海島城市化過程中的生態安全動態評價與驅動力分析
——以平潭島為例

高 升，曹廣喜，洪 滔，趙 林，徐 敏,*

1 南京師范大學,地理科學學院,南京 210023 2 南京信息工程大學,財務處,南京 210044 3 福建農林大學,林學院, 福州 350002

生態安全評價是基于生態安全影響因子與社會經濟的持續發展之間的相互關系,用一系列安全評價指標對生態安全的程度予以度量的一種方法,是國內外學者研究的熱點[1],但是對于海島快速城市化背景下的生態安全動態變化研究相對較少。如何準確獲取島嶼的生態安全狀態,及時的采取有效措施維護良好生態狀況,實現海島的快速城市化進程與生態環境協調持續發展成為當前海島生態安全研究的重要方面。

海島所處的生態環境較陸地環境更為復雜,因此對開發建設的海島進行生態安全評價不能直接借鑒陸地生態安全評價指標體系,需要綜合考慮海岸帶及海洋影響指標因子并結合人工干預指標因子。國外學者對海島的生態環境研究主要基于構建的海岸帶生態安全評價指標體系[2]、海樣工程或生態修復工程的生態安全評價指標體系[3],海岸帶生態脆弱性及生態風險評價指標體系[4]、海岸帶區域生態系統服務功能指標體系[5]、生態系統健康評價指標體系[6]、海岸帶區域生態承載力評價指標體系[7]等。因此,如何客觀準確的構建起海島生態安全評價指標體系是重要前提,如Cao等建立了一個基于壓力-狀態-響應評價指標體系(PSR)模型,通過綜合指數法進行生態安全的時空分析[5]。國內學者結合陸地城市生態安全評價指標體系,分別運用多種評價方法從以下幾個方面對海島的生態環境進行了研究,如海島災害生態風險評估指標體系[8]、海島近岸海域資源環境承載能力評價指標體系[9]、海島土地利用類型重金屬的潛在生態風險評價[10]、海島生態系統服務功能價值評價與分析[11]、海島旅游生態安全指標體系[12]、海岸帶陸地土地利用變化景觀格局分析與優化[13]、海島城市環境質量評價指標體系[14]、結合景觀格局指數與生態風險指數分析景觀生態風險及其演變[15]等。但是,大部分對海洋生態環境狀況的探討僅僅停留在時空動態評估,并沒有進行相應的驅動力分析,也沒有深入分析關鍵影響因子,進而也就無法有針對性的提出應對措施與管理方法。

生態安全是平潭島可持續發展的必要條件,隨著平潭島大規模的投資開發建設以及城市化擴張,探討海島生態安全評價指標體系,有效的開展平潭島生態安全評價研究,分析平潭島生態環境與社會經濟持續發展的相互影響與制約,對調整海島環境保護與管理機制,保障生態環境建設,提高平潭島的生態水平,促進海島自然、經濟、社會的協調可持續發展具有重要意義。

1 研究區域概況與數據來源

1.1 研究區域

平潭島為平潭縣主島,位于25°16′—25°44′N,119°32′—120°10′E(圖1),南北長29km,東西寬19km,全島海岸線長達408km,面積267.13km2,北與福州長樂國際機場僅距60km,東面與臺灣省新竹港相距僅125.936km2,是大陸距臺灣最近處,成為大陸對臺經貿和人文交往的重要窗口。地處南亞熱帶半濕潤海洋性季節氣候區域,年平均氣溫19.0—19.9℃,年平均風速6.5—8.5m/s,年降水量900—1200mm[16],多年平均水資源量為1.72×108m3,其中平均地表水為1.1238×109m3。

當前平潭島綜合實驗區正在快速開發建設,為了實現建造生態宜居海島城市的目標,在快速城鎮化背景下,基于合理客觀的評價方法以及生態安全閾值,準確反映平潭島的生態安全狀況,揭示平潭島生態安全動態特征并進行驅動力分析,找到影響平潭島生態安全狀況的主要因子,是對各種風險下維持生態系統健康和可持續性的識別與分析,是建立生態安全預警系統及進行環境管理的基礎。

1.2 數據來源

指標數據主要來源于相應評價年份的平潭縣土地志、平潭島建設規劃、平潭統計年鑒、福州市統計年鑒、福建省統計年鑒、福建社會與科技統計年鑒。由于2011年平潭島尚未進行較大規模的開發建設,將其作為生態安全狀況對比基準年份。2005—2015年平潭島的城市化進程日益加速,尤其是2009年設立平潭綜合實驗區之后,開啟了大規模的投資建設。因此,分別選取2001年、2005—2015年共12年的自然與社會經濟指標數據進行生態安全量化評價與驅動力分析,選取的評價年份區間范圍涵蓋了平潭島未進入大規模開發時期至實驗區建設初期,以此探求平潭島快速城市化進程中生態環境的動態變化狀況。

2 研究方法

2.1 構建生態安全評價指標體系框架

結合研究區域自然-經濟-社會的實際情況,參考國內外關于生態安全評價指標體系構建的研究成果[17- 18],著重參照適應海岸帶開發區域的生態系統評價指標體系,如適應近岸和濕地生態系統的生態脆弱性評價指標體系、并匯總近年來海島生態環境研究中應用頻率較高的指標。依據德爾菲法反復進行專家咨詢論證選取和增加部分指標,剔除每年變化微小的指標,最終選擇了能夠反映平潭島生態安全主要特征的34個因子作為具體評價指標。

將篩選出的評價指標依據DPSIR概念模型框架構建3級平潭島生態安全綜合評價指標體系,自上而下分別為目標層、準則層、指標層。其中將生態安全綜合指數作為目標層,并將準則層分為系統驅動力(Driving forces)、系統壓力(Pressure)、系統狀態(State)、系統影響(Impact)和系統響應(Responses)5個[19],每個指標層中的評價指標均包含社會經濟指標與自然環境指標。

2.2 評價指標標準化處理及權重的確定

篩選出34個指標作為平潭島生態安全評價的影響因子,構建構成如下評價指標體系,采用極差標準化轉換法對指標矩陣進行無量綱化和數據標準化處理,依靠熵權法計算出計算出與平潭島生態安全狀態相關的34個評價因子熵權權重(表1)。

2.3 生態安全綜合指數計算

綜合指數法[20]可以將分散的信息通過模型集成,形成關于對象綜合特征的信息,在確定各單項指標在各自對應層次的權重及其對系統總層次的總排序權重的基礎上,通過線性加權法分別計算出驅動力、壓力、狀態、影響和響應5個因子評價指數,最后求綜合評價指數,生態安全綜合評價指數模型如下：

表1 平潭島生態安全評價指標體系與權重

+,權益性指標;-,成本性指標

式中,D、P、S、I、R分別表示驅動力、壓力、狀態、影響和響應5個因子指數;ESIj為第j年生態安全綜合評價指數或生態安全度;Xi為指標i的標準化值;Wi為指標i的權重。生態安全度的取值在0—1之間[21],計算的結果越接近于1,表示該地區的生態環境質量越好,生態越安全;結果越接近于0,表示該區域的生態安全水平越低,生態越不安全。

2.4 安全閾值的確定及生態安全等級劃分

生態安全評價的評價標準是生態安全指標的目標值,指標安全閥值的確定一方面可以參照已有的相關標準或直接依據現狀值估算,另一方面可以運用生態模型對評價對象進行計算,本文參照國內外生態安全等級的分級方法[22],借鑒已有研究生態安全度等級[23],根據平潭島的實際情況,將生態安全指數值與生態安全水平等級做出如下關聯,劃定生態安全水平的分級臨界值,構建適合平潭島的生態安全度等級,將生態系統安全綜合指數劃分為5級(表2)。據此進行生態評價,確定區域是否處于安全狀態。

表2 生態安全指數等級劃分標準

3 結果分析

3.1 生態安全動態變化

通過對12個年份平潭島生態安全狀況指標數據的計算,得到DPSIR模型中 5個準則層的生態安全因子值的動態變化狀況(圖1)?？梢园l現,驅動力因子D在12個年份中較為平穩,從指數最小年份2005年的0.0388到最大年份2014年的0.1153,總體雖然呈上升趨勢但變化微小;壓力P因子在2001年、2005—2010年較為平穩,2010—2012年上升變化最為明顯,其中2005年最小,只有0.0204,2012年最大達到0.1375;狀態因子S的變化趨勢同壓力因子非常相似,其中2005年最小,只有0.0655,同樣在2010—2012年期間明顯升高并在2012年達到最大值0.2275;影響因子I總體趨勢較為平穩,2010年數值最小,2005年數值最大,分別為0.0201、0.0722;驅動力因子R總體呈上升趨勢,2001年最小,只有0.0215,其中2005—2008年變化較為平穩,而設立綜合試驗區進入快速開發建設之后的2009—2011年上升劇烈,在2011年到達最高值0.0471,后續2012—2015年雖又呈現略微下降的平穩狀態,但指數依然高于2011年之前的所有年份;響應因子R在2009年之前動態變化較為平穩,而2009—2012年波動變化最為明顯,從2009年的0.0571陡升到2011年的0.4128之后又降到2012年的0.1635,后續年份又趨于穩定上升,變化不大。

基于計算的準則層指標值進而求得12個評價年份的平潭島生態安全總指數動態變化狀況(圖2)。可以發現,平潭島生態安全指數總體呈上升趨勢,2001年、2005—2009年生態安全狀況總體上較為平穩,其中2005年生態安全指數最小,只有0.2198;但2009—2011年期間劇烈上升,2011—2013年稍微下降,而2013—2015年又呈緩慢上升趨勢,2010年生態安全指數在0.4—0.6之間,

生態安全程度一般,處于臨界狀態,2011年的生態安全指數最高,達到0.7612,2011—2015年的生態安全指數均在0.6—0.8之間,生態安全程度較高,處于良好狀態?？傊?平潭島的生態安全狀態逐漸好轉,從預警到臨界再到良好,這表明海島的開發建設模式已較為成熟,海島發展速度不斷提高,正在朝著建設生態海島城市的目標發展。

驅動力、壓力、狀態、影響和響應5個準則層因子指數在2009—2012年時間段都存在大幅度變化現象,最終影響了生態安全指數的動態變化趨勢。通過對比5個準則層因子與生態安全指數的動態變化趨勢,可以發現壓力因子、狀態因子、響應因子的動態趨勢同生態安全指數極為相似,其中響應因子是絕對關鍵因子,對生態安全指數有決定性影響。

圖1 生態安全因子值動態變化Fig.1 Ecological safety factor value of dynamic change

圖2 生態安全指數動態變化圖Fig.2 Dynamic changes of ecological security index

3.2 驅動力及其變化

通過相關因子分析法、主成分分析法、通徑分析法,分別獨立的分析了可能影響平潭島生態安全動態變化的因子,探討平潭島生態安全態勢變化的驅動力。

3.2.1 生態安全度變化的相關因子分析

將D、P、S、I、R與生態安全指數ESI這6個指數作為因子,運用因子分析法[24]計算它們間的相互關系,發現影響平潭島生態安全總指數主要因素是狀態指數,相關系數達0.923(P<0.01),這表明其對安全總指數的貢獻較大(表3);其次是驅動力指數與響應指數,影響度分別為0.897、0.875(P<0.01)。響應指數的貢獻大于壓力指數的貢獻,這正是平潭島雖然經歷這么高速的開發建設而生態環境狀態卻逐漸提升的關鍵。

表3 生態安全指數因子分析關聯矩陣

3.2.2 生態安全變化的主成分分析

在生態安全評價指標體系中,某一指標值的變異程度越大,表明其提供的信息量越多[25],在生態安全評價中所起的作用越大,其權重值也應越大。選取熵權權重大于或接近0.04的8個指標作為主要分析指標進行主成分分析,所選取的8個變量中有KMO為69.5%以上的系數絕對值大于0.3,故認為可以進行主成分分析。將標準化矩陣導入SPSS 19.0軟件中進行主成分分析,得出前兩個累計方差貢獻率達到92.188%,初始方差貢獻率分別為78.994%、13.194%(表4),說明這兩個變量基本涵蓋了變量信息,可以作為衡量平潭島生態安全狀況的主成分。從主成分載荷矩陣發現,交通運輸投資比率、森林覆蓋率、衛生社會保障投資比率、教育投資比率、實際利用外資額與第一個主成分相關程度較高;耕地年均損失率在第二主成分上的載荷為0.9930,即相關程度較高。

將得到的特征向量與標準化后數據相乘得到各主成分得分,以主成分對應的特征值占所提取主成分總特征值之和的比例作為權重,最終得到個年份綜合主成分大小(圖3)。發現2011年的主成分1得分最高,達到0.9123,2015年次之,達到0.8231,而2001年與2005年的主成分1得分最小,分別為-2.2117與-1.7325;2001年的主成分2得分最高,達到0.8721,2011年次之,達到0.6154,而2010年與2009年的主成分2得分最小,分別為-1.2496與-0.4218。將主成分綜合得分大小排序可以發現2011年的主成分綜合得分最高,達到1.5277;2015年的主成分綜合得分次之,達到1.1974。表明在平潭島在快速城市化開發建設過程中,兩個主成分在2011年與2015年對平潭島生態安全狀態的影響作用最明顯。

表4 主成分的特征值、貢獻率和累計貢獻率

圖3 各個年份主成分得分Fig.3 The principal component score of each year

3.2.3 生態安全變化的通徑分析

由于在主成分分析中的8個主要影響因子均出現在2個主成分中,所以用這8個指標表征平潭島生態安全態勢變化,按照通徑分析原理[26],對因變量Y進行正態性檢驗后,Shapiro-Wilk統計量0.825,顯著水平Sig.=0.0712>0.05,所以因變量v服從正態分布,即Y是可以進行回歸分析的正態變量。進行方差分析得到F=77.315,SigF<0.001,模型通過F檢驗,可以認為在0.005的顯著性水平下作通徑分析有意義,結果見表5。

通過計算發現響應指標因子是影響平潭島生態安全態勢變化的關鍵,交通運輸投資比率、衛生社會保障投資比率、公共設施投資比率對平潭島生態安全狀況的直接影響較大,直接通徑系統分別達到0.0921、0.0862、0.0762;同時衛生社會保障投資比率、交通運輸投資比率、公共設施投資比率對平潭島生態安全狀況的間接影響較大,間接通徑系數分別為0.8115、0.8032、0.7832。而耕地年均損失率與森林覆蓋率兩個影響因子對平潭島生態安全狀況的直接影響較大,直接通徑系數為-0.7022、-0.5478。

4 結論與討論

首先,平潭島生態安全評價指標體系準則層中的驅動力因子、影響因子在評價年份中動態變化較為平穩;壓力因子、狀態因子動態變化趨勢較為相似,2001、2005—2010年期間較為平穩,在2010—2012年期間明顯升高并同時在2012年達到最大值,分別為0.1375與0.2275;響應因子在2009年設立綜合試驗區之前動態變化較為平穩,但是2009—2012年波動最為明顯,從2009年的0.0571陡升到2011年的0.4128。

表5 生態安全變化的通徑分析

其次,平潭島生態安全指數總體呈上升趨勢,從預警到臨界再到良好。響應因子、壓力因子、狀態因子的動態趨勢同生態安全指數極為相似,對生態安全指數產出重大影響,其中響應因子是絕對關鍵因子,對生態安全指數有決定性影響。2001年、2005—2009年生態安全狀況總體上較為平穩,而設立綜合實驗區以來的2009—2011年期間生態安全指數上升幅度最為明顯,這是因為當時國家批準建立平潭島綜合實驗區,平潭島開始了大規模的開發建設,隨著海島的開發建設,壓力因子的趨勢也有所提高,大量的資金不斷投入到海島建設的各個領域起到關鍵作用,致使響應因子指標大幅度升高,抵消壓力因子帶來的影響,于此同時狀態因子也逐漸走高,說明平潭島的生態安全狀況不斷優化;影響因子趨勢平穩表明,雖然平潭島進入快速發展建設的高峰時期,但是海島的開發建設并沒有對其生態造成太大影響;最后也是對海島生態起到關鍵影響的響應因子,從其趨勢上,可以發現海島開發之前較為平穩,但是進入高速開發之后,響應的趨勢大幅提高,這表明國家在加快海島開發建設的同時,也促進了平潭島社會經濟的高速發展,生態環境領域的巨大投入,這也是驅動力不斷降低,生態狀態較穩定且不斷提升的主要原因。2010年生態安全指數在0.4—0.6之間,生態安全程度一般,處于臨界狀態。尤其是從2011年開始,生態安全指數達到0.7612,平潭島的生態安全狀況由臨界進入了良好,后續2012—2015年雖又呈現略微下降的平穩狀態。

再次,相關因子分析再次發現,響應指數的貢獻大于壓力指數的貢獻,這正是平潭島雖然經歷這么高速的開發建設而生態環境狀態卻逐漸提升的關鍵。主成分分析發現2011年與2015年的主成分1得分最高,分別為0.9123與0.8231,2001年與2011年的主成分2得分最高,分別為0.8721,與0.6154; 2001年與2005年的主成分1得分最小,分別為-2.2117與-1.7325;2010年與2009年的主成分2得分最小,分別為-1.2496與-0.4218。其中2011年與2015年的主成分綜合得分最高,分別為1.5277與1.1974,表明在平潭島快速城市化過程中,兩個主成分在2011年與2015年對平潭島生態安全狀態的影響作用最明顯。通徑分析發現響應指標因子是影響平潭島生態安全態勢變化的關鍵,交通運輸投資比率、衛生社會保障投資比率、公共設施投資比率對平潭島生態安全狀況的直接影響較大,分別為0.0921、0.0862、0.0762;同時衛生社會保障投資比率、交通運輸投資比率、公共設施投資比率對平潭島生態安全狀況的間接影響較大,分別為0.8115、0.8032、0.7832。隨著海島開發建設,帶動了社會經濟的快速發展,政府部門針對不斷增長的壓力,大力作出響應投入,響應大于壓力是平潭島生態狀況不斷優化的關鍵因素。

最后,為了保障海島型城市的生態安全,今后必須建立一套完整的預警及應對系統,實時準確的掌握海島快速城市化過程中的生態安全狀況,及時評估分析生態安全狀況動態變化的主要驅動因子,避免海島快速城鎮化建設帶來的一系列生態環境問題,為平潭島中后期進入快速開發發展階段的生態布局提供重要參考。

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