2001-2016年福建省海岸帶植被覆蓋變化特征

喬文慧， 王 強

(福建師范大學 地理科學學院， 福建 福州 350007)

海岸帶是海洋生態系統向陸地生態系統的過渡區域，是海陸生態系統重要的交錯帶[1-4]，呈現出景觀類型多樣、生態結構復雜、人類活動集聚的特征[5]，對區域生態環境功能維系、人口經濟布局起到承載與支撐作用。海岸帶顯著的區位優勢薈萃了陸海兩類經濟，生產力雙向輻射，成為社會經濟地域中的“黃金地帶”，全球范圍內僅占地表面積18%的海岸帶棲息著60%的人口，有2/3的人口超過160萬的大城市分布于這一地區[6]。但海岸帶耦合過程復雜多變，對氣候和生態的感應極其敏感和脆弱[4]，伴隨城市化、工業化進程的加快，海岸帶資源開發利用的加劇，人類活動對海岸帶自然環境的破壞日益加重，尤其是，海岸帶陸域植被系統的破壞更加嚴重，對于沿海地帶的植被覆蓋度監測顯得尤為必要。

植被是陸地生態系統的主體，對植被覆蓋開展長時間序列監測、評價是國內外學者的研究焦點。國外相關研究的起步較早，以不同時間和空間尺度對植被覆蓋進行研究：在半球[7-10]或全球[11-12]尺度、區域尺度[13-14]下測算植被覆蓋度的變化規律，并廣泛關注海岸帶植被變化[15]，對美國、墨西哥、東南亞、孟加拉灣等[16-19]典型海岸地區進行定量研究，同時就植被與氣候、降水等自然要素和人類活動的響應過程[7,9-10,13]也進行了深入的研究。近年來國內學者對植被覆蓋的監測研究也在不斷深入，包括植被類型更替、強度變化及空間格局演替及驅動機制和發展趨勢的探討等,目前國內對于沿海地區植被覆蓋研究集中在中國東部沿海[20-22]、典型海灣區[23-25]或省市尺度[26-28]的沿海植被研究，而福建省海岸帶地區植被覆蓋的研究較為少見。

福建省海岸帶陸海交錯，地形地貌復雜，自然環境條件不穩定，加之人類活動愈演愈烈，導致其海岸帶植被覆蓋波動劇烈，同時福建省海岸帶地區作為海西城市群和海上絲綢之路的發展核心，對其進行生態環境承載能力監測具有重要意義。監測植被覆蓋變化是表征生態承載力的重要手段，因此本文在國家引導形成資源環境承載能力監測預警長效機制背景下，基于Landsat遙感影像數據，采用像元二分模型，監測了福建省2001，2006，2011，2016年植被覆蓋狀況，在此基礎上揭示和分析福建省海岸帶植被覆蓋空間格局的演變以及不同類型主體功能區植被覆蓋變化特征，以期為福建省資源環境監測預警和構建生態安全格局提供科學依據。

1 研究區概況

福建省陸域面積121 400 km2，位于23°31′—28°18′N ，115°50′—120°43′E之間，植被種類多樣，森林資源豐富，森林覆蓋率達65.95%，居全國第二。全省海域面積136 300 km2，海岸線北起福鼎市沙埕虎頭鼻，南至詔安縣洋林鐵爐崗，海岸線長度居全國第二位，海岸線曲折率居全國第一位[29]。得益于曲折而漫長的海岸線，星羅棋布的島嶼，眾多優良港灣分布于此，大小港灣計125個，海灣屏蔽性好，條件優良，有7個海灣可大規模開發建設5 kt級以上的深水泊位，其中多處可建設20～30 kt的超大型深水泊位。此外海洋漁業資源豐富，近海有海洋生物3 312種，其中魚類752種，水深200 m以內的海洋漁場面積121 500 km2，沿海淺海灘涂資源豐富，可利用養殖面積達1 500 km2。具有旅游開發價值的島嶼眾多，濱海文化淵源深厚，濱海旅游資源開發潛力巨大。海岸帶和近海海域蘊藏的礦產資源已發現60多種，礦產地300多處，其中20多種具有工業利用價值。沿海風能資源豐富，潮汐能蘊藏量居全國首位。

海岸帶的過渡地貌帶特性使得海岸帶的范圍沒有統一的界定標準。有關海岸帶界定較早的定義始于1919年，此后不同學者和單位對海岸帶均作有不同的認識[30-32]。本文參考福建省海洋功能區劃、福建省主體功能區規劃等相關規劃成果，綜合考慮福建省海岸線漫長的特點、海岸帶植被生境條件、數據的易得性，確定使用“向陸地延伸10 km，向海延伸15 km”作為研究范圍的界定標準，重點聚焦海岸線向陸延伸一側，對福建省海岸帶植被覆蓋變化率進行研究。研究區覆蓋福建沿海寧德、福州、莆田、泉州、廈門、漳州6個地市，35個沿海縣域，面積約1 142 868 km2，覆蓋優化開發區5個，重點開發區29個，海岸帶植被覆蓋度及生態承載力狀態統計包含金門縣，而針對不同主體功能區類型的統計不包含金門縣。

2 數據與方法

2.1 研究數據

研究數據包括福建省遙感影像數據、福建省行政區矢量數據、福建省海岸線矢量數據。其中遙感影像數據選取2001,2006,2011年Landsat 5～30 m分辨率遙感影像，2016年Landsat 8～30 m分辨率遙感影像。

2.2 研究方法

2.2.1 植被指數選取 植被指數反映地表植被生長、覆蓋、生物量情況和種類數量、分布特征，歸一化值(NDVI)是常見的植被覆蓋定量研究數據[33]。一般常用于植被覆蓋度遙感監測的植被指數主要有：NDVI,PVI,MVI,GEMI,SAVI,MSAVI,TSAVI 等[34]，其中NDVI優勢突出而被廣泛應用于植被覆蓋度的動態監測[28,35]，因此本文使用歸一化植被指數作為度量參數。

歸一化植被指數(NDVI)是近紅外波段NIR與可見光紅波段RED數值之差與這兩個波段數值之和的比值，即：

(1)

2.2.2 植被覆蓋度的遙感估模型 研究利用基于遙感的像元二分模型法評估典型生境植被覆蓋度的變化趨勢。計算公式如下：

(2)

式中：Fc為植被覆蓋度； NDVI為影像中各像元的NDVI值； NDVIsoil為全裸土或無植被覆蓋區域NDVI值； NDVIveg為純植被覆蓋像元的NDVI值。

植被覆蓋度分級時，當0≤Fc≤25%，為低植被覆蓋度；25%≤Fc≤50%，為較低植被覆蓋度；50%≤Fc≤75%，為較高植被覆蓋度；75%≤Fc≤100%，為高植被覆蓋度。

像元二分模型評估過程中，研究者對于NDVIsoil和NDVIveg兩項參數的取值方法不盡相同。Qi等[36]在估算桑河流域植被覆蓋度的研究中，分別應用3種類型遙感數據計算NDVI，從多時相高分辨率數據中得到NDVIveg參數，而NDVIsoil參數取自圖像中理想的裸地的NDVI值。孫久虎等[37]在利用像元二分模型估算北運河地區植被覆蓋度的研究中，以圖像中的最小NDVI值作為NDVIsoil參數，而最大NDVI值作為NDVIveg參數。牛寶茹等[38]采用像元二分模型估算植被覆蓋度時，選用同時相、同地區的高分辨率影像的最大NDVI值作為中等分辨率TM圖像的NDVIveg參數。

理論上，NDVIsoil值較為穩定，數值接近于0，但對于不同土壤類型的裸露地表，NDVIsoil會在-0.1～0.2范圍內波動[39]。同理，NDVIveg值也會隨著土地利用類型、植被物候期的變化而波動[40]。在沒有實測數據進行檢驗的情況下，通常取給定置信度的置信區間內最小值與最大值為NDVIsoil和NDVIveg。取值時利用土地利用圖和土壤圖作為選取NDVIveg和NDVIsoil參數的依據，可以提高準確度，使估算結果更接近現實。

本研究參考研究區土地利用狀況、對應Google地圖，同時結合以往經驗，取合理的NDVI值累積頻率置信度范圍，將其NDVI值作為NDVIsoil和NDVIveg參數值。

2.2.3 植被覆蓋度變化評價模型 根據不同海域典型生境植被特點，利用植被覆蓋變化率，表征評價區域生態承載能力的狀態趨勢，所采用的計算公式如下：

(3)

式中：Ev為植被覆蓋變化率；Fcp為評價現狀年植被覆蓋度；Fco為評價現狀年5 a前植被覆蓋度。

植被覆蓋度變化率分級時，當Ev≤0，典型生境生態質量狀況改善；Ev<10%，典型生境生態質量狀況基本穩定；10%≤Ev≤20%，典型生境生態質量狀況退化；Ev>20%，典型生境生態質量狀況顯著退化。

3 結果與分析

3.1 區域植被覆蓋空間格局演變

3.1.1 覆蓋度空間演變過程 不同時間節點上福建省海岸帶植被覆蓋度呈現出不同的空間變化。2001年之后研究區內植被總面積快速增加，到2006年植被覆蓋度總面積達到最高，此后植被覆蓋總面積快速減少，2011，2016年植被覆蓋總面積與2001年總面積持平，雖然植被覆蓋度在總量上下降了，但植被覆蓋度總體趨于穩定，統計結果見圖1與表1所示。

表1 不同覆蓋度等級植被面積變化特征

2001年福建省海岸帶低植被覆蓋面積4 859.79 km2，在不同等級植被覆蓋度中低植被覆蓋所占比例最高，達到38.16%；高植被覆蓋面積4 433.20 km2，所占比例次之。除閩北海岸帶植被覆蓋度較高外，其他地區植被覆蓋度均偏低，海岸帶總體植被覆蓋度水平偏差；2006年低植被覆蓋度比例下降到14.71%，5 a內低植被覆蓋度比例下降了23.45%；較高植被覆蓋度面積最大，達4 892.11 km2，所占比例38.30%，也呈下降趨勢，較高植被覆蓋和高植被覆蓋比例占到總值的73%以上，整體植被覆蓋度水平好，且較2001年，較高植被覆蓋度有較大的面積增加，變化顯著；2011年高植被覆蓋度面積4 822.69 km2，占植被覆蓋度的最大比例，但是較2006年，2011年低植被覆蓋度比例上升到24.57%，且主要集中在廈門、泉州、莆田等海岸帶地區；2016年高植被覆蓋度面積達6 976.40 km2，所占比例為54.78%，研究區內一半以上的面積為高植被覆蓋度，整體植被覆蓋狀況較好。

圖1 福建省海岸帶植被覆蓋度

3.1.2 覆蓋度變化格局分析 基于2001,2006,2011和2016年的植被覆蓋度結果，利用式(3)計算和分級福建省海岸帶植被覆蓋3個5 a的變化率以表征評價福建省海岸帶生態承載力狀態(圖2)，評價的狀態面積統計結果見表2。

從變化格局來看，2001—2016年間生態改善面積比例變化從61.57%～45.53%～72.35%，且生態改善比例都占最大比例，由此可見近20 a來，福建省海岸帶生態承載力改善的變化趨勢最大，整個海岸帶生態環境在不斷提升趨好；2001—2016年間基本穩定的面積比例變化為5.38%～9.25%～5.13%，基本穩定的面積變化不大，起伏趨勢較為穩定；2001—2016年間退化面積變化經歷了11.36%～8.10%～4.31%，退化面積變化呈現明顯下降趨勢，占比逐年減少；2001—2016年間顯著退化的面積變化為21.69%～37.12%～18.21%，退化變化率略顯著于顯著退化變化率，總體退化程度呈現下降趨勢，整個海岸帶植被退化、生態承載力萎縮現象呈現不斷改善的狀態。

圖2 福建省海岸帶生態承載力狀態

表2 福建省海岸帶生態承載力狀態面積變化特征

生態承載力狀 態2001—2006年面積/km2比例/%2006—2011年面積/km2比例/%2011—2016年面積/km2比例/%改 善7 142.4461.57 5 403.1845.53 7 965.6372.35 基本穩定623.955.38 1 097.779.25 564.745.13 退 化1 317.7511.36 961.778.10 474.254.31 顯著退化2 516.7921.69 4 404.8337.12 2 004.6318.21

3.2 不同類型主體功能區植被覆蓋變化特征

3.2.1 不同類型主體功能區植被覆蓋分布特征 不同類型的主體功能區在時間序列上顯示著差異的植被覆蓋度(見表3)。優化開發區以低植被覆蓋和高植被覆蓋或低植被覆蓋和較高植被覆蓋的面積最大，總體變化較為穩定，其中低植被覆蓋度面積在2001年和2011年都為最大面積，總體呈現逐年降低趨勢；較低植被覆蓋度的面積平均在20 km2之間波動，變化幅度較小；較高植被覆蓋度面積在2006年為最高，年際變化在4類覆蓋度中最大，呈現先增加后減少的波動；高植被覆蓋度面積最大出現在2016年，最小出現在2006年，極差變化為85 km2，其變化趨勢與較高植被覆蓋度變化趨勢相反，但變化程度要小。重點開發區以較高植被覆蓋和高植被覆蓋面積為主，其中低植被覆蓋度面積在2001年最大，低植被覆蓋度、較低植被覆蓋度都趨于下降，且低植被覆蓋度下降幅度要遠大于較低植被覆蓋度；較高植被覆蓋度在2006年達到最大面積，呈現波動下降，波動程度要小于低覆蓋度；高植被覆蓋度在2016年為最大面積，與其他覆蓋度相比，高植被覆蓋度呈現較大的增長趨勢。

表3 不同類型主體功能區植被覆蓋度面積特征 km2

3.2.2 不同類型主體功能區生態承載變化格局特征 不同類型的主體功能區的生態承載變化格局也隨時間變化表現出差異(見表4)。優化開發區在3個5 a內均以改善和顯著退化為主，并且改善面積波動增加，顯著退化面積逐年下降，而基本穩定和退化面積表動較為穩定。重點開發區3個5 a內的變化與優化開發區相近，也表現出以改善和顯著退化為主，改善面積一直占最大比例，并波動上升，而退化面積減幅最顯著，從2001—2016年減少了803.40 km2，到2016年該類型主體功能區區內退化和顯著退化顯著減少，生態承載能力不斷提升。

2001—2006年優化開發區和重點開發區都以生態承載能力改善為主要特征，退化及顯著退化分散分布在重點開發區內，2006—2011年，寧德和福州重點開發區表現改善，而其余莆田、泉州、廈門、漳州重點開發區均為顯著退化，同時福州優化開發區呈現改善，廈門和泉州優化開發區則為顯著退化。2011—2016年全部重點開發區都以改善面積比例最高，優化開發區福州地區表現出明顯的顯著退化，泉州、廈門市優化開發區則轉變為改善。

表4 不同類型主體功能區植被覆蓋變化格局 km2

4 結論和討論

4.1 結 論

本研究基于2001，2006，2011，2016年遙感影像數據，運用像元二分模型監測福建省海岸帶地區植被覆蓋的時空變化及格局特征。

(1) 2001—2016年福建省海岸帶整體植被覆蓋面積小幅減少，總體趨于穩定，但低植被覆蓋度面積總體呈現下降趨勢，下降的變化比例達20.29%，較低和較高植被覆蓋度變化較為平緩，而高植被覆蓋度呈現上升趨勢，增長比例達19.98%。而2001—2016年生態承載力狀態以改善為顯著特征，總體來看，改善的面積增加了10.78%，基本穩定面積變化不大，而退化面積下降了7.05%，顯著退化面積下降了3.48%。

(2) 不同類型主體功能區內植被覆蓋變化有差異，2001—2016年優化開發區和重點開發區植被覆蓋均呈現波動下降趨勢，但優化開發區的低植被覆蓋度占比較高，較高植被覆蓋度年際變化最大，重點開發區較高和高植被覆蓋度占比較高，且高植被覆蓋度增長趨勢明顯。同時，2001—2016年優化開發區和重點開發區均以改善和顯著退化面積變化最大，其中優化開發區內改善面積增加，顯著退化面積逐年下降，而重點開發區近15 a的退化面積顯著減少，到2016年退化和顯著退化面積均呈現明顯減少改善趨勢，總體上不同類型主體功能區生態承載狀態均以改善為主要特征。

(3) 總體看來，2001—2016年福建省海岸帶植被覆蓋度和生態承載力狀態呈現上升態勢，海岸帶整體生態環境呈現改善提升狀態。

4.2 討 論

海岸帶地區人口、經濟等要素高度活躍，使得人類對植被的影響在速度和程度上均超過了自然因素，短期內人類活動成為最主要的影響因素[22]。

(1) 人類社會經濟建設直接導致植被覆蓋度的變化。2001—2016年的近15 a間，沿海各市人口均處于逐年增長態勢，顯著的人口集聚推動城市化、工業化進程，港口建設、臨海工業區、圍海養殖等人類活動愈加旺盛活躍，沿海生態環境壓力也進一步加大，導致福建海岸帶地區植被覆蓋度總量降低，其中寧德地區山地丘陵逼近海洋，植被覆蓋度高于南部5市的海岸帶地區，而閩三角海岸帶由于區位優勢明顯，導致產業集聚、城市規模快速擴張，使得區域內生態環境壓力升高，在各年份均表現出植被覆蓋較低水平，特別是廈門、泉州市等地進一步推進港口建設，大規模填海造陸，脅迫海岸帶生態環境，導致植被覆蓋度偏低。

(2) 政策導向對經濟建設的指向性間接對植被覆蓋度產生影響。2001年福建省生態文明建設起步，粗放的發展方式未完全改變，在福州、廈門、泉州市等重點發展城市出現較大面積的低植被覆蓋，到2006年全面推進生態文明建設，加強森林資源培育和海洋生態環境保護，保護農田和耕地，加強對海洋與岸線資源的保護，因此植被覆蓋度在2006年前后有了較大的提升。而隨著“廈漳泉城市群”、“福州大都市區”等先后推行，福州、廈門、泉州3市生產總值比例已超60%，退植擴建現象加劇，在2006—2011年和2011—2016年出現以廈門和福州為核心的2個生態承載水平顯著退化區。2016年前后生態文明示范區的建設以及主體功能區、海岸帶保護利用等規劃的施行，海岸帶經濟發展定位更加明確，海岸帶空間開發格局更加優化，因此2016年海岸帶植被覆蓋也呈現以較高和高植被覆蓋比例較高的良好生境狀態。

(3) 福建省海岸帶地區應圍繞政策導向積極開展社會經濟活動，正確把握經濟發展與生態環境的耦合關系，加強資源環境的監測和預警，構建面向山水林田湖共同體的生態安全格局。