复杂灾害风险下的福建东山岛景观时空演变特征与健康评价研究

摘要

海岸带生态系统是典型的生态环境脆弱带，它是一个多功能、多界面、多过程的生态系统。海岸带生态系统初级生产力丰富、生物多样性高，但其受到来自海洋和陆地的扰动频率较高，稳定性较差。海岸带生态系统经常受到台风、风沙、风暴潮、洪涝、干旱、污染等各种灾害的侵扰，这些灾害与伴生的其他灾害、导致的次生灾害、及各灾害之间的相互影响构成了具有极其复杂性的灾害系统。复杂灾害系统作用下的生态系统，其承灾能力和灾后的重塑能力能够反映生态系统的可承受风险的大小和系统的健康程度。如何协调海岸带区域综合承载力与经济社会可持续发展的关系，加强和实施海岸带综合管理和可持续发展战略是当今政府与社会各界关注的热点。通过对复杂灾害风险下的海岸带生态系统可持续演化特征进行深入研究可以探讨灾害系统的复杂性与作用机制，也可以探讨海岸带生态系统的承灾能力和灾后的重塑能力，从而推断出海岸带生态系统的所面临的风险水平与健康状况，为制定海岸带综合管理和灾害管理提供科学基础。
　　本研究主要内容包括：⑴从1994年到2011年，东山岛林地和人工用地面积显著增加。从土地利用的转移矩阵可知，林地、建设用地、耕地、其他用地4类用地变化显著，而其中林地、建设用地转入较多，面积增长，其他用地转出比例十分高，面积急剧下降。从景观变化对东山岛生态环境可能产生的潜在效应的分析可以看出，耕地变为建设道路用地、林草地变为建设道路用地及林草地变为耕地是对东山岛生态环境产生负面影响的最主要的3种轨迹变化，面积比例分别为4.3％、2.47%、1.99%。东山岛整体景观格局发生了一系列变化，主要表现为斑块数量和斑块密度不断增加及边缘密度指数上升均说明整体景观的破碎化程度在加剧；聚集度指数、蔓延度指数1994年到2003年呈现急剧下降，2011年有所上升，景观形状指数1994年-2003年呈现急剧上升，2011年有所下降，说明东山岛景观呈分散分布，形状更加复杂，但这种趋势逐渐呈现缓和；最大斑块指数呈现下降趋势，说明景观的优势度在减小；香农多样性指数变化不显著。林地的面积增加明显，植被覆盖度上升，对东山岛生态环境的改善有良好地促进作用，但林地的破碎化程度增加又使得林地的生物保护、防灾减灾等功能有所下降。同时，草地、水域的面积虽有所增加，但同样存在连通性显著下降，破碎化程度急剧增加的问题，使其对东山岛生态环境改善的促进作用大打折扣。⑵东山岛自然因子和景观因子对东山岛土地利用变化影响较小，而原有的建设基础和原有的林地对东山岛土地利用改变则影响较大。对建设基础因子和林地因子两类中的6个因子进行地理加权回归分析，结果R2=0.7237，拟合效果较好，将各因子的回归系数在空间上的差异用图形表述，来反映各因子对土地利用轨迹影响程度的空间分异。与道路距离因子的回归系数低值区2003年比1994年范围有扩大趋势，说明随着时间的推移，人工用地的范围有扩展的趋势，尤其是向沿海推动；林地边界的距离因子的回归系数高值区2003年的比1994年的范围有十分显著地扩大趋势，说明随着时间的推移，自然用地的范围有明显的扩展趋势，随着东山岛生态建设的不断持续与深入，人们不断在原先非林地或远离原有林地的区域扩大林地建设；建设用地的距离因子的回归系数低值区2003年的比1994年的范围有扩大连片趋势，这些说明随着时间的推移，人工用地的范围有明显的扩展趋势，且有向原有的城镇外围地区及沿海扩展的趋势。地理加权回归可以通过附加表达空间异质性的变化参数，来反映各个因子对回归方程贡献在空间上的分异。⑶采用半变异函数和移动窗口相结合的方法，确定东山岛景观破碎化分析的特征尺度为1000m；东山岛景观破碎化程度随时间在不断增强；沿着26个缓冲带，各缓冲带景观破碎化在近17年内表现出相似的梯度变化特征。最大斑块指数大致出现从沿海到内陆逐渐上升的趋势。穿过县城中心的第9缓冲带的斑块密度指数值较高，最大斑块指数值最低，说明城市化的进程及人为干扰是区域破碎化的主导因素。近海岸地带、西北部及南部的有林地带的破碎化程度持续降低，而中北部和南部城镇农田集中区人为干扰日益强烈，破碎化程度不断增加；距离海岸线500m和1000m处是东山岛沿海人为干扰的强烈地带，使这些地带破碎化程度不断加剧；城镇化、旅游和农业发展应该是东山岛景观破碎化的主导驱动因子；采用Pearson相关系数分析景观破碎化与景观格局其他方面特征的相关性，发现它们具有较强相关性，说明运用景观破碎化指数能够反映东山岛景观格局变化的基本特征。⑷东山岛海岸带防护林防护效能综合指数值分布在0.42-1.59范围内，64.5%的样点分布于一般或较差等级，整体状况一般；防护效能综合指数在不同海湾存在显著差异，海湾防护林防护效能综合状况评价为屿南湾>乌礁湾>金銮湾>马銮湾；防护林防护效能综合状况小型建筑>养殖场>园地>大型建筑，说明大型建筑对于防护林的干扰强度最大，养殖场和园地次之，小型建筑干扰最小。⑸利用信息扩散理论的风险分析方法，用有限的信息对东山的主要灾害风险进行了定量化分析，发现东山每年发生台风过境所带来的过程雨量出现300mm的概率较大（p=0.4483），接近0.5，即平均每两年发生一次；大风日数在90天的概率较大（p=0.6478），超过0.5；?25mm大雨天数在16天的概率较大（p=0.6126），超过0.5，台风、大风和暴雨对于东山岛的影响概率较大，因此，认为台风、大风、暴雨应该是后续东山防灾减灾研究主要探讨的对象。⑹东山岛3个时期生态连接度均是低连接度和中连接度区域面积比重占优势，二者合计面积比重分别为62.73%、49.79%、65.9%，极高连接度的区域则比重最小，分别为4.91%、13.48%、3.86%，3个时期生态连接度结构变化明显，总体情况为1994年生态连接度状况一般，2003年生态连接度状况比1994年有所改善；2011年生态连接度状况下降显著。从景观结构的动态分析可以看出，1994年和2003年影响东山岛生态连接度低的主要景观为耕地和道路，而到了2011年影响东山岛生态连接度低的主要景观则变为了建设用地和道路，3个时期影响东山岛生态连接度高的景观均为林地和草地；从轨迹变化分析可以看出，东山岛生态连接度总体变低区域主要在东山岛西北部与东南部的低山森林地带以及沿海的防护林区域，总体变高区域主要在东山岛东北部人口较为集中的城镇区域，生态连接度总体变低的比例较高。可见，在东山岛的17年发展过程中，以建设用地扩张为代表的人为景观改造作用一直是景观结构和格局变化的重要驱动因素。⑺东山岛1994年、2003年、2011年台风、暴雨和大风灾害生态风险格局均随时间出现明显变化；总体来看，东山岛西北部主要低山森林地带风险值较低，整体生态环境和抗灾能力较好，东北部城镇集中区和沿海地带风险值较高，生态环境质量和抗灾能力较低；东山岛灾害生态风险在空间上均存在正相关关系，灾害生态风险的空间分布并非随机，而是存在趋于集群的现象，但随着时间的变化，灾害生态风险集群趋势有所趋缓；1994年、2003年和2011年东山岛台风、暴雨和大风灾害生态风险的局部空间自相关LISA存在显著的时空差异；对台风灾害生态风险进行局部自相关分析，发现1994年的生态风险低值-低值区明显地聚集在东山岛西北部与中东部沿海地带，但到2003年和2011年出现明显萎缩；对暴雨灾害生态风险进行局部自相关分析，发现1994年的生态风险低值-低值区明显地聚集在东山岛东部沿海地带，但到2003年和2011年出现明显萎缩；对大风灾害生态风险进行局部自相关分析，发现生态风险低值-低值区明显地聚集在东山岛西北部，生态风险高值-高值区均聚集在东山岛东部沿海地带；运用地统计学方法对东山岛灾害生态风险格局进行空间分异分析，拟合最为理想的均为指数模型；1994年-2011年东山岛灾害生态风险中非结构性因素对空间分布逐步起主导性作用，并随着时间在增强。⑻从生态系统的服务功能的供给与需求角度出发，结果发现东山岛的生态服务供给区健康状况一般，反映其所能提供的再分配降雨的生态服务功能较薄弱，东山岛森林树种单一，结构简单，多以纯林、人工林为主，多数林地上树龄不长，这种森林结构在灾害降临时，易受灾害干扰，其防护能力一般；而生态受益区的健康值也普遍偏低，说明东山岛在抵御暴雨灾害的功能较脆弱，尤其是北部的大部分地区，这里集中东山县以及东山的几个大的镇，人口稠密、建设密集同时所能提供服务的森林面积较小且零散造成这些区域健康值显著偏低。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 自然灾害风险评估

1.2 海岸带生态系统健康评价

1.3 复杂系统与复杂性

第2章 研究区概况、研究意义与技术路线

2.1 东山岛概况

2.2 研究意义、目标与技术路线

第3章 东山岛景观生态分类及数据收集

3.1 景观生态分类

3.2 其他数据来源

第4章 东山岛景观的时空演化及生态效应分析

4.1 研究方法

4.2 结果与分析

4.3 小结

第5章 基于地理加权回归模型的东山岛土地利用变化驱动因子研究

5.1 研究方法

5.2 结果与分析

5.3 小结

第6章 东山岛海岸带景观破碎化的时空梯度分析

6.1 研究方法

6.2 结果与分析

6.3 小结

第7章 基于岸段尺度的东山岛海岸带防护林防护效能评价与响应研究

7.1 研究方法

7.2 结果与分析

7.3 小结

第8章 东山岛主要灾害危险性分析

8.1 研究方法

8.2 数据来源

8.3 结果与分析

8.4 小结

第9章 东山岛生态连接度时空动态演化研究

9.1 研究方法

9.2 结果与分析

9.3 小结

第10章 东山岛灾害生态风险研究

10.1 研究方法

10.2 结果与分析

10.3 小结

第11章 基于减灾生态服务功能的东山岛生态系统健康评价

11.1 数据准备

11.2 研究方法

11.3 结果与分析

11.4 小结

第12章 结论和讨论

12.1 主要结论

12.2 几点建议

12.3 进一步讨论

12.4 对本文研究创新点的看法

参考文献

致谢