珠三角城市群濕地景觀格局變化及其驅(qū)動因素分析

胡盼盼，李鋒，胡聃，陳新闖，劉雅莉，王悅

1.城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 2.中國科學(xué)院大學(xué) 3.清華大學(xué)建筑學(xué)院

濕地被喻為“地球之腎”，是自然界最重要的自然資源類型之一，具有重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能如調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、凈化環(huán)境、供應(yīng)資源、防控災(zāi)害、支持生命等[1-4]。近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，人類對濕地資源過度開發(fā)以及不合理利用，使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)逐步惡化，威脅了區(qū)域的生態(tài)安全，極大地推動了快速城市化區(qū)域濕地各項基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究工作的開展[5-7]。隨著粵港澳大灣區(qū)作為頂層設(shè)計納入國家戰(zhàn)略，珠江三角洲(簡稱珠三角)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)活力被持續(xù)激發(fā)，對生態(tài)安全提出了更高的要求[8]，而開展珠三角地區(qū)濕地時空變化監(jiān)測，對于保障當(dāng)?shù)氐臐竦厣鷳B(tài)安全具有重要意義。

濕地景觀格局的研究方法主要包括空間統(tǒng)計、矩陣轉(zhuǎn)移、景觀指數(shù)和元胞自動機的模擬等[9-11]；研究對象主要是沿海濕地、湖泊、平原濕地等[12-15]；研究尺度主要集中在空間和時間異質(zhì)性2個方面[16]。如Munyati[17]借助地理信息系統(tǒng)(GIS)手段對Kafue Flats泛濫平原濕地進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測；范強等[18-20]基于遙感(RS)與GIS技術(shù)對南四湖、洪湖、武昌湖等湖泊濕地的景觀格局演變進(jìn)行了研究；趙銳鋒等[21-24]對遼河三角洲、黃河三角洲、若爾蓋高原高寒濕地及塔里木河中下游濕地等景觀格局變化進(jìn)行了分析；Zhang等[25-26]對北京濕地景觀格局變化及驅(qū)動力進(jìn)行了定量分析。目前的研究多集中在中小尺度的自然濕地，缺少對城市化發(fā)展快速的區(qū)域尺度濕地的研究[27-28]。隨著GIS在景觀格局研究中的應(yīng)用，濕地生態(tài)系統(tǒng)的宏觀監(jiān)測和驅(qū)動力分析成為目前研究的熱點之一[29-33]。

筆者基于珠三角城市群的土地利用數(shù)據(jù)，提取了2000年、2005年、2010年、2015年4期濕地類型分布圖，綜合運用GIS空間分析和景觀格局指數(shù)方法，研究了2000—2015年珠三角城市群濕地景觀的時空變化特征，并結(jié)合珠三角城市群自然因素和社會經(jīng)濟(jì)特征，運用主成分分析法探究了快速城市化背景下濕地變化的主要驅(qū)動力，以期為城市濕地管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

珠三角(111°22′E～115°25′E，21°28′N～24°26′N)位于廣東省東南部，珠江下游，毗鄰港澳，以廣州(GZ)、深圳(SZ)為核心，包括珠海(ZH)、佛山(FS)、惠州(HZ)、東莞(DG)、中山(ZS)、江門(JM)、肇慶(ZQ)共9個城市(圖1)，“泛珠三角”的大區(qū)地緣優(yōu)勢明顯，與東南亞地區(qū)隔海相望，被稱為中國的“南大門”。研究區(qū)四周為丘陵、山地和島嶼，中部是平原；屬亞熱帶氣候，高溫多雨，年平均氣溫為21～23 ℃，年平均降水量在1 500 mm以上，多雨與高溫季節(jié)同步；典型植被是亞熱帶常綠闊葉林，地貌水文上表現(xiàn)為多河道的良好水網(wǎng)，濕地類型豐富，主要包括濱海濕地、河流濕地、水田濕地、湖泊濕地、沼澤濕地、灘涂灘地等類型。近15年是珠三角城市群人口與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的時期，人口增加導(dǎo)致需水量加大、城市迅速擴張，建設(shè)用地侵占原有濕地，使?jié)竦孛娣e受損，生物多樣性銳減，濕地生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞。生態(tài)安全問題已成為制約珠三角地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要障礙[34]。

圖1 珠三角城市群行政區(qū)劃Fig.1 Administrative division of PRD urban agglomeration

1.2 數(shù)據(jù)來源

以珠三角海岸灘涂以上陸域邊界范圍內(nèi)的濕地為研究對象，研究采用的2000年、2005年、2010年和2015年4期土地利用矢量數(shù)據(jù)來源于中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫平臺(http://www.resdc.cn/)，精度達(dá)90%以上，符合制圖要求[35]。將濕地類型按照主導(dǎo)功能一致的原則歸并為水田、水庫坑塘、湖泊、河渠、灘涂、灘地、沼澤地7種[36]；考慮到遙感解譯的最小地物單元為100 m×100 m，扣除細(xì)小地物外，將上述7種濕地類型再分為人工濕地(水田、水庫坑塘)和自然濕地(湖泊、河渠、灘涂、灘地、沼澤地)。由此得到珠三角城市群2000年、2005年、2010年、2015年共4期濕地空間分布圖。濕地變化驅(qū)動機制分析中，通過統(tǒng)計年鑒獲取常住人口數(shù)、人均國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)、糧食產(chǎn)量等社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，通過中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://data.cma.cn/)獲取降水量、氣溫等氣象數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1濕地類型轉(zhuǎn)移概率矩陣

利用俄國數(shù)學(xué)家馬爾科夫模型構(gòu)造土地利用類型的轉(zhuǎn)移概率矩陣，該矩陣可全面、具體地刻畫土地利用類型變化的結(jié)構(gòu)特征和各土地利用類型變化的方向[21]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

式中：Pij為研究時段初期i類土地利用類型轉(zhuǎn)到研究末期j類土地利用類型的面積，km2；i、j取1,2,…,n；n為土地利用類型。轉(zhuǎn)移矩陣中每行元素代表轉(zhuǎn)移前的i類向轉(zhuǎn)移后的各土地利用類型的流向信息，每列元素代表轉(zhuǎn)移后的j類的面積從轉(zhuǎn)移前的各土地利用類型的來源信息。4個研究時段分別為2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年和2000—2015年。

1.3.2景觀格局指數(shù)分析法與主成分分析法

景觀格局指數(shù)能夠高度濃縮景觀空間格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置等方面的特征[37-38]，因此，利用景觀格局指數(shù)來表征珠三角城市群濕地的景觀格局特征，運用Fragstats 4.2軟件計算研究區(qū)景觀格局指數(shù)。在類型水平上，選取最大斑塊指數(shù)表征優(yōu)勢景觀類型，選取平均斑塊面積表征景觀的分布狀況，選取面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)表征景觀形狀的復(fù)雜性，選取聚集度指數(shù)表征景觀的破碎程度；在景觀水平上，選取斑塊個數(shù)與斑塊密度分析景觀破碎程度，選取最大斑塊指數(shù)與周長面積分維數(shù)研究景觀結(jié)構(gòu)特征，選取聚集度與香農(nóng)多樣性指數(shù)研究景觀豐富度。各指數(shù)的具體說明、計算方法參見文獻(xiàn)[39-40]。主成分分析(PCA)法是通過降維的方式簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將錯綜復(fù)雜的多變量通過線性變換選出主要變量的一種多元統(tǒng)計分析方法[41]，采用SPSS軟件對選取的指標(biāo)做主成分分析，探究2000—2015年珠三角城市群濕地演變的主要驅(qū)動力。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地景觀的分布現(xiàn)狀

截至2015年，珠三角城市群濕地面積為12 559 km2，約占該區(qū)域土地面積的23%。從類型上看，自然濕地面積為1 274 km2，約占濕地總面積的11%；人工濕地面積為11 285 km2，約占89%。自然濕地中，河渠呈扇狀分布，面積為1 160 km2，占濕地總面積的10%，其余自然濕地面積占比共1%。人工濕地中，水田面積約8 708 km2，占濕地總面積的69%；水庫坑塘面積為2 577 km2，約占20%。從地理分布來看，江門、廣州、肇慶及東莞等市濕地分布廣泛，其面積占珠三角城市群濕地總面積的72%。其中，江門市與廣州市的濕地面積最大；珠海市與中山市的濕地面積較接近，分別為440和412 km2；深圳市濕地面積最小。

2.2 濕地景觀的時間變化規(guī)律

2000—2015年珠三角城市群濕地類型分布與面積變化分別如圖2、圖3所示。由圖2可知，2000—2015年珠三角城市群濕地面積共損失1 613 km2，其中，2000—2005年損失1 012 km2，2005—2010年損失了370 km2，2010—2015年損失了231 km2。2000—2005年濕地面積減幅最大，2010—2015年減幅最小，說明2000—2015年珠三角城市群濕地面積雖持續(xù)縮減，但縮減趨勢減緩。2015年較2000年濕地面積共損失了11%。由圖3可知，2000—2015年，各類型濕地面積均出現(xiàn)不同程度的損失。人工濕地面積損失1 615 km2，其中，水田面積損失1 325 km2，水庫坑塘面積損失290 km2。自然濕地面積增加了1 km2，主要是灘地面積增加了19 km2；其余類型的濕地面積均損失，其中河渠面積損失較嚴(yán)重，減少了10 km2，而灘涂和沼澤地分別減少了7和1 km2?？梢?，珠三角城市群濕地面積損失中，人工濕地面積縮減占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖2 2000—2015年珠三角城市群濕地類型分布Fig.2 Spatial distribution of wetland types in PRD from 2000 to 2015

圖3 2000—2015年珠三角城市群濕地面積變化Fig.3 Variation of wetland area in PRD from 2000 to 2015

2.3 濕地景觀空間變化規(guī)律

2000—2015年珠三角城市群各市濕地面積變化分別如圖4、圖5所示。由圖4可知，2000—2015年，研究區(qū)內(nèi)9個城市的濕地面積均出現(xiàn)不同程度的損失：濕地面積損失最嚴(yán)重的是佛山市和廣州市，其次是中山市和惠州市，這4個城市濕地?fù)p失面積之和為1 247 km2，約占研究區(qū)濕地?fù)p失總面積的77%；珠海市濕地?fù)p失面積最??；東莞市與深圳市的自然濕地面積增加比較明顯，分別增加了8和3 km2。

圖4 2000—2015年珠三角城市群各市濕地?fù)p失面積Fig.4 Wetland loss charts in the urban areas of PRD in 2000-2015

圖5 2000—2015年珠三角城市群濕地面積損失空間分布Fig.5 Spatial distribution maps of wetland loss in PRD in 2000-2015

研究區(qū)濕地面積損失的空間格局存在時間尺度上的差異。2000—2005年，除了珠海市的濕地面積有所增加外，其他城市濕地面積均有損失，其中，佛山市濕地面積損失最為嚴(yán)重(損失了287 km2)，其次為廣州市，而江門市和肇慶市濕地面積損失較小。2005—2010年，佛山市和廣州市濕地面積仍損失最多，約占研究區(qū)濕地?fù)p失總面積的50%，而珠海市濕地面積損失最?。粬|莞市自然濕地面積增加最為明顯，增加了8 km2，廣州市自然濕地面積損失最明顯，損失了6 km2。2010—2015年，各城市濕地受損趨勢明顯減緩，佛山市和廣州市濕地面積共損失了110 km2，而深圳市濕地面積損失最小。

2.4 濕地景觀的時空轉(zhuǎn)移特征

2.4.1濕地類型間的轉(zhuǎn)移概率

不同時段珠三角城市群濕地類型間的轉(zhuǎn)移概率矩陣如圖6所示。由圖6可知，2000—2005年，人工濕地中，水田轉(zhuǎn)移面積較大，約有141 km2轉(zhuǎn)移為水庫坑塘；自然濕地中，河渠轉(zhuǎn)移面積較大，約有8 km2轉(zhuǎn)移為灘地。相對于2000—2005年，2005—2015年濕地類型之間的轉(zhuǎn)移不太顯著，水庫坑塘中約有6 km2退化為灘地。2000—2015年，各濕地類型間出現(xiàn)不同程度的轉(zhuǎn)移，2%(面積約165 km2)的水田被開發(fā)為水庫坑塘；11%的灘地被開墾為水田，這是人類活動影響濕地類型轉(zhuǎn)移的具體體現(xiàn)。分別有8和9 km2的河渠和水庫坑塘退化為灘地，這是濕地受損的顯著表現(xiàn)。

圖6 不同時段珠三角城市群濕地類型間的轉(zhuǎn)移概率矩陣Fig.6 Transfer probability matrix diagram of wetland types in PRD urban agglomeration in different periods

2.4.2濕地與非濕地間的轉(zhuǎn)移概率

不同時段珠三角城市群濕地與非濕地間轉(zhuǎn)移概率矩陣如圖7所示。由圖7可知，2000—2015年，珠三角城市群濕地面積減少了11%，約1 702 km2。其中，97%被建設(shè)用地占用，約1 656 km2；建設(shè)用地共增加了3 068 km2，其中54%來源于對濕地的侵占。因此，建設(shè)用地擴張是濕地面積減少的主要原因。其中，2000—2005年，1 062 km2濕地被建設(shè)用地侵占，而2005—2015年共損失濕地599 km2，說明建設(shè)用地侵占濕地主要發(fā)生在2000—2005年。

圖7 不同時段珠三角城市群濕地與非濕地間轉(zhuǎn)移概率矩陣Fig.7 Transfer probability matrix diagram between wetland and non-wetland types in PRD in different periods

2.5 濕地景觀格局特征

2.5.1類型水平上的濕地景觀格局特征

2000—2015年珠三角城市群濕地在類型尺度上的景觀指數(shù)變化如圖8所示。最大斑塊指數(shù)反映各景觀類型最大面積斑塊占景觀總面積的比例，是優(yōu)勢度的一種度量方式。由圖8(a)可知，2000—2015年，河渠的最大斑塊指數(shù)最大，其次是水田，這在一定程度上說明了珠三角城市群水田和河渠是優(yōu)勢景觀類型，且水田的最大斑塊面積呈減小趨勢，說明水田呈現(xiàn)破碎化，而其他類型濕地變化趨勢相對平緩。面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)反映了斑塊的形狀復(fù)雜性。由圖8(b)可知，河渠的面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)最高且走勢平緩，接近1.4，說明其景觀斑塊的形狀最復(fù)雜；其次是水田，超過1.2；而沼澤地景觀斑塊的形狀最簡單。聚集度指數(shù)是度量景觀中不同斑塊類型的聚集程度，值越大表示同一景觀類型斑塊的高度聚集。由圖8(c)可知，2000—2015年，河渠、水田的聚集度指數(shù)較大，且走勢平緩；2005—2015年，湖泊、灘涂、水庫坑塘的聚集度指數(shù)均呈下降趨勢，說明其空間破碎化程度提高；湖泊的聚集度指數(shù)最低，說明其空間分布離散。

圖8 2000—2015年珠三角城市群濕地在類型尺度上的景觀指數(shù)變化Fig.8 Variation of landscape index of wetland in class scale in PRD urban agglomeration during 2000-2015

2.5.2景觀水平上的濕地景觀格局特征

通過多期景觀斑塊數(shù)量和斑塊密度，可以看出景觀破碎化程度的變化趨勢。一般來講，斑塊密度越大，斑塊則越小，景觀的破碎程度就越高。2000—2015年珠三角城市群濕地在景觀尺度上的景觀指數(shù)變化如圖9所示。由圖9(a)可知，2000—2015年，斑塊個數(shù)及斑塊密度均逐年增加，其中2015年斑塊個數(shù)達(dá)到最大(19 326個)，比2000年增加了4 255個，說明珠三角城市群濕地景觀破碎化程度加劇。其中，2000—2005年斑塊個數(shù)與斑塊密度均急劇增加，主要與人類活動強度增加有關(guān)，說明城市化速度加??；2005年之后，由于生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策的實施和保護(hù)力度的加強，景觀破碎化趨勢減緩，斑塊個數(shù)與斑塊密度緩慢增加。由圖9(b)可知，最大斑塊指數(shù)呈持續(xù)增加趨勢，說明最大斑塊類型的優(yōu)勢度在整個景觀中的地位不斷上升。周長面積分維數(shù)在2000—2005年急劇下降，說明該時段人類活動的影響使珠三角城市群景觀結(jié)構(gòu)變化劇烈；2005年之后周長面積分維數(shù)基本處于1.3附近，說明區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。由圖9(c)可知，聚集度指數(shù)呈現(xiàn)逐漸增加并趨于平緩的趨勢，最大值出現(xiàn)在2015年，為97.62，說明該年空間分布呈現(xiàn)聚集狀態(tài)；香農(nóng)多樣性指數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，說明各景觀類型趨于單一化，景觀豐富度降低。這2個指數(shù)均表明在珠三角城市化過程中，存在景觀趨于單一化且分布更集中的現(xiàn)象。

圖9 2000—2015年珠三角城市群濕地在景觀尺度上的景觀指數(shù)變化Fig.9 Landscape index change of wetland in landscape scale in PRD urban agglomeration during 2000-2015

3 討論

濕地景觀變化的驅(qū)動因子包括自然和人為因素，考慮到珠三角城市化進(jìn)程較快，選取了包括氣候、人口和社會經(jīng)濟(jì)在內(nèi)的8個指標(biāo)，分別為年降水量、年平均氣溫、總?cè)丝跀?shù)、GDP、人均GDP、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、建設(shè)用地面積，進(jìn)行主成分分析。結(jié)果表明，第一主成分解釋了總變量的81.46%，第二主成分解釋了總變量的15.93%。建設(shè)用地面積、常住人口數(shù)和第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在第一主成分上的載荷較大，這些因子反映了社會經(jīng)濟(jì)和城市發(fā)展水平，因此第一主成分可以認(rèn)為是人口和社會經(jīng)濟(jì)的代表；降水量和年平均氣溫在第二主成分上的載荷較大，因此第二主成分被認(rèn)為是氣候因素的代表。

人口和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展是影響珠三角城市群濕地面積變化的主要因素。2000—2015年，珠三角城市群人口持續(xù)增長，經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值呈現(xiàn)直線上升趨勢，同時三大產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展，持續(xù)攀升。根據(jù)人口和經(jīng)濟(jì)對濕地面積的影響分析可知，常住人口數(shù)與第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值對濕地面積變化的解釋率分別為0.783 4和0.712 1，且均與濕地面積呈負(fù)相關(guān)。這是由于第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的增加與人口的增長都會加大對水資源的需求量，從而破壞濕地生態(tài)環(huán)境，增加生境壓力，對區(qū)域生態(tài)安全造成影響。

隨著人口數(shù)量增長與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，珠三角城市群建設(shè)用地規(guī)模不斷加大。根據(jù)城市擴張對濕地面積的影響進(jìn)行分析可知，建設(shè)用地面積與濕地總面積呈負(fù)相關(guān)(R2為0.99)，即城區(qū)面積不斷擴大，濕地面積不斷損失。其中濕地?fù)p失97%的面積轉(zhuǎn)化成了建設(shè)用地，使城區(qū)面積由2000年的4 202 km2增至2015年的7 246 km2，增長了近1倍；城市化發(fā)展快速區(qū)域主要分布在佛山、廣州、中山以及東莞等市。而隨著全國大力推進(jìn)高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)，保護(hù)濕地紅線政策以及《中共廣東省委、廣東省人民政府關(guān)于加強珠江水環(huán)境綜合整治工作的決定》《廣東省珠江水環(huán)境綜合整治方案》等方案的實施，珠三角濕地受損趨勢逐步減緩。

4 結(jié)論

(1)2000—2015年，珠三角城市群濕地面積縮減了11%，約1 613 km2，損失濕地的類型主要是水田(占82%)；損失區(qū)域主要分布在佛山、廣州、中山和惠州等城市(占77%)；損失原因主要是建設(shè)用地擴張(占97%)。

(2)2000—2015年，97%的濕地因建設(shè)用地侵占而損失，建設(shè)用地侵占濕地主要發(fā)生在2000—2005年(占比為63%)，11%的濕地因灘地被開墾為水田而損失，人類活動直接影響濕地類型的轉(zhuǎn)移；同時，水田被開發(fā)為水庫坑塘的現(xiàn)象明顯；河渠與水庫坑塘主要退化為灘地，這是濕地退化的顯著表現(xiàn)。

(3)景觀格局指數(shù)分析結(jié)果表明，2000—2015年珠三角城市群濕地景觀結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，水田和河渠是優(yōu)勢景觀類型，河渠的形狀最復(fù)雜，湖泊的破碎化程度最高，其他濕地類型的破碎化程度逐年增加，但景觀類型趨于單一化且分布趨于集中。

(4)城市擴張是珠三角城市群濕地受損的外在表現(xiàn)，人口增加與社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展是導(dǎo)致建設(shè)用地侵占濕地景觀的內(nèi)在原因。此外，氣候和政策等因素也對濕地景觀變化產(chǎn)生一定影響。