海岛景观生态风险演变研究——以舟山朱家尖岛为例

凡姚申，陈沈良，谷国传

（华东师范大学　河口海岸学国家重点实验室，上海　200062）



海岛景观生态风险演变研究——以舟山朱家尖岛为例

凡姚申，陈沈良，谷国传

（华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海200062）

摘要：受自然过程和人类活动的影响，海岛景观生态风险处于不断演变之中。以浙江舟山朱家尖岛为例，基于1988-2014年间3期Landsat TM/ETM+遥感数据，进行土地利用/景观分类，计算景观格局指数，并引入生态风险指数，分析景观生态风险及其演变。结果表明：（1）26年间朱家尖岛景观格局发生了显著变化，林地和农田景观类型面积呈下降趋势，而建设用地、养殖区及未利用地等景观类型面积呈上升趋势；（2）1988年朱家尖岛以低和较低生态风险等级为主，至2014年中等和较高生态风险区面积持续上升，沿海出现高生态风险区；（3）从景观生态风险的空间演化趋势和速率看，低和较低生态风险区不断向岛内退缩，而中等和较高生态风险区不断向岛内扩张，朱家尖海峡大桥建成通车后的13年间景观生态风险等级的演化速率较前13年快。并初步探讨了降低以人类活动为主要风险源的海岛景观生态风险的方法。

关键词：海岛；遥感与GIS；景观；生态风险；朱家尖岛

海岛四面环海，相对独立，是内陆与海洋的“桥梁”，处于海陆相互作用的动力敏感地带（余爱莲等，2014）。海岛生态系统包括岛陆、岛滩和周边海域三个子系统，是海洋生态系统的重要组成部分。生态风险就是生态系统及其组分、结构和功能可能受到损害的程度，环境的自然变化和人类活动都能引起生态系统结构的改变或功能的损失，从而危及到生态系统的健康和安全（毛小苓等，2005；张思锋等，2010）。受全球环境变化的影响，海岛面临着较高的生态风险。景观生态风险分析可以从区域的角度出发，结合格局—过程—尺度相互关系原理，运用遥感与GIS、景观指数和空间地统计学等方法，评估自然环境变化及人类活动中的负外部性对区域内部的景观功能和结果产生危害的可能性大小及影响程度（许学工等，2001）。

景观生态风险研究自Hunsaker等（1990）提出后，得到了极快的发展。国外由于工业化发展较早、科技水平较高，相关研究也相对较成熟，研究主要集中在基于区域尺度的景观生态风险评价及其方法和模型的探讨（Carolyn etal，1990；Obery et al，2002；Ted，2004；Kimberley etal，2012）。国内相关研究主要涉及土地利用风险评价（杜军等，2010；许妍等，2011），流域景观生态风险评价（李谢辉等，2009；巩杰等，2014），湖泊及湿地景观生态风险评价（付在毅等，2001；Shietal， 2015；张雅洲等，2015），以及河口三角洲及海岸带景观生态风险评价（Liu etal，2012；Chen etal，2012；陈可亮等，2012；郭意新等，2015）等。目前，国内外对海岛景观生态风险的研究相对较少，对海岛景观生态风险演变的研究尚未涉及。众所周知，中国沿海陆架宽浅，海岛众多、类型多样、资源丰富，研究海岛景观生态风险演变对海岛资源利用和环境保护具有重要意义。为此，本文以中国最大的群岛——舟山群岛中的朱家尖岛为例，大致以朱家尖海峡大桥建成通车为时界，分大桥通车前后两个时段，即通车前（1988-2001年）为时段Ⅰ，通车后（2001-2014年）为时段Ⅱ，研究朱家尖岛以人类活动为主要风险源的景观生态风险演变，以揭示海岛景观生态风险的时空变化规律，为海岛可持续发展服务。

1研究区概况

图1　舟山朱家尖岛的地理位置

朱家尖岛位于舟山本岛东南海域（图1），地理坐标29°50＇～29°57＇N，122°20＇～122°30＇E，是舟山群岛1 841个岛屿中的第五大岛，西北与舟山岛岸距1.1 km，北与普陀山岛岸距2.6 km，东北与白沙山岛岸距2.5 km，西与登步岛岸距2.6 km。俯瞰朱家尖岛，形似骏马，北宽南窄，呈南北走向，长14.4 km，东西最宽处9.1 km，陆域面积62.2 km2。丘陵主要分布在岛东部和南部，面积32.42 km2，平原主要分布在岛北部和西部，均为人工围垦的海积小平原，面积29.39 km2，分别占岛屿陆域面积的52.44％和47.56％。海岛岸线曲折多湾，有沙滩、砾滩和海蚀岩壁地貌，沿岸有渔村港口、货运客运和渔码头。全岛自然环境优越，资源多样，交通便捷，气候温和，景色秀美，充满着浓郁的海洋文化气息，是舟山市19个乡级岛中开发程度较高，经济发展较快的海岛之一。

2数据与方法

2.1数据采集与处理

选取从地理空间数据云网站下载的不同时期（1988、2001和2014年）Landsat TM/ETM +影像为数据源，其空间分辨率分别为30m和15m，遥感影像的成像时间均为植被覆盖度较高的夏季。

遥感影像分类方法多样，本文采用监督分类中的最大似然法，该方法是影像处理中最常用的方法之一，适用于Landsat卫星系列中低分辨率的影像分类（史泽鹏等，2012）。用ENVI5.1软件对3期影像辐射定标、大气校正以及研究区范围裁剪等预处理后，进行最大似然法监督分类。依据全国土地利用现状分类标准，结合朱家尖岛现场踏勘验证结果，将景观类型分为林地、草地、农田、建设用地（居民区、道路、机场、码头等）、水域、养殖区、未利用地7种类型，并用混淆矩阵对分类结果进行监督验证。再用ArcGIS10.1软件对分类结果进行制图，得到1988、2001和2014年朱家尖岛景观类型的矢量数据，并统计各景观类型的面积。

2.2景观变化分析法

景观变化可以通过景观动态度进行定量描述。一般可分为单一景观动态度和综合景观动态度。单一景观动态度是指某一种景观类型变化的速度；而综合景观动态度是指区域景观的整体动态（Zhang etal，2010）。因此，可通过景观动态度对朱家尖岛不同时段的景观变化的差异进行分析。

（1）单一景观动态度

式中：ALCR为一定时段内某一景观动态度，Ua和 Ub表示分别代表某时段最初和最末某一景观类型的面积，T为研究时长。以年为单位时，ALCR便是某一景观的年变化率。

（2）综合景观动态度

式中：CLCR为综合景观动态度，LUi为研究初期第i类景观的面积，△LUi为研究时段内第i类景观转化为其它类景观面积的绝对值，T为研究时长。以年为单位时，CLCR便是该研究区域综合景观的年变化率。

2.3景观生态风险分析法

本文采用不同时相海岛景观来表征风险受体对人类活动的响应度。为了研究景观空间异质性，根据前人经验，本研究首先划分风险小区，通过构建景观格局指数作为响应系数，进而计算风险小区的生态风险值ERI（EcologicalRisk Indice）用于分析朱家尖岛的生态风险水平。

依据景观生态学方法，为将生态风险指数落实到具体的地理区域，将朱家尖岛划分为0.8 km×0.8 km大小的生态风险小区格网，共有146（1998年）、148（2001年）和154（2014年）个生态风险小区。朱家尖岛面积的不断增大致使格网数不断增加，以地理坐标画格网能够保证不同年份共有格网的一一对应。计算出每一格网的景观生态风险指数，以此为基础计算格网中心点的生态风险值。

景观格局指数选用：破碎度指数Ci、分离度指数Ni、优势度指数Di、干扰度指数Ei、脆弱度指数Fi及损失度指数Ri。其中，破碎度指数Ci表示区域综合景观或某一景观类型在一定时间给定性质上的破碎化程度，景观分布愈复杂，破碎化程度就愈高（王介勇等，2005）。分离度指数Ni是指某一景观类型中不同斑块个体或不同元素分布的分离程度，分离程度愈大，表明景观在地域分布上愈分散。优势度指数Di表示一种或几种类型斑块在一种景观中的优势程度。通过权重叠加破碎度指数Ci、分离度指数Ni和优势度指数Di可获得干扰度指数Ei，它是用来反映不同景观所组成的生态系统受到干扰（主要是人类活动）的程度。脆弱度指数Fi表示不同生态系统的易损性，它与景观自然演替过程中所处的阶段有关。一般情况下，处于初级演替阶段、食物链结构简单、生物多样性指数小的生态系统较为脆弱，结合朱家尖岛特点判断，该岛7类景观中脆弱度的排序由低到高依次为：建设用地1、林地2、草地3、农田4、水域5、养殖区6、未利用土地7。进行归一化处理后得到各类景观的脆弱度指数Fi，为便于分析和计算，归一化的值域范围为[0.1，0.9]（陈鹏等，2003；巫丽芸等，2005）。损失度指数Ri表示遭受干扰时各类景观自然属性损失的程度，是某一景观类型的干扰度指数Ei和脆弱度指数Fi的综合。以上各景观格局指数可利用Fragstats3.4计算得到，计算公式见表1。

表1　景观格局指数计算方法

表1公式中，ni为景观类型i的斑块数量；Mi为景观类型i的总面积，M是区域总面积；Ii是景观类型的距离指数；H max是景观多样性指数的最大值；Pi为i类景观所占面积的比例；N为景观类型的总数；a、b、c为相应指数的权重，a+b+c=1。破碎度指数Ci、分离度指数Ni和优势度指数Di三者在不同程度上反映出干扰对景观所代表的生态环境的影响，根据分析权衡，并参考前人研究结果（谢花林，2008；许妍等，2011；郭新意等，2015），认为破碎度指数最为重要，其次为分离度指数和优势度指数。以上3个指数可分别赋以0.5、0.3、0.2的权值。

景观生态风险指数是用于表征一个风险小区内综合生态损失的相对大小，通过计算每一个风险小区的景观生态风险指数将景观风险格局转化为空间的生态风险值，其计算公式为：

式中：ERIk是第k个风险小区的景观生态风险指数，Aki是第k个风险小区第i类景观的面积，Ak是第k个风险小区内的景观总面积，n表示风险小区内景观类型的数目。

2.4空间分析方法

地统计学是研究生态学变量空间异质性的有效方法，是空间统计学的一部分。在描述、识别格局的空间结构及空间局部最优化插值时，半方差法被认为是一种最优的方法（张娜，2014）。半方差γ（h）的定义为：

式中：h为样本间距；n（h）是抽样间距为h时的样点对总数；Z代表某一景观属性的随机变量；xi为空间位置；Z（xi）和Z（xi+h）分别是变量在xi和xi+h点的取值（邬建国，2000；陈利顶等，1996）。半方差是取样间距h的函数，是随机变量Z在某个取样间距上各个样本值间的平均变异程度或相似程度的度量。

利用ArcGIS 10.1的空间分析和地统计功能，通过求和、采样、普通Kringing空间插值，将所得的实际半方差图用球状模型拟合，从而可得到了生态风险值空间分布图。

3结果与讨论

3.1景观格局时空变化

利用ENVI 5.1解译遥感影像得到图2。由最近时相（2014年）的景观类型空间格局可知，朱家尖岛的林地主要分布在岛的南部和东部山地，草地散布在林地间，农田主要分布在岛的中部和西部，建设用地大多分布在岛的平原地区和沿海地带，养殖区集中分布在岛的西北部及西部沿海，未利用地集中分布在岛的北部和西北部海滨，其主要是未及时开发利用的围填海所成的裸地。

图2　朱家尖岛景观类型空间格局（1988、2001和2014年）

表2　景观格局指数

利用Fragstats 3.4计算得到表2。由图2和表2可知，26年间朱家尖岛景观类型和分布发生了交叉演变。林地和农田面积均呈减少趋势，农田面积减少量最多，达4.31 km2，林地面积减少4.17 km2，而建设用地、水域、未利用地和养殖区均呈增加趋势，建设用地面积增加最多，达6.52 km2，养殖区增加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，仅0.84 km2。

从斑块数变化来看，面积不断减少的林地和农田斑块数量不断增多，破碎度指数和分离度指数不断增大，而优势度指数不断减小；脆弱度较大的未利用地和被人类利用最为强烈的建设用地斑块数量不断减少，破碎度指数和分离度指数不断减小，而优势度指数不断增大。

利用景观动态度公式计算得到图3。由该图可知，时段Ⅱ的草地、农田、建设用地、水域、养殖区和未利用地的ALCR绝对值大于时段Ⅰ这6种景观类型的ALCR绝对值，表明时段Ⅱ这些景观类型变化比时段Ⅰ大。时段Ⅰ、Ⅱ的CLCR分别为0.50％ 和0.86％，由此可知，时段Ⅱ综合景观类型变化大于时段Ⅰ，朱家尖海峡大桥建成通车后海岛景观的变化速率加快。时段Ⅱ中ALCR绝对值相对较大的景观类型有水域、未利用地和建设用地。其中水域的ALCR绝对值最大，达24.36％，未利用地和建设用地的ALCR绝对值也都超过了3％，说明在时段Ⅱ这三种景观相比于其他景观变化的更大。

图3　不同时段各景观动态度变化

3.2景观生态风险格局时空演变

由景观生态风险指数算式，计算出朱家尖岛各个风险小区3期的生态风险指数，对3期的生态风险指数进行Kriging插值。为了让不同时期的生态风险指数图形空间化，本文采用以0.2为等级间隔将风险小区的风险指数等距划分成5个风险等级：低生态风险区（ERI＜0.2），较低生态风险区（0.2≤ERI＜0.4），中等生态风险区（0.4≤ERI＜0.6），较高生态风险区（0.6≤ERI＜0.8），高生态风险区（ERI≥0.8）。从而得到朱家尖岛生态风险格局演变图（图4）。栅格转化后，可以计算出不同生态风险等级所占面积及百分比（表3）。

图4　朱家尖岛景观生态风险演变（1988-2014年）

表3　生态风险等级面积变化

由图4、表3可知，1988年朱家尖岛处于低生态风险区和较低生态风险区面积共为54.24 km2，占总面积的86.15％，岛东部、南部大部分处于该等级；中等生态风险区主要出现在岛北部和西部，占总面积的10.09％；较高生态风险区出现在西部和北部的沿海地带，占总面积的3.77％。据查资料，岛西部和北部的平原地带是上世纪60-70年代围填海而成的（王建富，2013），该地带地势平坦、水源充足、交通便利，是开发利用的理想用地，早在80年代末就出现了强烈的人类活动，如兴建了大面积养殖区。

相比1988年，2001年低生态风险区面积减少了12.21km2，较低生态风险区面积则增加了6.77km2，而中等生态风险区逐渐向陆侧方向拓张，增加到9.99 km2，占总面积的15.82％，较高生态风险区面积增加到4.35 km2，占总面积的6.89％。随着城市化进程、养殖业和旅游业的不断发展，人类对土地资源的需求不断增加，对资源的开发利用不断加剧，生产活动范围不断扩展，导致农田、林地演变成风险度较高的养殖区、建设用地。随着朱家尖岛旅游业的发展，东南部的“十里金沙”旅游风景区内度假村、旅社酒店鳞次栉比，这些建设用地景观类型增大了原自然景观的破碎化、分散化等程度，致使该区域中等、较高生态风险区有所增大。

相比2001年，2014年低生态风险区面积增加了2.18 km2，但相比1988年面积减少10.02 km2，较低生态风险区面积也呈波动的趋势。2014年低和较低生态风险区面积共40.04 km2，占总面积的68.68 ％，相比于1988年的86.15 ％、2001年的77.24％，呈现持续下降的趋势。另一方面，中等和较高生态风险区面积呈现持续上升的趋势，较高生态风险区面积达到7.93 km2，是2001年的较高生态风险区面积的近1倍。更值得关注的是，2014年出现了1988年和2001年都未出现的高生态风险区，面积达2.05 km2，占总面积的近3％。随着朱家尖岛社会经济的高速发展，海洋生产力、海洋经济成为热词，人类不顾自然承载力的限度而贸然开发利用海岛资源，各种小规模、粗放的海洋围垦、围海养殖和沿岸旅游开发等活动大行其道。不合理的围填海工程易造成滩涂湿地景观萎缩、景观自然性急剧下降，斑块面积缩小、斑块隔离程度增大、景观破碎化程度加剧（马志远等，2009；孟伟庆等，2012），最终必然会造成景观生态风险增加。

据生态经济理论，海岛经济发展要考虑到海岛生态系统的特征，开发的过程中环境保护是根本，其实现途径是实行海岛绿色工程，发展生态渔业，创建生态保护区，建设生态环保产业（王书华，2008）。降低海岛生态风险，需要采取合理开发海岛滩涂资源，加强围填海活动的管理等工作。国外对围填海开发活动的管理研究工作开始比较早，对比国内外围填海活动管理现状（表4），发现我国围填海管理方面存在诸多不足，国外的工作对我国管理海岛围填海开发活动存在可借鉴的之处（胡聪，2014）。据W ang（2014）研究表明，我国在进行围填海活动时，不仅要加强法律法规管理，增强围填海管理的公共参与，提高海洋空间规划意识，还要充分评估围填海对湿地景观和生态环境的负面影响。对于土地资源本身就紧缺的朱家尖岛，围填海所成的裸地应及时合理地开发利用，不能放任自流，减少其以未利用地景观类型存在的时间，这对降低景观生态风险十分必要。

表4　国内外围填海开发活动管理对比

据许雪峰等（2011）对比研究浙江嵊泗青沙围填海工程中的弧线堤线方案和直线轴向堤线方案发现，弧形堤线填海方案是海岸线和滩涂资源综合开发的较好方式，该类型的围堤方案使得各项景观评估指数均朝着有利的方向变化，有利于滨海湿地景观及环境的可持续发展。这对今后朱家尖岛降低围填海区景观生态风险存在可借鉴之处。

3.3景观生态风险转化分析

为了进一步了解风险等级转变的内在规律，利用ArcGIS面积制表工具对26年2个时段内的各生态风险等级转化方向、面积和速率进行了定量分析（表5）。

表5　1988～2014年生态风险等级转化面积及速率

对比前后对比前后2个时段的平均变化，生态风险等级呈现下降趋势的转变类型有：较低生态风险等级向低生态风险等级转化、中等生态风险等级向较低生态风险等级转化和较高生态风险等级向中等生态风险等级转化。其中，较低→低向的转化仅出现在时段Ⅱ，较高→中等向的转化仅出现在时段Ⅰ。生态风险等级呈现上升趋势的转变类型有：低生态风险等级向较低及中等生态风险等级转化、较低生态风险等级向中等生态风险等级转化、中等生态风险等级向较高及高生态风险等级转化和较高生态风险等级向高生态风险等级转化。其中，中等→高向和较高→高向的转化仅出现在时段Ⅱ。从年转化速率来看，生态风险等级由低和较低转化成其它等级的速率时段Ⅰ基本大于时段Ⅱ，但时段Ⅱ生态风险等级呈上升趋势的类型更多，且较高和高生态风险区面积增加速率显著大于时段Ⅰ。这表明朱家尖海峡大桥建成通车后的13年间景观生态风险等级的演化速率较前13年快。

海岛独特的自然和人文环境使其具有较高的旅游开发优势。朱家尖岛旅游资源丰富，开发较早，特别是在朱家尖海峡大桥建成后，旅游业更得到前所未有的发展，在经济发展中起到了重要的作用。据调查，近十年旅游人数逐年递增，从2004年的年总旅游人数139.8万人次增加到2014年的482.0万人次，占舟山市总旅游人数从2007年的12.67％增加到2014年的14.18％。今后朱家尖岛在开发旅游资源时，要积极寻求保护性开发措施，坚持旅游业可持续发展的方针，促进旅游开发与生态环境保护协调发展。

4结论

本文以1988、2001和2014年3期Landsat TM/ETM +遥感影像为基础，根据景观生态学的原理，构建了综合生态风险指数，较客观地探讨了朱家尖岛不同时期的生态风险状况：

（1）林地和农田面积均呈现不断下降的趋势，其破碎度和分离度指数增大，优势度不断减小，受到了人类活动的干预而趋于分散。建设用地、养殖区及未利用地面积增加明显，分离度指数持续减小，优势度增大，此类景观呈现出空间上的集聚效应。

（2）1988年朱家尖岛以低和较低生态风险区为主，占全岛面积的86.15％。2000年低生态风险区的面积减少，较低和中等生态风险区的面积增大。2014年，中等和较高生态风险区的面积持续增大，同时在沿海区域出现了1988和2001年未有的高生态风险区。沿海区域是人类高强度开发区，也是陆海相互作用的脆弱区，了解和研究该区域的高生态风险，是人类开发利用海岛必不可少的工作。

（3）朱家尖岛的景观生态风险在空间上的演化表明，低和较低生态风险区不断向岛内退缩，中等和较高生态风险区不断向岛内扩张，呈现此消彼长的空间趋势。从景观生态风险等级演变速率来看，朱家尖海峡大桥建成通车后的13年间景观生态风险等级演化速率比前13年快。今后应积极寻求降低以人类活动为主要风险源的海岛景观生态风险的措施。

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（本文编辑:袁泽轶）

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

通讯作者：陈沈良，博士，教授，电子邮箱：slchen@sklec.ecnu.edu.cn。

作者简介：凡姚申（1989-），男，河南项城人，硕士研究生，从事自然地理研究，电子邮箱：fysmyself@126.com。

基金项目：海洋公益性行业科研专项（201505012）。

收稿日期：2015-06-11；

修订日期：2015-07-14

Doi：10.11840/j.issn.1001-6392.2016.01.001

中图分类号：X820.4

文献标识码：A

文章编号：1001-6932（2016）01-0001-10