019年194.26 hm2的沼泽湿地转移为非湿地，大量沼泽湿地被侵占；随着渔业资源的兴起，2016－2019年50.56 hm2的水田和76.69 hm2的沼泽湿地转移为坑塘；在国家的重视下，1999年当地政府对红树林地开展了专项整治，红树林地面积每年都有少量增加，以淇澳岛红树林湿地公园为例，2016－2019年淇澳岛红树林地面积累计增加了38.34 hm2。

表2 2016－2017年珠海市湿地图斑面积转移矩阵/ hm2

2.2 珠海市湿地景观格局指数变化分析

不同景观类型景观格局指数年际变化如图3所示，能反映类型水平上景观格局的变化特征。在各斑块不同时期的景观格局变化趋势中，LPI有助于确定景观类型中的优势地类。 2016－2019年LPI的最大值为河流，其次为坑塘，表明河流和坑塘是珠海市湿地景观中的优势景观地类。MPS反映了一种平均状况，在景观分析中体现了景观破碎程度和景观异质性。通过分析发现，红树林地的MPS最大，其次为河流、坑塘、水田，且分布相对集中；而沼泽湿地、沟渠、滩涂的MPS相对较小，说明景观斑块分布较零星。AI反映了不同景观类型中斑块的聚集程度，其与相应指数的大小成正相关，近年来红树林地的AI达到97，结合解译的影像结果可知，珠海市红树林地多数分布在香洲区淇澳岛和横琴新区；AI较低的为湖泊，斑块相对破碎，相互连通性低。NP反映了景观格局中的斑块总数，一般NP越大，破碎程度越高。结合AI分析发现，红树林地的聚集程度最高，坑塘的破碎程度较高、连通性较低。2016－2019年珠海市湿地NP和PD年际变化如图4所示，可以看出，珠海市湿地NP逐年增加，同时PD也在逐年增加，而湿地总面积在减少，因此独立斑块面积相对较小，景观破碎化程度较高；AI在逐年减少，表明破碎化程度一直没有降低；SHDI在逐年减少，说明珠海市湿地斑块类型趋于单一化。

图3 不同景观类型景观格局指数年际变化曲线

图4 2016－2019年珠海市湿地NP和PD年际变化曲线

表4 2018－2019年珠海市湿地图斑面积转移矩阵/ hm2

3 湿地景观格局变化的驱动力分析

独特的地理位置、资源环境为珠海市湿地的形成提供了特有的空间，经济社会的飞速发展为湿地建设提供了经济支持，政府的正确引导为湿地的未来发展指明了道路。结合珠海市独特的地理环境，本文从自然因素和人为因素两个方面分析了珠海市湿地景观分布格局变化的驱动力，如图5所示。

图5 2016－2019年珠海市湿地变化的驱动因素

3.1 自然因素

结合2019年广东省统计年鉴可知，2016年、2017年、 2018年、2019年珠海市的年降雨量分别为2 939.7 mm、 2 067 mm、1 795.1 mm和1 790 mm；年均气温分别 为22.0℃、22.1℃、22.4℃和22.5℃；湿地面积分别 为60 459.9 hm2、59 619.27 hm2、59 169.38 hm2和 58 803.24 hm2。降雨量、气温将对沼泽湿地的变化产生一定的影响[20]，刘吉平[21]等研究三江源沼泽湿地发现，温度和降雨量会对沼泽湿地的变化产生较大影响，因此气候的变化将对珠海市湿地景观格局产生较大影响。年均气温的升高、降雨量的减少将使沼泽湿地和坑塘大面积转移为非湿地，水库面积也将受到一定影响。通过SPSS25软件计算可知，以降雨和气温为自变量建立的线性回归模型，拟合得到修正后的R2分别为0.884和0.835，表明降水量和气温对湿地的退化具有较强的影响力。

3.2 人为因素

与自然因素相比，人为因素对人工湿地的影响较为显著[20]，且经济发展、人口数量、政府政策的改变均对湿地景观格局的变化具有较大影响。通过回归分析计算得到GDP和人口对湿地面积变化影响的R2分别为0.93和0.67，表明GDP是影响湿地面积变化最重要的因素。

3.2.1 人口经济变化

由2019年广东省统计年鉴可知，随着社会经济的发展，珠海市人口数量和GDP都在飞速增加，三大产业同步发展，增长速率不断提升。结合珠海市人口总数和GDP总量对湿地面积的影响分析可知，随着人口数量的剧增以及当地产业结构的变化，住房面积需求量巨大，城市交通、公共设施等服务型用地规模不断扩大，导致大量湿地转移为城市建设用地。与此同时，渔业资源的迅猛发展导致大量水田转移为坑塘，大量沼泽湿地被侵占，表面上未改变湿地总面积，但对湿地资源造成了严重损害。截至2019年1月珠海市全市养殖坑塘的总面积达到22 932.87 hm2，占2019年湿地坑塘水面的75%，如图6所示。

图6 珠海市2019年养殖坑塘分布

3.2.2 政府政策

湿地作为一种社会共享资源，对社会具有重大贡献。在政府管理调控作用下，湿地资源的利用将逐渐趋于有利化。2014年广东省发布了《广东省林业生态红线划定工作方案》，其目的是保持现有湿地不减少，使各地区湿地自然保护区得到有效保护；2017年广东省发布了《广东省湿地公园建设指引》，其目的是引导和规范城市湿地公园的建设规划；对应政策的出台得到了较小的回应。珠海市湿地建设以珠海淇澳岛湿地公园为首积极响应，红树林地得到了有效保护，面积少量增加。未来政府应利用自身推动力和对应政策的实施，推动湿地资源最大化保护与发展。

4 结 语

基于2016－2019年10 m分辨率的Sentinel-2遥感影像数据，本文通过面向对象解译得到珠海市湿地景观格局的分布情况，再利用ArcGIS空间分析方法和Fragstats计算得到景观格局指数，从而分析了珠海市湿地景观格局的空间分布情况及其驱动力。

1）河流和坑塘是珠海市湿地景观的优势景观地类。大量的坑塘、沼泽湿地转移为非湿地，渔业资源的飞速发展使得部分水田和沼泽湿地转移为坑塘，少量非湿地转移为红树林地和水库。通过MPS分析发现，红树林地、河流、坑塘、水田的分布相对集中，其中红树林地主要分布在淇澳岛，河流、坑塘、水田主要分布在斗门区和金湾区。通过AI分析发现，湿地景观格局的AI逐年降低，且根据SHDI数据显示，珠海湿地类型有趋于单一化的趋势。

2）2016－2019年珠海市湿地总面积呈减少趋势，年均减少量约为500 hm2，总减少量为1 656.66 hm2，减少率达2.74%。坑塘面积减少最多，达到1 089.97 hm2； 湖泊、水库面积总体变化不大，分别减少19.9 hm2和16.09 hm2；红树林地在政府调控下面积有所增加，增加量为38.34 hm2，增加了7.4%。由于香洲区近年来发展速度较快，随着经济增长、人口增多，大量湿地被侵占，因此珠海市湿地发生变化的主要区域在香洲区。

3）通过分析驱动力发现，经济发展和人口增加是导致珠海市湿地减少的主要原因，其次是降雨量和 气温变化，降雨量的减少和年均气温的升高导致湿地面积逐年减少。从红树林地的变化情况来看，政府的有效管控使得近年来红树林地面积逐年增加，因此在政府相关政策的支持下，湿地资源能得到有效保护。

受影像精度的限制，本文只获取了Sentinel-2发射（2015-06-23）至今的4 a数据，数据量不够充足，只能分析近年来珠海市湿地景观格局的变化情况。4 a时间湿地的变化不够明显，以a为间隔，对未来的预测不及长时间的变化分析，但本文基于10 m分辨率的Sentinel-2影像，结合珠海市水系数据，有效地将河流、水库、湖泊、坑塘、水田、红树林地区分出来，能为珠海市地物分类提供有效数据。