基于能值的山東省海洋生態足跡研究

狄乾斌， 張海紅，曹可

（1.遼寧師范大學 海洋經濟與可持續發展研究中心，遼寧 大連 116029；2.國家海洋環境監測中心，遼寧 大連 116026）

在可持續發展研究中，海洋經濟可持續發展的定量分析（韓增林等，2003；狄乾斌等，2009；邵桂蘭 等，2011；李夫星等，2013；方欣 等，2013） 成為不少學者的研究方向。生態足跡模型的提出（Rees，1992），為定量研究海洋經濟的可持續發展提供了新的理論和方法。

不少學者運用傳統的生態足跡模型（徐中民等，2003；魏明等，2006；楊天姿 等，2009） 或者修正的生態足跡模型（隋春花等，2006；楊海波等，2009；楊海真等，2010） 定量測度了不同層次區域的可持續發展狀況。20 世紀90年代初引入能值模型（藍盛芳等，2001，2002），國內學者（王建源等，2007；趙志強等，2008，2009；劉淼等，2008） 將傳統生態足跡模型與能值理論相結合，運用改進的能值-生態足跡模型（Emergybased Ecological Footprint，EEF），研究了不同地區的能值-生態承載力和能值-生態足跡。在能值-生態承載力（Emergy-based carrying capacity， ECC）的計算上，大多采用全球平均能值密度（張芳怡等，2006；隋春鋒等，2008），而能值-生態足跡則采用區域能值密度，但也有不少學者從不同角度改進了能值足跡法：金丹等（2010） 以地球生物圈循環中3 種主要能源在特定區域中的能值總量計算出區域能值密度，以同一能值密度計算區域能值生態承載力和生態足跡；趙志強等（2008） 將輸入系統的可更新資源定義為潛在生態承載力，將研究區產品產出、進出口以及勞務均納入生態承載力范圍；劉淼等（2008） 將研究區內所有人類可利用的可再生資源的能值作為生態承載力總能值，該能值與研究區域面積之比作為區域能值密度，并運用此能值密度計算生態承載力。這些研究從不同角度對區域經濟進行分析，為區域可持續發展提供決策依據。國內學者（楊山 等2011；趙美霞等，2011）分別將生態足跡模型運用到海洋可持續研究中，然而運用能值-生態足跡法在區域海洋經濟方面的研究還不多見。能值-生態足跡模型的提出，克服了生態足跡法偏生態性的特點（顧康康等，2009），從生態環境、社會發展和經濟發展角度進行評價，更能真實的反映區域的可持續發展狀況。本文基于能值理論與生態足跡模型在可持續發展評價上的可行性，將能值-生態足跡模型運用到海洋生態系統中，構建了海洋能值-生態足跡創新模型，并以山東海洋生態系統為例，定量分析了特定區域海洋經濟的可持續發展。

1 研究區域

山東省海域面積1.595×105km2，分布于渤海和黃海，以蓬萊角為界，向西屬于渤海海域，向東屬于黃海海域。海岸線全長3 345 km，北起魯冀交界處的漳衛新河河口（381 543.77 N），南至魯蘇交界處的繡針河河口（350 445 N）。山東沿海屬暖溫帶季風氣候，冬季盛行偏北風，夏季盛行偏南風，海域年均風速為7.1～7.5 m/s，年均降水量在580 916 mm之間，日照時數23 002 900 hr。沿海潮汐主要為不正規半日潮和正規半日潮，海上風能、潮汐能、波浪能等可開發海洋能源資源儲量豐富。

山東省是我國海洋經濟大省，其海洋生產總值一直居全國前列。2010年實現海洋生產總值7074.5 億元，占全國比例為17.9 %，三次海洋產業比重分別為6.3%、50.2%和43.5%。海洋漁業產量631 萬t（遠洋捕撈1.5×105t），海鹽產量2.273×107t，均居全國第一。海洋漁業、海洋化工業、海洋生物醫藥業、海洋電力業、濱海旅游業和海洋交通運輸業分別比上年增長16.4%、36.0%、68.9%、35.6 %、22.7 %和8.0 %。海洋資源儲藏量豐富，海洋經濟持續增長。

2 數據來源與處理

2.1 數據來源與處理

本文中可更新資源基礎數據來源于《山東省海洋功能區劃（2011-2020）》，海洋資源消費項目數據來源于《中國海洋統計年鑒2001-2011》、《中國海洋年鑒2011》、 《山東統計年鑒2011》 和《2010年山東省國民經濟和社會發展統計公報》。數據計算與制圖分別采用EXCEL 和WORD 完成。

2.2 海洋能值-生態足跡模型

2.2.1 海洋能值-生態足跡的概念

Folke 等（1991；1998） 將海洋生態足跡定義為人類為滿足自身需要的海產品以及服務所占用的海洋生態系統的表面積。Warren-Rhodes 等（2003） 給出了海洋生態足跡的數值表達式：MEF=SC/AS，SC 表示生產一定消耗量所需要的海洋面積，AS 表示某區域的實際海洋面積，以MEF 值的大小來判斷研究區域海洋生態的赤字或者盈余。國內學者陳成忠等（2008） 提出海洋足跡和海洋生物承載力兩個概念：海洋足跡是指人類單位水域海洋生物資源的捕撈量，海洋生物承載力是指海洋單位水域供給人類生物資源的能力，并運用非線性科學理論模擬了最大可持續海洋足跡。

依據上述海洋生態足跡的定義，結合由H.T.Odum 創立的能值理論，基于生態系統中的能量直接或間接源于太陽能，通過太陽能值轉換率將生態系統或生態經濟系統中不同類型、不能直接比較的能量換算成可進行比較的能值標準——太陽能值。本文將海洋能值-生態足跡定義為：人類為滿足自身需要的海產品以及服務所消耗的海洋生態系統的能量所占用的（通過能值轉換率和海域能值密度換算） 的海域表面積。海洋能值-生態承載力是海洋生態系統中可更新資源的能值。

表1 2000-2010年山東海域自然資源原始數據

海洋水體的流動性、海洋環境的復雜性以及海洋開發的立體性導致海洋經濟的研究比陸域經濟的研究要復雜很多。本文將能值-生態足跡模型應用到海洋經濟的研究中，主要基于以下幾點考慮：（1） 每個沿海地區都具有不同的區域特性，其海洋自然資源、海陸經濟發展水平和社會條件各不相同。從區域經濟的科學研究方面，可以將具有不同發展條件的海洋區域劃分為一個個相對獨立的經濟研究單位。（2） 基于海域自然能源資源由特定海域區位、氣候等條件決定，海域礦產資源是由海域生物地化循環長期累積的結果，因此短期內均不會發生較大變化。海洋生物資源以及海域生產力在短時間內容易受自然災害以及人為災害等的影響，但是基于海洋生態系統強大的自我調節功能，在一定的時間周期內，也不會發生較大變化。（3） 以研究地區所轄海域范圍海洋資源的產量和海洋能源的利用量作為生態足跡指標，范圍之外的資源消耗則為外界輸入能值。圖1 是特定海域海洋生態系統的自然資源的能值流量圖。

2.2.2 海洋生態系統自然資源的能值計算

海洋生態系統中可更新自然資源包括太陽輻射能、風能、雨水化學能、潮汐能、潮流能、波浪能、溫差能、鹽差能和地球旋轉能，其總能值用Er 表示。不可更新能源資源包括海洋石油、海洋天然氣，其總能值用En 表示。某自然資源的太陽能值（sej）=其有效能（J）×太陽能值轉換率（sejJ）。

圖1 特定海域海洋自然資源能值流量圖

2.2.3 海域能值密度的計算

因太陽輻射能、海洋風能、雨水化學能、波浪能、溫差能和鹽差能均是由太陽輻射作用產生的，潮汐能和潮流能是由太陽和月球對地球的萬有引力引起的，計算海域能值密度時只取其中最大值，則海域能值密度計算公式為：

式中：D 表示海域能值密度；Er[maxA,maxB，C]表示太陽輻射能、海洋風能、雨水化學能、波浪能、溫差能、鹽差能中的能值最大值與潮汐能和潮流能的能值最大值以及地球旋轉能之和；S 表示研究區海域面積。

2.2.4 海域能值/貨幣比率（sej/$） 的計算

因人類消耗的自然環境資源可用能值來衡量，經濟系統中循環流通的貨幣的實際購買力可以通過單位貨幣所能購買的能值量（能值/貨幣比率） 來衡量。因此，可以通過能值/貨幣比率將以貨幣形式表示的資源環境消費項目轉換為能值，進而計算其能值-生態足跡。根據藍盛芳（2002），由國家的能值/貨幣比率推出海域能值/貨幣比率的計算公式：

式（2） 中：該國全年能值投入總量包括可更新資源、不可更新資源及進口商品、資源的能值。式（3） 中，表示研究區海域可更新自然資源能值投入總量；表示不可更新自然資源的能值投入總量；表示輸入的外界資源能值。海域能值/貨幣比率則表示某海域單位海洋生產總值所對應的能值量。

2.2.5 海洋能值-生態承載力的計算

海洋能值-生態承載力（Marine Emergy Ecological Capacity） 的計算公式為：

式中：MEEC 表示海洋能值-生態承載力；Er 表示可利用的海洋生態系統可更新自然資源的能值；D表示海域能值密度。

2.2.6 海洋能值-生態足跡的計算

海洋能值-生態足跡（Marine Emergy Ecological Footprint） 的計算公式為：

式中，MEEC 表示海洋能值-生態足跡；Ec 表示消耗的海洋資源的總能值，海洋生態足跡消費項目包括海洋漁業（海洋捕撈和海水養殖）、海鹽、海洋原油、海洋天然氣、海洋化工、海洋生物醫藥、海洋電力、海水綜合利用、海洋工程建筑以及排放到海洋中的廢水、廢固。由于海洋化工是包括海鹽化工、海水化工、海洋石油化工等的生產活動，因此，為了避免重復計算，只取海洋資源的原始產量數據；海洋生物醫藥是由海水產品制成的，計算生態足跡時只取海洋捕撈和海水養殖產量；D 表示海域能值密度。

3 山東海洋生態系統能值-生態足跡分析

由于山東海域海洋自然資源的產出不只是供應山東省本地的資源消費，還包括國內以及國外一部分地區，但是外界消耗的山東海洋資源量沒有比較具體的統計數據，因此，本文通過計算海域總能值-生態承載力和總能值-生態足跡來進行海洋生態系統評價。

表2 是山東海域可更新資源能值。基于9.26×1024sej/yr 的全球能值基準（Campbell et al，2004；Campbell，2000），根據公式（4） 計算得出山東海洋生態系統總能值-生態承載力為1.60 × 107hm2。根據公式（1） 計算得出山東海洋生態系統能值密度為1.24 ×1017sej/hm2。海域能值-生態承載力的計算只考慮了海洋生態系統中5 種可更新能源資源的總能值，海流能、波浪能、溫差能以及鹽差能等海洋能數據缺失，因此海洋能值-生態承載力計算結果偏小。

表2 2010年山東省海洋生態系統可更新資源能值

表3 是山東海洋生態系統能值-生態足跡。由公式（5） 得出2010年總的能值-生態足跡為1.74×106hm2。海洋生態足跡的指標選取以海洋消費活動對海洋生態系統會造成一定的生態影響為主。計算海域能值/貨幣比率時采用的不可更新資源項目為海洋原油、海洋天然氣和海洋礦業，遠洋捕撈水產品（1.64×1021sej） 計入外界輸入的能值，則山東海洋生態系統能值/貨幣比率為1.93×1013sej/$。

表3 2010年山東海洋能值-生態足跡賬戶

圖2 是2000-2010年山東省海洋自然資源能值-生態足跡，包括海洋捕撈、海水養殖、海洋原油、海洋天然氣和海鹽。2000-2010年間，海水養殖生態足跡持續上升，而海洋捕撈生態足跡呈下降趨勢。海鹽足跡在這11年間上升幅度最大，海洋能源資源的生態足跡沒有太大變化。

圖2 2000-2010年山東省海洋自然資源能值-生態足跡

4 結論與討論

（1） 山東省海洋生態系統處于生態盈余狀態

由海洋能值-生態足跡模型得出，目前山東海域總能值-生態承載力（1.60×107hm2） 大于總能值-生態足跡（1.74×106hm2），處于生態盈余狀態。究其原因如下：1） 山東海域獨特的區位條件以及自然環境賦予其豐富的可更新能源資源，可利用的海洋生態系統能值比較大，具有較強的能值-生態承載力（山東海域能值密度為1.24 × 1017sej/hm2，O dum 等（1996） 計算的全球平均能值密度為3.104×1014sej/hm2，高出400 倍）；2） 區域海洋生態系統能量流中自然資源的能值儲量遠遠小于可更新能源資源的能值儲量，盡管山東省海洋漁業產量一直居高，但是由2010年海洋電力（風力發電、潮汐發電） 太陽能值7.43×1021sej 僅占潮汐能值的3.95%可以看出，海洋可更新能源資源利用率非常低，且從圖2 中可以看出，2001-2010年間，海洋原油、海洋天然氣的能值-生態足跡占自然資源能值-生態足跡的比例和增長幅度均非常小。因此，海洋能值-生態足跡遠小于能值-生態承載力，海洋生態系統處于生態盈余狀態。

（2） 山東省海洋能值-生態足跡中第二產業大于第一產業

表3 顯示，2010年山東省海洋工程建筑業能值-生態足跡（8.51×105hm2） 占總能值-生態足跡的49.02%，大于海洋自然資源的能值-生態足跡。由于近年來海洋交通運輸業、海洋旅游業、海洋科研教育服務業等海洋第三產業發展迅速，而海洋工程建筑正是這些海洋產業發展所需的基礎設施，海洋經濟快速增長的同時，必定有海洋工程建筑業的不斷增長。海洋工程建筑業不斷增長的同時，其占用的海洋系統空間面積也隨之增大，被占用海區以及其鄰近海區的生態系統平衡會遭到破壞，導致海洋自然資源產量下降，甚至一些海洋生物物種瀕臨滅絕。因此，海洋工程建筑帶來的是多方面的生態環境損害。

由圖2 可知，2000-2010年間，海洋原油、海洋天然氣的能值-生態足跡均有小幅上升，海鹽的能值-生態足跡增長幅度最大。根據《中國海洋統計年鑒2001-2011》，2005年之前山東省海鹽產量占全國海鹽產量比重不到50 %，2005-2010年，由56.9%增長到了69.2%。山東省海鹽產業滿足全國大部分地區海鹽需求，能值-生態足跡較大。表3中可以看出，排放到海水中的工業廢水（直排入海） 的能值-生態足跡為3 260 hm2。所以，工業廢水在一定程度上給海洋生態系統造成了危害，消耗了海洋生態系統中的部分能量。總體而言，海洋第二產業能值消耗量大于第一產業，能值-生態足跡較大。

（3） 山東省海洋水產業能值-生態足跡總體上有小幅上升，內部產業結構變化較大

圖2 顯示，2000-2010年間，海洋捕撈能值-生態足跡下降了15.4%，海水養殖能值-生態足跡增加了29.9%，且從2001年起，海水養殖業超越海洋捕撈業成為山東省海洋漁業的支柱產業。究其原因如下：1） 由于人類海洋消費活動增加導致海洋過度捕撈、海水污染等，海洋生物鏈遭到破壞，生物物種數量減少，海洋漁業資源日趨衰退，海洋捕撈量也會隨之減少。據山東省海洋與漁業廳統計資料顯示，山東省近海47 個主要捕撈品種，已有27 種過度利用，6 種嚴重衰退。2） 山東省致力于發展現代海水養殖技術，從1950年山東省海水養殖研究所的成立至2009年12月現代海水養殖產業技術創新戰略聯盟成立，從基礎理論到應用技術研究，海水養殖技術水平的進步以及產業規模不斷擴大，海水養殖產量逐年增加，使得海洋水產品產量保持穩定。

（4） 本研究將能值-生態足跡模型運用到海洋生態系統中，以期能夠為海洋經濟可持續發展研究提供有效的理論方法。但是，海洋生態系統本身的復雜性、海洋統計數據的缺失以及數據本身的誤差是研究海洋生態足跡的障礙，因此，以能值-生態足跡模型來評價區域海洋經濟可持續發展狀況仍需要進一步的完善。但是總體而言，海洋能值-生態足跡模型在不斷完善的基礎上將會是一種較可靠的可持續發展評價工具，能夠為特定區域、國家以及全球海洋經濟可持續發展方向提供科學合理的依據。

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