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遥感技术与应用, 2022, 37(1): 108-116 doi: 10.11873/j.issn.1004-0323.2022.1.0108

青促会十周年专栏

1980~2018朝鲜半岛西海岸滨海湿地演化分析

王茜,1,2, 宋开山1,2, 毛德华,2, 焉恒琦3, 谭晓宇1,2, 王宗明2,4

1.吉林师范大学 旅游与地理科学学院,吉林 四平 136000

2.中国科学院东北地理与农业生态研究所,吉林 长春 130102

3.延边大学 地理与海洋科学学院,吉林 延边 133002

4.国家地球系统科学数据中心,北京 100012

Evolution of Coastal Wetlands in the Western Korean Peninsula from 1980 to 2018

Wang Xi,1,2, Song Kaishan1,2, Mao Dehua,2, Yan Hengqi3, Tan Xiaoyu1,2, Wang Zongming2,4

1.School of tourism and geography science of Jilin Normal University,Siping 136000,China

2.Northeast Institute of Geography and Agroecology,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130012,China

3.School of geography and oceanography of Yanbian University,Yanbian 133002,China

4.National Earth System Science Data Center,Beijing 100012

通讯作者: 毛德华(1987-),男,山东沂水人,研究员,主要从事湿地遥感研究。E⁃mail:maodehua@iga.ac.cn

收稿日期: 2020-01-20   修回日期: 2021-11-20  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41771383
吉林省科技发展计划项目.  20200301014RQ
中国科学院青年创新促进会.  2017277

Received: 2020-01-20   Revised: 2021-11-20  

作者简介 About authors

王茜(1996-),女,吉林四平人,硕士研究生,主要从事资源环境遥感方面的研究E⁃mail:13944497061@163.com , E-mail:13944497061@163.com

摘要

环黄海湿地是东亚—澳大利西亚水鸟迁徙廊道的重要组成部分,在全球生物多样性保护方面具有不可替代的作用。研究利用Landsat 系列遥感影像,集成面向对象和决策树分类方法对遥感影像进行解译,得到1980~2018年5个时期朝鲜半岛西海岸湿地分布数据集,对朝鲜半岛西海岸滨海湿地变化特征进行解析,并对比分析朝鲜和韩国不同体制和发展水平差异下的湿地演变驱动因素,以期为环黄海滨海湿地生态系统管理和可持续发展提供科学参考。研究结果表明:朝鲜半岛西海岸主要湿地类型为自然湿地,占研究区总面积的41.1%,以滩涂为主;近40 a间朝鲜半岛西海岸自然湿地面积呈减少趋势,损失1094.4 km2;人工湿地面积呈快速增加趋势,相对增加45.1%;受国家体制、政治、人口和经济等影响差异,朝鲜自然湿地多转化为耕地,而韩国自然湿地多转化为人工表面;人类活动对湿地的直接占用是该地区湿地损失最主要的因素,需加强管控和科学利用海岸带资源。

关键词: 滨海湿地 ; 朝鲜半岛西海岸 ; 遥感 ; Landsat ; 驱动因素

Abstract

As an important part of the East Asia–Australia Flyway (EAAF), wetlands along the Yellow Sea play important roles in global biodiversity conservation. Here we examined the wetland landscape dynamics and their driving forces in the western Korean Peninsula by Landsat series images for supporting the coastal ecosystem conservation and management and regional sustainable development. Using a method combining object-oriented and decision-tree classification to obtain the multi-temporal wetland datasets from 1980 to 2018 the wetland landscape pattern, the difference in wetland changes and driving forces were compared between North Korea and South Korea. The results revealed that natural wetlands dominate the coastal wetland landscapes in the western Korean Peninsula with 41.1% of the total area of study area. Tidal flat is the main natural wetland type. During the recent four decades, the natural wetland in the western Korean Peninsula experienced a consistent areal decline with the total wetland loss of 1 094.4 km2, while the human-made wetland got a rapid increase in area with a percentage of 45.1%. Due to the differences in national system, politics, population, and economy, most of the natural wetlands in North Korea were converted into cultivated land, while the natural wetlands in South Korea were mainly converted into artificial surface. Human activities are the driving forces of wetland changes in this zone and thus require the improvement in controlling anthropogenic threats and sustainable usage of coastal resources.

Keywords: Coastal wetlands ; The western Korean Peninsula ; Remote sensing ; Landsat ; Driving forces

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本文引用格式

王茜, 宋开山, 毛德华, 焉恒琦, 谭晓宇, 王宗明. 1980~2018朝鲜半岛西海岸滨海湿地演化分析. 遥感技术与应用[J], 2022, 37(1): 108-116 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2022.1.0108

Wang Xi, Song Kaishan, Mao Dehua, Yan Hengqi, Tan Xiaoyu, Wang Zongming. Evolution of Coastal Wetlands in the Western Korean Peninsula from 1980 to 2018. Remote Sensing Technology and Application[J], 2022, 37(1): 108-116 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2022.1.0108

1 引 言

滨海湿地是介于陆地生态系统和海洋生态系统间的过渡带,在维持生物多样性、控制污染和碳循环等方面发挥着重要作用14;又因受海陆共同作用的影响,滨海湿地生态系统极具脆弱性5。在气候变化和人类活动叠加影响下,监测滨海湿地变化并理解驱动机制,对于可持续的滨海生态系统管理至关重要。

环黄海湿地是世界上生态系统功能与服务最丰富的滨海湿地之一,作为东亚—澳大利西亚水鸟迁徙廊道的重要组成部分6,其变化特征及其驱动因素的研究受到国内外学者的广泛关注。陈克林等7采用样线和样点调查法相结合,对中国境内环绕黄海和渤海的26处湿地中水鸟种类和多样性调查,分析认为这些湿地受保护程度较低;温庆可等8采用单一类型变化率模型、区域动态度模型和动态转移矩阵,揭示了环渤海湿地的空间格局、变化特点和驱动机制;刘红玉等9对环渤海三角洲湿地类型和资源现状进行了研究,提出区域资源开发和湿地保护及可持续发展对策;王华等10-11也从不同侧面对国内环渤海湿地进行了相关研究。此外,Jongseom等12利用36年黄海滩涂时间序列数据,观测了中国、韩国和朝鲜三国的大规模填海工程造成黄海滩涂面积损失,并描述了其对生态环境的影响,提出了未来对滨海湿地的管理政策方向;Nicholas等1316采用了俄勒冈州立大学中国海潮模型评估了4 000 km黄海海岸线的变化,发现该地区自1950至2000年消失了65%的滩涂,建议黄海海岸线的开发应尽量减少剩余海岸自然生态系统的损失;Colin等17从候鸟种群迁徙角度对黄海湿地变化规律进行了相关研究。纵观国内外学者关于环黄海湿地的研究报道不难发现,相关研究多集中于中国,并且大多数研究是针对单一类型的湿地,对区域湿地总体变化、主要胁迫因子及其异质性分析尚不深入,不足以支撑区域湿地生境保护和湿地资源的可持续利用。

朝鲜半岛西海岸湿地也是环黄海湿地的重要组成部分,对整个黄渤海候鸟栖息地网络等起着十分重要的作用。由于特殊的历史原因,朝鲜半岛两个不同政治体制的国家经历了不同的经济、社会发展历程,使其成为目前世界上唯一的经济、制度不同的两个国家并存的滨海区域18,也势必会对于滨海湿地变化有着不同的影响,对于滨海湿地长时间序列的研究结果,可为朝鲜半岛滨海湿地可持续管理提供科学支撑,为东北亚—澳大利西亚迁徙廊道水鸟及其生境的保护提供空间决策支持。因此,研究选取朝鲜半岛西海岸为研究区域,采用集成面向对象和决策树分类的方法,提取研究区内1980~2018年间5期湿地分布数据,探讨朝鲜半岛西海岸滨海湿地景观变化特征,对比不同时期自然和人为因素对滨海湿地变化的影响,进而解析该区湿地景观格局演化的驱动因素的异质性,为环黄海滨海湿地管理和区域可持续发展提供科学参考和借鉴。

2 研究区概况

朝鲜半岛地处亚洲东北部,西北部隔鸭绿江、图们江与我国相接(图1),位于124°38′~131°53′ E,33°06′~43°01′ N之间。研究选取朝鲜半岛西海岸海水深度6 m等深线为向海一侧边界线,南至济州岛中线位置,北到中朝边界线,由海岸线向内陆一侧做15 km缓冲区,所覆盖的区域为研究区。该区以温带大陆性季风气候为主,年均气温-2.5~6.8 ℃,年均降水量310~750 mm,75%~85%集中在6~10月。

图1

图1   研究区域地理位置

(审图号:GS(2020)4633)

Fig.1   The geographical location of study area


3 数据与方法

3.1 数据来源与预处理

研究获取了1980、1990、2000、2010和2018年5期的Landsat MSS/TM/OLI遥感影像。覆盖研究区域共需6景影像,其行列号分别为116/034、116/035、116/036、117/033、117/034、118/032,影像均下载来自美国地质调查局(https:∥earthexplorer.usgs.gov/),空间分辨率为80 m与30 m。由于雨季植物生长茂盛,沼泽湿地的遥感影像特征明显,因此选择的影像多集中在5~9月。对于影像质量不好、云量较多的区域,则选择相邻月或年份的优质影像来代替19

在进行湿地提取之前,利用ENVI 5.3软件对所有影像进行图像预处理,包括几何校正、波段合成、图像融合等。参考国内外土地分类系统20-21,并结合朝鲜半岛土地覆被特征和本研究目的,确定本实验的分类系统:一级类型包括自然湿地、人工湿地、人工表面、耕地、林地和草地;二级类型包括沼泽湿地、河口水域、浅海水域、滩涂、海水养殖池、水库/坑塘、盐田、运河/水渠、旱地、水田、建设用地和交通用地,详见表1

表1   土地覆被分类系统

Table 1  Classification system of land cover

一级类型二级类型特征描述
自然湿地沼泽湿地以喜湿苔草、及禾本科植物为主的天然湿地
河口水域天然线状水体
浅海水域低潮时海平面以下6 m深的近海,包括海湾和海峡
滩涂指沿海大潮高潮位和低潮位之间的潮侵地带
人工湿地海水养殖池指河流入海口附近及海岸线人工修建或利用自然形成的海水养殖水生生物的池塘
水库/坑塘指人工修建形成的蓄水区及常年水位以下的土地
盐田人工修建的洼地,导入海水后蒸发制盐的滩涂
运河/水渠指天然形成或人工开挖的河流及主干渠常年水位以下的土地
人工表面建设用地指建筑用地,如城乡住宅和公共设施用地
交通用地指居民点以外的各种道路及其附属设施和民用机场用地
耕地旱地指无灌溉设施,主要依靠天然降水,种植旱生农作物的耕地
水田可以蓄水,用于种植水稻等水生农作物的田地
林地林地主要用于林业生产地区或天然林区统称为林地
草地草地指生长草本和灌木植物为主并适宜发展畜牧业生产的土地

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3.2 湿地信息提取方法

基于eCognition 9.0软件平台,采用集成面向对象和决策树分类的影像解译方法22,提取朝鲜半岛西海岸1980、1990、2000、2010以及2018年的土地覆被信息,这种分析方法可以利用遥感影像的光谱特征、几何特征和环境特征,识别出不同地理区域的不同景观类别,有效地避免“椒盐现象”。同时,也避免了以往遥感影像基于像元分类的方法的局限性,以含有更多语义信息的多个临近像元组成的对象为处理单元,实现较高层次的遥感影像分类和地物提取23-24。技术流程图如图2所示。

图2

图2   技术路线图

Fig.2   Technology road map


面向对象的图像分析方法最重要步骤是分割尺度的确定22,分割尺度控制着湿地提取的准确性。较小比例尺分割会产生多余信息;较大比例尺分割会产生不准确的湿地边界。参考其他影像手工数字化的多边形对象,对不同分割尺度的分割结果进行目视检查,确定适合研究区内景观特征的最优尺度。据此,本研究最终采用的分割尺度为100,形状指数是0.2,紧密度指数是0.5。

研究中,在高分辨率谷歌影像上选取验证点共391个,对2018年解译结果进行精度验证,结果表明:一级类精度和二级类精度均达90%以上,Kappa系数为0.86。土地覆被精度满足研究需求。

3.3 湿地景观格局演变分析方法

通过转移矩阵可以把土地利用类型的相互转化关系以及变化直观地表达出来,经分析可以确定某一种土地类型转化成另一种土地类型的面积,其表达式24为:

Sij=S11S12S1nS21S22S2nSn1Sn2Snn

其中:Sij 代表的是研究初期和末期时间内由类型i转化到类型j的情况,n代表的是土地利用的类型数。

4 结果与分析

4.1 朝鲜半岛西海岸湿地景观格局演变特征

图3所示,朝鲜半岛西海岸主要湿地类型为自然湿地,2018年自然湿地面积为11 043.7 km2,占研究区总面积的41.1%,广泛分布在沿海一侧。其次是人工湿地,面积为524.1 km2,占研究区总面积的2.0%,零散分布于研究区内。

图3

图3   朝鲜半岛2018年湿地景观格局特征

(审图号:GS(2020)4633)

Fig.3   Coastal wetland landscape pattern in the western Korean Peninsula in 2018


1980~2018年5期自然湿地覆盖率分别为45.2%、43.3%、42.1%、41.3%与41.1%,这表明自然湿地一直处于不断萎缩态势(图4)。其中,1980~1990年自然湿地面积减少最为明显,为2.0个百分点。2010~2018年自然湿地变化相对较小,仅减少了0.2个百分点;而人工湿地覆盖率分别1.4%、1.5%、1.7%,1.8%与2.0%,呈现增加趋势。其中,1990~2000年面积增长最多,为0.2个百分点;1980~1900年与2000~2010年面积增加较少,均为0.1个百分点。自然湿地不断减少主要是滩涂逐年消失所主导,1980~2019年间净损失了1 094.4 km2;而沼泽湿地、河口水域和浅海水域面积均在逐年增多。人工湿地增加主要是体现在海水养殖池和盐田面积的增长;水库/坑塘和运河/水渠变化相对不明显(图5)。

图4

图4   朝鲜半岛自然湿地和人工湿地面积变化特征

Fig.4   The areal change in natural and human-made wetlands in the western Korean Peninsula


图5

图5   朝鲜半岛各类型自然湿地和人工湿地面积变化特征

Fig.5   The areal change in varities of natural wetland and human-made wetlands in the western Korean Peninsula


4.2 朝鲜和韩国湿地变化差异

图6可以看出,1980~2018年朝鲜和韩国的自然湿地面积均呈现下降趋势,其中朝鲜一侧自然湿地面积在2000~2010年减少最多,减少面积为97.9 km2;而韩国一侧自然湿地面积则是在1980~1990年减少最多,减少面积为434.8 km2,减少主要类型是滩涂。同期,朝鲜和韩国的人工湿地面积趋势有所差异,朝鲜一侧人工湿地面积呈持续增长趋势,2000~2010年和2010~2018年变化程度较大,分别增长了37.0 km2、36.6 km2;韩国一侧人工湿地面积则表现为先增后减趋势。2000年以前的2个时期,分别增长了32.6 km2、47.9 km2,2000年以后的2个时期则为负增长。

图6

图6   朝鲜和韩国自然湿地和人工湿地面积变化对比

Fig.6   Comparison of areal changes in natural wetland and human-made wetland between North Korean and South Korean


4.3 朝鲜和韩国不同时期湿地转化特征

研究区内1980~2018年间4个时期段韩国和朝鲜的自然湿地、人工湿地与人为用地(人工表面和耕地)之间转化面积如表2,人为用地对朝鲜半岛西海岸自然湿地造成了显著的影响,然而,朝鲜和韩国1980~2018年人为用地类型扩张占用自然湿地的特征有明显差异。其中,朝鲜自然湿地主要转变为耕地,在1980~1990年间,转化面积最多,为103.1 km2;而韩国自然湿地主要向人工表面转变;在1980~1990年间转化最多,为97.5 km2。两个国家都有一定数量的自然湿地转化为人工湿地,主要是转变为水产养殖塘。

表2   朝鲜和韩国1980~2018年湿地与人为用地类型间的转换面积

Table 2  Conversion areas between wetland and anthropogenic land covers in North Korea and South Korea from 1980 to 2018

年份土地类型朝鲜土地类型韩国土地类型
耕地人工表面人工湿地自然湿地耕地人工表面人工湿地自然湿地
1980~1990耕地5 043.814.87.829.41 869.6208.113.028.4
人工表面9.4134.70.20.615.1327.40.612.6
人工湿地9.90.2185.91.98.64.9107.610.2
自然湿地103.12.410.85 396.7308.197.538.46 051.4
1990~2000耕地5 221.948.826.256.62 234.468.922.020.9
人工表面10.3146.30.20.930.1759.62.47.6
人工湿地28.02.2162.112.78.35.1139.76.7
自然湿地97.83.025.55 315.6128.596.541.35 848.9
2000~2010耕地5 368.019.820.721.82 446.8165.712.420.7
人工表面13.5189.01.91.419.11 002.72.16.9
人工湿地13.00.6194.46.517.413.7193.58.3
自然湿地88.73.935.85 255.961.359.021.05 752.7
2010~2018耕地5 376.324.348.26.52 361.9123.120.627.0
人工表面11.8200.50.61.028.61 182.81.414.2
人工湿地19.51.0227.24.722.34.9189.29.4
自然湿地36.22.313.15 233.025.216.213.65 713.3

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5 讨 论

湿地变化的驱动因素一般可分为自然因素和人文因素2个方面25。通过分析朝鲜和韩国在不同时期对应的自然条件和人文条件,并把湿地面积的变化规律对比分析,解析影响朝鲜半岛西海岸湿地演化的驱动因素,可为滨海湿地管理和可持续发展提供有益参考和借鉴。

5.1 自然因素

相关研究表明,气候变化会在一定程度上影响湿地动态26。1980~2018年间朝鲜和韩国的年均降水量和年均气温变化不明显。气候变化对于滨海湿地的影响主要体现在河口地区,气候变化驱动下河流水量的变化在一定程度上影响着滨海沼泽的分布情况,但总体而言气候变化对于滨海湿地的影响相对较小。

5.2 人为因素

已有研究表明,政治、经济、人口等社会因素都是造成湿地变化的重要间接因素27-28

5.2.1 人口增长

以世界银行统计数据库人口信息为依据,发现韩国人口由1980年的3 812.4万人增长到2018年的5 160.6万人,期间增长35.4%。因人口增长对居住地与耕地的需求量也随之增加,导致人工表面与耕地面积不断增长,也因此表现为本研究得出的人为用地大量侵占滨海湿地的情况,致使研究区内自然湿地面积不断萎缩。

朝鲜1980年人口数量为1 747.2万人,2018年人口数量为2 555.0万人29,人口增长率达到46.2%。虽然朝鲜内人口数量不及韩国,但其人口增长率远高于韩国,因人口增长速率过快,导致粮食、房屋等各方面资源压力激增,故自然湿地多转化为耕地与人工表面。

5.2.2 经济发展

1990年以前,韩国为了发展经济,大量开发利用海岸带资源,其主要目的为了满足粮食生产需求,其次为工业、房产建设、发电站、渔业、水产养殖以及港口等用地需求开展围填海活动,造成自然湿地面积大量损失。

同期,朝鲜的经济水平领先于亚洲大多数社会主义国家。但是受到上个世纪末社会主义市场崩溃的波及,朝鲜国内经济大幅下滑,对外贸易环境也日益恶化,朝鲜经济发展进入了衰退期,直到2000年左右才开始逐步有所回升30。这与朝鲜此时期自然湿地转化为耕地的趋势相一致,表明经济因素是自然湿地演变的重要驱动因素之一。

5.2.3 政策调控

研究期间,韩国对湿地的管理可分为3个时期,即开发、转变和保护时期31-32。1990年以前,韩国为了发展经济,大规模进行填海造地工程,导致自然湿地大面积遭到破坏。1990年代后期,随着民众湿地保护意识增强,韩国政府开始逐步颁布和完善相关湿地保护法律法规。如,1997年加入《湿地公约》,1998年颁布《海岸带管理法》,1999年颁布《湿地保护法》等。与之相对应地,2000年以后韩国自然湿地面积减少速度有所下降,人工湿地面积开始呈现下降趋势。

相比之下,朝鲜截至目前少有具体关于湿地保护措施的政策。同时,面对粮食紧缺问题,仍在大肆侵占自然湿地改为耕地,使得自然湿地面积逐年减少。人工湿地面积逐年递增,且增长速度也十分明显。这一对比也表明,政策因素也是影响朝鲜半岛西海岸滨海湿地演化的重要驱动因素之一。

过去近40 a间,受人为用地扩张的影响,朝鲜半岛西海岸滩涂面积持续下降,已有52%的滩涂消失。全球气候变化背景下,海平面上升的威胁也是湿地所面临的威胁之一,气候变化背景下的朝鲜半岛西海岸滨海湿地生态系统变得越来越脆弱,急需采取可行的措施对滨海湿地进行保护,以减缓或制止自然湿地的损失。

6 结 语

本研究基于集成面向对象和决策树分类的影像分析方法,针对1980~2018年朝鲜半岛西海岸湿地景观格局演变特征开展研究,对比分析了5个时期朝鲜和韩国湿地面积变化及其驱动因素的异质性,主要结论如下:

①朝鲜半岛西海岸主要湿地类型为自然湿地,占研究区面积41.1%;②1980~2018年自然湿地面积呈逐年减少趋势,主要损失类型是滩涂;人工湿地面积呈逐年增加趋势,主要是水产养殖塘以及盐田的增加;③近40 a间,朝鲜与韩国自然湿地均不断转化为耕地、人工表面和人工湿地。受政策、体制和经济发展水平的差异等影响,朝鲜和韩国西海岸湿地变化特征具有明显的差异,朝鲜自然湿地多转化为耕地,而韩国自然湿地多转化为人工表面。制定因地制宜的滨海湿地保护与管理政策,合理利用和开发湿地资源,是环黄海乃至东亚地区生态安全和生物多样性保护的重要前提,对比朝鲜半岛西海岸韩国和朝鲜两个不同政治体制国家滨海湿地变化结果,建议区域湿地资源保护和管理应着重从以下方面进行:重视湿地生态恢复,颁布相关湿地保护法律法规,完善湿地保护区建设管理的标准与制度;在湿地脆弱区建立生态监测点,及时掌握湿地生态系统的健康状况以及演变过程;提高公众对湿地资源保护重要性的认识。本研究可为管理决策的制定提供理论参考和数据基础。

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