許章華，陳文慧，石文春，林璐，陳秋霞

(1.福州大學 環(huán)境與安全工程學院，福州 350108；2.福州大學 地理與生態(tài)環(huán)境研究中心，福州 350108；3.空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點實驗室，福州 350108；4.福州大學 信息與通信工程博士后科研流動站，福州 350108；5.福建農(nóng)林大學 公共管理學院，福州 350002)

0 引言

生態(tài)脆弱性是指生態(tài)系統(tǒng)遭受外界干擾影響后，偏離原狀態(tài)并難以恢復該狀態(tài)的現(xiàn)象，最初由Wang等[1]提出，現(xiàn)已被廣泛應用于水土流失嚴重區(qū)、干旱區(qū)、濕地自然保護區(qū)、河流、海洋等區(qū)域的生態(tài)研究中[2-8]。生態(tài)脆弱區(qū)域發(fā)生災害及生態(tài)問題的風險較大，開展生態(tài)脆弱性研究對于提升區(qū)域生態(tài)質量、開展理性規(guī)劃以推動區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。綜觀國內外相關研究，由于不同研究區(qū)具有不同的城市建設強度、生態(tài)本底、景觀格局等，因此生態(tài)脆弱性研究需要結合研究區(qū)實際，構建不同的評價體系。目前，生態(tài)脆弱性評價還未形成完整的理論體系，缺乏統(tǒng)一的標準[9]，還需要進一步擴展研究。在指標選擇方面，學者們多關注坡度、土地利用、歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)、土壤侵蝕強度、人口密度、地形起伏度、氣溫、降水、海拔和人均GDP等；權重的確定則主要有模糊綜合法、層次分析法、主成分分析法、關聯(lián)評價法、聚類分析法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡及熵權等方法。例如，林明水等[10]選擇了坡度、高程、土壤侵蝕強度、人口密度、歸一化植被指數(shù)等對福建省的扶貧重點村進行生態(tài)脆弱性評價；王志杰等[11]選擇人口密度、人均GDP、年均降水量、年均氣溫、地形起伏度、土壤侵蝕強度、坡度、海拔、歸一化植被指數(shù)和土地利用/覆被類型等指標對水源地生態(tài)脆弱性進行評價；Sahoo等[12]基于灰色層次分析法對未來的環(huán)境脆弱區(qū)進行了場景生成；Wu等[13]采用模糊層次分析法確定指標權重，并提出模糊邏輯模型研究了長三角地區(qū)生態(tài)脆弱性的空間分布；朱琪等[14]提出了“敏感度-恢復力-壓力度”概念模型評估長白山的生態(tài)脆弱性狀況；王昭等[15]使用遙感與地理信息技術定量評價生態(tài)脆弱性。任何生態(tài)系統(tǒng)都具有綜合性與多樣性的特征，在開展生態(tài)脆弱性評價時，必須構建既具有共性又包括區(qū)域特殊性的評價指標體系；在權重確定方面，應著重考慮方法的客觀性和適應性。

國家級新區(qū)是根據(jù)國家戰(zhàn)略需要、社會發(fā)展而提出的。2015年8月，國務院正式批復同意設立全國第14個國家級新區(qū)——福州新區(qū)，要求堅持生態(tài)優(yōu)先、科學開發(fā)的原則，把福州新區(qū)建設成為兩岸交流合作重要承載區(qū)、改革創(chuàng)新示范區(qū)和生態(tài)文明先行區(qū)，其區(qū)域功能定位從“城市邊緣區(qū)”轉變?yōu)椤俺鞘懈敝行摹?，顯然，福州新區(qū)具有重要的戰(zhàn)略地位[16]。有研究表明[17]，福州新區(qū)生態(tài)服務價值降低的主要原因為生活生產(chǎn)空間對生態(tài)空間的侵占，可見，快速建設特別是與生態(tài)不相協(xié)調的建設過程將可能給新區(qū)生態(tài)質量帶來巨大的惡化風險。2020年1月，自然資源部國土空間規(guī)劃局發(fā)布《資源環(huán)境承載能力和國土空間適宜性評價技術指南》，進一步確立了資源環(huán)境承載能力對國土空間規(guī)劃的基礎支撐地位。因此，掌握福州新區(qū)快速建設背景下的生態(tài)脆弱性變化情況及發(fā)展趨勢，對生態(tài)脆弱性上升較快的區(qū)域具有警示作用，對福州新區(qū)未來的規(guī)劃建設具有指導意義。

本文選擇福州新區(qū)批復前與批復后快速建設期的四期數(shù)據(jù)，采用熵權和綜合指數(shù)法確定生態(tài)脆弱性評價模型，并結合空間自相關、重心模型及雷達圖分析等方法對福州新區(qū)各時期生態(tài)脆弱性的變化特征進行分析，力求揭示在國家級新區(qū)建設背景下福州新區(qū)生態(tài)脆弱性的時空演變特征，以期為福州新區(qū)科學管理與規(guī)劃及維護其生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性提供參考。

1 研究區(qū)概況

福州作為21世紀海上絲綢之路的重要戰(zhàn)略支點城市，是中國空氣質量最好的城市之一，2019年，福州市空氣質量在168個重點城市中排名第六，位居省會城市第三，也是內地最“綠”的城市之一，全市森林覆蓋率57.8%，綠化率88.6%，位居內地省會城市第二位。福州新區(qū)位于福州市東南方向的濱海地區(qū)，介于119°00′E～119°45′E，25°15′N～26°15′N之間(圖1)，對實現(xiàn)“一帶一路”和國家級新區(qū)融合發(fā)展具有重要意義。初期規(guī)劃區(qū)包括馬尾、倉山、長樂、福清、連江、羅源6個縣(市區(qū))沿海64個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)的部分區(qū)域，陸域面積1 892 km2(不含海域和灘涂)。本文的研究區(qū)域為福州新區(qū)的核心建設區(qū)，包括馬尾、倉山、長樂、福清4個縣(市)區(qū)26個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)的部分區(qū)域。福州新區(qū)批復后，隨著大量建設項目的加快推進，其生態(tài)環(huán)境可能面臨劇烈變化的風險。

圖1 研究區(qū)示意圖

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)收集與處理

本文關注國家級新區(qū)建設背景下福州新區(qū)生態(tài)脆弱性的演變。福州新區(qū)批復后開展了大量基礎設施建設、現(xiàn)代化發(fā)展建設、重大平臺建設等開發(fā)建設活動，2015年11月，省政府正式出臺《關于支持福州新區(qū)加快發(fā)展的若干意見》?！伴}十三條”中，大篇幅要求全面加快建設福州新區(qū)，在此背景下，福州新區(qū)的生態(tài)環(huán)境將在短時間內受到較強的人為干擾。因此本文選擇2015年前后，以2 a為時間尺度，選擇四期數(shù)據(jù)進行分析。本文收集的數(shù)據(jù)主要有：Landsat-8 OLI多光譜遙感影像，時間分別為2014年4月17日、2016年3月5日、2018年3月11日、2020年3月16日，軌道號為119-42，分辨率為30 m，該數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云(http：//www.gscloud.cn/)；DEM(ASTGTM)數(shù)據(jù)，分辨率為30 m，該數(shù)據(jù)也來自于地理空間數(shù)據(jù)云；土壤類型數(shù)據(jù)，經(jīng)過重采樣后分辨率為30 m，該數(shù)據(jù)來自于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http：//www.resdc.cn/)；土地利用分類數(shù)據(jù)，由本課題組所承擔的福建省自然科學基金面上項目(2016J01188)提供，基于分層分類思想的監(jiān)督分類獲取研究區(qū)的土地利用類型，分類結果總精度為92.90%，Kappa為0.910 6，分類結果良好，符合研究要求；福州新區(qū)邊界數(shù)據(jù)等。根據(jù)研究需要，對原始遙感影像進行輻射校正、幾何校正及裁剪等預處理。

2.2 生態(tài)脆弱性評價方法

1)評價指標的選擇與處理。指標選擇是生態(tài)脆弱性評價的關鍵問題之一，要結合研究區(qū)域的實際，合理選擇相關指標。本文在參照前人相關研究成果的基礎上，結合福州新區(qū)實際情況，遵循代表性、整體性、科學性和可操作性的原則，選取 NDVI、歸一化建筑指數(shù)(normalized difference built-up index，NDBI)、改進的歸一化差異水體指數(shù)(modified normalized difference water index，MNDWI)等遙感因子，人類干擾指數(shù)(human disturbance index，HDI)等干擾因子，坡度、地形起伏度等地形因子，景觀分離度指數(shù)、景觀分維度指數(shù)等景觀指數(shù)，土地利用類型和土壤類型等10個指標作為研究區(qū)生態(tài)脆弱性的評價指標。

本文所選的遙感指標包括NDVI、NDBI、MNDWI。NDVI是反映土地覆蓋植被狀況的一種遙感指標，也是反映植被長勢的重要參數(shù)之一，其值越高，植被長勢越好，相應的生態(tài)質量越好[18]；NDBI可以較為準確地反映建設用地信息，其值越高，城鎮(zhèn)化程度越大[19]，熱島效應越明顯，生態(tài)越脆弱[20]；水體在資源環(huán)境中能夠發(fā)揮很大的生態(tài)效應，徐涵秋[21]提出的改進的MNDWI，能夠很好地反映水體信息。

人類干擾指數(shù)(式(1))反映的是人類活動對自然環(huán)境的干擾程度，干擾程度越大，生態(tài)脆弱性越大。福州新區(qū)在建設規(guī)劃過程中存在大量的人類活動，故選擇該指數(shù)探究福州新區(qū)的建設對自然環(huán)境的干擾。

(1)

式中：HDI表示人類干擾指數(shù)；Sb表示評價單元內建設用地的面積；Sf表示評價單元內耕地的面積；Sa表示評價單元的總面積。

地形和地貌均是影響生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的重要因子，其中坡度、地形起伏度等地形因子能夠反映地形的差異性及物質與能量的分布情況。

景觀格局可以表示景觀在空間上的異質性，還可以表示不同生態(tài)過程的作用結果，景觀格局的變化會影響生態(tài)系統(tǒng)的結構、功能和過程，因此，人類活動及環(huán)境變化等引起的區(qū)域景觀格局變化也是生態(tài)脆弱性的威脅因子。本文在景觀格局指數(shù)方面選擇景觀分離度指數(shù)SPLIT和景觀分維度FRAC兩個指標。

不同的土壤類型抗蝕性不同，其脆弱程度也不同，能對植被的生長和分布造成影響。土地利用類型能反映人類活動對土地的利用程度，不同的土地利用方式會對區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響[22]，是生態(tài)脆弱性的潛在威脅因子。對于土壤與土地利用類型等定性指標，需對其先進行定量化處理。參考前人的研究成果[23]，通過賦值法實現(xiàn)定性指標的定量化(表1)。

表1 定性指標的定量化處理

2)生態(tài)脆弱性評價模型與指標權重確定方法。本文通過構建綜合指數(shù)EVI(ecological vulnerability index)對研究區(qū)的生態(tài)脆弱性進行評價，如式(2)所示。

(2)

式中：EVI為生態(tài)脆弱性指數(shù)；m為評價指標的個數(shù)；wi為第i個指標的權重；Yi為第i個指標的標準化值。

目前，指標權重的確定方法主要有層次分析法、主成分分析法、獨立性權數(shù)法、熵權法等，相比主觀賦值法，熵權法精度更高且更具客觀性，可用于任何權重確定過程，是一種在綜合考慮各因素提供信息量的基礎上計算一個綜合指標的數(shù)學方法，主要是根據(jù)各指標傳遞給決策者的信息量大小來確定權重[24]。本文采用熵權法來確定各指標的權重，在此過程中要注意評價指標的標準化問題，采用極差變換法對各評價指標進行標準化。

當評價指標是正向指標時(主要包括NDBI、人類干擾指數(shù)、坡度、地形起伏度、景觀分離度指數(shù))，其標準化如式(3)所示。

(3)

當評價指標是負向指標時(主要包括NDVI、MNDWI、景觀分維度指數(shù))，其標準化公式如式(4)所示。

(4)

式中：X、Y分別代表標準化前后的指標值；Xmin、Xmax分別代表標準化前指標的最小值和最大值。

2.3 生態(tài)脆弱性的時空演變分析方法

1)空間自相關分析?？臻g自相關性是指空間上越靠近的事物或現(xiàn)象越相似的特征[25]，是檢驗某一變量屬性是否與其相鄰空間單元變量屬性相聯(lián)系的統(tǒng)計指標，可以用于檢驗生態(tài)脆弱性在研究區(qū)內是否存在“集聚效應”?？臻g自相關有全局和局部兩種假設檢驗。

全局空間自相關用于檢驗目標空間現(xiàn)象在整個區(qū)域內是否存在“集聚效應”，常使用全局Moran’s I指數(shù)來表征，其計算如式(5)所示。

(5)

局部Moran’s I是全局Moran’s I在各個空間單元的分解，其計算如式(6)所示。

(6)

Anselin[26]提出的空間聯(lián)系局域指標LISA(local indicators of spatial association)可較為有效地描述空間鄰接單元間的局部關聯(lián)程度，它主要包含五種不同的空間聚集模式[27]：“高高”聚集(H-H)，表示該區(qū)域值與周圍區(qū)域值均較高；“高低”聚集(H-L)，表示該區(qū)域值較高，而周圍區(qū)域值較低；“低高”聚集(L-H)，表示該區(qū)域值較低，周圍區(qū)域值較高；“低低”聚集(L-L)，表示該區(qū)域周圍區(qū)域值均較低；“不顯著”，表示該區(qū)域和周圍區(qū)域局部關聯(lián)程度不顯著。

2)重心模型分析。重心模型用于表述各種物質和能量空間上在某一個時刻的聚散和遷移程度，重心的運動方向、速度和強度是表征某一物質在空間上變化的最好指標[28]。本文通過重心模型展現(xiàn)生態(tài)脆弱性在空間上的演變特征，其計算如式(7)、式(8)所示。

(7)

(8)

式中：Gx和Gy是重心的經(jīng)緯度；DNi是每個像元的生態(tài)脆弱性值；DNx和DNy是每個像元的經(jīng)度和緯度。

3)雷達圖分析。雷達圖又稱蜘蛛網(wǎng)圖，是一種數(shù)據(jù)表征技術，能夠對多變量數(shù)據(jù)資料進行綜合分析，適合于在二維平面上直觀、形象地反映多個指標的變動規(guī)律[29]。本文將生態(tài)脆弱性分為兩個等級：輕度及以下脆弱區(qū)域(EVI≤0.4)、中度及以上脆弱區(qū)域(EVI>0.4)，以研究區(qū)幾何中心為原點將研究區(qū)劃分為八個象限，采用雷達圖對各時期各象限兩個等級的生態(tài)脆弱性進行統(tǒng)計與分析，其計算如式(9)所示。

(9)

式中：p表示不同EVI所占比例；n是不同等級EVI的像元個數(shù)；N是該象限內的像元總個數(shù)。

3 結果與分析

3.1 福州新區(qū)生態(tài)脆弱性評價

根據(jù)上述公式，獲取NDVI、NDBI、MNDWI、HDI、坡度、地形起伏度、景觀分離度、景觀分維度、土地利用類型和土壤類型十個指標，由于各指標量綱不一致，對指標進行標準化(圖2)，在此基礎上基于熵權法獲取各指標的信息熵及熵權(表2)。

圖2 福州新區(qū)生態(tài)脆弱性各評價指標專題圖

將獲取到的熵權代入EVI模型(式(2))，建立福州新區(qū)2014、2016、2018、2020年的生態(tài)脆弱性評價模型(式(10)至式(13))。

EVI2014=0.055 5Y1+0.012 3Y2+0.003 2Y3+0.011 0Y4+0.071 3Y5+0.023 2Y6+0.113 7Y7+0.108 4Y8+0.524 1Y9+0.077 3Y10

(10)

EVI2016=0.065 2Y1+0.023 2Y2+0.006 1Y3+0.031 2Y4+0.100 2Y5+0.023 8Y6+0.155 2Y7+0.155 2Y8+0.379 7Y9+0.063 2Y10

(11)

EVI2018=0.097 0Y1+0.030 3Y2+0.006 1Y3+0.032 2Y4+0.117 0Y5+0.034 4Y6+0.181 1Y7+0.177 6Y8+0.211 6Y9+0.112 7Y10

(12)

EVI2020=0.058 1Y1+0.010 9Y2+0.015 0Y3+0.013 4Y4+0.077 7Y5+0.016 1Y6+0.126 0Y7+0.122 3Y8+0.492 3Y9+0.068 2Y10

(13)

式中：Y1～Y10分別表示土地利用類型、NDVI、NDBI、MNDWI、土壤類型、人類干擾指數(shù)、坡度、地形起伏度、景觀分離度指數(shù)及景觀分維度指數(shù)的標準化值。

為了進一步評價福州新區(qū)的生態(tài)脆弱性，參考國內外學者關于生態(tài)脆弱性評價的分級標準[30]，再結合研究區(qū)實際，確定生態(tài)脆弱性分級標準(表3)，將其劃分為微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、強度脆弱和重度脆弱五個等級，并依此制作2014—2020年福州新區(qū)生態(tài)脆弱性分級圖(圖3)。

表2 福州新區(qū)生態(tài)脆弱性各評價指標信息熵及其熵權

表3 福州新區(qū)生態(tài)脆弱性分級標準

圖3 2014—2020年福州新區(qū)生態(tài)脆弱性分級圖

3.2 福州新區(qū)生態(tài)脆弱性的總體變化特征分析

基于各期的EVI模型，并結合生態(tài)脆弱性分級標準，經(jīng)空間統(tǒng)計與分析，獲取福州新區(qū)各期生態(tài)脆弱性分布情況(圖4)。結果表明：2014年，福州新區(qū)生態(tài)脆弱性等級比重排序為：微度脆弱>輕度脆弱>強度脆弱，其中，微度脆弱區(qū)占區(qū)域面積的95.82%，輕度脆弱區(qū)占3.40%，強度脆弱區(qū)僅占0.78%；2016年，福州新區(qū)生態(tài)脆弱性等級比重排序為：微度脆弱>輕度脆弱>中度脆弱，其中，微度脆弱區(qū)占61.90%，輕度脆弱區(qū)占38.09%，中度脆弱區(qū)僅占0.01%；2018年，福州新區(qū)生態(tài)脆弱性等級比重排序為：微度脆弱>中度脆弱>輕度脆弱>強度脆弱，其中，微度脆弱區(qū)占47.27%，中度脆弱區(qū)占38.84%，輕度脆弱區(qū)占13.10%，強度脆弱區(qū)占0.79%；2020年，福州新區(qū)生態(tài)脆弱性等級比重排序為：微度脆弱>輕度脆弱>中度脆弱>強度脆弱，微度脆弱區(qū)占68.07%，輕度脆弱占19.33%，中度脆弱占6.75%，強度脆弱占5.85%。

從面積占比變化情況來看，2014—2020年，以2 a為時間跨度，福州新區(qū)的微度脆弱區(qū)先降低33.92和14.63個百分點，再升高20.80個百分點；輕度脆弱區(qū)先增加34.69個百分點，再分別減少24.99和6.35個百分點；中度脆弱區(qū)從2016年的0.01%，急劇上升至2018年的38.84%，但2020年又降至6.75%；強度脆弱區(qū)至2018年前均無明顯變化，但2020年從0.79%升至5.85%。結合面積占比變化和圖3可以看出，2016—2018年，隨著福州新區(qū)開發(fā)建設的加快，微度脆弱區(qū)逐漸向輕度、中度脆弱轉變，至2020年，輕度、中度脆弱區(qū)向微度脆弱轉變，但強度脆弱區(qū)占比增幅明顯，根據(jù)福州新區(qū)規(guī)劃年限(2015—2020年為近期規(guī)劃，2021—2030年為遠期規(guī)劃)，大部分區(qū)域近期規(guī)劃建設目標達成后，生態(tài)脆弱性有所恢復，但仍存在部分生態(tài)脆弱性等級持續(xù)上升的區(qū)域。

圖4 2014—2020年福州新區(qū)生態(tài)脆弱性各等級面積占比

結合福州新區(qū)總體規(guī)劃，2014—2018年，福州新區(qū)建設整體推進，生態(tài)脆弱性等級逐漸升高，至2020年，近期規(guī)劃建設目標達成，大部分區(qū)域生態(tài)脆弱性逐漸轉變?yōu)槲⒍却嗳?，但高山城?zhèn)群片區(qū)和江陰產(chǎn)城片區(qū)出現(xiàn)強度脆弱區(qū)域，尤其是高山城鎮(zhèn)片區(qū)，生態(tài)脆弱性等級由2018年的輕度脆弱急劇轉變?yōu)?020年的強度脆弱，生態(tài)脆弱性等級上升明顯，應提高該區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護的關注度。

上述研究表明，福州新區(qū)生態(tài)脆弱性總體情況良好，尚未有生態(tài)重度脆弱區(qū)域(EVI>0.8)。2014年生態(tài)脆弱性水平總體較低，“輕度及以下脆弱”區(qū)域面積占比達99%以上，表明在福州新區(qū)批復前該區(qū)域生態(tài)狀況良好；至2016年，微度脆弱區(qū)由95.82%降至61.90%，相應地，輕度脆弱區(qū)上升了34.69%，表明福州新區(qū)批復后該區(qū)域的生態(tài)脆弱性呈上升趨勢；2018年，“輕度及以下脆弱”區(qū)域面積占比下降至60.37%，而“中度及以上脆弱”區(qū)域則急劇升至39.63%，表明隨著建設的加速推進，福州新區(qū)的生態(tài)脆弱性進一步上升；2020年，大部分區(qū)域的中度脆弱轉變?yōu)槲⒍却嗳?，但部分區(qū)域出現(xiàn)強度脆弱區(qū)，表明福州新區(qū)達成階段性規(guī)劃建設目標后，生態(tài)脆弱性恢復效果較好，但值得注意的是，高山城鎮(zhèn)群片區(qū)和江陰產(chǎn)城片區(qū)的生態(tài)脆弱性等級持續(xù)上升，且出現(xiàn)了強度脆弱區(qū)，面臨生態(tài)質量進一步惡化的風險。

3.3 基于空間自相關的福州新區(qū)生態(tài)脆弱性分析

1)全局空間自相關分析。全局空間自相關可以檢驗生態(tài)脆弱性在研究區(qū)內是否存在“集聚效應”，經(jīng)全局自相關分析與計算，獲得研究區(qū)各期生態(tài)脆弱性自相關參數(shù)(表4)。結果表明，2014—2020年，Moran’s I指數(shù)呈先上升后下降的趨勢。福州新區(qū)批復前集聚不明顯；至2016年，Moran’s I指數(shù)略有上升，生態(tài)脆弱性開始趨于集聚；隨著福州新區(qū)建設的不斷推進，2018年Moran’s I指數(shù)值急劇上升至0.642 1(p<0.01)，此時區(qū)域生態(tài)脆弱性表現(xiàn)為極顯著的空間自相關；2020年，Moran’s I指數(shù)降至0.417 0，但區(qū)域生態(tài)脆弱性表現(xiàn)為顯著空間自相關。

表4 2014—2020年福州新區(qū)生態(tài)脆弱性自相關參數(shù)

2)局部空間自相關分析。為了能夠有效地獲取研究區(qū)空間鄰接單元間的局部關聯(lián)程度，對各期生態(tài)脆弱性進行局部空間自相關分析，獲得LISA聚類圖(圖5)。該結果反映，2014—2020年福州新區(qū)生態(tài)脆弱性的聚集特征產(chǎn)生了遷移和擴張。2014年研究區(qū)生態(tài)脆弱性空間聚集特征整體不顯著；2016年蓋山鎮(zhèn)呈現(xiàn)了“低低”聚集特征，馬尾鎮(zhèn)呈現(xiàn)了“高低”聚集特征；2018年，蓋山鎮(zhèn)保持“低低”聚集特征不變，馬尾鎮(zhèn)的空間聚集特征不再顯著，“低低”聚集特征呈現(xiàn)往城門鎮(zhèn)、羅星鎮(zhèn)及亭江鎮(zhèn)遷移的特點；2020年，蓋山鎮(zhèn)空間聚集特征不再顯著，城門鎮(zhèn)、羅星鎮(zhèn)及亭江鎮(zhèn)仍為“低低”聚集特征，沙埔鎮(zhèn)和新厝鎮(zhèn)呈現(xiàn)“高高”聚集特征。

圖5 2014—2020年福州新區(qū)生態(tài)脆弱性LISA聚類圖

3.4 福州新區(qū)生態(tài)脆弱性重心轉移分析

重心模型可以展現(xiàn)生態(tài)脆弱性在空間上的聚散和遷移程度，本文對福州新區(qū)各期生態(tài)脆弱性重心轉移進行分析，得到該區(qū)域生態(tài)脆弱性重心位置的遷移情況(圖6)。結果表明：2014—2020年，福州新區(qū)生態(tài)脆弱性的重心均位于城頭鎮(zhèn)內及周邊。從重心遷移方向來看，2014—2016年，生態(tài)脆弱性的重心往東北方向遷移；2016—2018年，生態(tài)脆弱性重心呈現(xiàn)往西南方向遷移的趨勢；2018—2020年，生態(tài)脆弱性的重心往西北方向大幅度遷移。從遷移速率來看，2014—2016年，生態(tài)脆弱性的遷移速率為0.265 9 km/a，2016—2018年，生態(tài)脆弱性的遷移速率急劇上升至0.558 0 km/a，2018—2020年，生態(tài)脆弱性的遷移速率進一步上升至2.278 5 km/a。

圖6 2014—2020年福州新區(qū)生態(tài)脆弱性重心位置遷移圖

3.5 基于雷達圖的福州新區(qū)生態(tài)脆弱性演變分析

以福州新區(qū)幾何中心作為原點，將該區(qū)域分為八個象限，采用雷達分析法對每個象限“輕度及以下脆弱”(EVI≤0.4)和“中度及以上脆弱”(EVI>0.4)進行統(tǒng)計與分析(圖8)。結果表明：1)從各象限生態(tài)脆弱性等級比例情況來看，2014年和2016年生態(tài)脆弱性分布情況基本一致，“輕度及以下脆弱”占絕對優(yōu)勢，各個象限“中度及以上脆弱”比例接近于0，其中，象限3和象限7的“輕度及以下脆弱”比例均達100%；至2018年，各象限的“輕度及以下脆弱”比例降低，“中度及以上脆弱”比例開始增加，呈現(xiàn)“輕度及以下脆弱”比例略高于“中度及以上脆弱”的特征；其中，象限3的“輕度及以下脆弱”仍占較大比例，而象限7的“輕度及以下脆弱”比例大幅降低，“中度及以上脆弱”像元比例大幅上升并遠超“輕度及以下脆弱”，推測是象限7的建設用地面積較前兩期大幅增加的原因；至2020年，各象限“輕度及以下脆弱”比例回升，象限3的“中度及以上脆弱”比例進一步升高，象限4和5的“中度及以上脆弱”有所下降，但仍占有一定比例。2)從各象限生態(tài)脆弱性等級變化波動情況來看，象限3變化波動最小，生態(tài)脆弱性等級比例無較大變化；象限7變化波動最大，由“輕度及以下脆弱”占絕對優(yōu)勢轉變?yōu)椤爸卸燃耙陨洗嗳酢闭贾黧w，再轉變?yōu)椤拜p度及以下脆弱”占主體；其他六個象限的生態(tài)脆弱性等級變化波動基本介于30%～45%之間，總體生態(tài)脆弱性均呈先上升后下降的趨勢。

圖7 2014—2020年福州新區(qū)生態(tài)脆弱性雷達圖

3.6 生態(tài)脆弱性評價結果合理性分析

為進一步分析本文評價結果的合理性，引入并計算徐涵秋[31]的RSEI，該指數(shù)采用了濕度、綠度、干度、熱度四個指標，在此基礎上采用ROC曲線法，將其與本文結果進行對比(圖8)。ROC曲線是根據(jù)一系列不同的二分類方式(分界值或決定閾)，以真陽性率(靈敏度)為縱坐標，假陽性率(1-特異度)為橫坐標繪制的曲線；AUC是ROC曲線的線下面積，是用來量化ROC曲線的指標，當AUC∈(0.7，0.9)時，表明分類效果良好。圖中ROC曲線的AUC為0.798，表明二者具有一定的吻合性，但與RSEI的測算結果不完全一致，表明本文對福州新區(qū)生態(tài)脆弱性的評價結果具有科學性、合理性和針對性，可作為福州新區(qū)規(guī)劃建設發(fā)展的參考。

圖8 EVI的ROC曲線

4 結束語

作為國家級新區(qū)，福州新區(qū)承載著兩岸交流合作、改革創(chuàng)新示范和生態(tài)文明先行的任務，批復后進入快速建設階段，本文以福州新區(qū)批復前后的四期數(shù)據(jù)為基礎，充分考慮了福州新區(qū)的自然生態(tài)條件及人為干擾情況，選擇了NDVI、NDBI、MNDWI、土地利用類型、土壤類型、坡度、地形起伏度等自然指標，并結合景觀分離度指數(shù)、景觀分維數(shù)指數(shù)、人類干擾指數(shù)等非自然指標，多維度分析該區(qū)域在快速建設期間生態(tài)脆弱性的演變特征，主要結果如下。

1)福州新區(qū)生態(tài)脆弱性總體情況良好，尚未出現(xiàn)生態(tài)重度脆弱區(qū)域，2014—2020年，福州新區(qū)的生態(tài)脆弱性呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在2016—2018年快速建設期期間上升趨勢明顯，2020年大部分完工區(qū)域的生態(tài)脆弱性等級有所下降，但高山城鎮(zhèn)群片區(qū)和江陰產(chǎn)城片區(qū)的生態(tài)脆弱性等級始終呈上升趨勢。

2)對福州新區(qū)空間自相關進行分析，結果表明福州新區(qū)生態(tài)脆弱性的空間聚集性呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。2014—2020年，Moran’s I指數(shù)先上升后下降，2014年聚集不明顯；2016年，生態(tài)脆弱性開始趨于聚集；2018年，隨著福州新區(qū)建設的不斷推進，Moran’s I指數(shù)值急劇上升至0.642 1(p<0.01)，區(qū)域生態(tài)脆弱性呈現(xiàn)極顯著的空間自相關；2020年，Moran’s I指數(shù)降低至0.417 0，區(qū)域生態(tài)脆弱性仍為顯著的空間自相關。通過LISA聚類圖得出，2014—2020年福州新區(qū)北部區(qū)域空間聚集特征由不顯著轉變?yōu)椤暗偷汀本奂卣?，南部區(qū)域由不顯著轉變?yōu)椤案吒摺本奂卣鳌?/p>

3)利用重心模型對各期生態(tài)脆弱性進行分析，福州新區(qū)2014—2020年的生態(tài)脆弱性的重心均在城頭鎮(zhèn)內部及附近。2014—2016年，生態(tài)脆弱性重心以0.265 9 km/a的遷移速率往東北方向遷移；2016—2018年，生態(tài)脆弱性重心以0.558 0 km/a的遷移速率往西南遷移；2018—2020年，生態(tài)脆弱性重心往西北方向遷移，且遷移速率急劇升至2.278 5 km/a。

4)通過雷達圖對福州新區(qū)的生態(tài)脆弱性進行分析，2014—2020年雷達圖上各個象限“輕度及以下脆弱”比例呈先降低后升高的趨勢，“中度及以上脆弱”比例呈先升高后降低的趨勢。其中，象限3生態(tài)脆弱性變化波動較小，而象限7生態(tài)脆弱性波動最大，推測是象限7范圍內城區(qū)面積大幅提升的原因，其余各象限波動幅度相對較小。

5)通過建立ROC模型，驗證本文所建立的生態(tài)脆弱性評價體系的合理性和科學性。

總體而言，福州新區(qū)有較好的生態(tài)本底，在福州新區(qū)開發(fā)建設過程中生態(tài)脆弱性等級呈先上升后降低的趨勢，但高山城鎮(zhèn)群片區(qū)和江陰產(chǎn)城片區(qū)的生態(tài)脆弱性始終呈上升趨勢，且2020年出現(xiàn)較大面積強度脆弱區(qū)，生態(tài)質量面臨著較嚴峻的惡化風險。因此，從規(guī)劃設計的角度需要更加注重這部分區(qū)域的生態(tài)協(xié)調性，適當?shù)貙竦?、綠地、公園等生態(tài)友好項目融入建設中，注重生態(tài)與經(jīng)濟建設的協(xié)調發(fā)展，也可以參考2020年建設完工后生態(tài)脆弱性恢復較好區(qū)域的建設模式。本文構建的生態(tài)脆弱性評價指標體系更貼近福州新區(qū)實際情況，對福州新區(qū)的生態(tài)脆弱性評價結果具有一定的科學性、客觀性和合理性。研究快速建設背景下福州新區(qū)的生態(tài)脆弱性演變，對其理性規(guī)劃與發(fā)展具有參考價值。