基于能值的山東省海洋生態(tài)足跡研究

狄乾斌， 張海紅，曹可

（1.遼寧師范大學(xué) 海洋經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展研究中心，遼寧 大連 116029；2.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 大連 116026）

在可持續(xù)發(fā)展研究中，海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)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(xué)者的研究方向。生態(tài)足跡模型的提出（Rees，1992），為定量研究海洋經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供了新的理論和方法。

不少學(xué)者運(yùn)用傳統(tǒng)的生態(tài)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(tài)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(qū)域的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r。20 世紀(jì)90年代初引入能值模型（藍(lán)盛芳等，2001，2002），國內(nèi)學(xué)者（王建源等，2007；趙志強(qiáng)等，2008，2009；劉淼等，2008） 將傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型與能值理論相結(jié)合，運(yùn)用改進(jìn)的能值-生態(tài)足跡模型（Emergybased Ecological Footprint，EEF），研究了不同地區(qū)的能值-生態(tài)承載力和能值-生態(tài)足跡。在能值-生態(tài)承載力（Emergy-based carrying capacity， ECC）的計(jì)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(tài)足跡則采用區(qū)域能值密度，但也有不少學(xué)者從不同角度改進(jìn)了能值足跡法：金丹等（2010） 以地球生物圈循環(huán)中3 種主要能源在特定區(qū)域中的能值總量計(jì)算出區(qū)域能值密度，以同一能值密度計(jì)算區(qū)域能值生態(tài)承載力和生態(tài)足跡；趙志強(qiáng)等（2008） 將輸入系統(tǒng)的可更新資源定義為潛在生態(tài)承載力，將研究區(qū)產(chǎn)品產(chǎn)出、進(jìn)出口以及勞務(wù)均納入生態(tài)承載力范圍；劉淼等（2008） 將研究區(qū)內(nèi)所有人類可利用的可再生資源的能值作為生態(tài)承載力總能值，該能值與研究區(qū)域面積之比作為區(qū)域能值密度，并運(yùn)用此能值密度計(jì)算生態(tài)承載力。這些研究從不同角度對區(qū)域經(jīng)濟(jì)進(jìn)行分析，為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。國內(nèi)學(xué)者（楊山 等2011；趙美霞等，2011）分別將生態(tài)足跡模型運(yùn)用到海洋可持續(xù)研究中，然而運(yùn)用能值-生態(tài)足跡法在區(qū)域海洋經(jīng)濟(jì)方面的研究還不多見。能值-生態(tài)足跡模型的提出，克服了生態(tài)足跡法偏生態(tài)性的特點(diǎn)（顧康康等，2009），從生態(tài)環(huán)境、社會發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展角度進(jìn)行評價(jià)，更能真實(shí)的反映區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r。本文基于能值理論與生態(tài)足跡模型在可持續(xù)發(fā)展評價(jià)上的可行性，將能值-生態(tài)足跡模型運(yùn)用到海洋生態(tài)系統(tǒng)中，構(gòu)建了海洋能值-生態(tài)足跡創(chuàng)新模型，并以山東海洋生態(tài)系統(tǒng)為例，定量分析了特定區(qū)域海洋經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)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(wèi)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(fēng)氣候，冬季盛行偏北風(fēng)，夏季盛行偏南風(fēng)，海域年均風(fēng)速為7.1～7.5 m/s，年均降水量在580 916 mm之間，日照時(shí)數(shù)23 002 900 hr。沿海潮汐主要為不正規(guī)半日潮和正規(guī)半日潮，海上風(fēng)能、潮汐能、波浪能等可開發(fā)海洋能源資源儲量豐富。

山東省是我國海洋經(jīng)濟(jì)大省，其海洋生產(chǎn)總值一直居全國前列。2010年實(shí)現(xiàn)海洋生產(chǎn)總值7074.5 億元，占全國比例為17.9 %，三次海洋產(chǎn)業(yè)比重分別為6.3%、50.2%和43.5%。海洋漁業(yè)產(chǎn)量631 萬t（遠(yuǎn)洋捕撈1.5×105t），海鹽產(chǎn)量2.273×107t，均居全國第一。海洋漁業(yè)、海洋化工業(yè)、海洋生物醫(yī)藥業(yè)、海洋電力業(yè)、濱海旅游業(yè)和海洋交通運(yùn)輸業(yè)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(jīng)濟(jì)持續(xù)增長。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文中可更新資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于《山東省海洋功能區(qū)劃（2011-2020）》，海洋資源消費(fèi)項(xiàng)目數(shù)據(jù)來源于《中國海洋統(tǒng)計(jì)年鑒2001-2011》、《中國海洋年鑒2011》、 《山東統(tǒng)計(jì)年鑒2011》 和《2010年山東省國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》。數(shù)據(jù)計(jì)算與制圖分別采用EXCEL 和WORD 完成。

2.2 海洋能值-生態(tài)足跡模型

2.2.1 海洋能值-生態(tài)足跡的概念

Folke 等（1991；1998） 將海洋生態(tài)足跡定義為人類為滿足自身需要的海產(chǎn)品以及服務(wù)所占用的海洋生態(tài)系統(tǒng)的表面積。Warren-Rhodes 等（2003） 給出了海洋生態(tài)足跡的數(shù)值表達(dá)式：MEF=SC/AS，SC 表示生產(chǎn)一定消耗量所需要的海洋面積，AS 表示某區(qū)域的實(shí)際海洋面積，以MEF 值的大小來判斷研究區(qū)域海洋生態(tài)的赤字或者盈余。國內(nèi)學(xué)者陳成忠等（2008） 提出海洋足跡和海洋生物承載力兩個(gè)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(yùn)用非線性科學(xué)理論模擬了最大可持續(xù)海洋足跡。

依據(jù)上述海洋生態(tài)足跡的定義，結(jié)合由H.T.Odum 創(chuàng)立的能值理論，基于生態(tài)系統(tǒng)中的能量直接或間接源于太陽能，通過太陽能值轉(zhuǎn)換率將生態(tài)系統(tǒng)或生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中不同類型、不能直接比較的能量換算成可進(jìn)行比較的能值標(biāo)準(zhǔn)——太陽能值。本文將海洋能值-生態(tài)足跡定義為：人類為滿足自身需要的海產(chǎn)品以及服務(wù)所消耗的海洋生態(tài)系統(tǒng)的能量所占用的（通過能值轉(zhuǎn)換率和海域能值密度換算） 的海域表面積。海洋能值-生態(tài)承載力是海洋生態(tài)系統(tǒng)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(shù)據(jù)

海洋水體的流動(dòng)性、海洋環(huán)境的復(fù)雜性以及海洋開發(fā)的立體性導(dǎo)致海洋經(jīng)濟(jì)的研究比陸域經(jīng)濟(jì)的研究要復(fù)雜很多。本文將能值-生態(tài)足跡模型應(yīng)用到海洋經(jīng)濟(jì)的研究中，主要基于以下幾點(diǎn)考慮：（1） 每個(gè)沿海地區(qū)都具有不同的區(qū)域特性，其海洋自然資源、海陸經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和社會條件各不相同。從區(qū)域經(jīng)濟(jì)的科學(xué)研究方面，可以將具有不同發(fā)展條件的海洋區(qū)域劃分為一個(gè)個(gè)相對獨(dú)立的經(jīng)濟(jì)研究單位。（2） 基于海域自然能源資源由特定海域區(qū)位、氣候等條件決定，海域礦產(chǎn)資源是由海域生物地化循環(huán)長期累積的結(jié)果，因此短期內(nèi)均不會發(fā)生較大變化。海洋生物資源以及海域生產(chǎn)力在短時(shí)間內(nèi)容易受自然災(zāi)害以及人為災(zāi)害等的影響，但是基于海洋生態(tài)系統(tǒng)強(qiáng)大的自我調(diào)節(jié)功能，在一定的時(shí)間周期內(nèi)，也不會發(fā)生較大變化。（3） 以研究地區(qū)所轄海域范圍海洋資源的產(chǎn)量和海洋能源的利用量作為生態(tài)足跡指標(biāo)，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(tài)系統(tǒng)的自然資源的能值流量圖。

2.2.2 海洋生態(tài)系統(tǒng)自然資源的能值計(jì)算

海洋生態(tài)系統(tǒng)中可更新自然資源包括太陽輻射能、風(fēng)能、雨水化學(xué)能、潮汐能、潮流能、波浪能、溫差能、鹽差能和地球旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jì)算

因太陽輻射能、海洋風(fēng)能、雨水化學(xué)能、波浪能、溫差能和鹽差能均是由太陽輻射作用產(chǎn)生的，潮汐能和潮流能是由太陽和月球?qū)Φ厍虻娜f有引力引起的，計(jì)算海域能值密度時(shí)只取其中最大值，則海域能值密度計(jì)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(fēng)能、雨水化學(xué)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(zhuǎn)能之和；S 表示研究區(qū)海域面積。

2.2.4 海域能值/貨幣比率（sej/$） 的計(jì)算

因人類消耗的自然環(huán)境資源可用能值來衡量，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中循環(huán)流通的貨幣的實(shí)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(huán)境消費(fèi)項(xiàng)目轉(zhuǎn)換為能值，進(jìn)而計(jì)算其能值-生態(tài)足跡。根據(jù)藍(lán)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(jì)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(jìn)口商品、資源的能值。式（3） 中，表示研究區(qū)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(chǎn)總值所對應(yīng)的能值量。

2.2.5 海洋能值-生態(tài)承載力的計(jì)算

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

式中：MEEC 表示海洋能值-生態(tài)承載力；Er 表示可利用的海洋生態(tài)系統(tǒng)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(tài)足跡的計(jì)算

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

式中，MEEC 表示海洋能值-生態(tài)足跡；Ec 表示消耗的海洋資源的總能值，海洋生態(tài)足跡消費(fèi)項(xiàng)目包括海洋漁業(yè)（海洋捕撈和海水養(yǎng)殖）、海鹽、海洋原油、海洋天然氣、海洋化工、海洋生物醫(yī)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(chǎn)活動(dòng)，因此，為了避免重復(fù)計(jì)算，只取海洋資源的原始產(chǎn)量數(shù)據(jù)；海洋生物醫(yī)藥是由海水產(chǎn)品制成的，計(jì)算生態(tài)足跡時(shí)只取海洋捕撈和海水養(yǎng)殖產(chǎn)量；D 表示海域能值密度。

3 山東海洋生態(tài)系統(tǒng)能值-生態(tài)足跡分析

由于山東海域海洋自然資源的產(chǎn)出不只是供應(yīng)山東省本地的資源消費(fèi)，還包括國內(nèi)以及國外一部分地區(qū)，但是外界消耗的山東海洋資源量沒有比較具體的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，因此，本文通過計(jì)算海域總能值-生態(tài)承載力和總能值-生態(tài)足跡來進(jìn)行海洋生態(tài)系統(tǒng)評價(jià)。

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(zhǔn)（Campbell et al，2004；Campbell，2000），根據(jù)公式（4） 計(jì)算得出山東海洋生態(tài)系統(tǒng)總能值-生態(tài)承載力為1.60 × 107hm2。根據(jù)公式（1） 計(jì)算得出山東海洋生態(tài)系統(tǒng)能值密度為1.24 ×1017sej/hm2。海域能值-生態(tài)承載力的計(jì)算只考慮了海洋生態(tài)系統(tǒng)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(shù)據(jù)缺失，因此海洋能值-生態(tài)承載力計(jì)算結(jié)果偏小。

表2 2010年山東省海洋生態(tài)系統(tǒng)可更新資源能值

表3 是山東海洋生態(tài)系統(tǒng)能值-生態(tài)足跡。由公式（5） 得出2010年總的能值-生態(tài)足跡為1.74×106hm2。海洋生態(tài)足跡的指標(biāo)選取以海洋消費(fèi)活動(dòng)對海洋生態(tài)系統(tǒng)會造成一定的生態(tài)影響為主。計(jì)算海域能值/貨幣比率時(shí)采用的不可更新資源項(xiàng)目為海洋原油、海洋天然氣和海洋礦業(yè)，遠(yuǎn)洋捕撈水產(chǎn)品（1.64×1021sej） 計(jì)入外界輸入的能值，則山東海洋生態(tài)系統(tǒng)能值/貨幣比率為1.93×1013sej/$。

表3 2010年山東海洋能值-生態(tài)足跡賬戶

圖2 是2000-2010年山東省海洋自然資源能值-生態(tài)足跡，包括海洋捕撈、海水養(yǎng)殖、海洋原油、海洋天然氣和海鹽。2000-2010年間，海水養(yǎng)殖生態(tài)足跡持續(xù)上升，而海洋捕撈生態(tài)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(tài)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(tài)足跡

4 結(jié)論與討論

（1） 山東省海洋生態(tài)系統(tǒng)處于生態(tài)盈余狀態(tài)

由海洋能值-生態(tài)足跡模型得出，目前山東海域總能值-生態(tài)承載力（1.60×107hm2） 大于總能值-生態(tài)足跡（1.74×106hm2），處于生態(tài)盈余狀態(tài)。究其原因如下：1） 山東海域獨(dú)特的區(qū)位條件以及自然環(huán)境賦予其豐富的可更新能源資源，可利用的海洋生態(tài)系統(tǒng)能值比較大，具有較強(qiáng)的能值-生態(tài)承載力（山東海域能值密度為1.24 × 1017sej/hm2，O dum 等（1996） 計(jì)算的全球平均能值密度為3.104×1014sej/hm2，高出400 倍）；2） 區(qū)域海洋生態(tài)系統(tǒng)能量流中自然資源的能值儲量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于可更新能源資源的能值儲量，盡管山東省海洋漁業(yè)產(chǎn)量一直居高，但是由2010年海洋電力（風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)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(tài)足跡占自然資源能值-生態(tài)足跡的比例和增長幅度均非常小。因此，海洋能值-生態(tài)足跡遠(yuǎn)小于能值-生態(tài)承載力，海洋生態(tài)系統(tǒng)處于生態(tài)盈余狀態(tài)。

（2） 山東省海洋能值-生態(tài)足跡中第二產(chǎn)業(yè)大于第一產(chǎn)業(yè)

表3 顯示，2010年山東省海洋工程建筑業(yè)能值-生態(tài)足跡（8.51×105hm2） 占總能值-生態(tài)足跡的49.02%，大于海洋自然資源的能值-生態(tài)足跡。由于近年來海洋交通運(yùn)輸業(yè)、海洋旅游業(yè)、海洋科研教育服務(wù)業(yè)等海洋第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，而海洋工程建筑正是這些海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的基礎(chǔ)設(shè)施，海洋經(jīng)濟(jì)快速增長的同時(shí)，必定有海洋工程建筑業(yè)的不斷增長。海洋工程建筑業(yè)不斷增長的同時(shí)，其占用的海洋系統(tǒng)空間面積也隨之增大，被占用海區(qū)以及其鄰近海區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)平衡會遭到破壞，導(dǎo)致海洋自然資源產(chǎn)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(tài)環(huán)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(tài)足跡均有小幅上升，海鹽的能值-生態(tài)足跡增長幅度最大。根據(jù)《中國海洋統(tǒng)計(jì)年鑒2001-2011》，2005年之前山東省海鹽產(chǎn)量占全國海鹽產(chǎn)量比重不到50 %，2005-2010年，由56.9%增長到了69.2%。山東省海鹽產(chǎn)業(yè)滿足全國大部分地區(qū)海鹽需求，能值-生態(tài)足跡較大。表3中可以看出，排放到海水中的工業(yè)廢水（直排入海） 的能值-生態(tài)足跡為3 260 hm2。所以，工業(yè)廢水在一定程度上給海洋生態(tài)系統(tǒng)造成了危害，消耗了海洋生態(tài)系統(tǒng)中的部分能量。總體而言，海洋第二產(chǎn)業(yè)能值消耗量大于第一產(chǎn)業(yè)，能值-生態(tài)足跡較大。

（3） 山東省海洋水產(chǎn)業(yè)能值-生態(tài)足跡總體上有小幅上升，內(nèi)部產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化較大

圖2 顯示，2000-2010年間，海洋捕撈能值-生態(tài)足跡下降了15.4%，海水養(yǎng)殖能值-生態(tài)足跡增加了29.9%，且從2001年起，海水養(yǎng)殖業(yè)超越海洋捕撈業(yè)成為山東省海洋漁業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)。究其原因如下：1） 由于人類海洋消費(fèi)活動(dòng)增加導(dǎo)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(shù)量減少，海洋漁業(yè)資源日趨衰退，海洋捕撈量也會隨之減少。據(jù)山東省海洋與漁業(yè)廳統(tǒng)計(jì)資料顯示，山東省近海47 個(gè)主要捕撈品種，已有27 種過度利用，6 種嚴(yán)重衰退。2） 山東省致力于發(fā)展現(xiàn)代海水養(yǎng)殖技術(shù)，從1950年山東省海水養(yǎng)殖研究所的成立至2009年12月現(xiàn)代海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟成立，從基礎(chǔ)理論到應(yīng)用技術(shù)研究，海水養(yǎng)殖技術(shù)水平的進(jìn)步以及產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，海水養(yǎng)殖產(chǎn)量逐年增加，使得海洋水產(chǎn)品產(chǎn)量保持穩(wěn)定。

（4） 本研究將能值-生態(tài)足跡模型運(yùn)用到海洋生態(tài)系統(tǒng)中，以期能夠?yàn)楹Ｑ蠼?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展研究提供有效的理論方法。但是，海洋生態(tài)系統(tǒng)本身的復(fù)雜性、海洋統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的缺失以及數(shù)據(jù)本身的誤差是研究海洋生態(tài)足跡的障礙，因此，以能值-生態(tài)足跡模型來評價(jià)區(qū)域海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r仍需要進(jìn)一步的完善。但是總體而言，海洋能值-生態(tài)足跡模型在不斷完善的基礎(chǔ)上將會是一種較可靠的可持續(xù)發(fā)展評價(jià)工具，能夠?yàn)樘囟▍^(qū)域、國家以及全球海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展方向提供科學(xué)合理的依據(jù)。

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