喬文慧， 王 強

(福建師范大學 地理科學學院， 福建 福州 350007)

海岸帶是海洋生態(tài)系統(tǒng)向陸地生態(tài)系統(tǒng)的過渡區(qū)域，是海陸生態(tài)系統(tǒng)重要的交錯帶[1-4]，呈現(xiàn)出景觀類型多樣、生態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、人類活動集聚的特征[5]，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境功能維系、人口經(jīng)濟布局起到承載與支撐作用。海岸帶顯著的區(qū)位優(yōu)勢薈萃了陸海兩類經(jīng)濟，生產(chǎn)力雙向輻射，成為社會經(jīng)濟地域中的“黃金地帶”，全球范圍內(nèi)僅占地表面積18%的海岸帶棲息著60%的人口，有2/3的人口超過160萬的大城市分布于這一地區(qū)[6]。但海岸帶耦合過程復(fù)雜多變，對氣候和生態(tài)的感應(yīng)極其敏感和脆弱[4]，伴隨城市化、工業(yè)化進程的加快，海岸帶資源開發(fā)利用的加劇，人類活動對海岸帶自然環(huán)境的破壞日益加重，尤其是，海岸帶陸域植被系統(tǒng)的破壞更加嚴重，對于沿海地帶的植被覆蓋度監(jiān)測顯得尤為必要。

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，對植被覆蓋開展長時間序列監(jiān)測、評價是國內(nèi)外學者的研究焦點。國外相關(guān)研究的起步較早，以不同時間和空間尺度對植被覆蓋進行研究：在半球[7-10]或全球[11-12]尺度、區(qū)域尺度[13-14]下測算植被覆蓋度的變化規(guī)律，并廣泛關(guān)注海岸帶植被變化[15]，對美國、墨西哥、東南亞、孟加拉灣等[16-19]典型海岸地區(qū)進行定量研究，同時就植被與氣候、降水等自然要素和人類活動的響應(yīng)過程[7,9-10,13]也進行了深入的研究。近年來國內(nèi)學者對植被覆蓋的監(jiān)測研究也在不斷深入，包括植被類型更替、強度變化及空間格局演替及驅(qū)動機制和發(fā)展趨勢的探討等,目前國內(nèi)對于沿海地區(qū)植被覆蓋研究集中在中國東部沿海[20-22]、典型海灣區(qū)[23-25]或省市尺度[26-28]的沿海植被研究，而福建省海岸帶地區(qū)植被覆蓋的研究較為少見。

福建省海岸帶陸海交錯，地形地貌復(fù)雜，自然環(huán)境條件不穩(wěn)定，加之人類活動愈演愈烈，導(dǎo)致其海岸帶植被覆蓋波動劇烈，同時福建省海岸帶地區(qū)作為海西城市群和海上絲綢之路的發(fā)展核心，對其進行生態(tài)環(huán)境承載能力監(jiān)測具有重要意義。監(jiān)測植被覆蓋變化是表征生態(tài)承載力的重要手段，因此本文在國家引導(dǎo)形成資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預(yù)警長效機制背景下，基于Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，采用像元二分模型，監(jiān)測了福建省2001，2006，2011，2016年植被覆蓋狀況，在此基礎(chǔ)上揭示和分析福建省海岸帶植被覆蓋空間格局的演變以及不同類型主體功能區(qū)植被覆蓋變化特征，以期為福建省資源環(huán)境監(jiān)測預(yù)警和構(gòu)建生態(tài)安全格局提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

福建省陸域面積121 400 km2，位于23°31′—28°18′N ，115°50′—120°43′E之間，植被種類多樣，森林資源豐富，森林覆蓋率達65.95%，居全國第二。全省海域面積136 300 km2，海岸線北起福鼎市沙埕虎頭鼻，南至詔安縣洋林鐵爐崗，海岸線長度居全國第二位，海岸線曲折率居全國第一位[29]。得益于曲折而漫長的海岸線，星羅棋布的島嶼，眾多優(yōu)良港灣分布于此，大小港灣計125個，海灣屏蔽性好，條件優(yōu)良，有7個海灣可大規(guī)模開發(fā)建設(shè)5 kt級以上的深水泊位，其中多處可建設(shè)20～30 kt的超大型深水泊位。此外海洋漁業(yè)資源豐富，近海有海洋生物3 312種，其中魚類752種，水深200 m以內(nèi)的海洋漁場面積121 500 km2，沿海淺海灘涂資源豐富，可利用養(yǎng)殖面積達1 500 km2。具有旅游開發(fā)價值的島嶼眾多，濱海文化淵源深厚，濱海旅游資源開發(fā)潛力巨大。海岸帶和近海海域蘊藏的礦產(chǎn)資源已發(fā)現(xiàn)60多種，礦產(chǎn)地300多處，其中20多種具有工業(yè)利用價值。沿海風能資源豐富，潮汐能蘊藏量居全國首位。

海岸帶的過渡地貌帶特性使得海岸帶的范圍沒有統(tǒng)一的界定標準。有關(guān)海岸帶界定較早的定義始于1919年，此后不同學者和單位對海岸帶均作有不同的認識[30-32]。本文參考福建省海洋功能區(qū)劃、福建省主體功能區(qū)規(guī)劃等相關(guān)規(guī)劃成果，綜合考慮福建省海岸線漫長的特點、海岸帶植被生境條件、數(shù)據(jù)的易得性，確定使用“向陸地延伸10 km，向海延伸15 km”作為研究范圍的界定標準，重點聚焦海岸線向陸延伸一側(cè)，對福建省海岸帶植被覆蓋變化率進行研究。研究區(qū)覆蓋福建沿海寧德、福州、莆田、泉州、廈門、漳州6個地市，35個沿?？h域，面積約1 142 868 km2，覆蓋優(yōu)化開發(fā)區(qū)5個，重點開發(fā)區(qū)29個，海岸帶植被覆蓋度及生態(tài)承載力狀態(tài)統(tǒng)計包含金門縣，而針對不同主體功能區(qū)類型的統(tǒng)計不包含金門縣。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)包括福建省遙感影像數(shù)據(jù)、福建省行政區(qū)矢量數(shù)據(jù)、福建省海岸線矢量數(shù)據(jù)。其中遙感影像數(shù)據(jù)選取2001,2006,2011年Landsat 5～30 m分辨率遙感影像，2016年Landsat 8～30 m分辨率遙感影像。

2.2 研究方法

2.2.1 植被指數(shù)選取 植被指數(shù)反映地表植被生長、覆蓋、生物量情況和種類數(shù)量、分布特征，歸一化值(NDVI)是常見的植被覆蓋定量研究數(shù)據(jù)[33]。一般常用于植被覆蓋度遙感監(jiān)測的植被指數(shù)主要有：NDVI,PVI,MVI,GEMI,SAVI,MSAVI,TSAVI 等[34]，其中NDVI優(yōu)勢突出而被廣泛應(yīng)用于植被覆蓋度的動態(tài)監(jiān)測[28,35]，因此本文使用歸一化植被指數(shù)作為度量參數(shù)。

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是近紅外波段NIR與可見光紅波段RED數(shù)值之差與這兩個波段數(shù)值之和的比值，即：

(1)

2.2.2 植被覆蓋度的遙感估模型 研究利用基于遙感的像元二分模型法評估典型生境植被覆蓋度的變化趨勢。計算公式如下：

(2)

式中：Fc為植被覆蓋度； NDVI為影像中各像元的NDVI值； NDVIsoil為全裸土或無植被覆蓋區(qū)域NDVI值； NDVIveg為純植被覆蓋像元的NDVI值。

植被覆蓋度分級時，當0≤Fc≤25%，為低植被覆蓋度；25%≤Fc≤50%，為較低植被覆蓋度；50%≤Fc≤75%，為較高植被覆蓋度；75%≤Fc≤100%，為高植被覆蓋度。

像元二分模型評估過程中，研究者對于NDVIsoil和NDVIveg兩項參數(shù)的取值方法不盡相同。Qi等[36]在估算桑河流域植被覆蓋度的研究中，分別應(yīng)用3種類型遙感數(shù)據(jù)計算NDVI，從多時相高分辨率數(shù)據(jù)中得到NDVIveg參數(shù)，而NDVIsoil參數(shù)取自圖像中理想的裸地的NDVI值。孫久虎等[37]在利用像元二分模型估算北運河地區(qū)植被覆蓋度的研究中，以圖像中的最小NDVI值作為NDVIsoil參數(shù)，而最大NDVI值作為NDVIveg參數(shù)。牛寶茹等[38]采用像元二分模型估算植被覆蓋度時，選用同時相、同地區(qū)的高分辨率影像的最大NDVI值作為中等分辨率TM圖像的NDVIveg參數(shù)。

理論上，NDVIsoil值較為穩(wěn)定，數(shù)值接近于0，但對于不同土壤類型的裸露地表，NDVIsoil會在-0.1～0.2范圍內(nèi)波動[39]。同理，NDVIveg值也會隨著土地利用類型、植被物候期的變化而波動[40]。在沒有實測數(shù)據(jù)進行檢驗的情況下，通常取給定置信度的置信區(qū)間內(nèi)最小值與最大值為NDVIsoil和NDVIveg。取值時利用土地利用圖和土壤圖作為選取NDVIveg和NDVIsoil參數(shù)的依據(jù)，可以提高準確度，使估算結(jié)果更接近現(xiàn)實。

本研究參考研究區(qū)土地利用狀況、對應(yīng)Google地圖，同時結(jié)合以往經(jīng)驗，取合理的NDVI值累積頻率置信度范圍，將其NDVI值作為NDVIsoil和NDVIveg參數(shù)值。

2.2.3 植被覆蓋度變化評價模型 根據(jù)不同海域典型生境植被特點，利用植被覆蓋變化率，表征評價區(qū)域生態(tài)承載能力的狀態(tài)趨勢，所采用的計算公式如下：

(3)

式中：Ev為植被覆蓋變化率；Fcp為評價現(xiàn)狀年植被覆蓋度；Fco為評價現(xiàn)狀年5 a前植被覆蓋度。

植被覆蓋度變化率分級時，當Ev≤0，典型生境生態(tài)質(zhì)量狀況改善；Ev<10%，典型生境生態(tài)質(zhì)量狀況基本穩(wěn)定；10%≤Ev≤20%，典型生境生態(tài)質(zhì)量狀況退化；Ev>20%，典型生境生態(tài)質(zhì)量狀況顯著退化。

3 結(jié)果與分析

3.1 區(qū)域植被覆蓋空間格局演變

3.1.1 覆蓋度空間演變過程 不同時間節(jié)點上福建省海岸帶植被覆蓋度呈現(xiàn)出不同的空間變化。2001年之后研究區(qū)內(nèi)植被總面積快速增加，到2006年植被覆蓋度總面積達到最高，此后植被覆蓋總面積快速減少，2011，2016年植被覆蓋總面積與2001年總面積持平，雖然植被覆蓋度在總量上下降了，但植被覆蓋度總體趨于穩(wěn)定，統(tǒng)計結(jié)果見圖1與表1所示。

表1 不同覆蓋度等級植被面積變化特征

2001年福建省海岸帶低植被覆蓋面積4 859.79 km2，在不同等級植被覆蓋度中低植被覆蓋所占比例最高，達到38.16%；高植被覆蓋面積4 433.20 km2，所占比例次之。除閩北海岸帶植被覆蓋度較高外，其他地區(qū)植被覆蓋度均偏低，海岸帶總體植被覆蓋度水平偏差；2006年低植被覆蓋度比例下降到14.71%，5 a內(nèi)低植被覆蓋度比例下降了23.45%；較高植被覆蓋度面積最大，達4 892.11 km2，所占比例38.30%，也呈下降趨勢，較高植被覆蓋和高植被覆蓋比例占到總值的73%以上，整體植被覆蓋度水平好，且較2001年，較高植被覆蓋度有較大的面積增加，變化顯著；2011年高植被覆蓋度面積4 822.69 km2，占植被覆蓋度的最大比例，但是較2006年，2011年低植被覆蓋度比例上升到24.57%，且主要集中在廈門、泉州、莆田等海岸帶地區(qū)；2016年高植被覆蓋度面積達6 976.40 km2，所占比例為54.78%，研究區(qū)內(nèi)一半以上的面積為高植被覆蓋度，整體植被覆蓋狀況較好。

圖1 福建省海岸帶植被覆蓋度

3.1.2 覆蓋度變化格局分析 基于2001,2006,2011和2016年的植被覆蓋度結(jié)果，利用式(3)計算和分級福建省海岸帶植被覆蓋3個5 a的變化率以表征評價福建省海岸帶生態(tài)承載力狀態(tài)(圖2)，評價的狀態(tài)面積統(tǒng)計結(jié)果見表2。

從變化格局來看，2001—2016年間生態(tài)改善面積比例變化從61.57%～45.53%～72.35%，且生態(tài)改善比例都占最大比例，由此可見近20 a來，福建省海岸帶生態(tài)承載力改善的變化趨勢最大，整個海岸帶生態(tài)環(huán)境在不斷提升趨好；2001—2016年間基本穩(wěn)定的面積比例變化為5.38%～9.25%～5.13%，基本穩(wěn)定的面積變化不大，起伏趨勢較為穩(wěn)定；2001—2016年間退化面積變化經(jīng)歷了11.36%～8.10%～4.31%，退化面積變化呈現(xiàn)明顯下降趨勢，占比逐年減少；2001—2016年間顯著退化的面積變化為21.69%～37.12%～18.21%，退化變化率略顯著于顯著退化變化率，總體退化程度呈現(xiàn)下降趨勢，整個海岸帶植被退化、生態(tài)承載力萎縮現(xiàn)象呈現(xiàn)不斷改善的狀態(tài)。

圖2 福建省海岸帶生態(tài)承載力狀態(tài)

表2 福建省海岸帶生態(tài)承載力狀態(tài)面積變化特征

生態(tài)承載力狀 態(tài)2001—2006年面積/km2比例/%2006—2011年面積/km2比例/%2011—2016年面積/km2比例/%改 善7 142.4461.57 5 403.1845.53 7 965.6372.35 基本穩(wěn)定623.955.38 1 097.779.25 564.745.13 退 化1 317.7511.36 961.778.10 474.254.31 顯著退化2 516.7921.69 4 404.8337.12 2 004.6318.21

3.2 不同類型主體功能區(qū)植被覆蓋變化特征

3.2.1 不同類型主體功能區(qū)植被覆蓋分布特征 不同類型的主體功能區(qū)在時間序列上顯示著差異的植被覆蓋度(見表3)。優(yōu)化開發(fā)區(qū)以低植被覆蓋和高植被覆蓋或低植被覆蓋和較高植被覆蓋的面積最大，總體變化較為穩(wěn)定，其中低植被覆蓋度面積在2001年和2011年都為最大面積，總體呈現(xiàn)逐年降低趨勢；較低植被覆蓋度的面積平均在20 km2之間波動，變化幅度較??；較高植被覆蓋度面積在2006年為最高，年際變化在4類覆蓋度中最大，呈現(xiàn)先增加后減少的波動；高植被覆蓋度面積最大出現(xiàn)在2016年，最小出現(xiàn)在2006年，極差變化為85 km2，其變化趨勢與較高植被覆蓋度變化趨勢相反，但變化程度要小。重點開發(fā)區(qū)以較高植被覆蓋和高植被覆蓋面積為主，其中低植被覆蓋度面積在2001年最大，低植被覆蓋度、較低植被覆蓋度都趨于下降，且低植被覆蓋度下降幅度要遠大于較低植被覆蓋度；較高植被覆蓋度在2006年達到最大面積，呈現(xiàn)波動下降，波動程度要小于低覆蓋度；高植被覆蓋度在2016年為最大面積，與其他覆蓋度相比，高植被覆蓋度呈現(xiàn)較大的增長趨勢。

表3 不同類型主體功能區(qū)植被覆蓋度面積特征 km2

3.2.2 不同類型主體功能區(qū)生態(tài)承載變化格局特征 不同類型的主體功能區(qū)的生態(tài)承載變化格局也隨時間變化表現(xiàn)出差異(見表4)。優(yōu)化開發(fā)區(qū)在3個5 a內(nèi)均以改善和顯著退化為主，并且改善面積波動增加，顯著退化面積逐年下降，而基本穩(wěn)定和退化面積表動較為穩(wěn)定。重點開發(fā)區(qū)3個5 a內(nèi)的變化與優(yōu)化開發(fā)區(qū)相近，也表現(xiàn)出以改善和顯著退化為主，改善面積一直占最大比例，并波動上升，而退化面積減幅最顯著，從2001—2016年減少了803.40 km2，到2016年該類型主體功能區(qū)區(qū)內(nèi)退化和顯著退化顯著減少，生態(tài)承載能力不斷提升。

2001—2006年優(yōu)化開發(fā)區(qū)和重點開發(fā)區(qū)都以生態(tài)承載能力改善為主要特征，退化及顯著退化分散分布在重點開發(fā)區(qū)內(nèi)，2006—2011年，寧德和福州重點開發(fā)區(qū)表現(xiàn)改善，而其余莆田、泉州、廈門、漳州重點開發(fā)區(qū)均為顯著退化，同時福州優(yōu)化開發(fā)區(qū)呈現(xiàn)改善，廈門和泉州優(yōu)化開發(fā)區(qū)則為顯著退化。2011—2016年全部重點開發(fā)區(qū)都以改善面積比例最高，優(yōu)化開發(fā)區(qū)福州地區(qū)表現(xiàn)出明顯的顯著退化，泉州、廈門市優(yōu)化開發(fā)區(qū)則轉(zhuǎn)變?yōu)楦纳啤?/p>

表4 不同類型主體功能區(qū)植被覆蓋變化格局 km2

4 結(jié)論和討論

4.1 結(jié) 論

本研究基于2001，2006，2011，2016年遙感影像數(shù)據(jù)，運用像元二分模型監(jiān)測福建省海岸帶地區(qū)植被覆蓋的時空變化及格局特征。

(1) 2001—2016年福建省海岸帶整體植被覆蓋面積小幅減少，總體趨于穩(wěn)定，但低植被覆蓋度面積總體呈現(xiàn)下降趨勢，下降的變化比例達20.29%，較低和較高植被覆蓋度變化較為平緩，而高植被覆蓋度呈現(xiàn)上升趨勢，增長比例達19.98%。而2001—2016年生態(tài)承載力狀態(tài)以改善為顯著特征，總體來看，改善的面積增加了10.78%，基本穩(wěn)定面積變化不大，而退化面積下降了7.05%，顯著退化面積下降了3.48%。

(2) 不同類型主體功能區(qū)內(nèi)植被覆蓋變化有差異，2001—2016年優(yōu)化開發(fā)區(qū)和重點開發(fā)區(qū)植被覆蓋均呈現(xiàn)波動下降趨勢，但優(yōu)化開發(fā)區(qū)的低植被覆蓋度占比較高，較高植被覆蓋度年際變化最大，重點開發(fā)區(qū)較高和高植被覆蓋度占比較高，且高植被覆蓋度增長趨勢明顯。同時，2001—2016年優(yōu)化開發(fā)區(qū)和重點開發(fā)區(qū)均以改善和顯著退化面積變化最大，其中優(yōu)化開發(fā)區(qū)內(nèi)改善面積增加，顯著退化面積逐年下降，而重點開發(fā)區(qū)近15 a的退化面積顯著減少，到2016年退化和顯著退化面積均呈現(xiàn)明顯減少改善趨勢，總體上不同類型主體功能區(qū)生態(tài)承載狀態(tài)均以改善為主要特征。

(3) 總體看來，2001—2016年福建省海岸帶植被覆蓋度和生態(tài)承載力狀態(tài)呈現(xiàn)上升態(tài)勢，海岸帶整體生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)改善提升狀態(tài)。

4.2 討 論

海岸帶地區(qū)人口、經(jīng)濟等要素高度活躍，使得人類對植被的影響在速度和程度上均超過了自然因素，短期內(nèi)人類活動成為最主要的影響因素[22]。

(1) 人類社會經(jīng)濟建設(shè)直接導(dǎo)致植被覆蓋度的變化。2001—2016年的近15 a間，沿海各市人口均處于逐年增長態(tài)勢，顯著的人口集聚推動城市化、工業(yè)化進程，港口建設(shè)、臨海工業(yè)區(qū)、圍海養(yǎng)殖等人類活動愈加旺盛活躍，沿海生態(tài)環(huán)境壓力也進一步加大，導(dǎo)致福建海岸帶地區(qū)植被覆蓋度總量降低，其中寧德地區(qū)山地丘陵逼近海洋，植被覆蓋度高于南部5市的海岸帶地區(qū)，而閩三角海岸帶由于區(qū)位優(yōu)勢明顯，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)集聚、城市規(guī)?？焖贁U張，使得區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境壓力升高，在各年份均表現(xiàn)出植被覆蓋較低水平，特別是廈門、泉州市等地進一步推進港口建設(shè)，大規(guī)模填海造陸，脅迫海岸帶生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致植被覆蓋度偏低。

(2) 政策導(dǎo)向?qū)?jīng)濟建設(shè)的指向性間接對植被覆蓋度產(chǎn)生影響。2001年福建省生態(tài)文明建設(shè)起步，粗放的發(fā)展方式未完全改變，在福州、廈門、泉州市等重點發(fā)展城市出現(xiàn)較大面積的低植被覆蓋，到2006年全面推進生態(tài)文明建設(shè)，加強森林資源培育和海洋生態(tài)環(huán)境保護，保護農(nóng)田和耕地，加強對海洋與岸線資源的保護，因此植被覆蓋度在2006年前后有了較大的提升。而隨著“廈漳泉城市群”、“福州大都市區(qū)”等先后推行，福州、廈門、泉州3市生產(chǎn)總值比例已超60%，退植擴建現(xiàn)象加劇，在2006—2011年和2011—2016年出現(xiàn)以廈門和福州為核心的2個生態(tài)承載水平顯著退化區(qū)。2016年前后生態(tài)文明示范區(qū)的建設(shè)以及主體功能區(qū)、海岸帶保護利用等規(guī)劃的施行，海岸帶經(jīng)濟發(fā)展定位更加明確，海岸帶空間開發(fā)格局更加優(yōu)化，因此2016年海岸帶植被覆蓋也呈現(xiàn)以較高和高植被覆蓋比例較高的良好生境狀態(tài)。

(3) 福建省海岸帶地區(qū)應(yīng)圍繞政策導(dǎo)向積極開展社會經(jīng)濟活動，正確把握經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的耦合關(guān)系，加強資源環(huán)境的監(jiān)測和預(yù)警，構(gòu)建面向山水林田湖共同體的生態(tài)安全格局。