江蘇響水- 濱海港區海岸帶景觀演變及對區域碳儲存的影響

吳 欠，范學忠*

（山東理工大學 建筑工程與空間信息學院，山東 淄博）

海岸帶是陸地和海洋相互耦合、相互作用的海陸過渡區[1]。海岸帶獨特、多樣的地表景觀和生態系統，使其為沿海地區和全球提供了重要的生態系統服務，包括保護生物多樣性、碳儲存、凈化水體、抵御洪水和岸線侵蝕等[2-3]。其中，有關海岸帶區域碳儲存功能及其影響因素的研究，已成為近年來關注全球變化的重要研究方向之一[4]。海岸帶碳儲存能力的變化與其景觀演變有極大的關聯性[5]。高固碳能力景觀轉為低固碳能力景觀時，會導致區域碳儲存能力和總量的下降。響水- 濱海海岸帶是江蘇省和全國的重點海洋經濟發展區和港口- 臨港工業園集聚區，其地表景觀在過去的40 年里有相當大的改變[6]，定量分析該港區海岸帶景觀演變過程及對區域碳儲存的影響，對海岸帶生態規劃和綜合管理具有重要意義。

1 研究區概況

響水- 濱海港區海岸帶東鄰黃海，位于江蘇省鹽城市北部（圖1）。研究區總面積為1 304 km2，區內地勢低平，景觀類型多樣，不僅有鹽沼、潮灘等濱海濕地，還包括鹽田、養殖塘、農田、城鎮等半人工和人工生態系統。該區域地處環渤海經濟圈和長三角經濟圈結合部，在社會經濟發展需求的強烈驅動下，特別是由于近年來港口及臨港工業園的建設，響水- 濱海港區海岸帶的地表景觀正在快速轉變。

圖1 研究區地理位置

2 研究方法

2.1 數據來源與處理

本文所用遙感數據是1984、2002 和2020 年3 期相近時段（4-6 月）Landsat 陸地衛星遙感影像，其來源于中國科學院資源環境數據中心（http://www.resdc.cn/）。對于所獲取的同年份同范圍影像進行比較，以篩選潮灘暴露最大的低潮時刻的影像數據。研究區景觀/土地利用類型被劃分為鹽沼、潮灘、海水、養殖塘、鹽田、農田、建設用地、未利用地8 類，基于ArcGIS、ENVI 技術平臺和依據遙感影像光譜特征，獲取研究區3 個年份的景觀分類矢量圖層。

2.2 景觀演變動態分析

利用ArcGIS 空間分析模塊，對各時期景觀類型圖進行空間疊加分析，以刻畫研究區景觀格局的空間結構特征和動態變化，同時構建土地利用轉移矩陣，揭示該區域各地類數量結構特征的演變軌跡。土地利用轉移矩陣的計算公式如下[7]

式中：U 為地類i 轉變為地類j 的面積；n 為地類總數量。

2.3 響應于景觀變化的區域碳儲存時空特征分析

根據InVEST 碳儲存模型，地表生態系統碳庫包括地上生物量、地下生物量、土壤有機碳和死亡有機質四部分。參考以往的研究[3]，研究區不同景觀和土地類型的碳密度參數（單位面積碳儲量）首先被確定，然后應用ArcGIS 土地利用空間圖層，在500 m×500 m網格內量化了不同時期研究區地表景觀碳儲存的空間變化，最后結合高碳密度景觀類型向低碳密度景觀類型的轉化過程，綜合分析了區域碳儲存的損失量及景觀轉變的影響。

3 結果與分析

3.1 景觀演變動態

在響水- 濱海港區海岸帶，農田和鹽田是研究區陸域部分的主要景觀類型，其在2002 年前保持相對穩定，分別約占研究區總面積的1/3 和1/4，在2002 年后面積都有所下降，整個研究期內分別減少了2.9%和8.9%（圖2 和圖3）。鹽沼和潮灘面積占比較低，在1984 年分別僅占2.2%和2.4%，由于濕地圍墾和向其它地類的轉變，鹽沼在2002 年后幾乎消失，而潮灘面積也大幅度下降。養殖塘在1984 年少見，但到2002年其面積比例已達3.7%，并有繼續升高的趨勢。建設用地面積從1984 年的0.9%急劇上升到2020 年的12.2%，使其成為研究區景觀轉變最顯著的類型。土地轉移矩陣顯示，1984-2020 年鹽沼、潮灘的喪失，主要是源于向養殖塘的轉變。建設用地多是由鹽田和農田轉變而來，養殖塘在2002 年前后也分別從未利用地和鹽田所大量獲?。▓D3）。

圖2 研究區各年份景觀分類

圖3 1984-2020 年不同景觀類型的面積比例及其相互轉變

3.2 區域碳儲存時空特征及其景觀轉變的影響

響水- 濱海港區海岸帶高碳密度區域從1984 年的492 km2縮減到2020 年的414.8 km2，總共減少了15.7%。碳密度高值區主要分布在南部的農田景觀區和海堤外側的鹽沼- 潮灘帶，而碳密度低值區則集中于海水和鹽田景觀區（圖4）。隨著濱海自然濕地的減少和建設用地的快速增長，碳密度低值區不斷替代高值區。在響水港、濱海港及其臨港工業園區，由于自然濕地、農田和鹽田向建設用地的轉變，致使該區域成為研究區碳密度下降幅度最高區域。

總的來說，碳儲存能力較強的景觀類型向碳儲存能力較弱的景觀類型的轉變，導致研究區碳儲存總量喪失22.2 萬t（圖5）。其中，農田轉為建設用地，導致區域碳儲存損失12.3 萬t，成為響水- 濱海港區海岸帶碳儲存功能退化的最主要驅動因子和貢獻者，其貢獻率高達48.9%。鹽沼轉為養殖塘、鹽田轉為建設用地也導致研究區較高的碳儲存損失，其貢獻率分別為24.8%和17.1%（圖6）。由于景觀轉變規模小，潮灘轉為海水、潮灘轉為養殖塘的碳儲存損失相對較低。

圖5 景觀轉變所導致的區域碳儲存損失量

圖6 碳儲存損失貢獻率

4 結論

基于3 期遙感影像數據和InVEST 碳儲存模型，采用ArcGIS 空間模擬和分析技術，對江蘇響水- 濱海港區海岸帶景觀演變過程及其區域碳儲存的動態響應進行了研究。結果表明：農田和鹽田作為陸域部分景觀基質類型，1984-2020 年間分別減少了2.9%和8.9%。鹽沼和潮灘盡管面積比例較低，但喪失率卻最高。養殖塘和建設用地分別是2002 年前后快速增長的景觀類型。轉變過程中，鹽沼、潮灘、未利用地和部分鹽田主要轉為養殖塘，農田和鹽田主要轉為建設用地。景觀轉變導致研究區碳儲存總量喪失22.2 萬t，并使得碳密度高值區在空間上減少了15.7%。其中，農田轉為建設用地，導致區域碳儲存損失12.3 萬t，成為響水- 濱海港區海岸帶碳儲存功能退化的最主要驅動因子和貢獻者，其貢獻率高達48.9%。由于景觀轉變規模小，潮灘轉為海水、潮灘轉為養殖塘的碳儲存損失相對較低。