基于DPSIR模型和耦合協調度模型的膠州灣海域承載力分析

夏正啟, 王 凱, 彭道民, 朱玉貴, 張龍軍

基于DPSIR模型和耦合協調度模型的膠州灣海域承載力分析

夏正啟1, 王 凱2, 彭道民3, 朱玉貴3, 張龍軍1

(1. 中國海洋大學 環境科學與工程學院, 山東 青島 266100; 2. 中國海洋大學 海洋生命學院, 山東 青島 266003; 3. 中國海洋大學 水產學院, 山東 青島 266003)

海域承載力是海洋資源利用協調發展的重要指標, 本研究旨在根據膠州灣海域資源特征, 基于DPSIR模型構建海域承載力評價指標體系, 運用熵值法評價2000—2020年膠州灣海域承載力, 并運用耦合協調度模型分析膠州灣海域承載力子系統內部的耦合協調度。結果表明, 2000—2020年膠州灣海域承載力和耦合協調度變化幅度范圍分別為0.70～0.95和0.73～0.85。研究結論如下: 1) 2000—2020年膠州灣海域承載力處于強可載、近滿載狀態, 總體呈降低趨勢; 2) 在壓力層中的對海洋資源的需求是影響海域承載力的主要因素, 而GDP (Gross Domestic Product) 增長率、海洋漁船數和海洋漁船功率、人均灘涂面積和人均用海面積、主要海洋產業增加值年增長率、人工增殖放流則分別是影響驅動力層、壓力層、狀態層、影響層、響應層的主要因素; 3) 2000—2020年間膠州灣海域承載力整體耦合協調度總體呈“初級協調至良好協調”態勢。

膠州灣; 海域承載力; 熵值法; DPSIR模型; 耦合協調度模型

隨著海洋經濟的日益增長, 人口、環境以及資源方面的壓力不斷增大, 近岸海域生態環境愈發惡化[1-3]。作為海洋經濟發展的主要載體, 海域亦是人類可持續發展的基礎[4-5]。合理開發和利用海洋資源, 對促進經濟可持續發展以及增強國家綜合實力都有重要作用[6]。中國海洋生態文明建設已被納入海洋開發總布局[7]。

海域承載力是海洋可持續發展的重要判斷依據, 在一定時期內, 海域承載力強調海洋資源的可持續利用和支持經濟社會發展的能力, 這種承載力使得海洋能夠支持社會、經濟、資源和環境的協調發展[8-9]。表征承載力的指標有海洋環境容量、資源供給能力及產業發展程度, 通過這些指標進一步分析沿海的社會經濟狀況, 從而對海洋資源環境承載力的承載體(海洋資源環境)、承載對象(社會經濟)及外部環境(管理)的認知和理解更加豐富和深刻, 進而有助于實現海洋生態系統的健康發展和良性循環[10]。目前, 有關海域承載力的研究, 包括針對海洋漁業資源[11-12]和海岸帶資源的依據[13]及區域經濟帶的評價[14]。

海域承載力的評價指標體系起初是由聯合國可持續發展委員會在“驅動力(P)—狀態(S)— 響應(R)”概念基礎上提出的一個理論框架, 后來其他組織豐富了該指標體系[15]。例如, 毛漢英等[16]應用狀態空間法, 綜合考慮承載體與受載體之間的關系, 建立了承壓類、壓力類以及區際交流指標。金建君等[17]根據海岸帶的可協調發展以及資源的可持續利用等特點構建了海岸帶的評價指標體系, 包括總目標層、準則層和指標層3個層次。由“壓力()、狀態()和響應()”(PSR)發展起來的“驅動力()、壓力()、狀態()、影響()和響應()”(DPSIR)模型, 詳細闡述了人類活動與生態環境之間的因果關系, 從而便于決策者做出合理決策[18]。該模型是在保護概念簡單性和方法透明度的基礎上, 進一步探究了不同因素之間的因果關系, 以反映研究系統中各部分的動態變化過程[19]。DPSIP模型在研究氣候變化、可持續發展以及生態環境治理等領域得到廣泛應用和發展[20-23]。

中國經濟最發達的區域當屬海岸帶, 這里集中了70%的大中城市, 創造了約60%的國內生產總值[24]。青島是中國沿海重要中心城市, 海洋經濟總量排在全國各沿海城市前列, 具有顯著的優勢和特色[25]。2018年, 習近平總書記在視察青島時指出: “發展海洋經濟、海洋科研是推動我們強國戰略很重要的一個方面, 一定要抓好。”[26]由此, 青島市政府先后陸續出臺了包括《“海洋+”發展規劃》《建設國際先進的海洋發展中心行動計劃》等規劃措施, 計劃將青島建設成為全球海洋中心城市[27-28]。

膠州灣是青島的母親灣, 是山東半島南部黃海伸入內陸最大的天然海灣, 也是中國北方海區典型的半封閉海灣淺水海灣。本文對膠州灣海域承載力進行評價, 并對其海域承載力子系統內部的耦合協調度進行分析, 以探究影響其海域承載力水平的因素及其內在原因, 這不僅可為海洋資源與環境管理者在開展環境資源利用與保護規劃中提供科學依據, 亦可為國內外眾多臨近海灣城市社會經濟可持續發展提供良好示范和借鑒。

1 數據來源與方法

1.1 數據來源

本研究將膠州灣海域及2000—2020年分別作為海域承載力研究的空間和時間范圍, 相關數據來源于《青島統計年鑒》《青島市海洋環境公報》《青島市環境狀況公報》《青島市生態環境狀況公報》《山東漁業統計年鑒》《中國海洋統計年鑒》及地方政府內部數據。

1.2 指標體系

膠州灣海域是一個復雜、綜合、開放以及動態的系統, 評價其承載力需要一套具有針對性, 科學性且豐富的指標體系。本研究考慮社會經濟活動、海洋資源和環境容量3個方面[10, 29]。鑒于海洋資源子系統和社會經濟子系統之間有相互作用, 以及DPSIR模型框架一般用于評價復雜動態非線性因果關系的資源環境系統, 根據DPSIR模型的理論和系統內部各要素之間的關系, 將膠州灣海域系統劃分為驅動力()、壓力()、狀態()、影響()和響應()等5個子系統[30]。

驅動力是造成海域承載力變化的原動力, 包括人口、社會和經濟3方面。壓力是驅動力表現的結果, 對海域生態系統直接產生作用, 通常是負向因子。研究中包括經濟發展狀況、人口數量變化、環境污染及對海洋資源的需求。狀態是在上述驅動力和壓力共同作用下, 海域實際變化情況, 如海水質狀況和供人類使用的海域面積。影響是海域所處上述狀態對環境、資源和經濟活動的影響。響應是人類為應對海域資源環境變化而主動采取的一些措施, 以此來預防和減少負面影響, 具體表現為固廢處理進行環境治理和人工增殖放流對漁業資源的修復[30]。

因此, 本研究根據2015年國家海洋局發布的《海洋資源環境承載能力監測預警指標體系和技術方法指南》和2017年山東省質量技術監督局發布的地方標準《近岸海域海洋資源承載力評估技術規程》(DB37/T2910—2017), 考慮膠州灣海域自然資源分布現狀及特點, 綜合海域資源供給與需求因素, 從資源、環境、社會和經濟發展等方面, 選取37個指標, 構建了膠州灣海域承載力評價指標體系(表1)。

表1 膠州灣海域承載力評價指標體系

續表

注：1畝≈666.7 m2。

1.2.1 正負向指標

本研究將所有指標分為兩類: 一類是正向指標, 對海域承載力起到促進作用, 這類指標的指數值越大越好; 另一類是負向指標, 對海域承載力起到抑制作用, 這類指標的指數值越小越好[31]。如表1所示, 將本文中的恩格爾系數、人均可支配收入、一類二類海水面積比例、近岸海域功能區達標率、人均灘涂面積、人均用海面積、廢水處理率、固廢的處理率和人工增殖放流設為正向指標, 其他均設為負向指標。

1.2.2 數據歸一化

由2000—2020年間的數據構建原始數據矩陣, 對原始數據矩陣進行標準化和歸一化處理:

正向指標:

x=[X–min(X)]/[max(X)–min(X)]. (1)

負向指標:

x=[max(X)–X]/[max(X)–min(X)], (2)

式中,X為第個指標第年的初始值;x為第個指標第年的標準化后數值,=1, 2, …,,為評價指標數;=1, 2, …,,為評價年份數, 經公式計算后得到標準化矩陣。

1.3 熵值法

熵值法是對指標進行客觀賦權的一種方法[32]。計算公式為:

P=x/(x1+x2+…+x), (3)

e=[–1/ln()]/[P1ln(P1)+ P2ln(P2)+…+ Pln(P)], (4)

w=(1–e)/[(1–1)+(1–2)+…+(1–e)], (5)

其中, 當P=0時, 則P×ln(P)=0。式中,P為指標數值標準化后第年第項指標所占比重,e為各指標差異性系數,w為各指標權重。各指標權重結果見表1。

1.4 海域承載力及承載狀態

1.4.1 海域承載力

確定好各指標的權重后, 利用歸一化處理后的指標值去計算海域承載力R, 計算公式為:

R=1×1+2×2+…+w×. (6)

1.4.2 承載狀態標準

參照有關海洋環境承載狀態的劃分標準[33], 這里將指標進行標準化處理后的理想值設為1(=37), 則海域的理想承載力為:

=1+2+…+w=1. (7)

將理想承載力與實際承載力R進行比較, 對實際承載狀況進行判斷:

當R>1時, 海域環境為超載; 當R=1時, 海域環境為滿載; 當R<1時, 海域環境為可載。

為進一步細化承載力水平, 在上述基礎上進一步將其劃分, 具體如表2所示。

表2 承載力狀態劃分標準

1.5 耦合協調度模型

海域承載力系統結構組成要件及變量, 因時空差異而具有復雜性、動態性、因果性及反饋性等特征。膠州灣海域利用涉及驅動力()、壓力()、狀態()、影響()和響應()等5個子系統, 整體構成復雜的非線性系統, 而耦合協調度模型常用于評價系統間的協調發展關系, 衡量結果具客觀性和可比性, 注重各指標間的相互聯動關系, 可清晰發現海域承載力下各子系統之間的協調發展關系和水平, 故可利用耦合協調度模型來分析膠州灣海域承載力上述各子系統之間的協調性, 本文利用耦合協調度模型對其進行分析, 具體公式如下:

其中,為耦合協調度指數, 其數值區間劃分及其表征耦合協調狀態如表3所示[34];為海域承載力各子系統的耦合度, 其取值范圍為[0, 1],值越接近于1則其各子系統耦合越好, 而越接近于0則表明各子系統協調性越差[35];為海域承載力5個子系統綜合評價值,()、()、()、()及()分別為驅動力、壓力、狀態、影響和響應等各子系統承載力水平, ?、、、及等為承載力評估中各子系統(驅動力、壓力、狀態、影響和響應等5個子系統)的權重, 分別為0.081、0.611、0.114、0.071和0.123。

表3 耦合協調狀態判定準則

2 結果與分析

2.1 承載力及承載狀態分析

計算結果表明, 2000—2020年膠州灣海域承載力變化整體呈現降低趨勢, 變化幅度范圍在0.70～ 0.95(圖1)。2013年達到歷史低值, 為0.70。按承載狀態類型劃分, 膠州灣的承載力在研究年份均處于未超載狀態(均小于0.99, 處于強可載、較強可載、近滿載狀態), 但環境治理依然面臨重大挑戰[圖2(f)], 如2008年以來滸苔多次大規模季節性暴發[36-37]。為解決這一問題, 各級政府采取多種積極措施, 如努力推進“灣長制”和“河長制”, 持續實施“生態島礁”“藍色海灣”等海洋生態修復工程措施。與已有研究相同, 結果認為青島市的經濟水平承載力較大, 今后應對自然資源與社會資源重點關注, 其次是生態環境[38-39]。

圖1 2000—2020年膠州灣海域承載力的變化趨勢

2.2 承載力各準則層結果

海域承載力是由多種因素組成的, 較為復雜, 故本研究在上述總承載力評價基礎上, 再利用各評價指標進一步對各準則層(驅動力、壓力、狀態、影響和響應)的狀況進行分析, 找出可能影響膠州灣海域承載狀況變化的因素。

2.2.1 驅動力層

從驅動力層因素的變化趨勢來看, 2000—2020年膠州灣海域所承受的驅動力變化不大[圖2(a)], 主要原因在于隨著青島社會經濟發展水平持續提升, 人口總量雖持續增加, 但因2008年起因戶籍管理力度增強, 從而導致人口數量上升幅度受限。由圖2(b)可知, 膠州灣海域驅動力的變化與經濟增長的趨勢基本一致, 其驅動力主要是青島經濟發展。其中, 青島海洋生產總值年均增長10.5%, 2020年達到3 580億元。

2.2.2 壓力層

從壓力層因素的變化趨勢來看, 膠州灣海域所承受的壓力整體變化也不大[圖2(a)]。在五類準則中, 壓力值最大, 且與海域承載力變化趨勢基本一致, 在2013年也出現降低趨勢[圖2(a)], 故膠州灣海域承載力的變化主要受其所面臨的壓力的影響。另外, 由圖2(c)可知, 2000—2020年膠州灣海域壓力值變化趨勢與資源需求的變化趨勢基本一致, 其壓力主要是受到青島海洋資源需求的影響, 主要原因在于2000年以來圍填海工程、開放式海域養殖活動規模和強度、人工魚礁建設、港口開發和建設、濱海旅游業及其他臨海產業發展等涉海活動, 導致海洋資源需求旺盛, 利用強度和廣度持續提升, 同時海洋生態環境亦面臨較大壓力。

2.2.3 狀態層

從狀態層因素的變化趨勢來看, 2000—2020年膠州灣海域狀態值變化趨勢與海洋資源的變化趨勢基本一致[圖2(d)], 故膠州灣海域狀態主要受青島海洋資源水平下降帶來的影響, 具體表現為人口增長和圍海造地所導致的人均灘涂和用海面積的減少。相較于20世紀50至90年代膠州灣鹽田建設、圍墾海農業建設、灘涂圍墾養殖、港口開發、濱海公路建設及臨港工程建設等大規模圍海工程, 2000年以來圍海造地速度相對下降, 但圍填海規模依然可觀, 如膠州灣水域面積由2005年的357 km2降至2008年的348 km2, 膠州灣濕地面積由1988年的508.51 km2降至2008年的348. 25 km2, 加上同期人口數量的增長, 導致灘涂和用海面積人均占有量明顯下降。

2.2.4 影響層

從影響層的變化趨勢來看, 它與狀態值變動趨勢較為一致[圖2(a)]。具體而言, 盡管這一影響受資源、環境及經濟共同作用, 但主要受資源變動的影響[圖2(e)], 即: 受主要海洋產業增加值年增長率的影響(表1), 故要維持其增加值年增長率的穩步增長, 有必要進一步提升當前優勢態勢較為顯著、生態友好型和資源開發附加值較高的海洋生物醫藥產業和濱海旅游業的發展, 促進其提質增效和高質量發展, 同時適當限制海洋漁業利用程度并加強海洋生物資源養護, 實現海域生態系統的動態平衡及其結構和功能的穩定, 從而有助于實現海域利用可持續發展。

2.2.5 響應層

從響應層的變化趨勢來看, 2000—2020年膠州灣海域響應值在2013年之前整體變化不大, 之后在2016—2019年上升, 2019—2020年下降([圖2(a)]。另外, 2000—2020年膠州灣海域響應值的變化趨勢與資源修復的變化趨勢基本一致[圖2(f)], 故膠州灣海域響應值主要受海洋生態修復帶來的影響, 如人工增殖對海洋漁業資源的恢復起到促進作用, 以及固廢和廢水處理率維持在較高水平。2013年以來, 為實現整體保護和綜合治理, 青島統籌考慮全市海岸帶、海域及陸域空間, 建立全要素生態修復總體框架, 實施了一系列系統修復工程, 如膠州灣海域的水質提升工程、濕地生物棲息地修復工程、陸域污染面源控制工程、入海河口污染控制工程。

圖2 2000—2020年膠州灣海域驅動力、壓力、狀態、影響和響應各影響因素的變化趨勢

2.3 承載力子系統協調度分析

2000—2020年, 膠州灣海域承載力子系統耦合協調度雖波動幅度較大, 但總體呈“良好協調至中級協調”的下降態勢(圖3)。具體而言, 2000—2007年耦合協調度處于良好協調狀態并總體呈上升態勢, 這主要得益于膠州灣海域近岸開發強度雖然較高但整體開發強度較適宜, 但2008年以來因滸苔暴發而導致耦合協調度出現更大幅度波動, 嚴重影響了子系統之間原有的相對穩定的相互作用關系, 并于2013年由良好協調下降至中級協調[36-37], 但由于政府及時采取海洋大型藻類災害專項監視監測預警體系和治理措施, 最大限度降低其對膠州灣海域的影響, 使得其耦合協調度水平依然維持在終極協調水平。但是, 2020年耦合協調度顯著下降。

圖3 膠州灣海域承載力子系統耦合協調度

3 結論和討論

本研究根據膠州灣海域資源、環境、社會和經濟發展特點, 首先構建一套包含37個指標的綜合評價指標體系, 其次利用熵值法和DPSIR模型對2000— 2020年膠州灣海域承載力進行評估, 并對其中的5類準則層進行分析, 最后探究影響膠州灣海域承載力變化的原因, 得出如下結論:

1) 2000—2020年膠州灣海域承載力處于強可載、近滿載狀態, 總體呈現降低趨勢;

2) 對資源需求的壓力是影響膠州灣海域承載力的主要原因, 而在各準則層中, 驅動力主要受GDP增長率的影響, 壓力主要受海洋漁船數和海洋漁船功率的影響, 狀態主要受人均灘面積涂和人均用海面積的影響, 影響主要受主要海洋產業增加值年增長率的影響, 響應則主要受人工增殖放流的影響。

3) 2000—2020年, 膠州灣海域承載力耦合協調度總體呈上升態勢, 并從初級協調上升至良好協調, 但2008年以來多次暴發滸苔導致協調度出現較大幅度波動。

根據研究結論, 為改善膠州灣海域承載力, 提出如下建議:

第一, 減輕海域壓力, 提升資源開發水平, 促進海洋經濟發展。盡管當前膠州灣海域承載力還未出現過載狀況, 但在個別年份呈現顯著下降的趨勢, 因而有必要減少對海洋資源環境產生的壓力, 減輕海域壓力。同時, 有關部門繼續加大培養海洋科技人才的投入, 提升海洋經濟發展水平[40]。

第二, 提升海洋生態修復水平, 加強海洋生態環境養護。海域承載力具有一定的閾值, 若海域的開發利用超過這一閾值, 可能會導致生態平衡等系列問題產生, 海域所能提供的資源量亦將下降, 但可以通過海域利用調控、科技進步等措施和手段逐步予以恢復[41]。通過人工增殖放流、藍色海灣工程、渤海攻堅行動計劃、海洋保護地建設和海洋牧場等措施, 進一步提升該海域的承載能力。

第三, 加強海洋環境監管, 減少污染物的排放。設立專項資金研究滸苔預防治理和廢水處理技術, 制定相關排放標準, 建立排污權交易機制, 加強污染物排放的監管力度, 努力降低污染物排放量, 確保海洋生態資源環境的利用不超過其海域承載力, 從而有助于海域可持續發展利用。

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Analysis of marine region carrying capacity in Jiaozhou Bay based on the DPSIR model and coupling coordination degree model

XIA Zheng-qi1, WANG Kai2, PENG Dao-min3, ZHU Yu-gui3, ZHANG Long-jun1

(1. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. College of Marine Life Science, Ocean University of China, Qingdao 266003, China; 3. College of Fisheries, Ocean University of China, Qingdao 266003, China)

Marine carrying capacity is a key indicator for the coordinated development of marine resource utilization. In this study, based on the resource characteristics of Jiaozhou Bay and the DPSIR model, an indicator system is developed to evaluate the marine carrying capacit of Jiaozhou Bay y and the entropy method is subsequently used to distribute the evaluation index weight of each indicator. Moreover, the coupling coordination degree model is used to analyze the coupling coordination degree within the carrying capacity subsystem of Jiaozhou Bay in 2000–2020 to provide a good demonstration and reference for the sustainable socioeconomic development of many adjacent Gulf cities at home and abroad. The findings reveal that between 2000 and 2020, the variation range of the marine carrying capacity is 0.70–0.95, and the coupling coordination degree of Jiaozhou Bay is 0.73–0.85. The conclusions of this study are as follows: 1) the overall carrying capacity of Jiaozhou Bay exhibits a downward trend from 2000 to 2020, which corresponds to the trend from strong load capacity to critical load capacity, respectively; 2) the demand for marine resources in the pressure layer is the main factor affecting the carrying capacity, and the GDP growth rate, number and power of marine fishing vessels, per capita beach and sea areas, annual growth rate of the added value of major marine industries, and artificial proliferation and release are the main factors affecting the driving force layer, pressure layer, state layer, influence layer, and response layer, respectively; and 3) the change in the coupling coordination degree of the system in the evaluation range approximately exhibits an overall trend of “primary coordination to good coordination.”

Jiaozhou Bay; marine carrying capacity; entropy method; DPSIR model; coupling coordination degree model

Mar. 4, 2022

X82; P74

A

1000-3096(2023)6-0020-10

10.11759/hykx20220304003

2022-03-04;

2022-03-27

國家自然科學基金項目(42176234)

[National Natural Science Foundation of China, No. 42176234]

夏正啟(1975—), 男, 山東青島人, 博士研究生, 研究方向為環境規劃與管理, E-mail: xiazhq@126.com; 共同第一作者: 王凱(1998—), 女, 山東日照人, 碩士研究生, 研究方向為海洋生態學, E-mail: wangkai6632@ stu.ouc.edu.cn; 朱玉貴(1980—), 男,通信作者, 江蘇泗陽人, 教授, 研究方向為漁業經濟與管理, E-mail: zhuyugui@ouc.edu.cn

(本文編輯: 叢培秀)