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海岸带城市化对近岸海域叶绿素a浓度的影响——以深圳为例

易琳 周凯 王久娟 韩宇 段广拓 陈劲松

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海岸带城市化对近岸海域叶绿素a浓度的影响——以深圳为例

    作者简介: 易琳(1986-), 女, 四川广元人, 助理研究员, 从事近岸海域生态环境研究, E-mail:lin.yi@siat.ac.cn;
    通讯作者: 陈劲松, E-mail:js.chen@siat.ac.cn
  • 基金项目: 国家自然科学基金青年基金(41801223);江苏省自然科学基金(BK20180115)
  • 中图分类号: X171.1

Urbanization of coastal zone impacts on Chlorophyll-a concentration in offshore area: a case study of Shenzhen

  • 摘要: 受大范围、长时间序列监测数据获取难等因素的制约,海岸带城市化活动对近岸海域叶绿素a(Chl a)浓度整体空间分异影响揭示不足。本文利用奇异谱分析方法对2015年深圳沿岸海域的Chl a浓度日均值序列进行多尺度解析,增加可分析数据的丰富度,进而研究海岸带城市化与Chl a浓度时空分异的关系。结果表明,浮标点对应缓冲区内土地利用类型的面积比、空间分布对近岸海域Chl a浓度有控制作用,且影响程度工业用地>居住地>农业用地。浮标点到海岸带的最近距离越近,Chl a浓度固定波动周期越长和月/周波动幅度越大。工业用地、居住地规模和分布的逐年扩大会缩短Chl a浓度波动周期。
  • 图 1  各监测站原始序列

    Figure 1.  Original series of each station

    图 2  多尺度分解结果

    Figure 2.  Multiscale decomposition with SSA

    图 3  1980—2015年间海岸带土地利用要素空间转移

    Figure 3.  Land use elements spatial transferring in coastal zone from 1980 to 2015

    图 4  海岸带居住地、工业用地、农业用地的空间分布

    Figure 4.  Spatial distributions of residential land, industrial land and agricultural land in coastal zone

    图 5  1990—2015年海岸带西、东部居住地、工业用地和农业用地面积比变化

    Figure 5.  Area changes of industry and residential land in west and east coastal zone from 1990 to 2015

    图 6  1990—2015年各浮标点10 km缓冲区范围内各类土地利用类型面积比

    Figure 6.  Area ratio of each type land use in 10 km buffers of each station from 1990 to 2015

    表 1  序列特征分量方差贡献率(%)

    Table 1.  Variance contribution rates of characteristic components (%)

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-04-03
  • 录用日期:  2019-05-24
  • 刊出日期:  2020-04-20

海岸带城市化对近岸海域叶绿素a浓度的影响——以深圳为例

    作者简介:易琳(1986-), 女, 四川广元人, 助理研究员, 从事近岸海域生态环境研究, E-mail:lin.yi@siat.ac.cn
    通讯作者: 陈劲松, E-mail:js.chen@siat.ac.cn
  • 1. 中国科学院深圳先进技术研究院数字所物联网计算研究中心, 广东 深圳 518055
  • 2. 深圳市海洋监测预报中心, 广东 深圳 518000
  • 3. 中国科学院深圳先进技术研究院数字所空间信息中心, 广东 深圳 518055
  • 4. 深圳海洋环境大数据应用与分析工程实验室, 广东 深圳 518055
基金项目: 国家自然科学基金青年基金(41801223);江苏省自然科学基金(BK20180115)

摘要: 受大范围、长时间序列监测数据获取难等因素的制约,海岸带城市化活动对近岸海域叶绿素a(Chl a)浓度整体空间分异影响揭示不足。本文利用奇异谱分析方法对2015年深圳沿岸海域的Chl a浓度日均值序列进行多尺度解析,增加可分析数据的丰富度,进而研究海岸带城市化与Chl a浓度时空分异的关系。结果表明,浮标点对应缓冲区内土地利用类型的面积比、空间分布对近岸海域Chl a浓度有控制作用,且影响程度工业用地>居住地>农业用地。浮标点到海岸带的最近距离越近,Chl a浓度固定波动周期越长和月/周波动幅度越大。工业用地、居住地规模和分布的逐年扩大会缩短Chl a浓度波动周期。

English Abstract

  • 受滨海城市日益突出的人地矛盾影响,海岸带城市化进程的加剧对近岸海域生态系统干扰不断增强,致使近岸海域生态环境遭受严重破坏,水体富营养化导致的赤潮、绿潮等事件频发[1]。Chl a作为浮游生物体的重要组成成分之一,其浓度高低是表征水体富营养化状况[2]和评价海域生态环境质量的重要依据[3],常用于分析水体理化性质、评价海水质量状况[4]。研究人类活动与近岸海域Chl a浓度时空分布特征关系是现阶段认识海域Chl a浓度变化作用过程与机制的主要途径[5-7],但滨海城市近岸海域Chl a浓度高低及时空分布同时受水温、营养盐、昼夜节律、潮汐、海水养殖、围填海、入海河流污染物排放等自然和人为因素共同影响,如何理清海岸带城市化与近岸海域Chl a浓度的关系对解析近岸海域生态环境中人类活动的影响具有重要意义。

    深圳地处珠江入海口东岸、毗邻香港,入海河流较多,其近岸海域受人类干扰剧烈,是研究近岸海域Chl a浓度与海岸带快速城市化响应关系的理想区域。现有相关研究揭示了Chl a浓度变化不同季节的空间分异及其浓度高低与水温、盐度、COD、TOC等因素的相关性[8-9],明确了开发程度轻、人口稀疏的东部沿岸海域污染物较人类活动剧烈的西部沿岸海域含量高[10-11],体现了近岸人类活动对近岸海域生态环境的干扰,但多局限于特定时段、特定污染事件和污染物的认识。这主要缘于大范围、长时间序列监测数据获取不易,传统单维度的数据分析对Chl a浓度时空分异信息揭示不足。

    对受多种因素综合影响的近岸海域Chl a浓度变化序列进行多尺度特征解析,提取包含趋势性、周期性和突变性的多种谱系序列组分,可增加其可分析信息的丰富度,弥补数据纵向不足的问题。加之,海岸带城市化对近岸海域的环境影响是一个连续积累的过程,研究不同尺度周期性波动的差异与城市化变化之间的关系,更能揭示近岸海域Chl a浓度对城市化活动的响应。奇异谱分析法[12]不受正弦波假定约束,具有稳定识别和强化周期信号的功能,广泛应用于时间序列的多尺度分解。本文基于奇异谱分析方法,在解析深圳近岸海域2015年Chl a浓度多尺度波动特征基础上,分析影响各尺度特征的城市化活动,并揭示其对近岸海域Chl a浓度时空分异的影响,为维系滨海城市近岸海域良好生态环境提供科学依据。

    • 考虑不同岸段海岸带的城市化强度存在差异,本文从深圳近海浮标自动监测系统内选取针对海岸带不同人类活动强度的10个浮标站点(图 1),分别是位于半封闭型海湾内的SZ1、DP1、DY3、DY1,开敞型海湾的ZJ1、ZJ3、DY5、DP2、DP3、DP4。各站点每半小时采集一次表层水质数据,监测Chl a浓度、海水温度等信息;各指数采用美国Wetlabs WQM水质多参数监测仪测定,且浮标投放前后定期使用荧光分光光度法校对了Chl a传感器。本文数据为2015年完整年周期的Chl a浓度日均值序列(图 1),部分站点数据缺失,但整体上均呈规律周期波动和异常振荡叠加的非线性变化态势。

      ① GB17378.7-2007, 海洋监测规范,近海污染生态调查和生物监测

      图  1  各监测站原始序列

      Figure 1.  Original series of each station

    • 海岸带城市化是一种人类对海岸带的一般不可逆转和客观作用的自然景观转换过程。土地利用是城市化过程中城市系统与环境变化之间最直接、最强烈的反映[13],是对海岸带人类活动的很好描述和度量[14-15]。同时,海湾沿岸污染源主要源于生活、工业、农业等污染[16],基于对居住地、工业用地、农业用地等土地类型格局的分析,可间接描述海岸带陆源污染排量及空间分布。因此,通过研究浮标点对应缓冲区10 km范围[17]内土地利用要素分布及转移与Chl a浓度变化关系,揭示海岸带人类活动对近岸海域Chl a浓度空间分异的影响。

      整理收集三期(1990、2000和2010年)30 m分辨率的TM和HJ卫星影像共11幅,2015年的TM影像1幅,提取每年的海岸线并分别计算10 km缓冲区范围,并综合利用归一化植被指数、高斯归一化水体指数、NDVINDWI等指数,提取各期海岸带土地利用类型:林地、草地、湿地、耕地、园地、工业用地、交通用地、居住地、裸土[18]。采用现场调查辅以人工目视解译的方式进行抽样调查验证,计算误差矩阵和Kappa系数,精度均高于85%。

    • 从有噪声的原始序列中提取稳定多尺度周期信号,是稳定识别近岸海域Chl a浓度多尺度特征的关键。奇异谱分析方法(singular spectrum analysis, SSA)[15]是一种广义谱分析方法,其基于时域性的频域特征分析方式识别和描述信号,不受正弦波假定约束,具有稳定识别和强化周期信号的特性,被广泛应用于多尺度显著周期振荡行为的信号提取[19-20]。该方法可有效滤除原始序列中的噪音,从中提取出与时间尺度密切相关的多尺度波动结构。基本思路如下:

      将一维时间序列y(t) (t =1, …, N +m +1)按给定时间滞后m进行重排列,构成新的时滞排列矩阵:

      YT作时滞经验正交展开得到的前几个特征向量即代表了序列振荡的主要周期模态,而相对应的时间系数则表示了相应周期的长期变化特征[19]

    • 根据分析尺度需求并结合原始序列长度,对Chl a浓度原始序列进行奇异谱分解,得各站点特征分量的方差贡献率构成表(表 1),分量数的选取需覆盖不同尺度,选取较大方差贡献率的偶数对尺度表征分量;重构各站点分解的特征分量,总方差贡献率大于等于70%基本能反映各站点整体波动;不同分量方差贡献率反映了各站位不同尺度波动成分对整体序列贡献率的大小[20],可间接揭示区域海面表层不同尺度上Chl a浓度变化的空间分异。

      表 1  序列特征分量方差贡献率(%)

      Table 1.  Variance contribution rates of characteristic components (%)

      表 1可知,各站点特征分量数目及其方差贡献率构成表现出显著的随不同海湾类型的聚集特征和东西差异。从第一趋势分量方差贡献率来看,贡献率大于50%的浮标站点除ZJ1(78.15%)外均分布在半封闭型海湾,各浮标站点比率分别为:SZ1(67.22%)、DP1(70.20%)、DY3(69.46%)、DY1(54.82%);小于50%的则聚集在开敞型海湾内:ZJ3(30.62%)、DP2(22.67%)、DP3(37.41%)、DP4(29.70%)、DY5(42.54%)。对比西、东部沿岸海域各浮标点第一分量方差贡献率可知,西部距离岸边越近的浮标点其贡献率越大,如ZJ1(78.15%)、SZ1(67.22%)较ZJ3(30.62%)距离岸边更近,其第一分量方差贡献率更大。而东部,处于同一海湾类型的浮标点其第一分量方差贡献率有相同的特征,如大于50%的DP1、DY3、DY1均位于半封闭型海湾内,其余站点均小于50%,位于开敞型海湾。

    • 根据各浮标点不同分量频谱特征,对照不同尺度特征进行分量重构,得到各浮标点多尺度分解结果(图 2)。覆盖了变化趋势、季度/双月波动尺度、双月/月波动尺度和周波动尺度的波动序列。解析各尺度浮标点波动序列差异,发现其东西分异特征显著且与浮标点所处的海湾类型密切相关。

      图  2  多尺度分解结果

      Figure 2.  Multiscale decomposition with SSA

      选取表征各序列的整体年变化趋势分量1或分量1、2,重构得变化趋势如图 2a所示,西部沿岸附近浮标点(ZJ3除外)均呈下降趋势,东部沿岸浮标点中DP2、DP3、DP4趋势特征未显著表现出波动特征、其余站点则均呈上升趋势。其东西分异和东部内部的分异体现了不同海岸带人类活动状况和近岸海域环境综合影响的差异。由图 2b所示的季度/双月波动序列分量重构结果可知,西部沿岸浮标点均位于珠江口入海口海域,同时受河水温度、洋流、海水温度等因素共同影响,表现出典型双月波动特征。东部沿岸的浮标点则分两类:DY1、DP1均位于半封闭型海湾深处,受洋流、海域异常波动等干扰较小,且岸边活动变化较小,表现出现对稳定的季度波动特征;DP2、DP3、DP4位于半开敞式海湾表现出相似的波动特征(非典型双月波动),且DP3和DP4空间上更靠近因而波动更相似。

    • 对相似波动特征的更小尺度波动分量的重构(图 2c图 2d),分别揭示了双月/月波动和更小尺度的周/天为单位的波动特征,表现出相同海湾类型的浮标点呈相似特征。图 2c显示出同属开敞型海湾的ZJ1、DY5站点的半月波动特征明显,同属半封闭型海湾的SZ1、DP1、DY1月波动特征显著,开敞型海湾的DP2、DP3表现出相同波动周期。图 2d显示出各站点周尺度上不同幅度的波动特征。除ZJ3和SZ1仍显示出典型的半月波动特征外,其余各站点均具有明显的周尺度特征。就波动幅度而言,幅度最大的DP2、DP4均位于东海岸属开敞型海湾;幅度最小的为DP1、DY3均属于半封闭型海湾。

    • 人类活动对Chl a的影响是长期积累的过程,通过分析海岸带土地利用类型变化、空间分布特征与Chl a浓度年趋势空间分异的关系,探讨二者影响关系。由趋势分析结果可知,其整体呈显著东西差异,即西部除站点ZJ3外,其余站点均呈下降趋势;东部则呈上升/波动上升趋势。而这一态势与1980—2015年的海岸带土地利用要素转移的空间分布所呈现的东西差异吻合,非人工表面向人类活动聚集度更高的交通用地、居住地和工业用地转移的要素整体上集中分布在西部(图 3)。

      图  3  1980—2015年间海岸带土地利用要素空间转移

      Figure 3.  Land use elements spatial transferring in coastal zone from 1980 to 2015

      同时与土地利用类型的分布也相一致,即居住用地和工业用地主要分布在西部海岸带且分布连续,东部海岸带居住地、工业用地和农业用地主要分布在近海沿岸,且工业用地集中在盐田港附近(图 4)。可见,人类活动对海岸带土地利用类型与近岸海域Chl a的浓度高低间可能存在一定响应关系。

      图  4  海岸带居住地、工业用地、农业用地的空间分布

      Figure 4.  Spatial distributions of residential land, industrial land and agricultural land in coastal zone

      考虑到海岸带工业用地、居住地和农业用地类型分别会有工业污水、生活污水、农业污染排入近岸海域,是影响近岸海域水体环境的重要因素。以深圳和香港交界处作为界限将海岸带分为西部和东部,分别统计1990—2015年的工业用地、居住地和农业用地面积。对比西部、东部面积变化特征(图 5),1990—2015年各时期西部工业用地和居住地面积均比东部大,且增长速率均大于东部。这两类用地面积变化特征与图 2a所示的浮标点Chl a浓度年趋势东西差异特征一致,人类活动强度和规模大的西部,其近岸海域Chl a浓度年趋势统一呈下降特征;而东部人类活动强度整体小则其Chl a浓度年趋势则表现出上升趋势或波动变化特征。表明海岸带工业用地和居住用地面积分布的多少和聚集度对近岸海域Chl a浓度年趋势可能存在一定影响。即工业用地和居住地面积越大、增长越快、分布越聚集,近岸海域浮标点Chl a浓度年趋势下降越快。农业用地,东部各时期整体均高于西部,其面积比逐年下降,对近海Chl a浓度的影响较居住地和工业用地小。

      图  5  1990—2015年海岸带西、东部居住地、工业用地和农业用地面积比变化

      Figure 5.  Area changes of industry and residential land in west and east coastal zone from 1990 to 2015

    • 选择受洋流、海域异常波动等干扰较小的半封闭型海湾内浮标点进行对比分析。东部的DP1、DY1、DY3和西部的SZ1均位于半封闭型海湾内,海湾内水动力较弱、海水交换周期长、污染物聚集、较难迁移扩散[16],表层水域环境受近岸人类活动影响较多。从2015年年趋势特征上来看,东部的三个站点相似,整体均呈上升态,而西部的SZ1则呈下降趋势。东部三个站点对应缓冲区内2015年居住地面积比相当,分别为10.86%、7.14%和7.62%,工业用地面积比均小于15%,西部SZ1对应缓冲区内居住地面积比为45.60%、工业用地面积比为31.32%;表明沿岸居住地和工业用地所占面积比达到一定阈值可能对近岸海域Chl a浓度增长有一定控制作用。

      其中,DY1和DY3对应缓冲区内2015年居住地、工业用地和农业用地面积比相当(即DY1分别为:7.14%、0.68%、11.58%,DY3为:7.62%、0.64%、12.70%),年趋势一致均持续增长至8—9月后开始下降;而DP1持续增长至11月后开始下降,其居住地和工业用地占比均高于DY1和DY3,分别是10.86%、11.49%,农业用地(3.65%)较上述二者小。可见,海岸带居住地和工业用地的面积比对近岸海域Chl a浓度增长的抑制作用大于农业用地。加之,SZ1所处的深圳湾内填海活动早且剧烈,水下动力弱且水体悬浮物质对外交换周期较东部大鹏湾(DP1)和大亚湾(DY1、DY3)更长,加强了这种抑制作用。陈晓玲也表明陆源污染对Chl a浓度分布确实有控制作用[21]

    • 从不同尺度波动周期来看,张彦南[9]、李丽[22]、张才学[23]、王小平[24]等人研究得出深圳半封闭型海湾内Chl a浓度及海水内部环境因素均具有典型的季节性特征。但从图 2的多尺度分解结果可知,4个浮标点Chl a浓度波动周期均显著但周期大小存在差异,DP1和DY1季节性波动显著,而SZ1双月周期显著、DY3的显著波动周期则更小。这可能与浮标点距离岸边最近陆地的距离有关,DY3位于大亚湾开口的边缘且距离岸边陆地的距离(1.70 km)较DY1(1.41 km)和DP1(0.46 km)远,受海水营养盐、海表温度、水动力作用等因素影响增强。其中,SZ1距陆地最近距离0.84 km,但周期比DP1和DY1小,可能缘于西部、东部海岸带整体大的海域内部环境的差异。即西部海岸带位于珠江口,还受冲淡水和浊度的影响。黄小平[15]也指出,半封闭型海湾内污染物的平面分布具有湾内向湾外递减,近岸向远岸递减的趋势。可见,距离海岸带陆地越近,海域水体环境受岸边人为干扰越严重,Chl a浓度的固定波动周期越长。同时,月波动序列和周期波动序列的分析结果(图 2c图 2d)也显示出浮标点距离岸边最近距离越远,Chl a浓度月/周波动幅度越小。

    • 为进一步揭示海岸带城市化活动对近岸海域Chl a浓度分布的影响,考虑到珠江口、大鹏湾和大亚湾各海域内部大环境相似,对比分析各海域内浮标点之间Chl a浓度的多尺度波动特征差异,探讨其可能的影响因素。珠江口海域内的浮标点ZJ1呈下降趋势,ZJ3呈上升趋势,其差异可能与距离入海口远近有关,越靠近珠江入海口上游,周围海水养殖丰富,泥沙含量越高。波动周期差异主要体现为ZJ3双月波动周期显著,ZJ1不显著;ZJ3更小尺度波动周期比ZJ1大。可能与ZJ3距离海岸带最远且北部有岛屿阻隔,其Chl a浓度的变化受珠江冲淡水的影响较该区域其他站点小有关。ZJ1靠近入海口上游,受径流量、养殖环境等因素综合影响更大,波动周期不显著。

      大鹏湾内浮标点DP2、DP3、DP4均位于开敞型海湾,该海域水下地形无明显变化、潮流弱南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室.深圳海洋与岸线资源保护与合理开发利用策略研究.2002年11月,各站点月/半月波动周期的差异体现在,DP2、DP3为半月周期,DP4为月周期;可能缘于DP4位于大鹏湾内的小海湾,岸线更曲折、水动力交换更弱,Chl a浓度变化周期更长。且图 6可知,浮标点DP4沿岸没有工业用地分布、且农业用地面积比基本不变,居住地面积比增长速率(0.07)均小于DP2(0.76)和DP3(0.56)。可能工业用地的分布、居住地面积比的增长会缩短Chl a浓度的波动周期。庞仁松[9]等人也表示陆源输入是影响该海域Chl a浓度分布的重要因素。

      图  6  1990—2015年各浮标点10 km缓冲区范围内各类土地利用类型面积比

      Figure 6.  Area ratio of each type land use in 10 km buffers of each station from 1990 to 2015

      大亚湾内浮标点DY1、DY3均呈上升趋势、DY5趋势不明显,可能与DY5位于大鹏湾和大亚湾水流交汇海域、水下动力因素更复杂有关。季度/双月和月/半月波动周期差异均体现出,DY1有别于DY3和DY5。即DY1表现出显著的季节性波动和月尺度的波动周期,而DY3和DY5两个尺度上的波动周期都更小。DY5和DY3位于大亚湾开口的边缘,海水动力作用和海岸带的土地利用分布和多年要素转移情况相似,Chl a浓度变化趋势也相似;主要受海岸带土地利用类型、要素转移空间分布、海表温度、距离海岸线距离等因素综合影响的结果。

      总的来看,在水动力交换条件弱且距离海岸线较近的海域,海岸带人类活动是加速水体富营养化、Chl a浓度逐渐上升、周期波动复杂化的重要因素。

    • (1) 海岸带居住地、工业用地和农业用地的面积比、空间分布对近岸海域Chl a浓度有控制作用,即面积越大、增长越快、分布越聚集,其年趋势下降越快,且影响程度为工业用地>居住地>农业用地。

      (2) 海岸带居住地和工业用地所占面积比达到一定阈值可能对近岸海域Chl a浓度增长有一定控制作用。距离岸边距离越近,其固定波动周期越长、月/周波动幅度越大。

      (3) 海岸带工业用地分布、居住地面积比的增长会缩短Chl a浓度波动周期。在水动力交换条件弱且距离海岸线较近的海域,海岸带人类活动是加速水体富营养化、Chl a浓度逐渐上升、周期波动复杂化的重要因素。

参考文献 (24)

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