海島景觀生態風險演變研究——以舟山朱家尖島為例

凡姚申，陳沈良，谷國傳

（華東師范大學　河口海岸學國家重點實驗室，上海　200062）

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海島景觀生態風險演變研究——以舟山朱家尖島為例

凡姚申，陳沈良，谷國傳

（華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海200062）

摘要：受自然過程和人類活動的影響，海島景觀生態風險處于不斷演變之中。以浙江舟山朱家尖島為例，基于1988-2014年間3期Landsat TM/ETM+遙感數據，進行土地利用/景觀分類，計算景觀格局指數，并引入生態風險指數，分析景觀生態風險及其演變。結果表明：（1）26年間朱家尖島景觀格局發生了顯著變化，林地和農田景觀類型面積呈下降趨勢，而建設用地、養殖區及未利用地等景觀類型面積呈上升趨勢；（2）1988年朱家尖島以低和較低生態風險等級為主，至2014年中等和較高生態風險區面積持續上升，沿海出現高生態風險區；（3）從景觀生態風險的空間演化趨勢和速率看，低和較低生態風險區不斷向島內退縮，而中等和較高生態風險區不斷向島內擴張，朱家尖海峽大橋建成通車后的13年間景觀生態風險等級的演化速率較前13年快。并初步探討了降低以人類活動為主要風險源的海島景觀生態風險的方法。

關鍵詞：海島；遙感與GIS；景觀；生態風險；朱家尖島

海島四面環海，相對獨立，是內陸與海洋的“橋梁”，處于海陸相互作用的動力敏感地帶（余愛蓮等，2014）。海島生態系統包括島陸、島灘和周邊海域三個子系統，是海洋生態系統的重要組成部分。生態風險就是生態系統及其組分、結構和功能可能受到損害的程度，環境的自然變化和人類活動都能引起生態系統結構的改變或功能的損失，從而危及到生態系統的健康和安全（毛小苓等，2005；張思鋒等，2010）。受全球環境變化的影響，海島面臨著較高的生態風險。景觀生態風險分析可以從區域的角度出發，結合格局—過程—尺度相互關系原理，運用遙感與GIS、景觀指數和空間地統計學等方法，評估自然環境變化及人類活動中的負外部性對區域內部的景觀功能和結果產生危害的可能性大小及影響程度（許學工等，2001）。

景觀生態風險研究自Hunsaker等（1990）提出后，得到了極快的發展。國外由于工業化發展較早、科技水平較高，相關研究也相對較成熟，研究主要集中在基于區域尺度的景觀生態風險評價及其方法和模型的探討（Carolyn etal，1990；Obery et al，2002；Ted，2004；Kimberley etal，2012）。國內相關研究主要涉及土地利用風險評價（杜軍等，2010；許妍等，2011），流域景觀生態風險評價（李謝輝等，2009；鞏杰等，2014），湖泊及濕地景觀生態風險評價（付在毅等，2001；Shietal， 2015；張雅洲等，2015），以及河口三角洲及海岸帶景觀生態風險評價（Liu etal，2012；Chen etal，2012；陳可亮等，2012；郭意新等，2015）等。目前，國內外對海島景觀生態風險的研究相對較少，對海島景觀生態風險演變的研究尚未涉及。眾所周知，中國沿海陸架寬淺，海島眾多、類型多樣、資源豐富，研究海島景觀生態風險演變對海島資源利用和環境保護具有重要意義。為此，本文以中國最大的群島——舟山群島中的朱家尖島為例，大致以朱家尖海峽大橋建成通車為時界，分大橋通車前后兩個時段，即通車前（1988-2001年）為時段Ⅰ，通車后（2001-2014年）為時段Ⅱ，研究朱家尖島以人類活動為主要風險源的景觀生態風險演變，以揭示海島景觀生態風險的時空變化規律，為海島可持續發展服務。

1研究區概況

圖1　舟山朱家尖島的地理位置

朱家尖島位于舟山本島東南海域（圖1），地理坐標29°50＇～29°57＇N，122°20＇～122°30＇E，是舟山群島1 841個島嶼中的第五大島，西北與舟山島岸距1.1 km，北與普陀山島岸距2.6 km，東北與白沙山島岸距2.5 km，西與登步島岸距2.6 km。俯瞰朱家尖島，形似駿馬，北寬南窄，呈南北走向，長14.4 km，東西最寬處9.1 km，陸域面積62.2 km2。丘陵主要分布在島東部和南部，面積32.42 km2，平原主要分布在島北部和西部，均為人工圍墾的海積小平原，面積29.39 km2，分別占島嶼陸域面積的52.44％和47.56％。海島岸線曲折多灣，有沙灘、礫灘和海蝕巖壁地貌，沿岸有漁村港口、貨運客運和漁碼頭。全島自然環境優越，資源多樣，交通便捷，氣候溫和，景色秀美，充滿著濃郁的海洋文化氣息，是舟山市19個鄉級島中開發程度較高，經濟發展較快的海島之一。

2數據與方法

2.1數據采集與處理

選取從地理空間數據云網站下載的不同時期（1988、2001和2014年）Landsat TM/ETM +影像為數據源，其空間分辨率分別為30m和15m，遙感影像的成像時間均為植被覆蓋度較高的夏季。

遙感影像分類方法多樣，本文采用監督分類中的最大似然法，該方法是影像處理中最常用的方法之一，適用于Landsat衛星系列中低分辨率的影像分類（史澤鵬等，2012）。用ENVI5.1軟件對3期影像輻射定標、大氣校正以及研究區范圍裁剪等預處理后，進行最大似然法監督分類。依據全國土地利用現狀分類標準，結合朱家尖島現場踏勘驗證結果，將景觀類型分為林地、草地、農田、建設用地（居民區、道路、機場、碼頭等）、水域、養殖區、未利用地7種類型，并用混淆矩陣對分類結果進行監督驗證。再用ArcGIS10.1軟件對分類結果進行制圖，得到1988、2001和2014年朱家尖島景觀類型的矢量數據，并統計各景觀類型的面積。

2.2景觀變化分析法

景觀變化可以通過景觀動態度進行定量描述。一般可分為單一景觀動態度和綜合景觀動態度。單一景觀動態度是指某一種景觀類型變化的速度；而綜合景觀動態度是指區域景觀的整體動態（Zhang etal，2010）。因此，可通過景觀動態度對朱家尖島不同時段的景觀變化的差異進行分析。

（1）單一景觀動態度

式中：ALCR為一定時段內某一景觀動態度，Ua和 Ub表示分別代表某時段最初和最末某一景觀類型的面積，T為研究時長。以年為單位時，ALCR便是某一景觀的年變化率。

（2）綜合景觀動態度

式中：CLCR為綜合景觀動態度，LUi為研究初期第i類景觀的面積，△LUi為研究時段內第i類景觀轉化為其它類景觀面積的絕對值，T為研究時長。以年為單位時，CLCR便是該研究區域綜合景觀的年變化率。

2.3景觀生態風險分析法

本文采用不同時相海島景觀來表征風險受體對人類活動的響應度。為了研究景觀空間異質性，根據前人經驗，本研究首先劃分風險小區，通過構建景觀格局指數作為響應系數，進而計算風險小區的生態風險值ERI（EcologicalRisk Indice）用于分析朱家尖島的生態風險水平。

依據景觀生態學方法，為將生態風險指數落實到具體的地理區域，將朱家尖島劃分為0.8 km×0.8 km大小的生態風險小區格網，共有146（1998年）、148（2001年）和154（2014年）個生態風險小區。朱家尖島面積的不斷增大致使格網數不斷增加，以地理坐標畫格網能夠保證不同年份共有格網的一一對應。計算出每一格網的景觀生態風險指數，以此為基礎計算格網中心點的生態風險值。

景觀格局指數選用：破碎度指數Ci、分離度指數Ni、優勢度指數Di、干擾度指數Ei、脆弱度指數Fi及損失度指數Ri。其中，破碎度指數Ci表示區域綜合景觀或某一景觀類型在一定時間給定性質上的破碎化程度，景觀分布愈復雜，破碎化程度就愈高（王介勇等，2005）。分離度指數Ni是指某一景觀類型中不同斑塊個體或不同元素分布的分離程度，分離程度愈大，表明景觀在地域分布上愈分散。優勢度指數Di表示一種或幾種類型斑塊在一種景觀中的優勢程度。通過權重疊加破碎度指數Ci、分離度指數Ni和優勢度指數Di可獲得干擾度指數Ei，它是用來反映不同景觀所組成的生態系統受到干擾（主要是人類活動）的程度。脆弱度指數Fi表示不同生態系統的易損性，它與景觀自然演替過程中所處的階段有關。一般情況下，處于初級演替階段、食物鏈結構簡單、生物多樣性指數小的生態系統較為脆弱，結合朱家尖島特點判斷，該島7類景觀中脆弱度的排序由低到高依次為：建設用地1、林地2、草地3、農田4、水域5、養殖區6、未利用土地7。進行歸一化處理后得到各類景觀的脆弱度指數Fi，為便于分析和計算，歸一化的值域范圍為[0.1，0.9]（陳鵬等，2003；巫麗蕓等，2005）。損失度指數Ri表示遭受干擾時各類景觀自然屬性損失的程度，是某一景觀類型的干擾度指數Ei和脆弱度指數Fi的綜合。以上各景觀格局指數可利用Fragstats3.4計算得到，計算公式見表1。

表1　景觀格局指數計算方法

表1公式中，ni為景觀類型i的斑塊數量；Mi為景觀類型i的總面積，M是區域總面積；Ii是景觀類型的距離指數；H max是景觀多樣性指數的最大值；Pi為i類景觀所占面積的比例；N為景觀類型的總數；a、b、c為相應指數的權重，a+b+c=1。破碎度指數Ci、分離度指數Ni和優勢度指數Di三者在不同程度上反映出干擾對景觀所代表的生態環境的影響，根據分析權衡，并參考前人研究結果（謝花林，2008；許妍等，2011；郭新意等，2015），認為破碎度指數最為重要，其次為分離度指數和優勢度指數。以上3個指數可分別賦以0.5、0.3、0.2的權值。

景觀生態風險指數是用于表征一個風險小區內綜合生態損失的相對大小，通過計算每一個風險小區的景觀生態風險指數將景觀風險格局轉化為空間的生態風險值，其計算公式為：

式中：ERIk是第k個風險小區的景觀生態風險指數，Aki是第k個風險小區第i類景觀的面積，Ak是第k個風險小區內的景觀總面積，n表示風險小區內景觀類型的數目。

2.4空間分析方法

地統計學是研究生態學變量空間異質性的有效方法，是空間統計學的一部分。在描述、識別格局的空間結構及空間局部最優化插值時，半方差法被認為是一種最優的方法（張娜，2014）。半方差γ（h）的定義為：

式中：h為樣本間距；n（h）是抽樣間距為h時的樣點對總數；Z代表某一景觀屬性的隨機變量；xi為空間位置；Z（xi）和Z（xi+h）分別是變量在xi和xi+h點的取值（鄔建國，2000；陳利頂等，1996）。半方差是取樣間距h的函數，是隨機變量Z在某個取樣間距上各個樣本值間的平均變異程度或相似程度的度量。

利用ArcGIS 10.1的空間分析和地統計功能，通過求和、采樣、普通Kringing空間插值，將所得的實際半方差圖用球狀模型擬合，從而可得到了生態風險值空間分布圖。

3結果與討論

3.1景觀格局時空變化

利用ENVI 5.1解譯遙感影像得到圖2。由最近時相（2014年）的景觀類型空間格局可知，朱家尖島的林地主要分布在島的南部和東部山地，草地散布在林地間，農田主要分布在島的中部和西部，建設用地大多分布在島的平原地區和沿海地帶，養殖區集中分布在島的西北部及西部沿海，未利用地集中分布在島的北部和西北部海濱，其主要是未及時開發利用的圍填海所成的裸地。

圖2　朱家尖島景觀類型空間格局（1988、2001和2014年）

表2　景觀格局指數

利用Fragstats 3.4計算得到表2。由圖2和表2可知，26年間朱家尖島景觀類型和分布發生了交叉演變。林地和農田面積均呈減少趨勢，農田面積減少量最多，達4.31 km2，林地面積減少4.17 km2，而建設用地、水域、未利用地和養殖區均呈增加趨勢，建設用地面積增加最多，達6.52 km2，養殖區增加2.28 km2，未利用地增加1.45 km2，水域增加2.57 km2，草地增加最少，僅0.84 km2。

從斑塊數變化來看，面積不斷減少的林地和農田斑塊數量不斷增多，破碎度指數和分離度指數不斷增大，而優勢度指數不斷減小；脆弱度較大的未利用地和被人類利用最為強烈的建設用地斑塊數量不斷減少，破碎度指數和分離度指數不斷減小，而優勢度指數不斷增大。

利用景觀動態度公式計算得到圖3。由該圖可知，時段Ⅱ的草地、農田、建設用地、水域、養殖區和未利用地的ALCR絕對值大于時段Ⅰ這6種景觀類型的ALCR絕對值，表明時段Ⅱ這些景觀類型變化比時段Ⅰ大。時段Ⅰ、Ⅱ的CLCR分別為0.50％ 和0.86％，由此可知，時段Ⅱ綜合景觀類型變化大于時段Ⅰ，朱家尖海峽大橋建成通車后海島景觀的變化速率加快。時段Ⅱ中ALCR絕對值相對較大的景觀類型有水域、未利用地和建設用地。其中水域的ALCR絕對值最大，達24.36％，未利用地和建設用地的ALCR絕對值也都超過了3％，說明在時段Ⅱ這三種景觀相比于其他景觀變化的更大。

圖3　不同時段各景觀動態度變化

3.2景觀生態風險格局時空演變

由景觀生態風險指數算式，計算出朱家尖島各個風險小區3期的生態風險指數，對3期的生態風險指數進行Kriging插值。為了讓不同時期的生態風險指數圖形空間化，本文采用以0.2為等級間隔將風險小區的風險指數等距劃分成5個風險等級：低生態風險區（ERI＜0.2），較低生態風險區（0.2≤ERI＜0.4），中等生態風險區（0.4≤ERI＜0.6），較高生態風險區（0.6≤ERI＜0.8），高生態風險區（ERI≥0.8）。從而得到朱家尖島生態風險格局演變圖（圖4）。柵格轉化后，可以計算出不同生態風險等級所占面積及百分比（表3）。

圖4　朱家尖島景觀生態風險演變（1988-2014年）

表3　生態風險等級面積變化

由圖4、表3可知，1988年朱家尖島處于低生態風險區和較低生態風險區面積共為54.24 km2，占總面積的86.15％，島東部、南部大部分處于該等級；中等生態風險區主要出現在島北部和西部，占總面積的10.09％；較高生態風險區出現在西部和北部的沿海地帶，占總面積的3.77％。據查資料，島西部和北部的平原地帶是上世紀60-70年代圍填海而成的（王建富，2013），該地帶地勢平坦、水源充足、交通便利，是開發利用的理想用地，早在80年代末就出現了強烈的人類活動，如興建了大面積養殖區。

相比1988年，2001年低生態風險區面積減少了12.21km2，較低生態風險區面積則增加了6.77km2，而中等生態風險區逐漸向陸側方向拓張，增加到9.99 km2，占總面積的15.82％，較高生態風險區面積增加到4.35 km2，占總面積的6.89％。隨著城市化進程、養殖業和旅游業的不斷發展，人類對土地資源的需求不斷增加，對資源的開發利用不斷加劇，生產活動范圍不斷擴展，導致農田、林地演變成風險度較高的養殖區、建設用地。隨著朱家尖島旅游業的發展，東南部的“十里金沙”旅游風景區內度假村、旅社酒店鱗次櫛比，這些建設用地景觀類型增大了原自然景觀的破碎化、分散化等程度，致使該區域中等、較高生態風險區有所增大。

相比2001年，2014年低生態風險區面積增加了2.18 km2，但相比1988年面積減少10.02 km2，較低生態風險區面積也呈波動的趨勢。2014年低和較低生態風險區面積共40.04 km2，占總面積的68.68 ％，相比于1988年的86.15 ％、2001年的77.24％，呈現持續下降的趨勢。另一方面，中等和較高生態風險區面積呈現持續上升的趨勢，較高生態風險區面積達到7.93 km2，是2001年的較高生態風險區面積的近1倍。更值得關注的是，2014年出現了1988年和2001年都未出現的高生態風險區，面積達2.05 km2，占總面積的近3％。隨著朱家尖島社會經濟的高速發展，海洋生產力、海洋經濟成為熱詞，人類不顧自然承載力的限度而貿然開發利用海島資源，各種小規模、粗放的海洋圍墾、圍海養殖和沿岸旅游開發等活動大行其道。不合理的圍填海工程易造成灘涂濕地景觀萎縮、景觀自然性急劇下降，斑塊面積縮小、斑塊隔離程度增大、景觀破碎化程度加劇（馬志遠等，2009；孟偉慶等，2012），最終必然會造成景觀生態風險增加。

據生態經濟理論，海島經濟發展要考慮到海島生態系統的特征，開發的過程中環境保護是根本，其實現途徑是實行海島綠色工程，發展生態漁業，創建生態保護區，建設生態環保產業（王書華，2008）。降低海島生態風險，需要采取合理開發海島灘涂資源，加強圍填海活動的管理等工作。國外對圍填海開發活動的管理研究工作開始比較早，對比國內外圍填海活動管理現狀（表4），發現我國圍填海管理方面存在諸多不足，國外的工作對我國管理海島圍填海開發活動存在可借鑒的之處（胡聰，2014）。據W ang（2014）研究表明，我國在進行圍填海活動時，不僅要加強法律法規管理，增強圍填海管理的公共參與，提高海洋空間規劃意識，還要充分評估圍填海對濕地景觀和生態環境的負面影響。對于土地資源本身就緊缺的朱家尖島，圍填海所成的裸地應及時合理地開發利用，不能放任自流，減少其以未利用地景觀類型存在的時間，這對降低景觀生態風險十分必要。

表4　國內外圍填海開發活動管理對比

據許雪峰等（2011）對比研究浙江嵊泗青沙圍填海工程中的弧線堤線方案和直線軸向堤線方案發現，弧形堤線填海方案是海岸線和灘涂資源綜合開發的較好方式，該類型的圍堤方案使得各項景觀評估指數均朝著有利的方向變化，有利于濱海濕地景觀及環境的可持續發展。這對今后朱家尖島降低圍填海區景觀生態風險存在可借鑒之處。

3.3景觀生態風險轉化分析

為了進一步了解風險等級轉變的內在規律，利用ArcGIS面積制表工具對26年2個時段內的各生態風險等級轉化方向、面積和速率進行了定量分析（表5）。

表5　1988～2014年生態風險等級轉化面積及速率

對比前后對比前后2個時段的平均變化，生態風險等級呈現下降趨勢的轉變類型有：較低生態風險等級向低生態風險等級轉化、中等生態風險等級向較低生態風險等級轉化和較高生態風險等級向中等生態風險等級轉化。其中，較低→低向的轉化僅出現在時段Ⅱ，較高→中等向的轉化僅出現在時段Ⅰ。生態風險等級呈現上升趨勢的轉變類型有：低生態風險等級向較低及中等生態風險等級轉化、較低生態風險等級向中等生態風險等級轉化、中等生態風險等級向較高及高生態風險等級轉化和較高生態風險等級向高生態風險等級轉化。其中，中等→高向和較高→高向的轉化僅出現在時段Ⅱ。從年轉化速率來看，生態風險等級由低和較低轉化成其它等級的速率時段Ⅰ基本大于時段Ⅱ，但時段Ⅱ生態風險等級呈上升趨勢的類型更多，且較高和高生態風險區面積增加速率顯著大于時段Ⅰ。這表明朱家尖海峽大橋建成通車后的13年間景觀生態風險等級的演化速率較前13年快。

海島獨特的自然和人文環境使其具有較高的旅游開發優勢。朱家尖島旅游資源豐富，開發較早，特別是在朱家尖海峽大橋建成后，旅游業更得到前所未有的發展，在經濟發展中起到了重要的作用。據調查，近十年旅游人數逐年遞增，從2004年的年總旅游人數139.8萬人次增加到2014年的482.0萬人次，占舟山市總旅游人數從2007年的12.67％增加到2014年的14.18％。今后朱家尖島在開發旅游資源時，要積極尋求保護性開發措施，堅持旅游業可持續發展的方針，促進旅游開發與生態環境保護協調發展。

4結論

本文以1988、2001和2014年3期Landsat TM/ETM +遙感影像為基礎，根據景觀生態學的原理，構建了綜合生態風險指數，較客觀地探討了朱家尖島不同時期的生態風險狀況：

（1）林地和農田面積均呈現不斷下降的趨勢，其破碎度和分離度指數增大，優勢度不斷減小，受到了人類活動的干預而趨于分散。建設用地、養殖區及未利用地面積增加明顯，分離度指數持續減小，優勢度增大，此類景觀呈現出空間上的集聚效應。

（2）1988年朱家尖島以低和較低生態風險區為主，占全島面積的86.15％。2000年低生態風險區的面積減少，較低和中等生態風險區的面積增大。2014年，中等和較高生態風險區的面積持續增大，同時在沿海區域出現了1988和2001年未有的高生態風險區。沿海區域是人類高強度開發區，也是陸海相互作用的脆弱區，了解和研究該區域的高生態風險，是人類開發利用海島必不可少的工作。

（3）朱家尖島的景觀生態風險在空間上的演化表明，低和較低生態風險區不斷向島內退縮，中等和較高生態風險區不斷向島內擴張，呈現此消彼長的空間趨勢。從景觀生態風險等級演變速率來看，朱家尖海峽大橋建成通車后的13年間景觀生態風險等級演化速率比前13年快。今后應積極尋求降低以人類活動為主要風險源的海島景觀生態風險的措施。

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（本文編輯:袁澤軼）

Change of island landscape ecological risk:a case study of Zhujiajian Island of Zhoushan

FAN Yao-shen,CHEN Shen-liang,GU Guo-chuan
（State Key LaboratoryofEstuarineand CoastalResearch,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China）

Abstract：Influenced by thenaturalprocessand human activities,the ecological risk of island ischanging constantly.Based on 3 phase Landsat TM/ETM + remote sensing data from 1988 to 2014,this paper classifies the land use/landscape category,calculates the landscape pattern indices,and introduces the ecological risk index,then analyzes the island landscape ecological risk and its change in the Zhujiajian Island of Zhoushan,Zhejiang Province.The results show that:（1）Over 26 years,great changes of landscape pattterns have taken place in Zhujiajian Island.The areas ofwoodland and farmland show a decreasing trend,while the areasofconstruction land,unused land and aquaculture land show a rising trend；（2）The landscape ecological risks of Zhujiajian Island mostly were at the low and lower grades in 1988.Medium and higher ecological risk grades rose continuously from 1988 to 2014.In 2014,in the coastal region appeared high ecological risk grade；（3）Judging from the spatial change trend and rate of landscape ecological risks,the region of low and lower ecological risk grades continues to retreat to the island,while the region ofmedium and higher ecological risks continues to extend to the island.Afteropenning the Zhujiajian Strait Bridge,the ecological risk changing speed ismuch faster than that before.And the method of reducing the island landscape ecological risk whose main risk source is the human activity is preliminarily discussed in thispaper.

Keywords：island;RS&GIS;landscape;ecological risk;Zhujiajian Island

通訊作者：陳沈良，博士，教授，電子郵箱：slchen@sklec.ecnu.edu.cn。

作者簡介：凡姚申（1989-），男，河南項城人，碩士研究生，從事自然地理研究，電子郵箱：fysmyself@126.com。

基金項目：海洋公益性行業科研專項（201505012）。

收稿日期：2015-06-11；

修訂日期：2015-07-14

Doi：10.11840/j.issn.1001-6392.2016.01.001

中圖分類號：X820.4

文獻標識碼：A

文章編號：1001-6932（2016）01-0001-10