余愛蓮，鄧一兵，桂峰，趙晟，楊平

（浙江海洋學(xué)院海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316004）

隨著陸域資源的日益枯竭和海洋經(jīng)濟的快速發(fā)展，海島資源開發(fā)利用日益成為人們關(guān)注的焦點。海島生態(tài)系統(tǒng)兼有陸地、濕地和海洋3 種生態(tài)系統(tǒng)的特征，是內(nèi)陸與海洋的“橋梁”，處于海陸相互作用的動力敏感地帶，自然災(zāi)害頻發(fā)，具有獨特的生態(tài)敏感性；加之人類開發(fā)海島資源環(huán)境時，往往只注重其經(jīng)濟效益，而忽略開發(fā)行為對生態(tài)環(huán)境影響的滯后效應(yīng)，導(dǎo)致眾多已開發(fā)海島面臨人為和自然的雙重壓力，嚴(yán)重制約海島經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。如果不能給予海島開發(fā)活動科學(xué)、全面的指導(dǎo)，其面臨的生態(tài)壓力就會通過壓力-狀態(tài)-響應(yīng)機制的反應(yīng)鏈條，促使海島生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)之間的矛盾不斷激化，最終超出海島生態(tài)系統(tǒng)的承載能力范圍。因此，為促進海島生態(tài)保護與資源合理利用，協(xié)調(diào)人類活動與各環(huán)境因素良性發(fā)展關(guān)系，迫切需要明確界定與分析海島生態(tài)系統(tǒng)的壓力來源，并在其基礎(chǔ)上定量描述出生態(tài)壓力大小，為生態(tài)壓力閾值的確定提供研究基礎(chǔ)。

目前國內(nèi)針對海島生態(tài)壓力的研究較少，還沒有形成可操作的定量評估預(yù)測模型。論文以海島生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，以海島生態(tài)壓力為基礎(chǔ)，嘗試提取壓力衡量指標(biāo)并對其進行定量描述，并結(jié)合具體的海島開發(fā)利用數(shù)據(jù)，構(gòu)建了海島生態(tài)壓力定量評估模型，以期為海島生態(tài)保護和修復(fù)提供定量參考依據(jù)。

1 海島生態(tài)壓力評估指標(biāo)體系

1.1 生態(tài)壓力評估指標(biāo)

海島生態(tài)壓力是通過分析島嶼生態(tài)系統(tǒng)的特征、外界干擾的來源以及研究島嶼內(nèi)部對壓力的反應(yīng)機制（余愛蓮等，2013）。綜合考慮各生態(tài)因子的關(guān)聯(lián)因素以及數(shù)據(jù)可獲取性，本文選取島嶼的幾種普適性指標(biāo)作為海島生態(tài)評估的依據(jù)。

自然與人為雙重壓力對島嶼生態(tài)環(huán)境的影響是多方面的，無論是人為活動還是自然活動，其生態(tài)壓力驅(qū)動因子都是交互耦合關(guān)聯(lián)的，每種因子的改變都能夠引起其他因子相應(yīng)的變化，它們同時作用于整體島嶼生態(tài)系統(tǒng)（馮永忠等，2009；任品德等，2013）。本文將島嶼劃分為3 個子系統(tǒng)，分別為島陸子系統(tǒng)、潮間帶子系統(tǒng)以及近海岸子系統(tǒng)（王小龍，2006；賈林，2013），由內(nèi)到外提取生態(tài)壓力指標(biāo)。

1.1.1 內(nèi)部生態(tài)因子壓力指標(biāo)

凈初級生產(chǎn)力（NPP）：島嶼人口急劇增多以及工業(yè)用地不斷擴張導(dǎo)致生態(tài)生產(chǎn)性土地面積減少，生態(tài)系統(tǒng)自身協(xié)調(diào)能力減弱，海島生態(tài)環(huán)境呈越來越脆弱的趨勢。NPP 是指植物在單位時間和空間內(nèi)，去掉呼吸所消耗的有機物質(zhì)后所累積有機物質(zhì)的量，是生態(tài)系統(tǒng)中其他成員生存和繁衍的物質(zhì)基礎(chǔ)，能準(zhǔn)確反映出植被的生產(chǎn)能力（湯萃文等，2010）。NDVI 植被指數(shù)又稱為標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)，是以遙感圖像為基礎(chǔ)對植被進行量化研究，是植被空間分布密度的最佳指示因子。論文利用NDVI 植被指數(shù)算島嶼的凈初級生產(chǎn)力（肖乾廣等，1996；鄭元潤等，2000）。

1.1.2 周邊環(huán)境因子壓力指標(biāo)

生物多樣性指數(shù)：是一個反映海島生態(tài)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，其數(shù)值大小代表所有不同種類的生物有機體的變異性和豐富性，也反映出區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力與恢復(fù)能力。生物多樣性指數(shù)反映出生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性及其群落結(jié)構(gòu)的概況，即群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，生態(tài)系統(tǒng)的抗壓能力越強，然而，圍涂和近岸的濫捕現(xiàn)象，使潮間帶生物多樣性和近岸生物資源量不斷減少。生物多樣性采用香農(nóng)-威納指數(shù)計算（曾志新等，1999；劉曉紅等，2008；王勇 等，2003）。

大氣環(huán)境質(zhì)量指數(shù)：國內(nèi)外學(xué)者對空氣污染問題日趨關(guān)注，大氣質(zhì)量監(jiān)測能夠反映出局部地區(qū)污染濃度以及污染排放的狀態(tài)（Pradeepta et al，2010）。本文考慮西白蓮島實際情況，提取SO2、NO2和TSP 3 種主要污染因子，采用環(huán)境空氣質(zhì)量現(xiàn)狀評價中單項污染指數(shù)法進行定量計算（于子江等，2001）。

水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)：水質(zhì)退化重要來源是城市排污，其次是養(yǎng)殖業(yè)及工業(yè)的增加，導(dǎo)致潮間帶和濕地功能退化，局部沿海岸線海域生物質(zhì)量和水質(zhì)下降（何明海，1989），局部近岸海域水質(zhì)的富營養(yǎng)化有所增加，底質(zhì)中的有機質(zhì)和硫化物也有積累現(xiàn)象（歐健，2006）。水質(zhì)評價提取的指標(biāo)有溶解氧、COD、無機氮、磷酸鹽、石油類以及部分重金屬元素（鉛和鋅），采用環(huán)境水質(zhì)質(zhì)量現(xiàn)狀評價中單項污染指數(shù)法進行定量計算（林和山等，2012）。

海岸資源利用指數(shù)：海島開發(fā)利用是從整體空間觀點出發(fā)，根據(jù)自然區(qū)域特點和經(jīng)濟社會發(fā)展需求，對生態(tài)景觀進行人為的改變，把規(guī)劃區(qū)分為不同功能單元來滿足環(huán)境目標(biāo)和環(huán)境管理對策，岸線資源開發(fā)直接破壞底棲生物生境，是物種消失和生物多樣性減退的重要原因（陳彬，2006）。本文采用以岸線利用面積和整個海島面積比率來定量反映開發(fā)程度。

以上分析，可以總結(jié)出生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及周邊自然環(huán)境要素等多方面的相應(yīng)，從中提取能夠定量評價海島生態(tài)系統(tǒng)的指標(biāo)，見圖1。

2 海島生態(tài)壓力定量評估模型構(gòu)建

2.1 環(huán)境指標(biāo)評定標(biāo)準(zhǔn)

圖1 指標(biāo)的提取及定量測算方法

我國海島分布廣泛，預(yù)構(gòu)建的定量評估模型若評價所有島嶼，前提是要根據(jù)島嶼不同的地理位置而采用不同的生態(tài)因子評定標(biāo)準(zhǔn)，本文依據(jù)《全國近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃（調(diào)整）》 為準(zhǔn)，這樣評定的標(biāo)準(zhǔn)主要是考慮到島嶼合理開發(fā)要注意生態(tài)環(huán)境的同時兼顧國家海洋開發(fā)利用的相關(guān)法規(guī)。

2.2 環(huán)境指標(biāo)定量測算

標(biāo)準(zhǔn)化計算的目的是將不同數(shù)量級、不同量綱的各指標(biāo)值進行處理，使所有指標(biāo)具有可比性。

（1） 植被NDVI 植被指數(shù)

NDVI 植被指數(shù)值能夠?qū)χ脖环植?、初級生產(chǎn)力、開發(fā)利用和退化狀況進行有效的動態(tài)分析。其計算公式如下：

式中：Band2 為紅光波段，Band3N 為近紅外波段。

（2） 德爾菲法（DT）

利用德爾菲法，使指標(biāo)體系框架和指標(biāo)之間的邏輯關(guān)系和數(shù)學(xué)關(guān)系更加緊密（劉韞，2009），DT可按下式計算：

式中：Wi表示污染物單因子評價指標(biāo)數(shù)值，Pi表示各指標(biāo)的系數(shù)。

（3） 空氣污染指數(shù)（OI）

采用橡樹嶺大氣質(zhì)量指數(shù)（ORAQI） 進行綜合評價大氣質(zhì)量，此指數(shù)（ORAQI） 衡量大氣環(huán)境質(zhì)量的主要依據(jù)是不同大氣污染因子的危害程度，可適用于任意多項污染物的綜合評價（Reddy， 2004；陳輝 等，2012）。ORAQI 可按下式計算：

本法設(shè)Ci代表任一項實測污染物的平均濃度，Sr代表該污染物的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，式中a、b 為常系數(shù)，可根據(jù)西白蓮島的獨特條件確定污染物濃度的標(biāo)準(zhǔn)值和背景值，當(dāng)各種污染物濃度等于該地區(qū)背景值濃度時，ORAQI=10；當(dāng)各種污染物濃度均達到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值Cni 時，ORAQI=100；從而確定系數(shù)a、b（李祚泳，1998）。

根據(jù)西白蓮島的3 種污染物評價因子的標(biāo)準(zhǔn)值和背景值，計算出a=3.47，b=1.97。

（4） 水質(zhì)綜合污染指數(shù)法（WPI）

本文對水質(zhì)因子的評價采用的方法為綜合污染指數(shù)法。運用半集均方差模式，它不僅通過算術(shù)平均值來考慮某一因子指數(shù)對生態(tài)環(huán)境的影響，也可對因子指數(shù)中的大值給予較大權(quán)重，因此該模式能較確切反映水質(zhì)質(zhì)量的狀況（孟偉，2005；蔣火華等，1999；尹海龍等，2008；尤志杰等，2009）。

評價因子算術(shù)平均（s）：

式中：Si= Ci/ Cis，Si為污染物i 的單因子評價指數(shù)；Ci為實測污染i 的含量（mg/dm3）；Cis為環(huán)境污染物i 的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（mg/dm3），參考海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅱ類水體標(biāo)準(zhǔn)。半集均方差（Sh）：

式中：為某因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)的算術(shù)平均值；n 為污染物因子個數(shù)；Sh為半集均方差；m 為大于中位數(shù)半集的指數(shù)個數(shù)。且有：m = n /2（n 為偶數(shù)），m = （n-1） /2（n 為奇數(shù)）。

上文提取的凈初級生產(chǎn)力和生物多樣性指標(biāo)定量計算指數(shù)值是越大越優(yōu)，而大氣、水質(zhì)以及填海定量計算的指數(shù)值則是越大越劣，為了便于各指標(biāo)的比較和計算，應(yīng)用差值法實現(xiàn)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)規(guī)范化和無量綱化處理。

指標(biāo)值越大越優(yōu)

借用數(shù)學(xué)函數(shù)的思想，將提取的5 個評價指標(biāo)指數(shù)定義為函數(shù)的自變量，綜合評價結(jié)果定義為函數(shù)的因變量。則多指標(biāo)的評價問題就直接轉(zhuǎn)化為了利用一定的數(shù)學(xué)模型將多個評價指標(biāo)值“歸結(jié)”為一個整體性評價指標(biāo)的問題，各年準(zhǔn)則層的指標(biāo)可表示為A 矩陣。

采用變異系數(shù)法進行賦值，變異系數(shù)法是一種直接對指標(biāo)數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)處理求取指標(biāo)權(quán)重的客觀賦值方法。它的特點是能夠充分考慮各個指標(biāo)數(shù)據(jù)的相對變化幅度來實現(xiàn)指標(biāo)的動態(tài)賦權(quán)，主要目的是減少了主觀因素的干擾（馬細霞等，2004；莊平等，201；王文森，2007；劉亮等，2012）。

（5） 評價指標(biāo)權(quán)重計算

VK—第k 個指標(biāo)變異系數(shù)；σK—第k 個指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差；XK—第k 個指標(biāo)算術(shù)平均值。ωk—第k 個指標(biāo)的變異系數(shù)法權(quán)重。

2.3 生態(tài)壓力定量評估模型

海島開發(fā)的時間和空間逐年變化，導(dǎo)致不同評價指標(biāo)對環(huán)境影響的權(quán)重自然是動態(tài)變化的，由上述定量測算公式（1） -（5） 計算可得每年評價因子的數(shù)值以及各因子的權(quán)重，構(gòu)建得到生態(tài)壓力定量評估模型為：

評價因子的數(shù)值表達，各因子的權(quán)重矩陣為。

各因子的動態(tài)權(quán)重介于0-1 之間，越接近1表示壓力值越大，通過評估模型計算結(jié)果能夠直觀的分析出區(qū)域生態(tài)壓力來源情況以及壓力大小。

3 案例分析

3.1 研究區(qū)域概況

西白蓮山島隸屬于舟山市普陀區(qū)，未開發(fā)時島長1.67 km，寬0.5 km，海岸線長5.39 km，陸域面積941 220 m2，島上建有交通、油庫碼頭、電信鐵塔等。海域資源豐富，經(jīng)濟以漁業(yè)為主，功能定位為臨港工業(yè)。到目前為止，為滿足區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展需求，四周海岸線均已開發(fā)利用。該島的規(guī)劃總體上形成“兩片兩區(qū)”的空間布局結(jié)構(gòu)。西南片因深水岸線條件良好，腹地面積較大，船舶修造項目成為蝦峙船舶修造基地的重要區(qū)塊；北側(cè)因深水岸線和可圍墾海域資源都較為豐富，引進物流項目打造海洋物流區(qū)域，形成北側(cè)物流石化區(qū)塊。

根據(jù)《舟山市近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃（調(diào)整）》，西白蓮山位于六橫－蝦峙－桃花四類海域區(qū)，因此下文環(huán)境因子的指標(biāo)層是按照海域水質(zhì)執(zhí)行《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》第四類標(biāo)準(zhǔn)，海洋沉積物評價參照執(zhí)行《海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的第三類標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)（國家海洋局，1997），多樣性參考香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)法中不同級別的指數(shù)范圍數(shù)值（陳清潮等，1994）。

3.2 數(shù)據(jù)來源

遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用可以準(zhǔn)確獲得島嶼的具體分布區(qū)域與原始面積，分析出環(huán)境演變過程（王建等，2006），本文采用2008-2012年秋季的LANDSAT5-TM 遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，計算出不同年份填海利用面積，同時應(yīng)用ERDAS IMAGINE 9.2 軟件處理該島嶼影像的NDVI 值來提取植被的類型以及覆蓋面積，參照相應(yīng)植被類型的測算值定量計算出所研究島嶼的NPP 值，西白蓮島嶼的NDVI 值范圍見圖2，參照相應(yīng)植被類型的測算值定量計算出所研究島嶼的NPP 值。

大氣、水質(zhì)和生物多樣性是以舟山近海岸水質(zhì)調(diào)查項目、浙江省海洋與漁業(yè)項目以及西白蓮島嶼開發(fā)項目的相關(guān)調(diào)查數(shù)值為依據(jù)，選定以下指標(biāo)評估的準(zhǔn)則層和標(biāo)準(zhǔn)層，四類水質(zhì)對比層的數(shù)據(jù)是采用島嶼開發(fā)后指標(biāo)的最劣值，見表1。

圖2 2008-2012年西白蓮NDVI 范圍

表1 西白蓮島的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3.3 計算結(jié)果

由公式（1） -（4） 計算得出指標(biāo)層的綜合評價結(jié)果：

表2 指標(biāo)層的綜合評價結(jié)果

由公式（5） 歸一化處理得出準(zhǔn)則層的指標(biāo)矩陣如下：

根據(jù)公式（6） 計算得出評價指標(biāo)動態(tài)權(quán)重：

表3 評價指標(biāo)動態(tài)權(quán)重

表4 生態(tài)壓力值計算結(jié)果

2008-2012年間，人為干擾力度不同必然導(dǎo)致各評價指標(biāo)權(quán)重有動態(tài)變化，每一年份中5 個指標(biāo)的權(quán)重總和均為1，因此數(shù)值間比較不僅能夠清晰分析出同一年中指標(biāo)權(quán)重的變化，同時也能縱向顯示同一指標(biāo)的權(quán)重變化。對比層的指標(biāo)權(quán)重是通過以上模型，帶入不同類水質(zhì)指標(biāo)值計算得來。最后由所構(gòu)建評估模型計算出連續(xù)五年的生態(tài)壓力值如下：

區(qū)域經(jīng)濟開發(fā)活動與生態(tài)環(huán)境之間是一種在交互脅迫、相互促進的動態(tài)耦合關(guān)系，這種過程的總體演化趨勢由生態(tài)主導(dǎo)、城市化滯后逐漸發(fā)展到逐步磨合型。最后在生態(tài)閾值的控制下，生態(tài)壓力會有一個張弛的過程。

2008年西白蓮島嶼生態(tài)壓力值呈現(xiàn)出隨著開發(fā)力度加大而逐年升高的趨勢，岸線開發(fā)完成是其生態(tài)壓力值減弱的主要原因，其次，空氣污染的主要來源也是人為開發(fā)所產(chǎn)生的，但其造成的生態(tài)壓力不同于不可逆的水利工程，經(jīng)過一段時間后會減弱。雖然壓力最大來源的岸線填海工程已完成，但其他環(huán)境因子不得到調(diào)控同樣會促使生態(tài)壓力逼近生態(tài)閾值，最后達到耦合關(guān)系的最后不可持續(xù)型。因此要保護好海島區(qū)域生態(tài)環(huán)境就必須謹慎的實施圍填海工程，做到循序漸進的開發(fā)，最大程度的提高自然資源利用率和使用質(zhì)量，相關(guān)管理部門應(yīng)有針對性的保護工作。

4 討論與結(jié)論

本文構(gòu)建的評估模型以舟山的西白蓮島嶼為研究實例，分析數(shù)據(jù)的時間尺度為2008-2012年，根據(jù)《普陀區(qū)蝦峙－西白蓮島產(chǎn)業(yè)布局規(guī)劃（2007-2011）》，西白蓮島的功能定位發(fā)展為修造船項目，利用西白蓮島岸線資源，成為蝦峙船舶修造基地的重要區(qū)域。該區(qū)域2008年開發(fā)項目有隆聞船舶修造工程的一期填海工程、碼頭和鴻運油品儲運有限公司的填海項目。處于穩(wěn)定狀態(tài)的生態(tài)環(huán)境剛受到外界干擾時，自我恢復(fù)能力相對較強，生態(tài)壓力為開發(fā)后的最低值，隨后3年期間的人為干擾加劇，船舶修造的配套工程、鴻運油品、華光油品煉化有限公司的填海以及碼頭建設(shè)，共形成7 處填海區(qū)和5 個碼頭，11年整個岸線開發(fā)全部完成，模型計算結(jié)果顯示開發(fā)的初期、高峰期以及收尾完成期與生態(tài)壓力模型計算所得數(shù)值吻合，符合程度較好。

該模型針對工業(yè)島來說，通過合理選擇評價指標(biāo)和計算方法，防止因某個指標(biāo)而造成嚴(yán)重偏差，為島嶼的可持續(xù)發(fā)展和實際管理提供一定指導(dǎo)作用。應(yīng)用模型時應(yīng)注意，不同海島評價指標(biāo)包括的主要影響因子不同，應(yīng)根據(jù)實際監(jiān)測資料調(diào)整評價因子，對于更復(fù)雜的旅游型開發(fā)島嶼，本模型還有待于進一步探討。

致謝:陳應(yīng)華老師對論文的指導(dǎo)，為本論文提供數(shù)據(jù)的各位老師，蔣俊杰師弟在遙感數(shù)據(jù)處理上的幫助，在此一并致謝。

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