深圳灣近30年主要景觀類型之演變*

陳保瑜，宋 悅，昝啟杰，譚鳳儀，李喻春，4，岳 鑰，田 莉，余世孝

(1.中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生態(tài)學(xué)系//有害生物控制與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275；2.香港城市大學(xué)深圳研究院，廣東 深圳 518057；3.深圳市野生動(dòng)物救護(hù)中心，廣東 深圳518001；4.深圳市海洋局，廣東 深圳518034)

城市化就是由鄉(xiāng)村景觀轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘谢蚱渌ǔ蓞^(qū)景觀的過(guò)程[1]，城市生態(tài)學(xué)的一個(gè)主要目標(biāo)是理解城市化的空間格局和生態(tài)過(guò)程之間的相互關(guān)系[2]。目前全世界越來(lái)越多的學(xué)者在思考如何能更有效的將城市景觀格局及其變化進(jìn)行定量化，并對(duì)由城市化引起的生態(tài)后果進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)估[3-4]。

近年來(lái)，利用3S技術(shù)研究城市濕地景觀的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，已經(jīng)成為景觀生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)[5]。一些學(xué)者利用遙感手段，對(duì)濱海濕地景觀類型的變化特征進(jìn)行了研究[6-10]。深圳市在經(jīng)過(guò)改革開(kāi)放短短的30年后，經(jīng)歷了由農(nóng)業(yè)主導(dǎo)的半自然景觀到工業(yè)主導(dǎo)的城市景觀的巨大轉(zhuǎn)變[11]，然而，這一典型的城市化過(guò)程中景觀轉(zhuǎn)移的時(shí)空特性，尤其是濱海濕地景觀受城市化的影響及其生態(tài)響應(yīng)尚未被深入的研究。本研究以深圳灣區(qū)域改革開(kāi)放30年來(lái)的五期遙感影像為數(shù)據(jù)源，定量描述深圳灣(深圳部分)濱海濕地類型的變化過(guò)程，為深圳灣濕地的保護(hù)與規(guī)劃提供理論依據(jù)。

1 研究地與研究方法

1.1 研究地概況

深圳灣紅樹(shù)林濕地位于深圳灣北岸，區(qū)域范圍在北緯22。30＇～ 22。32＇，東經(jīng)113。56＇～ 114。3＇之間(圖1)，由西至東依次橫跨南山區(qū)和福田區(qū)。研究區(qū)地處大型城市的濱海區(qū)域，被城市所包圍，改革開(kāi)放后受到人類活動(dòng)的強(qiáng)烈影響，景觀格局發(fā)生了巨大的改變。福田紅樹(shù)林鳥(niǎo)類自然保護(hù)區(qū)位于深圳灣東北部，東起新洲河口，西至海濱生態(tài)公園，南達(dá)灘涂外海域和深圳河口，北至廣深高速公路，面積368 hm2。保護(hù)區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)由紅樹(shù)林帶、基圍魚塘和灘涂組成，區(qū)內(nèi)有高等植物170多種，其中，紅樹(shù)林植物13 科22 種，鳥(niǎo)類192 種，列入重點(diǎn)保護(hù)的鳥(niǎo)類有23 種。

1.2 遙感數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究所采用的遙感數(shù)據(jù)源共五期，分別來(lái)自1979 年的MSS遙感影像，1989、1998、2003和2009 年的TM遙感影像。數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程包括分辨率變換、投影坐標(biāo)變換、幾何校正和緩沖區(qū)裁剪圖像，地理坐標(biāo)采用WGS_1984_UTM_ZONE_50N。在參考前人研究的基礎(chǔ)上[5]，首先在ARCGIS平臺(tái)下構(gòu)建2003 年的深圳灣海岸線，使用Buffer工具進(jìn)行反復(fù)的緩沖試驗(yàn)，最后選定距海岸線1.8 km區(qū)域范圍作為緩沖區(qū)，以保證不同時(shí)期的深圳灣紅樹(shù)林濕地完全包含在研究范圍內(nèi)，同時(shí)剔除不感興趣的區(qū)域(圖1)。用該緩沖區(qū)分別裁剪出5期遙感圖像，并將香港區(qū)域進(jìn)行掩膜處理，得到對(duì)應(yīng)時(shí)期的研究區(qū)。

1.3 景觀分類

根據(jù)深圳灣的實(shí)際情況，將濕地景觀分為基圍、紅樹(shù)林、灘涂和水體四類，由于水體的變化特征不明顯，本研究中不予重點(diǎn)討論分析。為了提高分類精度，采用了一種人機(jī)交互解譯的遙感圖像綜合分類方法。首先，采用最大似然分類算法對(duì)圖像進(jìn)行監(jiān)督分類，將景觀分為紅樹(shù)林、建成區(qū)、綠地、灘涂、水體和裸地六類。第二，由于基圍的光譜特征與水體基本一致，通過(guò)光譜特征的監(jiān)督分類方法無(wú)法將二者區(qū)分開(kāi)，但基圍的幾何特征比較明顯，通過(guò)目視解譯的方法，將其進(jìn)行直接的劃分，分類結(jié)果見(jiàn)表1。

1.4 景觀轉(zhuǎn)移檢測(cè)

為了檢測(cè)濕地景觀在時(shí)間序列上發(fā)生的變化，根據(jù)景觀分類圖的變化趨勢(shì)，我們將深圳灣的城市化過(guò)程分為4個(gè)階段，分別是城市化初期(1979-1989)、發(fā)展期(1989-1998)、加速期(1998-2003)和后期(2003-2009)。基于此，通過(guò)構(gòu)建“由像元到像元的景觀轉(zhuǎn)移矩陣”[12-13]來(lái)計(jì)算不同階段其他類型轉(zhuǎn)移為目標(biāo)景觀類型(基圍、紅樹(shù)林和灘涂)的變化量(轉(zhuǎn)入)，同時(shí)計(jì)算目標(biāo)景觀類型轉(zhuǎn)移為其他類型的變化量(轉(zhuǎn)出)。由于各個(gè)階段的時(shí)間間隔不同，因此將各變化量標(biāo)準(zhǔn)化為年均變化量來(lái)對(duì)不同時(shí)間間隔的數(shù)值進(jìn)行比較：

×100%

(1)

(2)

式中是目標(biāo)景觀類型轉(zhuǎn)出為其他類型的年均量，而則是其他類型轉(zhuǎn)入為該景觀類型的年均量；n是每個(gè)階段的間隔年數(shù)；分別是第i年和第i+n年該景觀類型的總量。據(jù)此，本研究分別計(jì)算了基圍、紅樹(shù)林和灘涂3類濕地景觀的轉(zhuǎn)移變化量，揭示濕地景觀轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出發(fā)生的區(qū)域位置。

1.5 景觀指數(shù)分析

完成景觀轉(zhuǎn)移檢測(cè)操作后，將分類圖導(dǎo)出矢量格式，在景觀軟件FRAGSTATS中計(jì)算景觀指數(shù)。在類型水平上，選取面積組成比例(PLAND)在內(nèi)的5個(gè)類型水平指數(shù)。斑塊數(shù)NP和平均斑塊面積MPS都反映了景觀破碎化的程度，LPI有助于確定景觀的優(yōu)勢(shì)類型，LPI值越大斑塊優(yōu)勢(shì)度越大，LSI能反映斑塊的形狀和團(tuán)聚度。在景觀水平上，選取Shannon 多樣性指數(shù)(SHDI)和Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)。

2 結(jié)果與討論

2.1 濕地景觀變化的動(dòng)態(tài)特征

城市景觀的變化受到一系列動(dòng)態(tài)的驅(qū)動(dòng)因子影響，包括區(qū)域內(nèi)特定的自然環(huán)境、社會(huì)、政治和歷史等背景因素，而這些因素之間復(fù)雜的交互作用產(chǎn)生了不同的景觀變化情景和后果[14]。由于經(jīng)濟(jì)特區(qū)的建立和改革開(kāi)放，建成區(qū)景觀面積快速增加(圖2)。與建成區(qū)景觀相似，基圍景觀同樣表現(xiàn)出了非線性變化的特征(表1)。在城市化初期，基圍受城市化的影響不顯著，面積有所增加。但從1989 年開(kāi)始，隨著城市化速度的加快，基圍景觀逐漸被城市建成區(qū)或其他景觀類型所代替。灘涂景觀作為近海和陸地之間的緩沖帶，不僅是一種重要的土地資源和空間資源，而且本身也蘊(yùn)藏著各種礦產(chǎn)、生物及其他海洋資源。研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)去30年，灘涂景觀的演變呈現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)和反復(fù)性，表現(xiàn)為某一階段該地區(qū)轉(zhuǎn)入，下一階段該區(qū)域的灘涂幾乎全部轉(zhuǎn)出。紅樹(shù)林是整個(gè)濕地生態(tài)系統(tǒng)的核心，主要分布在深圳灣東北岸深圳河口的福田紅樹(shù)林核心區(qū)(圖1)。隨著城市的擴(kuò)張，1979 年至1998 年間，紅樹(shù)林被其他景觀類型逐步替代，面積持續(xù)減少。但隨著1984 年紅樹(shù)林鳥(niǎo)類自然保護(hù)區(qū)的建立，核心區(qū)內(nèi)的紅樹(shù)林面積由1998 年的52.65 hm2恢復(fù)到2009 年的81 hm2。

表1 深圳灣景觀分類結(jié)果

圖1 深圳灣福田紅樹(shù)林核心區(qū)和紅樹(shù)林鳥(niǎo)類自然保護(hù)區(qū)地理位置

圖2 沿時(shí)間序列上的深圳灣景觀分類圖

2.3 景觀轉(zhuǎn)移檢測(cè)

研究發(fā)現(xiàn)，不同景觀的轉(zhuǎn)移情況在不同的城市化階段是不同的。在城市化初期，由于城市擴(kuò)張速度較慢，深圳市仍以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)占主導(dǎo)經(jīng)濟(jì)地位，以水田和養(yǎng)殖塘為代表的人工濕地景觀得到了保存和發(fā)展(圖3a)，基圍年均轉(zhuǎn)入量遠(yuǎn)高于年均轉(zhuǎn)出量(圖4a)。1989年至1998年的9 年間，城市化速度加快，以農(nóng)業(yè)耕作主導(dǎo)的半自然景觀格局快速轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)主導(dǎo)的城市景觀格局，人工濕地大量轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌坝^類型。該階段紅樹(shù)林的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出速度均達(dá)到了過(guò)去30年的最低值，僅為2.10 hm2/年和2.76 hm2/年(圖4b)，從圖3b我們可以看出，紅樹(shù)林的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出主要發(fā)生在紅樹(shù)林核心區(qū)，保護(hù)區(qū)的建立對(duì)紅樹(shù)林景觀的保護(hù)效應(yīng)開(kāi)始顯現(xiàn)。第3階段紅樹(shù)林面積增加最快，達(dá)到了年均5.58 hm2，同時(shí)灘涂景觀年均面積增長(zhǎng)77.40 hm2，達(dá)到了非常高的水平(圖4c)，同時(shí)，基圍景觀經(jīng)過(guò)前兩個(gè)階段的演變已變得相對(duì)穩(wěn)定，其發(fā)生轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出的斑塊數(shù)量很少(圖4a)，且主要分布在進(jìn)行了幾次大規(guī)模圍海工程的南山區(qū)。城市化后期，紅樹(shù)林核心區(qū)內(nèi)的紅樹(shù)林得到較好的發(fā)展，面積有所增加，但僅存不多的基圍卻進(jìn)一步轉(zhuǎn)移為其他景觀類型。

2.4 濕地景觀格局分析

2.4.1 類型水平指數(shù)分析 從表2可以看出，基圍景觀從1979 年占整個(gè)景觀比例的4.07 %增長(zhǎng)至1989 年的7.72 %，到2009 年僅占0.54 %，斑塊數(shù)總體上呈減少趨勢(shì)，斑塊團(tuán)聚度先降低后增加，到2009 年僅有少量分布在福田紅樹(shù)林核心區(qū)(圖2)。得益于保護(hù)區(qū)的建立，紅樹(shù)林景觀沒(méi)有趨于破碎化，反而形成了兩個(gè)大的斑塊，斑塊數(shù)減少的同時(shí)總面積變化很小，因此平均斑塊面積增大，景觀連通性增加。但紅樹(shù)林在整個(gè)景觀格局中所占的比例一直很小，基本處于1 %～2 %之間。灘涂所占比例呈現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)和反復(fù)性，總的來(lái)說(shuō)，斑塊數(shù)增加，平均斑塊面積在減少，說(shuō)明灘涂趨于破碎化，穩(wěn)定性下降。水體所占比例持續(xù)減小，LPI和LSI都呈下降趨勢(shì)，斑塊數(shù)增加的同時(shí)斑塊形狀趨于規(guī)則，偏向正方形。

通過(guò)景觀指數(shù)分析我們發(fā)現(xiàn)，基圍受人類干擾的影響最大，而紅樹(shù)林形成了兩個(gè)大的斑塊，保護(hù)區(qū)的建立讓基圍和紅樹(shù)林免受城市化進(jìn)一步的破壞。城市化過(guò)程需要大量的土地滿足城鎮(zhèn)、廠房、交通和住房建設(shè)，因此深圳灣在改革開(kāi)放后進(jìn)行了幾次大規(guī)模的圍墾填海工程，西岸蛇口的海岸線向東延伸了約2.4 km，北岸南山區(qū)的海岸線向南延伸了約1.2 km，這是深圳灣原有的濕地景觀格局發(fā)生了巨大改變的根本原因。

2.4.2 景觀水平指數(shù)分析 如表3所示，研究區(qū)景觀多樣性指數(shù)SHDI較為穩(wěn)定，基本處于1.6～1.7之間，說(shuō)明深圳灣多樣性高，景觀類型豐富。均勻度指數(shù)SHEI基本在0.7～0.8之間，說(shuō)明景觀均勻度不高，不同類型的所占面積變化很大，例如，水體、綠地、建成區(qū)所占面積較大，而基圍、紅樹(shù)林所占面積較小，最大可相差40倍左右。研究區(qū)的斑塊總數(shù)增加，同時(shí)平均斑塊面積減少，總體來(lái)看，深圳灣濕地正朝著不利于其穩(wěn)定的趨勢(shì)發(fā)展。

表2 濕地景觀類型指數(shù)

表3 景觀的Shannon多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和斑塊總數(shù)

3 結(jié) 論

1979 年至2009 年的30年里，深圳灣的濕地景觀格局發(fā)生了很大的變化，總體來(lái)看，該區(qū)域的濕地景觀正朝著不利于其穩(wěn)定的趨勢(shì)發(fā)展，破碎化程度增加，海岸線不斷向淺海延伸，但保護(hù)區(qū)的建立對(duì)濕地景觀尤其是紅樹(shù)林和基圍的保護(hù)起到了重要作用。隨著城市化的進(jìn)行，城市建成區(qū)景觀面積由208.95 hm2增加到2 072.52 hm2；基圍景觀受人為干擾最嚴(yán)重，城市化使得基圍景觀逐漸轉(zhuǎn)移為建成區(qū)等景觀類型，且斑塊形狀趨于規(guī)則，偏向正方形；保護(hù)區(qū)內(nèi)的紅樹(shù)林受到較好的保護(hù)，形成了兩個(gè)大的斑塊，景觀連通性增加；灘涂景觀在過(guò)去30 年間呈現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)和反復(fù)性，總的來(lái)說(shuō)，面積從1979 年的634.5 hm2減少至2009 年的377.28 hm2，景觀趨于破碎化，穩(wěn)定性下降。

通過(guò)景觀格局的分析，我們發(fā)現(xiàn)人為干擾是深圳灣景觀格局改變和發(fā)生景觀轉(zhuǎn)移的主要因素，圍墾填海和城市建設(shè)嚴(yán)重破壞了濱海濕地。如果不改變過(guò)去以破壞濕地為代價(jià)的開(kāi)發(fā)利用模式，深圳灣濱海濕地只會(huì)進(jìn)一步的遭受破壞，濕地面積只會(huì)進(jìn)一步減小，破碎化程度只會(huì)進(jìn)一步增加。而這一變化趨勢(shì)嚴(yán)重威脅著濱海生物尤其是鳥(niǎo)類的生存，最終會(huì)導(dǎo)致區(qū)域生物多樣性的減少，加劇濕地的生態(tài)脆弱性。

綜上所述，政府應(yīng)加大對(duì)深圳灣濕地保護(hù)的資金投入與科學(xué)研究，通過(guò)增加人工濕地和生態(tài)修復(fù)等方式改善目前的濕地景觀格局。建立長(zhǎng)效保護(hù)和監(jiān)督機(jī)制，研究退建還濕的可行性，加快制定深圳濕地保護(hù)與管理的法律法規(guī)，逐步完善濕地保護(hù)法律體系，嚴(yán)禁圍墾填海，促進(jìn)濱海濕地資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

合理的政策和科學(xué)的規(guī)劃能夠促進(jìn)城市濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和建設(shè)，作為改革開(kāi)放前沿陣地的深圳市，在享受巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)又要面臨降低其負(fù)面的生態(tài)環(huán)境效益這一巨大的挑戰(zhàn)，景觀生態(tài)學(xué)和3S技術(shù)正好提供了把濕地景觀格局與時(shí)空變化特征連接起來(lái)的理論基礎(chǔ)和量化手段，是研究濕地景觀動(dòng)態(tài)變化的有效方法。本研究表明，通過(guò)對(duì)濕地景觀格局的研究可以幫助我們理解其生態(tài)演變的過(guò)程，揭示景觀演替的內(nèi)部機(jī)制和規(guī)律，最終尋求合理的濕地管理和保護(hù)策略，為深圳灣濕地的保護(hù)和規(guī)劃提供理論參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]PICKETT S T A,CADENASSO M L,GROVE J M,et al.Urban ecological systems: Linking terrestrial ecological,physical,and socioeconomic components of metropolitan areas[J].Annual Review of Ecology and Systematics,2001,32: 127-157.

[2]GRIMM N B,FAETH S H,GOLUBIEWSKI N E,et al.Global change and the ecology of cities[J].Science,2008,319: 756-760.

[3]WENG Y C.Spatiotemporal changes of landscape pattern in response to urbanization[J].Landscape and Urban Planning,2007,81: 341-353.

[4]YU X,NG C.An integrated evaluation of landscape change using remote sensing and landscape metrics: a case study of Panyu,Guangzhou[J].International Journal of Remote Sensing,2006,27: 1075-1092.

[5]MUSACCHIO L R.landscape ecological planning process for wetland,waterfowl and farmland conservation[J].Landscape and Urban Planning,2001,56: 142-147.

[6]徐玲玲,張玉書,陳鵬師,等.近20年盤錦濕地變化特征及影響因素分析[J].自然資源學(xué)報(bào),2009,24(3):484-490.

[7]陳爽,馬安青,李正炎.遼河口濕地景觀格局變化特征與驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2011,41(3):81-87.

[8]曹林,韓維棟,李鳳鳳,等.雷州灣紅樹(shù)濕地景觀格局演變及驅(qū)動(dòng)力分析[J].林業(yè)科技開(kāi)發(fā),2010,24(4):18-23.

[9]葉功富,譚芳林,羅彩蓮,等.泉州灣河口濕地景觀格局變化研究[J].濕地科學(xué),2010,8(4):361-365.

[10]曾輝,高啟輝,陳雪,等.深圳市1988-2007年間濕地景觀動(dòng)態(tài)變化及成因分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2010,30(10):2706-2714.

[11]GONG Chongfeng,CHEN Jiquan,YU Shixiao.Spatiotemporal dynamics of urban forest conversion through model urbanization in Shenzhen,China[J].International Journal of Remote Sensing,2011,32:9071-9092.

[12]RIDD M K,LIU J J.A comparison of four algorithms for change detection in an urban environment[J].Remote Sensing of Environment,1998,63:95-100.

[13]YANG X J.Satellite monitoring of urban spatial growth in the Atlanta metropolitan area[J].Photogrammetric Engineering and Remote Sensing,2002,68:725-734.

[14]NAGENDRA H,MUNROE D K,SOUTHWORTH J.From pattern to process: landscape fragmentation and the analysis of land use/land cover change[J].Agriculture Ecosystems & Enviroment,2004,101: 111-115.