基于GIS的平潭岛生态敏感性评价研究

黄海舟， 郑韬， 王璎婕， 郑晓昕， 罗靖婷， 郭磊

（福建农林大学园林学院）

1 引言

海岛是重要生态功能的储存基地，是维护国家权益的重要平台，也是人类赖以生存的载体以及海洋保护与利用的关键[1]，但由于其特殊的地理位置、有限的数量和相对独立而完整的生态环境，海岛生态系统相比其他生态系统的抗压性更低。自2009年7月平潭岛被设立为综合实验区起，平潭岛的城市化进程大大加速，随着人类活动愈来愈多地利用和干扰海岛生态系统，岛上的自然环境和社会经济发展受到较为严重的影响，生态环境失衡的情况下，为防止海岛开发建设产生更严重的后果，想要在平潭海岛实施综合试验区规划战略的同时兼顾土地利用合理性，使经济文化的发展和生态环境相互协调，实现“和谐城市”的最终目标，有必要评估平潭海岛的生态敏感性，为平潭综合实验区的建设提供可以保证自然和经济并存的可持续发展的理论依据。目前，海岛所面临的生态问题十分严峻，治理方案制定复杂、实施困难。生态敏感性是指生态系统对其内部自然环境变化和人类活动干扰反应的敏感程度[2]，它反映了区域生态环境遭到难以恢复的破坏的难度、可能性和恢复速度。生态敏感性评价是通过分析多种环境影响因素来确定需要优先或重点开展生态环境建设和保护的区域的一种重要的方法[2]，也是对生态环境采取科学有效的保护和恢复措施的参考。

平潭岛作为一个相对完整且独立的区域，不易受陆地影响，不同区域的植被状况差异较大，且大部分植被已遭到破坏，因此，研究其空间层面上的生态敏感性的差异尤其重要。目前，已有多位国内外学者通过空间叠加分析技术、层次分析法及线性混合像元分解法等方法定量或者半定量地分析了平潭岛植被的空间分布规律或生态安全格局。如刘尧文利用多时相的植被覆盖度年际空间变化分析了平潭岛植被覆盖度与地形因子及人为活动之间的联系[3]；郑礼鹏定量评价平潭岛土地生态敏感性和建设用地适宜性，从生态安全的角度分析了建设用地格局[4]；江源通考虑了自然保护区的要求选取与平潭岛城市生态安全密切相关的生态因子进行分析，并以此为基础构建了相应的海岛城市生态安全格局[5]。综上研究可以发现，以往的研究对平潭岛的生态敏感性评价起到了积极的推动作用，直接或间接的影响到平潭的生态安全格局，可以为后续研究提供一定的理论帮助。但已有研究侧重点在于土地利用类型和植被覆盖，对平潭岛生态敏感性方面的研究较少。因此，有必要利用近期数据结合平潭岛的生态系统结构和功能变化、社会经济发展状况等从更多角度对平潭岛的生态敏感性和土地适宜性进行探讨。本研究结合平潭岛的高程、坡度、坡向、水域缓冲区、土地利用和植被覆盖率对平潭岛的生态敏感性进行了分析和评价，以期为平潭岛的生态保护和区域发展提出建议。

2 研究区概况

平潭岛又被称为海坛岛，地处于我国东南的沿海地区（见图1），位于东经119°32'～120°10'，北纬25°15～25°45。该岛的东西向的宽度约为19km，南北向的长度约为29km，陆域面积约在371.91km2[6]。其位于闽东南沿海变质带，属于闽东火山断拗带类型的大地构造。平潭岛的传统聚落主要分布在滨海平原、丘陵和台地地带；地势较低平，中部略高，地形以海积平原为主，属南亚热带海洋性季风气候，终年主导风向为东北风，年平均气温19.4℃[7]。平潭岛周围环海，有约8亿m3的花岗岩储量；砂地面积约82.3km2，石英砂储量约为16亿t。海洋中的品种庞杂，总的种类达九百多种，平潭的水产品总量位于福建省前三[8]。

图1 平潭岛区位分析图

3 数据来源与生态评价指标体系

3.1 数据来源

从GlobeLand30全球地表覆盖数据获取土地利用数据（分辨率为30m×30m），获取的数据与遥感影像中的土地利用现状相比差异较小。从地理空间数据云获取平潭海岛DEM数据和植被覆盖影像的Landsat8影像数据，从2021年6月的影像数据中选取云量小于10%的图片，空间分辨率为30m×30m。

3.2 生态敏感性评价指标体系的构建

3.2.1 评价因子选取与等级划分

依据生态学领域专家指导意见，参考生态敏感性相关论文中生态敏感性评价方法的指标选取，结合平潭岛当地生态环境情况的综合特征，完成平潭海岛生态因子数据的筛选，所采用的分析评价平潭海岛生态敏感性的主要指标包括坡向、坡度、高程、土地利用类型、NDVI、NDWI这6个生态因子，并对以上6个生态因子进行分级赋值。

采用适宜的评价标准定量化处理6个影响因子，将各因子分级并且一一对应赋值，即生态不敏感、轻度敏感、中度敏感、重度敏感和极度敏感，以上等级分别对应数值1、3、5、7、9，具体分级标准如表1。

表1 生态敏感性评价因子分级标准

3.2.2 层次分析法与评价因子权重确定

1）建立递阶层次结构

梳理研究问题将其条理化并且分解为不同的因素，根据各因素之间相互作用和影响程度将各因素分为不同类型，归纳为目标层、准则层和方案层，构造出一个有层次的结构模型。

2）生成因子判断矩阵表

根据层次权重决策分析的方法，参考多位学者的研究结果询问相关意见，结合平潭岛当地的生态环境的状况，采用两两对比单因子之间对于生态环境的相对重要程度，并根据构建如表2所示的判断矩阵，并得出各因子的权重值。

表2 因子判断矩阵表

3）层次单排序计算

计算判断矩阵的最大特征值以及其相应的特征向量。

4）一致性检验

由一致性检验判定以上6*6判断矩阵是否具备合理性，经演算得出：CR=0.0756<0.1。说明该生态因子权重判断能够被运用于研究，最后确定出单因子重要性的权重值。

3.2.3 GIS 建模及分析

在GIS中将选定的生态敏感性因子矢量化之后，制作对应因子的生态敏感性分析图，并且利用叠加工具按照上述等级划分方式对平潭海岛的重分类敏感性区进行加权叠加。公式如下：

式（1）中：Pi为第i个评价因子的生态敏感性指数，n为评价指标总数，Wi为第i个评价因子权重，Ki为第i个评价指标的生态敏感性赋值。

4 结果与分析

4.1 单因子分析

4.1.1 坡向敏感性分析

光照强度和日照长度随坡向变化，植被生长受叶片辐射的影响。极度敏感区大多分布在平潭岛西北部（见图2a），占平潭岛总面积的12.2%，重度敏感区在平潭岛内部较为均匀的分布，集中分布在平潭岛东北部，占比17%。中度敏感区占总面积的34.7%，较为均匀的分布在平潭岛内部。轻度敏感区占总面积的24%，不敏感区占12%，主要分布在南部，地势平坦，采光良好。综上所述平潭岛的坡向整体敏感性处于中度敏感。

图2 平潭岛生态敏感性等级空间分布

4.1.2 坡度敏感性分析

一般来说，坡度的大小与水土流失所发生的概率呈正相关，坡度也是影响地表物质流动和承载能力的主要因素，制约着生产力的空间分布[9]。坡度愈大敏感性愈高。研究区域的地貌类型为丘陵和海积平原，总体上来看地形起伏较小。由图2b可见：平潭岛坡度变化较大的区域即极度敏感区（坡度大于35°）和重度敏感区（坡度为25°～35°）主要分布在平潭岛的北部与西南部，占总面积的2.85%和10.37%；中度敏感区和轻度敏感区均匀分布在平潭岛内部，坡度主要在5°～25°，分别占总面积的12.47%和27.8%；不敏感区主要分布在平潭岛中部与西北部，占总面积的46.5%，坡度为0°～5°，适宜建设。由上述可知，平潭的坡度生态敏感性多处于不敏感。

4.1.3 高程敏感性分析

平潭的整个地势大致处于东高西低。而温度、大气等自然环境因素受高程的影响，从而进一步影响地表各类植物的生长与分布状况[9]，高程愈大，生态敏感性愈强。极度敏感区占比5.4%，主要分布于东北和西南山区（见图2c）；重度敏感区和中度敏感区的高程在346～443m之间，分布位置大致与极度敏感区相同，在平潭岛东南部偶有分布，分别占总面积的7.69%和17.56%。轻度敏感区和不敏感区分别占总面积的36.4%和32.92%，占据平潭岛的大部分。因此，平潭的高程敏感性多处于轻度敏感。

4.1.4 土地利用敏感性分析

研究区土地利用类型主要分为人工地表、其他土地、林地草地、耕地和水体五种类型。由图2d可知重度敏感区占总面积的38.23%，是面积最大的部分，以耕地为主；中度敏感和轻度敏感分别占29.23%和6.79%；从空间分布上看，不敏感区分布在平潭的中部城区和东南的城区，占总用地的22.78%。极度敏感区所占用地较小，仅为3%。因此，平潭的土地利用类型的生态敏感性处于重度敏感。

4.1.5 植被覆盖度敏感性分析

生态敏感性越低的区域其生态稳定性就越高，生态稳定性愈高的区域群落结构愈丰富，植被覆盖度愈高。植被覆盖度在本文中使用归一化植被指数(NDVI)反映。研究区NDVI的生态敏感性普遍较高，权重为0.3728(见图2e)。不敏感区和轻度敏感区占22.72%，这些区域聚集于平潭主岛中部的新城区和南部的老城区。中度敏感区占20.09%;重度敏感区占27.59%，主要分布在研究区西部。极度敏感区占29.6%，植被覆盖度较好，大部分分布在研究区北部和西南部的山区。因此，平潭的植被覆盖度生态敏感性处于极度敏感。

4.1.6 水域缓冲区敏感性分析

水体在生态环境的调节和净化方面有着关键性的影响，对生态系统起关键作用，且建筑的布局受水域分布的影响。本次研究根据平潭岛地质条件，选取研究区内的主要水域作为生态敏感性的评价因子，以与水体本身的距离确定缓冲半径，即设立50m以内、50m、100m、200m和200m以外的缓冲距离，其对应的敏感性等级分区从低到高确定为极度敏感区、重度敏感区、中度敏感区、轻度敏感区和不敏感区。由图2f可以看出，极度敏感区和重度敏感区占研究区总面积的6.15%，中度敏感区和轻度敏感占总面积的14.68%，不敏感区占总面积的79.11%。由此可见，平潭岛水域缓冲区敏感性为不敏感。

4.2 生态敏感性综合评价

综合各生态因子的敏感性分析图，在GIS中进行再加权叠加之后，按照2.2.1的等级划分进行重分类操作，得到平潭岛生态敏感性综合分析图。

平潭岛的生态敏感性多集中在重度敏感和中度敏感内（见表3）。平潭岛整体生态敏感性较高，极度敏感性分区占总面积的13.57%，重度敏感占比24.42%，中度敏感占比26.63%。不敏感区和极度敏感区占比15.38%和13.57%。

表3 平潭岛生态敏感性综合评价结果

从空间分布上看，敏感性强的地区（极度敏感区和重度敏感区）主要分布在平潭岛的北部和西南部，具体分布于苏平镇和君山镇北部（原白青乡、中楼乡、流水镇位置）以及金井镇北部（原北厝镇西部）。中度敏感区位于苏平镇中南部、君山镇东部以及海坛湾、坛南湾一带，不敏感区域和轻度敏感区域分布在平潭岛中部平潭县城区和东南部旧城区及金井作业区附近。

而研究区生态敏感性呈此种状态分布的原因可从以下两个方面分析。从自然地理方面看，高敏感性的地区大多为山体林地，海拔较高。山体坡度越大，水土越容易流失，开发和保护的难度越大，植被受破坏后的恢复可能性越低，抗干扰能力较差。结合平潭近年自然环境状况，平潭岛常年受东北强风影响，风浪侵蚀强度大，山体固土能力下降引起植被退化，裸露的山体边缘和沙土裸露地表区域植被退化程度更高[9]。同时，海拔高度影响着植物的生长。海拔越高温度越低，植物生长受温度抑制，生态敏感性也随之升高。因此，高海拔地区生态敏感性稳定度低易受破坏，应作为生态核心区加强保护，以遥感技术为手段实时获取环境信息，对已经破坏的区域进行生态修复，严格控制建设用地的扩张，制定合理的生态风险管理对策。中度敏感区常与生态保护区毗邻，其作为生态缓冲区具有一定的保护意义，在海岸沿线可增强以抗侵蚀为主的修复，可在相关专家指导下结合生态措施进行适度开发。

从社会经济方面看，人为活动也对平潭岛中高敏感性地区造成了一定影响，在山林地区和森林公园等地人为占用防护林和森林资源的现象频发，建设工程填海建堤以及居民粗放的高污染养殖方式都对生态安全屏障造成了破坏。应当加强生态保护红线的监督与管理，严格控制保护区内污染物排放。依据《平潭综合实验区总体规划(2018-2035年)》平潭分为四个城市组团即中楼组团、金井组团、芦洋组团和潭城组团，这些城市集中建设区具有一定的建设基础，人为活动较为频繁，建成区已对原有的生态系统造成一定的影响且不可逆转，生态敏感性也相对较弱，土地利用类型上大多是人造地表，建筑用地以及交通用地为主的土地，生态系统结构相对较为稳定，不易受到人为或自然的影响。在有建设基础的区域，可以结合平潭“岛区一体化”的战略，根据开发建设现状和自身资源优势，在适宜的规模下进行强度较大的开发建设，加强土地集约复合利用[10]。

5 结语

从研究结果来看，平潭岛内的生态敏感性多样化程度高，总体生态敏感性较高。不同生态等级的面积所占比例依次为中度敏感>重度敏感>轻度敏感>不敏感>极敏感，主要介于中度敏感和重度敏感之间。其空间分布特征与自然地理和社会经济存在一定的联系性。其空间分布特征与自然地理与社会经济存在一定的联系性。总的来说，敏感性高的地区大部分为山体林地等高海拔地区以及河流湖泊等水域，主要分布在平潭岛的北部和西南部。由于该区域生态敏感性高，且占研究区大部分面积，应将其作为生态核心区加强保护，而敏感性程度较低的区域主要分布在城镇等已建设用地，且敏感性程度较低的区域地势起伏较小，海拔偏低，这与自然地理条件与人类活动干预程度大小有一定的关联。同时该区域应进一步加强城镇绿化，建设高品质生态环境。要根据不同区域的生态敏感性程度，结合平潭岛的现状与发展策略，为平潭岛制定更合理的生态规划，对其加以科学性的保护。