基于GIS的平潭島生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)研究

黃海舟， 鄭韜， 王瓔婕， 鄭曉昕， 羅靖婷， 郭磊

（福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院）

1 引言

海島是重要生態(tài)功能的儲(chǔ)存基地，是維護(hù)國(guó)家權(quán)益的重要平臺(tái)，也是人類賴以生存的載體以及海洋保護(hù)與利用的關(guān)鍵[1]，但由于其特殊的地理位置、有限的數(shù)量和相對(duì)獨(dú)立而完整的生態(tài)環(huán)境，海島生態(tài)系統(tǒng)相比其他生態(tài)系統(tǒng)的抗壓性更低。自2009年7月平潭島被設(shè)立為綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)起，平潭島的城市化進(jìn)程大大加速，隨著人類活動(dòng)愈來愈多地利用和干擾海島生態(tài)系統(tǒng)，島上的自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到較為嚴(yán)重的影響，生態(tài)環(huán)境失衡的情況下，為防止海島開發(fā)建設(shè)產(chǎn)生更嚴(yán)重的后果，想要在平潭海島實(shí)施綜合試驗(yàn)區(qū)規(guī)劃戰(zhàn)略的同時(shí)兼顧土地利用合理性，使經(jīng)濟(jì)文化的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)“和諧城市”的最終目標(biāo)，有必要評(píng)估平潭海島的生態(tài)敏感性，為平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)的建設(shè)提供可以保證自然和經(jīng)濟(jì)并存的可持續(xù)發(fā)展的理論依據(jù)。目前，海島所面臨的生態(tài)問題十分嚴(yán)峻，治理方案制定復(fù)雜、實(shí)施困難。生態(tài)敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)對(duì)其內(nèi)部自然環(huán)境變化和人類活動(dòng)干擾反應(yīng)的敏感程度[2]，它反映了區(qū)域生態(tài)環(huán)境遭到難以恢復(fù)的破壞的難度、可能性和恢復(fù)速度。生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)是通過分析多種環(huán)境影響因素來確定需要優(yōu)先或重點(diǎn)開展生態(tài)環(huán)境建設(shè)和保護(hù)的區(qū)域的一種重要的方法[2]，也是對(duì)生態(tài)環(huán)境采取科學(xué)有效的保護(hù)和恢復(fù)措施的參考。

平潭島作為一個(gè)相對(duì)完整且獨(dú)立的區(qū)域，不易受陸地影響，不同區(qū)域的植被狀況差異較大，且大部分植被已遭到破壞，因此，研究其空間層面上的生態(tài)敏感性的差異尤其重要。目前，已有多位國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過空間疊加分析技術(shù)、層次分析法及線性混合像元分解法等方法定量或者半定量地分析了平潭島植被的空間分布規(guī)律或生態(tài)安全格局。如劉堯文利用多時(shí)相的植被覆蓋度年際空間變化分析了平潭島植被覆蓋度與地形因子及人為活動(dòng)之間的聯(lián)系[3]；鄭禮鵬定量評(píng)價(jià)平潭島土地生態(tài)敏感性和建設(shè)用地適宜性，從生態(tài)安全的角度分析了建設(shè)用地格局[4]；江源通考慮了自然保護(hù)區(qū)的要求選取與平潭島城市生態(tài)安全密切相關(guān)的生態(tài)因子進(jìn)行分析，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了相應(yīng)的海島城市生態(tài)安全格局[5]。綜上研究可以發(fā)現(xiàn)，以往的研究對(duì)平潭島的生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)起到了積極的推動(dòng)作用，直接或間接的影響到平潭的生態(tài)安全格局，可以為后續(xù)研究提供一定的理論幫助。但已有研究側(cè)重點(diǎn)在于土地利用類型和植被覆蓋，對(duì)平潭島生態(tài)敏感性方面的研究較少。因此，有必要利用近期數(shù)據(jù)結(jié)合平潭島的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能變化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r等從更多角度對(duì)平潭島的生態(tài)敏感性和土地適宜性進(jìn)行探討。本研究結(jié)合平潭島的高程、坡度、坡向、水域緩沖區(qū)、土地利用和植被覆蓋率對(duì)平潭島的生態(tài)敏感性進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，以期為平潭島的生態(tài)保護(hù)和區(qū)域發(fā)展提出建議。

2 研究區(qū)概況

平潭島又被稱為海壇島，地處于我國(guó)東南的沿海地區(qū)（見圖1），位于東經(jīng)119°32'～120°10'，北緯25°15～25°45。該島的東西向的寬度約為19km，南北向的長(zhǎng)度約為29km，陸域面積約在371.91km2[6]。其位于閩東南沿海變質(zhì)帶，屬于閩東火山斷拗帶類型的大地構(gòu)造。平潭島的傳統(tǒng)聚落主要分布在濱海平原、丘陵和臺(tái)地地帶；地勢(shì)較低平，中部略高，地形以海積平原為主，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，終年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，年平均氣溫19.4℃[7]。平潭島周圍環(huán)海，有約8億m3的花崗巖儲(chǔ)量；砂地面積約82.3km2，石英砂儲(chǔ)量約為16億t。海洋中的品種龐雜，總的種類達(dá)九百多種，平潭的水產(chǎn)品總量位于福建省前三[8]。

圖1 平潭島區(qū)位分析圖

3 數(shù)據(jù)來源與生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.1 數(shù)據(jù)來源

從GlobeLand30全球地表覆蓋數(shù)據(jù)獲取土地利用數(shù)據(jù)（分辨率為30m×30m），獲取的數(shù)據(jù)與遙感影像中的土地利用現(xiàn)狀相比差異較小。從地理空間數(shù)據(jù)云獲取平潭海島DEM數(shù)據(jù)和植被覆蓋影像的Landsat8影像數(shù)據(jù)，從2021年6月的影像數(shù)據(jù)中選取云量小于10%的圖片，空間分辨率為30m×30m。

3.2 生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

3.2.1 評(píng)價(jià)因子選取與等級(jí)劃分

依據(jù)生態(tài)學(xué)領(lǐng)域?qū)＜抑笇?dǎo)意見，參考生態(tài)敏感性相關(guān)論文中生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)方法的指標(biāo)選取，結(jié)合平潭島當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境情況的綜合特征，完成平潭海島生態(tài)因子數(shù)據(jù)的篩選，所采用的分析評(píng)價(jià)平潭海島生態(tài)敏感性的主要指標(biāo)包括坡向、坡度、高程、土地利用類型、NDVI、NDWI這6個(gè)生態(tài)因子，并對(duì)以上6個(gè)生態(tài)因子進(jìn)行分級(jí)賦值。

采用適宜的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)定量化處理6個(gè)影響因子，將各因子分級(jí)并且一一對(duì)應(yīng)賦值，即生態(tài)不敏感、輕度敏感、中度敏感、重度敏感和極度敏感，以上等級(jí)分別對(duì)應(yīng)數(shù)值1、3、5、7、9，具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1。

表1 生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.2.2 層次分析法與評(píng)價(jià)因子權(quán)重確定

1）建立遞階層次結(jié)構(gòu)

梳理研究問題將其條理化并且分解為不同的因素，根據(jù)各因素之間相互作用和影響程度將各因素分為不同類型，歸納為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層，構(gòu)造出一個(gè)有層次的結(jié)構(gòu)模型。

2）生成因子判斷矩陣表

根據(jù)層次權(quán)重決策分析的方法，參考多位學(xué)者的研究結(jié)果詢問相關(guān)意見，結(jié)合平潭島當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境的狀況，采用兩兩對(duì)比單因子之間對(duì)于生態(tài)環(huán)境的相對(duì)重要程度，并根據(jù)構(gòu)建如表2所示的判斷矩陣，并得出各因子的權(quán)重值。

表2 因子判斷矩陣表

3）層次單排序計(jì)算

計(jì)算判斷矩陣的最大特征值以及其相應(yīng)的特征向量。

4）一致性檢驗(yàn)

由一致性檢驗(yàn)判定以上6*6判斷矩陣是否具備合理性，經(jīng)演算得出：CR=0.0756<0.1。說明該生態(tài)因子權(quán)重判斷能夠被運(yùn)用于研究，最后確定出單因子重要性的權(quán)重值。

3.2.3 GIS 建模及分析

在GIS中將選定的生態(tài)敏感性因子矢量化之后，制作對(duì)應(yīng)因子的生態(tài)敏感性分析圖，并且利用疊加工具按照上述等級(jí)劃分方式對(duì)平潭海島的重分類敏感性區(qū)進(jìn)行加權(quán)疊加。公式如下：

式（1）中：Pi為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的生態(tài)敏感性指數(shù)，n為評(píng)價(jià)指標(biāo)總數(shù)，Wi為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子權(quán)重，Ki為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的生態(tài)敏感性賦值。

4 結(jié)果與分析

4.1 單因子分析

4.1.1 坡向敏感性分析

光照強(qiáng)度和日照長(zhǎng)度隨坡向變化，植被生長(zhǎng)受葉片輻射的影響。極度敏感區(qū)大多分布在平潭島西北部（見圖2a），占平潭島總面積的12.2%，重度敏感區(qū)在平潭島內(nèi)部較為均勻的分布，集中分布在平潭島東北部，占比17%。中度敏感區(qū)占總面積的34.7%，較為均勻的分布在平潭島內(nèi)部。輕度敏感區(qū)占總面積的24%，不敏感區(qū)占12%，主要分布在南部，地勢(shì)平坦，采光良好。綜上所述平潭島的坡向整體敏感性處于中度敏感。

圖2 平潭島生態(tài)敏感性等級(jí)空間分布

4.1.2 坡度敏感性分析

一般來說，坡度的大小與水土流失所發(fā)生的概率呈正相關(guān)，坡度也是影響地表物質(zhì)流動(dòng)和承載能力的主要因素，制約著生產(chǎn)力的空間分布[9]。坡度愈大敏感性愈高。研究區(qū)域的地貌類型為丘陵和海積平原，總體上來看地形起伏較小。由圖2b可見：平潭島坡度變化較大的區(qū)域即極度敏感區(qū)（坡度大于35°）和重度敏感區(qū)（坡度為25°～35°）主要分布在平潭島的北部與西南部，占總面積的2.85%和10.37%；中度敏感區(qū)和輕度敏感區(qū)均勻分布在平潭島內(nèi)部，坡度主要在5°～25°，分別占總面積的12.47%和27.8%；不敏感區(qū)主要分布在平潭島中部與西北部，占總面積的46.5%，坡度為0°～5°，適宜建設(shè)。由上述可知，平潭的坡度生態(tài)敏感性多處于不敏感。

4.1.3 高程敏感性分析

平潭的整個(gè)地勢(shì)大致處于東高西低。而溫度、大氣等自然環(huán)境因素受高程的影響，從而進(jìn)一步影響地表各類植物的生長(zhǎng)與分布狀況[9]，高程愈大，生態(tài)敏感性愈強(qiáng)。極度敏感區(qū)占比5.4%，主要分布于東北和西南山區(qū)（見圖2c）；重度敏感區(qū)和中度敏感區(qū)的高程在346～443m之間，分布位置大致與極度敏感區(qū)相同，在平潭島東南部偶有分布，分別占總面積的7.69%和17.56%。輕度敏感區(qū)和不敏感區(qū)分別占總面積的36.4%和32.92%，占據(jù)平潭島的大部分。因此，平潭的高程敏感性多處于輕度敏感。

4.1.4 土地利用敏感性分析

研究區(qū)土地利用類型主要分為人工地表、其他土地、林地草地、耕地和水體五種類型。由圖2d可知重度敏感區(qū)占總面積的38.23%，是面積最大的部分，以耕地為主；中度敏感和輕度敏感分別占29.23%和6.79%；從空間分布上看，不敏感區(qū)分布在平潭的中部城區(qū)和東南的城區(qū)，占總用地的22.78%。極度敏感區(qū)所占用地較小，僅為3%。因此，平潭的土地利用類型的生態(tài)敏感性處于重度敏感。

4.1.5 植被覆蓋度敏感性分析

生態(tài)敏感性越低的區(qū)域其生態(tài)穩(wěn)定性就越高，生態(tài)穩(wěn)定性愈高的區(qū)域群落結(jié)構(gòu)愈豐富，植被覆蓋度愈高。植被覆蓋度在本文中使用歸一化植被指數(shù)(NDVI)反映。研究區(qū)NDVI的生態(tài)敏感性普遍較高，權(quán)重為0.3728(見圖2e)。不敏感區(qū)和輕度敏感區(qū)占22.72%，這些區(qū)域聚集于平潭主島中部的新城區(qū)和南部的老城區(qū)。中度敏感區(qū)占20.09%;重度敏感區(qū)占27.59%，主要分布在研究區(qū)西部。極度敏感區(qū)占29.6%，植被覆蓋度較好，大部分分布在研究區(qū)北部和西南部的山區(qū)。因此，平潭的植被覆蓋度生態(tài)敏感性處于極度敏感。

4.1.6 水域緩沖區(qū)敏感性分析

水體在生態(tài)環(huán)境的調(diào)節(jié)和凈化方面有著關(guān)鍵性的影響，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)起關(guān)鍵作用，且建筑的布局受水域分布的影響。本次研究根據(jù)平潭島地質(zhì)條件，選取研究區(qū)內(nèi)的主要水域作為生態(tài)敏感性的評(píng)價(jià)因子，以與水體本身的距離確定緩沖半徑，即設(shè)立50m以內(nèi)、50m、100m、200m和200m以外的緩沖距離，其對(duì)應(yīng)的敏感性等級(jí)分區(qū)從低到高確定為極度敏感區(qū)、重度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、輕度敏感區(qū)和不敏感區(qū)。由圖2f可以看出，極度敏感區(qū)和重度敏感區(qū)占研究區(qū)總面積的6.15%，中度敏感區(qū)和輕度敏感占總面積的14.68%，不敏感區(qū)占總面積的79.11%。由此可見，平潭島水域緩沖區(qū)敏感性為不敏感。

4.2 生態(tài)敏感性綜合評(píng)價(jià)

綜合各生態(tài)因子的敏感性分析圖，在GIS中進(jìn)行再加權(quán)疊加之后，按照2.2.1的等級(jí)劃分進(jìn)行重分類操作，得到平潭島生態(tài)敏感性綜合分析圖。

平潭島的生態(tài)敏感性多集中在重度敏感和中度敏感內(nèi)（見表3）。平潭島整體生態(tài)敏感性較高，極度敏感性分區(qū)占總面積的13.57%，重度敏感占比24.42%，中度敏感占比26.63%。不敏感區(qū)和極度敏感區(qū)占比15.38%和13.57%。

表3 平潭島生態(tài)敏感性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

從空間分布上看，敏感性強(qiáng)的地區(qū)（極度敏感區(qū)和重度敏感區(qū)）主要分布在平潭島的北部和西南部，具體分布于蘇平鎮(zhèn)和君山鎮(zhèn)北部（原白青鄉(xiāng)、中樓鄉(xiāng)、流水鎮(zhèn)位置）以及金井鎮(zhèn)北部（原北厝鎮(zhèn)西部）。中度敏感區(qū)位于蘇平鎮(zhèn)中南部、君山鎮(zhèn)東部以及海壇灣、壇南灣一帶，不敏感區(qū)域和輕度敏感區(qū)域分布在平潭島中部平潭縣城區(qū)和東南部舊城區(qū)及金井作業(yè)區(qū)附近。

而研究區(qū)生態(tài)敏感性呈此種狀態(tài)分布的原因可從以下兩個(gè)方面分析。從自然地理方面看，高敏感性的地區(qū)大多為山體林地，海拔較高。山體坡度越大，水土越容易流失，開發(fā)和保護(hù)的難度越大，植被受破壞后的恢復(fù)可能性越低，抗干擾能力較差。結(jié)合平潭近年自然環(huán)境狀況，平潭島常年受東北強(qiáng)風(fēng)影響，風(fēng)浪侵蝕強(qiáng)度大，山體固土能力下降引起植被退化，裸露的山體邊緣和沙土裸露地表區(qū)域植被退化程度更高[9]。同時(shí)，海拔高度影響著植物的生長(zhǎng)。海拔越高溫度越低，植物生長(zhǎng)受溫度抑制，生態(tài)敏感性也隨之升高。因此，高海拔地區(qū)生態(tài)敏感性穩(wěn)定度低易受破壞，應(yīng)作為生態(tài)核心區(qū)加強(qiáng)保護(hù)，以遙感技術(shù)為手段實(shí)時(shí)獲取環(huán)境信息，對(duì)已經(jīng)破壞的區(qū)域進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，嚴(yán)格控制建設(shè)用地的擴(kuò)張，制定合理的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管理對(duì)策。中度敏感區(qū)常與生態(tài)保護(hù)區(qū)毗鄰，其作為生態(tài)緩沖區(qū)具有一定的保護(hù)意義，在海岸沿線可增強(qiáng)以抗侵蝕為主的修復(fù)，可在相關(guān)專家指導(dǎo)下結(jié)合生態(tài)措施進(jìn)行適度開發(fā)。

從社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面看，人為活動(dòng)也對(duì)平潭島中高敏感性地區(qū)造成了一定影響，在山林地區(qū)和森林公園等地人為占用防護(hù)林和森林資源的現(xiàn)象頻發(fā)，建設(shè)工程填海建堤以及居民粗放的高污染養(yǎng)殖方式都對(duì)生態(tài)安全屏障造成了破壞。應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)紅線的監(jiān)督與管理，嚴(yán)格控制保護(hù)區(qū)內(nèi)污染物排放。依據(jù)《平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)總體規(guī)劃(2018-2035年)》平潭分為四個(gè)城市組團(tuán)即中樓組團(tuán)、金井組團(tuán)、蘆洋組團(tuán)和潭城組團(tuán)，這些城市集中建設(shè)區(qū)具有一定的建設(shè)基礎(chǔ)，人為活動(dòng)較為頻繁，建成區(qū)已對(duì)原有的生態(tài)系統(tǒng)造成一定的影響且不可逆轉(zhuǎn)，生態(tài)敏感性也相對(duì)較弱，土地利用類型上大多是人造地表，建筑用地以及交通用地為主的土地，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)較為穩(wěn)定，不易受到人為或自然的影響。在有建設(shè)基礎(chǔ)的區(qū)域，可以結(jié)合平潭“島區(qū)一體化”的戰(zhàn)略，根據(jù)開發(fā)建設(shè)現(xiàn)狀和自身資源優(yōu)勢(shì)，在適宜的規(guī)模下進(jìn)行強(qiáng)度較大的開發(fā)建設(shè)，加強(qiáng)土地集約復(fù)合利用[10]。

5 結(jié)語

從研究結(jié)果來看，平潭島內(nèi)的生態(tài)敏感性多樣化程度高，總體生態(tài)敏感性較高。不同生態(tài)等級(jí)的面積所占比例依次為中度敏感>重度敏感>輕度敏感>不敏感>極敏感，主要介于中度敏感和重度敏感之間。其空間分布特征與自然地理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)存在一定的聯(lián)系性。其空間分布特征與自然地理與社會(huì)經(jīng)濟(jì)存在一定的聯(lián)系性?？偟膩碚f，敏感性高的地區(qū)大部分為山體林地等高海拔地區(qū)以及河流湖泊等水域，主要分布在平潭島的北部和西南部。由于該區(qū)域生態(tài)敏感性高，且占研究區(qū)大部分面積，應(yīng)將其作為生態(tài)核心區(qū)加強(qiáng)保護(hù)，而敏感性程度較低的區(qū)域主要分布在城鎮(zhèn)等已建設(shè)用地，且敏感性程度較低的區(qū)域地勢(shì)起伏較小，海拔偏低，這與自然地理?xiàng)l件與人類活動(dòng)干預(yù)程度大小有一定的關(guān)聯(lián)。同時(shí)該區(qū)域應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)城鎮(zhèn)綠化，建設(shè)高品質(zhì)生態(tài)環(huán)境。要根據(jù)不同區(qū)域的生態(tài)敏感性程度，結(jié)合平潭島的現(xiàn)狀與發(fā)展策略，為平潭島制定更合理的生態(tài)規(guī)劃，對(duì)其加以科學(xué)性的保護(hù)。