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城市化条件下海岛生态安全动态评价——以中国东南沿海平潭岛为例

Sheng Gao1 · Huihui Sun2 · Guangxi Cao3 · Lin Zhao1 · Runjie Wang1 · Min Xu1

摘要：对平潭岛2005—2011年的生态安全状况进行了动态评价。 结果表明平潭岛的生态状况不断改善，环境质量不断优化，特别是在2009-2012年。利用主成分分析法对平潭岛的生态安全的驱动力进行了分析。平潭岛的驱动力，状态，响应决定了其生态安全。这种影响在2011年是显而易见的。主成分综合得分趋势与平潭岛生态安全动态图一致。本研究可以丰富海岛环境评价的实证案例和相关理论体系。同时，可以为国内外同类岛屿生态安全状况的评价方法和最优控制策略提供参考。

关键词: 生存环境，城市化进程，生态安全评价，驱动力分析，平潭岛

导言

社会经济的发展提高了人们对生态环境的需求，增加了人们对生态安全问题的关注（Borja et al.2008）平潭岛的生态安全受到重视，但该岛的生态安全形势依然脆弱。特别是，人类发展活动的加剧对岛屿的生态安全问题产生了重大影响。我国的生态安全问题在国内外得到了广泛的研究，而针对平潭岛的研究却很少。岛屿是脆弱的地区，具有稳定性小、灵敏度高的特点。如果外部干扰超过维持岛屿环境稳定的阈值，则会发生突然恶化（De et al. 2010; Rombouts et al. 2013）。因此，对生态安全的研究重点在于掌握海岛生态安全状况，采取有效措施，及时维护良好的生态环境。基于灰色系统模型和神经网络模型，建立了海岛生态安全指标体系，预测了海岛生态安全的发展趋势（Zhou et al. 2016）。从景观、工程技术、生态环境和社会经济等方面探讨了生态安全（Jones et al. 2010）。因此，应建立生态服务评价指标体系，并建立其评价标准和方法，确定权重（Huang et al. 2017）。一个基于压力状态响应模型的评价指标体系已经被建立了。采用综合指数法计算生态安全指数，并对生态安全进行时空分析（Ciftcioglu et al. 2017）。进行驱动力分析（Cao et al. 2017），并建立了从可持续性角度评估生态状况的易于使用的指数（Esperanza et al. 2017）。

综合指数法可以对各级生态安全状况进行评价。该方法具有综合性、完整性和层次性等优点。然而，它的因素分层和权重不能准确反映生态安全和过渡特征的逐步变化，不能简化问题，不能反映系统的性质（Han 2017）。主分量投影法克服了信息的重叠，旨在确定相对位置和安全等级。但是，只能通过对结果进行排序来理解被评估对象的顺序。无法确定被评估对象的级别（Suo et al. 2016）。这种方法忽略了科学判断和决策的结果以及指标的实际意义。这种情况的权重可以很容易地决定反方的实际重要性。灰色关联法不需要系统参数，适用于生态安全系统（Zhang et al. 2016）。该方法克服了常用数理统计方法的局限性，但分辨率的确定是主观的。

平潭市城市化的大规模发展和扩张，社会经济发展的矛盾，资源环境保护等问题较为突出。它们带来了一系列的生态和环境问题。因此，应揭示平潭岛的生态安全动态特征，分析快速城市化的驱动力。本研究旨在确定影响该岛生态安全的主要因素，为该岛的环境保护和可持续发展提供理论依据和政策支持。建立了一套完整的评价分析与响应系统。动态评估生态安全状况，确定生态安全的驱动力，提出生态安全维护的对策。

1研究区概况

平潭岛南北长29公里，东西宽19公里。海岸线面积408公里，总面积267.13平方公里。该岛是中国第五大岛，也是福建最大的岛。它的面积是香港的四倍，厦门的两倍，新加坡的一半以上。岛位于北纬25°16′-25°44′N，东经119°32′-120°10′E（图1）。

平潭岛预计将发展成为台湾海峡西海岸生态宜居的新岛屿城市，人口规模预计将达到100万。

图1 平潭岛地理位置

2数据和方法

2.1数据

本研究选取平潭岛2005-2015年自然环境和社会经济指标进行定量评价和生态安全分析。因此，可以评估平潭岛生态安全的动态变化，以及平潭岛在过去11年的进一步发展，并探索平潭岛生态环境的可持续状态。指标数据主要来源于平潭岛统计年鉴、平潭岛建设规划、平潭县土地记录、福州市统计局公报及相关统计数据。生态脆弱性评价指标体系由SOPAC（UNEP 2002）和其他用于海岸带和城市生态系统综合评价的框架指标体系（Song et al. 2010; Ye and Guo 2012; Xu et al. 2014）使用。最后选择了70个反映平潭岛生态安全主要特征的因子。建立了“动力-压力-状态-影响-响应”（DPSIR）模型，用于平潭岛的生态安全评价。

2.2方法

2005-2015年期间的指数数据用于形成样本判断矩阵[x11times;70]。采用标准差变换法得到标准矩阵[Y11times;70]，得到矩阵和数据归一化。采用层次分析法（AHP）和熵权法综合评价70个生态安全评价指标。目标层是生态安全指标。标准水平指标包括驱动力，压力、状态、影响和响应。五个指标的AHP权重分别为0.219、0.107、0.423、0.071和0.18。在70个评价指标中，选取熵均值大于0.01的34个指标。建立了生态安全评价指标矩阵[x11times;34]，重新计算了新熵权重和变异系数法。综合指数法是利用（Wei et al. 2014）中的模型对分散的信息进行综合，从而获得有关物体特征的信息。确定了相应层次中每个索引的权重和系统总层次的总排序权重。采用线性加权法计算了D、P、S、I、R五个指标，并对生态系统进行了评价，得出了安全综合评价指标。在生态安全评价指标体系中，某个变化值较大的指标提供了大量的信息，在生态安全评价中发挥了重要作用。使用熵和层次分析法确定组合权重时，权重值应较高。结果与来自70个指标的delphy fa结合，34个重量大于0.01的指标形成样本矩阵[x11times;34]。共获得11个评价项目，每个项目包含34个评价指标。标准化后得到矩阵[Y11times;34]。计算34个评价指标的新熵权[Y11times;34]得到[Z11times;34]的权重。利用主分量投影计算矩阵z及其转置zt（Wu et al. 2012a, b）获得新的矩阵[n34times;34]。理想的决策向量是构造并计算了投影值指数（PVI）。根据样本预测值的大小，可以得到2005-2015年平潭的生态系统健康状况。预测值越大，区域生态安全水平越高；预测值越小，区域生态安全水平越高。采用样本矩阵[x11times;34]的变异系数法计算归一化矩阵[y11times;34]，得到变异系数权重。在新熵权34个指标的基础上，得到了一个新的组合权重，并利用灰色关联指数（GCI）对生态安全性进行了评价（Zhang et al. 2008）。相关性高，说明比较序列与参考序列的关系密切。这种关系直接反映了评价指标对生态系统的贡献。根据大量的参考文献，虽然评价指标体系不同，评价指标的数量也不同，但Essai和灰色关联度指标评级基本分为五个等级。参照分类生态安全水平法，现有生态安全水平（Fan等人2016；Li等人2015年；Linstaedter等人2016；Wang等人2014；Wu等人以及平潭岛的实际情况。生态安全等级分为五级，见表1。

在生态安全状况客观评价结果的基础上，运用主成分分析法对影响PI生态安全的因素进行了研究。生态安全变化的主要原因进行了分析。准确提取了平潭岛的生态安全因子，考察了平潭岛与社会经济可持续发展的相互作用。研究结果为相关研究提供了客观依据。加强综合试验区生态建设和环境保护的政策建议。

表1 生态安全分类标准

3、结果与分析

3.1生态安全综合评价

以70个评价指标的熵权和层次分析法权重为基础，采用综合指数法计算平潭岛综合指数。在对34个评价指标的新熵权重新评价的基础上，采用主成分投影法对平潭岛生态安全进行评价。计算了34个评价因子的变异系数权重，并将其与新熵权权重相结合。利用灰色关联法计算了平潭岛生态安全的相关度。计算结果见表2。其中，x1-x6指数属于压力驱动力，x7-x9指数属于压力，x10-x18指数属于状态，x19-x23指数属于冲击，x24-x34指数属于响应。

图2表明，驱动力因子和影响因子在12年内是稳定的。驱动力指数在2005年最低为0.0639，而2014年最高为0.1159。虽然总体趋势在上升，但变化不大。压力系数在2005-2010年保持稳定。2010-2012年有明显变化，2005年最小压力指数仅为0.004，2012年为0.1375。平潭综合试验区成立前生态环境压力较小，但2009年快速发展后，压力指数有所上升。状态因子的变化趋势与压力因子的变化趋势非常相似，因为它在2009-2011年也显著增加并达到最大值0.2293。

表2 平潭岛生态安全评价指标体系及权重

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