范小杉，何萍，2*，贾娇，2，徐瑶瑶，董敬儒

1.中国环境科学研究院，北京 100012 2.国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，北京 100012 3.虚拟地理环境教育部重点实验室(南京师范大学)，江苏 南京 210023 4.江苏省地理环境演化国家重点实验室培育建设点，江苏 南京 210023 5.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏 南京 210023 6.河北师范大学资源与环境科学学院，河北 石家庄 050024 7.兰州大学资源环境学院，甘肃 兰州 730000



基于生境保护的厦门湾海岸线开发建港生态承载力评价

范小杉1，何萍1，2*，贾娇1，2，徐瑶瑶3,4，5，董敬儒6，7

1.中国环境科学研究院，北京 100012 2.国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，北京 100012 3.虚拟地理环境教育部重点实验室(南京师范大学)，江苏 南京 210023 4.江苏省地理环境演化国家重点实验室培育建设点，江苏 南京 210023 5.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏 南京 210023 6.河北师范大学资源与环境科学学院，河北 石家庄 050024 7.兰州大学资源环境学院，甘肃 兰州 730000

生态承载力评价是优化建设发展项目规划方案、促进社会经济与自然生态环境可持续发展的重要参考基准，但目前国内常用的综合性、区域性生态承载力评价技术方法针对性较弱，不适用于评估项目规划区范围内自然资源及生态环境系统对特定类型工程建设的可持续承载力。以厦门湾为例，综合利用遥感(RS)与地理信息系统(GIS)技术，基于海岸带重要物种生境保护，运用生态适宜性评价原理，结合海岸线建港开发常规约束限制条件构建评价指标体系，探索海岸线建港开发生态承载力评价技术，以提升评价成果调整优化项目规划方案的技术支撑能力，促进项目规划生态承载力评价技术方法革新。

生态承载力；生境；岸线；港口；评价；规划项目；技术方法

海岸线是陆地与海洋的分界线，包括大陆海岸线和岛屿海岸线，以寻常潮高水位的水陆分界线为天然岸线，其实质是陆域和海域天然相结合的具有一定宽度的空间地带[1]。海岸线是一种不可再生自然资源，具有港口建设、农业围垦、渔业养殖、旅游观光等多种功能[2-3]；其中港口建设是人工改造自然海岸线最剧烈、最普遍的形式[4]。21世纪以来，我国沿海地区经济快速增长引发港口建设和发展热潮，港口数量、规模以惊人的速度增长[5]，同时带动港口城市快速发展[6]。但港城发展导致海岸线资源无序开发利用以致人工海岸线所占比例过高、后备海岸线资源不足[7]；并引发了海岸带生物资源衰退、生物多样性减少、生态灾害频发等严重的生态安全问题[8]。海岸线建港开发生态承载力评价是沿海地区基于可持续发展原则制定港口总体规划的客观依据，目前常用的生态承载力评价技术方法虽具有综合性与区域性，但针对性较弱，不适用于评估研究区自然资源及生态环境系统对特定类型工程建设的可持续承载力。不同类型工程建设活动是区域人类经济社会活动重要的构成单元，以生态承载力为基准的工程规划、建设是推进区域经济社会可持续发展的必要环节，针对区域内某一稀缺自然资源开展特定类型工程建设生态承载力评价是区域经济社会可持续发展的必然需求。

厦门湾已有数百年建港历史，自20世纪80年代以来港口建设发展迅速。目前已建成的厦门市东渡、海沧、嵩屿、刘五店、客运5个港区与漳州市后石、石码、招银3个港区，成为我国沿海主要的集装箱干线港。但湾内有文昌鱼、中华白海豚、白鹭3个珍稀物种的国家级自然保护区和红树林省级自然保护区。长期以来港口建设、港城发展已使红树林几近丧失，文昌鱼、白海豚、白鹭等物种生境全面萎缩[9]，而厦门湾海岸线建港开发尚在继续。在此基于重要物种生境保护，探索沿海地区海岸线开发建港生态承载力评价技术方法，以期为促进生态型港口建设，及海岸带资源开发与生态环境保护管理提供技术参考。

1 理论原理、技术方法及数据来源

1.1 理论原理及概念界定

广义生态承载力涵盖了自然资源承载力、环境污染承载力及生态系统承载力三大范畴[10-11]。由于人类可通过科技进步、制度管理等多种途径不断提高资源开发利用效率、扩大资源利用范围、提高区域资源承载力水平，因此在现实社会经济发展实践中难以对自然资源承载力作出量化评估[12]；而生态系统承载力以维持重要物种及生态系统可持续生存、繁衍的健康稳定生境空间为前提[13]，具有相对稳定性，不会因为人类科学技术的提升而发生变化：因此开展生态系统承载力评价更具有科学性和可信度[12]。同时鉴于目前我国存在的物种多样性下降、重要生态系统生境空间急剧萎缩等亟待解决的生态环境问题，海岸线建港开发生态承载力评价实质是生态系统承载力评价。

笔者以研究区重要物种可持续生存、繁衍为前提评估海岸线开发建港生态承载力，以确定重要物种适宜生境为前提，将其纳入生态保护空间，作为港口开发利用海岸线的重要约束条件，并结合港口建设资源环境背景相关要求和限制条件构建海岸线建港生态适宜性评价指标体系，综合遥感(RS)与GIS技术，评估研究区适宜建港的岸线规模数量及空间分布格局。

1.2 技术方法

1.2.1 重要物种及生态系统适宜生境的确定方法

由于重要物种的生境保持与维护是可持续发展的前提，首先应确定需纳入保护的重要物种生境空间范围。采用目前世界上应用较为广泛的美国普林斯顿大学2007年研发的MaxEnt模型[14-17]，其原理是根据物种已知分布点的环境变量特点得出其生境约束条件，寻找该约束条件下，物种在研究区域的最随机分布情况，即最大熵原则(the maximum-entropy principle)，将评价结果导入ArcGIS重新分类处理以得到直观的物种适宜生境等级分布图[18]。以此为前提，将重要物种最适宜分布区毗邻的海岸线纳入禁止开发岸线，以避免岸线无序开发对其生境的破坏。

1.2.2 基于3S技术的海岸线信息提取方法

受海潮涨落的影响，不能根据某一时间点或短时期内所获取的遥感影像数据提取海岸线信息，而应根据研究区多年遥感影像数据，参考冯永玖等[19]提出的综合利用ISODATA分类、地图综合、离散地物去除和岸线追踪等技术，通过ENVI和ArcGIS技术平台提取与港口建设有关的海岸线遥感信息，包括海岸线空间位置、岸线利用现状等。

1.2.3 岸线开发建港生态承载力评价方法

根据不同吨位船舶对岸前水深和岸前水域宽度的技术要求，以及不同规模港口对岸线稳定性和陆域可开发纵深等的技术要求，建立评价指标体系[20-22](表1)，并按德菲尔法(Delphi Technique)确定各指标权重，将各指标划分为A、B、C、D评价等级，分别赋分值1、2、3、4。

表1 岸线自然条件建港生态适宜性评价指标体系[20-22]

釆用线形加权法构建各种适宜性评价指数，计算公式为:

(1)

1.3 数据来源

利用MaxEnt模型预测重要物种(白海豚)的适宜生境范围需要的物种或生态系统实际分布点，数据来源于刘文华等[23]在1994—1999年(国家级白海豚自然保护区成立之前)设立的20个监测站进行的239个月逐日观察结果。

1994—1999年海湾的pH、盐度、溶解氧浓度、化学需氧量、磷酸盐浓度等20个环境指标来源于国家海洋局设立的30个监测点的海域水环境质量常规监测数据；厦门湾1∶5万水深数据海图由在线网(http:www.enclive.cn)提供；提取海岸线信息所需要的遥感数据源自1983年、1990年、2003年、2014年的Landsat、HJ-CCD、GF-1等卫星遥感数据；海岸线稳定性数据主要通过海岸线所受侵蚀频度与强度相关统计资料分析和实地调查相结合的方法评判；陆域可开发纵深结合厦门湾陆地与岛屿DEM数据提取。

2 评价过程及结果

2.1 厦门湾白海豚适宜生境评价

依据刘文华等[23]在1994—1999年间监测得到的中华白海豚分布点数据(体现海岸线未充分开发前白海豚在厦门湾海域最原始的生存领域)，根据白海豚出现频率的高低，在ArcGIS软件平台为其赋予地理坐标，如图1所示。

图1 1994—1999年厦门湾发现中华白海豚的位点分布Fig.1 Observed distribution points of Chinese white dolphin in Xiamen Bay in 1994-1999

将白海豚分布点数据和相关环境变量数据输入MaxEnt软件中，设定训练集为分布点的80%，验证集为分布点的20%；选择刀切法(Jackknife)监测环境变量对模型的影响，以分析中华白海豚最适宜生存的条件，结果如表2所示。

表2 环境变量对MaxEnt模型预测中华白海豚适宜生境的贡献率和置换重要性

由表2可见，溶解氧、总氮、磷酸盐浓度，水深，距岸线距离，化学需氧量6个环境变量对白海豚分布的贡献率分别为29.9%、19.3%、13.7%、8.1%、7.6%和7.5%，总贡献率达到86.1%，且距岸线距离、总磷浓度、化学需氧量、总氮浓度和水深的置换重要性也较高，说明这些环境变量与其他变量的相关性较低，在MaxEnt模型运算时极其重要；而盐度、叶绿素a、悬浮物浓度和富营养化指数的贡献率都小于1%，且置换重要性较低，说明其对中华白海豚生境分布影响极小。

将中华白海豚分布点数据和影响其分布的主要环境变量现状数据输入MaxEnt模型，结合GIS技术平台得到目前厦门湾中华白海豚适宜生境分级，如图2所示。由图2可见，厦门岛以西海域和同安湾是最适宜生境分布区；同安湾的西部(离岸线1 000～1 500 m海域)、厦门岛的东部(离岸线250～1 500 m海域)、龙海市北部(离岸线250～500 m海域)也有其适宜分布区。即MaxEnt预测的中华白海豚适宜分布区，与目前白海豚自然保护区范围大致吻合。

图2 厦门湾中华白海豚适宜生境分级Fig.2 Habitat distribution of Chinese white dolphins in Xiamen Bay

图3 厦门湾中华白海豚适宜生境预测受试者工作特征曲线Fig.3 Receiver operating characteristic curve plots for habitat prediction of Chinese white dolphins in Xiamen Bay

为避免误差，采用受试者工作特征曲线(receiver operating characteristic curve，ROC曲线)分析法检验MaxEnt预测精度(图3)。预测结果训练集曲线下的面积(AUC，area under curve)为0.901，验证集AUC为0.876，显示预测结果较为优秀，可信度较高。

采用同样方法可获得厦门湾文昌鱼、白鹭及红树林的适宜分布生境。但由于上述物种的观测点及适宜分布的环境变量研究基础较为薄弱，本文以已划定的物种保护区来代替其适宜生境。

2.2 海岸线建港适宜性单指标评价

2.2.1 岸前水深

图4 岸前水深适宜性分级Fig.4 Classified ocean depth suitability of coastline ahead

岸线临近海域海水越深，越利于建设深水型大型港口。按岸前水深分级情况(图4和表3)。厦门湾适宜建港岸线占全部岸线的21.1%，主要分布在厦门岛西部(东渡港区)、鼓浪屿全岛、海沧区南部岸线(海沧港区)以及龙海市北部和东部岸线；较适宜建港岸线约占16.8%，主要分布在厦门岛五缘湾湾内、九龙江河口临近地区；不适宜建港、水深浅于岸线大约占厦门湾岸线的15.2%，主要分布在翔安区东南、大嶝岛西北部和北部、九龙江北部海岸；较不适宜开发岸线所占比例最高，为46.9%，主要为同安湾、厦门岛东部和西北角、九龙江南部。

表3 岸线建港适宜性单指标评价结果分级

2.2.2 岸线稳定性

岸线的稳定性反映海岸线受海浪冲刷侵蚀的强度，岸线越稳定，船舶进港停靠、作业的限制越少，港口生命周期越长，建设与运营维护成本越低。岸线稳定性主要通过统计资料分析和实地调查相结合的方法评判。评价结果如图5和表3所示。

图5 岸线稳定性适宜性分级Fig.5 Classified stability suitability on coastline

由表3和图5可见，厦门湾有超过56.6%的海岸线为不适宜建港岸线，主要分布在九龙江河口及河口附近岛屿岸线，以及大嶝岛全部岛屿岸线及其西北翔安湾海岸线、同安湾东北部岸线和海沧东部岸线；较不稳定岸线主要分布在厦门岛西北部和西部，同安湾西部、马銮湾西部海岸线以及龙海市东部，占厦门湾海岸线的21.9%；严重不稳定岸线和较不稳定岸线合计占厦门湾海岸线的78.5%；稳定岸线所占比例为13.6%，主要分布在翔安区西南角(刘五店港区)、厦门岛五缘湾外海东侧和西侧岸线、海沧区南部岸线(海沧港区)、厦门岛西南角与东南角；弱稳定岸线主要分布在厦门岛东，约占厦门湾海岸线的7.9%。

2.2.3 岸前水域宽度

岸前水域宽度能够表征港口可停靠大型船舶的吨位规模数量。评价结果(图6和表3)显示：厦门湾约有56.4%的岸线适合开发建港，5.2%的岸线较适宜，主要分布于同安湾、大嶝岛南部和东部、东北部开阔水域，厦门岛除五缘湾和轮渡码头以外的岸线，以及漳州龙海市与厦门岛隔海相望的岸线；不适宜开发建港的岸线主要分布于九龙江河口岸线及其临近的岛屿岸线、五缘湾，岸线长度约占厦门湾海岸线总长度的26.3%。

图6 岸前水域宽度适宜性分级Fig.6 Classified water width suitability of coastline ahead

2.2.4 陆域可开发纵深

岸线后方陆域平坦开阔程度决定了港口建设纵深开发空间大小。考虑港口、工业向陆域纵深发展需求及案例地区实际情况，以坡度小于2.5°、纵深500和1 000 m为阈值进行陆域可开发纵深分级，结果如图7所示。由图7可见，除同安、集美以及龙海市有较短分布岸线陆域可开发纵深适宜建港以外，厦门湾大部分海岸线陆域可开发纵深较狭小，不利于建港。

图7 陆域可开发纵深适宜性分级Fig.7 Classified land width suitability of coastal land

2.2.5 近岸陆域植被指数

近岸陆域厦门湾海近岸陆域植被指数反映植被覆盖总体较差(图8)，约有71.5%的岸线临近陆域植被指数低于0.10；近岸陆域植被指数为0.10～0.25的岸线占厦门湾岸线总长的24.2%，即约有95.7%的岸线近岸陆域植被覆盖率较低，建港不会对植被造成较大破坏；而植被指数高于0.25的陆域岸线只占厦门湾岸线总长的4.3%，主要位于九龙江江口许茂洲岛东部的红树林海岸线和厦门湾东南角临近文昌鱼保护区的海岸线。

图8 近岸前陆域植被指数分级Fig.8 Classified normalized difference vegetation index on coastal land

图9 岸线距物种适宜生境(保护地)距离分级Fig.9 Classified distance between coastline and scenic spots or ecological protection area

2.2.6 距物种适宜生境(保护地)距离

厦门湾生态保护地包括白海豚、文昌鱼、白鹭国家级生态保护区以及红树林省级自然保护区(图9)。该指标评价结果显示：不适宜开发建港岸线占厦门湾海岸线的44.3%，主要分布在九龙江河口东部大陆及岛屿岸线、海沧区东部、厦门岛东南部岸线及西部岸线，同安湾东部岸线，以及大嶝岛南部和东部；适宜开发岸线长度与不适宜岸线长度基本相当，主要分布在同安湾西部和北部，翔安区东南部岸线，以及龙海市九龙江口大陆岸线；较适宜开发岸线长度较短，主要位于厦门岛五缘湾；较不适宜开发岸线主要分布于同安湾东部和集美区东南部，岸线长度占厦门湾海岸线的7.4%。

2.3 综合评价结果

据表1指标，按式(1)核算厦门湾海岸线建港综合适宜性，评价结果如表4、图10所示。

表4 厦门湾岸线适宜开发等级综合评价结果

图10 海岸线开发建港生态适宜性分级综合评价Fig.10 Comprehensive ecological suitability grading map on coastline used for building port

由表4和图10可见，厦门湾适宜、较适宜建港岸线分别占厦门湾岸线总长的10.1%和22.3%；较不适宜、不适宜开发岸线所占比例分别为42.6%和25.0%。其中，适宜开发岸线主要包括厦门岛北部五缘湾西侧岸线、龙海市东北角大陆岸线、海沧区南部岸线；较适宜开发岸线主要分布在同安湾西侧和东南部岸线、龙海市东部岸线；较不适宜开发岸线主要分布在厦门岛西部和东南部、大嶝岛南部和东北部；不适宜开发岸线主要分布在九龙江河口及岛屿岸线，以及翔安区与大嶝岛隔海相望岸线。

结合单指标评价结果与分析可知，除同安湾、翔安区西南段岸线因岸前水深较深、植被覆盖率较低、岸线稳定性好等建港条件较好，属于较适宜开发岸线以外，其余临近白海豚、文昌鱼、白鹭以及红树林自然保护区的岸线都属于不适宜开发或较不适宜开发岸线。

3 结语

区域资源利用开发引发的自然资源枯竭、重要物种生境萎缩和生物多样性减少是当前我国经济社会可持续发展亟待解决的重要课题。基于物种生境保护探索构建的生态承载力评价技术方案，强调须在掌握规划项目资源开发利用类型、特点，并科学地确定规划区亟需保护的生态敏感目标及其空间分布格局的基础上，有针对性地开展规划项目的生态承载力评价，以促进评估技术改革与创新，提升成果的实用价值。

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Ecological carrying capacity evaluation on exploiting coastline for port construction in Xiamen Bay based on habitat protection

FAN Xiaoshan1, HE Ping1，2, JIA Jiao1，2, XU Yaoyao3,4,5, DONG Jingru6,7

1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.State Environment Protection Key Laboratory of Regional Eco-process and Function Assessment, Beijing 100012, China 3.Ministry of Education Key Laboratory of Virtual Geographic Environment (Nanjing Normal University), Nanjing 210023, China 4.State Key Laboratory Cultivation Base of Geographical Environment Evolution (Jiangsu Province), Nanjing 210023, China 5.Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China 6.College of Resource and Environmental Sciences, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050024, China 7.College of Earth Environmental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China

The evaluation of ecological carrying capacity is the important reference for optimizing the project plans and promoting the sustainable development of socio-economy and natural environment. However most of the available evaluation methods of ecological carrying capacity are incompetent in project pertinence. The methods are basically used to study the comprehensive and regional resource and environmental problems, but not suitable for assessing the sustainable carrying capacity of natural resource and eco-environment systems for specific types of project construction within the planning area. Taking Xiamen Bay as an example, the RS and GIS technologies were applied and the principle of ecological suitability evaluation used to constitute the evaluation index system and explore the ecological capacity evaluation technique for the coastal port development, based on coastline habitat conservation of important species and in combination of the constraint conditions for the development. The research can enhance the technical supports ability of the evaluation results in improving the project schemes, and promote to reform the ecological capacity evaluation technologies for project plans.

ecological carrying capacity;habitat;coastline;port;evaluation;project plan;technology

2016-11-15

国家环境保护公益性行业科研专项(201409100)；国家自然科学基金项目(41501581)

范小杉(1976—)，女，副研究员，博士，主要从事生态经济与环境管理领域研究，fanxs@craes.org.cn

*责任作者：何萍(1968—)，女，研究员，博士，主要从事流域生态研究，heping@craes.org.cn

X826

1674-991X(2017)03-0374-08

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.03.052

范小杉，何萍，贾娇，等.基于生境保护的厦门湾海岸线开发建港生态承载力评价 [J].环境工程技术学报,2017,7(3):374-381.

FAN X S, HE P, JIA J, et al.Ecological carrying capacity evaluation on exploiting coastline for port construction in Xiamen Bay based on habitat protection[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(3):374-381.