浙江省海岸帶生態壓力與景觀生態風險時空關聯分析

摘 要：海岸帶是生態風險區域，以灣區為單元，厘清生態壓力與景觀生態風險時空關聯，進行理性干預，對于推動區域有效治理具有積極作用。以浙江省海岸帶為例，在生態壓力指數和景觀生態風險指數評估基礎上，運用雙變量空間自相關和耦合協調度模型，評估二者的時空關聯性，采用結構方程模型測度路徑關系。結果表明：（1）2000—2020 年，浙江省海岸帶地區生態壓力指數波動增長，生態壓力呈現北高南低，形成杭州地區、寧波地區、溫臺沿海三點帶面的空間格局；（2）2000—2020 年，景觀生態風險程度加深，呈現海岸帶中南部高、東北部低的分布格局；（3） 浙江省海岸帶地區生態壓力與景觀生態風險存在局部空間自相關關系，臺州灣、樂清灣、溫州灣地區低—高集聚，耦合協調狀況不佳，景觀生態風險滯后于生態壓力；杭州灣地區高—高集聚，耦合協調度較好，生態壓力與景觀生態風險發展趨于同步；（4） 浙江省海岸帶生態壓力對景觀生態風險具有顯著的正向作用。在此基礎上，根據灣區類型進行分類指導，實現海岸帶的有效治理。

關鍵詞：土地利用；海岸帶；景觀；生態壓力；生態風險；三維生態足跡

中圖分類號：X321 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1329（2024）01-0079-07

人類社會快速發展對全球自然生態系統產生壓力威脅，導致生態系統自身結構和過程發生變化，影響和弱化生態系統功能，引發現實或潛在的生態風險[1]。海岸海灣地區是人與自然相互作用顯著的典型地區，區域生態安全問題突出。分析海岸海灣地區的生態安全特征，對海岸海灣地區生態安全分區規劃具有指導作用。

生態風險評價主要采用景觀生態風險評價模型，基于生態系統的結構組成和格局變化，以及生態風險間的內在關聯性特征[2]，揭示景觀生態風險時空特征，直觀反映人類活動產生的風險影響[3]。生態足跡模型用于表征人類活動的資源消費及其產生廢棄物需要的生態生產性土地面積[4]，三維生態足跡模型引入足跡深度和足跡廣度概念，賦予了人類活動占用自然資源負擔的時間維度[5-6]，包含生態壓力指數[7]、可持續發展指數[8] 等模型，可用于衡量區域生態壓力程度和可持續發展能力。人類社會經濟發展對自然生境格局的破壞，不僅導致景觀格局變化，還影響區域生態承載力大小及可持續發展程度，危及區域生態安全[9]。已有研究多以城市群[10-11]、流域[12] 等區域為研究單元，將人類活動作為輔助變量，鮮有研究刻畫人類活動強度與景觀生態風險的定量關系[13-14]。人類活動影響下的景觀格局與生態環境變化主要分析景觀格局與生態承載力關系[9]，對景觀格局與生態過程的耦合研究缺乏深入[15]。關注人類干預活動影響下的區域景觀格局變化，自然資源系統的生態壓力變化過程，而對于探索人類干預活動有效性的研究較少。海岸海灣地區是人類經濟開發活動的聚集地，更是生物棲息的生態空間，構建沿海地區生態安全格局對海灣生態保護修復、親海環境整治具有戰略價值。

浙江省海岸帶地區經濟處于全國前列，資源消費量需求加大、城市化和工業化水平快速增長，導致景觀格局變化劇烈，生態安全格局亟待優化。以浙江省海岸帶地區為研究區域，運用景觀生態學、地統計學原理與方法，采用景觀生態風險指數及三維生態足跡模型的生態壓力指數，分析浙江省海岸帶地區生態壓力與景觀生態風險時空格局，采用雙變量空間自相關及耦合協調度模型分析，揭示生態壓力與生態風險的時空關聯特征，結合結構方程模型，剖析生態壓力—人類干預—生態風險傳導機制，分析人類干預活動對區域生態安全的作用，為浙江省海岸帶地區國土空間生態修復與生態安全維護提供理論依據，為“一灣一策”美麗海灣保護與建設行動提供實踐指導。

1 研究區概況

《海岸帶環境地質調查規范（DD 2012-04）》定義海岸帶為海岸線向陸側延伸10 km、向海延伸至-20 m 水深線的帶形區域。考慮潮汐水域影響范圍及地理單元完整性，浙江海岸帶范圍定義為海洋毗連的區、縣、縣級市行政單元的陸域部分、海岸線向陸延伸10 km 范圍內、在潮汐水域影響范圍內的地區及其所轄的海域部分，共涉及10 個地級市的45 個區縣級行政單元。浙江省位于長江三角洲南翼、東南沿海中部，海域遼闊，海洋資源豐富，海岸線長度和海島數量均居全國首位。隨著浙江省海岸帶海洋空間開發需求不斷增加，區域生態保護與開發利用的矛盾亟待解決。

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源與處理

本文數據選取 2000—2020 年浙江省海岸帶各地級市、縣區的統計年鑒數據、國土資源數據等，主要包括生物資源、能源消耗等用來計算生態足跡的基礎數據，以及社會經濟數據和人口數據。生態足跡賬戶中，農產品、林產品、草產品、水產品、能源動力產品、化石燃料產品數據來自浙江省統計年鑒、浙江省各地級市統計年鑒、浙江省各縣區統計年鑒。浙江省海岸帶各縣區土地利用數據來自中國科學院地理科學與資源研究所，資源環境科學與數據中心（https：//www.resdc.cn/）。采用ArcGIS10.5軟件創建15km×15km 格網，得到280 個運算小區，保證研究精度需求與運算量。

2.2 研究方法

（1）生態壓力指數

在生態足跡法基礎上可使用生態壓力指數（ecological pressure index， EPI）[16] 對區域生態可持續發展能力進行評價。

式中：EPI 為生態壓力指數，EF 為生態足跡，EC 為生態承載力。ef 為人均生態足跡；N 為人口數；Ci 為第i 種資源消費量；EPi 為第i 種資源全球平均生態生產力產量因子；EQi 為第i 種資源所占用土地的均衡因子；Pi、Ii、Ei分別為第i 種消費項目的年生產量、年進口量和年出口量。ec 為人均生態足跡；N 為人口數；Aj 為第j 類生態生產性土地面積；EPj 為第j 類生態生產性土地的產量因子；EQj 為第j 類生態生產性土地的均衡因子。

（2）景觀生態風險指數

參考以往研究成果[17-19]，結合土地利用景觀格局和區域生態風險之間的關系，引入景觀破碎度指數（Ci）、景觀分離度指數（Ni）、景觀優勢度指數（Di）、景觀干擾度指數（Ei）、景觀脆弱度指數（Fi）構建區域景觀生態風險指數（ecological risk index， ERI）定量評估研究區生態風險。計算公式為：景觀干擾度指數（Ei）：

Ei=aCi+bNi+cDi （4）

式中：a，b，c 為景觀指數的權重且a+b+c=1，分別賦值為0.5，0.3，0.2。

景觀脆弱度指數（Fi）：將區域景觀分別賦值：建設用地1、林地2、草地3、耕地4、水域5、未利用地6，并進行歸一化得到各景觀的脆弱度值。

利用景觀干擾度指數（Ei）和景觀脆弱度指數（Fi），構建景觀生態風險指數（ERI），用于描述區域綜合生態損失的相對大小，公式如下：

式中：ERI 為景觀生態風險指數；n 為景觀類型數量；AkiAki為風險小區k 中第i 類景觀類型面積，AkAk為風險小區k 的總面積，EiEi為景觀類型i 的干擾度指數；FiFi為景觀脆弱度指數。

（3）雙變量空間自相關

為進一步刻畫浙江省海岸帶地區 EPI 與ERI 在空間上的互動關系變化，采用全局空間自相關（ 式6） 和局部空間自相關（ 式7） 分析方法，探究EPI 與ERI 的空間關聯模式，通過GeoDa 軟件繪制LISA 聚類圖。空間自相關公式為[20]：

（4）耦合測度

耦合協調度反映變量間聯動程度，耦合協調度高值表明EPI 與ERI 相關性高；耦合協調度低值則反映EPI 與ERI 相關性低。

式中：C∈[0，1]C∈[0，1]，為耦合度；L 為生態壓力指數（EPI），O 為景觀生態風險指數（ERI）；D 為變量間耦合協調度，D∈[0，1]D∈[0，1]，值越大，表明生態壓力與景觀生態風險相關性越高；T 為綜合評價指數；αα、ββ為待定系數，鑒于生態壓力與景觀生態風險對生態安全格局的影響程度相當， 設α=β=0.5α=β=0.5.

（5）基于結構方程模型的耦合機制分析

為揭示區域生態安全格局的內在耦合機制，引入結構方程模型。將生態安全格局劃分為生態壓力與景觀生態風險2 個潛在變量，引入人類活動作為中介變量。

μ=α·ζ+β （10）

η=γζ+δμ+ε （11）

式中：ζζ是外生潛在變量生態壓力；μμ是中介變量與內生潛在變量人類干預；ηη是內生潛在變量景觀生態風險；α、δα、δ是內生潛在變量間相互影響效應系數；γγ是外生潛在變量對內生潛在變量影響的效應系數；β、εβ、ε是殘差向量。

3 研究結果

3.1 浙江省海岸帶地區生態壓力與景觀生態風險時空格局

浙江省海岸帶生態壓力指數均大于1，表明區域資源消費已超過自然資本產出，消耗區域資本存量。2000—2020 年，浙江省海岸帶生態壓力指數總體呈現波動式上升，年均增長2.26%。

浙江省海岸帶生態壓力等級處于中等水平，以中值區、較低值區為主，面積占30% 以上；其次為較高值區、低值區，平均比例約13%。在空間上呈現北高南低的特征（圖1），形成杭州地區、寧波東部地區、溫臺沿海三點帶面的強度格局。

2000—2020 年，浙江省海岸帶地區城市化進程加快，景觀格局趨向破碎化、分離化（表2），整體景觀生態風險程度持續加深，由0.312 增至0.333，年均增長0.34%。

浙江省海岸帶景觀生態風險等級分區以較高風險區、中風險區為主，平均面積占比在38.45%、26.50%。其次為較低風險區、高風險區，平均比例約為15%。生態風險呈現中南部高、東北部低的分布格局（圖2）。高風險區集中在溫臺中部及寧波市主城區；低風險區分布在東部海岸線沿岸、舟山群島。

3.2 浙江省海岸帶生態壓力與景觀生態風險時空關聯

（1）生態壓力與景觀生態風險空間關聯特征

2000 年，浙江省海岸帶生態壓力與景觀生態風險Global Moran’s I=0.112、p=0.002、z=3.493，生態壓力與景觀生態風險存在顯著的全局空間正相關關系。2000—2020 年，局部空間自相關結果表明，空間關聯類型以低—高集聚型（平均面積占比7.71%）、高—高集聚型（平均面積占比4.68%）為主。

高—高集聚型主要在海岸帶北部的杭州市區、寧波市區等經濟較發達、開發程度較高的環杭州灣地區；低—高集聚型主要位于溫臺縣市南部靠近陸域的臺州灣、樂清灣、溫州灣。2000—2020 年，高—高集聚型范圍由杭州—寧波雙中心格局，向杭州主中心、寧波次中心格局轉變。

（2）生態壓力與景觀生態風險耦合協調分析

2000—2020 年，浙江省海岸帶地區的生態壓力與景觀生態風險耦合協調度呈上升趨勢，耦合協調度D 值從2000 年的0.589 上升至2020 年的0.760，耦合協調發展狀態由勉強協調發展為中級協調，生態壓力與景觀生態風險相關程度加大（表2）。

各灣區耦合協調度整體呈波動增長趨勢， 并在2005、2010 年達到階段性高值。杭州灣地區耦合協調度最佳，耦合協調度從0.561 波動式增長至0.778，年均增長1.65%，耦合協調狀況從勉強協調到中級協調。象山灣、樂清灣地區耦合協調度次之，耦合協調狀況為中度失調。臺州灣、溫州灣、三門灣地區耦合協調度最差，耦合協調狀況以嚴重失調、極度失調為主。

（3）基于生態壓力與景觀生態風險時空關聯的分區特征

結合生態壓力與景觀生態風險的空間自相關與耦合協調度結果，發現：杭州灣的生態壓力與景觀生態風險相關度高，呈現高—高集聚，耦合協調狀況佳；象山灣、樂清灣的相關度較低，主要呈現低—高集聚，耦合協調狀況次之；臺州灣、溫州灣、三門灣的相關度低，為低—高集聚、低—低集聚，耦合協調狀況差。據此，將海岸帶劃分為優質協調型灣區（杭州灣）、中度失調型灣區（象山灣、樂清灣）、極度失調型灣區（臺州灣、溫州灣、三門灣）。

優質協調型灣區具有經濟水平領先、開發程度高的特點，經濟模式以高水平工業化為主，生態系統資源消耗量大，形成高壓力、高風險區，區域生態壓力與景觀生態風險相關度高。中度失調型灣區的經濟水平落后于優質協調型灣區，海洋漁業資源發達，岸線以淤泥質岸線為主，沿岸大規模灘涂圍墾活動及沿海開發活動缺乏適宜的部署安排，景觀分布零散化、破碎化，導致人類生產生活的生態壓力與景觀生態風險程度產生滯后。極度失調型灣區經濟起步較晚，發展模式以民營經濟與電子裝配制造業為主，對工業能源需求量較小，資源消耗的生態壓力不高；存在城市化工業化進程下，建設用地擴張速度加快的趨勢，因此極度失調型灣區的生態壓力與景觀生態風險呈現高水平城市化地區低—高集聚、低水平城市化地區低—低集聚的特征。

3.3 生態壓力與景觀生態風險耦合機制分析

鑒于2010 年為生態壓力、景觀生態風險空間自相關空間特征及耦合協調度變化節點，以2010 年格網單元數據為例，建立生態壓力—景觀生態風險結構方程模型，以人類干預為中介變量，分析其路徑機制（圖4）。結果顯示生態壓力與景觀生態風險之間具有顯著正向關系（表3）。

生態壓力對景觀生態風險產生的直接效果為0.427，生態壓力引起人類干預的直接效果為0.464。生態壓力對景觀生態風險狀態和人類干預產生正向作用。2010 年浙江省海岸帶地區大規模生態消費與資源掠取造成的高強度生態壓力，導致生態風險狀態惡化。人類社會對生態環境關注度上升，生態意識加強。

優質協調型灣區的生態壓力與景觀生態風險呈現顯著性相關，直接效果為0.349。中度失調型灣區的生態壓力對景觀生態風險的直接效果為0.396，作用效果更大；人類干預活動具有保護修復生態環境、降低生態風險的作用，路徑系數為-0.307，plt;0.001，具有顯著性效果。嚴重失調型灣區的人類干預路徑導致生態風險惡化，直接效果為0.239，說明人類干預活動以消耗生物資源、破壞生態為主。因此，海灣生態保護與修復應優先中度失調型灣區，易取得治理績效。嚴重失調型灣區應首先調節生態資源消耗導致的生態壓力，再進行生態修復治理，從而達到生態保護與修復的預期效果。

4 結論與建議

4.1 主要結論

基于土地利用、社會經濟數據，探討了生態壓力（EPI）和景觀生態風險（ERI）的時空特征，基于雙變量空間自相關及耦合協調度模型，分析二者的時空關聯特征。研究結論如下：

（1）2000—2020 年，浙江省海岸帶地區生態壓力指數波動增長，生態壓力指數均大于1。生態壓力分布北高南低，形成杭州地區、寧波東部地區、溫臺沿海三點帶面的強度格局。2000—2020 年，浙江省海岸帶地區景觀生態風險程度加深。景觀生態風險呈現中南部高、東北部低的空間格局。

（2）浙江省海岸帶地區生態壓力與景觀生態風險的耦合協調發展狀態由勉強協調發展為中級協調，存在局部空間自相關關系。分為生態壓力與景觀生態風險高—高集聚的優質協調型、低—高集聚為主的中度失調型、低—高集聚/ 低—低集聚分布的嚴重失調型灣區。

（3）浙江省海岸帶地區生態壓力—人類干預與景觀生態風險的關系機制表現為：生態壓力主導下的生態風險惡化與人類干預活動增強。中度失調型灣區人類干預活動具有生態保護修復作用，改善生態風險狀況；嚴重失調型灣區的人類干預活動難以降低生態風險。因此，中度失調區是美麗海灣建設的優先區域。

4.2 相關建議

浙江省海岸帶地區需根據生態壓力與景觀生態風險相關特征，因地制宜確定保護修復措施，構建沿灣區域引領、各具特色、功能互補、全域美麗的海岸帶分區發展格局。

（1）對優質協調型的杭州灣地區，鑒于生態壓力與生態風險的高度相關，需結合區域自然資源稟賦及生態環境特征，重視突出的生態環境問題，推動建立新型工業化建設先行區、生態建設示范區。

（2）中度失調型的象山灣、樂清灣地區，具有生態保護與修復的人類干預活動。需重點關注區域空間開發過程中的時空異質性，建立沿海空間利用行為的動態監測制度，構建政府、市場、公民等多主體的協同治理模式，促進海灣地區開發與保護的可持續發展。

（3）嚴重失調型的三門灣、臺州灣、溫州灣地區，人類干預活動以消耗生物資源、破壞生態為主。需加強生態安全綜合性維護，推進產業結構與空間轉型，提升生態網絡穩定性。

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基金項目：國家自然科學基金項目（41976209）; 浙江省哲學社會科學基金項目（DH202302CBZZ01）