海洋学研究 >

2025 , Vol. 43 >Issue 2: 47 - 57

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-909X.2025.02.006

研究论文

海岛海岸带生态系统固碳服务功能:以洞头列岛土地利用变化影响评价为例

  • 常乐欣 , 1 ,
  • 朱伯仲 2 ,
  • 郭毛 3 ,
  • 李腾 2 ,
  • 龚芳 2 ,
  • 朱乾坤 2 ,
  • 白雁 , 1, 2, *
展开
  • 1.上海交通大学 海洋学院,上海 200030
  • 2.自然资源部第二海洋研究所,浙江 杭州 310012
  • 3.南方海洋科学与工程广东省实验室(广州),广东 广州 511458
*白雁(1979—),女,研究员,主要从事海洋碳汇计量遥感研究,E-mail:。

常乐欣(1999—),女,辽宁省沈阳市人,主要从事海洋遥感研究,E-mail:。

收稿日期: 2024-04-28

  修回日期: 2024-05-20

  网络出版日期: 2025-08-05

基金资助

浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划项目(#2023C03011)

国家自然科学基金(42176177)

收起

The carbon sequestration service function of island coastal ecosystems: A case study on the impact assessment of land use changes in the Dongtou Islands

  • CHANG Lexin , 1 ,
  • ZHU Bozhong 2 ,
  • GUO Mao 3 ,
  • LI Teng 2 ,
  • GONG Fang 2 ,
  • ZHU Qiankun 2 ,
  • BAI Yan , 1, 2, *
Expand
  • 1. School of Oceanography, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China
  • 2. Second Institute of Oceanography, MNR, Hangzhou 310012, China
  • 3. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 511458, China

Received date: 2024-04-28

  Revised date: 2024-05-20

  Online published: 2025-08-05

Fold

摘要

海岛生态系统具有资源特殊性和生态系统脆弱性,科学评估土地利用变化对海岛生态系统固碳等服务功能的影响,对海岛可持续发展管理具有重要意义。浙江省洞头列岛具有典型的海岛生态系统,经历了填海造陆等开发利用和蓝色海湾建设等保护修复的改造,可作为构建土地利用变化对海岛海岸带生态系统固碳等服务功能影响评估方法及探讨管理措施成效的良好样本。本研究以洞头列岛为例,构建了基于XGBoost算法的土地利用分类模型,获得了1988—2023年共12期(每3年1期)土地利用分类数据(精度91.52%)。在此基础上,计算了洞头列岛林地、盐沼和滩涂等主要生态系统固碳量变化;结合社会经济统计数据,构建了洞头列岛“经济发展-土地利用-固碳功能”耦合协调度模型,探讨了洞头列岛30多年发展过程中的经济和生态耦合协调度。研究结果显示,1988—2023年间,由于自然淤长以及人为围垦造陆等作用,洞头列岛陆域总面积增加了34.97%;主要生态系统总固碳量和净固碳量累计总量分别为49.45 万t和46.13 万t,基本呈现震荡上升趋势;固碳主要源于林地和滨海湿地(滩涂和盐沼),累计固碳量分别为25.44 万t和24.01 万t。洞头列岛的“经济发展-土地利用-固碳功能”在2006—2023年间耦合协调程度处于协调状态。整体上耦合协调度受到土地利用变化影响较大,生态修复工程可以提高土地利用和固碳功能的综合评价指数,进而提高整体的耦合协调度。本研究可为海岛海岸带社会经济发展和生态环境保护规划提供科学理论和数据支撑。

关键词： 土地利用; 卫星遥感; 长时序变化; 生态系统服务功能; 耦合协调度模型; 洞头列岛

本文引用格式

常乐欣 , 朱伯仲 , 郭毛 , 李腾 , 龚芳 , 朱乾坤 , 白雁 . 海岛海岸带生态系统固碳服务功能:以洞头列岛土地利用变化影响评价为例[J]. 海洋学研究, 2025 , 43(2) : 47 -57 . DOI: 10.3969/j.issn.1001-909X.2025.02.006

Abstract

Island ecosystems are characterized by resource specificity and ecosystem vulnerability, thus, the scientific assessment of the impact of land use change on the carbon sequestration and other ecosystem service functions of island ecosystems is of great significance to the sustainability management of islands. The Dongtou Islands in Zhejiang Province represents a typical island ecosystem that has undergone developmental utilization such as land reclamation and conservation-restoration initiatives like the Blue Bay Project. It serves as an ideal case study for establishing assessment methods of how land use changes affecting the carbon sequestration service function of island coastal ecosystems and others, and for exploring the effectiveness of management measures. In this study, a land classification model based on XGBoost algorithm was used to obtain land use classification data of the Dongtou Islands in 12 phases (3 years as a phase)from 1988 to 2023 (with accuracy of 91.52%). On this basis, the changes in carbon sequestration amounts of major ecosystems, including woodland, salt marshes, and tidal flats, in the Dongtou Islands were calculated. A coupling coordination degree model of “economic development-land use-carbon sequestration function” was constructed by combining the socio-economic statistical data, and the degree of coupling coordination between the economy and ecosystem of the Dongtou Islands for more than 30 years was explored. The study found that from 1988 to 2023, the total land area of the Dongtou Islands increased by 34.97% due to natural silt deposition and sea reclamation efforts. The cumulative total of ecosystem carbon sequestration amount and net carbon sequestration amount for the main ecosystems amounted to 49.45×104 t and 46.13×104 t, respectively, basically showing an oscillating upward trend. Carbon sequestration mainly resulted from woodland and coastal wetlands (including tidal flats and salt marshes), with cumulative carbon sequestration amount of 25.44×104 t and 24.01×104 t, respectively. The “economic development-land use-carbon sequestration function” coupling coordination degrees of the Dongtou Islands were in a coordinated state from 2006 to 2023. Overall, the coupling coordination degree is greatly affected by the land use changes. Ecological restoration projects can enhance the comprehensive evaluation index of the land use and carbon sequestration function system, and then improve the coupling coordination degree. This study can provide a scientific theories and data foundation for the socio-economic development and ecological environmental protection planning of the Dongtou Islands.

Key words： land use; satellite remote sensing; time series variation; ecosystem service function; coupling coordination degree model; Dongtou Islands

0 引言

海岛拥有丰富的林地和滨海湿地等碳汇资源,在生态系统固碳等服务功能以及支撑海洋经济高质量发展等方面发挥着重要作用。相对于陆地及开阔海洋,海岛环境容量有限,生态系统具有脆弱性,对人类的干扰高度敏感[1]。随着城市化发展与产业聚集,海岛土地需求不断增大。许多沿海国家和地区采用滩涂围垦等方式来扩大土地利用面积,这会导致生态系统承受极大的压力,进而影响生态系统服务功能的变化。因此,科学评估滩涂围垦、生态保护修复等人类活动引起的土地利用变化对海岛生态系统固碳等服务功能的影响并分析其耦合协调机制,是实现海岛可持续发展的重要需求。
浙江省洞头列岛是典型的海岛生态系统,过去36年间,该区域的岛屿开发利用方式经历了从单纯拓展土地利用空间到注重生态保护修复的转变,成为我国海洋经济发展和海洋生态文明建设的示范区,可作为认知海岛海岸带生态系统在人类活动压力下长时序变化的重要案例。已有学者对洞头列岛的岸线变化、生态资源环境评价等进行了研究。如隋玉正等[2]研究了2004、2008和2010年洞头列岛的填海造陆及岸线变化,发现在此期间的填海造陆主要分布在霓屿岛、洞头岛和状元岙岛等地区。向芸芸等[3]构建了洞头列岛海洋生态适宜性评价的空间分析模型。向芸芸等[4]还构建了洞头列岛资源环境承载力综合评价体系,认为该地区资源环境承载力状况较好。然而,在长时序年际尺度上, 洞头列岛土地利用变化特征及其对生态系统固碳服务功能的影响尚不清晰。
经济发展和生态环境之间存在复杂的互馈关系,目前已有不少研究通过构建经济发展-生态环境耦合模型来分析二者的协调性[5],并从互动效应与胁迫效应[6]、构建综合评价指标体系[7]等角度对耦合协调度这一概念进行了扩展延伸。由于缺乏基于长时序观测数据的系统性量化评价指标,当前针对社会经济发展与海岛生态系统服务功能等耦合评价模型的研究仍相对薄弱。
洞头列岛拥有丰富的生态资源,过去几十年,在开发利用、保护修复等高强度人类活动的影响下,其土地利用格局发生了显著变化,进而影响了区域内的生态系统固碳服务功能。本研究以洞头列岛为例,在构建土地利用变化遥感监测模型的基础上系统计算了洞头列岛生态系统的固碳量,并结合社会经济统计数据,探究了近36年来洞头列岛经济发展、土地利用格局和生态系统固碳服务功能三者之间的耦合协调关系,以期为海岛的可持续开发利用和生态保护修复管理提供科学支撑。

1 研究区及数据

1.1 研究区概况

洞头列岛隶属于浙江省温州市,位于浙江东南沿海瓯江出海口(图1),是亚热带海洋性季风气候区,全年雨水丰沛、光照充足、温暖湿润。洞头列岛由302个岛屿组成,海岸线长351 km。该区域无大河发育,仅在山体中部发育溪流向四周呈辐射状入海[8]。
图1 研究区域

Fig.1 Location of study area

1.2 数据来源与预处理

本研究收集了1988—2023年间共442幅洞头列岛Landsat系列遥感影像数据(条带号为118/041,云量阈值控制在40%以下)。通过Google Earth Engine(GEE)平台完成辐射定标、大气校正、影像裁剪及波段融合等遥感影像预处理流程。
本研究使用YANG等[9]研发的中国30 m分辨率逐年土地覆盖数据集。基于该数据集,提取了部分林地、耕地、不透水地表和内陆水体的像元作为土地利用分类模型的训练样本。
本研究采用的社会经济发展数据来源于《温州统计年鉴》[10]。

2 研究方法

2.1 土地利用分类遥感模型

2.1.1 模型训练匹配数据集构建

针对林地、耕地、不透水地表和内陆水体4类地物,本研究基于YANG等[9]发布的中国30 m分辨率逐年土地覆盖数据,首先通过GEE平台采用叠置分析方法提取该数据中保持长期稳定不变的这4类地物的空间分布范围。随后,在每类地物的稳定分布区内随机生成500个样本点(总计2 000个)。对于1988—2023年间的Landsat影像,以3年为间隔进行时段划分,通过GEE平台调用各时段内所有可用影像,采用中位数合成法生成12期合成影像。在此基础上,对前述2 000个样本点分别提取各期影像的遥感波段和各参数信息,构建4类地物的训练样本数据。
滩涂和盐沼地物样本数据直接来源于Landsat遥感影像。首先对1988—2023年期间的影像以3年为间隔划分时段,通过GEE平台获取各时段内所有可用影像数据,采用中位数合成法生成12期合成影像。然后,通过目视解译从各期影像中分别选取350个滩涂和350个盐沼典型样本点,并匹配相应遥感波段和各参数信息。
最终,合并形成样本点和遥感参数匹配的数据集,随机选取数据集中65%的数据作为训练样本,35%作为验证样本,输入到后续分类器中,用于构建洞头列岛土地利用分类遥感模型。

2.1.2 土地利用分类遥感模型构建

采用极限梯度提升(eXtreme Gradient Boosting, XGBoost)分类算法[11]对样本点和遥感匹配数据进行训练,构建洞头列岛土地利用分类遥感模型,并将该模型应用于此前预处理完成的442幅影像,得到每幅影像的土地利用分类结果。
对于内陆水体和不透水地表,直接基于中位数合成的12期影像进行判定;对于耕地、林地、盐沼和滩涂采取以3年为间隔,叠置所有被分为耕地、林地、盐沼和滩涂的像元,得到这4类地物的频次栅格数据,根据频次阈值判定对应的地物类型。最终得到洞头列岛1988—2023年共12期(每3年1期)土地利用分类结果。

2.1.3 土地利用分类精度评价

本研究借助哨兵二号(2015—2023年)、谷歌地图(1984—2023年)等更高空间分辨率的历史影像数据,通过目视解译的方式选取验证样本点,对每一期分类结果进行单独精度验证。针对林地、耕地、不透水地表和内陆水体等4类地物,每期均各选取500个验证样本点,且样本点空间分布均匀;针对滩涂和盐沼两类地物,每期各选取约350个验证样本点。最终合并形成针对每期分类结果的验证样本数据集,每期的验证样本总量保持在2 700个以上。
最后,通过计算混淆矩阵得到每期土地利用分类结果的分类总精度和Kappa系数[12]。检验结果显示,平均分类总精度为91.52%, Kappa系数为0.897,说明分类结果具有较高的可信度,可满足后续研究的要求。

2.2 海岛生态系统固碳量计算

本研究采用固碳速率法[13]计算滩涂、盐沼和林地的年固碳量,其计算公式为:生态系统土地利用类型面积乘以该类型单位时间、单位面积的固碳速率。耕地一般被认为是碳排放源,其碳排放量通过耕地面积与碳排放系数相乘计算[14],具体计算参考值见表1。最终,生态系统年净固碳量由总固碳量减去耕地碳排放量得出。
表1 洞头列岛不同土地类型固碳速率及碳排放系数表

Tab.1 Carbon sequestration rates and carbon emission coefficients of different land types in the Dongtou Islands

土地类型 参考值/(t·hm-2·a-1) 来源
滩涂 1.684 王法明等[15]
盐沼 1.670
林地植被 0.815 国家发改委、
国家统计局[13]
林地土壤 0.213
耕地 0.422 张润森等[16]
由于缺乏相关实测数据,且考虑洞头水产养殖类型多样,同时存在碳源和碳汇的可能,本次研究暂不将内陆水体列入固碳量计算。因此,本研究关注的固碳生态系统类型为具有较高固碳速率的林地、盐沼和滩涂。

2.3 洞头列岛“经济发展-土地利用-固碳功能”耦合协调度模型

2.3.1 指标体系建立

指标体系包括经济发展、土地利用和固碳功能三个子系统。其中,经济发展子系统包括:1988—2023年间洞头列岛的生产总值、人均生产总值、人均发展指数、第一产业增加值、第一产业发展指数、第二产业增加值、第二产业发展指数、第三产业增加值、第三产业发展指数和不透水地表面积,共10个指标;土地利用子系统包括:滩涂面积、内陆水体面积、盐沼面积、林地面积和洞头列岛总面积,共5个指标;固碳功能子系统包括林地固碳量、滩涂固碳量、盐沼固碳量和主要生态系统净固碳量,共4个指标。
参考相关研究将“每单位建成区土地面积产值”归类为“经济城市化”[7]、“建成区面积”归为“空间城市化”[17],本研究将“不透水地表面积”归类为“经济发展子系统”。由于主要生态系统净固碳量值可以反映耕地碳排放量带来的影响,“土地利用子系统”中并未包含 “耕地面积”。

2.3.2 耦合协调度模型计算

本研究基于洞头列岛经济发展数据、遥感数据反演获得的土地利用分类结果以及主要生态系统固碳量等长时序数据,构建“经济发展-土地利用-固碳功能”耦合协调度模型。模型通过19个参数组成的指标体系,采用指标标准化与归一化处理数据,采用熵权法确定各指标权重,使用线性加权法计算经济发展、土地利用与固碳功能系统的综合评价指数,最终计算得到耦合度C值、综合发展指数T值和耦合协调度D值[18],并参考舒小林等[18]关于耦合协调度的等级分类确定洞头列岛“经济发展-土地利用-固碳功能”耦合协调程度。

3 结果

3.1 长时序土地利用分类结果

图2和图3展示了1988—2023年洞头列岛6种土地利用类型面积和分布的变化。总体来说,1988—2023年期间洞头6种土地利用类型总面积增加了34.97%,洞头列岛不透水地表、滩涂及盐沼三类地物类型面积变化极大,显著高于其他地物类型。不透水地表与盐沼面积持续增长。在围海造地等海岸工程的影响下,滩涂不断向外淤积,导致近36年洞头列岛面积增加了约1/3;同时陆域一侧的滩涂侵占现象显著,逐步发展为耕地、内陆水体与不透水地表。
图2 1988—2023年洞头列岛6种土地利用类型的面积变化

Fig.2 Variation of 6 types of land use area in the Dongtou Islands from 1988 to 2023

图3 1988—2023年洞头列岛土地利用分布图

Fig.3 Land use types distribution of the Dongtou Islands from 1988 to 2023

1988—2014年滩涂面积呈缓慢震荡上升趋势,面积增加13.96%,2015—2017年滩涂面积达到峰值(51.32 km2),主要增加在灵昆岛、霓屿岛沿岸以及两岛之间海域,之后面积有所下降。2021—2023年盐沼面积达到峰值(21.53 km2),主要增加在灵昆岛沿岸。耕地相比于其他类型变化较小,2018—2023年是耕地面积高峰值时期(平均面积26.92 km2),主要增加在灵昆岛。2021—2023年与1988—1990年相比,林地面积下降6.66%,2003—2005年是林地面积低值时期(65.35 km2),主要在洞头岛和霓屿岛面积有所减少,但林地面积总体变化幅度较小。内陆水体以养殖水塘为主,面积经历了先增加再减少的变化过程,2009—2011年是内陆水体面积高峰值时期(13.01 km2),主要增加在灵昆岛和状元岙岛,2021—2023年与该时期相比面积下降45.00%。2021—2023年与1988—1990年相比,不透水地表面积增加161.52%,2015—2023年是不透水地表面积高峰值时期(平均面积58.32 km2),主要增加在灵昆岛、洞头岛和状元岙岛。

3.2 主要生态系统固碳量变化

1988—2023年洞头列岛生态系统固碳量变化情况见表2。从整体上看,1988—2023年,洞头列岛主要生态系统总固碳量和净固碳量均呈现震荡上升趋势,在过去36年间累计固碳量分别为49.45 万t和46.13 万t。1991—1993年由于滩涂和林地分别转化为内陆水体和不透水地表,固碳生态系统面积降低,固碳总量达到最低点,年总固碳量为1.18万t。2015—2017年是固碳量的高峰值时期,年总固碳量为1.71 万t,净固碳量为1.62 万t。主要变化原因是2015—2017年灵昆岛、霓屿岛和状元岙岛沿岸滩涂和盐沼面积大幅度增加,导致固碳量增加。随着生态修复工程的开展,2015—2017年盐沼和滩涂的年固碳量分别是1991—1993年的3.13倍和1.93倍。
表2 1988—2023年洞头列岛固碳量

Tab.2 Carbon sequestration amount in the Dongtou Islands from 1988 to 2023 单位:×103t·a-1

年份 固碳量 总固碳量 净固碳量
林地 滩涂 盐沼 耕地
1988—1990 7.47 5.83 0.28 -0.92 13.58 12.66
1991—1993 6.82 4.49 0.47 -0.90 11.77 10.87
1994—1996 7.34 4.71 0.60 -0.86 12.65 11.79
1997—1999 7.44 4.41 0.59 -1.04 12.43 11.39
2000—2002 7.35 5.49 0.21 -0.82 13.06 12.24
2003—2005 6.72 4.95 0.34 -0.80 12.00 11.20
2006—2008 6.86 6.26 0.46 -0.83 13.59 12.75
2009—2011 6.93 6.47 0.77 -0.94 14.17 13.23
2012—2014 6.92 6.65 0.55 -0.79 14.12 13.33
2015—2017 6.97 8.64 1.47 -0.87 17.09 16.22
2018—2020 6.99 6.36 1.31 -1.12 14.66 13.55
2021—2023 6.97 5.14 3.60 -1.16 15.71 14.55

注:固碳量四舍五入到小数点后两位。表中数值均为3年平均值。

主要生态系统净固碳量的整体变化趋势和总固碳量相似,但受到耕地碳排放的影响,每年净固碳量的变化有所不同。2018—2023年是耕地碳排放的高峰值期,该时期耕地受到填海造陆影响,灵昆岛耕地向东南方向扩张,耕地面积增大导致年碳排放量增大。
洞头列岛生态系统固碳量主要来源为林地和滨海湿地(滩涂和盐沼)。过去36年间,绿碳库(林地)和蓝碳库(滩涂和盐沼)累计固碳量分别为25.44 万t和24.01 万t。整体上看,蓝碳库固碳量在不断增加,其中2015—2017年间为最高峰值时期,年固碳量为1.01 万t;绿碳库固碳量的波动较大,2021—2023年的绿碳库固碳量低于1988—1990年。

4 讨论

4.1 土地利用变化对滨海湿地的影响

滨海湿地滩涂和盐沼是洞头列岛的重要生态资源,而滩涂围垦是洞头列岛补充和扩大土地资源的重要途径。其中,灵昆岛与霓屿岛之间的海域是主要填海围垦地区。图4为1988—2023年部分相对低潮位时灵昆岛的原始遥感影像(标准假彩色)。从图中可以看到灵昆岛在不断淤长,且围垦、水产养殖等土地利用变化非常显著。因此,本节主要以灵昆岛为例,分析土地利用变化对滨海湿地的影响。
图4 灵昆岛Landsat遥感影像(标准假彩色)

Fig.4 Landsat satellite images of Lingkun Island (standard false color)

用12期土地利用变化遥感结果计算相邻2期的灵昆岛以滩涂和盐沼为中心的土地利用转移,结果如图5所示。2000年以前,灵昆岛东南侧沿岸分布了滩涂和盐沼,且随着湿地淤长推进,原来的滩涂不断被生长的盐沼替代(图5a和5b中的红色)。从2000年起,灵昆岛东南部开始围塘进行水产养殖活动,以2006—2011年间最为显著(图5d中的蓝色)。2012—2017年间,灵昆岛水产养殖区(1.58 km2)被新建的不透水地表填充,东南沿岸的大面积滩涂(5.06 km2)也转变成不透水地表(图5e中的绿色)。2018—2023年,生态保护修复工程逐见成效,滨海湿地恢复到正常的淤积和演化,灵昆岛东南沿岸滩涂(9.62 km2)在淤长过程中被不断生长的盐沼替代(图5f中的红色)。上述土地利用变化情况与洞头列岛整体发展建设相吻合。2011年,瓯江口新区开发建设管理委员会正式运行,灵昆岛、霓屿岛以及两岛之间的城市围垦区成为瓯江口新区。该区域进行了一期围垦建设与二期促淤和吹填建设,依托水网和路网建设城市空间,并在内部河岸辟筑滨河绿带。因此,灵昆岛东南部土地利用分布规整,总体形状呈网格状(图5e中的绿色),在网格状土地周围有河流穿行,部分河流沿岸有内陆滩涂。
图5 1988—2023年灵昆岛滨海湿地转移图

(由相邻2期土地利用分布图进行计算,12期数据共获得6幅转移图。)

Fig.5 Transfer map of coastal wetlands of Lingkun Island from 1988 to 2023

(Calculated from two adjacent phases of land use distribution maps, a total of 6 transition maps were derived from 12 phases of data.)

总体上,就滨海湿地变化而言,灵昆岛东南部沿岸始终生长盐沼。1988—1999年是正常生长期,盐沼自然生长,盐沼面积稳步增长(增加1.10 km2);2000—2008年是生长缩减期,主要受到灵昆岛东南沿岸水产养殖的影响,盐沼增长面积较少(仅增加0.38 km2);2012—2023年是生长恢复期,随着水产养殖的消失,灵昆岛沿岸盐沼再次恢复并大幅度增加(增加16.60 km2)。

4.2 洞头列岛“经济发展-土地利用-固碳功能”耦合协调度变化分析

采用熵权法计算获得经济发展、土地利用、固碳功能三个子系统指标的权重(表3),通过线性加权法计算得到各个系统的综合评价指数(表4),进而计算得到模型的耦合度C值、综合发展指数T值和耦合协调度D值(图6),最后参考耦合协调度等级划分标准获知洞头列岛不同时间段的“经济发展-土地利用-固碳功能”耦合协调程度。
表3 耦合协调度模型的三大系统及指标权重

Tab.3 The weight of each indicator of three systems in the coupling coordination degree model

系统 指标 权重/%
经济发展 生产总值 11.93
人均生产总值 11.73
发展指数 3.57
第一产业增加值 5.40
第一产业发展指数 4.75
第二产业增加值 13.31
第二产业发展指数 6.43
第三产业增加值 12.49
第三产业发展指数 22.65
不透水地表面积 7.73
土地利用 滩涂面积 17.70
水体面积 17.29
盐沼面积 29.81
林地面积 13.65
总面积 21.55
固碳能力 林地固碳量 18.02
滩涂固碳量 23.41
盐沼固碳量 39.42
主要生态系统净固碳量 19.14

注:权重值四舍五入到小数点后两位。

表4 洞头列岛“经济发展-土地利用-固碳功能”三大系统综合评价指数及耦合协调度等级划分

Tab.4 Comprehensive evaluation index of three systems and the classification result of the coupling coordination degree

年份 系统综合评价指数 等级 耦合协调
程度
经济发展 土地利用 固碳功能
1988—1990 0.01 0.23 0.33 4 轻度失调
1991—1993 0.14 0.06 0.06 2 严重失调
1994—1996 0.13 0.18 0.25 5 濒临失调
1997—1999 0.13 0.19 0.23 5 濒临失调
2000—2002 0.13 0.28 0.26 6 勉强协调
2003—2005 0.21 0.15 0.06 3 中度失调
2006—2008 0.20 0.31 0.23 6 勉强协调
2009—2011 0.27 0.47 0.31 8 中级协调
2012—2014 0.56 0.36 0.30 8 中级协调
2015—2017 0.48 0.60 0.63 10 优质协调
2018—2020 0.59 0.55 0.40 9 良好协调
2021—2023 0.68 0.64 0.63 10 优质协调

注:综合评价指数四舍五入到小数点后两位。

图6 1988—2023年洞头列岛“经济发展-土地利用-固碳功能”耦合协调度模型指数变化

(图中数据均四舍五入到小数点后两位。)

Fig.6 Time-series variation of the key indexes of coupling coordination degree model in the Dongtou Islands from 1988 to 2023

(All data in the figure are rounded to two decimal places.)

本研究中,耦合度C值越大,代表三个系统之间的离散程度越小;综合发展指数T值代表三个系统的整体效益或水平;耦合协调度D值是三个系统协调发展水平的定量指标[19]。
整体上看,耦合协调度模型中的C值、T值和D值均呈现上升趋势,2021—2023年间耦合协调程度达到优质协调状态。
1988—1990年间土地利用和固碳功能子系统综合评价指数(0.23和0.33)较高,但经济发展子系统综合评价指数(0.01)较低,因此造成轻度失调。1991—1993年情况则与之相反,经济发展子系统综合评价指数(0.14)升高,但因为滩涂和林地面积减少,土地利用和固碳功能子系统综合评价指数(0.06和0.06)降低,造成严重失调。
2003—2005年间耦合度C值、耦合协调度D值和综合发展指数T值均发生不同程度的降低,主要是因为2003—2005年间滩涂、内陆水体和林地面积减少导致土地利用和固碳功能子系统的综合评价指数下降。2003年,洞头列岛的灵霓大堤开始施工,受城市发展政策影响,进行填海造陆。2003—2005年间,林地面积达到36年间的最低值(65.35 km2),减少地区主要为洞头岛、大三盘岛等地。滩涂、内陆水体和林地面积的减少导致2003—2005年土地利用和固碳功能子系统综合评价指数降低。但同时期经济发展子系统中多个指标增高,带动整体经济发展综合评价指数增高,三个系统之间差距拉大,因此C值、D值和T值均降低。
2015—2017年为关键时间节点,该时期耦合协调度程度首次从中级协调进入优质协调状态。在该时期内,土地利用和固碳功能子系统的综合评价指数增长幅度较大。2016年洞头区成为全国首批蓝色海湾整治试点单位,通过海岸带生态修复、滨海湿地生态修复、海岛海域生态修复等工程,提升了洞头列岛及周边海域的生态环境质量。土地利用子系统中的滩涂面积在该时期增长至36年间的最大值(51.32 km2),滩涂主要增加在灵昆岛和霓屿岛之间、霓屿岛北部沿岸等地。在该时间段,盐沼面积也大幅度增加(增长率166.85%),主要增加在灵昆岛东南沿岸、大门岛南部、霓屿岛北部等地。滩涂和盐沼面积的增加带动了土地利用和固碳功能子系统的综合评价指数大幅度增加,耦合协调程度达到优质协调状态。
2018—2020年,耦合协调度下降。该时期由于固碳功能子系统中的滩涂固碳量和主要生态系统净固碳量两个指标大幅度下降导致子系统的综合评价指数下降0.24,进而导致整体耦合协调程度下降至良好协调。
值得注意的是,2021—2023年间,耕地碳排放量最大,但该时期固碳功能子系统的综合评价指数(0.627)与2015—2017年(0.634)相近。这是由于该时期盐沼固碳量的增加弥补了耕地碳排放量对净固碳量的负面影响。因此,该时期的耦合协调程度依旧保持优质协调。
整体上看,洞头列岛“经济发展-土地利用-固碳功能”的耦合协调度受到土地利用子系统的影响较大。在过去的36年间,洞头列岛社会经济状况越来越好,经济发展子系统主要呈现上升趋势,但是土地利用和固碳功能子系统会随着不同政策影响而发生变化。在填海造陆阶段,沿岸滩涂、盐沼面积减少,滩涂和盐沼的固碳量降低,导致土地利用和固碳功能子系统综合评价指数降低,最终降低整体耦合协调度。当耕地在填海造陆后扩张,碳排放量随之增加,但如果同时期其他土地利用类型的固碳量增加,则可弥补耕地碳排放量对主要生态系统净固碳量的负面影响,进而维持固碳功能子系统的综合评价指数,避免影响整体耦合协调度。在洞头列岛进行蓝色海湾等生态修复工作后,滨海湿地生态环境不断改善、滨海湿地面积不断增加,进而土地利用和固碳功能子系统综合评价指数也不断增加,整体耦合协调程度也越来越好。

5 结论与展望

5.1 主要结论

1)洞头列岛由于受自然淤长以及人为围垦造陆等作用影响,1988—2023年间洞头列岛6种土地利用类型总面积增加了34.97%。
2)洞头列岛主要生态系统总固碳量和净固碳量均呈现上升趋势,固碳量主要来源为林地和滨海湿地(滩涂和盐沼),滨海湿地虽然面积远小于林地,但其固碳量与林地的基本相当。
3)随着生态修复工程的实施、滨海湿地(滩涂和盐沼)面积的增加,土地利用和固碳功能的综合评价指数也逐渐增高,经济发展-土地利用-固碳功能耦合协调程度逐步进入优质协调状态。

5.2 研究展望

本研究可为相关海岛海岸带社会经济发展和生态环境保护规划提供科学理论和数据支撑,后续还需要进一步收集数据,改进模型并深化对相关机理的研究,主要包括:
1)后续工作还需提高长时序基础数据的可获取性,获取更多的指标,以更准确、全面地了解和分析洞头列岛在长期发展过程中的耦合协调度变化情况。
2)本研究使用了文献来源的单一系数——生态系统固碳速率,存在一定的不确定性,后续工作还需进行更多的实地测量,以获得更精细化的评估结果。
3)近年来滨海湿地受互花米草入侵及人为清除活动等影响较大,后续还需细化对盐沼植被类型分类的研究,探讨生物入侵情况及其影响。
4)海水也是重要的固碳生态系统,具有极大的固碳潜力,后续还需要考虑人为活动引起的海域使用变化对海湾和近海生态系统固碳量和生态系统服务价值的影响。

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