近30年中國濱海灘涂濕地變化及其驅動力

崔麗娟, 李 偉, 竇志國, 張曼胤, 鄔國鋒, 胡忠文, 高 崟,3, 李 晶, 雷茵茹

1 中國林業科學研究院濕地研究所,濕地生態功能與恢復北京市重點實驗室,北京 100091 2 深圳大學建筑與城市規劃學院,自然資源部大灣區地理環境監測重點實驗室,深圳 518060 3 國家基礎地理信息中心,北京 100830

濱海灘涂濕地是指大潮高潮位與低潮位之間的潮浸地帶,包括潮間帶泥灘、沙灘和咸水沼澤等,是濱海濕地的重要組成部分。濱海灘涂濕地資源豐富,是全球最有價值的生態系統之一,在食物生產、水源涵養、水質凈化、氣候調節、保持土壤、營養循環、生物多樣性維持、支撐區域經濟社會發展等方面發揮著不可替代的作用[1—3]。但由于中國沿海地區人口眾多,對灘涂濕地的掠奪性開發利用,導致灘涂濕地面積減少和功能退化,在一定程度上影響了區域可持續發展[4—6]。濱海灘涂濕地形成、發育和演變以及分布格局,受到海陸相互作用以及人為影響的共同塑造,尤其國家關于濱海濕地保護管理政策是濱海濕地面積變化趨勢的重要驅動。定量分析濱海灘涂濕地的格局演變過程,有助于為濱海灘涂的資源評估、合理利用和保護管理提供科學依據[4,7—11]。

近年來,利用遙感衛星影像進行專題地圖制作已經較為成熟,利用遙感技術可以實現濱海灘涂濕地變化研究[12—16]。通過基于對象的影像分析來進行濱海濕地分類研究較為廣泛,Google Earth Engine(GEE)、云計算和大功率計算經常用于量化濱海地區土地利用/覆蓋變化的時間序列研究[17—19]。然而,大多數研究時間間隔較大,分類不夠細致,未明確區分光灘和鹽沼面積動態變化[20—21],導致濱海濕地保護管理措施政策與濱海濕地變化難以做到實時對應,難以滿足對濱海濕地高質量管理的需求。本研究以30年長時間序列下的中國濱海灘涂濕地空間分布特征為核心,結合“陸域—灘涂—海域”之間的相互作用機制以及快速城市化背景,從自然因素和人為因素等方面對典型區域的濱海灘涂時空演變進行驅動力分析,為中國濱海灘涂濕地保護與合理利用提供支持。

1 研究區概況

中國濱海灘涂濕地北至鴨綠江口,南達廣西北侖河口,涉及遼寧省、河北省、天津市、山東省、江蘇省、上海市、浙江省、福建省、廣東省、廣西壯族自治區,海南省和臺灣省的海岸潮間帶[3]。綜合考慮濱海灘涂地區的地形地貌和海岸類型,以從全球高分辨率地理數據集(GSHHG)中獲取的海岸線為基準,向陸延伸10 km,向海延伸40 km的區域作為本研究濱海灘涂濕地信息提取的范圍。

2 研究方法

2.1 數據獲取

本研究采用的遙感數據源為Landsat衛星影像。使用了1990—2020年逐年覆蓋研究區域所有可用的L1T正射校正 Landsat 圖像,傳感器類型包括搭載于Landsat 5衛星的專題制圖儀TM(Thematic Mapper)、Landsat 7衛星的增強型專題制圖儀ETM+(Enhanced Thematic Mapper plus)和Landsat 8衛星的陸地成像儀OLI(Operational Land Imager),信息如表1所示。Landsat衛星影像來源于美國地質調查局(USGS),在 Google Earth Engine 平臺可通過在線代碼編輯器編寫代碼調用經大氣校正的地表反射率(Surface Reflectance)影像。輔助數據則包括來源于全球行政區域劃分數據集(GADM,https://gadm.org/)的行政區域劃分數據、全球高分辨率地理數據集(GSHHG)的海岸線數據。此外,還有研究區域的地面高程及水深數據,數據來源于全球地形水深數據(ETOPO1)。

表1 TM、ETM+、OLI傳感器信息

2.2 數據分析

參照全國第二次濕地資源調查分類標準,結合濱海濕地的實際情況,研究將濱海灘涂濕地分類為光灘和鹽沼(含紅樹林灘涂等)。所有 Landsat 圖像預處理任務均在GEE平臺上進行,利用Landsat時間序列影像選取地面參考樣本,利用Google Earth Pro軟件識別已利用地、水體、光灘和鹽沼等四種地物類型,將樣本點范圍以*.kml 格式從Google Earth Pro中導出,在ArcMap 10.7中轉化為shp格式,導入GEE API中進行調用[22—23]。將獲取的Landsat地表反射率影像集使用CFMask算法對云、云陰影進行識別,并利用QA波段進行去除,在GEE API中調用隨機森林分類器,以土地利用類型為目標變量,將Landsat影像的原有光學波段、光譜指數和ETOPO 1數據作為隨機森林分類器的特征變量,決策樹的數量設置為100,其他參數保持默認設置,實行大范圍濱海灘涂濕地空間分布信息提取[24—26]。研究假定5a內訓練樣本保持5%的變化,在目標年的高分辨率影像上選取700個隨機點(灘涂類別200個,濱海植被類別100個,其他類別400個),并以此為5a的逐年隨機森林分類算法的訓練樣本點,利用谷歌地球高分辨率影像,通過分層隨機采樣的方法對驗證數據集和訓練數據集進行精度驗證,利用ArcGIS 10.7軟件對1990—2020年制圖產品,每年選取隨機點導入Google Earth Pro軟件,進行目視判讀,驗證并生成研究中濱海灘涂濕地分類結果。

3 結果與分析

3.1 中國濱海灘涂濕地空間分布現狀

中國濱海灘涂濕地面積分布特征自東向西總體呈先下降后增長的趨勢,自南向北面積分布趨勢變化較大(圖1)。其中,光灘主要集中在中國沿海東部地區(118°E—123°E),在地勢低的海岸線與泥沙流速高的地區[27—28],如黃河三角洲、遼河三角洲、江蘇沿海岸段等。大范圍鹽沼主要集中在三個經度區間：21—23°N,珠江三角洲所在地；30—34°N,長江三角洲以及江蘇鹽城灘涂濕地所在地；37—41°N,遼河及黃河三角洲所在地。鹽沼多與光灘連接,是在光灘的基礎上演替而來,所以其分布與光灘的區域較為一致。長江三角洲、黃河三角洲、江蘇鹽城等沿海地段,這些地區的鹽沼面積共計約占中國的45.4%。

根據灘涂濕地空間分布數據(表2)可知,江蘇省灘涂濕地面積最大,2020年江蘇灘涂濕地總面積為24.47×104hm2,其次為浙江省14.94×104hm2、山東省10.55×104hm2。光灘面積較大的省份為江蘇省、浙江省、山東省,面積及占比分別為21.99×104hm2(31.07%)、13.98×104hm2(19.74%)、9.37×104hm2(13.24%)。鹽沼面積較大的省份則為江蘇省、上海市、山東省、浙江省,面積及占比分別為2.48×104hm2(25.77%)、2.42×104hm2(25.16%)、1.17×104hm2(12.21%)、0.96×104hm2(10.01%)。

表2 2020年沿海各省份灘涂濕地面積及占比情況

3.2 中國濱海灘涂濕地時空分布特征

從近30年沿海灘涂濕地面積年份變化情況(圖2)上來看,1990年至2020年,中國灘涂濕地面積變化趨勢為明顯減少,總面積由1990年140.99×104hm2減少到2020年的80.39×104hm2,減少了42.98%。其中光灘面積減少顯著,減少61.05×104hm2,減少了46.30%；鹽沼面積變化總體較為平穩并略有增加,增加了0.45×104hm2,增加了4.95%。以10年為時間段分析變化趨勢顯示,1990年至2000年,灘涂濕地面積呈現持續減少趨勢,減少了20.56×104hm2(14.58%)；2000年至2010年,灘涂濕地面積呈現先動態平穩后減少趨勢,減少了15.69×104hm2(13.02%)；2010年至2020年,灘涂濕地面積呈現先持續減少后保持平穩的趨勢,減少了24.35×104hm2(23.25%)。

圖2 近30年沿海灘涂濕地面積年份變化情況Fig.2 Annual change of coastal tidal flat wetland area in the past 30 years

中國沿海各省份灘涂濕地(光灘、鹽沼)面積年份變化差異明顯(見圖3)。江蘇省灘涂濕地總面積在沿海省份中保持最大,但損失高達16.85×104hm2,減少了40.79%。其他灘涂濕地總面積減少較大的省份有山東省、遼寧省,與1990年相比分別減少了16.25×104hm2(60.65%)、9.28×104hm2(58.39%)。此外還有河北省和天津市,與1990年相比減少了5.05×104hm2(70.02%)和1.43×104hm2(65.09%)。2020年光灘主要集中分布在江蘇省、浙江省、山東省、遼寧省、福建省等沿海地區。近30年來,江蘇省光灘面積損失15.99×104hm2(42.09%)、浙江省為2.71×104hm2(16.26%)、山東省為16.32×104hm2(63.51%)、遼寧省8.70×104hm2(57.65%)、福建省4.98×104hm2(45.31%)。此外減少比例較大的省份還有河北省和天津市,與1990年相比減少了4.96×104hm2(69.91%)和1.43×104hm2(65.39%)。沿海各省份2020年鹽沼面積較1990年變化差異明顯。面積減少的省份有江蘇省、廣東省、遼寧省、河北省、天津市,減少面積及占比分別為0.87×104hm2(25.97%)、0.61×104hm2(43.34%)、0.58×104hm2(72.2%)、0.09×104hm2(77.43%)、0.01×103hm2(9.18%)。其余沿海省份鹽沼面積均增加,其中廣西增幅最大,達到687.99%(0.68×104hm2)。增幅較為明顯的省份還有臺灣556.31%(0.02×104hm2),福建365.79%(0.36×104hm2),浙江159.62%(0.59×104hm2)。山東、江蘇、福建、廣東、廣西、海南分階段灘涂濕地面積變化趨勢與中國灘涂面積變化趨勢呈現高度的一致性,即先減少后動態平穩之后再減少最后動態平穩；遼寧、天津在最初1990年至2000年先出現面積增加后與中國變化一致；河北則為持續性減少；上海2000年至2010年灘涂面積為增加趨勢；浙江灘涂面積在2016—2020年持續增加；臺灣灘涂面積的變化趨勢則為先減少后動態平穩再增加最后減少。

圖3 中國沿海各省份光灘、鹽沼面積年份變化情況Fig.3 Annual change of coastal tidal flat wetland area in coastal provinces of China

3.3 典型區域灘涂濕地變化

3.3.1鹽城灘涂濕地變化

江蘇鹽城分布有中國最典型的灘涂濕地,占江蘇省灘涂總面積近70%,是由古黃河三角洲和長江三角洲的泥沙在黃海和東海潮汐作用下形成的淤泥質灘涂[29—30]。1990年至2020年,鹽城濱海灘涂濕地面積變化趨勢明顯減少,總面積由1990年的24.55×104hm2減少到2020年的16.24×104hm2,其中灘涂面積減少了8.23×104hm2,鹽沼面積減少了0.08×104hm2。鹽城灘涂濕地面積變化趨勢與中國灘涂面積變化趨勢一致,近30年內以2010年為時間節點的前后兩個階段均呈現先減少后動態平穩的規律。該時段鹽城灘涂濕地中的光灘面積呈下降趨勢,鹽沼面積基本保持穩定狀態,其變化趨勢如圖4所示。

圖4 鹽城灘涂濕地面積變化趨勢圖Fig.4 Change trend of coastal tidal flat wetland area in Yancheng

3.3.2三角洲灘涂濕地變化

中國濱海地區共分布有4大三角洲類型的灘涂濕地,包括長江三角洲、黃河三角洲、遼河三角洲和珠江三角洲濕地[31—33]。1990年至2020年的四大三角洲灘涂濕地面積整體呈下降趨勢,光灘和鹽沼面積均隨時間明顯減少,如圖5所示。長江、黃河、遼河、珠江三角洲2020年對比1990年光灘面積分別減少了3.82×104hm2(46.42%)、14.73×104hm2(66.78%)、3.03×104hm2(49.50%)、2.15×104hm2(66.33%)。長江、黃河、遼河、珠江三角洲2020年對比1990年鹽沼面積分別減少了0.87×104hm2(52.53%)、0.02×104hm2(2.17%)、0.53×104hm2(77.29%)、0.61×104hm2(68.52%)。

圖5 四大三角洲灘涂濕地面積變化趨勢圖Fig.5 Change trend of coastal tidal flat wetland area in Yancheng

3.4 中國濱海灘涂濕地變化驅動力分析

3.4.1自然驅動力分析

濱海灘涂濕地是泥沙在入海口或海岸淤積而成,其變化受到泥沙沉積和和水動力環境的影響。大面積灘涂濕地一般位于沿海地段、地勢低平、排水不暢、泥流速度快的區域,例如黃河三角洲、長江三角洲等。河流水沙及其造陸運動為三角洲灘涂濕地發展提供了源動力,河口沖淤是三角洲灘涂濕地面積不斷增長的重要原因。但是,受氣候變化影響流域降水發生變化,以及黃土高原森林覆蓋率的增加,黃河入海泥沙量呈階梯狀減少[34],2020年利津水文站年輸沙量為3.14×108t[35],為多年均值的49%；同時黃河故道處海岸侵蝕加快,新黃河口處沖淤能力減弱,導致黃河三角洲2020年對比1990年灘涂濕地面積減少了14.75×104hm2(63.76%)。此外,黃河三角洲近幾年互花米草面積增加,也是光灘面積減少和鹽沼面積增加的重要原因[36—37]。長江三角洲地形演變受流域來水來沙影響較大,2020年對比1990年灘涂濕地面積減少了4.69×104hm2(47.45%),2000 年以后,大通水文站的年輸沙量出現了斷崖式下降,2020年大通水文站年輸沙量為1.64×108t[38],為多年均值的47%,長江口來沙量銳減,發生由淤積主導向侵蝕主導的轉變[39—41],長江三角洲灘涂濕地面積減少。

3.4.2人為驅動力分析

國家政策是主導濱海灘涂濕地面積變化的主要原因。在2000年至2010年,《中華人民共和國海域使用管理法》(2001年)、《國務院關于進一步加強海洋管理工作若干問題的通知》(2004年)、《國務院辦公廳關于加強濕地保護管理的通知》(2004年)先后出臺,提出了海域的合理開發、可持續利用以及嚴控制圍填海,中國灘涂濕地面積快速減少的趨勢得到短期遏制,但仍然持續減少,總計減少15.69×104hm2(13.02%)。2010年至2020年,灘涂濕地總面積呈現先持續減少后保持平穩的趨勢,總計減少了24.35×104hm2(23.25%)。在此期間,《國務院關于印發全國主體功能區規劃的通知》(2010年)和《全國海洋經濟發展“十二五”規劃》(2012年)發布,提出在中國優先發展沿海區域的戰略背景下,沿海基礎建設以及濱海產業的發展導致沿海省份用地緊張,沿海城市通過“圍填海”方式緩解區域發展的用地需求,因此,2010年至2015年期間灘涂濕地面積急劇減少。在此之后,《全國海洋主體功能區規劃》(2015年)、《濕地保護修復制度方案》(2016年)和《國務院關于加強濱海濕地保護嚴格管控圍填海的通知》(2018年)等一系列有利于濱海灘涂濕地保護的政策出臺,進一步加強濱海濕地保護,嚴格管控圍填海活動,尤其是在2019年,“全面禁止圍填海”寫進十九屆四中全會公報,對違法違規項目進行生態修復,對嚴重破壞海洋生態環境的堅決予以拆除,中國灘涂濕地面積再次歸于平穩趨勢,2015年—2020年間,除個別省份略有減少外,到2020年中國灘涂濕地面積已略有增加,國務院有關文件精神得到有效落實,《中華人民共和國濕地保護法》于2022年6月起實施,為濱海濕地保護提供了法律保障。

基建占用、漁業發展、灘涂圍墾、油田開發等因素是造成濱海灘涂濕地減少的直接原因[9, 42]。圍墾養殖、基建占用和油田開發等直接引起濱海濕地面積減少的熱點區域主要分布在江蘇鹽城、遼河三角洲、黃河三角洲、長江三角洲和珠江三角洲等地區。鹽城是國家實施沿海開發戰略的重要節點,“開發沿海灘涂、建設海上鹽城”戰略促使大面積的灘涂圍墾在相當長一段時間內持續進行,除用于種植業、水產養殖業外,還被用于工業開發和港口擴建[29]。遼河三角洲、黃河三角洲地區石油資源豐富,油田開發是導致其灘涂濕地面積減少的主要原因[33,43]。長江三角洲地區作為中國經濟發展最活躍、人口最密集的地區之一,其城鎮化和經濟快速發展造成用地需求的不斷增長,其變化驅動力由圍墾后進行農業生產轉為城市擴張,成為灘涂面積減少的最主要原因[27]。珠江三角洲地區是我國第二大經濟區,存在大量的淺海養殖活動,此外,為實現產業結構轉型,在深圳、廣州和珠海等城市的濱海灘涂區域,通過圍海造地建立產業園區。

圖6 圍墾熱點區灘涂濕地空間變化分布圖Fig.6 The spatial distribution and comparison of changes in tidal flat wetlands in hot reclamation areas

此外,在灘涂圍墾熱點區主要分布在渤海灣、江蘇省和杭州灣[44],灘涂濕地廣泛受到人類活動干擾[45]。對近10年圍墾熱點區域的分析,灘涂濕地空間變化分布情況見圖6。河北省人工圍填海面積達2.80×104hm2,轉化為人工濕地0.39×104hm2,轉化為灘涂濕地0.33×104hm2；天津市人工圍填海面積達1.51×104hm2,轉化為人工濕地0.01×102hm2,轉化為灘涂濕地0.25×102hm2,這兩個省份對灘涂的人工開墾主要用于工業發展,此外,天津濱海新區建設是天津地區圍海造地,灘涂面積損失的重要原因。江蘇省人工圍填海面積達4.63×104hm2,轉化為人工濕地3.94×104hm2,轉化為灘涂濕地2.09×104hm2,江蘇省灘涂濕地大部分轉換為養殖魚塘和農業用地及港口、道路等基礎建設,人工開墾面積較大、利用方式較為均衡。上海市人工圍填海面積達0.70×104hm2,轉化為人工濕地3.57×104hm2,轉化為灘涂濕地0.01×104hm2,灘涂圍墾主要轉化為養殖塘等人工濕地。浙江省人工圍填海面積達3.41×104hm2,轉化為人工濕地11.84×104hm2,轉化為灘涂濕地3.90×104hm2,其對灘涂的人工開墾相較于工業發展更多的是轉化為農業(水稻田)、漁業(養殖塘)發展。

4 結論

近30年來,中國濱海灘涂濕地面積不斷減少,從1990年的140.99×104hm2減少到2020年的80.39×104hm2,其中光灘面積損失46.30%、鹽沼面積增加4.95%。中國灘涂濕地時空變化主要受自然條件和人為因素兩方面影響,自然因素在大時間尺度上控制著灘涂濕地演化,人為因素在短期內影響灘涂濕地的動態變化。不同省份灘涂濕地面積變化總體趨勢與全國一致,國家關于土地利用、經濟發展、環境保護的一系列相關政策是影響灘涂圍墾的重要因素,各省份因發展需求和壓力不同,灘涂濕地面積減小的變化程度有一定差異。隨著人們濕地保護意識的增強,在全面禁止圍填海的前提下,通過嚴守生態保護紅線、加強濱海灘涂濕地保護恢復、合理利用濱海灘涂濕地資源、明確各方責任職責等一系列政策措施,將有效促進中國濱海灘涂濕地的可持續發展。