海島景觀格局變化及其對降水截存能力的影響
——以浙江象山縣檀頭山島為例

沈　剛，夏小明，賈建軍，嚴力蛟

1 國家海洋局第二海洋研究所，杭州　310012 2 浙江大學，杭州　310058

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海島景觀格局變化及其對降水截存能力的影響
——以浙江象山縣檀頭山島為例

沈剛1,*，夏小明1，賈建軍1，嚴力蛟2

1 國家海洋局第二海洋研究所，杭州310012 2 浙江大學，杭州310058

摘要:在自然和人類活動的共同作用下，海島這一特殊的景觀生態系統正經歷著劇烈的變化。淡水是海島景觀生態系統賴以存在的基礎和關鍵組成部分，人類活動對海島淡水的影響是其對海島景觀生態系統影響研究的重要課題之一。基于全島整體性的視角，以浙江省象山縣檀頭山島為例，就海島景觀格局與其降水截存能力之間的數量關系進行了探索，并提出了一個能夠從整體角度快速評估海島景觀格局變化對降水損失影響的綜合指數——總降雨損失率(TRLR)。結果顯示，自1966—2012年，檀頭山島的TRLR呈不斷升高趨勢，這種趨勢指示了檀頭山島淡水補給能力正逐年下降，長期下去勢必會破壞海島淡水棱鏡體，并最終威脅到整個海島景觀生態系統。這一變化必須引起足夠的重視，相應的景觀格局優化措施應該被采取以增強檀頭山島降水截存能力，保障其景觀生態系統的健康與可持續。

關鍵詞：景觀格局；總降雨損失率(TRLR)；降水截存能力；檀頭山島

海島是四周為海水包圍且高于高潮位的自然形成的陸地。在自然和人類活動共同的作用下，海島景觀生態系統正經歷著劇烈的變化。極端氣候以及地震、海嘯等自然災害直接導致了海島上動植物群落的波動和生態系統的退化[1]。相較而言，人類活動的干擾在海島景觀生態系統變化中扮演了更加重要的角色。在東印度洋科科斯島和圣誕島，各種人類活動引起了地形地貌、水文水系、動植物群落的變化[2]。太平洋上許多島嶼的旅游業導致了一系列的環境問題，如環境污染、棲息地退化、生態系統破壞、海岸海洋資源損失等[3]。

淡水是海島景觀生態系統存在的基礎和關鍵組成部分，人類活動對海島淡水的影響是其對海島景觀生態系統影響研究的重要課題之一。人類對海島淡水的影響包括直接和間接影響兩個方面，海島上人類生產生活的地下水開采及水污染屬于直接影響，氣候變化引起的降水變異和海島土地利用方式改變導致的景觀變化對海島淡水的影響則是間接的。目前這方面的研究主要集中在海島上人類生產生活對地表水的影響[4-5]、水污染[3]對海島淡水的影響，而就海島土地利用方式改變導致的景觀變化對海島淡水系統的影響研究相對缺乏。作為一個隔離的景觀生態系統，降水是海島淡水補給最為重要的來源。海島島陸通過存儲、節流和延緩地表徑流的方式來提升海島淡水補給能力。不同的景觀格局具有不同的降水截存能力，基于全島整體性的視角，海島景觀格局與降水截存能力之間數量關系的探索能夠為海島景觀生態系統的保護和優化提供客觀的依據。文章以浙江省象山縣檀頭山島為例，對1966—2012年的景觀格局變化及其驅動進行了研究，對海島景觀格局與總體降水損失的數量關系進行了探索，并提出了一個能夠從整體角度快速評估海島景觀格局變化對降水損失情況影響的綜合指數——總降雨損失率(TRLR)。

1研究對象與方法

1.1研究對象

圖1　研究對象位置圖Fig.1　Location of the study site

研究對象為整個檀頭山島，地處中國東海之濱的象山縣城東南38 km，中心緯度29°11′ N，中心經度122°2′ E(圖1)。檀頭山島屬于近岸基巖島，以島上225 m的最高山——檀頭山命名，總面積10.62 km2。海島形成于喜馬拉雅運動引起的地表抬升和板塊沉降，山陡平地少，整個島的兩個部分通過一條自然形成的沙堤連接。研究對象位于亞熱帶和海洋季風氣候區，年均溫度16.4℃，年均降雨量1375.4 mm。

據史料記載，人類在大約900年前開始在檀頭山島定居，對海島的利用方式主要為伐木、農業生產和居住生活。為了獲得生活能源，樹林和灌木被廣泛的砍伐，取而代之的是速生的耐貧瘠的黑松林。這一人類活動一直持續到2002年檀頭山島縣級自然保護區的設立，絕大部分的島民移民到附近的石浦鎮。風電場和旅游的導入促成了現狀的景觀格局，景觀類型主要有居住用地、耕地、道路、針葉林、闊葉林、灌草叢、風電場、裸巖裸地、水庫山塘等。針葉林景觀為林分比較單一的黑松林，而闊葉林景觀主要為香樟、樸樹、楓香、女貞、烏桕、榆樹等喬木組成的混交林。灌木林群落主要由野桐、紅花檵木、柃木、杜鵑、胡禿子、算盤子、天仙果、野葛等種類組成，草叢景觀為比較純的芒草群落。

1.2數據獲取

研究所用的數據包括3個時期的遙感影像，即KH- 7 Gambit (KH- 7) 影像、QuickBird (QB) 影像和WorldView- 2 (WV- 2) 影像(表1)。KH- 7影像免費下載自美國地質調查局(United States Geological Survey (USGS) Earth Resource Observation & Science Center (EROS)),QB影像和WV- 2影像購買自DigitalGlobe公司。與KH- 7同期的森林資源調查圖由象山縣農林局提供，象山縣國土資源局石浦分局提供的2004年檀頭山島土地利用現狀圖作為QB影像同期的輔助數據。2012年的地面數據通過為期兩周的實地調查獲取,海島上不可達區域景觀的識別借助于陸基或船基的高倍望遠鏡CelestronNexStar? 8SE實現。手持的便攜式GPS Trimble GeoXT用于不同景觀類型位置信息的收集。

表1　研究所用數據列表

1.3研究方法

1.3.1景觀識別與分類

分別將QB和WV- 2影像的紅、綠、藍3個波段簡單合成，生成2004和2012真彩色圖像。基于KH- 7全色影像、2004和2012真彩色圖像，人工可視化選擇控制點對3個時期的影像進行配準。3個時期的居住用地、耕地、道路、山塘水庫以及2012年的風電場景觀通過人工交互式可視化解譯。基于KH- 7全色影像不同的灰度值，利用決策樹分類法對1966年針葉林、裸巖裸地、灌草叢景觀進行識別和分類。利用支持向量機(Support Vector Machine, SVM))分類法對QB影像進行分類，獲得2004年闊葉林、裸巖裸地、灌草叢景觀類型[6]。考慮到波段數量，光譜角(Spectral Angle Mapper，SAM)分類法被用于2012年景觀識別和分類，主要包括針葉林、闊葉林、裸巖裸地、灌草叢景觀[7]。1966年的森林資源調查數據、2004年的土地利用現狀圖和2012年的實地調查數據作為對應3個時期輔助數據參與相應時期的景觀的識別與分類。

1.3.2總降雨損失率計算方法

由于完全的隔離，海島天然的淡水補給基本上來自于降水，那么降水的吸收存儲能力對海島景觀生態系統而言尤其的重要。為了對這一能力做出快速的定量評估，文章提出了一個新的綜合指數——總降雨損失率，即海島垂直投影面積內的徑流量與同期降雨量的比率，其計算公式如下：

(1)

式中，TRLP為海島的總徑流損失率；C為海島景觀類型數；c為第c類景觀；P為降雨量；Qc為第c類景觀的徑流量；Ac為第c類景觀的面積；A為海島總面積。

Q通過SCS徑流方程計算獲得[8]：

(2)

式中，Q為凈流量；P為降雨量；Ia為初始吸收量；S為徑流發生后可能的最大攔截量。

根據大量的實證研究，Ia可近似通過下列經驗公式計算[9]：

Ia=0.2S

(3)

S與景觀的類型相關，其數量關系如下：

(4)

式中，Sc為徑流發生后，c類景觀可能的最大攔截率；CNc為c類景觀的CN值。CN值是平均生成徑流條件的量化，范圍為0—100。

將(2)、(3)、(4)代入(1)得到TRLP最終的表達式為：

(5)

為了進一步簡化計算程序，降雨量P取1966—2012年之間的年均降雨量1375.4 mm，檀頭山島總面積A為1062 hm2。根據檀頭山島的土壤類型，CN值采用了《Urban hydrology for small watersheds》中所列D組土壤類型的數值[9](表2)。由于海島的山塘水庫景觀面積小，并沒有將其納入最終的計算結果。

表2　檀頭山島總降雨損失率計算用景觀CN值和3個時期各類景觀面積

2結果分析

2.1檀頭山島1966—2012景觀變化分析

圖2　檀頭山島1966、2004、2012年3個時期的景觀類型及其面積　Fig.2　Landscape classes and area of Tantoushanisland in 1966, 2004 and 2012

檀頭山島3個時期的景觀類型與面積見圖2。長期以來，灌草叢一直是檀頭山島的優勢景觀類型。自1966年開始46年來，居住用地和山塘水庫景觀有略微的增加。

如圖2所示，1966—2004年間，耕地、針葉林、灌草叢景觀經歷了大面積的減少。耕地的減少是由于轉化成了闊葉林和灌草叢。闊葉林和灌草叢大面積的取代針葉林，解釋了針葉林景觀的最終消失。有相當面積的灌草叢景觀轉換成了闊葉林，也有很多廢棄的耕地自然轉變成了裸地。闊葉林景觀的出現和大面積擴展都發生在耕地、針葉林和灌草叢景觀區域(圖3)。從2004—2012年，耕地和灌草叢持續的減少，與此同時道路和裸地面積急劇增加。62%的耕地廢棄，而且大部分都變成了灌草叢。同期，分別有6.1536 hm2和33.5372 hm2的灌草叢轉化成了道路和裸地，是這兩類景觀面積增加的原因。闊葉林出現了明顯的減少現象，主要是由于轉換成了針葉林，導致了針葉林的再現和大面積擴展。此外，風電場的引入進一步侵占了灌草叢景觀(圖4)。

圖3　檀頭山島1966—2004年景觀格局及其轉換Fig.3　Landscape patterns and landscape transitions from 1966 to 2004

圖4　檀頭山島2004—2012年景觀格局及其轉換Fig.4　Landscape patterns and landscape transitions from 2004 to 2012

2.2檀頭山島1966—2012年總降雨損失率(TRLR)變化分析

根據公式5的計算結果，近半個世紀以來研究區域的總降雨損失率呈明顯的上升趨勢。檀頭山島在1966年有相對低的TRLR，即0.9288。隨后，TRLR逐漸上升到2004年0.9295。在以后的8年中，TRLR迅速上升到現在的0.9319。根據公式5，海島的TRLR值取決于兩個變量，即降雨量和景觀格局。這里的降雨量為能夠產生徑流的有效降雨量，而且對于一個給定的景觀生態系統，只要降雨能夠產生徑流，TRLR就只與該景觀生態系統的格局有關，即不同類型的景觀占整個系統的比例。檀頭山島的各類景觀中，灌草叢的CN值最低，表示其降雨截存能力最大。從1966年到2004年、2012年，灌草叢景觀占系統的比例分別由80.18%減少為66.43%、60.15%是導致檀頭山島降雨截存能力下降即TRLR上升的主要原因。這種狀態長期持續將導致海島淡水得不到充分的補給，進而破壞海島的淡水棱鏡體，最終會威脅海島整個景觀生態系統。

3討論

3.1利用方式改變海島景觀格局

檀頭山島自1966—2012年景觀變化是人類活動的影響和自然演化共同作用的結果，但主要是由海島利用方式的變化引起的。人類對檀頭山島的利用可以分為3個階段，即農業階段、保護階段和開發階段。面積上占有優勢的灌草叢景觀代表了檀頭山島最原始的景觀類型。從遠古到2002年，檀頭山島都屬于農業生產利用階段。該階段早期，島民以農業生產為主，生活能源完全依賴快速生長的黑松樹種，所以1966年海島上分布有大面積的耕地和針葉林景觀。該階段的后期，島民的生產生活方式發生了很大的變化，以漁業為主，糧食基本上依靠近在咫尺的大陸供給。隨之大量的耕地荒棄，取而代之的是人工種植的闊葉林和自然演化成灌草叢或裸地。幾乎所有的針葉林被砍伐作為生活能源，最終導致了針葉林的消失。2004年，大面積的闊葉林景觀源于一個長期的致力于林項優化的植樹造林項目。

保護階段始于2002年檀頭山島縣級自然保護區的設立到2011年。為了更好的生活，絕大多數的島民遷入附近大陸的石浦鎮，更多的耕地遭到荒棄。持續的林項改造運動，引入了耐貧瘠的速生樹種——黑松，解釋了2012年黑松林景觀的再現和迅速擴展。2012年，旅游開發和風電場項目的發展標志著檀頭山島進入到開發階段。為了旅游發展和建設風電場，海島上大量修筑道路，伴隨著產生了許多裸地和新的風電場景觀類型。

3.2景觀格局變化影響海島降水截存能力

海島淡水資源非常的有限和珍貴，它是海島陸地一切生命的基礎。作為一個隔離的景觀生態系統，幾乎整個海島的淡水補給都要依靠降水。根據修訂的海島陸地表面水平衡方程，海島垂直投影范圍內的降水去向可表達為下式：

P=Q+Ia+S

(6)

式中，P為降水量；Q為凈流量；Ia為初始吸收量；S為徑流發生后可能的最大攔截量。公式假設降水過程中蒸發量為零。式中的Ia和S與海島景觀格局密切相關，因為不同類型的景觀有不同的降水截存能力。檀頭山島的各個景觀類型中，灌草叢景觀的降水截存能力最強，主要由于高植被密度和覆蓋度增加了地面粗糙度，阻止或延遲了徑流的生成，為降水的吸收留下了更長時間。其次是闊葉林和針葉林，因植被高度減緩了降水對地面的沖擊力以及林下層也部分地阻止或延遲了徑流的生成。然后是耕地，具有粗糙且疏松的表面，不僅有利于降水的下滲，還能減緩徑流生成。降水截存能力最弱的是居住用地、道路和風電場等類型景觀，不透水且光滑的地面非常有利于地表徑流的形成，不利于降水的截存。在檀頭山島景觀格局中，灌草叢、闊葉林、針葉林景觀面積占的比例越大，降水吸收量和攔截量就越多，凈流量就越少，其海島整體的降水截存能力就越強。1966、2004和2012年3個時期不同的景觀格局導致了海島降水截存能力的差異，對應于不同的TRLR。

3.3TRLR應用于海島景觀格局優化

對于隔離的海島景觀生態系統，景觀格局與海島的降水截存能力具有一定的對應關系。文章提出的TRLR就是一個反映海島整體降水截存能力的簡化、快速指數。該指數不僅能夠成為海島生態健康、生態安全、生態壓力評價的有益補充，而且還為海島景觀格局的優化如增強景觀生態系統降水截存能力提供了一個定量評價指數。TRLR在海島景觀格局優化上的應用主要體現在，一方面通過多時間序列的TRLR比較了解海島景觀生態系統變化的健康狀況，再者某種程度上也可作為海島保護和管理方案科學性評估的一個參考指標，另一方面，在給定降水量的情況下，TRLR決定于海島的景觀格局，即景觀類型和面積組合，使得通過景觀措施增強海島降水截存能力成為可能。在海島景觀配置和生態修復時，灌草混合景觀是優先選擇，其次是闊葉林和針葉林，并且不論是闊葉林還是針葉林景觀，林下層都以配置灌草混合為宜。開發利用強度大的海島，TRLR也存在一個臨界值的問題，即當TRLR大于某一特定值時，海島降水的補給量是要小于淡水開采利用量的。這種狀態的長期持續將破壞海島地下水的淡水棱鏡體，最終會威脅海島生態系統。

4結論

在過去的46年里，由于社會經濟壓力的影響，檀頭山島的景觀格局經歷了劇烈的變化。所有的耕地都被荒棄，而道路和裸巖裸地的面積卻大面積增加。以黑松為主的針葉林在研究早期全部被砍伐作為生活能源，而長期的林相優化工程使針葉林再次出現并迅速擴展，也增加了大量的闊葉林景觀。針葉林和闊葉林景觀的增加，逐漸壓縮了海島原始的灌草叢景觀。為了就海島景觀格局變化對海島生命最重要的淡水系統造成的影響做出快速的評估，文章提出了一個新的綜合指數——總降雨損失率(TRLR)，用于簡單、快速反映海島整體降水截存能力。該指數不僅能夠成為海島生態健康、生態安全、生態壓力評價的有益補充，而且還為海島景觀格局的優化如增強景觀生態系統降水截存能力提供了一個定量評價指數。以檀頭山島為例進行的實證應用研究表明，在過去的46年間，檀頭山島景觀格局的變化導致了海島總降雨損失率明顯增加，特別是最近的8a。這一變化應該引起足夠的重視，相應的景觀格局優化措施應該被采取以增強海島的降雨截存能力，保障檀頭山島景觀生態系統的健康與可持續。

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基金項目:國家自然科學基金面上項目(41376068)；浙江省哲學社會科學規劃課題(12YD16YBM)

收稿日期:2015- 06- 30;

修訂日期:2015- 12- 16

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: hzshengang@163.com

DOI:10.5846/stxb201506301347

Landscape pattern changes of sea island and the effect on rainfall-intercepting capability by the example of Tantoushan Island in Xiangshan County，Zhejiang Province

SHEN Gang1,*, XIA Xiaoming1, JIA Jianjun1, YAN Lijiao2

1SecondInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Hangzhou310012,China2ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China

Abstract：Landscape ecosystems of sea islands are undergoing drastic changes due to the combined effects of natural processes and anthropic activities. Fresh water is the foundation of sea-island life and the key constituent part of sea-island landscape ecosystem. The effect of anthropic activities on freshwater system is one of key topics of them on landscape ecosystems of sea island. As an isolated landscape ecosystem, almost the entire freshwater recharge of sea island comes from rainfall. The rainfall-intercepting capability is very important for maintaining the balance of fresh water of sea island. A number of studies suggested that landscape factors including cover type, soil group and treatment, obviously impacts on the rainfall-intercepting capability. Therefore, it is greatly significant to probe into the effect of landscape pattern on rainfall-intercepting capability of sea island and the quantitative relationship between them. Firstly, landscape patterns of Tantoushan Island in Xiangshan county, Zhejiang province, China, for 1966, 2004, and 2012 were produced through landscape identification and classification of multi-resource remote sensing KH- 7 homochromatic, QuickBird multispectral, and WorldView- 2 multispectral imageries, and contemporaneous historical data. Shrub and grass was consistently the dominant landscape class throughout the entire period. There were remarkable changes of landscape types and landscape area from 1966 to 2012. There was major loss of arable land from 1966 to 2004. Coniferous forest disappeared entirely from 1966 to 2004, and then reoccurred between 2004 and 2012. Broad-leaved forest appeared and expanded greatly from 1966 to 2004, then decreased slightly from 2004 to 2012. The area of bare rock and land showed an obvious increase, and shrub and grass showed a declining trend over the 46 years. Driving analysis indicated these drastic changes were caused by afforestation, changes in exploitation methods, human-induced fire and diseases, as well as natural succession. Then, based on a holistic viewpoint, the paper researched into the quantitative relation between landscape pattern of sea island and rainfall-intercepting capability by the example of Tantoushan Island, and developed a comprehensive index——Total Rainfall Loss Rate (TRLR) used to assess the effect of landscape changes on rainfall loss quickly. TRLR is a simple weighted sum of CN values representing the runoff potential of specific landscape types from the TR- 55 runoff prediction model. The results showed a continuous rise in TRLR of Tantoushan Island from 1966 to 2012，which suggested a continuous decline of the rainfall-intercepting capability. From 1966 to 2004, 2012, area ratio of shrub and grass to the whole landscape ecosystem decreased from 80.18% to 66.43%，60.15%, which was the major cause leading to the decline of rainfall-intercepting capability of Tantoushan Island. This trend is bound to do harm to freshwater prism, and then threatens the whole landscape ecosystem of sea island. The variation in TRLR must receive enough attention, and the effective countermeasures should be adopted to keep and even enhance the rainfall-intercepting capability for the health and sustainability of Tantoushan Island. In view of the rainfall-intercepting capability of single landscape type, shrub and grass landscape might be a priority rather than broadleaved forest and coniferous forest in island restoration project.

Key Words:landscape pattern; total rainfall loss rate(TRLR); rainfall-intercepting capability; Tantoushan Island

沈剛，夏小明，賈建軍，嚴力蛟.海島景觀格局變化及其對降水截存能力的影響——以浙江象山縣檀頭山島為例.生態學報,2016，36(12):3687- 3693.Shen G, Xia X M, Jia J J, Yan L J.Landscape pattern changes of sea island and the effect on rainfall-intercepting capability by the example of Tantoushan Island in Xiangshan County，Zhejiang Province.Acta Ecologica Sinica,2016，36(12):3687- 3693.