粵港澳大灣區(qū)城鎮(zhèn)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(zhì)大學(xué) (北京), 北京 100083 2 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)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(tài)帶,其在凈化環(huán)境、調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保護生物多樣性等方面發(fā)揮著不可替代的重要作用[1]。灣區(qū)濱海地區(qū)作為特殊的海岸帶,往往也是城鎮(zhèn)化的關(guān)鍵地帶[2],海岸帶為灣區(qū)城鎮(zhèn)化提供了獨特的區(qū)位優(yōu)勢與自然資源,但城鎮(zhèn)發(fā)展給海岸帶自然生態(tài)系統(tǒng)帶來了巨大壓力,導(dǎo)致一系列生態(tài)環(huán)境問題[3],影響人類福祉,進而制約了城鎮(zhèn)的可持續(xù)發(fā)展[4],因此,海岸帶保護與修復(fù)不容忽視[5]。粵港澳大灣區(qū) (以下簡稱大灣區(qū)) 是我國經(jīng)濟活力最強的區(qū)域之一[6],雖然城鎮(zhèn)化是促進灣區(qū)經(jīng)濟增長的重要力量[7],但是,城鎮(zhèn)化對脆弱海岸帶的影響是大灣區(qū)城鎮(zhèn)化面臨的突出問題之一。2018年《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展綱要》[8]明確指出要建立海岸線動態(tài)監(jiān)測機制,加強海岸帶保護,建設(shè)沿海生態(tài)帶。鑒于此,研究大灣區(qū)城鎮(zhèn)化過程中海岸帶的時空動態(tài)變化及影響機制,對大灣區(qū)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(tài)系統(tǒng)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(yǎng)殖以及港口和碼頭的建設(shè)等[11],不僅改變海岸線形態(tài)和長度,導(dǎo)致大量自然岸線轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぐ毒€[12],也改變了海岸帶LULC。當(dāng)前,城鎮(zhèn)化是全球范圍內(nèi)影響最大的人類活動,其對海岸帶的主要影響是各類城鎮(zhèn)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(qū)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(yán)重[15],濱海地區(qū)的城鎮(zhèn)化對自然海岸LULC的干擾得到越來越廣泛的關(guān)注[16],吳文挺等[17]采用圍墾強度系數(shù)計算了我國環(huán)渤海經(jīng)濟圈沿海圍墾導(dǎo)致的海岸帶濕地減少狀況,Hakan Alphan等從景觀生態(tài)學(xué)角度研究了地中海東部海岸城鎮(zhèn)用地發(fā)展對農(nóng)業(yè)用地的侵占[18]。城鎮(zhèn)化不僅直接改變了海岸帶LULC的組成與結(jié)構(gòu),還間接地影響其生態(tài)過程與功能,導(dǎo)致了濕地功能退化、生物多樣性減少及環(huán)境污染等一系列生態(tài)環(huán)境問題[19]。目前已有的關(guān)于大灣區(qū)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(tài)問題分析[12′20],尚缺乏關(guān)于大灣區(qū)城鎮(zhèn)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(jīng)濟帶——粵港澳大灣區(qū)海岸帶作為研究對象,海岸帶范圍是以海岸線為基線向內(nèi)陸延伸 5 km的緩沖區(qū)[21—23],該區(qū)域是經(jīng)濟活動與生態(tài)系統(tǒng)交互影響的關(guān)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(qū)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(zhèn)用地增長與濱海城市城鎮(zhèn)化的關(guān)聯(lián)關(guān)系,詳細探究了城鎮(zhèn)化對大灣區(qū)海岸線和海岸帶的影響。研究結(jié)果對于保護與修復(fù)海岸帶,及保障海岸帶地區(qū)人類福祉與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展具有重要的參考意義。

1 研究區(qū)概況

粵港澳大灣區(qū)(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(qū)。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(qū)之首,約5.6萬km2,相當(dāng)于紐約灣區(qū)的2.7倍,舊金山灣區(qū)的3倍,東京灣區(qū)的1.5倍；人口數(shù)量也位于四大灣區(qū)之首,為6950萬人,相當(dāng)于紐約灣區(qū)的3倍,東京灣區(qū)的1.5倍,舊金山灣區(qū)的近10倍[25]；GDP水平僅次于東京灣區(qū),與紐約灣區(qū)齊平,為舊金山灣區(qū)的2.1倍,但GDP增長速率最快,GDP影響力位居四大灣區(qū)之首[26]。區(qū)內(nèi)三江 (西江、北江和東江) 匯聚,區(qū)位優(yōu)勢明顯,是國家建設(shè)世界級城市群和參與全球競爭的重要空間載體；沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達[27],人口密集,對土地資源需求巨大[28]。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

大灣區(qū)海岸線綿長曲折,海岸帶地區(qū)人口聚集度高,城市開發(fā)強度大,經(jīng)濟發(fā)展迅速,是我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的重點區(qū)域,也是我國重要的沿海經(jīng)濟帶,在國家發(fā)展大局中具有重要戰(zhàn)略地位。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)包括：(1) 2001、2010、2018年全球土地覆被 (Land Cover,LC) 數(shù)據(jù)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(wù) (C3S) 發(fā)布的LC數(shù)據(jù)與2001和2010年基于氣候變化倡議 (CCI) 編制的LC數(shù)據(jù)保持一致。此數(shù)據(jù)集為 WGS84 地理坐標(biāo)系,分辨率為300m,將LULC描述為22類。并對不同LULC給出對應(yīng)編號；根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)在全球范圍內(nèi)使用獨立的GlobCover2009精度驗證數(shù)據(jù)庫評估了CCI_LC產(chǎn)品2010年的總準(zhǔn)確率為71.5%,其中對于城市用地等類別的用戶準(zhǔn)確度達88%[29-30],因其一致性、每年更新和全球覆蓋范圍等優(yōu)勢,該數(shù)據(jù)集在土地核算、城市化、森林監(jiān)測等多方面被廣泛采用[31-32],數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址為：http://www.esa.int/；(2) 大灣區(qū)行政邊界的矢量范圍來自全球行政區(qū)劃數(shù)據(jù)庫 (Database of Global Administrative Areas,GADM),下載網(wǎng)址為：https://gadm.org/download_country_v3.html；(3) 2001、2010、2018年高分辨率衛(wèi)星影像通過 Google Earth 軟件獲得；(4) 人口及經(jīng)濟數(shù)據(jù)從國家統(tǒng)計局 (http://www.stats.gov.cn/) 獲得。

2.2 研究方法

粵港澳大灣區(qū)海岸線經(jīng)過珠三角7市和香港、澳門2個特別行政區(qū) (圖1),由于城鎮(zhèn)化過程對海岸帶的開發(fā)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(tài)及位置發(fā)生變化,而人工岸線呈現(xiàn)規(guī)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(jié)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(jié)果為基礎(chǔ),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(diào)查與評價專項 (簡稱 “908 專項”) 及相關(guān)領(lǐng)域的研究[35-37],并結(jié)合大灣區(qū)海岸線基本特征,從顏色、紋理、地物鄰接關(guān)系等不同側(cè)面確定了大灣區(qū)海岸線類型的解譯標(biāo)志 (表1) 。其中,自然岸線是指自然作用形成的沿海地區(qū)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(gòu)成,主要包括：基巖岸線、砂質(zhì)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(yù)造成的沿海自然地物向人工地物的轉(zhuǎn)變,通常由水泥或是形狀規(guī)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(shè),養(yǎng)殖區(qū)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(zhèn)化過程中人類活動對海岸帶的影響程度。

表1 大灣區(qū)海岸線解譯標(biāo)志

關(guān)于大灣區(qū)海岸線長度變化強度的測量方法,采用的是給定時期內(nèi)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(jié)合研究區(qū)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(zhèn)用地、灌木、水體、其它[39—40](表2) 。

表2 大灣區(qū)LULC分類體系

LULC變化的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移前后的土地利用類型數(shù)；i、j(i,j=1,2,…,n) 分別代表轉(zhuǎn)移前與轉(zhuǎn)移后的土地利用類型；Sij表示轉(zhuǎn)移前的i地類轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)移后的j地類的面積。

2.2.3城鎮(zhèn)化對海岸帶LULC影響

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

(3)

(4)

(5)

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

3 結(jié)果與分析

3.1 城鎮(zhèn)化對大灣區(qū)海岸線長度的影響

2001—2018年,粵港澳大灣區(qū)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(xù)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(qū)海岸線長度變化Fig.2 Coastline length change in GBA from 2001 to 2018

表3 大灣區(qū)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(qū)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(biāo)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(zhèn)化對大灣區(qū)海岸帶LULC的影響

2001—2018年,大灣區(qū)海岸帶LULC組成以耕地為主,但耕地持續(xù)減少,城鎮(zhèn)用地持續(xù)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(zhèn)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(zhèn)用地面積持續(xù)明顯增加,凈增加546.58km2,增速為30.37km2/a；耕地面積持續(xù)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(qū)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(qū)海岸帶LULC/km2

2001—2010年與2010—2018年兩個階段比較發(fā)現(xiàn),人類活動對海岸帶干擾有所減少,大灣區(qū)海岸帶LULC變化程度減弱。其中,2010—2018年增加的城鎮(zhèn)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(qū)海岸帶LULC變化/km2Fig.4 LULC change of GBA coastal zone from 2001 to 2018

2001—2018年,大灣區(qū)海岸帶增長的城鎮(zhèn)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(zhèn)用地 (443.05 km2),其次是林地 (274.11 km2) 和水體 (99.52 km2) 。

3.3 大灣區(qū)濱海城市城鎮(zhèn)化對海岸帶城鎮(zhèn)用地增長的影響

2001—2018年濱海城市土地城鎮(zhèn)化與海岸帶城鎮(zhèn)用地增長具有顯著相關(guān)性,且相關(guān)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(zhèn)用地增幅與海岸帶城鎮(zhèn)用地增幅的相關(guān)性為0.66與0.83 (表6) 。而濱海城市GDP城鎮(zhèn)化和人口城鎮(zhèn)化與海岸帶城鎮(zhèn)用地增長沒有顯著關(guān)聯(lián)。

表5 大灣區(qū)海岸帶2001—2018年LULC轉(zhuǎn)移矩陣/km2

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

表6 大灣區(qū)城鎮(zhèn)化與海岸帶城鎮(zhèn)用地增加的關(guān)系

圖5 2001—2010和2010—2018年大灣區(qū)濱海城市城鎮(zhèn)用地增長與海岸帶城鎮(zhèn)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(jié)論與討論

粵港澳大灣區(qū)作為我國城鎮(zhèn)化的重點區(qū)域,濱海城市城鎮(zhèn)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(qū)海岸線長度與海岸帶的LULC變化,及海岸帶城鎮(zhèn)用地增加與濱海城市城鎮(zhèn)化的關(guān)聯(lián),主要結(jié)論及討論如下：

(1) 大灣區(qū)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(zhuǎn)變,增加的人工岸線主要來自自然岸線的轉(zhuǎn)化和沿海城鎮(zhèn)用地的向海擴張。而城鎮(zhèn)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(yán)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(dǎo)致的海岸線形態(tài)向海偏移,還導(dǎo)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(fā) (如廣東省的高欄島、蛇口島等) 的影響。因此,大灣區(qū)海岸線保護必須嚴(yán)格監(jiān)管海岸線的人工化問題,需要協(xié)同考慮大灣區(qū)海岸線整體保護目標(biāo)以及不同濱海城市海岸線的局部保護目標(biāo),設(shè)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(qū)海岸帶城鎮(zhèn)用地對農(nóng)業(yè)用地侵占問題突出。大灣區(qū)海岸帶土地覆蓋/利用組成以耕地為主,近18年來,大灣區(qū)海岸帶LULC變化主要表現(xiàn)為耕地明顯減少與城鎮(zhèn)用地大量增加,增加的城鎮(zhèn)用地主要來自于對耕地的侵占。雖然大灣區(qū)海岸帶城鎮(zhèn)用地增長幅度呈減小趨勢,但城鎮(zhèn)用地增長對農(nóng)業(yè)用地侵占的問題在未來一段時間依然內(nèi)仍將是大灣區(qū)海岸帶土地利用規(guī)劃與管理的重點,嚴(yán)格監(jiān)管海岸帶土地利用開發(fā)率,提高城鎮(zhèn)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(qū)海岸帶城鎮(zhèn)用地增長與濱海城市土地城鎮(zhèn)化強度具有顯著的相關(guān)性,表明大灣區(qū)城鎮(zhèn)發(fā)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(zhèn)發(fā)展模式對海岸帶具有明顯影響。因此,加快推進大灣區(qū)的土地集約化利用,不僅有利于提升灣區(qū)城鎮(zhèn)化質(zhì)量,也有利于保護海岸帶可持續(xù)發(fā)展。