基于生境保護的廈門灣海岸線開發建港生態承載力評價

范小杉，何萍，2*，賈嬌，2，徐瑤瑤，董敬儒

1.中國環境科學研究院，北京 100012 2.國家環境保護區域生態過程與功能評估重點實驗室，北京 100012 3.虛擬地理環境教育部重點實驗室(南京師范大學)，江蘇 南京 210023 4.江蘇省地理環境演化國家重點實驗室培育建設點，江蘇 南京 210023 5.江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心，江蘇 南京 210023 6.河北師范大學資源與環境科學學院，河北 石家莊 050024 7.蘭州大學資源環境學院，甘肅 蘭州 730000

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基于生境保護的廈門灣海岸線開發建港生態承載力評價

范小杉1，何萍1，2*，賈嬌1，2，徐瑤瑤3,4，5，董敬儒6，7

1.中國環境科學研究院，北京 100012 2.國家環境保護區域生態過程與功能評估重點實驗室，北京 100012 3.虛擬地理環境教育部重點實驗室(南京師范大學)，江蘇 南京 210023 4.江蘇省地理環境演化國家重點實驗室培育建設點，江蘇 南京 210023 5.江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心，江蘇 南京 210023 6.河北師范大學資源與環境科學學院，河北 石家莊 050024 7.蘭州大學資源環境學院，甘肅 蘭州 730000

生態承載力評價是優化建設發展項目規劃方案、促進社會經濟與自然生態環境可持續發展的重要參考基準，但目前國內常用的綜合性、區域性生態承載力評價技術方法針對性較弱，不適用于評估項目規劃區范圍內自然資源及生態環境系統對特定類型工程建設的可持續承載力。以廈門灣為例，綜合利用遙感(RS)與地理信息系統(GIS)技術，基于海岸帶重要物種生境保護，運用生態適宜性評價原理，結合海岸線建港開發常規約束限制條件構建評價指標體系，探索海岸線建港開發生態承載力評價技術，以提升評價成果調整優化項目規劃方案的技術支撐能力，促進項目規劃生態承載力評價技術方法革新。

生態承載力；生境；岸線；港口；評價；規劃項目；技術方法

海岸線是陸地與海洋的分界線，包括大陸海岸線和島嶼海岸線，以尋常潮高水位的水陸分界線為天然岸線，其實質是陸域和海域天然相結合的具有一定寬度的空間地帶[1]。海岸線是一種不可再生自然資源，具有港口建設、農業圍墾、漁業養殖、旅游觀光等多種功能[2-3]；其中港口建設是人工改造自然海岸線最劇烈、最普遍的形式[4]。21世紀以來，我國沿海地區經濟快速增長引發港口建設和發展熱潮，港口數量、規模以驚人的速度增長[5]，同時帶動港口城市快速發展[6]。但港城發展導致海岸線資源無序開發利用以致人工海岸線所占比例過高、后備海岸線資源不足[7]；并引發了海岸帶生物資源衰退、生物多樣性減少、生態災害頻發等嚴重的生態安全問題[8]。海岸線建港開發生態承載力評價是沿海地區基于可持續發展原則制定港口總體規劃的客觀依據，目前常用的生態承載力評價技術方法雖具有綜合性與區域性，但針對性較弱，不適用于評估研究區自然資源及生態環境系統對特定類型工程建設的可持續承載力。不同類型工程建設活動是區域人類經濟社會活動重要的構成單元，以生態承載力為基準的工程規劃、建設是推進區域經濟社會可持續發展的必要環節，針對區域內某一稀缺自然資源開展特定類型工程建設生態承載力評價是區域經濟社會可持續發展的必然需求。

廈門灣已有數百年建港歷史，自20世紀80年代以來港口建設發展迅速。目前已建成的廈門市東渡、海滄、嵩嶼、劉五店、客運5個港區與漳州市后石、石碼、招銀3個港區，成為我國沿海主要的集裝箱干線港。但灣內有文昌魚、中華白海豚、白鷺3個珍稀物種的國家級自然保護區和紅樹林省級自然保護區。長期以來港口建設、港城發展已使紅樹林幾近喪失，文昌魚、白海豚、白鷺等物種生境全面萎縮[9]，而廈門灣海岸線建港開發尚在繼續。在此基于重要物種生境保護，探索沿海地區海岸線開發建港生態承載力評價技術方法，以期為促進生態型港口建設，及海岸帶資源開發與生態環境保護管理提供技術參考。

1 理論原理、技術方法及數據來源

1.1 理論原理及概念界定

廣義生態承載力涵蓋了自然資源承載力、環境污染承載力及生態系統承載力三大范疇[10-11]。由于人類可通過科技進步、制度管理等多種途徑不斷提高資源開發利用效率、擴大資源利用范圍、提高區域資源承載力水平，因此在現實社會經濟發展實踐中難以對自然資源承載力作出量化評估[12]；而生態系統承載力以維持重要物種及生態系統可持續生存、繁衍的健康穩定生境空間為前提[13]，具有相對穩定性，不會因為人類科學技術的提升而發生變化：因此開展生態系統承載力評價更具有科學性和可信度[12]。同時鑒于目前我國存在的物種多樣性下降、重要生態系統生境空間急劇萎縮等亟待解決的生態環境問題，海岸線建港開發生態承載力評價實質是生態系統承載力評價。

筆者以研究區重要物種可持續生存、繁衍為前提評估海岸線開發建港生態承載力，以確定重要物種適宜生境為前提，將其納入生態保護空間，作為港口開發利用海岸線的重要約束條件，并結合港口建設資源環境背景相關要求和限制條件構建海岸線建港生態適宜性評價指標體系，綜合遙感(RS)與GIS技術，評估研究區適宜建港的岸線規模數量及空間分布格局。

1.2 技術方法

1.2.1 重要物種及生態系統適宜生境的確定方法

由于重要物種的生境保持與維護是可持續發展的前提，首先應確定需納入保護的重要物種生境空間范圍。采用目前世界上應用較為廣泛的美國普林斯頓大學2007年研發的MaxEnt模型[14-17]，其原理是根據物種已知分布點的環境變量特點得出其生境約束條件，尋找該約束條件下，物種在研究區域的最隨機分布情況，即最大熵原則(the maximum-entropy principle)，將評價結果導入ArcGIS重新分類處理以得到直觀的物種適宜生境等級分布圖[18]。以此為前提，將重要物種最適宜分布區毗鄰的海岸線納入禁止開發岸線，以避免岸線無序開發對其生境的破壞。

1.2.2 基于3S技術的海岸線信息提取方法

受海潮漲落的影響，不能根據某一時間點或短時期內所獲取的遙感影像數據提取海岸線信息，而應根據研究區多年遙感影像數據，參考馮永玖等[19]提出的綜合利用ISODATA分類、地圖綜合、離散地物去除和岸線追蹤等技術，通過ENVI和ArcGIS技術平臺提取與港口建設有關的海岸線遙感信息，包括海岸線空間位置、岸線利用現狀等。

1.2.3 岸線開發建港生態承載力評價方法

根據不同噸位船舶對岸前水深和岸前水域寬度的技術要求，以及不同規模港口對岸線穩定性和陸域可開發縱深等的技術要求，建立評價指標體系[20-22](表1)，并按德菲爾法(Delphi Technique)確定各指標權重，將各指標劃分為A、B、C、D評價等級，分別賦分值1、2、3、4。

表1 岸線自然條件建港生態適宜性評價指標體系[20-22]

釆用線形加權法構建各種適宜性評價指數，計算公式為:

(1)

1.3 數據來源

利用MaxEnt模型預測重要物種(白海豚)的適宜生境范圍需要的物種或生態系統實際分布點，數據來源于劉文華等[23]在1994—1999年(國家級白海豚自然保護區成立之前)設立的20個監測站進行的239個月逐日觀察結果。

1994—1999年海灣的pH、鹽度、溶解氧濃度、化學需氧量、磷酸鹽濃度等20個環境指標來源于國家海洋局設立的30個監測點的海域水環境質量常規監測數據；廈門灣1∶5萬水深數據海圖由在線網(http:www.enclive.cn)提供；提取海岸線信息所需要的遙感數據源自1983年、1990年、2003年、2014年的Landsat、HJ-CCD、GF-1等衛星遙感數據；海岸線穩定性數據主要通過海岸線所受侵蝕頻度與強度相關統計資料分析和實地調查相結合的方法評判；陸域可開發縱深結合廈門灣陸地與島嶼DEM數據提取。

2 評價過程及結果

2.1 廈門灣白海豚適宜生境評價

依據劉文華等[23]在1994—1999年間監測得到的中華白海豚分布點數據(體現海岸線未充分開發前白海豚在廈門灣海域最原始的生存領域)，根據白海豚出現頻率的高低，在ArcGIS軟件平臺為其賦予地理坐標，如圖1所示。

圖1 1994—1999年廈門灣發現中華白海豚的位點分布Fig.1 Observed distribution points of Chinese white dolphin in Xiamen Bay in 1994-1999

將白海豚分布點數據和相關環境變量數據輸入MaxEnt軟件中，設定訓練集為分布點的80%，驗證集為分布點的20%；選擇刀切法(Jackknife)監測環境變量對模型的影響，以分析中華白海豚最適宜生存的條件，結果如表2所示。

表2 環境變量對MaxEnt模型預測中華白海豚適宜生境的貢獻率和置換重要性

由表2可見，溶解氧、總氮、磷酸鹽濃度，水深，距岸線距離，化學需氧量6個環境變量對白海豚分布的貢獻率分別為29.9%、19.3%、13.7%、8.1%、7.6%和7.5%，總貢獻率達到86.1%，且距岸線距離、總磷濃度、化學需氧量、總氮濃度和水深的置換重要性也較高，說明這些環境變量與其他變量的相關性較低，在MaxEnt模型運算時極其重要；而鹽度、葉綠素a、懸浮物濃度和富營養化指數的貢獻率都小于1%，且置換重要性較低，說明其對中華白海豚生境分布影響極小。

將中華白海豚分布點數據和影響其分布的主要環境變量現狀數據輸入MaxEnt模型，結合GIS技術平臺得到目前廈門灣中華白海豚適宜生境分級，如圖2所示。由圖2可見，廈門島以西海域和同安灣是最適宜生境分布區；同安灣的西部(離岸線1 000～1 500 m海域)、廈門島的東部(離岸線250～1 500 m海域)、龍海市北部(離岸線250～500 m海域)也有其適宜分布區。即MaxEnt預測的中華白海豚適宜分布區，與目前白海豚自然保護區范圍大致吻合。

圖2 廈門灣中華白海豚適宜生境分級Fig.2 Habitat distribution of Chinese white dolphins in Xiamen Bay

圖3 廈門灣中華白海豚適宜生境預測受試者工作特征曲線Fig.3 Receiver operating characteristic curve plots for habitat prediction of Chinese white dolphins in Xiamen Bay

為避免誤差，采用受試者工作特征曲線(receiver operating characteristic curve，ROC曲線)分析法檢驗MaxEnt預測精度(圖3)。預測結果訓練集曲線下的面積(AUC，area under curve)為0.901，驗證集AUC為0.876，顯示預測結果較為優秀，可信度較高。

采用同樣方法可獲得廈門灣文昌魚、白鷺及紅樹林的適宜分布生境。但由于上述物種的觀測點及適宜分布的環境變量研究基礎較為薄弱，本文以已劃定的物種保護區來代替其適宜生境。

2.2 海岸線建港適宜性單指標評價

2.2.1 岸前水深

圖4 岸前水深適宜性分級Fig.4 Classified ocean depth suitability of coastline ahead

岸線臨近海域海水越深，越利于建設深水型大型港口。按岸前水深分級情況(圖4和表3)。廈門灣適宜建港岸線占全部岸線的21.1%，主要分布在廈門島西部(東渡港區)、鼓浪嶼全島、海滄區南部岸線(海滄港區)以及龍海市北部和東部岸線；較適宜建港岸線約占16.8%，主要分布在廈門島五緣灣灣內、九龍江河口臨近地區；不適宜建港、水深淺于岸線大約占廈門灣岸線的15.2%，主要分布在翔安區東南、大嶝島西北部和北部、九龍江北部海岸；較不適宜開發岸線所占比例最高，為46.9%，主要為同安灣、廈門島東部和西北角、九龍江南部。

表3 岸線建港適宜性單指標評價結果分級

2.2.2 岸線穩定性

岸線的穩定性反映海岸線受海浪沖刷侵蝕的強度，岸線越穩定，船舶進港?？俊⒆鳂I的限制越少，港口生命周期越長，建設與運營維護成本越低。岸線穩定性主要通過統計資料分析和實地調查相結合的方法評判。評價結果如圖5和表3所示。

圖5 岸線穩定性適宜性分級Fig.5 Classified stability suitability on coastline

由表3和圖5可見，廈門灣有超過56.6%的海岸線為不適宜建港岸線，主要分布在九龍江河口及河口附近島嶼岸線，以及大嶝島全部島嶼岸線及其西北翔安灣海岸線、同安灣東北部岸線和海滄東部岸線；較不穩定岸線主要分布在廈門島西北部和西部，同安灣西部、馬鑾灣西部海岸線以及龍海市東部，占廈門灣海岸線的21.9%；嚴重不穩定岸線和較不穩定岸線合計占廈門灣海岸線的78.5%；穩定岸線所占比例為13.6%，主要分布在翔安區西南角(劉五店港區)、廈門島五緣灣外海東側和西側岸線、海滄區南部岸線(海滄港區)、廈門島西南角與東南角；弱穩定岸線主要分布在廈門島東，約占廈門灣海岸線的7.9%。

2.2.3 岸前水域寬度

岸前水域寬度能夠表征港口可停靠大型船舶的噸位規模數量。評價結果(圖6和表3)顯示：廈門灣約有56.4%的岸線適合開發建港，5.2%的岸線較適宜，主要分布于同安灣、大嶝島南部和東部、東北部開闊水域，廈門島除五緣灣和輪渡碼頭以外的岸線，以及漳州龍海市與廈門島隔海相望的岸線；不適宜開發建港的岸線主要分布于九龍江河口岸線及其臨近的島嶼岸線、五緣灣，岸線長度約占廈門灣海岸線總長度的26.3%。

圖6 岸前水域寬度適宜性分級Fig.6 Classified water width suitability of coastline ahead

2.2.4 陸域可開發縱深

岸線后方陸域平坦開闊程度決定了港口建設縱深開發空間大小?？紤]港口、工業向陸域縱深發展需求及案例地區實際情況，以坡度小于2.5°、縱深500和1 000 m為閾值進行陸域可開發縱深分級，結果如圖7所示。由圖7可見，除同安、集美以及龍海市有較短分布岸線陸域可開發縱深適宜建港以外，廈門灣大部分海岸線陸域可開發縱深較狹小，不利于建港。

圖7 陸域可開發縱深適宜性分級Fig.7 Classified land width suitability of coastal land

2.2.5 近岸陸域植被指數

近岸陸域廈門灣海近岸陸域植被指數反映植被覆蓋總體較差(圖8)，約有71.5%的岸線臨近陸域植被指數低于0.10；近岸陸域植被指數為0.10～0.25的岸線占廈門灣岸線總長的24.2%，即約有95.7%的岸線近岸陸域植被覆蓋率較低，建港不會對植被造成較大破壞；而植被指數高于0.25的陸域岸線只占廈門灣岸線總長的4.3%，主要位于九龍江江口許茂洲島東部的紅樹林海岸線和廈門灣東南角臨近文昌魚保護區的海岸線。

圖8 近岸前陸域植被指數分級Fig.8 Classified normalized difference vegetation index on coastal land

圖9 岸線距物種適宜生境(保護地)距離分級Fig.9 Classified distance between coastline and scenic spots or ecological protection area

2.2.6 距物種適宜生境(保護地)距離

廈門灣生態保護地包括白海豚、文昌魚、白鷺國家級生態保護區以及紅樹林省級自然保護區(圖9)。該指標評價結果顯示：不適宜開發建港岸線占廈門灣海岸線的44.3%，主要分布在九龍江河口東部大陸及島嶼岸線、海滄區東部、廈門島東南部岸線及西部岸線，同安灣東部岸線，以及大嶝島南部和東部；適宜開發岸線長度與不適宜岸線長度基本相當，主要分布在同安灣西部和北部，翔安區東南部岸線，以及龍海市九龍江口大陸岸線；較適宜開發岸線長度較短，主要位于廈門島五緣灣；較不適宜開發岸線主要分布于同安灣東部和集美區東南部，岸線長度占廈門灣海岸線的7.4%。

2.3 綜合評價結果

據表1指標，按式(1)核算廈門灣海岸線建港綜合適宜性，評價結果如表4、圖10所示。

表4 廈門灣岸線適宜開發等級綜合評價結果

圖10 海岸線開發建港生態適宜性分級綜合評價Fig.10 Comprehensive ecological suitability grading map on coastline used for building port

由表4和圖10可見，廈門灣適宜、較適宜建港岸線分別占廈門灣岸線總長的10.1%和22.3%；較不適宜、不適宜開發岸線所占比例分別為42.6%和25.0%。其中，適宜開發岸線主要包括廈門島北部五緣灣西側岸線、龍海市東北角大陸岸線、海滄區南部岸線；較適宜開發岸線主要分布在同安灣西側和東南部岸線、龍海市東部岸線；較不適宜開發岸線主要分布在廈門島西部和東南部、大嶝島南部和東北部；不適宜開發岸線主要分布在九龍江河口及島嶼岸線，以及翔安區與大嶝島隔海相望岸線。

結合單指標評價結果與分析可知，除同安灣、翔安區西南段岸線因岸前水深較深、植被覆蓋率較低、岸線穩定性好等建港條件較好，屬于較適宜開發岸線以外，其余臨近白海豚、文昌魚、白鷺以及紅樹林自然保護區的岸線都屬于不適宜開發或較不適宜開發岸線。

3 結語

區域資源利用開發引發的自然資源枯竭、重要物種生境萎縮和生物多樣性減少是當前我國經濟社會可持續發展亟待解決的重要課題?；谖锓N生境保護探索構建的生態承載力評價技術方案，強調須在掌握規劃項目資源開發利用類型、特點，并科學地確定規劃區亟需保護的生態敏感目標及其空間分布格局的基礎上，有針對性地開展規劃項目的生態承載力評價，以促進評估技術改革與創新，提升成果的實用價值。

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Ecological carrying capacity evaluation on exploiting coastline for port construction in Xiamen Bay based on habitat protection

FAN Xiaoshan1, HE Ping1，2, JIA Jiao1，2, XU Yaoyao3,4,5, DONG Jingru6,7

1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.State Environment Protection Key Laboratory of Regional Eco-process and Function Assessment, Beijing 100012, China 3.Ministry of Education Key Laboratory of Virtual Geographic Environment (Nanjing Normal University), Nanjing 210023, China 4.State Key Laboratory Cultivation Base of Geographical Environment Evolution (Jiangsu Province), Nanjing 210023, China 5.Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China 6.College of Resource and Environmental Sciences, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050024, China 7.College of Earth Environmental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China

The evaluation of ecological carrying capacity is the important reference for optimizing the project plans and promoting the sustainable development of socio-economy and natural environment. However most of the available evaluation methods of ecological carrying capacity are incompetent in project pertinence. The methods are basically used to study the comprehensive and regional resource and environmental problems, but not suitable for assessing the sustainable carrying capacity of natural resource and eco-environment systems for specific types of project construction within the planning area. Taking Xiamen Bay as an example, the RS and GIS technologies were applied and the principle of ecological suitability evaluation used to constitute the evaluation index system and explore the ecological capacity evaluation technique for the coastal port development, based on coastline habitat conservation of important species and in combination of the constraint conditions for the development. The research can enhance the technical supports ability of the evaluation results in improving the project schemes, and promote to reform the ecological capacity evaluation technologies for project plans.

ecological carrying capacity;habitat;coastline;port;evaluation;project plan;technology

2016-11-15

國家環境保護公益性行業科研專項(201409100)；國家自然科學基金項目(41501581)

范小杉(1976—)，女，副研究員，博士，主要從事生態經濟與環境管理領域研究，fanxs@craes.org.cn

*責任作者：何萍(1968—)，女，研究員，博士，主要從事流域生態研究，heping@craes.org.cn

X826

1674-991X(2017)03-0374-08

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.03.052

范小杉，何萍，賈嬌，等.基于生境保護的廈門灣海岸線開發建港生態承載力評價 [J].環境工程技術學報,2017,7(3):374-381.

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