珠海市濕地景觀格局演變及其驅動力分析

郁 林，黨星海，紀 嬋，李治斌，徐曉龍

（1.蘭州理工大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.珠海歐比特宇航科技股份有限公司，廣東 珠海 519080）

濕地是一種陸生生態環境與水生生態環境相結合的生態環境[1]，也是最具生產力的自然環境之一，為自然生物提供了復雜的生存環境[2]，在維護區域生態平衡等方面具有不可替代的作用[3-5]。近年來，由于城市人口迅猛增加、區域經濟飛速發展，對土地利用的需求急劇增加[6]，濕地景觀格局遭到嚴重破壞，甚至威脅到人們的生存環境[7]。隨著粵港澳大灣區發展規劃的提出，對處于粵港澳大灣區中心的珠海市來說，其未來經濟將會飛速發展，若不能有效保護其濕地資源，將會對珠海市的生態環境造成嚴重威脅，因此急需開展珠海市濕地景觀格局分析與研究。

衛星遙感技術因其覆蓋度廣、重訪周期短、分辨率高和實時性強等優點，已成為地類普查和濕地動態監測的重要方式[8]。近年來，由于我國濕地景觀不斷遭到破壞，因此濕地景觀的變化監測及其驅動力因素分析已成為濕地遙感監測的熱門方向，如毛德華[9]等通過分析我國東北地區的濕地變化情況，得到氣候和人為因素是濕地變化的重要原因的結論；Ernoult A[10]等通過對塞納河流域漫灘鳥類和維管植物的研究，得到生物多樣性的潛在驅動因素來自過去和現在的景觀格局的結論；Debanshi S[11]等利用衛星圖像結合差分水體指數對恒河三角洲印度部分地區的濕地進行了圈定，并采用細胞自動機對濕地面積變化進行了模擬分析；張瑩瑩[12]等利用構建LUCC統計模型和計算濕地景觀格局指數的方法研究了1974－2017年江漢平原洪湖濕地自然保護區的變化情況，發現其濕地生態系統遭到嚴重破壞；宮寧[13]等利用遙感技術分析了我國近30 a濕地的變化情況，結果表明自然濕地在不斷消失，非自然濕地在逐步增加，其驅動因素因濕地類型的不同而有所差異；馬學垚[14]等研究了多期長江三角洲地區濱海濕地景觀格局的變化情況，并對其驅動要素進行了分析；徐曉然[15]等通過多期的遙感影像，提取了海南紅樹林地濕地景觀的變化情況，并進行了景觀格局分析。

綜上所述，目前濕地景觀格局演變研究已成為濕地生態系統研究的熱點，國內研究主要集中在長江三角洲、江漢平原等較大的區域，而對珠海等沿海城市濕地景觀格局的研究相對較少；且已有研究大多基于30 m分辨率的Landsat衛星影像，空間分辨率相對較低。鑒于此，本文采用10 m空間分辨率的Sentinel-2衛星影像對擁有獨特地理位置的珠海市濕地系統進行了研究。首先通過4期遙感影像對珠海市濕地圖斑進行精細分類；然后利用ArcGIS空間分析方法和Fragstats計算景觀格局指數，進而計算珠海市濕地系統近年來的動態變化情況；最后結合人口、經濟、降雨、氣溫等因素，利用統計學原理對驅動力進行了分析，以期為珠海市濕地系統保護以及粵港澳大灣區生態系統安全提供參考。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

珠海市是粵港澳大灣區九城之一，地處廣東省的西南部，東側隔海相望香港與深圳，西側與江門市新會區相鄰，南側緊挨澳門，北側與中山市接壤，被大灣區 5個地市環抱[16]。受南亞熱帶季風氣候影響，珠海市常年多雷雨天氣，每年4－9月受東南季風侵擾，降雨量明顯增多，占全年總降雨量的85%，為雨季；10月－次年3月受東北季風影響，降雨偏少，為旱季；年平均降雨可達2 000多mm，全年相對濕度為80%。珠海市整體地勢相對平坦，西北地區高、東南沿海地區低，市內河流縱橫，分布有6條河流、88個水庫以及大量坑塘、沼澤，擁有豐富的濕地資源。近年來，隨著沿海城市的飛速發展，出現了圍海造陸、自然坑塘養殖化、填庫造陸、資源浪費等破壞自然濕地的情況，對珠海市濕地生態系統造成了嚴重威脅，因此展開濕地景觀格局的探討，對珠海市濕地安全保護具有重要的參考價值。

1.2 研究方法

1.2.1 數據來源與預處理

為準確提取珠海市陸域濕地的分布信息，遙感影像數據中的云量需控制在3%以下；為了對比年份濕地景觀格局，遙感影像選擇不同年份同一月份的數據；還需綜合考慮影像的質量、獲取度、使用效率等情況。本文最終選取的遙感影像數據為2016-07-29、2017-10-11、2018-10-02、2019-10-04的Sentinel-2影像數據，數據均來源于歐航局（https://scihub.copernicus.eu/）。

1.2.2 濕地分類方案

以《第三次全國土地調查工作分類》和《濕地公約》中濕地分類標準為基礎[17-18]，結合研究區目前的狀況，本文將珠海市陸域濕地劃分為水田、紅樹林地、沼澤濕地等10個類型。由于森林沼澤、灌叢沼澤、沼澤草地光譜信息較相近，為了提高分類精度，準確分析濕地景觀格局變化情況，統一歸為沼澤濕地。

1.2.3 信息提取與精度驗證

高精度樣本有助于提高分類精度[19]，樣本選取時遵循純凈、典型、代表3個特性，選取最優像元作為樣本。本文選取的樣本數據包括實地數據和Google Earth高分辨率目視解譯數據，其中實地數據為2019-08-27的現場踏勘數據，現場調研點分布如圖1所示，主要包括GPS精確定位、照片、無人機全景數據等；室內通過計算機在Google Earth上進行目視解譯選取樣本點。為了提高精度，各類地物樣本應不低于100個，且隨機均勻分布在研究范圍內。

表3 2017－2018年珠海市濕地圖斑面積轉移矩陣/ hm2

圖1 珠海市濕地外業調研點分布圖 （審圖號：JS(2012)01-040）

本文利用NDWI結合目視判讀確定水體提取閾值，進而提取研究區域的水體。研究區河流面積較大、長度較長，首先利用面積和長寬比形狀特征對研究區河流進行提取，并生成掩膜文件；再對非河流進行分類，坑塘通常呈矩形且面積較小，湖泊的圓度信息強于水庫和溝渠，溝渠面積和寬度較小，因此采用面積、形狀和寬度指數區分三者。由于水庫位置固定且地理位置明確，因此采用人工目視解譯的方法進行解譯。對于其他濕地類型，本文采用監督分類與非監督分類相結合的方式進行提取，并利用廣東省土地利用數據和Google Earth數據對分類結果進行后期精細處理。結合人工目視解譯，形成珠海市濕地類型分布圖，如圖2所示。

圖2 珠海市濕地類型分布圖

1.2.4 動態變化分析方法

結合近年來國內外研究現狀，本文利用ArcGIS10.6結合Excel構建土地利用轉移矩陣。土地利用空間類型轉換是基于轉移矩陣分析得到式（1）[4]。狀態轉移是指客觀事物由一種狀態轉移到另一種狀態的定量表達。

式中，Aij為研究區土地利用類型由初始狀態到研究末期的轉換狀態，具體到A11為地塊轉移面積；n為土地利用類型的數量。

1.2.5 景觀格局分析方法

結合實際情況，本文利用ArcGIS10.6面轉柵格工具將矢量面轉換成10 m×10 m的對應的柵格數據，并輸入到Fragstats4.1軟件中進行計算。景觀格局指數分為類型水平和景觀水平，其中類型水平包括斑塊平均面積（MPS）、斑塊面積（CA）、聚集度指數 （COHESION）、最大斑塊面積指數（LPI）；景觀水平包括斑塊數量（NP）、斑塊密度（PD）、斑塊聚合度（AI）、香濃多樣性指數（SHDI），具體景觀指數信息、計算方法和說明詳見參考文獻[15]。上述指標能詳細反映景觀斑塊的破碎度、聚合性、離散性、多樣性等信息。

2 研究結果與分析

2.1 珠海市濕地面積景觀類型動態變化分析

本文利用ArcGIS10.6軟件計算得到對應濕地圖斑2016年、2017年、2018年、2019年的濕地面積，再利用Office表格分析統計珠海市濕地圖斑面積及其占比，結果如表1所示，可以看出，珠海市濕地總面積在以500 hm2/a的速度減少，4 a共減少了1 656.66 hm2， 其中水田面積減少了236.42 hm2，溝渠面積減少了358.84 hm2，坑塘面積減少了1 089.97 hm2； 相反紅樹林地面積在持續增加，其中2018－2019年增加較多，達到20.07 hm2，4 a共增加了38.34 hm2；河流、湖泊、水庫等自然濕地總體沒有太大變化，其中河流面積總體增加了30.16 hm2，湖泊面積總體減少了19.19 hm2，水庫面積總體減少了16.09 hm2；從縱向統計來看，珠海市濕地坑塘最多，占比達到50%以上，其次為河流，占比達到35%。

表1 珠海市濕地圖斑面積及其占比

珠海市濕地景觀轉移矩陣如表2～4所示，可以看出，2016－2019年大量坑塘轉移為非濕地，導致非濕地面積大量增加，影像解譯中顯示2017年珠海市斗門區占用大量養殖坑塘修建了機場；由于政府2015年成立的飲用水水源地保護條例，2016－2019年有少量的非濕地轉移為水庫用地；2016－2019年194.26 hm2的沼澤濕地轉移為非濕地，大量沼澤濕地被侵占；隨著漁業資源的興起，2016－2019年50.56 hm2的水田和76.69 hm2的沼澤濕地轉移為坑塘；在國家的重視下，1999年當地政府對紅樹林地開展了專項整治，紅樹林地面積每年都有少量增加，以淇澳島紅樹林濕地公園為例，2016－2019年淇澳島紅樹林地面積累計增加了38.34 hm2。

表2 2016－2017年珠海市濕地圖斑面積轉移矩陣/ hm2

2.2 珠海市濕地景觀格局指數變化分析

不同景觀類型景觀格局指數年際變化如圖3所示，能反映類型水平上景觀格局的變化特征。在各斑塊不同時期的景觀格局變化趨勢中，LPI有助于確定景觀類型中的優勢地類。 2016－2019年LPI的最大值為河流，其次為坑塘，表明河流和坑塘是珠海市濕地景觀中的優勢景觀地類。MPS反映了一種平均狀況，在景觀分析中體現了景觀破碎程度和景觀異質性。通過分析發現，紅樹林地的MPS最大，其次為河流、坑塘、水田，且分布相對集中；而沼澤濕地、溝渠、灘涂的MPS相對較小，說明景觀斑塊分布較零星。AI反映了不同景觀類型中斑塊的聚集程度，其與相應指數的大小成正相關，近年來紅樹林地的AI達到97，結合解譯的影像結果可知，珠海市紅樹林地多數分布在香洲區淇澳島和橫琴新區；AI較低的為湖泊，斑塊相對破碎，相互連通性低。NP反映了景觀格局中的斑塊總數，一般NP越大，破碎程度越高。結合AI分析發現，紅樹林地的聚集程度最高，坑塘的破碎程度較高、連通性較低。2016－2019年珠海市濕地NP和PD年際變化如圖4所示，可以看出，珠海市濕地NP逐年增加，同時PD也在逐年增加，而濕地總面積在減少，因此獨立斑塊面積相對較小，景觀破碎化程度較高；AI在逐年減少，表明破碎化程度一直沒有降低；SHDI在逐年減少，說明珠海市濕地斑塊類型趨于單一化。

圖3 不同景觀類型景觀格局指數年際變化曲線

圖4 2016－2019年珠海市濕地NP和PD年際變化曲線

表4 2018－2019年珠海市濕地圖斑面積轉移矩陣/ hm2

3 濕地景觀格局變化的驅動力分析

獨特的地理位置、資源環境為珠海市濕地的形成提供了特有的空間，經濟社會的飛速發展為濕地建設提供了經濟支持，政府的正確引導為濕地的未來發展指明了道路。結合珠海市獨特的地理環境，本文從自然因素和人為因素兩個方面分析了珠海市濕地景觀分布格局變化的驅動力，如圖5所示。

圖5 2016－2019年珠海市濕地變化的驅動因素

3.1 自然因素

結合2019年廣東省統計年鑒可知，2016年、2017年、 2018年、2019年珠海市的年降雨量分別為2 939.7 mm、 2 067 mm、1 795.1 mm和1 790 mm；年均氣溫分別 為22.0℃、22.1℃、22.4℃和22.5℃；濕地面積分別 為60 459.9 hm2、59 619.27 hm2、59 169.38 hm2和 58 803.24 hm2。降雨量、氣溫將對沼澤濕地的變化產生一定的影響[20]，劉吉平[21]等研究三江源沼澤濕地發現，溫度和降雨量會對沼澤濕地的變化產生較大影響，因此氣候的變化將對珠海市濕地景觀格局產生較大影響。年均氣溫的升高、降雨量的減少將使沼澤濕地和坑塘大面積轉移為非濕地，水庫面積也將受到一定影響。通過SPSS25軟件計算可知，以降雨和氣溫為自變量建立的線性回歸模型，擬合得到修正后的R2分別為0.884和0.835，表明降水量和氣溫對濕地的退化具有較強的影響力。

3.2 人為因素

與自然因素相比，人為因素對人工濕地的影響較為顯著[20]，且經濟發展、人口數量、政府政策的改變均對濕地景觀格局的變化具有較大影響。通過回歸分析計算得到GDP和人口對濕地面積變化影響的R2分別為0.93和0.67，表明GDP是影響濕地面積變化最重要的因素。

3.2.1 人口經濟變化

由2019年廣東省統計年鑒可知，隨著社會經濟的發展，珠海市人口數量和GDP都在飛速增加，三大產業同步發展，增長速率不斷提升。結合珠海市人口總數和GDP總量對濕地面積的影響分析可知，隨著人口數量的劇增以及當地產業結構的變化，住房面積需求量巨大，城市交通、公共設施等服務型用地規模不斷擴大，導致大量濕地轉移為城市建設用地。與此同時，漁業資源的迅猛發展導致大量水田轉移為坑塘，大量沼澤濕地被侵占，表面上未改變濕地總面積，但對濕地資源造成了嚴重損害。截至2019年1月珠海市全市養殖坑塘的總面積達到22 932.87 hm2，占2019年濕地坑塘水面的75%，如圖6所示。

圖6 珠海市2019年養殖坑塘分布

3.2.2 政府政策

濕地作為一種社會共享資源，對社會具有重大貢獻。在政府管理調控作用下，濕地資源的利用將逐漸趨于有利化。2014年廣東省發布了《廣東省林業生態紅線劃定工作方案》，其目的是保持現有濕地不減少，使各地區濕地自然保護區得到有效保護；2017年廣東省發布了《廣東省濕地公園建設指引》，其目的是引導和規范城市濕地公園的建設規劃；對應政策的出臺得到了較小的回應。珠海市濕地建設以珠海淇澳島濕地公園為首積極響應，紅樹林地得到了有效保護，面積少量增加。未來政府應利用自身推動力和對應政策的實施，推動濕地資源最大化保護與發展。

4 結 語

基于2016－2019年10 m分辨率的Sentinel-2遙感影像數據，本文通過面向對象解譯得到珠海市濕地景觀格局的分布情況，再利用ArcGIS空間分析方法和Fragstats計算得到景觀格局指數，從而分析了珠海市濕地景觀格局的空間分布情況及其驅動力。

1）河流和坑塘是珠海市濕地景觀的優勢景觀地類。大量的坑塘、沼澤濕地轉移為非濕地，漁業資源的飛速發展使得部分水田和沼澤濕地轉移為坑塘，少量非濕地轉移為紅樹林地和水庫。通過MPS分析發現，紅樹林地、河流、坑塘、水田的分布相對集中，其中紅樹林地主要分布在淇澳島，河流、坑塘、水田主要分布在斗門區和金灣區。通過AI分析發現，濕地景觀格局的AI逐年降低，且根據SHDI數據顯示，珠海濕地類型有趨于單一化的趨勢。

2）2016－2019年珠海市濕地總面積呈減少趨勢，年均減少量約為500 hm2，總減少量為1 656.66 hm2，減少率達2.74%。坑塘面積減少最多，達到1 089.97 hm2； 湖泊、水庫面積總體變化不大，分別減少19.9 hm2和16.09 hm2；紅樹林地在政府調控下面積有所增加，增加量為38.34 hm2，增加了7.4%。由于香洲區近年來發展速度較快，隨著經濟增長、人口增多，大量濕地被侵占，因此珠海市濕地發生變化的主要區域在香洲區。

3）通過分析驅動力發現，經濟發展和人口增加是導致珠海市濕地減少的主要原因，其次是降雨量和 氣溫變化，降雨量的減少和年均氣溫的升高導致濕地面積逐年減少。從紅樹林地的變化情況來看，政府的有效管控使得近年來紅樹林地面積逐年增加，因此在政府相關政策的支持下，濕地資源能得到有效保護。

受影像精度的限制，本文只獲取了Sentinel-2發射（2015-06-23）至今的4 a數據，數據量不夠充足，只能分析近年來珠海市濕地景觀格局的變化情況。4 a時間濕地的變化不夠明顯，以a為間隔，對未來的預測不及長時間的變化分析，但本文基于10 m分辨率的Sentinel-2影像，結合珠海市水系數據，有效地將河流、水庫、湖泊、坑塘、水田、紅樹林地區分出來，能為珠海市地物分類提供有效數據。