池 源,石洪華*,王媛媛,郭 振,麻德明(.國(guó)家海洋局第一海洋研究所,山東 青島 6606；.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,山東 青島 66033)

海島生態(tài)系統(tǒng)承載力空間分異性評(píng)估
——以廟島群島南部島群為例

池 源1,石洪華1*,王媛媛2,郭 振1,麻德明1(1.國(guó)家海洋局第一海洋研究所,山東 青島 266061；2.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,山東 青島 266033)

構(gòu)建了一套能夠反映陸海雙重特征及其空間分異性的海島生態(tài)系統(tǒng)承載力評(píng)估模型,以廟島群島南部島群為研究區(qū)開(kāi)展應(yīng)用.結(jié)果顯示:研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)總體上處于輕度超載狀態(tài),其中島陸子系統(tǒng)為輕度超載,環(huán)島近海子系統(tǒng)為臨界超載.不同海島中,南長(zhǎng)山島、北長(zhǎng)山島和廟島為輕度超載,小黑山島和大黑山島為臨界超載,其他 5個(gè)海島為可載.空間分布上,海島生態(tài)系統(tǒng)承載力表現(xiàn)出了顯著的異質(zhì)性特征,不同承載力等級(jí)分區(qū)面積由大到小依次為臨界超載區(qū)、輕度超載區(qū)、可載區(qū)、中度超載區(qū)和重度超載區(qū).控制建設(shè)規(guī)模、優(yōu)化開(kāi)發(fā)布局、改進(jìn)利用方式以及開(kāi)展合理的生態(tài)建設(shè),是提升海島生態(tài)系統(tǒng)承載力的重要途徑.

海島生態(tài)系統(tǒng)；承載力；空間分異性；陸海特征；不同尺度；廟島群島南部島群

近幾十年來(lái),承載力概念由自然生態(tài)系統(tǒng)的種群承載力到引入人類(lèi)干擾的資源環(huán)境承載力,又發(fā)展至生態(tài)系統(tǒng)承載力[1].海島是重要生態(tài)功能的貯存庫(kù),是維護(hù)國(guó)家權(quán)益的重要平臺(tái),也是人類(lèi)居住生活的載體以及保護(hù)與利用海洋的支點(diǎn)

[2-4],海島生態(tài)系統(tǒng)是包含了島陸和環(huán)島近海兩個(gè)子系統(tǒng)的自然和人文因子相互聯(lián)系、相互作用形成的生態(tài)系統(tǒng)[4].由于特殊的位置、有限的規(guī)模和明顯的隔離,海島生態(tài)系統(tǒng)具有顯著的脆弱性,主要表現(xiàn)在其面臨干擾時(shí)更容易受到損害,且難以通過(guò)自身調(diào)節(jié)能力恢復(fù)[5-7].隨著人類(lèi)活動(dòng)的日益頻繁,海島生物多樣性受到威脅,生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力趨于下降,景觀格局發(fā)生顯著變化[8-10],海島生態(tài)系統(tǒng)的承載力問(wèn)題逐漸引起關(guān)注.

全面地評(píng)估海島生態(tài)系統(tǒng)承載力,首先要考慮其陸海雙重性.島陸子系統(tǒng)具有陸地生態(tài)系統(tǒng)的一般特征,其生物群落和生境與大陸基本相似

[11-12],環(huán)島近海子系統(tǒng)擁有海洋生態(tài)系統(tǒng)的特征.二者差異明顯但又相互聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)島陸和環(huán)島近海生態(tài)系統(tǒng)承載力在空間上的統(tǒng)一是個(gè)重要課題.另外,我國(guó)海島往往集群分布,形成島群,島群中各島具有較為一致的地質(zhì)背景和自然條件,但在面積、形狀等基礎(chǔ)地理信息上存在較大不同

[13],海島內(nèi)部在地形和土壤因子等方面也具有一定的空間差異,再加上人類(lèi)活動(dòng)在海島之間和海島內(nèi)部的非均質(zhì)發(fā)展,造成海島生態(tài)系統(tǒng)承載力具有明顯的空間分異性.當(dāng)前,諸多學(xué)者從不同角度、針對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了承載力評(píng)估方法構(gòu)建和案例研究工作[14-16],也建立了專(zhuān)門(mén)的海島承載力評(píng)估方法[17-18],但目前的方法均未涉及或難以充分反映海島生態(tài)系統(tǒng)的陸海特征及其空間分異性.

因此,本文以我國(guó)北方典型海島群——廟島群島南部島群為研究區(qū),構(gòu)建一套能夠反映陸海雙重特征及其空間分異性的海島生態(tài)系統(tǒng)承載力評(píng)估模型并開(kāi)展評(píng)估,以期闡明海島生態(tài)系統(tǒng)承載力的空間變化規(guī)律,為合理開(kāi)發(fā)利用海島、維護(hù)海島生態(tài)平衡提供依據(jù),也為全國(guó)海島生態(tài)系統(tǒng)承載力評(píng)估提供一定參考.

1 研究區(qū)概況

如圖1所示,廟島群島南部島群位于山東半島北側(cè),黃、渤海交會(huì)處,是長(zhǎng)島國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的重要依托.該區(qū)域?qū)儆跂|亞季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫 12.0℃,年均降水量約 537mm,年均日照時(shí)數(shù)2612h.海島均屬于基巖島,最高點(diǎn)海拔約為189m,以剝蝕丘陵為主要地貌類(lèi)型;土壤以棕壤為主,多砂礫,土質(zhì)較差[19].廟島群島南部島群是長(zhǎng)島縣政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心,城鎮(zhèn)建設(shè)程度相對(duì)較高,海水養(yǎng)殖區(qū)廣布,交通運(yùn)輸頻繁,但空間上又存在顯著差異,這使得海島生態(tài)系統(tǒng)面臨較大的壓力,但又存在著明顯的空間分異性.評(píng)估海島包括南長(zhǎng)山島、北長(zhǎng)山島、廟島、小黑山島、大黑山島 5個(gè)有居民海島和擋浪島、螳螂島、羊砣子島、牛砣子島和南砣子島 5個(gè)面積較大(大于 0.02km2)的無(wú)居民海島;根據(jù)海島人類(lèi)活動(dòng)主要影響區(qū)域,以海島輪廓最外側(cè)點(diǎn)向四周延伸2km構(gòu)成矩形,作為環(huán)島近海的研究范圍,其中島陸總面積約31.71km2,環(huán)島近?？偯娣e約255.04km2.

圖1 研究區(qū)示意Fig.1 Map of study area

2 研究方法

2.1 評(píng)估模型

2.1.1 指標(biāo)體系 基于海島生態(tài)系統(tǒng)典型特征和我國(guó)海島實(shí)際狀況,構(gòu)建海島生態(tài)系統(tǒng)承載力評(píng)估指標(biāo)體系,如表 1所示,共包含 2個(gè)一級(jí)指標(biāo),9個(gè)二級(jí)指標(biāo).

2.1.2 指標(biāo)計(jì)算方法 (1)開(kāi)發(fā)強(qiáng)度:岸線(xiàn)開(kāi)發(fā)強(qiáng)度(I11)計(jì)算方法:

式中:I11L為海島人工岸線(xiàn)長(zhǎng)度;I11T為海島岸線(xiàn)總長(zhǎng)度.

島陸開(kāi)發(fā)強(qiáng)度(I12)計(jì)算方法:

式中:I12C為島陸開(kāi)發(fā)利用規(guī)模;I12T為島陸總面積.I12C的計(jì)算公式為:

式中:IAi為第 i類(lèi)島陸利用類(lèi)型面積;IFi為第 i類(lèi)島陸利用類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)影響系數(shù).不同島陸利用類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)影響具有差異,交通用地不僅深刻改變海島地表形態(tài),破壞生物棲息地和群落結(jié)構(gòu),割裂自然景觀,還通過(guò)船舶、車(chē)輛排放污染物等方式對(duì)海島帶來(lái)持續(xù)的影響[4];建筑用地同樣具有上述影響,但其往往連片分布,形狀規(guī)整[20],且在運(yùn)營(yíng)期產(chǎn)生的污染物相對(duì)較少;廣場(chǎng)和曬場(chǎng)的影響主要表現(xiàn)在侵占生物棲息地并破壞群落結(jié)構(gòu),同時(shí)一定程度的改變地形和景觀格局;農(nóng)田開(kāi)墾將自然界的植物改造成大面積種植的特定農(nóng)作物,改變植物群落結(jié)構(gòu),影響生物多樣性[21];人工林建設(shè)能夠幫助維持海島生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性,但會(huì)對(duì)原生植物群落構(gòu)成威脅,實(shí)質(zhì)上也是一種人為干擾[22-23].如表2所示,根據(jù)不同島陸利用類(lèi)型對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的影響特點(diǎn),得到其影響系數(shù).

表1 海島生態(tài)系統(tǒng)承載力評(píng)估指標(biāo)體系Table 1 Evaluation indices system of island ecosystem carrying capacity

表2 島陸利用類(lèi)型的影響系數(shù)Table 2 Influence coefficients of island use types

海域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度(I13)計(jì)算方法:

式中:I13C為海域開(kāi)發(fā)利用規(guī)模;I13T為海域總面積.I13C的計(jì)算公式為:

式中:SAi為第i類(lèi)用海方式面積;SRi為第i類(lèi)用海方式的生態(tài)系統(tǒng)影響系數(shù).用海方式是根據(jù)海域使用特征及對(duì)海域自然屬性的影響程度劃分的海域使用方式.建設(shè)填海造地和非透水構(gòu)筑物的施工工藝類(lèi)似,其直接改變海域面積、海底地形等自然屬性,顯著影響水動(dòng)力和泥沙沖淤環(huán)境,侵占生物棲息地,施工期排放污染物[24-25].圍海養(yǎng)殖改變自然生境,影響生物多樣性和近海水沙環(huán)境,一定程度地破壞海底地形,并帶來(lái)大量的污染物排放[26-27],而開(kāi)放式養(yǎng)殖的影響主要表現(xiàn)在改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)和排放一定污染物,與圍海養(yǎng)殖相比較小[4,28].跨海橋梁對(duì)地形地貌、水動(dòng)力、生物棲息地等均具有一定影響[29],主要是由橋墩建造帶來(lái)的,而橋墩的空間僅占跨海橋梁全部用海面積的小部分,且分散分布,其生態(tài)系統(tǒng)影響相對(duì)較小

[30-31].海砂開(kāi)采對(duì)采砂區(qū)的地形地貌帶來(lái)直接影響,但由于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償作用,本研究區(qū)的采砂工程對(duì)海底地形的影響總體不大[32],同時(shí)一定程度地影響水沙環(huán)境[33].透水構(gòu)筑物、港池和海底電纜等用海方式從不同方面對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成影響,但影響總體較小.此外,與島陸不同的是,海水的流動(dòng)性使海域開(kāi)發(fā)利用不僅對(duì)其占用海域產(chǎn)生影響,同時(shí)會(huì)對(duì)周邊海域帶來(lái)一定影響[34],根據(jù)用海方式的不同,其影響程度也具有差別.研究發(fā)現(xiàn),圍填海等用?；顒?dòng)對(duì) 200m以?xún)?nèi)的海域影響較明顯,之后隨著距離的增加影響逐漸減小[35].分別對(duì)用?；顒?dòng)占用海域 0,0～200,200～500, 500～1000m范圍的影響進(jìn)行評(píng)估.如表3所示,根據(jù)不同用海方式的生態(tài)系統(tǒng)影響特征,得到其影響系數(shù).

表3 海域使用方式的影響系數(shù)Table 3 Influence coefficients of sea area use ways

(2)生態(tài)狀況

I21主要依據(jù)CASA模型,基于遙感數(shù)據(jù)、氣象資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查進(jìn)行計(jì)算,主要計(jì)算過(guò)程如下:

式中:I21(x, t)為 x點(diǎn) t月凈初級(jí)生產(chǎn)力,g C /(m2·month);APAR(x, t)為x點(diǎn)t月吸收的光合有效輻射,MJ /(m2·month);ξ(x, t)為x點(diǎn)t月的實(shí)際光能利用率,g C /MJ;PAR(x, t)為x點(diǎn)t月的光合有效輻射,MJ /(m2·month);FPAR(x, t)為x點(diǎn)t月光合有效輻射吸收比例,%;ft(t)和fw(t)分別為研究區(qū)t月的氣溫脅迫因子和水分脅迫因子,%;ξmax為植被最大光能利用率,g C /MJ.根據(jù)各月的計(jì)算結(jié)果得到全年凈初級(jí)生產(chǎn)力的平均密度,g C /(m2·a),詳細(xì)的計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[8].

I22和I25采用目前在國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究中普遍應(yīng)用的Shannon-Wiener指數(shù)(H’)和Pielou指數(shù)(J)進(jìn)行表征,前者側(cè)重于反映物種的復(fù)雜程度,后者則更加強(qiáng)調(diào)物種的均勻度.計(jì)算方法如下[36]:

式中:H’s、Js分別為樣地/站位 s的 Shannon-Wiener指數(shù)和Pielou指數(shù);Ns為樣地/站位s的物種數(shù)量.IVs,i為各樣地/站位內(nèi)不同物種的重要值,方法如下:

式中:IVs,i為樣地/站位s中物種i的重要值,Abs,i為樣地/站位s內(nèi)物種i的多度,Abs為樣地/站位s內(nèi)物種多度之和.

I23和I26基于島陸土壤和環(huán)島近海海水因子,采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法計(jì)算,方法如下:

式中:I23和 I26分別為島陸土壤質(zhì)量綜合指數(shù)和海水水質(zhì)綜合指數(shù);n為因子個(gè)數(shù),Pi為因子 i的質(zhì)量指數(shù),Pmax為所有因子質(zhì)量指數(shù)中的最大值.

Pi

由下式得出:

式中:Ci為因子i的實(shí)測(cè)值,Si為因子i的標(biāo)準(zhǔn)值,執(zhí)行相應(yīng)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn).長(zhǎng)島縣及其臨近大陸基本沒(méi)有污染工業(yè),避免了重金屬對(duì)環(huán)境要素的污染,多年的環(huán)境質(zhì)量公報(bào)顯示,研究區(qū)各環(huán)境要素中重金屬均符合最嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn).由于自身?xiàng)l件的特殊性,研究區(qū)土壤質(zhì)地較差且較為貧瘠,對(duì)植物生長(zhǎng)構(gòu)成制約,本文土壤質(zhì)量主要對(duì)其肥力狀況進(jìn)行評(píng)估.環(huán)島近海中海水養(yǎng)殖、生活污水排放等人類(lèi)活動(dòng)帶來(lái)了 COD、氮磷等污染源,且航運(yùn)頻繁,存在溢油風(fēng)險(xiǎn),石油類(lèi)也是重要的影響因子,重點(diǎn)對(duì)這些因子進(jìn)行評(píng)估.

I24使用葉綠素法,依據(jù)Cadee等[37]提出的簡(jiǎn)化公式進(jìn)行計(jì)算,方法如下:

式中:I24為該季節(jié)每日初級(jí)生產(chǎn)力,mg C /(m2·d);Ps為表層水(1m以?xún)?nèi))中浮游植物潛在生產(chǎn)力,mg C/(m2·h);E為真光層的深度,取透明度的3倍,m;D為白晝時(shí)間,h.

Ps由下式得出:

式中:Ca為表層葉綠素a的含量,mg /m3;Q為同化系數(shù),mg C /[(mg Chl-a)·h],采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)3.7.進(jìn)而,由不同季節(jié)初級(jí)生產(chǎn)力結(jié)果計(jì)算得到環(huán)島近海全年初級(jí)生產(chǎn)力.

2.1.3 海島生態(tài)系統(tǒng)承載力評(píng)估方法 (1)海島生態(tài)系統(tǒng)綜合承載力:對(duì)各二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估,方法如下:

式中:RIi為指標(biāo)i的評(píng)估值;Ii為指標(biāo)計(jì)算值,Si為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值.在本研究中,I11～I(xiàn)13和 I26為負(fù)向指標(biāo), I21～I(xiàn)25為正向指標(biāo).表4為各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值,其中開(kāi)發(fā)強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值參考文獻(xiàn)[38]得到,生態(tài)狀況指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值采用區(qū)域平均值或相應(yīng)的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn).

表4 二級(jí)指標(biāo)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Evaluation standards of secondary indices

續(xù)表4

海島生態(tài)系統(tǒng)綜合承載力結(jié)果取二級(jí)指標(biāo)評(píng)估結(jié)果的平均值,其中島陸子系統(tǒng)承載力取島陸指標(biāo)評(píng)估結(jié)果的平均值,環(huán)島近海子系統(tǒng)承載力取環(huán)島近海指標(biāo)評(píng)估結(jié)果的平均值.根據(jù)表 5可判斷承載力等級(jí).

表5 海島生態(tài)系統(tǒng)承載力等級(jí)劃分Table 5 Classification of island ecosystem carrying capacity

(2)海島生態(tài)系統(tǒng)承載力空間分異性:根據(jù)評(píng)估對(duì)象差異和評(píng)估單元大小,從單島尺度和區(qū)塊尺度開(kāi)展海島生態(tài)系統(tǒng)承載力空間分異性評(píng)估.單島尺度上,計(jì)算各島的島陸指標(biāo),得到不同海島的生態(tài)系統(tǒng)承載力結(jié)果.區(qū)塊尺度上,借助GIS,將研究區(qū)劃分為 100m×100m的規(guī)則區(qū)塊,區(qū)塊分為島陸區(qū)塊和環(huán)島近海區(qū)塊,分別采用島陸指標(biāo)和環(huán)島近海指標(biāo)計(jì)算得到各區(qū)塊生態(tài)系統(tǒng)承載力,形成海島生態(tài)系統(tǒng)承載力空間分布圖,并統(tǒng)計(jì)不同承載力等級(jí)區(qū)域的面積.

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

2.2.1 遙感影像 采用WorldView-1衛(wèi)星2013年全色波段遙感影像,空間分辨率為 0.45m.通過(guò)ArcGIS10.0軟件提取海島輪廓,得到海島面積、周長(zhǎng)等基本信息;進(jìn)而開(kāi)展人機(jī)交互解譯,將島陸利用類(lèi)型劃分為交通用地、建筑用地、廣場(chǎng)和曬場(chǎng)、農(nóng)田、人工林和未利用地(草地和裸地),同時(shí)將海島岸線(xiàn)劃分為人工岸線(xiàn)和自然岸線(xiàn).采用LANDSAT8衛(wèi)星2013年4月21日、8月11日、11月15日和2014年1月2日(代表不同季節(jié))4個(gè)時(shí)相30m分辨率的無(wú)云影像,利用ENVI4.7軟件對(duì)影像進(jìn)行裁切、輻射定標(biāo)、波段運(yùn)算得到不同季節(jié)的NDVI值.

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查 2014年7月開(kāi)展海島現(xiàn)場(chǎng)勘察,對(duì)研究區(qū)島陸利用類(lèi)型和岸線(xiàn)類(lèi)型進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證,根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果校正現(xiàn)有數(shù)據(jù),計(jì)算得到岸線(xiàn)開(kāi)發(fā)強(qiáng)度和島陸開(kāi)發(fā)強(qiáng)度.2012年夏季進(jìn)行植物群落調(diào)查,以均勻分布為原則,考慮群落類(lèi)型、地形等因素,如圖2所示,共設(shè)置50個(gè)20m×20m大小的樣地.運(yùn)用GPS手持機(jī)和電子羅盤(pán)測(cè)量各樣地的經(jīng)緯度、海拔、坡度和坡向;記錄樣方內(nèi)出現(xiàn)的全部喬木種,測(cè)量所有DBH≥3cm的植株胸徑、樹(shù)高、冠幅等信息,記錄其存活狀態(tài);記錄樣方內(nèi)出現(xiàn)的全部灌木種,選擇面積為10m×10m的兩個(gè)對(duì)角小樣方進(jìn)行調(diào)查,對(duì)其中的全部灌木分種計(jì)數(shù),并測(cè)量基徑、高度等信息;記錄樣方內(nèi)出現(xiàn)的全部草本種類(lèi),在每個(gè)樣地的4角和中心共設(shè)置5個(gè)1m×1m草本植物樣方,記錄樣方內(nèi)草本植物種類(lèi)、多度、蓋度、高度等信息;樣地?cái)?shù)據(jù)取樣地內(nèi)各樣方平均值.經(jīng)調(diào)查,研究區(qū)木本植物種類(lèi)較少,且多為人工種植,但草本植物發(fā)育完整且分布廣泛[9],以草本植物為代表進(jìn)行島陸植物多樣性分析.采用多點(diǎn)混合取樣法在每個(gè)樣地內(nèi)選取 3個(gè)土壤取樣點(diǎn),均勻混合后作為該樣地的土壤樣品,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定其理化因子,以有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、有效鉀為評(píng)估因子計(jì)算土壤質(zhì)量指數(shù).

2012年11月和2013年2月、5月、8月共開(kāi)展了 4個(gè)航次的環(huán)島近海生態(tài)環(huán)境調(diào)查和采樣工作,按照代表性、均勻性的原則,如圖2所示,共布設(shè)21個(gè)站位.海水表層溫度(SST)、pH值、鹽度、透明度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,表層水樣在帶回實(shí)驗(yàn)室24h之內(nèi)(石油類(lèi)10h之內(nèi))分析,得到海水DO、COD、DIN、DIP、石油類(lèi)和葉綠素 a等數(shù)據(jù).根據(jù)葉綠素 a和透明度等數(shù)據(jù)計(jì)算環(huán)島近海初級(jí)生產(chǎn)力;以DO、COD、DIN、DIP、石油類(lèi)作為評(píng)估因子計(jì)算海水水質(zhì)綜合指數(shù).浮游植物樣品采用甲醛溶液固定,避光保存在4℃的0.5L聚乙烯(PE)瓶中.采用 Uterm?hl方法(1958)進(jìn)行浮游植物的鑒定與計(jì)數(shù),細(xì)胞豐度用 cells/m3表示,進(jìn)而計(jì)算環(huán)島近海浮游生物多樣性.

圖2 廟島群島南部島群調(diào)查樣地/站位Fig.2 Sampling plots on southern Miaodao Archipelago

2.2.3 資料收集 降雨量、氣溫、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度來(lái)自長(zhǎng)島縣氣象站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),太陽(yáng)總輻射來(lái)自煙臺(tái)福山氣象站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合遙感影像數(shù)據(jù)計(jì)算得到島陸凈初級(jí)生產(chǎn)力;研究區(qū)海域使用現(xiàn)狀等數(shù)據(jù)由長(zhǎng)島縣海洋與漁業(yè)局提供,由此計(jì)算環(huán)島近海開(kāi)發(fā)強(qiáng)度.

2.3 海島生態(tài)系統(tǒng)承載力評(píng)估

2.3.1 開(kāi)發(fā)利用狀況 圖3為開(kāi)發(fā)利用狀況.南長(zhǎng)山島人工岸線(xiàn)比例較高,其次為北長(zhǎng)山島和廟島,其余海島人工岸線(xiàn)總體較少.交通用地、建筑用地、廣場(chǎng)和曬場(chǎng)在南長(zhǎng)山島分布廣泛,其次為北長(zhǎng)山島,在其他海島上總體較少;農(nóng)地在北長(zhǎng)山島和大黑山島有一定規(guī)模的分布;人工林建設(shè)(黑松林和刺槐林)在各島具有普遍性.海域開(kāi)發(fā)利用類(lèi)型較多,以開(kāi)放式養(yǎng)殖為主要用海方式,用海多分布于近岸海域.

圖3 海島岸線(xiàn)狀況(a)、島陸開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀(b)和海域開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀(c)Fig.3 Island coastline status (a), island use status (b), and sea area use status (c)

2.3.2 生態(tài)狀況 圖4為生態(tài)狀況.島陸NPP平均值為331.06g C/(m2·a),具有明顯的空間分異性.環(huán)島近海初級(jí)生產(chǎn)力整體較低,最高不足 80g C/(m2·a).島陸植物多樣性 Shannon-Wiener指數(shù)在1.39～2.46之間,Pielou指數(shù)在0.83～1之間.環(huán)島近海浮游植物多樣性總體較高,但大黑山島南部海域相對(duì)較低.島陸土壤質(zhì)量總體較差,環(huán)島近海海水水質(zhì)則處于較好的水平.

圖4 島陸凈初級(jí)生產(chǎn)力(a)、環(huán)島近海初級(jí)生產(chǎn)力(b)、島陸植物多樣性(c,d)、環(huán)島近海浮游植物多樣性(e,f)、島陸土壤質(zhì)量(g)和環(huán)島近海海水水質(zhì)(h)Fig.4 Land net primary productivity (a), surrounding waters primary productivity (b), land plant diversity (c&d), surrounding waters phytoplankton diversity (e&f), land soil quality (g) and surrounding waters quality (h)

3 結(jié)果與討論

3.1 海島生態(tài)系統(tǒng)綜合承載力

海島生態(tài)系統(tǒng)綜合承載力結(jié)果為 1.043,處于輕度超載狀態(tài);島陸子系統(tǒng)承載力結(jié)果為1.121,環(huán)島近海子系統(tǒng)承載力結(jié)果為 0.946,分別處于輕度超載和臨界超載狀態(tài).

表6 海島生態(tài)系統(tǒng)綜合承載力評(píng)估結(jié)果Table 6 Evaluation results of island ecosystem comprehensive carrying capacity

3.2 海島生態(tài)系統(tǒng)承載力空間分異性

3.2.1 單島尺度 圖5和圖6為各島開(kāi)發(fā)強(qiáng)度、生態(tài)狀況和生態(tài)系統(tǒng)承載力評(píng)估結(jié)果.就開(kāi)發(fā)強(qiáng)度而言,南長(zhǎng)山島較高,其余海島均較低;就生態(tài)狀況而言,羊駝子島和牛砣子島一般,其余海島狀況較差.各島生態(tài)系統(tǒng)承載力評(píng)估結(jié)果顯示,南長(zhǎng)山島、北長(zhǎng)山島和廟島處于輕度超載狀態(tài),大黑山島和小黑山島處于臨界超載狀態(tài),5個(gè)無(wú)居民海島均處于可載狀態(tài).

3.2.2 區(qū)塊尺度 圖7和圖8為海島開(kāi)發(fā)強(qiáng)度、生態(tài)狀況和生態(tài)系統(tǒng)承載力空間分異性評(píng)估結(jié)果.就開(kāi)發(fā)強(qiáng)度而言,島陸和環(huán)島近海均表現(xiàn)出明顯的空間分異性,島陸子系統(tǒng)中城鄉(xiāng)建設(shè)集中區(qū)開(kāi)發(fā)強(qiáng)度相對(duì)較高,環(huán)島近海子系統(tǒng)中臨岸海域以及養(yǎng)殖分布區(qū)總體較高;就生態(tài)狀況而言,島陸表現(xiàn)出了明顯的空間分異性,在開(kāi)發(fā)強(qiáng)度較高的區(qū)域其生態(tài)狀況相應(yīng)較差,環(huán)島近海空間分異性相對(duì)不明顯,但可以發(fā)現(xiàn)廟島灣處于生態(tài)狀況“低谷區(qū)”,其他海域總體相一致.同時(shí),各區(qū)塊開(kāi)發(fā)強(qiáng)度和生態(tài)狀況具有顯著的相關(guān)性(P＜0.01).海島生態(tài)系統(tǒng)承載力表現(xiàn)出顯著的異質(zhì)性特征,由表7可知,不同承載力等級(jí)分區(qū)面積由大到小依次為臨界超載區(qū)、輕度超載區(qū)、可載區(qū)、中度超載區(qū)和重度超載區(qū).

圖5 不同海島開(kāi)發(fā)強(qiáng)度(a)和生態(tài)狀況(b)Fig.5 Exploitation intensity (a) and ecological status (b) on different islands

圖6 不同海島生態(tài)系統(tǒng)承載力Fig.6 Ecosystem carrying capacity on different islands

圖7 海島開(kāi)發(fā)強(qiáng)度(a)和生態(tài)狀況(b)的空間分異性Fig.7 Spatial heterogeneity of island exploitation intensity (a) and ecological status (b)

圖8 海島生態(tài)系統(tǒng)承載力空間分異性Fig.8 Spatial heterogeneity of island ecosystem carrying capacity

表7 海島生態(tài)系統(tǒng)承載力空間分區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(%)Table 7 Statistics results of spatial distribution of island ecosystem carrying capacity (%)

3.3 評(píng)估模型探討

本研究構(gòu)建的評(píng)估模型包含開(kāi)發(fā)強(qiáng)度和生態(tài)狀況兩個(gè)一級(jí)指標(biāo).開(kāi)發(fā)強(qiáng)度包含岸線(xiàn)開(kāi)發(fā)強(qiáng)度、島陸開(kāi)發(fā)強(qiáng)度和海域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度3個(gè)方面,反映了海島人類(lèi)活動(dòng)類(lèi)型、規(guī)模、強(qiáng)度的空間分布特征及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響;生態(tài)狀況各指標(biāo)中,生產(chǎn)力反映了生態(tài)系統(tǒng)的活力,是判定碳源/匯和調(diào)節(jié)生態(tài)過(guò)程的重要因子[45],多樣性在調(diào)控生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和穩(wěn)定性等方面具有基礎(chǔ)性作用[46],土壤不但為植物生長(zhǎng)提供場(chǎng)所和養(yǎng)分,還在污染物凈化、元素循環(huán)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[47],海水水質(zhì)反映了海水在污染物排放壓力下表現(xiàn)出的對(duì)生物或人類(lèi)存在發(fā)展的適宜程度.分析人類(lèi)開(kāi)發(fā)壓力下海島生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、生物多樣性和環(huán)境質(zhì)量的變化特征,能夠較為全面地反映海島生態(tài)系統(tǒng)承載力狀況.

此外,評(píng)估模型充分體現(xiàn)了海島生態(tài)系統(tǒng)陸海雙重特征及其空間分異性.首先,將海島生態(tài)系統(tǒng)劃分為島陸子系統(tǒng)和環(huán)島近海子系統(tǒng)兩個(gè)具有清晰邊界同時(shí)又相互聯(lián)系的部分;其次,選擇具有空間分異性、能夠反映兩個(gè)子系統(tǒng)狀況的評(píng)估指標(biāo);最后,采用相應(yīng)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行承載力計(jì)算,實(shí)現(xiàn)島陸和環(huán)島近海生態(tài)系統(tǒng)承載力在空間上的統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化和可比性.評(píng)估模型率先開(kāi)展了生態(tài)系統(tǒng)尺度、單島尺度和區(qū)塊尺度上海島生態(tài)系統(tǒng)承載力的評(píng)估,計(jì)算方法清晰簡(jiǎn)明,適用性強(qiáng)且評(píng)估結(jié)果具有可比性,可以為全國(guó)海島生態(tài)系統(tǒng)承載力評(píng)估提供一定參考.

3.4 海島生態(tài)系統(tǒng)承載力提升對(duì)策

獨(dú)特的自身?xiàng)l件讓海島生態(tài)系統(tǒng)特別是島陸子系統(tǒng)具有資源短缺、土壤貧瘠等特點(diǎn),脆弱性明顯[4,48],使得海島生態(tài)承載力受到自然條件的限制.同時(shí),隨著海島開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)類(lèi)型不斷增多,范圍不斷增大,強(qiáng)度不斷增強(qiáng),人類(lèi)活動(dòng)逐漸成為海島生態(tài)系統(tǒng)的主要干擾因子[49].本研究結(jié)果顯示,研究區(qū)開(kāi)發(fā)強(qiáng)度和生態(tài)狀況具有顯著的相關(guān)性,這說(shuō)明開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)不可避免地帶來(lái)了海島生態(tài)服務(wù)功能的降低,進(jìn)而增大了海島生態(tài)系統(tǒng)的壓力.

廟島群島南部島群生態(tài)系統(tǒng)總體上處于輕度超載狀態(tài),其中島陸子系統(tǒng)輕度超載,環(huán)島近海子系統(tǒng)臨界超載.就開(kāi)發(fā)強(qiáng)度而言,岸線(xiàn)和島陸開(kāi)發(fā)強(qiáng)度較高,海域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度相對(duì)較低;就生態(tài)狀況而言,島陸土壤質(zhì)量和環(huán)島近海初級(jí)生產(chǎn)力狀況較差,島陸植物多樣性和環(huán)島近海浮游植物多樣性狀況一般,海水水質(zhì)狀況相對(duì)較好.應(yīng)當(dāng)限制新增人工岸線(xiàn),修復(fù)受損岸線(xiàn);控制島陸開(kāi)發(fā)利用規(guī)模,優(yōu)化開(kāi)發(fā)布局;加強(qiáng)海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè),開(kāi)展生態(tài)修復(fù).

單島尺度的評(píng)估結(jié)果顯示,南長(zhǎng)山島、北長(zhǎng)山島和廟島為輕度超載,其中南長(zhǎng)山島為長(zhǎng)島縣政府所在地,城鎮(zhèn)化程度高,應(yīng)當(dāng)限制新增建設(shè)用地,著重對(duì)現(xiàn)狀開(kāi)發(fā)利用進(jìn)行優(yōu)化改造,加強(qiáng)城鎮(zhèn)綠地網(wǎng)絡(luò)建設(shè);北長(zhǎng)山島和廟島旅游活動(dòng)頻繁,應(yīng)當(dāng)最大限度地減少旅游活動(dòng)帶來(lái)的生境破壞、廢棄物排放等影響,并通過(guò)植被、土壤修復(fù)等措施逐漸改善生態(tài)狀況.小黑山島和大黑山島為臨界超載,大黑山島面積較大,在明確功能后可有重點(diǎn)地開(kāi)發(fā)利用,但應(yīng)注意保持自然生境的連通性和完整性;小黑山島面積較小,在開(kāi)展生態(tài)修復(fù)的同時(shí)可循序漸進(jìn)地小規(guī)模推進(jìn)海島開(kāi)發(fā)利用.5個(gè)無(wú)居民海島均處于可載狀態(tài),但其面積均較小,脆弱性更強(qiáng),且當(dāng)前生態(tài)狀況一般,可在保護(hù)其生態(tài)系統(tǒng)的前提下進(jìn)行適度的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),一方面提升無(wú)居民海島生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)能力,另一方面可為生態(tài)旅游活動(dòng)提供支撐.

區(qū)塊尺度的評(píng)估結(jié)果充分顯示了海島生態(tài)系統(tǒng)承載力的空間分異性.對(duì)島陸子系統(tǒng)而言,中度和重度超載區(qū)集中在南長(zhǎng)山島的城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)以及北長(zhǎng)山島碼頭區(qū)域,輕度超載區(qū)分布于南長(zhǎng)山島整島,北長(zhǎng)山島的城鄉(xiāng)建設(shè)、農(nóng)田開(kāi)墾和旅游區(qū),以及其他海島的城鄉(xiāng)建設(shè)區(qū),這些區(qū)域應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化開(kāi)發(fā),積極開(kāi)展受損生境修復(fù);臨界超載區(qū)位于南、北長(zhǎng)山島的植被集中分布區(qū),并成片分布于其他3個(gè)有居民海島,對(duì)于其中的人工林區(qū)域,應(yīng)保證其不受侵占,并通過(guò)優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)病蟲(chóng)害防治等手段提升人工林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性;對(duì)于其他區(qū)域,應(yīng)嚴(yán)格控制對(duì)臨界超載區(qū)的肆意侵占,在進(jìn)行論證后可開(kāi)展適度開(kāi)發(fā)利用.可載區(qū)面積較小,在大、小黑山島和各無(wú)居民海島有所分布,在條件成熟時(shí)可因地制宜地進(jìn)行開(kāi)發(fā)建設(shè)活動(dòng).對(duì)環(huán)島近海子系統(tǒng)而言,超載區(qū)主要分布于海島臨岸海域、廟島灣以及其他海域的用海區(qū);可載區(qū)在研究海域分散分布;其余均為臨界超載區(qū).環(huán)島近海生態(tài)系統(tǒng)承載力空間分異性受到開(kāi)發(fā)強(qiáng)度的影響更大,在海域開(kāi)發(fā)使用過(guò)程中,不同用海方式均或輕或重地影響海洋生態(tài)環(huán)境[50].水動(dòng)力條件也是影響生態(tài)承載力空間分布的重要原因[51],由于南、北長(zhǎng)山島之間的連島壩以及海島陸地對(duì)海水的阻隔作用,廟島灣水動(dòng)力條件較差,造成廟島灣海域超載明顯.對(duì)于海島臨岸用海集中區(qū),應(yīng)優(yōu)化并改進(jìn)用海方式,減少用?；顒?dòng)對(duì)海洋環(huán)境的負(fù)面影響;對(duì)于廟島灣,隨著南、北長(zhǎng)山島跨海大橋的運(yùn)營(yíng),其承擔(dān)了南、北長(zhǎng)山島之間的主要交通運(yùn)輸功能,可適時(shí)考慮拆除原連島大壩,從根本上改善廟島灣的水動(dòng)力條件,提升廟島灣的生態(tài)狀況;此外,還應(yīng)當(dāng)積極開(kāi)展生態(tài)修復(fù),建設(shè)海洋牧場(chǎng).

4 結(jié)論

4.1 廟島群島南部島群生態(tài)系統(tǒng)總體上處于輕度超載狀態(tài),其中島陸子系統(tǒng)為輕度超載,環(huán)島近海子系統(tǒng)為臨界超載.應(yīng)當(dāng)限制新增人工岸線(xiàn),修復(fù)受損岸線(xiàn);控制島陸開(kāi)發(fā)利用規(guī)模,優(yōu)化開(kāi)發(fā)布局;加強(qiáng)海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè),積極開(kāi)展生態(tài)修復(fù).

4.2 各島生態(tài)系統(tǒng)承載力評(píng)估結(jié)果顯示,南長(zhǎng)山島、北長(zhǎng)山島和廟島處于輕度超載狀態(tài),應(yīng)當(dāng)限制建設(shè)規(guī)模,采取措施減少開(kāi)發(fā)利用產(chǎn)生的負(fù)面影響,積極開(kāi)展植被和土壤修復(fù).大黑山島和小黑山島為臨界超載,前者可在明確功能后有重點(diǎn)地進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用,后者在開(kāi)展生態(tài)修復(fù)的同時(shí)可進(jìn)行小規(guī)模的開(kāi)發(fā)利用.5個(gè)無(wú)居民海島均處于可載狀態(tài),可在保護(hù)其生態(tài)系統(tǒng)的前提下進(jìn)行適度的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè).

4.3 海島生態(tài)系統(tǒng)承載力表現(xiàn)出了顯著的空間分異性特征,不同承載力等級(jí)分區(qū)面積由大到小依次為臨界超載區(qū)、輕度超載區(qū)、可載區(qū)、中度超載區(qū)和重度超載區(qū).對(duì)島陸子系統(tǒng)而言,超載區(qū)分布于南長(zhǎng)山島整島以及其他海島的城鄉(xiāng)建設(shè)和旅游區(qū),臨界超載區(qū)位于南、北長(zhǎng)山島的植被集中分布區(qū),并成片分布于其他3個(gè)有居民海島,可載區(qū)在大、小黑山島和各無(wú)居民海島有所分布.對(duì)環(huán)島近海子系統(tǒng)而言,超載區(qū)主要分布于海島臨岸海域、廟島灣以及其他海域的用海區(qū);可載區(qū)在研究海域分散分布;其余均為臨界超載區(qū).

4.4 評(píng)估模型體現(xiàn)了海島生態(tài)系統(tǒng)陸海雙重特征及其空間分異性,開(kāi)展了不同尺度海島生態(tài)系統(tǒng)承載力評(píng)估,能夠?yàn)槿珖?guó)海島生態(tài)系統(tǒng)承載力評(píng)估提供一定參考.

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Evaluation on spatial heterogeneity of island ecosystem carrying capacity — A case study of southern Miaodao Archipelago.

CHI Yuan1, SHI Hong-hua1*, WANG Yuan-yuan2, GUO Zhen1, MA De-ming1(1.The First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China；2.School of Environmental and Municipal Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266033, China). China Environmental Science, 2017,37(3)：1188～1200

An evaluation model of island ecosystem carrying capacity which can reflect the dual characteristics of land and surrounding waters and their spatial heterogeneities was established, and southern Miaodao Archipelago was used as the study area. The island ecosystem was in status of mild overloading as a whole, with land sub-ecosystem in status of mild overloading, and surrounding waters sub-ecosystem in status of critical overloading. In island scale, Nanchangshan Island, Beichangshan Island and Miao Island were in status of mild overloading, Xiaoheishan Island and Daheishan Island were in status of critical overloading, and other 5islands were in status of no overloading. In grid scale, the island ecosystem carrying capacity had a significant spatial heterogeneity, and the different carrying capacity degree zones were critical overloading zones, mild overloading zones, no overloading zones, moderate overloading zones and severe overloading zones in descending order of areas. Control of exploitation scale, optimization of development allocation, improvement of exploitation methods, and reasonable ecological construction were the important measures to enhance the island ecosystem carrying capacity.

island ecosystem；carrying capacity；spatial heterogeneity；characteristics of land and surrounding waters；different scales；southern Miaodao Archipelago

X171

A

1000-6923(2017)03-1188-13

池 源(1988-),男,河南南陽(yáng)人,助理研究員,碩士,主要從事海島海岸帶生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估研究.發(fā)表論文10余篇.

2016-06-26

海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201505012);中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2015G13,2014G18)

* 責(zé)任作者, 副研究員, shihonghua@fio.org.cn