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.中山大學生命科學學院生態學系//有害生物控制與資源利用國家重點實驗室，廣東 廣州 510275；2.香港城市大學深圳研究院，廣東 深圳 518057；3.深圳市野生動物救護中心，廣東 深圳518001；4.深圳市海洋局，廣東 深圳518034)

城市化就是由鄉村景觀轉變為城市或其它建成區景觀的過程[1]，城市生態學的一個主要目標是理解城市化的空間格局和生態過程之間的相互關系[2]。目前全世界越來越多的學者在思考如何能更有效的將城市景觀格局及其變化進行定量化，并對由城市化引起的生態后果進行監測與評估[3-4]。

近年來，利用3S技術研究城市濕地景觀的時空動態變化，已經成為景觀生態學的研究熱點[5]。一些學者利用遙感手段，對濱海濕地景觀類型的變化特征進行了研究[6-10]。深圳市在經過改革開放短短的30年后，經歷了由農業主導的半自然景觀到工業主導的城市景觀的巨大轉變[11]，然而，這一典型的城市化過程中景觀轉移的時空特性，尤其是濱海濕地景觀受城市化的影響及其生態響應尚未被深入的研究。本研究以深圳灣區域改革開放30年來的五期遙感影像為數據源，定量描述深圳灣(深圳部分)濱海濕地類型的變化過程，為深圳灣濕地的保護與規劃提供理論依據。

1 研究地與研究方法

1.1 研究地概況

深圳灣紅樹林濕地位于深圳灣北岸，區域范圍在北緯22。30＇～ 22。32＇，東經113。56＇～ 114。3＇之間(圖1)，由西至東依次橫跨南山區和福田區。研究區地處大型城市的濱海區域，被城市所包圍，改革開放后受到人類活動的強烈影響，景觀格局發生了巨大的改變。福田紅樹林鳥類自然保護區位于深圳灣東北部，東起新洲河口，西至海濱生態公園，南達灘涂外海域和深圳河口，北至廣深高速公路，面積368 hm2。保護區濕地生態系統由紅樹林帶、基圍魚塘和灘涂組成，區內有高等植物170多種，其中，紅樹林植物13 科22 種，鳥類192 種，列入重點保護的鳥類有23 種。

1.2 遙感數據源與數據預處理

本研究所采用的遙感數據源共五期，分別來自1979 年的MSS遙感影像，1989、1998、2003和2009 年的TM遙感影像。數據預處理過程包括分辨率變換、投影坐標變換、幾何校正和緩沖區裁剪圖像，地理坐標采用WGS_1984_UTM_ZONE_50N。在參考前人研究的基礎上[5]，首先在ARCGIS平臺下構建2003 年的深圳灣海岸線，使用Buffer工具進行反復的緩沖試驗，最后選定距海岸線1.8 km區域范圍作為緩沖區，以保證不同時期的深圳灣紅樹林濕地完全包含在研究范圍內，同時剔除不感興趣的區域(圖1)。用該緩沖區分別裁剪出5期遙感圖像，并將香港區域進行掩膜處理，得到對應時期的研究區。

1.3 景觀分類

根據深圳灣的實際情況，將濕地景觀分為基圍、紅樹林、灘涂和水體四類，由于水體的變化特征不明顯，本研究中不予重點討論分析。為了提高分類精度，采用了一種人機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圖像進行監督分類，將景觀分為紅樹林、建成區、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，通過光譜特征的監督分類方法無法將二者區分開，但基圍的幾何特征比較明顯，通過目視解譯的方法，將其進行直接的劃分，分類結果見表1。

1.4 景觀轉移檢測

為了檢測濕地景觀在時間序列上發生的變化，根據景觀分類圖的變化趨勢，我們將深圳灣的城市化過程分為4個階段，分別是城市化初期(1979-1989)、發展期(1989-1998)、加速期(1998-2003)和后期(2003-2009)?；诖耍ㄟ^構建“由像元到像元的景觀轉移矩陣”[12-13]來計算不同階段其他類型轉移為目標景觀類型(基圍、紅樹林和灘涂)的變化量(轉入)，同時計算目標景觀類型轉移為其他類型的變化量(轉出)。由于各個階段的時間間隔不同，因此將各變化量標準化為年均變化量來對不同時間間隔的數值進行比較：

×100%

(1)

(2)

式中是目標景觀類型轉出為其他類型的年均量，而則是其他類型轉入為該景觀類型的年均量；n是每個階段的間隔年數；分別是第i年和第i+n年該景觀類型的總量。據此，本研究分別計算了基圍、紅樹林和灘涂3類濕地景觀的轉移變化量，揭示濕地景觀轉入轉出發生的區域位置。

1.5 景觀指數分析

完成景觀轉移檢測操作后，將分類圖導出矢量格式，在景觀軟件FRAGSTATS中計算景觀指數。在類型水平上，選取面積組成比例(PLAND)在內的5個類型水平指數。斑塊數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勢類型，LPI值越大斑塊優勢度越大，LSI能反映斑塊的形狀和團聚度。在景觀水平上，選取Shannon 多樣性指數(SHDI)和Shannon均勻度指數(SHEI)。

2 結果與討論

2.1 濕地景觀變化的動態特征

城市景觀的變化受到一系列動態的驅動因子影響，包括區域內特定的自然環境、社會、政治和歷史等背景因素，而這些因素之間復雜的交互作用產生了不同的景觀變化情景和后果[14]。由于經濟特區的建立和改革開放，建成區景觀面積快速增加(圖2)。與建成區景觀相似，基圍景觀同樣表現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 年開始，隨著城市化速度的加快，基圍景觀逐漸被城市建成區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，而且本身也蘊藏著各種礦產、生物及其他海洋資源。研究發現，過去30年，灘涂景觀的演變呈現較大幅度的波動和反復性，表現為某一階段該地區轉入，下一階段該區域的灘涂幾乎全部轉出。紅樹林是整個濕地生態系統的核心，主要分布在深圳灣東北岸深圳河口的福田紅樹林核心區(圖1)。隨著城市的擴張，1979 年至1998 年間，紅樹林被其他景觀類型逐步替代，面積持續減少。但隨著1984 年紅樹林鳥類自然保護區的建立，核心區內的紅樹林面積由1998 年的52.65 hm2恢復到2009 年的81 hm2。

表1 深圳灣景觀分類結果

圖1 深圳灣福田紅樹林核心區和紅樹林鳥類自然保護區地理位置

圖2 沿時間序列上的深圳灣景觀分類圖

2.3 景觀轉移檢測

研究發現，不同景觀的轉移情況在不同的城市化階段是不同的。在城市化初期，由于城市擴張速度較慢，深圳市仍以農業生產占主導經濟地位，以水田和養殖塘為代表的人工濕地景觀得到了保存和發展(圖3a)，基圍年均轉入量遠高于年均轉出量(圖4a)。1989年至1998年的9 年間，城市化速度加快，以農業耕作主導的半自然景觀格局快速轉變為工業主導的城市景觀格局，人工濕地大量轉變為其他景觀類型。該階段紅樹林的轉入和轉出速度均達到了過去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，紅樹林的轉入轉出主要發生在紅樹林核心區，保護區的建立對紅樹林景觀的保護效應開始顯現。第3階段紅樹林面積增加最快，達到了年均5.58 hm2，同時灘涂景觀年均面積增長77.40 hm2，達到了非常高的水平(圖4c)，同時，基圍景觀經過前兩個階段的演變已變得相對穩定，其發生轉入轉出的斑塊數量很少(圖4a)，且主要分布在進行了幾次大規模圍海工程的南山區。城市化后期，紅樹林核心區內的紅樹林得到較好的發展，面積有所增加，但僅存不多的基圍卻進一步轉移為其他景觀類型。

2.4 濕地景觀格局分析

2.4.1 類型水平指數分析 從表2可以看出，基圍景觀從1979 年占整個景觀比例的4.07 %增長至1989 年的7.72 %，到2009 年僅占0.54 %，斑塊數總體上呈減少趨勢，斑塊團聚度先降低后增加，到2009 年僅有少量分布在福田紅樹林核心區(圖2)。得益于保護區的建立，紅樹林景觀沒有趨于破碎化，反而形成了兩個大的斑塊，斑塊數減少的同時總面積變化很小，因此平均斑塊面積增大，景觀連通性增加。但紅樹林在整個景觀格局中所占的比例一直很小，基本處于1 %～2 %之間。灘涂所占比例呈現較大幅度的波動和反復性，總的來說，斑塊數增加，平均斑塊面積在減少，說明灘涂趨于破碎化，穩定性下降。水體所占比例持續減小，LPI和LSI都呈下降趨勢，斑塊數增加的同時斑塊形狀趨于規則，偏向正方形。

通過景觀指數分析我們發現，基圍受人類干擾的影響最大，而紅樹林形成了兩個大的斑塊，保護區的建立讓基圍和紅樹林免受城市化進一步的破壞。城市化過程需要大量的土地滿足城鎮、廠房、交通和住房建設，因此深圳灣在改革開放后進行了幾次大規模的圍墾填海工程，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生了巨大改變的根本原因。

2.4.2 景觀水平指數分析 如表3所示，研究區景觀多樣性指數SHDI較為穩定，基本處于1.6～1.7之間，說明深圳灣多樣性高，景觀類型豐富。均勻度指數SHEI基本在0.7～0.8之間，說明景觀均勻度不高，不同類型的所占面積變化很大，例如，水體、綠地、建成區所占面積較大，而基圍、紅樹林所占面積較小，最大可相差40倍左右。研究區的斑塊總數增加，同時平均斑塊面積減少，總體來看，深圳灣濕地正朝著不利于其穩定的趨勢發展。

表2 濕地景觀類型指數

表3 景觀的Shannon多樣性指數、均勻度指數和斑塊總數

3 結 論

1979 年至2009 年的30年里，深圳灣的濕地景觀格局發生了很大的變化，總體來看，該區域的濕地景觀正朝著不利于其穩定的趨勢發展，破碎化程度增加，海岸線不斷向淺海延伸，但保護區的建立對濕地景觀尤其是紅樹林和基圍的保護起到了重要作用。隨著城市化的進行，城市建成區景觀面積由208.95 hm2增加到2 072.52 hm2；基圍景觀受人為干擾最嚴重，城市化使得基圍景觀逐漸轉移為建成區等景觀類型，且斑塊形狀趨于規則，偏向正方形；保護區內的紅樹林受到較好的保護，形成了兩個大的斑塊，景觀連通性增加；灘涂景觀在過去30 年間呈現較大幅度的波動和反復性，總的來說，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，穩定性下降。

通過景觀格局的分析，我們發現人為干擾是深圳灣景觀格局改變和發生景觀轉移的主要因素，圍墾填海和城市建設嚴重破壞了濱海濕地。如果不改變過去以破壞濕地為代價的開發利用模式，深圳灣濱海濕地只會進一步的遭受破壞，濕地面積只會進一步減小，破碎化程度只會進一步增加。而這一變化趨勢嚴重威脅著濱海生物尤其是鳥類的生存，最終會導致區域生物多樣性的減少，加劇濕地的生態脆弱性。

綜上所述，政府應加大對深圳灣濕地保護的資金投入與科學研究，通過增加人工濕地和生態修復等方式改善目前的濕地景觀格局。建立長效保護和監督機制，研究退建還濕的可行性，加快制定深圳濕地保護與管理的法律法規，逐步完善濕地保護法律體系，嚴禁圍墾填海，促進濱海濕地資源與環境的可持續發展。

合理的政策和科學的規劃能夠促進城市濱海濕地生態系統的保護和建設，作為改革開放前沿陣地的深圳市，在享受巨大經濟效益的同時又要面臨降低其負面的生態環境效益這一巨大的挑戰，景觀生態學和3S技術正好提供了把濕地景觀格局與時空變化特征連接起來的理論基礎和量化手段，是研究濕地景觀動態變化的有效方法。本研究表明，通過對濕地景觀格局的研究可以幫助我們理解其生態演變的過程，揭示景觀演替的內部機制和規律，最終尋求合理的濕地管理和保護策略，為深圳灣濕地的保護和規劃提供理論參考。

參考文獻：

[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].自然資源學報,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動機制分析[J].中國海洋大學學報,2011,41(3):81-87.

[8]曹林,韓維棟,李鳳鳳,等.雷州灣紅樹濕地景觀格局演變及驅動力分析[J].林業科技開發,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,2010,8(4):361-365.

[10]曾輝,高啟輝,陳雪,等.深圳市1988-2007年間濕地景觀動態變化及成因分析[J].生態學報,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.