城市化驱动下南非坦比萨Kaalspruit湿地土地利用/覆被变化的时空动态分析（1990-2022年）

《Watershed Ecology and the Environment》：Assessing land-use and land cover change in peri-urban wetland in Tembisa, South Africa

　　本研究针对南非豪登省坦比萨地区Kaalspruit湿地因快速城市化面临严重退化的问题，利用Landsat卫星影像（1990-2022年），通过最大似然法（ML）进行土地利用/覆被分类，揭示了32年间湿地景观的剧烈变化。结果表明，建成区面积激增255.37公顷（增幅132%），而植被、水体和耕地面积分别减少144.42公顷（71%）、20.78公顷（76%）和111.33公顷（94%），湿地生态服务功能严重受损。该研究为城市湿地保护与可持续管理提供了关键的时空数据支持。

　　

在南非人口稠密的豪登省，有一个名为坦比萨（Tembisa）的城镇，它是约翰内斯堡大都市区的一部分，正经历着快速的城市扩张。在这片日益被钢筋混凝土覆盖的土地上，曾经滋养着生灵的湿地生态系统，正悄然发生着剧变。其中，Kaalspruit湿地便是这样一个缩影，它如同城市的“肾脏”，默默承担着净化水质、调蓄洪水、维系生物多样性的重任。然而，随着人口激增、住房需求暴涨以及缺乏规划的城市发展，这片珍贵的湿地正被居民区、道路以及非正式的垃圾填埋场一步步蚕食和污染。湿地植被被清除，水体面积萎缩，其原有的生态功能正面临严峻挑战。为了精确量化这种变化，并揭示其背后的驱动因素，研究人员将目光投向了跨越三十余年的卫星影像，试图描绘出Kaalspruit湿地命运多舛的时空轨迹。

为了回答上述问题，研究人员开展了一项题为“城市化驱动下南非坦比萨Kaalspruit湿地土地利用/覆被变化的时空动态分析（1990-2022年）”的研究，相关成果发表在《Watershed Ecology and the Environment》期刊上。该研究旨在利用多时相遥感数据，精确量化1990年至2022年间Kaalspruit湿地及其周边缓冲区的土地利用/覆被变化（LULCC）动态，识别主要的变化类型、速率和空间格局，并深入探讨城市化进程对湿地生态系统造成的具体影响，以期为该湿地的保护、恢复和可持续管理提供科学依据。

为开展此项研究，研究人员主要运用了遥感与地理信息系统（GIS）技术。他们获取了1990年、1998年、2006年、2014年和2022年共五个时相的Landsat系列卫星影像（包括TM、ETM+和OLI传感器数据）。首先对影像进行了辐射定标和大气校正等预处理。随后，在ArcGIS Pro软件环境中，结合实地知识和谷歌地球（Google Earth）高分辨率影像，建立了包括建成区、植被区、耕地、裸地和水体在内的五个土地利用/覆被分类体系。研究采用监督分类方法中的最大似然法（ML）对每个时相的影像进行分类，该方法基于统计判别函数，能有效处理光谱特征重叠的情况。分类完成后，利用从谷歌地球提取的验证点进行精度评估，确保分类结果的可靠性（总体分类精度在80%至92%之间）。最后，运用变化检测技术中的分类后比较法，生成不同时段（如1990-1998, 1998-2006等）的土地利用转移矩阵和变化图谱，从而精确量化各类土地类型的面积变化、转化方向及空间位置。

3.1. Kaalspruit湿地的LULCC动态

研究结果显示，在1990年至2022年的32年间，Kaalspruit湿地的土地利用/覆被格局发生了剧烈而深刻的变化。建成区是扩张最为显著的地类，其面积从1990年的194.07公顷（占研究区35%）持续增长至2022年的449.44公顷（占81%），净增255.37公顷，增幅高达132%。这种扩张主要以侵占植被、耕地和水体为代价。与之形成鲜明对比的是，植被覆盖面积从202.52公顷（36%）锐减至58.11公顷（10%），净减少144.42公顷（71%）；耕地面积从118.16公顷（21%）急剧萎缩至6.84公顷（1%），净减少111.33公顷（94%）；水体面积也从27.30公顷（5%）缩减至6.52公顷（1%），净减少20.78公顷（76%）。裸地面积则在波动中有所增加，从1990年的13.29公顷（2%）增至2022年的35.61公顷（6%），这反映了土地被清理后尚未建设的过渡状态。空间分布上，建成区的扩张清晰地沿着湿地边缘并向内部推进，原先的绿色植被和蓝色水域被灰白色的建成区所替代，湿地景观破碎化程度加剧。

3.2. 土地利用/覆被变化检测

变化检测分析进一步揭示了不同时段土地类型转化的细节。在1990-1998年期间，建成区和裸地是主要的“赢家”，分别增益23.81公顷和42.47公顷，而耕地和植被是主要的“输家”，分别损失55.40公顷和12.70公顷。1998-2006年，建成区扩张加速，增益达93.86公顷，裸地也增益37.90公顷，植被和耕地继续大幅减少（分别损失70.83公顷和46.31公顷）。2006-2014年，建成区扩张达到顶峰，增益138.97公顷，植被、裸地和耕地持续被侵占。2014-2022年，建成区扩张速度略有放缓甚至出现微小负增长（-1.26公顷），表明可能趋于饱和，但水体和耕地仍在持续减少。纵观整个研究期（1990-2022），建成区的急剧扩张和裸地的增加，与植被、耕地和水体的大幅萎缩形成了不可逆转的转化趋势，清晰地表明了城市化进程是导致Kaalspruit湿地退化的最直接、最主要的驱动力。

研究的结论部分明确指出，过去32年里，Kaalspruit湿地经历了严重的退化和空间萎缩。快速的城市化，特别是人口增长驱动的建成区无序扩张，是导致这一变化的核心驱动力。这种扩张不仅直接占用了湿地空间，还伴随着固体废弃物和污水排放、农业开垦等人类活动，共同加剧了湿地的污染、水文改变和生境破碎化。植被覆盖度的急剧下降和水体面积的显著缩小，严重削弱了湿地在净化水质、蓄滞洪水、调节局部气候以及为水鸟、水生无脊椎动物等物种提供栖息地等关键生态系统服务方面的能力。湿地作为“城市之肾”的功能正在迅速丧失。

讨论部分深入剖析了研究发现的意义。本研究通过长时序的遥感监测，为理解南非乃至全球类似快速城市化地区peri-urban（城郊）湿地的演变规律提供了典型案例。Kaalspruit湿地的命运警示我们，在缺乏有效规划和管理的情况下，城市扩张对湿地生态系统的压力是毁灭性的。研究结果强调，亟需采取有效措施来遏制湿地的进一步退化，这包括：严格限制在湿地及其缓冲区内进行新的开发建设；改善现有的污水和垃圾处理设施，减少点源和面源污染；并考虑对已退化湿地区域进行生态修复。此外，提升当地社区对湿地生态价值认知的公众教育也至关重要。该研究不仅为Kaalspruit湿地的保护和管理提供了精确的科学数据支撑，其研究方法与结论对于面临类似城市化压力的其他地区湿地保护也具有重要的借鉴意义。未来的研究可进一步结合社会调查和更高分辨率的遥感数据，深入探讨气候变化、社区生计与湿地退化的交互作用，并为制定更具包容性和可持续性的湿地管理策略提供依据。