2000—2015年天津市濕地景觀變化和生態(tài)影響

王德旺，何萍，徐杰，任穎，侯利萍

國家環(huán)境保護(hù)區(qū)域生態(tài)過程與功能評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國環(huán)境科學(xué)研究院

濕地具有供給、調(diào)節(jié)、支持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[1-2]。近幾十年來，我國東部沿海城市所轄濕地呈現(xiàn)快速消失態(tài)勢(shì)，引起社會(huì)的高度關(guān)注[3-8]。天津市濕地資源的變化在中國東部沿海城市極具代表性，20世紀(jì)初，天津市濕地面積達(dá)5 471 km2，占全區(qū)面積的45.9%；2000年減少為3 583 km2，占比僅為30.1%，減少了34.5%。20世紀(jì)70年代之前，淤積造田、河流改造、興建水庫等是天津市濕地面積減少的主要原因；改革開放之后，城市拓展、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展成為濕地面積減少的主要原因[9-10]。已有較多學(xué)者針對(duì)天津市濕地資源進(jìn)行了研究，如曹喆等[10-11]分別研究了天津市和天津市濱海新區(qū)濕地的變化與驅(qū)動(dòng)力；劉東云等[12]運(yùn)用矩陣方法和景觀格局指數(shù)法研究了1999—2007年天津市濕地變化狀況，利用CA-Markov模型預(yù)測(cè)濕地變化趨勢(shì)，并采用主成分分析法識(shí)別濕地變化的驅(qū)動(dòng)力；肖慶聰?shù)萚9]分析了1993—2007年天津市濱海新區(qū)濕地面積變化，并用典型分析法識(shí)別濕地退化的驅(qū)動(dòng)因素；呂金霞等[13]通過矩陣和空間分析法研究了1980—2015年天津市濱海新區(qū)濕地變化，采用趨勢(shì)分析法依據(jù)濕地遙感參數(shù)變化識(shí)別濕地受損狀況。以上研究都是利用遙感解譯的土地利用數(shù)據(jù)，分析天津市或天津市部分區(qū)域濕地變化狀況，在此基礎(chǔ)上采用景觀指數(shù)法分析景觀格局變化或利用模型預(yù)測(cè)景觀變化趨勢(shì)，同時(shí)較多研究采用主成分分析或典型相關(guān)分析研究濕地景觀變化的驅(qū)動(dòng)力，個(gè)別學(xué)者還結(jié)合遙感參數(shù)變化識(shí)別濕地受損區(qū)域。

濕地與林地、草地共同構(gòu)成生態(tài)用地[14]。在平原城市區(qū)，生態(tài)用地除作為生物生境外，還可以調(diào)節(jié)氣候、緩解熱島效應(yīng)并作為景觀用地和休閑場(chǎng)所。生態(tài)輻射效應(yīng)能夠反映生態(tài)用地對(duì)人居環(huán)境的影響，輻射范圍的確定一般采用緩沖區(qū)分析法[15-16]。天津市地處華北平原地區(qū)，土地開發(fā)強(qiáng)度大，2006—2014年濕地面積占生態(tài)用地面積的62.70%～76.81%[17]，遠(yuǎn)高于綠地面積，是天津市最重要的生態(tài)用地，可見，相較其他北方城市，天津市人居環(huán)境對(duì)濕地的依賴度更高。另外，天津市地處東北亞—澳大利亞侯鳥遷徙通道，是鳥類重要的繁殖地和停歇地，在城市化進(jìn)程中，控制人類活動(dòng)干擾強(qiáng)度，對(duì)營(yíng)造鳥類適宜生境、恢復(fù)物種多樣性具有深遠(yuǎn)影響[18-21]。筆者將濕地退化的重點(diǎn)區(qū)域、濕地斑塊的微觀變化以及濕地演變對(duì)人和鳥類等的生態(tài)影響納入研究，利用2000—2015年天津市土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)，可視化揭示天津市濕地的時(shí)空演變過程和景觀斑塊變化特征，并探究其在服務(wù)人居環(huán)境和提供鳥類棲息地方面的生態(tài)影響，以期為天津市濕地生態(tài)修復(fù)提供參考。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

天津市地處華北平原東北部、海河流域下游。境內(nèi)河網(wǎng)密布，水庫湖泊眾多，坑塘洼淀星羅棋布，擁有豐富的濕地資源。較大的濕地主要有漢沽鹽田、北大港濕地、團(tuán)泊洼濕地、大黃堡濕地、七里海濕地、黃莊洼、青甸洼、東淀等；海河的五大支流北運(yùn)河、永定河、大清河、子牙河、南運(yùn)河在天津市境內(nèi)入海。天津市屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年降水量為534.4 mm，降水集中在6—8月，年均氣溫為12.6 ℃，年蒸發(fā)量約為1 160 mm[22]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)由2000、2005、2010、2015年共4期Landsat衛(wèi)星影像解譯而成，空間分辨率為30 m，按照政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)和聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織的土地覆被分類系統(tǒng)(LCCS)共劃分為6個(gè)一級(jí)類型、40個(gè)二級(jí)類型。行政邊界源自2009年國家測(cè)繪局公布的1∶25萬行政邊界數(shù)據(jù)。應(yīng)用ArcMap 10.2軟件完成空間數(shù)據(jù)裁剪、合并與緩沖區(qū)分析等操作，應(yīng)用Fragstats 4.1軟件分析濕地景觀格局指數(shù)。

1.3 研究方法

1.3.1土地利用變化分析

運(yùn)用ArcMap 10.2軟件對(duì)2000、2005、2010、2015年的土地利用數(shù)據(jù)做相交分析并篩選其中濕地成分，然后使用Excel的數(shù)據(jù)透視表工具繪制馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣，進(jìn)而對(duì)濕地構(gòu)成和占比信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)空間分布及變化狀況進(jìn)行圖示。

1.3.2景觀格局分析

景觀格局指數(shù)是高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置特征的定量指標(biāo)[23]。運(yùn)用Fragstats 4.1軟件，選取斑塊數(shù)(NP)、平均斑塊面積(MPS)、聚集度指數(shù)(AI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、周長(zhǎng)面積分維數(shù)(PAFRAC)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)7個(gè)參數(shù)，從景觀層面分析天津市濕地景觀格局。

1.3.3斑塊聚類分析

為從微觀尺度了解不同大小的濕地?cái)?shù)量、面積減少等方面的差異，以2000年天津市濕地斑塊為基準(zhǔn)，運(yùn)用ArcMap 10.2軟件選取濕地中的草本沼澤和水庫坑塘等面狀濕地，按斑塊面積大小分為10級(jí)(0～0.01、0.01～0.02、0.02～0.03、0.03～0.04、0.04～0.05、0.05～0.10、0.10～0.50、0.50～1.00、1.00～5.00、>5.00 km2)，按照沒有變化、部分消失和完全喪失3種形態(tài)剖析濕地削減狀況與斑塊大小的關(guān)系。

1.3.4生態(tài)用地輻射效應(yīng)

對(duì)一定面積的生態(tài)用地斑塊設(shè)定不同生態(tài)服務(wù)輻射半徑，以生態(tài)用地輻射率(Bi)和覆蓋建設(shè)用地比例(Ci)作為生態(tài)用地對(duì)人居環(huán)境服務(wù)水平的表征指標(biāo)[24-25]。而不在生態(tài)用地輻射范圍的建成區(qū)，則可作為未來城市生態(tài)建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域[26-28]。由于天津市小微濕地?cái)?shù)量多且輻射效應(yīng)不明顯，在ArcMap 10.2軟件中只篩選面積≥0.1 km2的濕地，另外對(duì)河流類濕地不作分析。生態(tài)用輻射率計(jì)算公式如下：

Bi=SiS總×100%

(1)

式中：i為緩沖區(qū)半徑，m，參考梁顥嚴(yán)等[25,29]對(duì)公園綠地服務(wù)能力的研究，將大于0.5 km2的大型生態(tài)用地緩沖半徑分為500、1 000、1 500和2 000 m 4個(gè)等級(jí)，0.1～0.5 km2的中小型生態(tài)用地緩沖半徑取500和1 000 m 2個(gè)等級(jí)；Si為生態(tài)用地輻射面積，km2；S總為陸域總面積，km2。

覆蓋建設(shè)用地比例計(jì)算公式如下：

Ci=SbiSb×100%

(2)

式中：Sbi為生態(tài)輻射區(qū)建設(shè)用地面積，km2；Sb為建設(shè)用地總面積，km2。

1.3.5潛在的鳥類適宜生境分析

以生態(tài)用地為鳥類適宜生境，以建設(shè)用地為人類活動(dòng)干擾源，在ArcMap 10.2軟件中按照一定的警戒距離開展緩沖區(qū)(干擾范圍)分析，識(shí)別剩余潛在的鳥類適宜生境。由于天津市地處東北亞—澳大利亞候鳥遷徙通道，珍稀瀕危鳥類物種較多，參照張佰蓮等[30-32]對(duì)濕地鳥類警戒行為的研究，結(jié)合天津市實(shí)際情況，選取300 m作為警戒距離。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地面積與轉(zhuǎn)化

2.1.1濕地類型與面積變化

天津市濕地可分為自然濕地和人工濕地兩大類，自然濕地包括河流和草本沼澤，人工濕地包括水庫坑塘和運(yùn)河水渠。2015年天津市濕地總面積為1 963.57 km2，占全市面積的16.50%，其中自然濕地和人工濕地面積分別占24.40%和75.60%，不同類型濕地面積占比大小依次為水庫坑塘>草本沼澤>河流>運(yùn)河水渠(表1)。由變化量看，2000—2015年濕地面積減少了260.92 km2，減少率為11.73%。2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年分別減少了29.74、168.56和62.62 km2，其中2005—2010年減少得最快。在構(gòu)成上，河流面積增加了14.52 km2，水庫坑塘、草本沼澤和運(yùn)河水渠面積分別減少了194.80、73.63和7.01 km2。

由天津市濕地轉(zhuǎn)出類型的面積統(tǒng)計(jì)(圖1)發(fā)現(xiàn)，2000—2015年濕地主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、耕地、未利用地、草地和林地，轉(zhuǎn)化面積分別為242.29、132.77、93.65、35.91和2.26 km2。由每個(gè)時(shí)段濕地轉(zhuǎn)出量看，濕地向建設(shè)用地、草地和林地的轉(zhuǎn)化有放緩趨勢(shì)，而向耕地和未利用地的轉(zhuǎn)化有加劇趨勢(shì)。

表1 2000—2015年天津市濕地面積及占比統(tǒng)計(jì)

1)填海造陸導(dǎo)致全市陸域面積不斷增長(zhǎng)，濕地面積占比對(duì)應(yīng)于各年份陸域面積;濕地空間轉(zhuǎn)化、生態(tài)影響等的分析采用4期中共有陸域部分，即不考慮造陸擴(kuò)張面積。

圖1 天津市濕地轉(zhuǎn)出面積統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of areas for wetlands transferred out in Tianjin City

2.1.2濕地重點(diǎn)轉(zhuǎn)出區(qū)域

圖2 2000—2015年天津市濕地空間轉(zhuǎn)化狀況Fig.2 Spatial transformation of wetlands in Tianjin City in 2000-2015

2000—2015年天津市濕地空間轉(zhuǎn)化狀況如圖2所示。由圖2可知，2000—2015年天津市濕地增加區(qū)主要分布在潮白新河、永定新河、薊運(yùn)河三河交匯的入?？诟浇欢鴿竦販p少區(qū)分布在永定新河和獨(dú)流減河之間的廣大區(qū)域。天津市濕地在6個(gè)區(qū)域轉(zhuǎn)出最為劇烈(圖3)，按建設(shè)用地轉(zhuǎn)化率高低排序?yàn)樗E運(yùn)河—永定新河交匯處、大港區(qū)獨(dú)流減河入海口兩岸、南運(yùn)河—衛(wèi)津河—鴨淀水庫—獨(dú)流減河圈圍區(qū)、東麗湖—黃港水庫南部、永金水庫區(qū)和津南水庫區(qū)。不同區(qū)域的開發(fā)建設(shè)情況如下：1)薊運(yùn)河—永定新河交匯處，有68.34 km2的濕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，主要開發(fā)建設(shè)中新生態(tài)城、東疆保稅港區(qū)、濱海旅游區(qū)、北塘經(jīng)濟(jì)區(qū)、中心漁港經(jīng)濟(jì)區(qū)等；2)大港區(qū)獨(dú)流減河入?？趦砂?，有49.85 km2的濕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，主要開發(fā)建設(shè)南港工業(yè)區(qū)(左岸)，南港輕紡工業(yè)園、南港生活區(qū)(右岸)；3)南運(yùn)河—衛(wèi)津河—鴨淀水庫—獨(dú)流減河圈圍區(qū)，分別有38.43、9.72 km2的濕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地和農(nóng)田，主要建設(shè)活動(dòng)是西青新城、楊柳青鎮(zhèn)的新增建設(shè)用地；4)東麗湖—黃港水庫南部，分別有26.15、9.65、8.48 km2的濕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地、草地和農(nóng)田，主要是經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)西區(qū)、津南新城的建設(shè)；5)永金水庫區(qū)，分別有4.22、3.69 km2的濕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地和農(nóng)田，主要建設(shè)內(nèi)容為小淀鎮(zhèn)和大畢莊鎮(zhèn)的新增建設(shè)用地；6)津南水庫區(qū)，分別有5.67、3.16、2.64 km2的濕地轉(zhuǎn)為草地、農(nóng)田和建設(shè)用地，主要建設(shè)內(nèi)容為八里臺(tái)鎮(zhèn)和小站鎮(zhèn)的新增建設(shè)用地。綜上，由于城鎮(zhèn)開發(fā)、農(nóng)業(yè)發(fā)展、水資源補(bǔ)給不足等原因[11,33-34]，6個(gè)區(qū)域共有189.63 km2的濕地開發(fā)為建設(shè)用地，25.05 km2的濕地開墾為耕地，15.32 km2的濕地退化為草地。這與“十一五”時(shí)期天津市濱海新區(qū)開發(fā)，西青新城、津南新城等城市新城創(chuàng)建，以及小淀、大畢莊、大寺、楊柳青等重點(diǎn)片區(qū)開發(fā)建設(shè)有關(guān)[35-36]。

2.2 濕地景觀格局變化

2.2.1景觀格局指數(shù)分析

2000—2015年天津市濕地景觀的斑塊數(shù)、景觀形狀指數(shù)和周長(zhǎng)面積分維數(shù)有所增加，平均斑塊面積和聚集度指數(shù)有所減少，香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)基本不變(表2)。整體上，濕地景觀更加破碎和分散，多樣性水平一般，斑塊比例不均勻。

表2 2000—2015年天津市濕地景觀格局指數(shù)

圖3 2000—2015年天津市濕地重點(diǎn)轉(zhuǎn)出區(qū)域Fig.3 Key regions for wetlands transferred out in Tianjin City in 2000-2015

2.2.2不同大小等級(jí)濕地斑塊的變化

2000年天津市分等級(jí)濕地斑塊分布如圖4所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，天津市濕地斑塊共計(jì)3 805個(gè)，其中面積≤0.03、0.03～0.05、0.05～0.10、0.10～0.50、>0.50 km2的斑塊數(shù)量分別為1 565、560、647、750和283個(gè)，數(shù)量占比分別為41.13%、14.72%、17.00%、19.71%和7.44%(圖5)。2000—2015年部分消失的斑塊有3 135個(gè)，占比為82.39%，是各等級(jí)濕地斑塊的主要成分；完全喪失的斑塊有610個(gè)，占比為16.03%，主要存在于≤0.50 km2的中小斑塊濕地內(nèi)；沒有變化的斑塊僅60個(gè)，占比為1.58%?？傮w上，各等級(jí)濕地斑塊數(shù)量變化情況為部分消失>完全喪失>沒有變化。

圖4 2000年天津市分等級(jí)濕地斑塊空間分布Fig.4 Spatial distribution of wetland patches in different grades in Tianjin City in 2000

圖5 2000—2015年天津市分等級(jí)濕地斑塊的數(shù)量及變化Fig.5 Number and variation of wetland patches in different grades in Tianjin City in 2000-2015

2000—2015年各等級(jí)濕地斑塊面積變化如圖6所示。由圖6可知，在≤0.50 km2的中小型濕地中，部分消失和完全喪失的斑塊面積占比相近，遠(yuǎn)高于沒有變化的斑塊面積占比；在>0.50 km2的大型濕地中，部分消失的斑塊面積占主要成分，>5.00 km2的大型濕地不存在完全喪失的斑塊。不同等級(jí)濕地斑塊面積減少區(qū)間為0.86～267.50 km2，減少面積共計(jì)481.45 km2。隨斑塊變大，濕地減少面積(部分消失與完全喪失的面積之和)呈增加趨勢(shì)。天津市年蒸發(fā)量約為年降水量的2倍，降水條件差，采用外調(diào)水和城市退水等方式增加生態(tài)補(bǔ)水，有助于緩解濕地面積驟減的趨勢(shì)[37-38]。

2.3 濕地演變?cè)斐傻纳鷳B(tài)影響

2.3.1生態(tài)用地輻射效應(yīng)

2000年和2015年天津市生態(tài)用地輻射效應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。由表3可知，2000—2015年雖然生態(tài)用地面積減少了7.42%，建設(shè)用地面積增長(zhǎng)了54.80%，但生態(tài)用地輻射范圍和覆蓋建設(shè)用地范圍分別增長(zhǎng)了9.96%和69.30%。這表明天津市生態(tài)用地重要性提高、輻射效應(yīng)增強(qiáng)，可以為更廣泛區(qū)域的居民提供生態(tài)服務(wù)與產(chǎn)品。由生態(tài)用地輻射效應(yīng)分等級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表4)和生態(tài)用地輻射范圍空間變化(圖7)可以看出，2000—2015年生態(tài)用地輻射率由47.26%上升為51.96%，覆蓋建設(shè)用地比例由64.29%上升為70.31%，緩沖區(qū)生態(tài)用地效應(yīng)增強(qiáng)。隨緩沖半徑的增大，生態(tài)用地對(duì)天津市陸域的輻射范圍和覆蓋建設(shè)用地范圍均逐漸下降，其中，緩沖半徑500 m的輻射范圍最大，其次是500～1 000 m，緩沖半徑大于1 000 m后的輻射范圍最小。天津市生態(tài)輻射薄弱區(qū)域主要分布在平原地區(qū)東北—北—西—西南的寬闊弧形區(qū)域以及中心六區(qū)和海河干流沿線城市建設(shè)密集區(qū)。隨濕地和生態(tài)用地面積的減少，中心六區(qū)和海河干流沿線的輻射盲區(qū)出現(xiàn)擴(kuò)張[16,28-29]，應(yīng)引起重視。

圖6 2000—2015年天津市分等級(jí)濕地斑塊面積及變化Fig.6 Area and variation of wetland patches in different grades in Tianjin City in 2000-2015

表3 生態(tài)用地輻射效應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表4 生態(tài)用地輻射效應(yīng)分等級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖7 2000—2015年天津市生態(tài)用地輻射范圍空間變化Fig.7 Radiation range spatial variation of ecological lands in Tianjin City in 2000-2015

2.3.2人類活動(dòng)對(duì)鳥類生境的干擾

圖8 2000—2015年天津市人類活動(dòng)對(duì)鳥類生境干擾范圍的變化Fig.8 Interference range variation of human activities on bird habitat in Tianjin City in 2000-2015

2000—2015年人類活動(dòng)對(duì)鳥類生境的干擾范圍變化如圖8所示。由圖8可知，人類活動(dòng)對(duì)鳥類生境的干擾在天津市中心六區(qū)和濱海新區(qū)最嚴(yán)重。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2000—2015年天津市受干擾的鳥類生境由903.01 km2增至1 324.89 km2，在生態(tài)用地總面積中占比由46.72%升至48.61%；潛在的鳥類適宜生境由1 968.74 km2減少到1 400.71 km2，占比由68.51%降為51.39%。人類活動(dòng)對(duì)鳥類生境干擾范圍劇烈擴(kuò)張，到2015年海河干流周邊已經(jīng)難以尋找鳥類的適宜生境，有效、開闊的生境主要集中在團(tuán)泊洼水庫、北大港水庫、大黃堡濕地、七里海濕地、于橋水庫、漢沽鹽田、大港鹽田等大型濕地與北部山區(qū)。

3 結(jié)論與建議

(1)天津市濕地演變分析表明，2000—2015年天津市濕地面積共減少了260.92 km2，其中2005—2010年減少速度最快，主要發(fā)生在薊運(yùn)河—永定新河交匯處、大港區(qū)獨(dú)流減河入?？趦砂?、東麗湖—黃港水庫南部等6個(gè)區(qū)域。

(2)景觀格局分析表明，2000—2015年天津市濕地總體呈破碎和分散趨勢(shì)。各等級(jí)濕地斑塊變化分析發(fā)現(xiàn)，面積≤0.50 km2的中小濕地斑塊完全喪失的斑塊面積占比高且數(shù)量最多，表明中小型濕地更容易發(fā)生喪失。

(3)2000—2015年天津市生態(tài)用地面積減少了7.42%，同時(shí)建設(shè)用地面積增加了54.80%，建設(shè)用地與生態(tài)用地的交融使得生態(tài)用地對(duì)周邊人居環(huán)境的重要性提升、輻射效應(yīng)范圍增加，但應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注天津市中心六區(qū)和海河干流沿線的生態(tài)用地輻射盲區(qū)擴(kuò)張現(xiàn)象，修復(fù)受損的生態(tài)用地，增加生態(tài)補(bǔ)水等，促使生態(tài)濕地恢復(fù)良好的生態(tài)服務(wù)功能。

(4)扣除人為干擾范圍后，2000—2015年潛在的鳥類適宜生境由1 968.74 km2減少為1 400.71 km2，2015年潛在適宜生境僅占生態(tài)用地的51.39%，且集中在平原大型濕地片區(qū)和北部山區(qū)。連通與拓展現(xiàn)有的生態(tài)用地，將有助于鳥類等的生物多樣性維護(hù)。