好文推荐 | 长江中下游112个大型湖泊的围垦过程、驱动力及环境影响研究

在城市扩张与人口增长的背景下，空间及粮食需求日益增加，长江中下游流域自然湖泊的围垦侵占现象已十分明显，不容忽视。然而，目前尚且欠缺针对整个流域湖泊的开发利用过程、驱动力及环境影响的系统性评估。

南方科技大学环境学院冯炼课题组基于1973-2018年间所有无云Landsat数据，追踪了近半个世纪以来人类活动对长江中下游112个大型湖泊（约占该区域湖泊总面积的97.8%）的围垦侵占过程。研究表明，在20世纪70年代，湖泊围垦活动以农业与建筑用地的扩张为主；自80年代中期以来，渔业养殖则成为湖泊开发利用的主要形式。分析显示，湖泊开发利用的变化过程与政策及重大社会经济事件的联系十分紧密。此外，对自然湖泊的围垦提高了长江流域洪涝的风险，而围垦养殖导致了湖泊富营养程度的增加。

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论文标题

Purely satellite data-driven deep learning forecast of complicated tropical instability waves

发表期刊

Remote Sensing of Environment

论文全文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425720303680?via%3Dihub

 研究背景 

受人类活动及全球变暖的影响，全球湖泊环境在近几十年间发生了巨大变化。湖泊围垦是人类活动对湖泊改造的典型表现，将湖泊的自然开放水域转变为农业/城市用地或水产养殖区域，以满足日益增长的粮食和活动空间需求。人类开发利用长江中下游平原的湖泊和洼地已有数千年的历史，通过围垦湖泊增加稀缺的土地资源、农业用地及水产养殖区，以支持该地区的城市发展和农业生产。但围垦活动也给当地生态环境造成了严重的影响，比如生物多样性减少、湿地退化和水质下降等。对此，政府制定了一系列的政策措施来保护湖泊淡水生态系统。因此，准确详细地评估长江中下游湖泊围垦情况，将有助于理解人类发展对生态环境的影响，为政府决策提供科学支持，具有重要的研究应用价值。

 研究思路 

基于1973年—2018年间的Landsat数据，绘制了长江中下游流域112个大型湖泊的水产养殖区、农业/城市用地及自然开阔水体范围。

首先，基于NDWI（归一化水体指数）及开发的半自动化水体提取软件获取各湖泊的水陆边界，将1970s年（1973-1979）湖泊的最大水体范围作为湖泊水体范围边界。

然后，通过人工目视解译勾绘水产养殖区域。对于水体范围季节性变化较小的湖泊，利用NDWI提取湖泊最大水体范围内的水体和陆地，来获取农业/城市用地范围；对于水体范围季节性变化较大的湖泊，同样通过人工目视解译勾绘农业/城市用地，以避免自然裸露的洪泛区的干扰。

最后，获取各个湖泊围垦区域（水产养殖区、农业/城市用地区）和自然水体区域的面积。将湖泊围垦和自然水体的面积进行归一化处理，以3年为间隔统计最大围垦面积和自然水体面积，以评估湖泊围垦的长时序变化。将水产养殖面积、农业/城市用地面积分别进行归一化处理，以揭示不同湖泊围垦历史的相似性，并确定不同围垦类型的转折时间点。

 主要发现 

在过去近50年间，112个湖泊都存在不同程度的围垦活动。至2018年，长江中下游湖泊围垦总面积达6056.9 平方公里（与上海市面积相当），占1970s年湖泊总面积的41.6%。自80年代中期以来，水产养殖区显著扩大，水产养殖面积从1973年的1101.9 平方公里增加至2018年的3429.2 平方公里。与此同时，农业/城市用地面积从802.3 平方公里增加到2627.7 平方公里。鄱阳湖上游区域的农业/城市用地围垦面积相比下游更为突出，而在江苏省的湖泊中，围垦面积占比相对较小（图1）。

图1 长江中下游湖泊围垦的格局和长期变化。（a）2018年各湖泊水产养殖、农业/城市用地及自然水体面积的占比；（b）1973-2018年所有湖泊水产养殖、农业/城市用地及自然水体面积的变化

在70年代，99个湖泊的水产养殖区占所有湖泊面积的比重不到20％。 然而，在70年代到90年代之间，水产养殖区迅速扩大，90年代以后变化则相对平稳。农业/城市用地的面积变化不同于水产养殖区，其围垦面积在某些时期甚至有所减少而非稳定增加（图2）。

图2 长江中下游湖泊围垦的年际变化。（a）1973年至2018年长江中下游湖泊三种覆盖类型的面积百分比均值；（b）不同时间段三种覆盖类型面积占比的湖泊数量直方图

通过聚类分析发现，长江中下游湖泊的围垦变化可分为四类（图3）。

第1类湖泊大多分布于湖北省，早期以农业/城市用地为主，且面积有所增加；从80年代中期开始，水产养殖面积迅速增加，大多数湖泊的水产养殖面积在2000年左右达到最大值。

第2类湖泊大多分布于安徽省，其农业/城市用地面积在早期有所增加，在80年代趋于稳定，随后进一步增加；在最近年份农业/城市用地面积和水产养殖面积均有所增加。

第3类湖泊，有近一半分布于江苏省，没有大规模的围垦，保留了较高比例的自然水体范围。第4类湖泊，分布于各个省份，早期以水产养殖围垦为主并趋于稳定，在最近的二十年中主要新增了农业/城市用地围垦。

图3 四类湖泊的围垦方式及年际变化。（a）1973-2018年湖泊归一化水产养殖面积、农业/城市用地和自然水体面积的长时序变化；（b）四类湖泊对应的三种覆盖类型的总面积变化趋势；（c）四类湖泊的空间分布。

基于聚类分析，可将湖泊覆盖类型的变化划分为3个时间阶段：1973年—1985年，1985年—2000年，2000年—2018年。 图4（a）—（b）用颜色标记了湖泊三种覆盖类型（即自然水体，农业/城市用地和水产养殖区）在各个时间阶段的面积变化百分比，以展现围垦的变化发展过程。

第1阶段为最广泛的围垦活动，分别有92.9％和76.8％的湖泊农业/城市用地面积和水产养殖面积呈增加态势。这一阶段湖泊主要受到“以粮为纲”政策的导向，满足人口迅速增长的粮食需求。

第2阶段，围垦的发展以水产养殖的扩张为主，水产养殖面积增加了1186.7平方公里，增加的水产养殖面积由自然水域（562.5 平方公里）和农业/城市用地（624.2 平方公里）转换而来。1985年是我国渔业发展的重大转折点，第2阶段的湖泊渔业增长主要为了响应1985年3月中共中央、国务院发出的《关于放宽政策、加速发展水产业的指示》。

第3阶段，大多数湖泊覆盖类型的变化以两种围垦类别之间的转换为主，然而从农业/城市用地转变为水产养殖区的面积（435.9 平方公里）大大超过由水产养殖区转变为农业/城市用地的面积（171.2 平方公里）。1998年长江特大洪水以后，我国开始实行了退耕还湖政策，而本研究显示大面积的农业用地转变成了水产养殖区而非自然湖泊。

图4  湖泊三种覆盖类型在不同时间阶段的面积变化特征和潜在的社会经济驱动力。（a）湖泊三种覆盖类型在不同时间阶段的面积变化；（b）湖泊三种覆盖类型在不同时间阶段的面积转变；（c）影响湖泊围垦的主要社会经济事件和政策

湖泊围垦给长江流域带来了显著的经济效益，然而对自然生态系统造成的影响也是显而易见的。几乎所有湖泊的蓄水量都显著减少，进而导致了洪水发生风险的增加（图5（a）—（b））。

112个湖泊的蓄水总量下降了12.7 立方千米，占70年代湖泊蓄水量的29.8％。因此，湖泊蓄洪能力下降，在强降雨后地表径流增加，形成洪水泛滥。这种现象在“百湖之市”的武汉更为明显，围垦导致的湖泊蓄洪能力下降及城市化带来的不透水面增加，是武汉内涝问题形成的主要因素。

此外，湖泊围垦也引发了水质问题，水产养殖区的隔断造成水交换减少，从而削弱了湖泊对主要污染物的稀释功能，而且水产养殖区广泛投放营养丰富的饵料用于渔业养殖，会进一步增加湖泊的营养负荷，造成富营养化和蓝藻繁殖。研究团队通过对实地采样的营养盐、叶绿素等水质参数的分析发现水产养殖区的叶绿素浓度和营养盐含量普遍高于自然水体区域（图5（d））。

图5 围垦对湖泊水文和水质的影响。（a）1973年和2018年湖泊蓄水能力的对比，每个点代表一个湖泊；（b）长江流域洪水频率和年平均降雨的长期变化；（c）水产养殖区和自然水体区Landsat水体颜色指数（FUI，无量纲）的对比；（d）水产养殖区和邻近自然水体区的实测水质参数对比

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详见论文

数据共享

文中所有Landsat围垦提取结果数据链接：https://figshare.com/articles/dataset/Reclamation_shapefile_rar/12687230

团队简介

第一作者简介

侯雪姣，荷兰乌特勒支大学博士后，主要研究方向为内陆水体水环境遥感。

E-mail : [e-mail]

通信作者简介

冯炼，南方科技大学助理教授/博士生导师，主要研究方向为内陆与海岸带水环境遥感。

E-mail : [e-mail]

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