海岛生态压力定量评估模型构建

2014-03-22余爱莲邓一兵桂峰赵晟杨平

海洋通报 2014年6期

余爱莲，邓一兵，桂峰，赵晟，杨平

（浙江海洋学院海洋科学与技术学院，浙江舟山 316004）

随着陆域资源的日益枯竭和海洋经济的快速发展，海岛资源开发利用日益成为人们关注的焦点。海岛生态系统兼有陆地、湿地和海洋3 种生态系统的特征，是内陆与海洋的“桥梁”，处于海陆相互作用的动力敏感地带，自然灾害频发，具有独特的生态敏感性；加之人类开发海岛资源环境时，往往只注重其经济效益，而忽略开发行为对生态环境影响的滞后效应，导致众多已开发海岛面临人为和自然的双重压力，严重制约海岛经济的可持续发展。如果不能给予海岛开发活动科学、全面的指导，其面临的生态压力就会通过压力-状态-响应机制的反应链条，促使海岛生态系统和环境系统之间的矛盾不断激化，最终超出海岛生态系统的承载能力范围。因此，为促进海岛生态保护与资源合理利用，协调人类活动与各环境因素良性发展关系，迫切需要明确界定与分析海岛生态系统的压力来源，并在其基础上定量描述出生态压力大小，为生态压力阈值的确定提供研究基础。

目前国内针对海岛生态压力的研究较少，还没有形成可操作的定量评估预测模型。论文以海岛生态系统为研究对象，以海岛生态压力为基础，尝试提取压力衡量指标并对其进行定量描述，并结合具体的海岛开发利用数据，构建了海岛生态压力定量评估模型，以期为海岛生态保护和修复提供定量参考依据。

1 海岛生态压力评估指标体系

1.1 生态压力评估指标

海岛生态压力是通过分析岛屿生态系统的特征、外界干扰的来源以及研究岛屿内部对压力的反应机制（余爱莲等，2013）。综合考虑各生态因子的关联因素以及数据可获取性，本文选取岛屿的几种普适性指标作为海岛生态评估的依据。

自然与人为双重压力对岛屿生态环境的影响是多方面的，无论是人为活动还是自然活动，其生态压力驱动因子都是交互耦合关联的，每种因子的改变都能够引起其他因子相应的变化，它们同时作用于整体岛屿生态系统（冯永忠等，2009；任品德等，2013）。本文将岛屿划分为3 个子系统，分别为岛陆子系统、潮间带子系统以及近海岸子系统（王小龙，2006；贾林，2013），由内到外提取生态压力指标。

1.1.1 内部生态因子压力指标

净初级生产力（NPP）：岛屿人口急剧增多以及工业用地不断扩张导致生态生产性土地面积减少，生态系统自身协调能力减弱，海岛生态环境呈越来越脆弱的趋势。NPP 是指植物在单位时间和空间内，去掉呼吸所消耗的有机物质后所累积有机物质的量，是生态系统中其他成员生存和繁衍的物质基础，能准确反映出植被的生产能力（汤萃文等，2010）。NDVI 植被指数又称为标准化植被指数，是以遥感图像为基础对植被进行量化研究，是植被空间分布密度的最佳指示因子。论文利用NDVI 植被指数算岛屿的净初级生产力（肖乾广等，1996；郑元润等，2000）。

1.1.2 周边环境因子压力指标

生物多样性指数：是一个反映海岛生态稳定性的重要指标，其数值大小代表所有不同种类的生物有机体的变异性和丰富性，也反映出区域生态系统抗干扰能力与恢复能力。生物多样性指数反映出生态系统生物多样性及其群落结构的概况，即群落结构越复杂，生态系统的抗压能力越强，然而，围涂和近岸的滥捕现象，使潮间带生物多样性和近岸生物资源量不断减少。生物多样性采用香农-威纳指数计算（曾志新等，1999；刘晓红等，2008；王勇等，2003）。

大气环境质量指数：国内外学者对空气污染问题日趋关注，大气质量监测能够反映出局部地区污染浓度以及污染排放的状态（Pradeepta et al，2010）。本文考虑西白莲岛实际情况，提取SO2、NO2和TSP 3 种主要污染因子，采用环境空气质量现状评价中单项污染指数法进行定量计算（于子江等，2001）。

水环境质量指数：水质退化重要来源是城市排污，其次是养殖业及工业的增加，导致潮间带和湿地功能退化，局部沿海岸线海域生物质量和水质下降（何明海，1989），局部近岸海域水质的富营养化有所增加，底质中的有机质和硫化物也有积累现象（欧健，2006）。水质评价提取的指标有溶解氧、COD、无机氮、磷酸盐、石油类以及部分重金属元素（铅和锌），采用环境水质质量现状评价中单项污染指数法进行定量计算（林和山等，2012）。

海岸资源利用指数：海岛开发利用是从整体空间观点出发，根据自然区域特点和经济社会发展需求，对生态景观进行人为的改变，把规划区分为不同功能单元来满足环境目标和环境管理对策，岸线资源开发直接破坏底栖生物生境，是物种消失和生物多样性减退的重要原因（陈彬，2006）。本文采用以岸线利用面积和整个海岛面积比率来定量反映开发程度。

以上分析，可以总结出生态系统的内部结构以及周边自然环境要素等多方面的相应，从中提取能够定量评价海岛生态系统的指标，见图1。

2 海岛生态压力定量评估模型构建

2.1 环境指标评定标准

图1 指标的提取及定量测算方法

我国海岛分布广泛，预构建的定量评估模型若评价所有岛屿，前提是要根据岛屿不同的地理位置而采用不同的生态因子评定标准，本文依据《全国近岸海域环境功能区划（调整）》为准，这样评定的标准主要是考虑到岛屿合理开发要注意生态环境的同时兼顾国家海洋开发利用的相关法规。

2.2 环境指标定量测算

标准化计算的目的是将不同数量级、不同量纲的各指标值进行处理，使所有指标具有可比性。

（1）植被NDVI 植被指数

NDVI 植被指数值能够对植被分布、初级生产力、开发利用和退化状况进行有效的动态分析。其计算公式如下：

式中：Band2 为红光波段，Band3N 为近红外波段。

（2）德尔菲法（DT）

利用德尔菲法，使指标体系框架和指标之间的逻辑关系和数学关系更加紧密（刘韫，2009），DT可按下式计算：

式中：Wi表示污染物单因子评价指标数值，Pi表示各指标的系数。

（3）空气污染指数（OI）

采用橡树岭大气质量指数（ORAQI）进行综合评价大气质量，此指数（ORAQI）衡量大气环境质量的主要依据是不同大气污染因子的危害程度，可适用于任意多项污染物的综合评价（Reddy， 2004；陈辉等，2012）。ORAQI 可按下式计算：

本法设Ci代表任一项实测污染物的平均浓度，Sr代表该污染物的相应标准值，式中a、b 为常系数，可根据西白莲岛的独特条件确定污染物浓度的标准值和背景值，当各种污染物浓度等于该地区背景值浓度时，ORAQI=10；当各种污染物浓度均达到相应的标准值Cni 时，ORAQI=100；从而确定系数a、b（李祚泳，1998）。

根据西白莲岛的3 种污染物评价因子的标准值和背景值，计算出a=3.47，b=1.97。

（4）水质综合污染指数法（WPI）

本文对水质因子的评价采用的方法为综合污染指数法。运用半集均方差模式，它不仅通过算术平均值来考虑某一因子指数对生态环境的影响，也可对因子指数中的大值给予较大权重，因此该模式能较确切反映水质质量的状况（孟伟，2005；蒋火华等，1999；尹海龙等，2008；尤志杰等，2009）。

评价因子算术平均（s）：

式中：Si= Ci/ Cis，Si为污染物i 的单因子评价指数；Ci为实测污染i 的含量（mg/dm3）；Cis为环境污染物i 的环境质量标准（mg/dm3），参考海水水质标准中的Ⅱ类水体标准。半集均方差（Sh）：

式中：为某因子标准指数的算术平均值；n 为污染物因子个数；Sh为半集均方差；m 为大于中位数半集的指数个数。且有：m = n /2（n 为偶数），m = （n-1） /2（n 为奇数）。

上文提取的净初级生产力和生物多样性指标定量计算指数值是越大越优，而大气、水质以及填海定量计算的指数值则是越大越劣，为了便于各指标的比较和计算，应用差值法实现指标原始数据规范化和无量纲化处理。

指标值越大越优

借用数学函数的思想，将提取的5 个评价指标指数定义为函数的自变量，综合评价结果定义为函数的因变量。则多指标的评价问题就直接转化为了利用一定的数学模型将多个评价指标值“归结”为一个整体性评价指标的问题，各年准则层的指标可表示为A 矩阵。

采用变异系数法进行赋值，变异系数法是一种直接对指标数据进行数学处理求取指标权重的客观赋值方法。它的特点是能够充分考虑各个指标数据的相对变化幅度来实现指标的动态赋权，主要目的是减少了主观因素的干扰（马细霞等，2004；庄平等，201；王文森，2007；刘亮等，2012）。

（5）评价指标权重计算

VK—第k 个指标变异系数；σK—第k 个指标标准差；XK—第k 个指标算术平均值。ωk—第k 个指标的变异系数法权重。

2.3 生态压力定量评估模型

海岛开发的时间和空间逐年变化，导致不同评价指标对环境影响的权重自然是动态变化的，由上述定量测算公式（1） -（5）计算可得每年评价因子的数值以及各因子的权重，构建得到生态压力定量评估模型为：

评价因子的数值表达，各因子的权重矩阵为。

各因子的动态权重介于0-1 之间，越接近1表示压力值越大，通过评估模型计算结果能够直观的分析出区域生态压力来源情况以及压力大小。

3 案例分析

3.1 研究区域概况

西白莲山岛隶属于舟山市普陀区，未开发时岛长1.67 km，宽0.5 km，海岸线长5.39 km，陆域面积941 220 m2，岛上建有交通、油库码头、电信铁塔等。海域资源丰富，经济以渔业为主，功能定位为临港工业。到目前为止，为满足区域经济发展需求，四周海岸线均已开发利用。该岛的规划总体上形成“两片两区”的空间布局结构。西南片因深水岸线条件良好，腹地面积较大，船舶修造项目成为虾峙船舶修造基地的重要区块；北侧因深水岸线和可围垦海域资源都较为丰富，引进物流项目打造海洋物流区域，形成北侧物流石化区块。

根据《舟山市近岸海域环境功能区划（调整）》，西白莲山位于六横－虾峙－桃花四类海域区，因此下文环境因子的指标层是按照海域水质执行《海水水质标准》第四类标准，海洋沉积物评价参照执行《海洋沉积物质量标准》中的第三类标准，环境空气质量标准执行《环境空气质量标准》二级标准（国家海洋局，1997），多样性参考香农-威纳多样性指数法中不同级别的指数范围数值（陈清潮等，1994）。

3.2 数据来源

遥感数据的应用可以准确获得岛屿的具体分布区域与原始面积，分析出环境演变过程（王建等，2006），本文采用2008-2012年秋季的LANDSAT5-TM 遥感卫星影像数据，计算出不同年份填海利用面积，同时应用ERDAS IMAGINE 9.2 软件处理该岛屿影像的NDVI 值来提取植被的类型以及覆盖面积，参照相应植被类型的测算值定量计算出所研究岛屿的NPP 值，西白莲岛屿的NDVI 值范围见图2，参照相应植被类型的测算值定量计算出所研究岛屿的NPP 值。

大气、水质和生物多样性是以舟山近海岸水质调查项目、浙江省海洋与渔业项目以及西白莲岛屿开发项目的相关调查数值为依据，选定以下指标评估的准则层和标准层，四类水质对比层的数据是采用岛屿开发后指标的最劣值，见表1。

图2 2008-2012年西白莲NDVI 范围

表1 西白莲岛的基础数据

3.3 计算结果

由公式（1） -（4）计算得出指标层的综合评价结果：

表2 指标层的综合评价结果

由公式（5）归一化处理得出准则层的指标矩阵如下：

根据公式（6）计算得出评价指标动态权重：

表3 评价指标动态权重

表4 生态压力值计算结果

2008-2012年间，人为干扰力度不同必然导致各评价指标权重有动态变化，每一年份中5 个指标的权重总和均为1，因此数值间比较不仅能够清晰分析出同一年中指标权重的变化，同时也能纵向显示同一指标的权重变化。对比层的指标权重是通过以上模型，带入不同类水质指标值计算得来。最后由所构建评估模型计算出连续五年的生态压力值如下：

区域经济开发活动与生态环境之间是一种在交互胁迫、相互促进的动态耦合关系，这种过程的总体演化趋势由生态主导、城市化滞后逐渐发展到逐步磨合型。最后在生态阈值的控制下，生态压力会有一个张弛的过程。

2008年西白莲岛屿生态压力值呈现出随着开发力度加大而逐年升高的趋势，岸线开发完成是其生态压力值减弱的主要原因，其次，空气污染的主要来源也是人为开发所产生的，但其造成的生态压力不同于不可逆的水利工程，经过一段时间后会减弱。虽然压力最大来源的岸线填海工程已完成，但其他环境因子不得到调控同样会促使生态压力逼近生态阈值，最后达到耦合关系的最后不可持续型。因此要保护好海岛区域生态环境就必须谨慎的实施围填海工程，做到循序渐进的开发，最大程度的提高自然资源利用率和使用质量，相关管理部门应有针对性的保护工作。

4 讨论与结论

本文构建的评估模型以舟山的西白莲岛屿为研究实例，分析数据的时间尺度为2008-2012年，根据《普陀区虾峙－西白莲岛产业布局规划（2007-2011）》，西白莲岛的功能定位发展为修造船项目，利用西白莲岛岸线资源，成为虾峙船舶修造基地的重要区域。该区域2008年开发项目有隆闻船舶修造工程的一期填海工程、码头和鸿运油品储运有限公司的填海项目。处于稳定状态的生态环境刚受到外界干扰时，自我恢复能力相对较强，生态压力为开发后的最低值，随后3年期间的人为干扰加剧，船舶修造的配套工程、鸿运油品、华光油品炼化有限公司的填海以及码头建设，共形成7 处填海区和5 个码头，11年整个岸线开发全部完成，模型计算结果显示开发的初期、高峰期以及收尾完成期与生态压力模型计算所得数值吻合，符合程度较好。

该模型针对工业岛来说，通过合理选择评价指标和计算方法，防止因某个指标而造成严重偏差，为岛屿的可持续发展和实际管理提供一定指导作用。应用模型时应注意，不同海岛评价指标包括的主要影响因子不同，应根据实际监测资料调整评价因子，对于更复杂的旅游型开发岛屿，本模型还有待于进一步探讨。

致谢:陈应华老师对论文的指导，为本论文提供数据的各位老师，蒋俊杰师弟在遥感数据处理上的帮助，在此一并致谢。

Pradeepta K B,Pradyusa S,Swoyam P R.2010,Ambient air quality status in choudwar Area of Cuttack District.International Journal Of Environmental Sciences,1 (3) :343-356.

Reddy M K, Rama R K G, Rammohan R I. 2004. Air quality status of Visakhapatnam (India) -indices basis. Environmental Monitoring and Assessment,95:1-12.

陈彬，俞炜.2006.海岛生态综合评价方法探讨.台湾海峡，25（4）：565-568.

陈辉，厉青，杨一鹏，等，2012.基于分形模型的城市空气质量评价方法研究.中国环境科学，32（5）：954-960.

陈清潮，黄良民，尹健强，等，1994.南沙群岛海区浮游动物多样性研究.南沙群岛及其邻近海区海洋生物多样性研究I.北京：海洋出版社，42-45.

冯永忠，杨改河，王得祥，等，2009.近40年来江河源区草地生态压力动态分析.生态学报，29（1）：492-497.

国家海洋局.1997.GB3097-1997 海水水质标准.北京：中国标准出版社.

何明海，1989.利用底栖生物监测与评价海洋环境质量.海洋环境科学，8（4）：49-53.

贾林，2013.海洋生态风险评价方法及在长兴岛的应用研究.硕士学位论文.

蒋火华，朱建平，梁德华，等，1999.综合污染指数与水质类别判定的关系.中国环境监测，15（6）：46-48.

李祚泳.大区环境质量评价的标度指数法.1998.中国环境科学，18（5）：433-436.

林和山，陈本请，许德伟，等，2012.基于PSR 模型的滨海湿地生态系统健康评价-以辽河三角洲滨海湿地为例.台湾海峡，31（3）：421-427.

刘亮，曹东，吴珊珊，等，2012.海洋自然资源条件对无居民海岛开发的影响评价.海洋通报，31（1）：26-32.

刘韫，2009.生态旅游的可持续性评价模型研究-以九寨沟景区为例.长江流域资源与环境.18（12）：1103-1108.