黃河三角洲地區沿海養殖池塘空間演變階段性劃分及特征分析

王紫陽　吳曉青　豆曉　王曉杰

摘要基于1984—2020年遙感影像數據，獲取連續長時間序列的養殖池塘空間分布數據，并采用時空熱點分析和PLR_FP方法對黃河三角洲地區養殖池塘空間演變的階段性進行劃分。結果表明，黃河三角洲地區養殖池塘面積呈現波動增長態勢，年均增加29.3 km²，時空增長模式多樣化，且具有明顯的空間分異性；增長熱點分布在濱州沿海、東營河口區西部、墾利黃河口南部，成為目前黃河三角洲地區池塘養殖重點分布區，而萊州灣沿岸池塘養殖規模逐漸萎縮。養殖池塘的空間演變過程可劃分為起步期（1984—1992年）、平穩期（1993—1998年）、擴張期（1999—2013年）和縮減期（2014—2020年）4個階段，不同階段養殖池塘時空增長模式和養殖業發展特征差異明顯。

關鍵詞養殖池塘；空間演變；階段劃分；變化特征；黃河三角洲

中圖分類號S967.4文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2023）11-0050-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.11.012開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Stage Division and Characteristics Analysis of the Spatial Evolution of Coastal Aquaculture Ponds in Yellow River Delta

WANG Zi-yang WU Xiao-qing DOU Xiao4 et al（1. Yantai Institute of Coastal Zone Research， Chinese Academy of Sciences， Yantai，Shandong 264003;2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049;3. Key Laboratory of Coastal Environmental Processes and Ecological Remediation， Chinese Academy of Sciences， Yantai，Shandong 264003;4. College of Public Administration， Shandong Agricultural University，Taian，Shandong 271000）

AbstractBased on the remote sensing image data from 1984 to 2020， this study obtained the spatial distribution data of aquaculture ponds in a long-term continuous sequence，and the spatio-temporal hotspot analysis and PLR_FP method were used to divide the stages of the spatial evolution of aquaculture ponds in Yellow River Delta.The results showed that the area of aquaculture ponds in the Yellow River Delta showed a fluctuating growth trend， with an average annual increase of 29.3 km2. The spatiotemporal growth patterns were diverse， with obvious spatial differentiation. Growth hotspots were distributed along the coast of Binzhou， the west of Dongying Estuary and the south of Kenli Yellow River Estuary， which had become the key distribution areas for pond aquaculture in the Yellow River Delta， while the scale of pond aquaculture along the Laizhou Bay was gradually shrinking. The spatial evolution process of aquaculture ponds could be divided into four stages： the initial stage （1984-1992）， the stable stage （1993-1998）， the expansion stage （1999-2013） and the shrinking stage （2014-2020）， and there were significant differences in the spatiotemporal growth patterns and aquaculture characteristics of aquaculture ponds at different stages.

Key wordsAquaculture ponds;Spatial evolution;Staged division;Change characteristics;Yellow River Delta

池塘養殖是海水養殖的一種重要模式，作為“優質糧食”的生產場所，其生態災害風險較低，經濟收益較高，對我國“藍色糧倉”建設具有重要意義［1］。現代黃河三角洲及萊州灣沿岸為典型的三角洲海岸和淤泥質海岸，灘涂資源豐富、池塘養殖歷史悠久、養殖規模大，是山東省重要的養殖基地［2］。近幾十年來，隨著社會經濟發展水平的提高和養殖技術的進步，黃河三角洲地區池塘養殖不斷向渤海擴張，占用了大量自然灘涂濕地，造成濱海濕地萎縮、生物多樣性下降、土壤次生鹽漬化、碳封存環境破壞等問題［3-7］。與此同時，養殖池塘也是重要的人工濕地，具有補充地下水和調節氣候等生態功能［8-9］，科學合理地進行池塘養殖還能夠成為踐行碳中和戰略的重要負排放途徑［10-11］。在推動黃河流域生態保護和高質量發展戰略背景下，實現池塘養殖功能優化布局，成為化解濱海濕地生態保護與高效生態化養殖之間矛盾的重要管理手段之一。而研究沿海池塘養殖時空演變特征作為其優化布局的一項重要基礎性工作，有助于揭示該地區海水養殖業發展歷程，獲取地區池塘養殖的獨特性，為黃河三角洲地區灘涂濕地池塘養殖空間優化布局和生態保護修復工程規劃建設提供數據和理論支持。

當前學者多從土地利用和景觀格局變化的角度揭示黃河三角洲地區養殖池塘的時空演變特征及其對濱海濕地的生態影響［12-15］，但是由于其時空分布數據不具備連續性，或僅使用經濟統計數據，造成對養殖池塘時空演變特征和變化趨勢的把握不夠準確，不能對海水養殖業發展過程作出有效判斷。該研究基于遙感、相關專項調查資料等數據，重點揭示黃河三角洲地區1984—2020年池塘海水養殖時空演變過程，劃分其空間演變階段，探討不同階段空間增長特征及其驅動因素，以期為池塘養殖可持續管理與開發和環境保護提供技術支持。

1資料與方法

1.1研究區概況研究區位于山東半島北部，西起魯冀交界的漳衛新河河口，東至煙臺、濰坊交界的膠萊河口，地理位置為117°76′～119°61′E、36°92′～38°28′N，包括黃河三角洲、萊州灣自海岸線向陸延伸15 km的海岸帶地區，行政區涉及濱州、東營、濰坊3個地級市。此區域為粉砂淤泥質平原海岸，地勢低平，灘涂范圍寬廣，有黃河、小清河、濰河、膠萊河等十余條淡水河流入海，近岸海域營養鹽、有機質多，餌料充盈，是山東省重要的海水養殖基地。

1.2數據源與預處理遙感數據源主要為Landsat系列衛星，時間跨度為1984—2020年，通過地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn/）平臺下載獲取，共計74景影像。在ENVI中進行預處理，包括輻射校正、大氣校正、全色波段和多光譜的融合等。輔助數據包括地形圖、歷史年份的高清影像和海岸帶專項調查數據等。海水養殖相關統計數據來源于省、市統計局歷年統計年鑒，部分年份缺失數據采用移動平均法進行補充。

1.3研究方法

1.3.1遙感信息提取。養殖池塘的提取首先借助水體指數并參照明顯的解譯標志［16］識別其潛在區域；然后，結合地物遙感解譯判別標志、專家經驗知識、海岸帶土地利用調查資料以及實地調研，采用人工目視解譯方法對養殖池塘和鹽田、水庫坑塘進行區分，處理獲得1984—2020年黃河三角洲地區連續37年的養殖池塘分布數據。利用同時期高清谷歌影像、高分一號等高分辨率遙感數據及研究團隊近幾年實地調查點位進行解譯精度驗證，結果顯示37年養殖池塘總體解譯精度均在79%以上，滿足研究需要。

1.3.2階段性劃分方法。該研究基于養殖池塘空間分布連續多年的遙感觀測數據，采用基于特征點的分段線性表示法（piecewise linear representation based feature points， PLR_FP）提取時間序列數據分段特征點［17］，進行池塘養殖空間擴展階段性劃分。PLR_FP方法可以概化時間序列數據的主要狀態特征，進行有效的數據壓縮和局部噪聲過濾。具體做法：首先，識別時間序列數據的局部極值點；然后，采用閾值R限定前后極值點數據的垂直差比，將符合要求的點識別為不同尺度下的分段特征點［17-18］；最后，借助雙樣本Wilcoxon秩和檢驗將不具有顯著性的特征點進行排除［19］，依據最終分段線性表示的擬合系數與常數0之間的關系判斷每階段的具體趨勢。

其中，秩和檢驗用于檢驗2個獨立的養殖序列樣本是否來自相同的總體。從2個獨立總體抽取樣本并將所有觀測值由大到小排列后，每一個觀測值在混合排列中所占位置的名次稱為它的秩，當其中某樣本秩和（statistic）較小，混合樣本為一個隨機混合樣本，秩和檢驗中P值小于0.05，可以認為該分段點前后時間序列數據具有明顯差異，可對前后2個時段內養殖池塘演變特征相同這一假設提出質疑。

1.3.3空間演變模式判別方法。對于連續性面狀空間分布數據，采用時空熱點分析方法量化分析近37年養殖池塘的空間格局類型及其出現頻率和時空位置［20］，揭示池塘養殖空間演變分異規律。

該方法首先基于ArcGIS熱點分析方法計算各時間截面Getis-Ord G*統計量并進行顯著性檢驗；空間權重矩陣采用鄰接標準中的“Queen”，即面要素有公共邊或結點即為相鄰，采用“CONTIGUITY_EDGES_CORNERS”工具計算，鄰域步長設置為1年；然后，分析各區域截面Getis-Ord G*統計量的Mann-Kendall趨勢；其中，區域截面的構造采用覆蓋研究區范圍的1 km格網；最后，結合養殖池塘面積遙感觀測數據，按照模式分類規則（表1）對比歸類為不同時空模式［20］。

2結果與分析

2.1養殖池塘時空演變總體特征從圖1可以看出，1984—2020年黃河三角洲地區沿海養殖池塘規模呈現波動增長的態勢，從期初的66.7 km²增長至1 150.7 km²，增長約16.3倍，年均增速為29.3 km²。其中，1986—1989、2000—2005、2010—2013年養殖池塘面積增速較快，并于2013年達到最高峰（1 359.9 km²）；2016—2018年養殖池塘規模出現縮減，3年共減少231.1 km²；而1990—1999年養殖池塘面積保持在相對穩定的水平，可見養殖池塘規模長時間序列年度增長呈現明顯的階段性變化特點。

黃河三角洲地區沿海養殖池塘空間演變也呈現出明顯的時空分異特征，不同時間段養殖池塘增長的冷熱點發生遷移變化，時空演變模式呈現多樣化（圖2）。研究期初，濱州的無棣、沾化和濰坊市的昌邑、寒亭等縣（市、區）的Gi*統計量較高，為區域內沿海池塘養殖的起步區；隨后一段時間，各縣（市、區）養殖池塘增長變化的Gi*統計量分布相對均勻，無明顯的熱點區，僅在壽光、河口、利津等縣（市、區）保持較低水平。但是在2000年之后，養殖池塘區域增長的冷熱點分布逐漸變得兩級分明，沾化、無棣的Gi*統計量驟增，出現了新一輪的池塘養殖高潮，并帶動與其毗鄰的東營河口區池塘養殖的擴張，成為“逐漸增強的熱點”，也是目前池塘養殖的重點分布區；而萊州灣西南部沿岸縣（市、區）Gi*統計量明顯降低，歸為“逐漸減弱的熱點”，因鹽化工、臨港產業發展和城鎮化建設，該區域養殖池塘規模大面積萎縮。養殖池塘空間增長的冷點分布較為分散，其中“逐漸增強的冷點”和“分散的冷點”位于黃河三角洲國家級自然保護區，說明自然保護地建設管理對養殖池塘空間擴展具有明顯的約束作用。

2.2養殖池塘規模變化階段性劃分為準確劃分養殖池塘規模變化的階段，分析不同階段空間演變模式及特征，該研究采用PLR_FP方法對養殖池塘面積連續遙感觀測數據進行特征點識別（圖1），通過調整常數R閾值（0≤R≤20.39）的大小，將符合要求的特征點識別為不同分割等級下的分界點（表2）。由于從第五級分割等級開始，不顯著點多于50%，故保留前4個等級的特征點，進行秩和檢驗后，最終確定養殖池塘面積變化分段特征顯著的特征點為1992、1998、2005和2013年。

以上述分段特征點進行養殖池塘面積變化的分段線性擬合，結果顯示1984—1992、1999—2005、2006—2013年3個時段的擬合系數大于0，說明這些時段池塘養殖規模呈現增長趨勢；1993—1998年的線性擬合斜率近乎為0，池塘養殖規模基本沒發生變化；2014—2020年的線性擬合斜率為負值，說明此階段池塘養殖規模出現縮減。由此將黃河三角洲地區沿海養殖池塘空間擴展過程劃分為4個時段，即池塘養殖起步期（1984—1992年）、平穩期（1993—1998年）、擴張期（1999—2013年）、縮減期（2014—2020年）。

2.3黃河三角洲地區養殖池塘空間演變階段性特征依據養殖池塘演變劃分的4個階段，進一步分析不同階段黃河三角洲地區沿海池塘養殖空間演變特征、養殖業發展特點及驅動因素。

（1）池塘養殖起步期（1984—1992年）。養殖池塘空間增長總體上自濱州沿海地區開始起步，隨后在濰坊沿岸多點興起，最終在濱州和萊州灣西南部海岸帶地區呈現大幅擴張（圖3a）；至期末，養殖規模已達到559.33 km²，年均增速為54.74 km²。山東黃河三角洲國家級自然保護區的建設，限制了東營市河口區與墾利區的圍海養殖活動。這一時期，受益于對蝦、扇貝養殖技術的突破和改革開放的良好發展環境，沿海池塘對蝦、貝類養殖獲得快速發展，全省漁業總產值達到期初的3.83倍。但是，養殖品種單一，養殖方式粗放，且由于過度追求產量和規模，高密度養殖和盲目用藥造成水環境惡化，給附近灘涂及海域造成巨大生態壓力［22］。

（2）池塘養殖平穩期（1993—1998年）。養殖池塘空間增長熱點規模小，且分布相對分散（圖3b），主要位于東營和濱州沿海，養殖規模穩定在547 km²左右。這一時期，在“海上山東”和黃河三角洲綜合開發戰略的推動下，經過養殖結構調整，池塘養殖種類逐漸多樣化，實現了從追求產量和規模向注重質量和效益的重大轉變［23］。此階段后期受1993和1996年對蝦、櫛孔扇貝大規模死亡事件的影響，黃河三角洲地區開始積極探索各種魚蝦貝立體混養、輪養的模式，依靠科技進步開展對蝦池的綜合利用，不斷挖掘生態效益［24］。

（3）池塘養殖擴張期（1999—2013年）。養殖池塘呈現大面積快速擴張態勢，養殖規模由1999年的542.18 km²迅速增長至2013年的1 359.87 km²，年均增速54.51 km²，遠高于其他時段；擴張熱點區變得更為集中，濱州東部、墾利沿岸成為新的增長核心區域，萊州灣南岸池塘養殖規模縮小，最終形成了濱州北部的廣闊灘涂以及現今黃河入海口以南的東營市沿岸兩大重點養殖區（圖3c）。這一時期，多種池塘混養模式技術探索獲得成功及應用，養殖種類日益多樣化，三疣梭子蟹、中國明對蝦、日本囊對蝦、凡納濱對蝦、刺參和鮑都具有一定規模，養殖生態意識進一步增強，可持續、集約化發展成為各地海水養殖追求的新發展方向［25-26］。

（4）池塘養殖縮減期（2014—2020年）。2014—2016年養殖池塘面積縮減230.14 km²，之后基本穩定在1 113.93 km²；養殖池塘空間增長受到城市化、工業化進程不斷推進和黃河三角洲灘涂濕地生態修復工程建設的影響，壽光、寒亭、廣饒以及利津、墾利北端的池塘規模縮減（圖3d），陸域空間發展受到擠壓，而海域開放式養殖獲得快速發展［27-28］。這一時期，“東參西養”以及各種生態混養模式技術獲得成功，并且在現代生態高效農業示范區建設帶動下，各地注重引導發展生態與經濟利益相協調的海水養殖業［24，29］，黃河三角洲地區海參、凡納濱對蝦養殖以及青蛤、菲律賓蛤仔、褐牙鲆、縊蟶、鹵蟲、海蜇養殖業蒸蒸日上，一定程度上實現了經濟效益和生態效益的雙贏［30］。

3討論

該研究基于連續長時間序列的養殖池塘面積遙感觀測數據和PLR_FP方法對黃河三角洲地區沿海養殖池塘空間演變過程進行階段性劃分，識別出4個明顯的變化階段，并分析得出不同時段養殖池塘時空增長模式和養殖特征具有明顯差異，較好地揭示了區域池塘養殖業發展歷程。階段性劃分結果比較客觀，與已有研究也存在一致性。如宋媛等［31］研究揭示1994—1999年萊州灣、渤海灣等海灣養殖池塘面積保持均衡變動，2004年起因萊州灣鹽業迅速發展，養殖池向鹽田發生轉換，以及2009—2014年渤海灣養殖業重大改革帶來的快速發展等，都符合該研究區養殖池塘規模變化的重要時間節點。

漁業經濟統計指標的變化也可以在一定程度上反映地區漁業發展歷程，如許學工［32］、周鑫等［33］進行黃河三角洲地區漁業綜合效益評估時發現經濟效益在1992、1998和2006年等時間節點同樣呈現出明顯的階段性差異，此結果與該研究基于遙感觀測數據的時間分段點有所偏差，主要原因是漁業經濟統計數據涵蓋范圍廣，而且研究區內海水養殖模式多種多樣，除了池塘養殖，還包括工廠化養殖、海域底播養殖、海域筏式養殖等類型，池塘養殖以外的這些海水養殖模式所帶來的養殖產量和養殖效益在海水養殖業中占據較大比重，采用遙感技術手段無法精確獲取連續時間段高時空精度的各類養殖模式空間分布信息，而養殖產量和漁業總產值統計指標更是難以剝離出池塘養殖所帶來的收益。

4結論

該研究基于遙感、時空熱點分析和PLR_FP方法，揭示了1984—2020年黃河三角洲地區沿海養殖池塘時空演變過程及階段性變化特征，主要結論如下：

（1）黃河三角洲地區養殖池塘規模呈現波動中增長態勢，近37年間增長了16.3倍，年均增速29.3 km²，形成1984—1992年和1999—2013年兩大增長高峰段，2013年養殖面積達到最高峰（1 359.9 km²）。養殖池塘空間增長冷熱點變化具有明顯的時空分異性，空間增長模式也呈現多樣化。養殖池塘空間增長自濱州、濰坊沿海興起，隨后增長熱點在北部地區由濱州自西向東轉移至河口區西部，而南部地區則由濰坊沿岸向西、向北遷移到東營黃河口南部，最終形成了濱州沿海、東營河口區西部、墾利黃河口南部等池塘養殖重點區，而萊州灣南岸池塘養殖規模逐漸萎縮。

（2）黃河三角洲地區沿海養殖池塘的空間演變過程可劃分為4個階段，即起步期（1984—1992年）、平穩期（1993—1998年）、擴張期（1999—2013年）和衰減期（2014—2020年）；由于海水養殖技術的進步、漁業經濟促進政策和濕地生態保護措施的實施，不同階段池塘養殖空間演變特征、主要驅動因素和漁業生產經營狀況有較大差異。

參考文獻

［1］ 楊紅生.我國藍色糧倉科技創新的發展思路與實施途徑［J］.水產學報，2019，43（1）：97-104.

［2］ 徐巖，朱玉貴.山東省海水貝類養殖產業變化特征分析［J］.現代農業科技，2020（12）：215-216，220.

［3］ 曹瓊，黃佳芳，羅敏，等.濱海沼澤濕地轉化為養殖塘對其碳儲量的影響［J］.中國環境科學，2022，42（3）：1335-1345.

［4］ 賈軍，崔正國，唐小雙，等.不同水力條件下海水人工濕地凈化效果及其影響分析［J］.漁業現代化，2021，48（5）：26-35.

［5］ CHI Y，SHI H H，ZHENG W，et al.Spatiotemporal characteristics and ecological effects of the human interference index of the Yellow River Delta in the last 30 years［J］.Ecological indicators，2018，89：880-892.

［6］ WANG C D，LI X，YU H J，et al.Tracing the spatial variation and value change of ecosystem services in Yellow River Delta，China［J］.Ecological indicators，2019，96：270-277.

［7］ ZHANG X J，WANG G Q，XUE B L，et al.Dynamic landscapes and the driving forces in the Yellow River Delta wetland region in the past four decades［J/OL］.Science of the total environment，2021，787［2022-03-25］.https：//doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.147644.

［8］ 吳志峰，曹崢，宋松，等.粵港澳大灣區濕地遙感監測與評估：現狀、挑戰及展望［J］.生態學報，2020，40（23）：8440-8450.

［9］ 張緒良，谷東起，豐愛平，等.萊州灣南岸濱海濕地的氮、磷循環過程及調控對策［J］.中國生態農業學報，2008，16（5）：1127-1133.

［10］ 焦念志，劉紀化，石拓，等.實施海洋負排放踐行碳中和戰略［J］.中國科學：地球科學，2021，51（4）：632-643.

［11］ 張安琪.海水養殖助力“藍碳計劃”的途徑［J］.安徽農業科學，2022，50（2）：89-91.

［12］ 孔梅，曹惠明，高興國，等.黃河三角洲自然保護區國土空間變化遙感監測與評價［J］.海洋環境科學，2021，40（2）：272-276.

［13］ OTTINGER M，KUENZER C，LIU G H，et al.Monitoring land cover dynamics in the Yellow River Delta from 1995 to 2010 based on Landsat 5 TM［J］.Applied geography，2013，44：53-68.

［14］ 仇志強，毛德華，相恒星，等.5個時期黃河流域濕地格局及其變化研究［J］.濕地科學，2021，19（4）：518-526.

［15］ 黃建濤，鄭偉，萬年新，等.近30年來萊州灣濱海濕地景觀格局變化特征研究［J］.海洋科學，2021，45（2）：76-90.

［16］ 任玲玲，栗云召，于淼，等.1984—2015年黃河三角洲人工濕地的演變及主要驅動因子［J］.農業資源與環境學報，2020，37（4）：493-502.

［17］ 喻高瞻，彭宏，胡勁松，等.時間序列數據的分段線性表示［J］.計算機應用與軟件，2007，24（12）：17-18.

［18］ HUANG L，CHEN X，ZHANG Y，et al.Identification of topic evolution：Network analytics with piecewise linear representation and word embedding［J］.Scientometrics，2022，127（9）：5353-5383.

［19］ 代穩，呂殿青，李景保，等.1951—2014年洞庭湖水沙階段性演變特征及驅動因素分析［J］.水土保持學報，2017，31（2）：142-150，176.

［20］ 單寶艷，張智璇，陳艷秋，等.時空格局分析方法及其實證應用：以山東省制造業為例［J］.測繪科學技術學報，2021，38（6）：624-630，638.

［21］ GUO M，LI J，HE H S，et al.Detecting global vegetation changes using Mann-Kendal（MK）trend test for 1982-2015 time period［J］.Chinese geographical science，2018，28（6）：907-919.

［22］ 趙廣苗.海水池塘養殖模式的演變與發展趨勢［J］.齊魯漁業，2006，23（7）：1-2.

［23］ 李大海，潘克厚，陳玲玲.改革開放以來我國海水養殖政策的演變與發展［J］.中國漁業經濟，2008，26（3）：57-61.

［24］ 李靜.海水養殖污染與生態修復對策［J］.農家參謀，2020（15）：114，116.

［25］ 董雙林.多維視角下的新時代水產養殖業發展［J］.水產學報，2019，43（1）：105-115.

［26］ 方建光，李鐘杰，蔣增杰，等.水產生態養殖與新養殖模式發展戰略研究［J］.中國工程科學，2016，18（3）：22-28.

［27］ 李大海，韓立民.陸海統籌構建糧食安全保障新體系研究［J］.社會科學輯刊，2019（6）：109-117.

［28］ 麥康森，徐皓，薛長湖，等.開拓我國深遠海養殖新空間的戰略研究［J］.中國工程科學，2016，18（3）：90-95.

［29］ XU J，HAN L M，YIN W.Research on the ecologicalization efficiency of mariculture industry in China and its influencing factors［J］.Marine policy，2022，137［2022-03-25］.https：//doi.org/10.1016/j.marpol.2021.104935.

［30］ LIANG Y X，CHENG X W，ZHU H，et al.Historical evolution of mariculture in China during past 40 years and its impacts on eco-environment［J］.Chinese geographical science，2018，28（3）：363-373.

［31］ 宋媛，李國慶，吳晶，等.1989—2019年環渤海地區養殖池的空間變化特征［J］.海洋通報，2021，40（1）：92-100.

［32］ 許學工，梁澤，周鑫.黃河三角洲陸海統籌可持續發展探討［J］.資源科學，2020，42（3）：424-432.

［33］ 周鑫，許學工.黃河三角洲（東營市）高效生態漁業綜合效益評估［J］.北京大學學報（自然科學版），2015，51（3）：518-524.