1997—2017年南京沿江濕地資源的時(shí)空變化分析

趙子涵　王君　劉詠梅　李棟梁

摘 要：濕地作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是連接水體與水體、水體與陸地之間的重要紐帶。濕地資源的時(shí)空變化特征對(duì)于濕地資源的保護(hù)開(kāi)發(fā)、城市建設(shè)規(guī)劃有著重要的決策支持意義。該研究以南京長(zhǎng)江沿岸3km緩沖區(qū)為對(duì)象，基于隨機(jī)森林法，分別對(duì)1997、2009、2017年3期Landsat TM/OLI影像進(jìn)行濕地資源分類(lèi)。結(jié)果表明，1997—2017年南京沿江濕地總面積減少41.91km2，其中水體總面積減少9.81km2。濕地類(lèi)型結(jié)構(gòu)方面，天然濕地面積減少，人工濕地面積增多，主要表現(xiàn)為城市道路交通、港口建設(shè)等占用河湖濕地;退耕還濕、建立濕地公園、發(fā)展大棚農(nóng)業(yè)等是稻田濕地轉(zhuǎn)變?yōu)榫G地的主要原因。因此，在未來(lái)城市規(guī)劃建設(shè)中，要嚴(yán)格保護(hù)濕地資源，在保持濕地資源面積穩(wěn)定的同時(shí)，更應(yīng)注重優(yōu)化濕地資源的生態(tài)結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：沿江濕地;Landsat TM/OLI;隨機(jī)森林法;濕地分類(lèi);時(shí)空變化

中圖分類(lèi)號(hào) X37文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2020）12-0118-05

Abstract：As an important part of the ecosystem， wetlands are playing a significant role in linking water with water and land. The characteristics of spatio-temporal changes of wetland resources have important decision support significance for the protection and development of wetland resources and urban construction planning. In this paper， the three-stage Landsat TM / OLI images of 1997， 2009， and 2017 were used to classify wetland resources based on the random forest method within the 3km buffer zone along the Yangtze River in Nanjing. The results show that， from 1997 to 2017， the total area of wetlands along the Yangtze River in Nanjing decreased by 41.91km2， of which the total area of water bodies decreased by 9.81km2. In terms of wetland type structure， the area of natural wetlands decreases and artificial wetlands increases， mainly manifested as the occupation of river and lake wetlands by urban road traffic and port construction; Returning farmland to wetland， establishing wetland parks， and developing greenhouse agriculture are the main reasons for the conversion of paddy field wetlands to green spaces. In the future urban planning and construction， wetland resources should be strictly protected. While maintaining the area of wetland resources stable， more attention should be paid to optimizing the ecological structure of wetland resources.

Key words：Wetlands along the river; Landsat TM/OLI; Random forest classification method; Wetland classification; Spatio-temporal change

濕地是指自然或人工、暫時(shí)或長(zhǎng)久性的沼澤、濕原、泥炭地或水域地帶。濕地作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是連接水體與水體、水體與陸地的重要紐帶。作為“自然之腎”[1]，濕地不僅在涵養(yǎng)水源、凈化水體、防洪抗旱、調(diào)節(jié)局部氣候等方面有著突出的貢獻(xiàn)[2]，而且是許多水生、陸生動(dòng)植物的居所。此外，濕地旅游的興起也為濕地資源的開(kāi)發(fā)利用提供了一個(gè)新的方向[3]。

人口增長(zhǎng)，土地利用變化對(duì)濕地資源的變化有著極大的影響[4]。目前，我國(guó)濕地正面臨著數(shù)量減少、面積縮小、污染嚴(yán)重、濕地流域水土流失、濕地對(duì)氣候和區(qū)域生態(tài)的調(diào)節(jié)能力下降等問(wèn)題[5]。據(jù)了解，1978—2008年中國(guó)自然濕地面積減少約33%，而人工濕地面積增加約122%[6]，這得益于我國(guó)退耕還林、退耕還濕工程政策的實(shí)現(xiàn)[7]。韓穎等在研究5個(gè)時(shí)期長(zhǎng)江入海口的濕地土地利用格局及變化時(shí)發(fā)現(xiàn)水田及灘涂面積減少，主要原因是圍填海活動(dòng)以及泥沙淤積等[8]。此外，濕地農(nóng)業(yè)是濕地開(kāi)發(fā)利用的另外一種形式，林香青等在研究山東濕地農(nóng)業(yè)中揭示了山東濕地農(nóng)業(yè)發(fā)展模式單一、發(fā)展觀念落后等問(wèn)題。粗放的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)、只追求經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)展模式，加劇了濕地農(nóng)業(yè)的面源污染、系統(tǒng)退化[9]。因此，各地在建設(shè)綠水青山的過(guò)程中應(yīng)該加強(qiáng)區(qū)域合作，多區(qū)域、多部門(mén)地對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)展系統(tǒng)性、整體性的保護(hù)[10]。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于濕地資源類(lèi)型的提取多采用遙感影像解譯的方法[11]，并利用NDVI、NDWI提取植被與水體等[12]。本研究基于Landsat影像，利用隨機(jī)森林法對(duì)南京沿江濕地類(lèi)型分類(lèi)，分析了南京沿江濕地資源時(shí)空變化特征，在一定程度上揭示人類(lèi)社會(huì)發(fā)展與自然環(huán)境保護(hù)之間的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，以期為進(jìn)一步科學(xué)合理制定沿江濕地開(kāi)發(fā)保護(hù)政策提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 南京市位于我國(guó)東南部長(zhǎng)江下游的丘陵地區(qū)，距長(zhǎng)江入海口347km，長(zhǎng)江干流呈西南-東北走向穿越南京市域，南京沿江濕地的區(qū)域范圍定義為118°22′～119°14′E，31°14′～32°37′N(xiāo)。屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，季風(fēng)顯著，降水豐沛。南京城區(qū)以西、以南地貌類(lèi)型主要以沿江平原為主，以北為崗地和沿江平原地貌，以東主要是低山丘陵型地貌形態(tài)。南京沿江主要為河漫灘濕地，在漫長(zhǎng)的發(fā)育過(guò)程中，沿江兩岸的土壤時(shí)常被泛濫的河水所覆蓋，加之氣候和江岸的變遷，在河流的轉(zhuǎn)彎處等地淤積泥沙成島，使得本區(qū)濕地沿河流的分布呈帶狀或線形。目前，南京轄區(qū)內(nèi)長(zhǎng)江岸線長(zhǎng)約308km，長(zhǎng)江濕地生態(tài)岸線總長(zhǎng)度約121.4km，濕地總面積973km2。其中，江北新區(qū)（含八卦洲）的生態(tài)岸線長(zhǎng)約52km，約占全市生態(tài)岸線的43%，占江北新區(qū)岸線總長(zhǎng)度的40%，主要分布在綠水灣濕地、八卦洲環(huán)洲濕地、龍袍濕地3段（圖1）。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源 本研究采用美國(guó)陸地衛(wèi)星landsat5 TM、landsat8 OLI 3期影像數(shù)據(jù)，均下載于https：//earthexplorer.usgs.gov/（USGS，美國(guó)地質(zhì)勘探局官網(wǎng)）。影像的選擇確保無(wú)云且日期相近，避免因季節(jié)不同而導(dǎo)致雨季和非雨季各植被類(lèi)型、生長(zhǎng)情況、水田作物收割、灌排水情況和水體水位的差異，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及有效性（表1）。

結(jié)合南京市行政區(qū)劃界，提取長(zhǎng)江南京段沿岸矢量數(shù)據(jù)，由沿江向陸地拓展構(gòu)建3km緩沖區(qū)，即得到研究區(qū)范圍，面積817.7km2。

1.3 研究方法

1.3.1 歸一化水體指數(shù) 根據(jù)水體及植被在不同波段反射率的不同構(gòu)建歸一化水體指數(shù)（NDWI）。水體的反射率在藍(lán)綠波段最強(qiáng)，隨后向中紅外波段逐漸減弱，即近紅外和中紅外波段范圍內(nèi)對(duì)水體的吸收性最強(qiáng);而植被恰恰相反，其反射率在近紅外波段有強(qiáng)反射峰[13]。由此，通過(guò)如下波段運(yùn)算，構(gòu)建歸一化水體指數(shù)，凸顯影像中的水體信息[14]。NDWI的計(jì)算公式如下：

式中，G為綠光波段，即Landsat5 TM影像的TM2波段，Landsat8OLI中的OLI3波段;NIR是近紅外波段，選用TM4和OLI5波段。

利用歸一化水體指數(shù)提取水體，比較近20年來(lái)長(zhǎng)江南京段水體面積的變化，可以從宏觀角度反映濕地資源的數(shù)量變化。

1.3.2 隨機(jī)森林法 隨機(jī)森林法是遙感信息自動(dòng)提取中一種較新的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。通過(guò)集成學(xué)習(xí)的思想，將多棵樹(shù)集成的一種算法，其基本單元是決策樹(shù)。其中，每1棵決策樹(shù)都是1種分類(lèi)器，對(duì)于單個(gè)輸入樣本，多棵樹(shù)會(huì)有多個(gè)分類(lèi)結(jié)果。隨機(jī)森林將所有分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行投票，將投票次數(shù)最多的結(jié)果作為最終輸出結(jié)果。已有研究表明，在準(zhǔn)確率方面，隨機(jī)森林法具有極大的優(yōu)勢(shì)，能夠在大數(shù)據(jù)集上有效運(yùn)行，適用性高;隨機(jī)森林包含多種如回歸分析、無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析時(shí)可以同時(shí)對(duì)其進(jìn)行并行演算分析[15]。基于上述諸多優(yōu)勢(shì)，本研究采用隨機(jī)森林法進(jìn)行濕地類(lèi)型的分類(lèi)提取。根據(jù)濕地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[16]，結(jié)合遙感影像的目視解譯以及實(shí)地考察，將研究區(qū)域的類(lèi)型劃分為河流濕地、湖泊濕地、沼澤濕地、稻田、水產(chǎn)養(yǎng)殖、植被以及其他地物類(lèi)型（工礦交通、港口、居住用地等在此歸為1類(lèi)）共7種。基于隨機(jī)森林法的分類(lèi)精度評(píng)價(jià)，Kappa系數(shù)為0.77，總分類(lèi)精度86.3%，其中水體的分類(lèi)精度達(dá)91.2%。

2 結(jié)果與分析

2.1 時(shí)間變化特征 由圖2可知，1997—2017年區(qū)域各利用類(lèi)型中，以綠地、居住工廠、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及湖泊濕地為主，河流濕地、沼澤濕地、稻田占比下降。1997、2009、2017年3年濕地面積總和分別為623.76km2、639.3km2、581.85km2，濕地面積先略有增加、而后減少，整體呈減少趨勢(shì)，年均減少2.1km2。本次研究選擇深秋初冬季節(jié)的影像，目的是排除不同季節(jié)降水、徑流季節(jié)差異等自然因素產(chǎn)生的濕地面積變化。濕地面積的減少在很大程度上與城市建設(shè)有關(guān)，不斷推進(jìn)的城市化進(jìn)程，導(dǎo)致城市居住、工礦、交通等用地不斷擴(kuò)張，從而一定程度上侵占了部分濕地資源。受長(zhǎng)江水資源開(kāi)發(fā)利用、農(nóng)業(yè)生態(tài)結(jié)構(gòu)調(diào)整的影響，雖然整個(gè)長(zhǎng)江流域總體上河、湖濕地面積減少較為顯著，但南京沿江濕地資源從1997年至2009年，沼澤濕地的減少速率較快，隨著對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)重視程度的加深，2009—2017年沼澤濕地的保護(hù)效果較為顯著，面積比重基本保持不變。這是其作為長(zhǎng)江流域沿岸較為發(fā)達(dá)的高城市化水平城市，第二產(chǎn)業(yè)向第三產(chǎn)業(yè)優(yōu)化過(guò)渡發(fā)展過(guò)程中，堅(jiān)持響應(yīng)政府退耕還林還草、退耕還濕的號(hào)召，嚴(yán)格控制對(duì)長(zhǎng)江沿岸濕地的圍墾，開(kāi)展一系列生態(tài)工程如退耕還林、沿江大保護(hù)等產(chǎn)生的直接效應(yīng)。近年來(lái)，南京從全局角度實(shí)施的濕地資源保護(hù)與開(kāi)發(fā)措施，為減少耕地侵占長(zhǎng)江濕地資源起到了極好的作用，可以為其他城市的生態(tài)治理、沿江保護(hù)提供一定的發(fā)展借鑒。

從濕地與其他用地類(lèi)型的面積轉(zhuǎn)移矩陣（表2～4）可見(jiàn)，南京沿江濕地類(lèi)型變化顯著。1997—2017年，各個(gè)階段都有不同植被覆蓋度之間的轉(zhuǎn)移，其中較為突出的轉(zhuǎn)變有：河流濕地轉(zhuǎn)化為其他地物類(lèi)型和綠地的面積分別為16.53km2、15.06km2，占總變化面積的7.5%、6.8%;沼澤濕地轉(zhuǎn)化為其他地物類(lèi)型和綠地的面積分別為23.99km2、30.52km2，占32.5%、41.3%;稻田轉(zhuǎn)化為居住工廠和綠地的面積分別為14.23km2、34.2km2，占24.7%、59.5%，新形勢(shì)下農(nóng)村農(nóng)業(yè)改革、發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、水稻種植向建設(shè)經(jīng)濟(jì)作物種植的轉(zhuǎn)變對(duì)稻田面積減少有很大貢獻(xiàn);綠地轉(zhuǎn)化為其他地物類(lèi)型的面積69.38km2，占27.2%。與此同時(shí)，部分暫時(shí)搭建的人造設(shè)施以及居住工廠為主的其他地物類(lèi)型轉(zhuǎn)化為綠地的面積達(dá)65.41km2，就綠地與其他地物類(lèi)型兩者的轉(zhuǎn)換而言，僅有少范圍的綠地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌匚镱?lèi)型，因此，城市用地面積的擴(kuò)張并非是占用大范圍的綠地;水產(chǎn)養(yǎng)殖轉(zhuǎn)化為其他地物類(lèi)型和綠地的比例分別為24.3%、27.6%。綜上，濕地較大一部分轉(zhuǎn)化為以居住工廠為主的其他地物類(lèi)型和綠地，而稻田轉(zhuǎn)化為綠地的現(xiàn)象也極為突出。以稻田為主的耕地面積的減少很大程度上與響應(yīng)政府號(hào)召，實(shí)施退耕還林還草、大力發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，將水稻種植轉(zhuǎn)變?yōu)樘厣?jīng)濟(jì)作物為主，其中以八卦洲的蘆蒿種植為代表，產(chǎn)量高、經(jīng)濟(jì)效益好。

2.2 空間變化特征 通過(guò)閾值法（>0.15）在歸一化水體指數(shù)影像圖上提取水體，生成二值圖，規(guī)定圖像灰度值為1的是水體。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，研究區(qū)水體面積從1997年的196.95km2縮小到2017年的187.14km2，總水體面積縮小9.81km2。由二值圖（藍(lán)色代表水體）的變化（圖3）可以看出，以紅色放大區(qū)域?yàn)榇淼乃w減少區(qū)域主要體現(xiàn)在水稻田的減少以及水產(chǎn)養(yǎng)殖的少數(shù)增多，其主要分布在河流入江口附近的農(nóng)田地區(qū)。長(zhǎng)江南京段上游西北岸有明顯的占用長(zhǎng)江水道面積部分，影像上能直觀地辨出長(zhǎng)江水道面積的減少，這也是區(qū)域水體面積減少的直接原因之一。水體增多的區(qū)域主要集中在長(zhǎng)江八卦洲及其下游沿岸的北側(cè)，此區(qū)域現(xiàn)為南京市八卦洲濕地公園及南京市六合區(qū)龍袍省級(jí)濕地公園所在地。近年來(lái)隨著生態(tài)文明城市的建設(shè)，退耕還林還草、保護(hù)濕地，大力開(kāi)展?jié)竦毓珗@的建設(shè)與保護(hù)工作，即人工濕地的增多極大程度上緩解了濕地面積的減少態(tài)勢(shì)。這也與中國(guó)整體濕地面積變化趨勢(shì)即自然濕地面積減少，人工濕地面積增多相應(yīng)證。區(qū)域整體水域面積的縮小揭示了隨著城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)水體的侵占，區(qū)域水循環(huán)輸入小于輸出，從而導(dǎo)致水分虧損的現(xiàn)象。

南京沿江濕地資源類(lèi)型的空間變化還體現(xiàn)在八卦洲上游北岸地區(qū)（圖4）的沼澤濕地向水產(chǎn)養(yǎng)殖用地轉(zhuǎn)變，也就是自然濕地向人工濕地轉(zhuǎn)變。例如，位于八卦洲下游北岸地區(qū)，即現(xiàn)南京市六合區(qū)龍袍省級(jí)濕地公園就是2009年開(kāi)始由大面積稻田等自然濕地逐步轉(zhuǎn)變而來(lái)的。另外，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，長(zhǎng)江沿岸的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)不斷興起，近20年來(lái)水產(chǎn)養(yǎng)殖用地面積稍有上升，主要位于南京長(zhǎng)江北岸。南岸由于接近主城區(qū)，地價(jià)昂貴以及城市開(kāi)發(fā)建設(shè)，大多數(shù)用地類(lèi)型向城市用地、港口、工礦交通、綠地等非濕地轉(zhuǎn)變。

與1997年相比，沿江濕地生態(tài)環(huán)境在逐漸倒退。人類(lèi)活動(dòng)是南京沿江濕地資源演化的主要原因，許多大面積的河網(wǎng)被城市道路所替換，長(zhǎng)江沿岸港口建設(shè)用地的增多等導(dǎo)致河流湖泊面積縮減嚴(yán)重，由于改用先進(jìn)的大棚技術(shù)大力發(fā)展果蔬農(nóng)業(yè)、改種經(jīng)濟(jì)作物，致使沿江的水稻田（人工濕地）也不斷減少，導(dǎo)致濕地難以發(fā)揮穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境調(diào)節(jié)和保護(hù)功能。

總之，濕地資源變化主要發(fā)生在南京長(zhǎng)江段北岸，南岸大部分為城市建設(shè)所占用，少數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)檠亟G地及生態(tài)公園。

3 結(jié)論與建議

（1）1997—2017年河流濕地、沼澤濕地、稻田占地面積減少，綠地、居住工廠、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及湖泊濕地占地面積增多，即天然濕地面積減少，人工濕地面積增多。濕地總面積呈減少趨勢(shì)，尤其是河、湖濕地的減少導(dǎo)致區(qū)域水體面積的減少。因此，今后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)河、湖濕地的保護(hù)。

（2）1997—2017年人工濕地增多，在一定程度上緩解了濕地面積減少的趨勢(shì)。退耕還林還草政策的施行、濕地公園的建設(shè)，增加了區(qū)域人工濕地、綠地面積。因此，今后應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的建設(shè)與保護(hù)。

（3）長(zhǎng)江南京段南側(cè)濕地主要是被城市建設(shè)占據(jù)。因此，今后應(yīng)在沿江建設(shè)濱江生態(tài)帶，既能對(duì)生態(tài)環(huán)境達(dá)到保護(hù)效果，又能夠提升城市美觀度。

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（責(zé)編：施婷婷）