中国环境科学 2017,37(3)：1188~1200 China Environmental Science
海岛生态系统承载力空间分异性评估
——以庙岛群岛南部岛群为例
池源1，石洪华1*，王媛媛2，郭振1，麻德明1 (1.国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛 266061；2.青岛理工大学环境与市政工程学院，山东青岛 266033)
摘要：构建了一套能够反映陆海双重特征及其空间分异性的海岛生态系统承载力评估模型，以庙岛群岛南部岛群为研究区开展应用.结果显示：研究区生态系统总体上处于轻度超载状态，其中岛陆子系统为轻度超载，环岛近海子系统为临界超载.不同海岛中，南长山岛、北长山岛和庙岛为轻度超载，小黑山岛和大黑山岛为临界超载，其他5个海岛为可载.空间分布上，海岛生态系统承载力表现出了显著的异质性特征，不同承载力等级分区面积由大到小依次为临界超载区、轻度超载区、可载区、中度超载区和重度超载区.控制建设规模、优化开发布局、改进利用方式以及开展合理的生态建设，是提升海岛生态系统承载力的重要途径.
关键词：海岛生态系统；承载力；空间分异性；陆海特征；不同尺度；庙岛群岛南部岛群
中图分类号：X171 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2017)03-1188-13
Evaluation on spatial heterogeneity of island ecosystem carrying capacity — A ca study of southern Miaodao Archipelago. CHI Y uan1, SHI Hong-hua1*, W ANG Y uan-yuan2, GUO Zhen1, MA De-ming1 (1.The First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China；2.School of Environmental and Municipal Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266033, China). China Environmental Science, 2017,37(3)：1188~1200 Abstract：An evaluation model of island ecosystem carrying capacity which can reflect the dual characteristics of land and surrounding waters and their spatial heterogeneities was established, and southern Miaodao Archipelago was ud as the study area. The island ecosystem was in status of mild overloading as a whole, with land sub-ecosystem in status of mild overloading, and surrounding waters sub-ecosystem in status of critical overloading. In island scale, Nanchangshan Island, Beichangshan Island and Miao Island were in status of mild overloading, Xiaoheishan Island and Daheishan Island were in status of critical overloading, and other 5islands were in status of no overloading. In grid scale, the island ecosystem carrying capacity had a significant spatial heterogeneity, and the different carrying capacity degree zones were critical overloading zones, mild overloading zones, no overloading zones, moderate overloading zones and vere overloading zones in descending order of areas. Control of exploitation scale, optimization of development allocation, improvement of exploitation methods, and reasonable ecological construction were the important measures to enhance the island ecosystem carrying capacity.
Key words：island ecosystem；carrying capacity；spatial heterogeneity；characteristics of land and surrounding waters；different scales；southern Miaodao Archipelago
近几十年来，承载力概念由自然生态系统的种群承载力到引入人类干扰的资源环境承载力，又发展至生态系统承载力[1].海岛是重要生态功能的贮存库，是维护国家权益的重要平台，也是人类居住生活的载体以及保护与利用海洋的支点[2-4]，海岛生态系统是包含了岛陆和环岛近海两个子系统的自然和人文因子相互联系、相互作用形成的生态系统[4].由于特殊的位置、有限的规模和明显的隔离，海岛生态系统具有显著的脆弱性，主要表现在其面临干扰时更容易受到损害，且难以通过自身调节能力恢复[5-7].随着人类活动的日益频繁，海岛生物多样性受到威胁，生态系统收稿日期：2016-06-26
基金项目：海洋公益性行业科研专项(201505012)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目(2015G13,2014G18)
* 责任作者, 副研究员, shihonghua@fio
3期池源等：海岛生态系统承载力空间分异性评估 1189
生产力趋于下降，景观格局发生显著变化[8-10]，海岛生态系统的承载力问题逐渐引起关注.
全面地评估海岛生态系统承载力，首先要考虑其陆海双重性.岛陆子系统具有陆地生态系统的一般特征，
其生物群落和生境与大陆基本相似[11-12]，环岛近海子系统拥有海洋生态系统的特征.二者差异明显但又相互联系，实现岛陆和环岛近海生态系统承载力在空间上的统一是个重要课题.另外，我国海岛往往集群分布，形成岛群，岛群中各岛具有较为一致的地质背景和自然条件，但在面积、形状等基础地理信息上存在较大不同[13]，海岛内部在地形和土壤因子等方面也具有一定的空间差异，再加上人类活动在海岛之间和海岛内部的非均质发展，造成海岛生态系统承载力具有明显的空间分异性.当前，诸多学者从不同角度、针对不同生态系统进行了承载力评估方法构建和案例研究工作[14-16]，也建立了专门的海岛承载力评估方法[17-18]，但目前的方法均未涉及或难以充分反映海岛生态系统的陆海特征及其空间分异性.
因此，本文以我国北方典型海岛群——庙岛群岛南部岛群为研究区，构建一套能够反映陆海双重特征及其空间分异性的海岛生态系统承载力评估模型并开展评估，以期阐明海岛生态系统承载力的空间变化规律，为合理开发利用海岛、维护海岛生态平衡提供依据，也为全国海岛生态系统承载力评估提供一定参考.
1研究区概况
如图1所示，庙岛群岛南部岛群位于山东半岛北侧，黄、渤海交会处，是长岛国家级自然保护区的重要依托.该区域属于东亚季风气候区，年均气温12.0℃，年均降水量约537mm，年均日照时数2612h.
海岛均属于基岩岛，最高点海拔约为189m，以剥蚀丘陵为主要地貌类型；土壤以棕壤为主，多砂砾，土质较差[19].庙岛群岛南部岛群是长岛县政治、经济、文化中心，城镇建设程度相对较高，海水养殖区广布，交通运输频繁，但空间上又存在显著差异，这使得海岛生态系统面临较大的压力，但又存在着明显的空间分异性.评估海岛包括南长山岛、北长山岛、庙岛、小黑山
岛、大黑山岛5个有居民海岛和挡浪岛、螳螂
岛、羊砣子岛、牛砣子岛和南砣子岛5个面积
较大(大于0.02km2)的无居民海岛；根据海岛人
类活动主要影响区域，以海岛轮廓最外侧点向四
周延伸2km构成矩形，作为环岛近海的研究范围,
其中岛陆总面积约31.71km2，环岛近海总面积约
255.04km2.
120°36′E 120°39′E 120°42′E 120°45′E 120°48′E
38
°0
′N
37
°5
7′
N
37
°5
4′
N
0 1 2
km
图例
enternet
1 南长山岛
2 北长山岛
有居民海岛
3 庙岛
4 小黑山岛
5 大黑山岛
无居民海岛
6 挡浪岛
7 螳螂岛
nervousness8 羊砣子岛
9 牛砣子岛
10 南砣子岛
图1 研究区示意
Fig.1 Map of study area
2研究方法
2.1评估模型
2.1.1指标体系基于海岛生态系统典型特征
和我国海岛实际状况，构建海岛生态系统承载力
评估指标体系，如表1所示，共包含2个一级指
标,9个二级指标.
2.1.2指标计算方法(1)开发强度：岸线开发
强度(I11)计算方法:
111111
波兰语言/L T
I I I
= (1) 式中:I11L为海岛人工岸线长度;I11T为海岛岸线总
长度.
岛陆开发强度(I12)计算方法:
1212C12
/T
I I I
= (2) 式中:I12C为岛陆开发利用规模;I12T为岛陆总面
积.I12C的计算公式为:
n
12C
1
IA i i
i
I
=
=∑ (3) 式中:IA i为第i类岛陆利用类型面积;IF i为第i
1190 中 国 环 境 科 学 37卷
类岛陆利用类型的生态系统影响系数.不同岛陆利用类型的生态系统影响具有差异，交通用地不仅深刻改变海岛地表形态，破坏生物栖息地和群落结构，割裂自然景观，还通过船舶、车辆排放污染物等方式对海岛带来持续的影响[4]；建筑用地同样具有上述影响，但其往往连片分布，形状规整[20]，且在运营期产生的污染物相对较少；广场和晒场的影响主要表现在侵占生物栖息地并破坏群落结构，同时一定程度的改变地形和景观格局；农田开垦将自然界的植物改造成大面积种植的特定农作物，改变植物群落结构，影响生物多样性[21]；人工林建设能够帮助维持海岛生态系统稳定性，但会对原生植物群落构成威胁，实质
上也是一种人为干扰[22-23].如表2所示，根据不同岛陆利用类型对自然生态系统的影响特点，得到其影响系数.
表1 海岛生态系统承载力评估指标体系
Table 1 Evaluation indices system of island ecosystem carrying capacity
指标层
institution
目标层
一级指标
二级指标
指标类型
含义
岸线开发强度(I 11) T 人工岸线长度占岸线总长度的比例
岛陆开发强度(I 12) T
岛陆利用类型、规模、分布及其对自然生态系统的影响程度 开发强度(I 1)
海域开发强度(I 13) S
用海方式、规模、分布及其对海洋生态系统的影
响程度 岛陆净初级生产力(I 21) T 岛陆子系统的活力 岛陆植物多样性(I 22) T
岛陆子系统的稳定性 岛陆土壤质量 (I 23) T 岛陆子系统的物质基础
环岛近海初级生产力(I 24) S 环岛近海子系统的活力 环岛近海浮游植物多样性(I 25) S
环岛近海子系统的稳定性
海岛生态系统承
载力
生态状况(I 2)
环岛近海海水水质 (I 26) S 环岛近海子系统的污染状况
注：指标类型中T 表示岛陆指标,S 表示环岛近海指标.
表2 岛陆利用类型的影响系数
Table 2 Influence coefficients of island u types
岛陆利用类型 改变地表形态
割裂自然景观
asmuchas
侵占生物栖息地影响生物群落结构
排放污染物
影响系数
交通用地 ★ ★ ★ ★ ★ 1.0 建筑用地 ★ ☆ ★ ★ ☆ 0.8 广场和晒场
☆ ☆ ★ ★ ○ 0.6 农田 ☆ ○ ☆ ★ ○ 0.4 人工林
○
○
○
★
○ 0.2
注:★为有显著影响，取值0.2;☆为有一定影响，取值0.1;○为基本无影响，取值0.下同.
海域开发强度(I 13)计算方法:
1313C 13/T I I I = (4)
式中:I 13C 为海域开发利用规模;I 13T 为海域总面积.I 13C 的计算公式为: 131SA SR n
C i i
i I ==×∑
(5) 式中:SA i 为第i 类用海方式面积;SR i 为第i 类用海方式的生态系统影响系数.用海方式是根据海域使用特征及对海域自然属性的影响程度划分的海域使用方式.建设填海造地和非透水构筑物的施工工艺类似，其直接改变海域面积、海底地形等自然属性，显著影响水动力和泥沙冲淤环境,
侵占生物栖息地，施工期排放污染物[24-25].围海养殖改变自然生境，影响生物多样性和近海水沙环境，一定程度地破坏海底地形，并带来大量的污染
物排放[26-27]，而开放式养殖的影响主要表现在改
3期 池 源等：海岛生态系统承载力空间分异性评估 1191
变群落结构和排放一定污染物，与围海养殖相比较小[4,28].跨海桥梁对地形地貌、水动力、生物栖息地等均具有一定影响[29]，主要是由桥墩建造带来的，而桥墩的空间仅占跨海桥梁全部用海面积的小部分，且分散分布，其生态系统影响相对较
小[30-31].海砂开采对采砂区的地形地貌带来直接影响，但由于动态补偿作用，本研究区的采砂工程对海底地形的影响总体不大[32]，同时一定程度地影响水沙环境[33].透水构筑物、港池和海底电缆等用海方式从不同方面对海洋生态系统构成影
响，但影响总体较小.此外，与岛陆不同的是，海水的流动性使海域开发利用不仅对其占用海域产生影响，同时会对周边海域带来一定影响[34]，根据用海方式的不同，其影响程度也具有差别.研究发现，围填海等用海活动对200m 以内的海域影响较明显，之后随着距离的增加影响逐渐减小[35].分别对用海活动占用海域0,0~200,200~500, 500~1000m 范围的影响进行评估.如表3所示，根据不同用海方式的生态系统影响特征，得到其影响系数.
表3 海域使用方式的影响系数
Table 3 Influence coefficients of a area u ways
影响范围(m)
canteen怎么读用海方式 改变地形地貌
影响水沙环境 侵占生物栖息地影响生物群落结构
排放污染物
影响系数
建设填海造地 ★ ★ ★ ★ ★ 1.0 非透水构筑物 ★ ★ ★ ★ ★ 1.0 围海养殖 ☆ ★ ☆ ★ ★ 0.8 跨海桥梁
☆ ☆ ☆ ☆ ☆ 0.5 海砂等矿产开采☆ ★ ☆ ○ ○ 0.4 透水构筑物
☆ ☆ ☆ ○ ○ 0.3 港池 ☆ ☆ ○ ○ ☆ 0.3 开放式养殖 ○ ○ ○ ☆ ☆ 0.2 0
海底电缆管道 ☆ ○ ☆ ○ ○ 0.2 建设填海造地 ☆ ★ ○ ☆ ☆ 0.5 非透水构筑物 ☆ ★ ○ ☆ ☆ 0.5 围海养殖
○ ☆ ○ ☆ ★ 0.4 跨海桥梁 ○ ☆ ○ ○ ☆ 0.2 海砂等矿产开采○ ☆ ○ ○ ○ 0.1 透水构筑物
○ ☆ ○ ○ ○ 0.1 港池 ○ ○ ○ ○ ☆ 0.1 0~200
开放式养殖 ○ ○ ○ ○ ☆ 0.1 建设填海造地
○ ★ ○ ○ ○ 0.2 非透水构筑物 ○ ★ ○ ○ ○ 0.2 200~500
围海养殖 ○ ○ ○ ○ ★ 0.2 建设填海造地
○ ☆ ○ ○ ○ 0.1 非透水构筑物 ○ ☆ ○ ○ ○ 0.1 500~1000
围海养殖
○
百度英文词典○
○
○
☆ 0.1
(2)生态状况 I 21主要依据CASA 模型，基于遥感数据、气象资料和现场调查进行计算，主要计算过程如下: 21(,)APAR(,)(,)t t t I x x x ξ×= (6) APAR(,)PAR(,)FPAR(,)x t x x t t ×= (7) max ()(,)()x t fw ft t t ξξ××= (8) 式中:I 21 (x , t )为x 点t 月净初级生产力,g C /(m 2·month);APAR(x , t )为x 点t 月吸收的光合
有效辐射,MJ /(m 2·month);ξ(x , t )为x 点t 月的实际光能利用率,g C /MJ;PAR(x , t )为x 点t 月的光合有效辐射,MJ /(m 2·month);FPAR(x , t )为x 点t 月光合有效辐射吸收比例,%;ft (t )和fw (t )分别为研究区t 月的气温胁迫因子和水分胁迫因子,%;ξmax 为植被最大光能利用率,g C /MJ.根据各月的计算结
1192 中 国 环 境 科 学 37卷
果得到全年净初级生产力的平均密度,g C /(m 2·a)，详细的计算方法见文献[8].
I 22和I 25采用目前在国内外相关研究中普遍应用的Shannon -Wiener 指数(H ’)和Pielou 指数(J )进行表征，前者侧重于反映物种的复杂程度，后者则更加强调物种的均匀度.计算方法如下[36]:
,,1
'IV ln(IV )
n
s s i s i i H ==−∑
continue什么意思(9)
/
ln()s s s J H N = (10) 式中:H’s 、J s 分别为样地/站位s 的Shannon - Wiener 指数和Pielou 指数;N s 为样地/站位s 的物种数量.IV s,i 为各样地/站位内不同物种的重要值，方法如下:
,,Ab IV Ab s i s i s =
(11)
式中:IV s,i 为样地/站位s 中物种i 的重要值,Ab s,i 为样地/站位s 内物种i 的多度,Ab s 为样地/站位s
内物种多度之和.
I 23和I 26基于岛陆土壤和环岛近海海水因子,
采用内梅罗综合指数法计算，方法如下:
23
26
/I I =式中:I 23和I 26分别为岛陆土壤质量综合指数和
海水水质综合指数;n 为因子个数,P i 为因子i 的
质量指数,P max 为所有因子质量指数中的最大值. P i 由下式得出:
/i i i P C S = (13)
式中:C i 为因子i 的实测值,S i 为因子i 的标准值，执行相应的环境标准.长岛县及其临近大陆基本没有污染工业，避免了重金属对环境要素的污染，多年的环境质量公报显示，研究区各环境要素中重金属均符合最严标准.由于自身条件的特殊性，研究区土壤质地较差且较为贫瘠，对植物生长构成制约，本文土壤质量主要对其肥力状况进行评估.环岛近海中海水养殖、生活污水排放等人类活动带来了COD 、氮磷等污染源，且航运频繁，存在溢油风险，石油类也是重要的影响因子，重点对这些因子进行评估.
I 24使用叶绿素法，依据Cadee 等[37]提出的简化公式进行计算，方法如下: 24s /2P I E D ××= (14) 式中:I 24为该季节每日初级生产力,mg C /(m 2·d);P s 为表层水(1m 以内)中浮游植物潜在生产力,mg C/(m 2·h);E 为真光层的深度，取透明度的3倍,m;D 为白昼时间,h.
P s 由下式得出: a s P Q C =× (15)
式中:C a 为表层叶绿素a 的含量,mg /m 3;Q 为同化
系数,mg C /[(mg Chl -a)·h]，采用经验系数3.7.进
而，由不同季节初级生产力结果计算得到环岛近
海全年初级生产力.
2.1.3 海岛生态系统承载力评估方法 (1)海岛
生态系统综合承载力：对各二级指标进行评估，方
法如下:
/RI /i i i i i i i I S I S I I ⎛⎞=⎜⎟⎝⎠为负向指标为正向指标 (16) 式中:RI i 为指标i 的评估值;I i 为指标计算值,S i 为指标标准值.在本研究中,I 11~I 13和I 26为负向指标, I 21~I 25为正向指标.表4为各指标标准值，其中开发强度指标标准值参考文献[38]得到，生态状况指标标准值采用区域平均值或相应的环境质量标准.
表4 二级指标评估标准
Table 4 Evaluation standards of condary indices
一级指标
二级指标
标准值(S i )
口头表达能力训练
0~1 0.2 1~5 0.3 岸线开发强度(I 11)
一眨眼海岛面积(km 2
)
>5 0.4 0~1 0.2 1~5 0.3 岛陆开发强度(I 12)
海岛面积(km 2)
>5 0.4
开发强度(I 1)
海域开发强度(I 13) 0.3
