粵港澳大灣區城鎮化對海岸線與海岸帶的影響

石佳佳, 李偉峰 , 劉亞麗,周偉奇,韓立建,田淑芳,王瑗鎂,牛雪倩

1 中國地質大學 (北京), 北京 100083 2 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085

海岸帶是兼具陸海資源的脆弱生態帶,其在凈化環境、調節氣候、涵養水源、保護生物多樣性等方面發揮著不可替代的重要作用[1]。灣區濱海地區作為特殊的海岸帶,往往也是城鎮化的關鍵地帶[2],海岸帶為灣區城鎮化提供了獨特的區位優勢與自然資源,但城鎮發展給海岸帶自然生態系統帶來了巨大壓力,導致一系列生態環境問題[3],影響人類福祉,進而制約了城鎮的可持續發展[4],因此,海岸帶保護與修復不容忽視[5]。粵港澳大灣區 (以下簡稱大灣區) 是我國經濟活力最強的區域之一[6],雖然城鎮化是促進灣區經濟增長的重要力量[7],但是,城鎮化對脆弱海岸帶的影響是大灣區城鎮化面臨的突出問題之一。2018年《粵港澳大灣區發展綱要》[8]明確指出要建立海岸線動態監測機制,加強海岸帶保護,建設沿海生態帶。鑒于此,研究大灣區城鎮化過程中海岸帶的時空動態變化及影響機制,對大灣區海岸帶保護具有重要支撐。

氣候變化、海平面上升與人類活動是影響海岸帶生態系統健康的重要因素[8—10]。與自然因素相比,頻繁而強烈的人類活動對海岸帶造成了許多不可逆的改變[10],例如,濱海旅游、海水養殖以及港口和碼頭的建設等[11],不僅改變海岸線形態和長度,導致大量自然岸線轉變為人工岸線[12],也改變了海岸帶LULC。當前,城鎮化是全球范圍內影響最大的人類活動,其對海岸帶的主要影響是各類城鎮用地的增加[13],例如,由于城市擴張引起的美國密西西比州沿海地區植被減少及土地圍墾[14],西班牙海岸帶被城市用到侵占的問題十分嚴重[15],濱海地區的城鎮化對自然海岸LULC的干擾得到越來越廣泛的關注[16],吳文挺等[17]采用圍墾強度系數計算了我國環渤海經濟圈沿海圍墾導致的海岸帶濕地減少狀況,Hakan Alphan等從景觀生態學角度研究了地中海東部海岸城鎮用地發展對農業用地的侵占[18]。城鎮化不僅直接改變了海岸帶LULC的組成與結構,還間接地影響其生態過程與功能,導致了濕地功能退化、生物多樣性減少及環境污染等一系列生態環境問題[19]。目前已有的關于大灣區海岸帶的研究主要圍繞海岸線長度測算和基于海岸帶LULC的海陸生態問題分析[12′20],尚缺乏關于大灣區城鎮化對海岸帶變化的詳細分析與定量描述。

因此,本文以我國重要的沿海經濟帶——粵港澳大灣區海岸帶作為研究對象,海岸帶范圍是以海岸線為基線向內陸延伸 5 km的緩沖區[21—23],該區域是經濟活動與生態系統交互影響的關鍵地帶[24]。研究基于2001—2018年三期高分遙感影像,定量分析大灣區海岸線長度與海岸帶LULC的時空變化特征,并解析海岸帶城鎮用地增長與濱海城市城鎮化的關聯關系,詳細探究了城鎮化對大灣區海岸線和海岸帶的影響。研究結果對于保護與修復海岸帶,及保障海岸帶地區人類福祉與生態環境的協調可持續發展具有重要的參考意義。

1 研究區概況

粵港澳大灣區(Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area,GBA)位于廣東省中南部,主要包括廣州、深圳、 珠海、佛山、惠州、東莞、江門、中山、肇慶和香港、澳門2 個特別行政區。范圍為21°17′36″—23°55′54″N, 111°59′42″—115°25′18″E (圖1),土地面積位于國際四大灣區之首,約5.6萬km2,相當于紐約灣區的2.7倍,舊金山灣區的3倍,東京灣區的1.5倍；人口數量也位于四大灣區之首,為6950萬人,相當于紐約灣區的3倍,東京灣區的1.5倍,舊金山灣區的近10倍[25]；GDP水平僅次于東京灣區,與紐約灣區齊平,為舊金山灣區的2.1倍,但GDP增長速率最快,GDP影響力位居四大灣區之首[26]。區內三江 (西江、北江和東江) 匯聚,區位優勢明顯,是國家建設世界級城市群和參與全球競爭的重要空間載體；沿海地區經濟發達[27],人口密集,對土地資源需求巨大[28]。

圖1 研究區地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

大灣區海岸線綿長曲折,海岸帶地區人口聚集度高,城市開發強度大,經濟發展迅速,是我國城鎮化建設的重點區域,也是我國重要的沿海經濟帶,在國家發展大局中具有重要戰略地位。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究所用數據包括：(1) 2001、2010、2018年全球土地覆被 (Land Cover,LC) 數據來源于歐洲航空局 (European Space Agency,ESA),其中2018年基于哥白尼氣候變化服務 (C3S) 發布的LC數據與2001和2010年基于氣候變化倡議 (CCI) 編制的LC數據保持一致。此數據集為 WGS84 地理坐標系,分辨率為300m,將LULC描述為22類。并對不同LULC給出對應編號；根據國際標準在全球范圍內使用獨立的GlobCover2009精度驗證數據庫評估了CCI_LC產品2010年的總準確率為71.5%,其中對于城市用地等類別的用戶準確度達88%[29-30],因其一致性、每年更新和全球覆蓋范圍等優勢,該數據集在土地核算、城市化、森林監測等多方面被廣泛采用[31-32],數據下載網址為：http://www.esa.int/；(2) 大灣區行政邊界的矢量范圍來自全球行政區劃數據庫 (Database of Global Administrative Areas,GADM),下載網址為：https://gadm.org/download_country_v3.html；(3) 2001、2010、2018年高分辨率衛星影像通過 Google Earth 軟件獲得；(4) 人口及經濟數據從國家統計局 (http://www.stats.gov.cn/) 獲得。

2.2 研究方法

粵港澳大灣區海岸線經過珠三角7市和香港、澳門2個特別行政區 (圖1),由于城鎮化過程對海岸帶的開發利用主要是人類的圍填海活動[33-34],圍填海活動主要造成人工岸線形態及位置發生變化,而人工岸線呈現規則線性特征,易于遙感判讀識別提取,因此目視解譯精度可靠；并且由于人工岸線不受潮水位影響,通過對比識別 不同季節的高分影像可以排除因潮起潮落引起的不真實海岸線變化情況。為確保不同時期識別的海岸線特征的一致性,本研究先判讀識別2001年海岸線特征,然后以2001年海岸線判讀結果為基礎,再識別了2010和2018年海岸線。

2.2.1海岸線變化強度

海岸線類型的判斷是參考我國近海海洋綜合調查與評價專項 (簡稱 “908 專項”) 及相關領域的研究[35-37],并結合大灣區海岸線基本特征,從顏色、紋理、地物鄰接關系等不同側面確定了大灣區海岸線類型的解譯標志 (表1) 。其中,自然岸線是指自然作用形成的沿海地區陸域與海域的分界線,通常由泥沙、植被或是顆粒不均的巖石構成,主要包括：基巖岸線、砂質岸線、淤泥岸線、生物岸線4種岸線類型；人工岸線主要是人類干預造成的沿海自然地物向人工地物的轉變,通常由水泥或是形狀規則的石塊修筑而成,主要包括人為修建的港口和碼頭、沿海旅游的建設,養殖區和鹽田的修建等。通過自然岸線變化強度與人工岸線變化強度可以綜合反映城鎮化過程中人類活動對海岸帶的影響程度。

表1 大灣區海岸線解譯標志

關于大灣區海岸線長度變化強度的測量方法,采用的是給定時期內海岸線長度的年平均變化量[38](公式1):

(1)

式中,LCIij為第i年至第j年間的海岸線長度變化強度;Li為第i年海岸線長度;Lj為第j年海岸線長度。

2.2.2海岸帶LULC變化

結合研究區LULC組成特征,將歐空局LC包含的22種一級地類類型重分類組合為8種類型,主要包括耕地、林地、草地、濕地、城鎮用地、灌木、水體、其它[39—40](表2) 。

表2 大灣區LULC分類體系

LULC變化的轉移矩陣表示形式為 (公式2):

(2)

式中,S代表地類面積；n代表轉移前后的土地利用類型數；i、j(i,j=1,2,…,n) 分別代表轉移前與轉移后的土地利用類型；Sij表示轉移前的i地類轉換成轉移后的j地類的面積。

2.2.3城鎮化對海岸帶LULC影響

為了充分表征大灣區9個濱海城市的城市化特征,本研究選擇人口、土地與經濟城鎮化3個指標來分別表征城鎮化的不同方面,具體采用增加幅度來衡量一個時間段內濱海城市的人口、土地與經濟城鎮化幅度,計算公式為 (公式3—5):

(3)

(4)

(5)

然后,采用Pearson相關系數,分別分析針對大灣區9個濱海城市人口、土地與經濟城鎮化幅度與海岸帶城鎮用地變化的相關關系,并采用線性回歸分析的方法定量描述濱海城市城鎮化對海岸帶的影響。

3 結果與分析

3.1 城鎮化對大灣區海岸線長度的影響

2001—2018年,粵港澳大灣區海岸線總長度凈增加32.24 km,以人工海岸線增加為主,且人工岸線持續增加 (圖2,表3) 。其中,人工岸線共增加了219.91 km,自然海岸共減少187.67 km。海岸線改變的強度在加劇,2001—2010年海岸線總長度凈增加了13.42 km,增加幅度為1.34 km/a,其中人工海岸線增加了99.24 km,增加幅度為9.92 km/a,自然海岸線減少了85.82 km,減少幅度為8.59 km/a；2010—2018年海岸線總長度凈增加了18.82 km,增加幅度為2.35 km/a,其中人工海岸線增加了120.67 km,增加幅度為15.08 km/a,自然海岸線減少了101.85 km,減少幅度為12.73 km/a。

圖2 2001—2018年大灣區海岸線長度變化Fig.2 Coastline length change in GBA from 2001 to 2018

表3 大灣區海岸線長度變化/km

基于Google Earth平臺2001、2010與2018年高分影像識別的大灣區海岸線向海擴張位置主要涉及到廣州市、深圳市、珠海市與澳門等,標志性建筑有寶安國際機場、蛇口島、橫門島、龍穴島、高欄島與氹仔島 (圖2) 。

3.2 城鎮化對大灣區海岸帶LULC的影響

2001—2018年,大灣區海岸帶LULC組成以耕地為主,但耕地持續減少,城鎮用地持續顯著增加(圖3、表4) 。其中,耕地占海岸帶總面積分別為47.10% (2001年)、42.47% (2010年)、39.15% (2018年),林地則分別占25.53% (2001年)、27.03% (2010年),26.92% (2018年),城鎮用地占比為10.29% (2001年),16% (2010年)和18.56% (2018年),其它地類占比小于0.1% (表4) 。18年來城鎮用地面積持續明顯增加,凈增加546.58km2,增速為30.37km2/a；耕地面積持續減少,減少了518.75 km2,減速為28.82 km2/a；林地增加了94.76 km2,草地減少了73.81 km2；濕地增加幅度最大,為114.08%；灌木減少幅度最大,為61.54%；水域和其它地類變化較小。

圖3 2001—2018年大灣區海岸帶LULC分布圖Fig.3 LULC of GBA coastal zone from 2001 to 2018

表4 2001—2018年大灣區海岸帶LULC/km2

2001—2010年與2010—2018年兩個階段比較發現,人類活動對海岸帶干擾有所減少,大灣區海岸帶LULC變化程度減弱。其中,2010—2018年增加的城鎮用地降為2001—2010年增量的45.6%,增加的濕地占前一時期增量的38.05%；同樣,2010—2018年減少的耕地、草地、灌木分別是2001—2010年減少量的71.16%、20.07%、8.85% (圖4)。

圖4 2001—2018年大灣區海岸帶LULC變化/km2Fig.4 LULC change of GBA coastal zone from 2001 to 2018

2001—2018年,大灣區海岸帶增長的城鎮用地的75.11%來自耕地,其次是草地(90.68 km2,占比15.37%),林地 (16.38 km2,占比2.78%),剩余6.74%來自濕地、灌木、水體和其它地類。而耕地減少的主要去向為,城鎮用地 (443.05 km2),其次是林地 (274.11 km2) 和水體 (99.52 km2) 。

3.3 大灣區濱海城市城鎮化對海岸帶城鎮用地增長的影響

2001—2018年濱海城市土地城鎮化與海岸帶城鎮用地增長具有顯著相關性,且相關性呈增強趨勢。2001—2010年與2010—2018年兩個階段比較,濱海城市的城鎮用地增幅與海岸帶城鎮用地增幅的相關性為0.66與0.83 (表6) 。而濱海城市GDP城鎮化和人口城鎮化與海岸帶城鎮用地增長沒有顯著關聯。

表5 大灣區海岸帶2001—2018年LULC轉移矩陣/km2

濱海城市的城鎮用地增加會帶動海岸帶城鎮用地的增長,且兩者相關性呈增強趨勢 (圖5)。2001—2010年,海岸帶城鎮用地增幅大約是濱海城市城鎮用地增幅的1.23倍,海岸帶城鎮用地增加的44% (R2=0.44) 可由濱海城市的城鎮用地變化來解釋；2010—2018年,海岸帶城鎮用地增幅大約是濱海城市城鎮用地增幅的0.83倍,海岸帶城鎮用地增加的69% (R2=0.69) 可由濱海城市城鎮用地變化來解釋。此外,18年來大灣區濱海城市人口城鎮化、GDP城鎮化與海岸帶城鎮用地增長沒有顯著關聯 (表6)。

表6 大灣區城鎮化與海岸帶城鎮用地增加的關系

圖5 2001—2010和2010—2018年大灣區濱海城市城鎮用地增長與海岸帶城鎮用地增長線性回歸Fig.5 Linear regression between coastal urban land growth of GBA coastal cities and coastal zones in 2001—2010 and 2010—2018

4 結論與討論

粵港澳大灣區作為我國城鎮化的重點區域,濱海城市城鎮化對海岸帶具有明顯影響,本研究基于Google earth平臺的不同時相高分遙感影像,定量識別并分析了大灣區海岸線長度與海岸帶的LULC變化,及海岸帶城鎮用地增加與濱海城市城鎮化的關聯,主要結論及討論如下：

(1) 大灣區海岸線人工化問題突出。2001—2018年,人工岸線共增加219.91 km,自然岸線共減少187.67 km,海岸線總長度凈增加32.24 km；平均每年有10.43 km自然海岸線向人工海岸線轉變,增加的人工岸線主要來自自然岸線的轉化和沿海城鎮用地的向海擴張。而城鎮化水平越高的城市,如珠海市、深圳市、廣州市與澳門等,其海岸線人工化問題越嚴重,主要是國際機場擴建、港口和碼頭的修建,這些人類活動不僅導致的海岸線形態向海偏移,還導致海岸線長度增加,而海岸線長度增加也受近岸島嶼或陸連島開發 (如廣東省的高欄島、蛇口島等) 的影響。因此,大灣區海岸線保護必須嚴格監管海岸線的人工化問題,需要協同考慮大灣區海岸線整體保護目標以及不同濱海城市海岸線的局部保護目標,設定滿足多等級海岸線保護要求的自然岸線保有率,才能最大程度地控制海岸線人工化問題。

(2) 大灣區海岸帶城鎮用地對農業用地侵占問題突出。大灣區海岸帶土地覆蓋/利用組成以耕地為主,近18年來,大灣區海岸帶LULC變化主要表現為耕地明顯減少與城鎮用地大量增加,增加的城鎮用地主要來自于對耕地的侵占。雖然大灣區海岸帶城鎮用地增長幅度呈減小趨勢,但城鎮用地增長對農業用地侵占的問題在未來一段時間依然內仍將是大灣區海岸帶土地利用規劃與管理的重點,嚴格監管海岸帶土地利用開發率,提高城鎮用地與耕地的利用效率,是緩解海岸帶耕地被侵占問題的最直接有效的手段。

(3) 大灣區海岸帶城鎮用地增長與濱海城市土地城鎮化強度具有顯著的相關性,表明大灣區城鎮發展對土地資源的依賴性依然很強,而土地資源依賴型的城鎮發展模式對海岸帶具有明顯影響。因此,加快推進大灣區的土地集約化利用,不僅有利于提升灣區城鎮化質量,也有利于保護海岸帶可持續發展。