整合海岸线破碎化程度、稳定性与海岸生态承载力的海岸线修复优先区空间决策框架——以山东大陆海岸线为例

《Frontiers in Ecology and Evolution》：A spatial decision framework for coastline restoration prioritization: integrating ecosystem dynamics, stability, and ecological capacity

　　

海岸保护与修复对于在面临日益加剧的气候和发展压力的沿海地区实现可持续发展至关重要。然而，在海岸线占用—补偿平衡政策实施背景下，缺乏识别修复优先区的系统方法仍是一项重大挑战。研究人员开发了一个多维空间决策框架，用于识别中国山东省大陆海岸线的海岸线修复优先区（Priority Areas of Coastline Restoration, PACR），该框架基于Landsat影像（1984—2025年，30 m分辨率）。该框架整合了三个关键维度：海岸线破碎化程度（Coastline Fragmentation Degree, CFD）、海岸线稳定性（Stability of Coastline, SC）和海岸生态承载力（Coastal Ecological Carrying Capacity, CECC），能够在异质海岸条件下综合评估修复优先级。研究结果表明：(1) CFD表现出显著尺度依赖性，与观测尺度呈幂律标度关系（R²>0.98），表明海岸线破碎化评估对空间尺度高度敏感。(2) SC呈现明显空间异质性，高稳定性和极高稳定性区域分别占总海岸线的33.74%和25.92%。(3) CECC在2010—2025年呈U型时间轨迹，2016年前下降、之后上升，表明海岸开发与生态管理之间的平衡发生了转变。(4) PACR框架识别出青岛南部、潍坊北部和日照东部为高优先级修复区，而黄河三角洲及其他生态完整海岸带表现出相对较低的修复优先级。该研究提供了一个空间显式决策支持框架，用于在占用—补偿平衡政策下优化海岸线修复优先级，为基于生态系统的海岸管理和气候韧性岸线治理提供了新见解。

论文解读：整合海岸线破碎化程度、稳定性与海岸生态承载力的海岸线修复优先区空间决策框架——以山东大陆海岸线为例

研究背景方面，海岸带是陆海相互作用最活跃的界面之一，提供碳固定、风暴潮缓解、水质净化和生境供给等关键生态系统服务，同时支撑高强度人类活动和经济发展。海岸线作为陆海地貌边界，既集成自然过程信号，也记录港口建设、围垦和海岸城市化的累积影响。快速海岸开发已显著改变全球自然海岸线结构，造成生境退化、景观破碎化和生物多样性丧失，并增加海平面上升和风暴潮加剧等气候相关风险。中国是海岸线强烈转型的代表性区域，1990—2020年人工海岸线长度由10,022 km增至17,661 km，自然海岸线由20,019 km降至15,317 km，自然岸线保有率由66.7%降至42.3%。大规模由自然岸线向工程岸线转化，不仅减少海岸生境，也破坏景观连通性、改变水动力过程并削弱生态系统韧性。为应对海岸线退化，中国建立了海岸线占用—补偿机制，要求通过生态修复抵消开发活动导致的自然岸线损失。但海岸线是复杂生态系统，其价值不能仅由空间长度量化；生态功能依赖生境质量、景观连通性、地貌稳定性和生态系统服务能力。因此，基于长度的补偿未必实现占用与修复海岸线之间的生态等效。实践中，海岸线占用—补偿仍主要受行政决策约束，修复地点常依据地方项目需求选择，对区域生态格局和长期修复绩效考虑不足，可能导致高价值自然海岸线丧失，而补偿地点生态效益有限或修复成果难以维持。当前占用—补偿可能实现数量平衡而非生态平衡。核心挑战已从“应补偿多少海岸线”转向“何处修复能实现生态等效、物理持久和长期可持续”。已有研究进展表明，Yin等证明生态承载力评估可纳入国土空间规划；Basnayake等在全球尺度评估了362,424个地点的海岸脆弱性，并识别地貌、潮差和海岸坡度为主导控制因素；Ren等分析全球69个管理性重新调整（managed realignment）项目，发现修复成功依赖沉积物供给、高程条件和潮汐河道连通性的协调；Liu等表明沉积物可用性是自然修复效果的关键决定因素；Gan和Wang针对上海提出基于景观生态风险和生态系统服务价值的海岸生态修复分区框架；Shen等整合景观生态风险与生态系统服务价值识别防城港修复区。尽管如此，已有研究多聚焦生态容量、海岸脆弱性或工程可行性等单一维度，尚未将其整合为统一的空间优先排序框架。研究人员因此开发CFD—SC—CECC空间决策框架，目标包括：利用遥感和GIS技术刻画海岸线破碎化时空演变并确定合适评估尺度；基于海岸线利用强度和多时相海岸线变化评估海岸线稳定性；构建整合多源环境和社会经济数据的海岸生态承载力评估模型；整合CFD、SC和CECC，依据生态退化、物理持久性和可持续性优先排序修复地点。

关键技术方法方面，研究人员基于Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI/OLI-2影像（1984、1990、1995、2000、2005、2010、2015、2020、2025年；30 m分辨率；云量低于10%），影像来源为美国地质调查局（USGS）和地理空间数据云。以平均高潮线（Mean High Tide Line, MHTL）为指标岸线，对山东大陆海岸线进行目视解译，划分为自然岸线、港口码头岸线、围垦岸线、养殖堤坝、盐田堤坝、交通岸线和城镇岸线。评估以546个5 km大陆海岸线段为空间单元。CFD由岸线类型多样性指数（Index of Coastline Type Diversity, ICTD）和斑块密度（Patch Density, PD）量化；SC由海岸线利用程度指数（Index of Coastline Utilization Degree, ICUD）和岸带面积变化（Area Changes in the Coastal zone, ACC）量化；CECC采用压力—状态—响应三层、4因子、20指标框架，结合熵权法和层次分析法（AHP）与状态空间模型，数据来自统计年鉴和市政公报等，CECC在地级市尺度评价。

研究结果方面：

4.1 CFD的尺度效应与时空特征。4.1.1 CFD的尺度效应：研究人员选取1、5、10、15、20、25和30 km七种观测尺度量化海岸线破碎化，发现1984—2020年CFD与观测尺度呈稳健幂律标度关系（R²>0.980），观测尺度增大会提高CFD，但超过5 km后增速明显放缓；5 km尺度捕获66%的均质海岸线段，其中52%位于1—5 km内，故5 km被确定为山东大陆海岸线破碎化评估的最优空间尺度及后续基本空间单元。4.1.2 山东大陆海岸线CFD的时空特征：1984—2025年，CFD呈现先升后降的阶段性演变，范围为0.2256—0.3195。1984—2000年，CFD由0.2256快速升至最大值0.3195，主要与滨州、潍坊和青岛养殖堤坝、围垦活动和港口基础设施扩张有关；2010年后CFD逐渐下降，2025年为0.2753，反映海岸空间管理改善、集约化养殖调控、海岸保护政策和占用—修复平衡机制实施。空间上，东部和南部海岸破碎化较高，西北部较低。黄河口—烟台西北龙口一带破碎化最明显，低CFD面积由62.30%降至27.63%，高CFD面积由19.70%升至63.16%；龙口—烟台南部低CFD减少10.81%，高CFD增加8.22%；烟台南部—日照高CFD集中于胶州湾和日照港，高CFD增加6.06%。

4.2 山东省SC分析。通过ICUD和ACC评估SC，2025年山东大陆海岸线整体人类利用强度较高，高值（14.23—17.48）和极高值（17.48—20.00）分别占27.68%和32.45%；极高ICUD集中在潍坊北部、烟台西北和青岛南部，与养殖塘、围垦结构和港口基础设施扩张有关；东营东部因三角洲湿地和高连通性自然岸线保持较低ICUD。ACC以极低值（0.00—5.44）为主，占83.61%，表明多数岸段向海扩张有限；滨州ACC空间异质性明显，低值和中值分别占30.53%和24.42%，主要集中于东北部，与人工海岸结构向海扩张有关。SC值为1—5，中等（2.5—3.0）、高（3.0—4.0）和极高（4.0—5.0）分别占30.25%、33.74%和25.92%；高SC集中在黄河三角洲东部、烟台南部以及威海北部和南部，低值主要在滨州东北、东营东北和潍坊北部；Getis-Ord Gi*热点分析显示SC存在显著空间聚集。

4.3 CECC及子系统承载力的时空特征。基于CECC框架，2010—2025年山东海岸带CECC呈明显U型轨迹，范围为0.481—0.679，2016年为关键转折点。2010—2013年CECC下降最明显，年变化率为?15.34%；2016年后逐渐恢复，2016—2019年和2020—2025年年增长率分别为10.75%和18.10%。子系统累计变化率中，环境承载力（ECC）为?30.35%，人口承载力（PCC）为?44.42%，海岸资源承载力（CRCC）为81.99%，经济社会承载力（ESCC）为24.10%；ESCC持续增强支持CECC恢复，而ECC、PCC和CRCC下降反映持续压力。市级尺度上，多数沿海城市CECC呈U型且在2016年前后最低，但空间差异显著，平均CECC顺序为威海>青岛>烟台>东营>日照>滨州>潍坊；烟台和日照ECC下降最明显，除烟台外各市PCC均下降，威海CRCC和ESCC提升最大。

4.4 基于多准则空间决策模型的山东省PACR识别。4.4.1 山东省PACR总体空间特征：基于CRPI空间分布，PACR分为极低（1.4—2.0）、低（2.0—2.7）、中等（2.7—3.5）、高（3.5—4.2）和极高（4.2—5.0），极低类占28.12%，极高类仅占7.52%。极低PACR主要分布在东营东部黄河三角洲、烟台西北和威海南部；黄河三角洲受国家自然保护区保护，自然岸线广、生态连续、人为干扰有限，修复优先级较低；威海南部靖海湾长期规划和养殖岸线集约管理形成较稳定利用格局。极高PACR主要集中于胶州湾、青岛东南和日照东部，港口活动、工业发展和城市扩张导致高度人工化和破碎化。4.4.2 市级尺度PACR空间特征：滨州、东营、烟台和威海以中等或更低PACR为主，其他沿海城市多为中等或更高；高和极高PACR主要分布在潍坊北部、青岛南部和日照东部。滨州、东营和威海极低PACR占比超过32%。青岛和日照以高和极高PACR为主。城市平均CRPI以東营最高，为4.1，主要因黄河三角洲国家自然保护区人为扰动较弱且保护有效。4.4.3 山东省PACR空间热点分析：Getis-Ord Gi*分析显示，高CRPI热点（低修复优先级，99%置信水平）主要在黄河三角洲及威海东北和东南部，低CRPI冷点（高修复优先级，99%置信水平）主要在青岛南部和东南部；热点和冷点均呈显著空间聚集，表明修复优先级具有空间依赖性而非局限于单个岸段。

讨论部分，5.1 PACR空间格局形成机制：识别PACR需考虑尺度效应，海岸破碎化和岸线构型本身尺度依赖，受自然连续性、人类活动空间组织和行政边界约束。单一固定空间尺度可能忽略关键空间异质性，整合自然地理单元和社会行政边界的多尺度评估框架对协调生态修复目标与治理需求必要。已有研究关注生态约束、物理脆弱性和修复可行性，而本研究通过整合海岸线空间构型、变化特征和生态承载力，将评估从描述海岸状况推进到识别何处优先修复。烟台港和青岛港历史上经历广泛围垦和岸线改造，但当前土地利用因功能转型相对稳定，修复优先级不应仅由历史扰动强度决定，还应考虑当前生态条件和未来管理目标；胶东半岛自然稳定的基岩海岸虽具有高地貌稳定性，却因分散人类干预而破碎化增加，需要针对性生态管理。海岸演化受自然过程和人为压力共同调控，CECC指标分析显示人均GDP、环境保护投资和客运量等社会经济因素对CECC变化的解释力强于自然因素，而人均水资源、植被净初级生产力和近岸水质等自然条件提供生态支撑。不同海岸线类型响应不同，泥质海岸因连续地貌和有限结构扰动保持较低破碎化，基岩海岸破碎化最高，砂质海岸居中。5.2 基于PACR的海岸线分区修复策略：基于自然的解决方案（Nature-based Solutions, NbS）强调生态系统功能和自然过程，与PACR识别框架的生态原则一致。高PACR区如青岛南部和东南部海岸带，表现为高破碎化和相对低CECC，应优先主动修复，包括恢复潮间带耐盐植被、改善近岸生境、采用生态海堤重建硬化岸线并促进海陆物质交换。低PACR区如东营东部，具有高SC和高CECC、低CFD，应强调严格保护和自然恢复，纳入生态保护红线并维护生态廊道和区域连通性。中PACR区需适应性修复，恢复关键生态节点并以最小干预增强自然韧性。黄河三角洲低PACR反映其岸线形态完整性，不与其作为国家湿地保护和功能恢复优先区相冲突，因为后者属于湿地生态系统功能维度而非岸线形态修复维度。实施仍受社会经济权衡和治理挑战约束，地方政府需平衡生态目标与经济成本，增加利益相关者参与；移除人工结构或搬迁养殖设施可能因生计和开发需求遭遇阻力，部分港口码头等人工结构已融入海岸系统，选择性保留可能比完全移除更实际。PACR框架可直接转化为海岸线占用—补偿平衡政策操作机制，高和极高优先级段可作为“补偿供给区”，极低优先级段可作为“禁止占用区”，并可与省级差异化补偿比例结合，推动选址从行政裁量转向生态功能优化。5.3 局限与未来展望：研究存在数据可得性和指标代表性带来的不确定性，统计年鉴和区域数据集指标在更细空间尺度可能引入不确定性；30 m影像海岸线提取精度（平均误差10.14 m，标准差21.44 m）可能传播至CFD和SC计算，尤其对短岸段；海平面上升预测、风暴潮频率和长期海岸线后退速率等气候驱动变量尚未纳入。框架主要面向省级海岸评估，应用于县级等更小单元时需根据当地地貌、数据可得性和社会经济条件重新校准指标和权重。未来应纳入气候相关变量、在其他沿海省份验证，并开发整合连续遥感监测和社会经济指标定期更新的动态实时PACR评估工具。

研究结论翻译：本研究通过整合基于GIS的空间分析和多准则评价，开发了一个识别山东省大陆海岸线修复优先区的空间决策框架，为适应性海岸管理和可持续海岸线治理提供了科学基础。PACR框架将海岸线占用—补偿实践从基于长度的数量替代推进至生态功能导向的空间优化。结果表明，海岸线破碎化表现出显著尺度依赖，1984—2025年破碎化程度与观测尺度呈幂律关系。空间上，海岸线破碎化在东部和南部海岸区较高，在西北部海岸较低，反映海岸地貌、近岸水动力条件和人为干扰的综合影响。海岸线稳定性呈明显空间异质性，高稳定区主要分布在东营东部、烟台南部和威海北部，低稳定区集中在滨州东北、东营东北和潍坊北部。此外，山东海岸带生态承载力总体呈U型时间轨迹，2016年为关键转折点。修复优先级评估识别出显著空间分异和空间自相关，较高优先级修复区主要位于潍坊北部、青岛南部和日照东部，而黄河三角洲、烟台西北和威海南部因生态约束和地貌特征表现出相对较低的修复优先级。总体而言，本研究表明海岸修复规划应考虑海岸形态、生态过程、人类活动和空间尺度依赖的耦合效应，为快速变化沿海地区的适应性、气候韧性海岸管理和修复优先排序提供了科学依据。