1980-2020年唐山滨海湿地时空格局演变研究

寇财垚，蔡小建，满卫东,3,4,5，郑 浩，杨晓芜，王兴坤

（1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063210；2.唐山市救助申请家庭经济状况核对核查指导中心，河北 唐山 063003；3.唐山市资源与环境遥感重点实验室，河北 唐山 063210；4.河北省矿区生态修复产业技术研究院，河北 唐山 063210；5.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063210；6.河北省第二测绘院，河北 石家庄 050030）

滨海湿地地处陆地和海洋生态系统交汇处[1,2]，是水陆交互作用下所产生的独有的生态系统，其生态系统在净化环境、防洪蓄洪、改善气候、保护生物多样性等方面都起重要作用[3,4]。自20世纪80年代以来，社会经济和人口的快速增长，促使大面积滨海湿地被围填以用于城镇建设，导致滨海湿地时空格局发生了剧烈变化。

随着沿海地区经济的快速发展和人口压力的不断增大，“土地赤字”问题日益加剧[5]，围填海成为沿海地区缓解用地需求的重要途径。大规模围填海活动在带来经济效益的同时，也造成滨海湿地时空格局发生变化，逐渐引起政府和学者的普遍关注，重点在黄河三角洲[6]、长江三角洲[7]、珠江三角洲[8]和环渤海地区[9]开展围填海活动对滨海湿地时空格局演变影响研究[10]，从政策、经济和人口等因素解析在不同尺度上对滨海湿地的干扰程度[11,12]。

为了深入了解唐山滨海区大规模围填海活动对滨海湿地时空格局的影响，本研究基于Landsat TM/OLI遥感影像，采用面向对象的分类方法，提取近40年唐山滨海区土地利用数据，从空间格局、转移矩阵和动态度方面解析滨海湿地时空格局变化过程，剖析影响滨海湿地时空格局的驱动因素，为唐山滨海地区的围填海工程建设和滨海湿地保护及恢复提供可靠依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

唐山滨海区位于唐山市东南部沿海地区，地理坐标为117°51′~119°18′N、38°55′~39°39′E，主要包括乐亭县、曹妃甸区、丰南区和滦南县部分地区及潮间带（图1）。东西距离约123.02km，南北距离约82.30km，土地面积约4442.50km2，占唐山市土地总面积的32.98%。总体上，滨海区东南部地势低平，夏季降水量较为充沛，多年平均降水量500-700mm平均海拔高度约27.8m，多年平均气温12℃，依据滨海区土地利用特点将滨海区的土地利用详细划分为林地、草地、耕地、人工表面、浅海水体、坑塘、沼泽和滩涂。

图1 研究区图

1.2 数据源

选用唐山滨海区1980年、1990年、2000年、2010年和2020年共5个时期的Landsat MSS/TM/OLI遥感影像作为数据源(http://glovis.usgs.gov/)，影像空间分辨率均为30m，行列号/轨道号为121-122/33。对遥感影像进行辐射定标、大气校正、几何校正等预处理，采用面向对象解译方法对地物进行遥感分类，获得5期滨海湿地空间分布信息。利用野外实地获取的验证点进行验证，总体分类精度达86.1%以上，Kappa系数在0.80以上，满足本研究的精度需要。经济、人口数据来自《唐山统计年鉴》。

1.3 研究方法

1.3.1 马尔可夫转移矩阵

马尔可夫转移矩阵被用于描述各种土地利用类型之间的面积转变情况，能详细表示研究区在研究期初、研究期末的土地利用构造和研究时段内各种土地利用类型之间的转变情况。其数学表达式为[13]：

式中：P为土地利用类型面积；n为土地利用类型的个数；i、j分别为研究期初与研究期末的土地利用类型。

对滨海区5个时期土地利用数据进行处理，生成滨海湿地类型转移矩阵，利用转移矩阵数据制作1980-2020年滨海湿地类型变化桑基图。

1.3.2 滨海湿地动态度

滨海湿地动态度反映了研究区域滨海湿地类型在某个研究时段内的数量变化情况，可以分为综合动态度与单一动态度。

综合土地利用动态度能反映研究区域内所有滨海湿地类型在研究时段内的变化情况，其表达式为[14]：

式中，K为综合土地利用动态度(%)；Ui-j为研究时段内第i类滨海湿地类型转变为第j类滨海湿地类型总面积(km2)；Ui为研究初期第i类滨海湿地类型总面积(km2)；T为研究时段。

单一动态度能反映研究区域内某种滨海湿地类型在研究时段内的面积变化情况，其表达式为[15]：

式中，K为研究时段内滨海湿地类型动态度；Ua、Ub分别为研究期初与期末滨海湿地类型面积(km2)；T为研究时段。

根据公式（2）和公式（3）计算得到各滨海湿地类型的综合土地利用动态度与单一动态度，进一步分析1980-2020年滨海湿地类型面积及变化速率的差异[16]。

2 滨海湿地时空演变分析

2.1 滨海湿地空间格局变化分析

通过对比1980-2020年滨海湿地类型分布(图2)发现，近40年间，大面积滨海湿地被围填，导致滨海湿地面积整体呈现减少趋势，其中1990-2000年滨海湿地面积有少量增加，而2000-2010年滨海湿地面积流失速度较快，滨海湿地面积减少了3 10.52km2，是1990-2000年滨海湿地增加面积的10.79倍。滨海湿地类型中浅海水体受围填海活动影响，1980-2020年浅海水体面积呈现减少趋势，2000-2010年变化最为明显，主要分布在曹妃甸区。与浅海水体面积变化趋势相反，坑塘面积在1980-2020年呈现增加趋势，特别是海水养殖业的快速发展，促使曹妃甸区大面积浅海水体被围填转入坑塘，自1990年开始，坑塘取代浅海水体成为主要滨海湿地类型，其滨海湿地占比增加40.55%。受围填海活动影响，滨海湿地类型中滩涂面积流失最为严重，主要分布于曹妃甸区、滦南县和乐亭县，流失面积达438.47km2。与滩涂相比，1980-2020年沼泽流失面积较小，流失面积为41.24km2，主要分布于曹妃甸区。其中，2005年建立唐海湿地和鸟类省级自然保护区，使沼泽得到有效保护，面积有所回升。

图2 1980-2020年滨海湿地类型分布

2.2 滨海湿地类型变化分析

对1980-2020年滨海湿地类型转移情况（图3）进行分析发现，受围填海活动影响，1980-2020年滨海湿地由大面积连片化向小面积破碎化转变，各滨海湿地类型发生了不同程度的变化，且不同的时间段有不同的变化特征。

图3 1980-2020年滨海湿地类型变化桑基图

1980-1990年大面积滩涂被围填转为坑塘和浅海水体，滩涂转为坑塘和浅海水体面积占滩涂转出面积的64.64%，同时，16.19%的浅海水体被围填海转为坑塘，使坑塘面积快速增加，成为1980-1990年面积增加最大的滨海湿地类型。受围填海活动影响，沼泽变化幅度较大，且沼泽转出面积远大于转入面积，从而使沼泽面积呈现减少趋势，减少的沼泽主要转为耕地和人工表面。1980-1990年大面积滩涂的转入，使坑塘的转入面积远大于转出面积，坑塘成为1980-1990年增加面积最大的滨海湿地类型。

1990-2000年滨海湿地各类型之间转变情况与1980-1990年基本相同，但转变程度低于1980-1990年。沼泽转变面积为滨海湿地类型中最小，而变化幅度仍较大，其中37.52%的沼泽由浅海水体转入；浅海水体面积有所流失，13.38%的浅海水体转为滩涂，从而使滩涂面积有少量增加；同时，滩涂的转变情况同1980-1990年一致，主要转入坑塘，滩涂转入坑塘面积占坑塘转入面积的34.87%；受围填海活动影响，38.53km2的坑塘被围填转为人工表面，同时，65.55km2浅海水体被围填转入坑塘，从而使坑塘面积持续增加。

从图3可以看出，2000-2010年滨海湿地与其他土地利用类型之间转变程度较为剧烈。受围填海活动影响，滨海湿地类型均主要转为人工表面，表明滨海湿地类型与人工表面之间的转变是2000-2010年滨海湿地主要转移方向，占滨海湿地转出面积的51.40%；坑塘与其他土地利用类型之间主要转化与1990-2000年一致，但坑塘的转出面积大于转入面积，导致坑塘面积呈现减少趋势。25.20%的滩涂被围填转出为人工表面，且滩涂的转出面积远大于转入面积，导致滩涂面积持续减少。从转入角度看，坑塘和沼泽均主要由浅海水体转入，而浅海水体的转入面积略小于转出面积，导致浅海水体面积仍呈现减少趋势，同时，浅海水体转为沼泽面积由1990-2000年的4.08km2增至2000-2010年的8.94km2，从而使沼泽面积持续增加。

2010-2020年滨海湿地与其他土利用类型之间转变程度较2000-2010年有所放缓。沼泽持续被围填转为人工表面，且沼泽转为人工表面的面积由2000-2010年 的2.18km2增 至2010-2020年 的4.92km2，而沼泽仍主要由水体转入，且转入面积小于转出面积，致使沼泽面积呈现减少趋势；浅海水体转出面积远大于转入面积，主要转为坑塘，使坑塘面积进一步增加；坑塘和滩涂持续转为人工表面，但转出面积小于2000-2010年转出面积，表明围填海的进程有所放缓。

2.3 滨海湿地动态度分析

通过分析1980-1990年、1990-2000年、2000-2010年、2010-2020年这4个时间段滨海湿地的综合土地利用动态度和单一动态度（表1）发现，1980-1990年滨海湿地综合土地利用动态度为-4.82%，其中坑塘的年变化率为8.72%，表明坑塘有较大面积增加，而大部分沼泽和滩涂已转为其他土地利用类型。1990-2000年滨海湿地综合土地利用动态度为-4.25%，变化程度小于其他时间段，而沼泽年变化率远大于同时间段内其他滨海湿地类型变化幅度，滩涂和浅海水体年变化率出现最小值，坑塘的变化程度较1980-1990年有明显减小。2000-2010年滨海湿地综合土地利用动态度为-4.96%，变化程度为4个时间段最大，表明该时间段滨海湿地发生明显变化，其中浅海水体持续转为其他土地利用类型，而沼泽为2000-2010年唯一净增长滨海湿地类型，但年变化速率由1990-2000年的18.64%减至2000-2010年的6.71%，坑塘和滩涂年变化率分别出现最小值和最大值。2010-2020年滨海湿地综合土地利用动态度为-4.44%，浅海水体面积仍持续减小，且减少速率从1990-2000年的2.42%增至2010-2020年的2.70%，而滩涂和坑塘面积有所回升，其中滩涂年变化率高于其他滨海湿地类型，为6.29%，表明滩涂得到有效保护。

表1 1980-2020年滨海湿地动态度

2.4 围填海对滨海湿地演变影响分析

1980-2020年唐山滨海地区围填海面积呈现波动减少趋势(表2)，减少量为261.03km2。1980-1990年围填海面积最大，主要原因为围海养殖和围海晒盐导致大面积滩涂被围填，滩涂面积急速减少。而1990-2000年围填海面积最小，且浅海水体成为主要被围填滨海湿地类型。2000-2010年，围填海面积较1990-2000年急速增长，增速达到181.60%。2010-2020年围填海面积有所减少，但围填海活动仍对滨海湿地演变产生一定程度影响。

由表2可知，因围填海活动而减少的滨海湿地面积占湿地减少总面积的比例最大，平均达73%，其中滩涂、浅海水体因围填海活动而减少的面积最多，是滨海湿地主要围填类型，也说明了围填海活动是滨海湿地面积减少的主要因素。

表2 围填海与各时段滨海湿地减少面积比较

3 围填海驱动分析

3.1 政策因素

从近40年滨海湿地时空格局变化上看，政策制度因素对滨海湿地时空格局演变有着决策性影响[17]。1993年国家发改委颁布《九十年代中国农业发展纲要》，提出重点开发滩涂进行海水养殖，导致滩涂被围填转为坑塘。自21世纪以来，国家加大了对曹妃甸发展的扶持力度，先后于2003年、2005年和2009年在曹妃甸区域进行填海造城和曹妃甸循环经济示范区建设工程，城乡建设的加速导致大面积浅海水体和滩涂被围填，转为人工表面，尤其是国家海洋局对曹妃甸国际生态城起步区区域建设用海总体规划的批复，批复的用海规划区域面积达162.33km2，进一步导致浅海水体的转出。此外，曹妃甸区和丰南区按照农业农村部和河北省农业农村厅的部署，围绕《唐山市曹妃甸区养殖水域滩涂规划（2018-2030）》和《唐山市丰南区养殖水域滩涂规划（2018-2030）》，保护水域滩涂生态环境的同时，大力发展水产养殖，进一步推动了滨海湿地时空格局变化。

滨海湿地被围填的同时，政府一直在推进湿地的保护与恢复[18]。河北省林业厅和唐山市发改委分别于2015年和2017年颁布《河北省湿地保护规划(2015-2030年)》和《唐山市耕地草原河湖休养生息规划（2018-2030年）》，提出到规划期末，增加湿地面积9.06万公顷，湿地保护率达到45%以上。针对围填海问题，国家海洋局和国家发改委相继于2016年、2018年颁布《围填海管控办法》和《关于加强滨海湿地保护严格管控围填海的通知》，提出加强和规范围填海管理，严格控制围填海总量，使滨海湿地保护受到重视，湿地流失速度放缓(表3)。

表3 滨海区政策驱动因素

3.2 经济因素

经济的快速发展是唐山滨海湿地时空格局演变的直接驱动因素(图4)。随着沿海地区发展规划的逐步实施[19]，2020年研究区域内的地区生产总值达1632.20亿元，较1980年增加了近143倍。滨海区经济快速发展的同时，特别是曹妃甸经济示范区工程的有序推进加速了滨海区工业的发展，基础设施建设和生产生活对空间需求增加，导致大面积滨海湿地转为人工表面，特别是自2010年开始，滨海区工业生产总值增长速率超过农业生产总值，城镇建设步伐加快，加速了滨海湿地向人工表面转移。同时，随着沿海养殖业的发展，大面积浅海水体被围填开发为坑塘，使坑塘面积大幅增加，表面上未改变滨海湿地总体面积，但对滨海湿地时空格局造成了一定影响。

图4 1980-2020滨海区工/农业生产总值变化图

3.3 人口因素

人口压力是滨海湿地时空格局发生演变的主要原因之一[20]，20世纪80年代大量外来人口涌入滨海区，致使滨海区总人口数量从1980年的96.68万人增加到2020年的119.40万人，随着人口数量的增加，导致大面积滨海湿地被围填开发，用于满足当前人口的生产生活，对滨海湿地时空格局产生了一定影响。同时，人口类型之间发生变化，特别是2010-2020年，非农业人口/农业人口比例从2010年的0.26增至2020年的0.63，非农业人口的生产生活需要促使大面积滨海湿地转为人工表面，人口类型之间的变化同样影响滨海湿地时空格局(图5)。

图5 1980-2020滨海区人口变化图

4 结论

基于唐山滨海区1980-2020年5期土地利用数据，分析滨海湿地时空演变特征及围填海驱动因素，主要结论如下：(1)近40年，频繁的围填海活动导致滨海湿地面积呈现减少趋势，滩涂、浅海水体和沼泽面积有不同程度减少，而坑塘在近40年呈现增加趋势，且在1990年取代浅海水体成为主要滨海湿地类型。(2)1980-2020年，滨海湿地由大面积连片化向小面积破碎化转变，且2000-2010年变化较为明显。滩涂和浅海水体受围填海活动影响转变程度较大，转出面积之和占滨海湿地转出总面积的27.99%；沼泽在1990-2000年增幅最大，但1980-2020年沼泽转出面积大于转入面积，呈现减少趋势；而坑塘在近40年转入面积大于转出面积，成为唯一净增长滨海湿地类型。(3)1980-2020年滨海湿地变化速度呈现波动性下降。浅海水体减少速度逐渐加快，而坑塘增加速率由1980-1990年的8.72%减至2010-2020年的0.75%。1990-2000年滩涂年变化速率达到最小值，而沼泽增加速率达到最大值。(4)频繁的围填海活动导致滨海湿地面积快速减少，造成滨海湿地的退化，其中73%的湿地流失与围填海活动直接相关。(5)在政策制度的实施以及滨海区经济和人口的快速增长下，滨海区城镇化建设不断加快，导致滨海湿地大规模被围填，对滨海湿地时空格局演变产生了重要影响。