近30 年深圳湾红树林群落演变过程及其对人类活动的响应

汪振松，冯志勇，陈鹏，易燃，谈广鸣

（1.深圳市深圳河湾流域管理中心，广东深圳 518020；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430010；3.长江科学院，湖北武汉 430010；4.水利部中国科学院水工程生态研究所，湖北武汉 430079；5.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉 430072）

0 引言

红树林群落是生活在热带或亚热带潮间带的常绿木本植物，是重要的碳汇［1］，并且是大量滨海珍稀动、植物的栖息地，同时还可以显著消浪，为人类提供了社会、经济和生态价值商品与服务，是独特且重要的生态系统［2-4］。近年来遥感技术的快速升级使得大尺度、多时相红树林群落演变过程监测及其驱动因子识别成为可能［5，6］，已有研究表明海平面变化等自然因素是控制人新世以前红树林群落时空分布与调整的主要因素［7］，但自从人类进入工业时代以来，滨海土地开发等一系列人类活动已逐渐代替自然因素，成为影响红树林群落分布的主控因素［8］，人类活动影响下红树林演变过程及其响应机制已成为学者、政府和社会关注的热点问题之一。

深圳湾红树林群落是中国唯一地处城市腹地的红树林群落，具有突出的生态价值和重要的社会意义［9，10］。作为中国改革开放政策的先驱者，深圳在过去四十年里快速城市化，创造了举世瞩目的“深圳速度”。然而，城市发展过程中的一系列整治工程显著改变了深圳湾动力环境与滩槽格局［11，12］，直接或间接的对红树林群落造成了影响。本文基于多时相遥感影像，识别了1988-2017 年深圳湾红树林群落的时空变化特征，并结合实测地形资料，分析了人类活动因素对红树林群落的影响。该研究可为河口红树林群落的可持续开发与利用提供参考，并对粤港澳大湾区生态文明建设具有积极意义。

1 数据与方法

1.1 研究区域概况

深圳湾位于珠江口伶仃洋以东，是一个外窄内宽的半封闭海湾，总集水面积约为655 km2，上游承接深圳河、大沙河和元朗河等河流来水，湾口与伶仃洋相通，吞吐伶仃洋潮水。潮汐为典型的不规则半日潮，平均潮差为1.5 m。改革开放前，深圳湾处于自然演变状态［13］，近年来深圳城市化步伐加快，一系列河湾整治工程项目相继实施，其中主要包括以扩充深圳市土地资源为目而实施的深圳湾围垦工程和以提高深圳河防洪能力为目的而实施的深圳河治理工程。

深圳湾红树林群落位于深圳内湾东北角，由位于深圳南部海岸的福田自然保护区内红树林群落和位于香港特别行政区新界西北海岸的米铺保护区内红树林群落共同组成（图1），其中福田国家级自然保护区是中国6个红树林国家级自然保护区之一，而香港米铺保护区是列入拉姆萨尔公约的国际重要湿地。群落品种主要包括白骨壤、秋茄、海桑、无瓣海桑和桐花树等，其中白骨壤和秋茄为优势物种。

图1 深圳湾红树林群落分布示意图Fig.1 Sketch map of mangrove community in the Shenzhen Bay

1.2 遥感数据获取

本研究采用10 副具有30 m 空间分辨率的美国Landsat 5 和landsat8 地表反射率产品解译分析1988-2017 年间深圳湾红树林群落的时空变化。所有遥感影像数据均下载自美国地质勘探局网站（https：//earthexplorer.usgs.gov/）。由于深圳湾范围相对于遥感影像拍摄范围较小，10副地表反射率产品的图像条带号和行编号均为122 和44，所有影像数据均经过大气校正和几何校正，影像投影坐标系均为通用横轴墨卡托坐标系，地理坐标系为WGS-84。为防止潜在的物候偏差，所有选用影像的获取时间均在10月至12月之间，各影像的具体信息见表1。

表1 所用遥感影像的具体信息Tab.1 Details of the employed satellite images used in the current study

1.3 影像分类与验证

根据实地查勘结果，认为深圳内湾主要有6 种土地覆盖类型，分别为红树林、城市土地、水体、森林/灌木区、潮间带和水产养殖区。将Landsat 5 和Landsat 8 地表反射率产品分别按照4、5、3 和5、6、4 的波段组合进行假彩色合成，首先基于成像颜色、形状和纹理及其相关特征，目视识别得到每副影像中不同土地覆盖类别的地面参考点，然后根据Google Earth 高分辨率遥感影像验证地面参考点的真实性，并排除明显分类错误的地面参考点。此外，在2019 年5 月17 日和9 月3 日还分别开展了深圳湾实地查勘，以对不同土地覆盖类别的地面参考点选取结果进行复核。最终每副影像内的地面参考点个数介于139～204 之间，将其中不到一半的参考点划分为监督分类的训练集，其余参考点作为分类结果的验证集。

基于地面参考点训练集，采用支持向量机方法对每副影像的土地覆盖类别进行监督分类。由于本研究主要关注深圳湾红树林群落的时空变化，将反射光谱较为接近的水体与潮间带和城市与森林/灌木分别作为一个整体类别进行分类。分类后处理包括纠正孤立噪声点以及明显的误分类区域等，如红树林存活需要合适的淹没环境，将误分类为红树林群落的内陆森林/灌木区域进行修正。后处理结束后，根据地面参考点验证集，计算每副影像的分类精度，十副遥感影像分类结果的总体精度介于90.3%～97.4%之间，Kappa 系数介于0.87～0.96 之间，表明分类精度较高，分类结果可以用于研究深圳湾土地覆盖类别的时空变化。

1.4 红树林群落动态变化监测及其与人类因素的关系

根据分类结果，计算1988-2017 年间深圳内湾不同土地覆盖类别的面积变化和面积占比变化以及红树林群落加权质心的空间变化，以分析红树林群落的时空变化特征。然后计算不同时间段内红树林群落与其他土地覆盖类别间的转换矩阵，以探究红树林群落动态变化的主控因素。

1988-2017年间可能影响深圳湾红树林群落的人类活动主要包括毁林和人工补种、深圳湾围垦工程和深圳河治理工程，其中毁林和人工补种对红树林群落的影响可通过分析红树林群落与城市用地和水产养殖用地间的转换矩阵得到。深圳湾围垦工程对红树林群落的影响则通过分析工程实施阶段内湾纳潮量变化与红树林面积变化之间的关系得到。深圳河治理工程对红树林群落的影响则通过研究工程实施后不同时段内湾水深变化与对应位置处红树林面积变化之间的关系得到，该方法首先将不同年份的实测水深散点插值形成深圳湾数字高程模型，然后计算2006-2009，2009-2013 和2013-2017 年3 个不同时间段内深圳湾的水深变化，最后将其与对应位置处的红树林面积变化建立起空间连接关系。需要注意的是，为考虑红树林群落对地形变化可能存在的滞后响应，2009-2013 年和2013-2017年间深圳湾水深变化由该时段与前一时段内的水深变化相加得到。

2 结果与分析

2.1 土地覆盖类别的时空变化

分类结果显示过去30 年间深圳内湾土地覆盖类别时空变化明显（图2）。受围海造地工程影响，1988-2017年间深圳内湾水体面积和水产养殖面积分别减小超过1 688 和678 hm2（表2），其中近94%的水产养殖面积减少发生在深圳侧。围海造地导致深圳市城市用地面积快速增加，1988-2006 年间深圳市新增城市用地约2 151 hm2。与深圳相比，香港米铺自然保护区附近城市用地面积变化不大，一直维持在约428 hm2附近。临近水产养殖用地面积在过去30 年内的平均值为558.7 hm2，与香港渔农署报道的540 hm2基本一致［14］。

表2 1988-2017年间深圳内湾深圳侧和香港侧土地覆盖类别的面积变化Tab.2 Area change of land use categories in the Shenzhen and Hong Kong sides of Shenzhen Inner Bay from 1988 to 2017

图2 1988-2017年间深圳内湾土地覆盖类别分类结果Fig.2 Land cover classification map of the Shenzhen Inner Bay from 1988 to 2017

深圳湾红树林群落面积在过去30 年间快速增加，从1988年的259.6 hm2增加至2017年的527.1 hm2，年增加率为8.9 hm2。红树林群落面积变化存在显著时空差异，其中米铺自然保护区内红树林群落面积由1988 年的196 hm2逐渐增加至2017 年415 hm2，占红树林群落面积总增加量的81.8%。而福田自然保护区内红树林群落面积则表现出先减小，后增加的变化态势，由1988 年的63.5 hm2逐渐减小至1998 年的53.6 hm2，减小幅度达15.6%，后逐渐恢复到原有水平，并继续增加了48.6 hm2，在2017年达到112.1 hm2。

2.2 红树林群落质心迁移分析

福田和米铺保护区内红树林群落加权质心的空间变化计算结果显示（图3），1988-2017年间深圳内湾红树林群落表现出整体向外迁移的态势，两个保护区内红树林群落质心变化拟合结果的相关系数（R2）分别为0.57和0.68。具体而言，1988-2017年间福田自然保护区内红树林群落加权质心向东南方向外延了约426.8 m，其中以1991-1995 年间的移动幅度最大，达235 m。1988-2017 年间米铺自然保护区内红树林群落加权质心以顺时针方向逐渐向海迁移约477.5 m，年均移动距离为15.9 m。需要注意的是，1998-2001 年间福田保护区内红树林群落加权质心的空间变化表现为120.5 m 的西北向运动，这主要与这段时期内凤塘河沿岸红树林群落的快速扩张有关。

图3 1988-2017年间福田和米铺保护区内红树林群落加权质心的空间变化Fig.3 Spatial variations in the area-weighted centroids of the mangrove forests in the Futian and Mai Po reserves during 1988-2017

2.3 红树林与其他土地覆盖类别的转换关系

红树林群落与其他土地覆盖类别的转换矩阵显示，向海扩张是1988-2017年间深圳内湾红树林群落面积快速增长的主要原因，其分别占福田和米铺红树林群落面积总增加量的133.9%和93.8%（图4）。水产养殖区域和城市区域对福田和米铺自然保护区内红树林群落的影响完全相反，其中福田保护区内分别有6.2 和10.4 hm2的红树林区域在过去30 年间转换成为水产养殖区域和城市区域。而香港侧有13.5 hm2的水产养殖区域转换成为红树林区域，且周边城市区域与红树林群落之间的转换关系不明显。

图4 1988-2017年间深圳湾红树林与其他土地覆盖类别的转换关系Fig.4 Relative contributions of aquaculture，urban land and water bodies to mangrove area changes in the Shenzhen Bay between 1988 and 2017

1988-2017年间福田和米铺保护区内红树林群落面积变化存在显著时间差异，该期间福田自然保护区内向海扩张的红树林区域有65.1 hm2，其中较大规模的扩张发生在1998-2001 年间和2013-2017 年间，分别为13.2 和16.5 hm2。然而1988-1998年间福田自然保护区内有23.7 hm2的红树林区域转换成为城市用地和水产养殖用地。尽管1998-2004 年间有5.1 hm2的城市用地和水产养殖用地恢复成为红树林区域，但1988-2017 年间福田保护区内仍有总计16.6 hm2的红树林区域因人类活动而消失。

与福田自然保护区相比，米铺保护区内红树林群落受人为干扰较小，红树林区域向城市用地或水产养殖用地的转换量明显小于福田自然保护区。米铺保护区内红树林群落快速向海扩张，其中较大规模的扩张发生在1991-1995 年间和1998-2001 年间，分别为42.7 和39 hm2。尽管与临近城市用地间的净转换量很小，但1991-1995 年间该保护区内还是有3.6 hm2的红树林区域转换成为城市用地，但该损失随后被城市用地向红树林区域转换所抵消。过去30 年间米铺保护区内有接近13 hm2的水产养殖区域转换成为红树林区域，其中转换主要发生在尖鼻嘴附近，为1995-1998年间的5.5 hm2。

3 讨论

3.1 毁林和人工补种

尽管过去30年内深圳湾红树林群落面积整体呈上升趋势，但人为毁林也导致了部分红树林群落消亡。1988-1998年间福田自然保护区内有超过23 hm2的红树林区域转换成为城市用地或水产养殖用地，其中最大转换发生在1988-1991年间，转换量占1991 年福田红树林群落总面积的15.8%。何奋琳［15］报道称，自1991 以来深圳湾沿线实施了一大批城市建设工程，包括深圳滨海大道、广深高速、新洲河和凤塘河排洪工程以及滨海房地产开发项目等，这是导致1988-1998 年间沿岸红树林群落大幅退化和消失的主要原因。为尽可能地恢复受损红树林群落，深圳市政府1998年起在福田自然保护区内实施了人为补种工程，这表现为1998-2004 年间福田保护区内共有5.6 hm2红树林区域从临近城市土地和水产养殖区域转换得到。

与福田自然保护区相比，过去30年间米铺自然保护区内红树林群落在国际拉姆萨尔公约的保护下受人类直接干预的影响有限。但2013-2017 年间也有6.8 hm2的红树林区域因为维持山贝河防洪能力需要而被人为清除［14］。

3.2 深圳湾围垦工程

为缓解日益增长的城市用地需求，为深圳市经济发展提供新的空间，1988-2006 年间深圳市政府在深圳内湾北部和西部沿海实施了大规模围海造地工程。工程使得深圳市城市用地面积从1988 年的1 194.3 hm2快速增加至2006 年的3 346 hm2（图5），但也导致深圳内湾水域面积快速减小，内湾纳潮量从1988年1.41 亿m3减小至2006年的1.13 亿m3，减幅达19.8%（图5）。然而与造成红树林群落消亡相反，围垦工程实施阶段红树林群落面积快速增加。这是因为围垦工程实施后纳潮量降低，导致深圳湾发生明显淤积，例如倪晋仁等［16］发现1996年深圳湾的沉积率几乎是1986年的两倍，王富永等［13］发现深圳湾围垦工程结束后深圳河口处形成了新的潮间带。快速沉积环境不仅有利于红树林幼苗的传播，同时还为其生长提供了额外空间，最终促进了红树林向海大幅扩张。相关分析结果显示1988-2006 年间红树林向海扩张面积与同期因围垦工程实施导致的纳潮量减小呈显著正相关关系（图6），纳潮量减小可以解释187.9 hm2的红树林群落面积增加，占1988-2017 年间红树林群落面积总增加量的70.2%，表明围垦工程是导致近30 年来深圳湾红树林群落快速向海扩张的重要因素。

图5 1988-2017年间内湾深圳侧城市用地面积和内湾纳潮量变化Fig.5 Temporal variations in the extent of Shenzhen urban land and the tidal prism of Shenzhen Inner Bay between 1988 and 2017

图6 围垦时期内湾纳潮量变化与红树林面积变化之间的关系Fig.6 The relationship between mangrove area and tidal prism during the implementation of the Shenzhen Bay Reclamation Project

3.3 深圳河治理工程

深圳河治理工程由深港政府共同实施，分四期对深圳河进行裁弯取直、扩宽挖深，工程于2017 年全部完工。深圳河治理工程的实施改变了进入深圳湾的水沙通量，导致深圳内湾发生冲淤变化，进而影响红树林群落的空间分布。深圳河治理工程完工初期，河道拓宽浚深，导致河道纳潮量增加，河口净输沙方向为向上游净输沙（图7），这有利于深圳内湾侵蚀，从而限制红树林群落向海扩张。然而，红树林群落面积变化与对应位置处的水深变化间关系显示2006-2009 年和2009-2013 年这两个时段内仍有分别超过12和9 hm2的红树林群落扩张发生在河床发生侵蚀的区域［图8（a），（b）］，这是因为深圳湾围垦工程实施后所产生的河口湾淤积幅度抵消了深圳河治理工程完工初期引起的内湾冲刷对红树林群落的负面影响，使其能够在河床发生侵蚀的区域仍能向海扩张。当排除发生在河床冲刷区域的红树林面积增加后，2006-2009 年和2009-2013 年间红树林群落面积变化与对应位置处的水深变化显著相关，相关系数（R2）分别为0.82 和0.86，表明这两个时段内分别有0.9 和2 hm2的红树林群落面积增加及0.7和1.3 hm2的红树林群落面积减少与深圳河治理工程完工初期引起的内湾冲淤变化有关。

图7 深圳河治理工程完工后深圳河口净输沙量的年际变化Fig.7 Temporal variations in the sediment load from the Shenzhen River after the implementation of the Shenzhen River Regulation Project

深圳河治理工程实施后，河道因挟沙能力不足发生持续淤积［17］，纳潮量逐渐减小至工程前水平，入海沙量逐渐增加，河口净输沙方向逐渐转变为向海净输沙（图7），导致内湾经历淤积，这为河口红树林群落提供了额外的生长空间，从而促进了红树林群落向海扩张。2013-2017年间深圳湾红树林群落面积变化与对应位置处的水深变化呈显著正相关［图8（c）］，相关系数（R2）达0.84，表明这期间有21.8 hm2的红树林群落面积增加与深圳河治理工程完工后引起的内湾淤积有关。

图8 深圳河治理工程完工后红树林面积变化与对应位置水深变化之间的关系Fig.8 The relationship between mangrove area change and cumulative bathymetric changes after the implementation of the Shenzhen River Regulation Project

总体而言，过去30年间人类活动对深圳湾红树林群落产生了两种截然不同的影响。一方面，深圳湾围垦工程和深圳河治理工程所引起的内湾淤积可以解释209.9 和22.7 hm2红树林群落面积的增加，这分别占1988-2017 年间红树林群落面积总增加量的78.4%和8.5%。另一方面，福田自然保护区和米铺自然保护区内分别曾有23.5 和6.8 hm2的红树林群落因城市用地和水产养殖区域扩张以及防洪工程修建而消亡，但人工补种弥补了福田自然保护区内5.6 hm2红树林区域的损失。

4 结论

（1）1988-2017 年间深圳湾红树林群落面积由259.6 hm2持续增加至527.1 hm2。向海扩张是红树林群落面积增长的主要途径，其分别占福田保护区和米铺保护区内红树林面积增加量的133.9%和93.8%，两个保护区内红树林群落加权质心在过去30年内分别向海迁移426.8 m和477.5 m。

（2）红树林群落面积变化存在显著时空差异，其中米铺保护区内红树林面积在过去30年内持续增加，增加量占红树林面积总增加量的81.8%，而同期福田保护区内红树林群落面积则在毁林和人工补种影响下表现出先减小、后增加的变化特点。

（3）深圳湾围垦工程和深圳河治理工程实施后引起深圳湾淤积，为河口红树林群落提供了额外的发展空间，从而促成了红树林群落的快速向海扩张。相关分析显示深圳湾围垦工程和深圳河治理工程可以分别解释78.4%和8.5%的红树林群落总面积增加。