通过围垦来增加海岸带地区的陆域土地面积,缓解日益增长的人口与城市扩张所带来的土地压力问题,已经成为海岸带地区普遍采用的手段和方法。在过去的数百年里,绝大多数沿海发达国家如日本^[1]、荷兰^[2]、美国^[3]通过围垦获得大量土地,用于满足人口居住、工业生产、农业种植、水产养殖及娱乐休闲等众多方面需求。目前,大规模围填海活动在欧美发达国家地区已基本停止^[4],但是在一些发展中国家,如中国^[5]、印度尼西亚^[6]、墨西哥^[7],仍然进行着高强度的围填海活动,以应对社会经济发展过程中所面对的土地需求压力。虽然围填海能够在一定程度上快速、有效地缓解区域发展过程中所导致的土地需求问题,但同时也影响和破坏滨海湿地特别是沿海潮间带盐水沼泽和红树林原有的生态功能,导致滨海湿地保滩护岸、防灾减灾、污染净化、生物多样性和生境栖息地维护及湿地产品供给等功能部分削弱和丧失^[8],引发众多资源、生态和环境问题^[9]。

中国沿海地区,以13%的国土面积,承载超过40%的全国人口,产生60%左右的国内生产总值^[10],是人类开发活动最为剧烈的区域,区域内资源和环境承载压力巨大。中国沿海围垦活动最早始于汉代,到唐宋时期,围垦规模不断扩大。新中国成立以来,随着经济发展,围垦活动持续不断进行。建国初期到19世纪80年代,中国沿海地区围垦多用于盐田、农业以及水产养殖^[11]。近35年,围垦主要用来满足经济飞速增长、人口持续增加、城市快速扩张所导致的巨大土地资源需求。已有研究表明,1978—2008年间,中国大陆因围垦共减少滨海湿地521500 hm^2[12],滨海湿地资源和生态系统已面临极大威胁^[13]。针对海岸带地区围填海活动,国内已有学者采用遥感技术,开展了滨海湿地在围垦活动下的历史动态变化研究^{[5, 14-15]}。高义等^[16]采用Landsat影像数据,解译了以10a为间隔的中国大陆岸线利用类型,并利用数字海岸线分析系统(Digital Shorelines Analysis System,DSAS)分析岸线动态变化状况。高志强等^[17]通过Landsat影像,解译中国10a为间隔的中国海岸带各省份围垦状况,研究其变化状况和驱动因素。

海岸带围垦活动受经济发展和城镇化扩展驱动,特别是2000年来,中国沿海区域经济飞速发展,围填海面积总量和强度不断加大。由于区域经济发展与自然环境差异,加之国民经济和社会发展五年规划实施期的影响,海岸带不同区域在不同时期的围填海活动表现不同的状态和趋势。为分析中国海岸带地区不同区域的围垦历史动态变化情况,本项研究以沿海地级市为研究单元,选用1985 —2010年,涵盖5个国民经济和社会发展五年规划阶段,共6个时相的Landsat系列卫星历史存档影像。通过遥感影像图像处理、围垦岸线解译、GIS空间分析,得到中国大陆海岸带近30年来围垦活动时空变化及其发展过程(不包括小型海岛岸线围垦和港澳台区域),为科学合理利用海岸带湿地资源,有效进行我国滨海湿地生态系统保护,促进我国沿海经济社会可持续健康发展提供基础数据和决策依据。

1 数据与方法 1.1 遥感数据获取及处理

本项研究采用美国地质调查局(United States Geological Survey,USGS)(http://glovis.usgs.gov/)提供的美国陆地资源卫星Landsat历史存档影像,以5年为间隔,选取1985—2010年间6个时相,216景数据质量较好、云覆盖较少的遥感影像。数据覆盖中国大陆海岸带地区,但不包括南海区域。遥感数据选取基本控制在1985、1990、1995、2000、2005,2010年份内,所有数据依据基础地理信息标准数据(GB/T 21139)处理,采用西安80坐标系,根据地形图和海图,利用ERDAS IMAGE软件,对2000年Landsat遥感影像数据进行辐射校正和几何校正。以2000年校正影像图像为基准,对其它5个时期影像采用图像对图像方法配准,所有影像数据几何校正误差不超过0.5个像元。校正后的影像利用ERDAS IMAGE软件 ATCOR模块进行大气校正,以确保多时相遥感影像的数据处理和显示质量。

1.2 围垦岸线提取与分析

我国海岸带区域岸线种类复杂多样,主要有基岩岸线、沙砾质岸线、粉砂淤泥质岸线、生物岸线和人工岸线。其中自然海岸线为多年平均大潮高潮位时海陆分界点痕迹线所在分界线,人工岸线主要是永久性构筑物组成的岸线,包括防潮堤、防波堤、护坡、挡浪墙、码头、防潮闸(坝)以及道路等挡水(潮)构筑物。海岸带地区自然岸线受到潮汐影响,水位变化明显,不同区域由于地貌与构造差异,自然岸线位置不一^[18]。通过给不同类型自然海岸线制定遥感识别提取规则,确保多个时期提取围垦线的可比性^[16]。围填海活动主要造成人工岸线发生变化,由于人工岸线不受潮水水位影响并呈现规则线性特征,易于遥感判读识别提取。对于岸线遥感提取,主要依据分类规范,利用ArcGIS软件,将TM、ETM+卫星影像以5、4、3波段彩色组合,MSS影像以4、3、2波段假彩色组合,在1∶50000的比例尺下,目视解译并数字化岸线,对转折或弯曲岸段加密采点,保证提取岸线的形状和精度。先判读识别提取2000年海岸线。以2000年识别海岸线为基准,逐步提取其他5个时期围垦线,保证数据的准确性和可比性。经与地形图、海图和实测GPS点检验,6个年份的岸线遥感解译总体空间位置精度均在30m内。为分析海岸带地区各区域不同时期的围垦程度,研究制定围垦强度系数(Coastal Reclamation Index,CRI),反映某一时期内沿海每公里岸线年均围垦的面积。其计算公式如下所示：

式中,CRI为围垦强度系数,s_t－t0为两个年度间的围垦面积,t 目标年份,t₀起始年份,l_t为目标年份岸线长度,l_t0始年份岸线长度。

2 岸线变化与围垦状况 2.1 围垦分布及特征分析

1985—2010年,5个“五年计划”期间,中国大陆围垦滨海湿地755183 hm²,平均每年围垦30207 hm²,岸线围垦强度为1.7 hm² a^-1 km^-1。1985—2010年间,全国围垦总量表现先减少,后增加,各个五年计划时期内分别围垦土地122672、95827、124769、145493、266422 hm²。相较于世界上已经完成城市化进程的发达国家,我国的围垦强度较大,是围垦大国^[9]。各省份由于经济发展与地理条件,围垦面积总量差异巨大,其中快速发展的辽宁、山东、江苏及浙江在1985—2010年总围垦滨海湿地面积均超过100000 hm²,而围垦总量最小的海南,仅为2071 hm²(表 1)。

在围垦的空间分布上,呈现“北强南弱”的态势(图 1),围垦活动集中在辽宁中部、河北、天津、山东北部、江苏、上海以及浙江北部的淤泥质海岸,如苏北沿海、渤海湾等及大河河口处如长江口、黄河口处,围垦强度大于5 hm² a^-1km^-1。辽宁、山东大部分地区以及杭州湾以南所有区域,围垦强度均小于2 hm² a^-1 km^-1。

海岸带围垦主要受经济发展与人口增长两个方面影响,区域海岸线自然特征也是影响围垦状况和强度的重要因素之一。河口区域经济发达,人口密集,对土地需求巨大。独特的自然地理条件及泥沙来源补给,冲淤过程迅速频繁,也使得河口区域易于围垦^[16]。如黄河与长江河口,河流入海携沙量巨大,为淤泥质海岸冲淤带来丰富的泥沙补给,分析表明近30年来围垦强度大于5 hm² a^-1 km^-1。相对淤泥质海岸,砂质海岸与基岩质海岸的所在区域围垦强度均较低,大都小于1 hm² a^-1 km^-1。

2.2 环渤海湾地区

环渤海经济圈是中国北方地区重要的沿海经济带,包括辽宁、河北、天津和山东4个省级行政单位,17个地级市,是海岸围垦总量和强度最大的区域,以海湾型围垦为主(表 2)。1985—2010年间,环渤海经济圈共围垦滨海湿地347306 hm²,占全国围垦滨海湿地总面积的46.0%。环渤海经济圈内的围垦以海湾型围垦为主,主要集中辽东湾、渤海湾以及莱州湾三个海湾处。较之三处海湾地区,山东半岛及辽东半岛的围垦强度则较低,受到地理条件及经济发展水平影响,大都小于2 hm² a^-1 km^-1,尤其是山东半岛,其围垦强度大都小于1 hm² a^-1 km^-1。

环渤海经济圈海岸围垦强度最大的区域为滨州、沧州、锦州、东营、盘锦、唐山、天津以及潍坊。该区域围垦强度均大于5 hm² a^-1 km^-1,共围垦253576 hm²,占总围垦面积的73.0%。区域内的海岸围垦强度先减少,后增加。1985 —1990年间是第一个围垦高峰,区域内海岸围垦强度大于5 hm² a^-1km^-1的地级市达到6个,而1990—1995年和1995—2000年两个时期内,海岸围垦强度大于5 hm² a^-1 km^-1的地级市分别只有1个和2个。在进入21世纪后,区域内进入了第二个围垦高峰期,2000—2005年,区域内围垦强度大于5 hm² a^-1 km^-1的地级市达5个,最高的滨州市达到36 hm² a^-1 km^-1。2005—2010年,区域内共围垦滨海湿地142091 hm²,海岸围垦强度大于5 hm² a^-1 km^-1的地级市达到9个,强度均在9 hm² a^-1 km^-1以上。如图 2所示,该时期内围垦了包括唐山曹妃甸区以及天津港地区等诸多城市扩张以及港口建设用地。

1985—2010年间,环渤海经济带围垦工程的土地用途主要有3个不同时期变化。(1)是养殖围垦期。改革开放以来,随着经济增长和人民生活水平提高,居民对于水产品的需求增大,兴起的滩涂围垦养殖热潮^[19]。(2)20世纪90年代的围垦“蛰伏”期。这个时期内,经济随着改革开放稳定恢复和增长,土地压力并不明显,区域内的围垦工程进入较为平缓的时期,围垦强度降低。(3)是城市扩张型围垦期。进入21世纪以来,经济飞速发展,人口大量增长,城市扩张迅速,土地压力剧增,需要大量的土地资源以满足经济、人口增长以及城市扩张的需要。经济发展需求型围垦是环渤海经济圈围垦主要推动形式,从水产品需求的滩涂养殖围垦到城市发展的土地需求,主要满足养殖及工业生产的需求,区域内各时期的围垦强度与经济发展对土地需求度成正比。

2.3 长江三角洲地区

长江三角洲经济圈是中国最重要的经济区域之一,包括上海市、江苏省、浙江省,经济发展是影响长江三角洲经济圈海岸围垦强度的最重要因素。1985—2010年间,区域内围垦土地面积达到299930 hm²,占全国围垦土地面积的39.7%(表 3)。区域内围垦强度为3.7 hm² a^-1 km^-1,远高于全国平均水平,围垦主要集中在4个区域：江苏沿岸、长江口内区域、上海南汇嘴以及杭州湾区域(图 3)。长江三角洲经济圈经济发展迅速,人口密集,土地资源紧张,围垦强度大。区域内的围垦受到经济发展水平影响显著。与环渤海经济圈相似,围垦主要集中在淤泥质海岸与河口地区。由于浙江省中南部沿海地区多丘陵山地,但经济发展迅速,城市扩张空间不足。因此,在2000年以后,出现了比其他同地理类型地区更高的海岸围垦强度。

江苏沿岸每年围垦大量土地,包括连云港、盐城以及南通,1985—2010年间3个地区分别围垦土地4823hm²、83201 hm²及39420 hm²,海岸围垦强度分别为1.4、8.9 hm² a^-1 km^-1和5.1 hm² a^-1 km^-1。尤其是盐城,围垦形式是以盐田、养殖塘和农田为主^[20]。南通的围垦强度稍弱于盐城,围垦形式以养殖塘和农田为主(图 3)。2005—2010年间,南通和连云港由于设立滨海新区,围垦面积陡增,分别围垦了20224 hm²和2867 hm²,围垦强度分别为12.4 hm² a^-1 km^-1和4.1 hm² a^-1 km^-1,主要为港口建设与城市扩张的用地需求^[21]。

上海市是长江三角洲区域1985—2010年间围垦滨海湿地最多的地区。其同样经历了围垦“蛰伏”期,但由于经济发展较快,相较于环渤海经济区,其经济、人口对于土地的压力更为显著,造成其“蛰伏”期较短,迅速转入快速城镇化的土地需求模式,围垦节奏加快。1995—2000年间,2000—2005年间和2005—2010年间的海岸围垦强度分别为6.4、4.8 hm² a^-1 km^-1和4.8 hm² a^-1 km^-1。1995—2000年间,上海市大量农田转化为建设用地,耕地面积减少,通过围垦可以满足耕地平衡问题,形成大量滩涂围垦为农田和养殖塘(图 3)。2000年后,上海市的围垦主要集中在水库、港口及建成区的建设,包括青草沙水库、横沙港、芦潮港和浦东机场等。

杭州湾南岸是杭州湾的主要围垦区域。海岸围垦强度最大的区域为杭州市,研究期间海岸围垦强度为11.1 hm² a^-1 km^-1(图 3)。由于该地区位于钱塘江河口,泥沙来源丰富,淤积迅速,经济发展迅速,土地需求大,因此海岸围垦强度大。次之为宁波市,宁波市围垦活动受到经济活动影响明显。1985—1990年和1990—1995年两个时期,宁波市海岸围垦强度较低,分别为0.8 hm² a^-1 km^-1和0.5 hm² a^-1 km^-1。随着20世纪90年代市场经济政策实行后,宁波市经济快速发展,城市扩张迅速,土地资源压力增大。为满足经济发展的土地需求,1995—2000年、2000—2005年和2005—2010年3个时期的围垦强度迅速加大,分别为2.4、3.3 hm² a^-1 km^-1和4.2 hm² a^-1 km^-1。台州和温州两个地区均存在类似的现象,但受限于经济发展程度与地理条件,围垦强度不如宁波。

2.4 珠江三角洲地区

珠江三角洲地区是中国三大重要的经济圈之一,包括6个地级市或地区。1985—2010年间,广东省海岸带共围垦59422 hm²,占全国围垦总面积的7.9%(表 4)。区域内围垦强度最大的区域为珠江河口地区,共围垦47075 hm²,占整个区域围垦总面积的79.2%,海岸围垦强度为1.6 hm² a^-1 km^-1。珠江三角洲地区沿海以砂质岸线为主^[16],海岸带淤积速率较慢,同时珠江河流输沙量远小于黄河与长江^[22],区域内围垦的自然条件不如环渤海和长江三角洲经济圈,围垦量较小。区域内围垦利用形式与全国其他地区类似,主要表现为在20世纪80年代主要围垦用于农田、养殖塘用地,2000年以后围垦主要用于满足城市扩张需要。

珠江河口东西两岸存在不同的围垦模式,围垦的面积大小受到自然地理条件制约(图 4)。其中珠江口西岸主要为河口淤泥质滩涂,围垦相对较为容易,早期围垦面积较大,海岸围垦强度大的主要时间段在1985—1990年间、1990—1995年间和1995—2000年间,之后围垦活动仍在继续,围垦规模降低,围垦用地的主要利用形式是农田和水产养殖塘。珠江河口东岸为人工岸线,围垦难度较高,围垦面积较小,围垦多集中在2000年以后,利用形式多为港口用地等建成区。珠江河口以外其它区域,其围垦发展模式与全国其他区域类似,在1985—1990年、1990—1995年和1995—2000年三个时期内,主要是以农田养殖塘围垦为主,2000年后,主要是为满足经济、人口增长下的城市扩张需要为主的围垦。

2.5 其他沿海地区

福建省、广西省以及海南省是我国三大沿海经济圈以外的区域,广西省以及海南省沿海地级市数量少,经济发展水平相近。 1985—2010年间,区域内8个地区共围垦土地48538 hm²,占全国围垦总面积的6.4%(表 5)。区域内海岸围垦强度最大是厦门市,为1.0 hm² a^-1 km^-1。厦门市与全国其他沿海城市围垦历史过程类似,经历了从养殖塘到建设用地的围垦利用形式过程,并在1990—1995年存在类似的围垦“蛰伏期”。福州市是区域内围垦强度第2的地级市,由于位于闽江入海口,福州市海岸带拥有相对丰富的泥沙沉积物,容易淤积并进行围垦。根据距闽江河口距离,莆田、泉州和漳州的海岸围垦强度依次递减,分别为0.7、0.6 hm² a^-1 km^-1和0.4 hm² a^-1 km^-1。海南省与广西沿海由于广布砂质岸线,并且区域内经济与人口并未对土地产生巨大的需求,海岸围垦强度较低,分别为0.5 hm² a^-1 km^-1和0.1 hm² a^-1 km^-1。

其它沿海区域内由于无大型河流入海,并以砂质岸线为主,岸线淤积速率缓慢。1985—2010年间,该区域围垦面积总量远小于环渤海经济圈和长江三角洲经济圈。相对于沿海三大经济圈,其它沿海区域内的经济发展和人口增长水平较低,对于土地需求的压力相对较小,区域内的因城镇扩张驱动导致围垦强度增大趋势主要集中在2005—2010年间,均晚于沿海三大经济圈中大部分地区。

3 结论

通过1985—2010年Landsat系列卫星影像数据处理,提取中国大陆海岸围垦现状,结合GIS分析,得到：

(1) 1985—2010年间,中国海岸带区域进行了高强度的围垦工程,共围垦755183 hm²,年均围垦30207 hm²,海岸围垦强度呈先减少后增加趋势,全国平均海岸围垦强度为1.7 hm² a^-1 km^-1。该期间,围垦主要集中于环渤海经济圈和长江三角洲经济圈,二者围垦土地面积占全国围垦总面积的85.7%。

(2) 自然地理条件影响围垦的空间分布、强度及形式。中国大陆岸线类型丰富,以长江口和杭州湾为界,北面以淤泥质海岸为主,南面则以砂质海岸为主。因此,中国海岸带高强度围垦区域主要集中在环渤海经济圈与长江三角洲经济圈中的淤泥质海岸处,如渤海湾、莱州湾、辽东湾、苏北平原等地区。这些区域围垦成本低,围垦面积大,围垦土地主要用于农业和养殖业生产。对于砂质和基岩质海岸广泛分布的区域,由于难以形成有效的淤积,围垦代价高,围垦主要用于满足城市扩张所产生的建设用地需求,例如港口和工业区建设。

(3) 区域社会经济发展水平决定围垦总量和强度的变化及其利用形式。1985—2010年间,中国海岸带围垦共经历三个阶段：养殖圈围、“蛰伏期”和城市扩张圈围。 在围垦“蛰伏期”向城市扩张围垦转换的过程中,社会经济发展水平和总量占主导作用。沿海发达区域,经济发展迅猛,人口持续增长,土地资源压力境大,导致自1995年开始进入城市扩张围垦期,如上海等。而经济发展稍慢的沿海地区,土地压力产生的时间较晚,一般在2005年以后进入城市扩张时期,如广西沿海等。

由于海岸带系统的复杂性,本文未研究海岸带地区的土地利用变化对于滨海湿地围垦及利用形式的影响。基于遥感和GIS分析技术,研究我国海岸带围垦及其产生的资源、生态和环境问题,为海岸带湿地修复、恢复、湿地保护利用以及海岸带综合管理提供合理科学决策建议,具有十分重要意义。