福州市沿海区县生态健康评价及动态分析

卢姗鸿，马晓钐，秦艳芳，付石林，林永辉

(闽江学院海洋学院， 福建 福州 350108)

0 引言

随着沿海地区的快速城市化，人口向沿海城市进一步集聚，临海岸线资源被过度开发利用，有限的陆地资源已经无法满足发展需求，资源利用也开始变得不合理，许多沿海城市急需解决土地资源稀缺的问题[1-2]。作为海陆交汇过渡区域，沿海地区的生态系统本就十分脆弱，而人口、资源、环境的关系日趋矛盾，生态安全压力由量变累积可能导致其发生质变甚至突变，从可持续发展的原理出发，实现沿海地区的可持续发展迫在眉睫[3-5]。福州市作为福建省省会城市，近年来相继在沿海地区建设海湾新城、经济开发区和港口等[6]，沿海地区的生态压力越来越大，对福州市沿海地区的生态系统健康动态进行客观、全面的评价成为沿海区县科学发展的依据。

沿海地区具有地形复杂且脆弱的特点，传统调查手段的监测方法和调查范围上都难以满足资源探测、灾害实时监控的需求[7-8]，存在一定的局限性。遥感作为一种新技术，具有大面积获取同步数据、实时动态监测的优势[9]，已在资源开发、环境监测和保护海洋环境等方面展现了它的优势。

目前国内外研究生态系统健康评价的主要方法是基于压力—状态—响应(press-state-pesponse, PSR)模型构建评价指标体系[10]，再通过层次分析法确定各指标权重[11]，最后得出生态系统健康综合评价值。该方法在美国海岸带地区、澳大利亚地区以及国内的浙江、江苏海岸带等地区都得到了较好的应用[12-13]。本文基于PSR模型对福州市沿海区县的生态系统健康程度进行评定，对福州市人民的生活需要和促进沿海地区的经济发展具有相当重要的意义。

1 研究区概况及数据预处理

1.1 研究区概况

福州市位于福建省中部东端，总面积11 968 km2[14]，海岸资源丰富，海岸线长达1 137 km[15]，在福建省各地市中海岛海岸线排名第一、滩涂面积最大。福州是建设海峡西岸经济发展区的重点开发城市，也是首批获得对外开放的沿海港口城市之一，更是“21世纪海上丝绸之路”的重要城市之一。近年来陆续在沿海地区实施重要举措，如2015年福建省人民政府得到国务院同意关于建设福州新区请求的批复，福州新区规划控制总面积1 892 km2[16]，涉及福州沿海、沿江6个县市区；计划2010—2030年规划建设平潭综合实验区等。为响应国家“海洋命运共同体”的号召，未来福州的发展重点依然在沿海地带，对沿海区县的地表景观和利用方式将持续产生巨大影响，生态系统压力持续上升，因此对生态系统的动态监测极为重要。本文通过探讨福州沿海区县的生态健康状态，为福州沿海区县健康建设提供合理依据。

本文重点关注福州市沿海区县，选择罗源县、连江县、市辖区、长乐市(1)2017年11月，经国务院批准，撤消长乐市，整建制设立福州市长乐区。本文采用1996—2017年相关数据进行研究，为保证统一性，本文仍沿用长乐市2017年之前的行政区划及名称。、福清市、平潭县6个县市区划作为研究区，如图1所示。

图1 研究区概况

1.2 数据预处理

本文主要以1996年、2001年、2008年、2017年4个时期的遥感影像为数据源，云量均低于5%，为了避免夏季耕地的光谱信息与植被的光谱信息混淆，成像时间均为当年10月份至次年2月份，以提高影像解译的精度(表1)。考虑到研究区范围和数据精度，本文统一使用WGS_1984 _UTM_Zone_50N坐标系统，并以2017年Landsat 8 OLI影像数据为基准，对往期影像进行几何精校正，以确保数据的空间可比性，其次对各期遥感影像分别进行辐射定标、大气校正，最后进行图像拼接和研究区域的裁剪。同时，还采用了福州2015年1∶100万行政区划图(国家基础地理信息中心下载)、谷歌各时期高清卫星影像等，作为辅助参考资料。

表1 遥感数据源

2 研究方法

2.1 评价指标提取

以联合国经济合作开发署建立的压力—状态—响应(PSR)模型框架为基础，对福州市沿海区县生态系统健康进行评价。综合考虑地区特色和指标功能，参照文献[17-19]选择相应指标，并由专家打分法确定权重， 如表2所示。

表2 生态系统健康评价指标体系

压力层一般源于人为因素的干扰，可用人类干扰度来表征。

状态层主要反映在活力、组织力和恢复力3个方面。活力指生态系统的能量运输和营养循环的能力，是衡量系统新陈代谢和初级生产力的重要指标，其取决于绿色植物光合作用来提供能量，因此选取最能体现光合作用效率的归一化植被指数NDVI表征系统活力。组织力的作用是描述生态系统的复杂性，主要体现在景观的多样性和人类活动干扰这两方面上，一般情况下系统越复杂，生态系统就越健康，因此在研究中选用香农多样性、平均斑块面积来表征。恢复力指系统对外来干扰的抵抗力和恢复速率，主要受景观要素和地形因素的影响，所以选择生态弹性度来表征系统恢复力。

响应是指生态系统对各种作用于它的压力的反映情况，用景观破碎度来表示。

这3个子系统、6类指标共同构成生态系统健康评价指标体系，分别从自然环境、景观生态、人类活动3个角度实现陆域生态系统的健康评价。

除NDVI外，其他各指标的获取均需通过土地利用/土地覆盖的分类结果来计算景观指数。为保证各指标的空间一致性，本文采用2 km×2 km移动窗口，分别计算与NDVI空间分辨率(30 m)一致的景观指数。根据指标层各指标计算公式，本文用于计算分析的景观指数包括：景观斑块面积(CA)、斑块总面积(TA)、香农多样性指数(SHDI)、平均斑块面积(AREA-MN)、景观面积比(PD)、景观斑块密度(NP)等。以上7个景观指数，均通过Fragstats软件采用移动窗口计算获取。

2.2 构建生态健康评价模型

通过综合指数法计算区域生态健康指数反映生态系统健康状况是生态系统健康评价研究中经常使用的方法，综合指数越大，表明生态系统越健康。模型的构建首先由指标层数据利用综合指数法计算出各准则层数据，再以同样的方法计算目标层，最终得到生态系统健康评价的结果。综合性指标由多个指标反映，采用加权求和的方法确定，计算公式为

(1)

式中，X为综合评价指标，Mi为第i个评价指标的权重，Ni为第i个量化后的值，j为评价指标个数。

由于各项指标的数据性质、量纲不同，有必要进行量化处理[17,20]。根据各项指标对生态系统健康影响力的大小和相关关系，对各层指标进行标准化分值处理，取值设定在Ⅰ～Ⅴ之间，详细分级见表3。

表3 评价指标标准化

2.2.1 压力子系统

压力子系统只包含人类干扰度一个指标，人类活动会导致生态系统景观类型的原始自然特征不断减低，景观组分类型的不同，其影响的强度也不尽相同，但建筑用地对生态的影响力大，且不易恢复，所以此处人类干扰度的数学表达式为

(2)

式中，P代表人为干扰度指数；S代表建设面积；A代表研究区总面积。建设面积与研究区总面积的计算，是由移动窗口分析得出的建设用地的景观斑块面积(CA)和斑块总面积(TA，在这里也就是移动窗口的面积)所得。

2.2.2 状态子系统

状态层主要反映在活力、组织力和恢复力3个方面。

1)活力。活力指标用NDVI指数来表示。NDVI指数代表生态系统的能量流动和营养循环的存储量，是衡量生态系统新陈代谢和初级生产力的主要指标，其计算方法为

(3)

式中，NIR和R分别代表Landsat遥感数据的近红外波段和红光波段的反射率。

NDVI能判断植物的生长状态和自然植物量的多少。当NDVI越大时，植物越好，生长状态越好，新陈代谢率越高。

2)组织力。组织力包含两个指标，香农多样性和平均斑块面积，这两个指标的权重划分根据其对生态的影响程度来定义，分别为0.6和0.4。

香农多样性指的是不同景观类型在空间结构、功能机理以及时间动态等方面的多样化和差异性。值越大，表明研究区域各景观要素比例差异越大，土地利用越丰富，景观破碎化程度越高。计算公式为

(4)

式中，Pi为景观类型i所占的面积比例，j为景观类型数量。

平均斑块面积反映景观破碎化程度和各个景观类型之间的差异；某种程度上来说景观破碎度与平均斑块面积在景观指数上都是用来表达景观的多样性。计算公式为

(5)

式中，REA-MN表示平均斑块面积，N为景观类型的斑块总数，A为研究区总面积。

3)恢复力。恢复力只包含生态弹性度一个指标。生态弹性度是对外界干扰的缓冲和自我修复的能力，用弹性度指数模型定量化表示系统在受到干扰后的恢复能力，其计算公式为

(6)

式中，ERI为生态弹性度指数；PD为每种景观类型的面积比；j为景观类型数量；Ki为弹性分值，其值越大，表示生态的弹性度越高。根据福州市生态环境特征状况，对不同生态系统类型的弹性度进行分类，具体弹性分值Ki取值结果如表4。

表4 不同景观类型的生态弹性分值

2.2.3 响应子系统

景观破碎度表示景观斑块被分割的破碎程度，反映了景观空间结构的复杂程度，是由人与自然共同导致景观由单一、连续的整体被分割为复杂、不连续的斑块的过程，可由景观斑块密度(NP)来表示，计算公式为

(7)

式中，Ni为景观类型i的斑块数；A为景观的总面积；NP的值越大，表示破碎的程度越大。

3 结果与分析

3.1 压力子系统

人类干扰作用最强的区域是在市辖区且是逐年增加的趋势(图2)。1996年与2001年在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级这个范围的区域变化不大，只在福清市和平潭县小面积增加，且是连带出现，呈Ⅲ级包裹Ⅳ级、Ⅴ级的形式；2007年开始建设新福州，新商业区、步行街等陆续建设，因此生态压力在2008年以市辖区为中心急速扩张，主要体现在闽江流域两侧和长乐市、福清市沿海；2017年变化明显，由2008年的Ⅳ级区域为中心扩散成Ⅴ级，沿海地带的不健康状况明显。自2009年开始海西建设，2010年平潭综合试验区开始开发，截至2017年末福州市建城区面积已经达到357 km2，变化范围主要集中于长乐市、福清市，平潭县，研究区整体上大部分还处于健康状态，疾病状态的成因可能是人们把眼光瞄准沿海的经济发展潜力，修建了福州新区、海湾新城和规划区等。

图2 不同年份压力等级分布图

3.2 状态子系统

状态的分析主要根据指标层综合计算的等级分布图所表现的动态变化来分析(图3)。状态指标是生态健康评价中的最重要的指标，既反映了生态系统内各种自然和人为因素相互作用的结果，也体现出生态系统的自然属性及其所提供的服务功能是否处于正常状态。从整体来看，状态子系统的发展趋势基本是所有县市区都是疾病状态Ⅴ级由市辖区向沿海地带转移的过程，局部林地、耕地级别加重。香农多样性、平均斑块面积和景观破碎度是状态指标里的组织次级系统，这3个指标在一定程度上都是表达和验证香农多样性的程度，较差的区域主要集中在受开发干扰程度较低的林地和开发强度干扰大的城镇中心地带；表现良好的区域多分布于两者之间的过渡地带，这些区域结构复杂，类型多样，且3个指标值也呈逐渐上升的状态。

图3 不同年份状态等级分布图

3.3 响应子系统

区域生态系统健康研究强调过程和演替的特点，生态系统受到一定的干扰或压力时必然做出一定的反应，来减轻、恢复有害的人为干扰对环境的作用，以及对已形成的不利于生态健康的环境变化进行自我修复、修补。以景观破碎度作为响应指标，来反映受到人为干扰影响后的陆域表达。从图4响应指标空间分布图来看，大部分区域处于健康状态，林地、耕地的弹性度比建筑用地大得多。响应子系统主要是Ⅰ、Ⅱ级状态的动态变化比较显著，表现为大面积Ⅱ级变为Ⅰ级的过程。1996年到2017年的主要变化集中在罗源县、连江县和福清市，到2017年的变化已覆盖整个研究区。

图4 不同年份响应等级分布图

3.4 生态健康综合评价动态分析

依据图5的评价等级分布图来看，1996年的Ⅰ级区域在2001年大面积转变为Ⅱ、Ⅲ，在2008年、2017年出现好转，大部分面积由Ⅲ级转为Ⅱ级，呈上升趋势；Ⅳ级一般被Ⅴ级所包围，变化也是呈上升趋势，在闽江流域和沿海陆域地带表现明显。这说明从1996年开始，市辖区的压力开始蔓延，主要体现在沿海地区，这说明人类活动在沿海地区进一步加强。市辖区、长乐市、福清市、平潭县疾病等级明显，沿海压力逐年加重。

图5 生态健康综合评价等级分布图

从表5的统计结果来看，Ⅳ级及Ⅴ级状态在1996—2001年间总体变化不明显，而到2008年后沿闽江流域急剧增长，直到2017年已遍及整个市辖区、长乐市、福清市东南部和平潭中部。其中，建设用地往往表现出生态系统的疾病状态，由1996年的统计像元占比1.5%增加到2017年的11.1%，同比增长7.3倍,这与建筑用地比例高、绿植面域少、开发无度等相关。林地、耕地、水体健康状态影响不大，这与它们的生态弹性度较高有关。

表5 福州市沿海区县生态健康等级统计

1996—2001年间罗源县、连江县一带的健康状态急转直下，大范围第Ⅰ级健康状态转Ⅱ、Ⅲ级健康状态，Ⅰ级面积由1 374.75 hm2直接变为794.97 hm2，减少了42.2%，Ⅲ级像元由761.94 hm2增长为1 167.12 hm2，增长了53.2%。到2008年又转为Ⅰ级健康状态，这与当时重点建设城区，生态得以自我恢复有直接联系。直到2017年，局部Ⅱ级健康状态聚集成小面积Ⅲ级健康状态。可以得出罗源县、连江县在这近20年里的健康状态变化不大，保持在Ⅰ、Ⅱ级健康状态。

综上所述，沿海地带压力明显加重，与福州这几年的建设开发速度加快有着直接的联系，虽部分地区的生态健康问题得以改善，但生态保护建设还得继续。建议应重点关注区域建设用地的合理规划及生态恢复计划；大部分健康状态分布在林地、耕地及两者之间的过渡带，表明林地和耕地对维护区域整体生态环境健康状态起着决定性作用，应作为区域景观格局保护和研究的关键区。

4 结论与讨论

生态健康各等级的评定划分可以起到对区域生态安全程度的预警作用。本文研究结果显示，Ⅳ级(不健康)及Ⅴ级(疾病)状态在2008年沿闽江流域急剧扩张，至2017年已遍及整个市辖区、长乐市、福清市东南部和平潭中部，这与建筑用地的扩张有直接关系。近年来，福州由于地形所限，新增建成区主要分布在沿海一带，虽然建设用地的扩张与城市化进程、经济增长相互作用，但在建设开发的同时，也必然给当地环境带来较大压力，对沿海区县来说，合理规划，在建设开发的同时，如何尽可能保持原有生态系统健康状态，是当地政府需要重点关注的问题。

此外，本研究中，1996年到2001年罗源县、连江县一片健康状态急转直下，大范围由第Ⅰ级(很健康)状态转Ⅱ级(健康)、Ⅲ级(亚健康)状态，这与地方建设用地扩张有关；而到2008年，Ⅱ级(健康)、Ⅲ级(亚健康)状态又大多转为Ⅰ级(很健康)状态，这种改变一方面与当时重点建设城区，生态得以自我恢复有直接联系；另一方面，也可能受到本研究所使用遥感影像的获取时间差异的影响。本文考虑到可能因影像获取时间差异而造成NDVI的明显差异，在选择影像时尽可能将时间集中在冬季、植被生长较为缓慢的季节(即当10月底至次年2月中旬)，再考虑到福州市周边森林覆盖度整体都很高，因不同时期而导致的NDVI变化影响很小，因此，在计算时尽可能地减小了这种因时间差异而导致的分析误差。此外，又在综合指数计算之前，对各层指标进行了标准化分值处理，这样因月份差异而导致的NDVI变化影响也可以进一步减少，因此，本文没有再针对同一期影像因时间跨度造成的区域差异。但影像的差异仍然有可能会对生态系统健康评价模型的状态子系统产生一定的影响。