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基于系统动力学的海洋生态承载力研究
——以惠州市为例
靳超，周劲风，李耀初，陈炜
中山大学环境科学与工程学院，广东广州510275
本文以惠州市为例，构建了海洋生态承载力评价指标体系，分为压力类、支持力类和区域交流类3个目标层，包含人口、经济发展、环境污染与资源利用、资源供给能力、环境纳污能力、人类社会支持能力、产品交换等7个准则层。运用状态空间模型对惠州市2004～2013年10a间的海洋生态承载力状况进行定量评价。结果显示：惠州市海洋生态承载力呈现波动变化，部分年份出现超载情况。2004～2008年，环境污染与资源利用是海洋生态系统主要的压力，2009年开始，经济发展成为主要压力。支持力水平总体平稳，且不断改善。利用系统动力学模型预测在现有发展模式下，由于经济增长过快，废水排放量和固废产生量增加，海洋生态承载力指数将逐年上升，2018～2020年将出现超载现象，为确保海洋生态承载力在可载范围内，惠州市需加快城市化进程，采用集约化增长方式，降低经济增长速度，提高污染物处理率。
关键词：海洋生态承载力；系统动力学模型；评价；惠州市
海洋拥有广袤的面积和取之不尽的资源，为人类的生存和社会经济的发展提供了重要的物质基础。随着海洋经济的发展，海洋环境面临的压力也越来越大。为了实现经济的可持续发展，必须根据海洋生态承载力制定合理的发展规划和目标，将海洋开发活动控制在可以承受范围之内。为此，迫切需要开展海洋生态承载力研究，从可持续发展的角度对具体的发展策略提出预警，指导人类开发活动。
海洋生态承载力研究的中心内容是: 根据海洋生态环境的实际承载能力来确定最优的可持续的沿海地区人口增长的速度和经济社会的发展速度。通过科学的方法计算出沿海地区在人口增长、经济发展、资源配置与海洋生态承载力之间的平衡点，以实现沿海地区海洋生态环境的良性循环，促进沿海地区的可持续发展。对于生态承载力的量化方法主要有: 种群数量的Logistic法、资源供需平衡法、指数评价法、系统模型法四种。近年来，研究人员开始同时使用多种研究方法，将包括系统动力学方法在内的多种研究方法整合起来研究承载力，复合模型已经成为生态承载力计算模型的发展方向。通过系统动力学模型模拟不同发展方案，预测变量的发展变化，然后运用相应的指数评价方法进行评价，就可以得到适合该地区生态可持续发展的发展方案及相应的承载力大小。
惠州市地处广东省东南部，珠江三角洲东北段，属珠江三角洲经济区。惠州是全国著名的海滨旅游城市，拥有大亚湾、巽寮湾两大著名海湾，海洋资源丰富。拥有海域面积4500 km2，海岸线长281.4 km。水产品种类达840多种，惠州市海洋产业发展较早，产业分布均衡全面，主要有海洋渔业、石化工业、港口运输、滨海旅游业、造船工业和海洋盐业等。目前，惠州市海洋产业正处于优化、升级阶段，有望成为省内海陆统筹与城乡一体化发展的示范地区。本文拟以惠州市为研究对象进行实证研究，建立评价指标体系，评价该地海洋生态承载力状况，构建海洋生态承载力的系统动力学模型并预测其发展变化，通过调整规划目标给出政策建议。以上这些问题的研究对于丰富我国海洋环境的理论研究，制定行之有效的海洋发展政策具有重要的意义。
1 材料与方法
1.1 评价指标体系构建
1.1.1 指标选取与理想值确定
指标的选取应满足全面客观、定量与定性相结合、具有可操作性、独立代表性和预测性的原则，根据上述原则，结合海洋生态承载力的理论概念，通过咨询专家、查阅资料后依照惠州市海洋生态环境和经济社会发展的现状特点，选择对惠州市海洋生态承载能力影响较大的指标。同时，通过对大量的已有统计数据和资料的分析、筛选和整理，从中抽取与海洋生态系统息息相关的信息并利用分析软件SPSS的线性回归法剔除指标间的多重共线性。
根据承载力的基本构成，将指标分为压力类、支持力类和区域交流类3个目标层。建立了包含人口、经济发展、环境污染与资源利用、资源供给能力、环境纳污能力、人类社会支持能力、产品交换等7个准则层。最终确定了27个指标。构成了针对性强、层次清晰、能够比较全面综合反映海洋生态系统状况的评价指标体系。指标如表1所示。
海洋生态承载力的理想状态是指在一定时期内某一海域或沿海地区的海洋环境资源与人类社会活动之间达到最佳匹配状态，既充分利用了海洋环境和资源支持人类活动，又保证了海洋和人类的可持续发展。理想状态值就是各评价指标在这种和谐状态下的值。随着时代的发展，人类与海洋的互动变得越来越复杂。人们对海洋资源和环境各个方面的要求也不断的变化和提高。因此，由于地区的不同发展情况的差异，相应的理想状态值也不同。理想状态值的确定有以下3种方式：(1) 征集当地相关专家学者和政府部门的意见；(2)利用现有的一些成熟可靠地国际、国内标准来确定；(3)通过类比选择与研究区域条件相似，但更接近可持续发展状态的其他区域作为参考标准。在实际操作中这些方法互为补充综合使用。
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1.1.2 权重确定
采用层次分析法确定权重。层次分析法确定权重大体可以分为4个步骤：建立问题的递阶层次结构、构造两两比较的判断矩阵、判断矩阵单排序、计算各层元素的组合权重。邀请相关领域专家对指标进行打分，经过上述方法调整计算后得出指标体系中各个指标的权重。
1.1.3 评价方法
评价方法采用状态空间法，状态空间法一般用于复杂系统的定量分析和评价。通过计算系统内各要素的空间状态向量，构成三维状态空间轴，海洋生态承载力可以通过三维空间中各点的矢量模来定量计算。其数学表达式为：
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由于海洋系统中子系统的复杂性和发展的波动性，王开运基于“自然—经济—社会”系统设定承载力标准的范围为0.3，本研究也参照此标准。当MECC＞1.2时，超载；当0.9≤MECC≤1.2 时，满载；当MECC＜0.9 时，可载。
1.2 数据来源
原始指标数据主要来自惠州市统计年鉴、惠州市海洋质量公报、惠州市环境质量公报、广东省统计年鉴、广东省海洋质量公报、广东省环境质量公报、国家渔业年鉴和惠州市海洋渔业局、环保局、，还有地方志等其他文献资料。规划目标主要参照《惠州市国民经济和社会发展第十二个五年规划》、《惠州市城市总体规划》、《惠州市海洋环境保护规划》、《惠州市环境保护和生态建设规划》等。
1.3 系统动力学模型建立
1.3.1 系统边界的确定
海洋不仅受到自身的自然资源和生态系统的影响，还受到沿海地区人类生产生活活动的影响，是一个开放的复杂巨系统。行政区划确定的近岸海域是指：受人类活动影响比较显著同时能较好地进行综合管理与规划研究的行政地理单元。既反映了近岸海域的自然地理特征，也考虑到社会管理属性。因此，本研究将系统的边界确定为惠州市行政管辖范围内的陆域和近岸海域。包括惠州市全地区的人口、经济、环境和资源。
1.3.2 模型总体结构
根据海洋系统的特性，将其分解为人口、经济、环境和资源4个子系统。分别研究各影响因素的关系。系统总体结构图见图1，模型共包含29个方程和37个变量以及参数，主要的调控参数有人口增长率、GDP 增长率、海洋产业占GDP比重等。
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1.3.3 模型检验
使用Vensim-PLE系统动力学软件(6.0b) 建模。选定2004年为基准年，历史模拟时段为2004～2013年，时间步长为1a，选取各个子系统中的主要指标进行历史检验。通过模拟结果与历史统计数据的对比可以验证模型的有效性和准确程度。采用主要指标参数的相对误差进行分析：
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图2是选取的主要模型指标历史性检验的相对误差图，旅游收入、进出口总额、海洋产业产值、人均GDP、城市化水平、人均滩涂面积和工业废水排放量等指标与实际统计值的相对误差较小，说明指标预测的准确性较高，可以用于后续的预测工作。
2 结果与讨论
2.1 惠州市海洋生态承载力评价
2004年到2013年间惠州市海洋生态承载力的情况如图3所示。从图中可以看出，惠州市海洋生态承载力呈现波动变化，近两年承载力基本稳定在1.13左右。承载力最优为2009年，承载力值为0.9930。最差为2007年，承载力值为1.5701，超载30.8%。
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惠州市海洋生态系统的压力是波动变化的，最大值为1.342，最小值为2009年0.594，大部分时间是满载的。2004年到2008年，环境污染与资源利用是海洋生态系统主要的压力，在2007年达到最大值1.225，导致整个海洋生态承载力的超载。对指标层的深层分析表明，2007 年COD排放量达到4.5 万t，比2006年增加了96%。2009年开始，经济发展成为主要压力。随着经济的发展，当地入海污染物增多，对海洋资源的开发也逐年增长，压力逐年上升。
支持力水平总体平稳，且不断改善。人类社会支持力是支持力中的决定性因素，对整体承载水平的变化影响最大。2004年到2013年，人类社会支持力大幅改善，2004年为0.4440，到2013年为0.1695。资源供给能力保持在0.5664～0.6409之间，比较稳定变化不大。环境纳污能力总体平稳，且趋于改善。
区域交流能力随着惠州市进出口贸易的增长而上升。进出口贸易额由2004年166.4亿美元增长到2013年573.94 亿美元。区域交流能力值由2004年的0.1138 增长到2013 年的0.3924。
2.2 承载力预测与调控
2.2.1承载力预测
根据惠州市历史发展情况，确定模型中各调控参数的值。其中，人口年增长率受到自然增长率和人口净迁徙率的影响，2011 年后惠州市人口迁徙规模低于万人，故人口自然增长率近似于总人口增长率。本次预测参数选取各发展阶段的平均值，十二五期间为0.71%，十三五期间为0.85%。GDP增长率十二五期间为10.5%，十三五期间为10%。海洋产业产值占GDP比重取历史平均值25.39%。万元GDP工业废水排放量为3.51t。根据《惠州市旅游业发展规划》，到2020年预计接待游客人数达到4000万。
在上述发展方案下，利用动力学模型进行预测，将各变量预测结果代入状态空间模型中，得出惠州市2014～2020年间承载力的变化情况。如图4 所示，惠州市海洋生态承载力指数逐年上升，2013～2015年处于满载区间内，2017 年后出现超载现象。2020 年达到最大值为1.467。
对目标层的分析可以看出压力指数逐年增长，是承载力变化的主导因素。压力值在2015年为0.746，2020 年为1.059，相对于2004 年分别增长了5.1%和49.3%。支持力基本保持在0.782～0.806 之间，变化不大。区域交流逐年上升，但对承载力的贡献较小。
根据预测结果，2015 年惠州市GDP 总量将达到3348.58 亿元，2020年将达到5466.84 亿元；海洋经济产值2015 年达到850.20 亿元，2020 年达到1388.03 亿元，相对于2004 年分别增长了4.9倍和8倍。由于经济的发展和人口的增加，人类社会的污染物排放量也不断增加。环境污染与资源利用类指标2015 年为0.412，2020年为0.627，主要是由于废水排放总量和COD 排放量的增加。2015 年惠州市废水排放总量达到47370.2 万t，COD 排放量为0.924 万t，到2020 年分别增加到58171.3万t、1.163 万t，2017 年后废水排放总量便超过了《惠州市环境保护规划纲要(2006～2020)》中50000万t的规划值。这将给城市污水治理和海域环境带来很大的影响。
资源供给能力2015 年为0.648，2020 年为0.676，海洋环境纳污能力基本稳定在0.406，人类社会支持力稳定在0.162～ 0.165，可在一定程度上降低经济和人口带来的负面压力。
2.2.2 调控分析
上述预测表明，以当前的发展模式，惠州市的海洋生态承载力将在未来五年内出现超载，因此必须对关键发展指标进行调整。对承载力影响较大的参数有人口增长率、GDP 增长率、海洋产业增长率等，从可持续发展角度出发，参考现有的一些规划目标，确定调整方向和幅度。调整方案如下: 城市化率调整为85%。GDP 年增长率调整为国家目标7%，海洋产业占GDP 比重调整为20%。两种方案的参数对比见表2，预测结果见图4。
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对比两种方案预测结果，可以看出，依照现状发展模式，承载力在2017年出现超载，方案调整后，惠州市的海洋生态承载力水平明显好转，2015 年和2020 年分别比现状发展模式下降低了0.0803和0.2615。虽然两个方案下承载力发展均趋于超载，但现状发展模式下上升的速度明显快于方案调整后的上升速度。方案调整后，只在2020年出现轻微的超载。
压力类指标在两种发展模式下都是随时间增长的，现状发展模式下2015年和2020 年的压力值分别为0.7443 和1.0498。方案调整后压力类预测结果为2015年0.6682，2020 年为0.8061，分别降低了10.22%和23.21%。经济增速降低后，经济发展的压力明显减小，与之相应的废水排放量、COD 排放量和固废产生量等各种污染物排放量均有所降低。
支持力也有所改善，2015年和2020年支持力的值为0.7474 和0.7641。相对于现状发展模式下的支持力改善了6.97%和7.43%。
通过两种发展方案的海洋生态承载力比较可以看出，在未来5a内，惠州市的经济发展目标应当适当调低，应设定在10%以下，适应全国平均7%的增长目标，产业结构应进一步调整，大力发展旅游业、服务业等第三产业，减少第二产业比重。城市化水平应提高到85%，作为一个滨海旅游城市应当加大环保投入，环保投资指数应稳定在4%左右。
3 结论
(1) 通过建立海洋生态承载力指标体系，运用状态空间模型对2004～2013年10a间惠州市海洋生态承载力状况进行了定量评价。结果显示：2004～2013年，惠州市海洋生态承载力呈现波动变化，但总体处于可载区间，趋于改善。支持力水平总体平稳，且不断改善。人类社会支持力是支持力中的决定性因素，对整体承载水平的变化影响最大。惠州市的人均GDP和环保投资逐年增加、城市化水平提高、污水处理率和固废处理率提高，开展人工增殖放流活动使得人类社会支持力大幅提升。
(2) 利用系统动力学模型预测到2020年间承载力变化情况，结果显示经济增长过快，导致废水排放量和固废产生量增加。海洋生态承载力指数逐年上升，2016～2020年出现超载现象。其中，压力是承载力变化的主导因素，支持力基本维持不变，经济增长和环境污染是主要的压力来源。
(3) 通过调整发展目标，重设模型参数，模拟计算承载力变化情况，对比结果给出政策调整建议如下: 加快城市化进程，采用集约化增长方式，降低经济增长速度，提高污染物处理率。
(4) 海洋生态承载力与人类社会经济活动息息相关，相互支持，相互制约。惠州市的经济发展目标过高，超过了海洋生态系统的承载能力，是以环境为代价的不健康的发展。应当适当的降低经济增长速度，优化产业结构，提高经济发展质量，走集约化发展道路。同时加大环保投入，加强城市化建设，努力打造环境优美的滨海旅游大市。
为了便于阅读，文中省略了部分表格和引用文献，如有需要请参考具体文献。
靳超,周劲风,李耀初,陈炜. 基于系统动力学的海洋生态承载力研究——以惠州市为例[J]. 海洋环境科学,2017,(04):537-543.
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