基于海洋生態-產業復合系統的海洋生態安全測度方法研究

茍露峰，楊思維，高 強

(1. 青島理工大學商學院，青島 266520； 2.中山大學管理學院，廣州 510275； 3.中國海洋大學管理學院，青島 266100)

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基于海洋生態-產業復合系統的海洋生態安全測度方法研究

茍露峰1，楊思維2，高 強3

(1. 青島理工大學商學院，青島 266520； 2.中山大學管理學院，廣州 510275； 3.中國海洋大學管理學院，青島 266100)

基于生態和產業的共生關系，在壓力-狀態-影響-響應(PSIR)模型的基礎上，構建海洋生態-產業復合系統的Lotka-Volterra模型，并對海洋生態安全進行測度。本文構建海洋生態安全與海洋產業的共生度指數，描述海洋生態安全演變趨勢。研究表明，根據海洋生態-產業復合系統的Lotka-Volterra模型，得出的海洋生態安全測度方法具有明確的生態經濟意義，可應用于海洋生態安全的監測與管理。

海洋產業； 海洋生態安全； 測度指數； 共生關系； Lotka-Volterra模型

生態安全是國家安全的重要內容，也是支撐經濟、社會與自然發展的生態與環境的安全狀態。我國的安全威脅主要來自海洋，十八大報告提出“建設海洋強國”及“21世紀海上絲綢之路”戰略也要求海洋安全戰略應綜合考慮多方面的利益訴求。作為海洋強國戰略與海上絲綢之路戰略的重要組成部分，海洋生態安全問題日益受到關注。海洋開發進程的不斷加快，海洋資源開發和海洋環境保護壓力逐漸加大，由此引發的環境、民生等各種問題也集中顯現，保障海洋穩定發展、保護海洋資源環境的雙重壓力和兩難局面更加突出，海洋生態安全的重要性、艱巨性、復雜性與緊迫性更加突顯。

目前，海洋產業與海洋生態安全關系的研究重點在于兩者的現狀與評價等方面，且初步構建了較為完整的理論體系。也有學者對生態產業的演進機制進行了探討[1]，但從生態安全的視角對海洋產業發展進行研究比較少見。因此，本文基于海洋生態與產業復合系統的角度，從海洋生態子系統和海洋產業子系統共生關系出發，重新審視海洋生態安全，從海洋生態-產業復合系統的共生耦合關系探索海洋生態安全測度的新方法，旨在促進海洋產業隨著生態環境的變化而良性演變和持續發展。

1 海洋產業與海洋生態安全概述

近年來，隨著沿海地區對海洋產業投入力度的逐年增大，海洋產業逐漸成為經濟發展新的增長點。黨的十八大報告提出“建設海洋強國”，指出應提高海洋資源的開發能力，合理開發利用海洋資源，發展海洋經濟。但由于我國海洋產業基礎相對其他海洋強國較為薄弱，同時也面臨眾多不確定性發展因素，如海洋環境承載力過大且自然災害頻繁[2]、海洋油氣開采及溢油事故風險上升[3]、海洋權益紛爭不斷[4]、各類市場風險制約海洋產業的持續健康發展等，海洋產業安全問題亟需全面、深入的研究。

海洋生態安全是海洋經濟和社會發展的基本要求與規范。海洋經濟的快速增長，個別區域海洋生態日益惡化、自然資源出現枯竭、海域生態環境持續破壞的現狀，使海洋生態穩定運行與人口急劇上升、消費超常增長的矛盾尖銳。國外學者認為人類活動已開始觸及海洋的承載極限，經濟利益盲目驅動的經濟體系可能正在破壞人類的可持續福祉[5]，同時指出當前海洋生態正面臨諸多矛盾，亟需對海洋和沿海不同地區采取生態恢復措施；也有學者從生態安全評價工具與方法[6]、概念與模型[7]等角度梳理了近年來海洋經濟的演變過程。國內學者也認為隨著經濟發展和人口增長，我國沿海城市的生態危機不斷加重[8]，提出多元主體參與的共治模式是中國目前改革海洋生態安全管理模式的突破[9]。

我國海洋產業發展面臨著企業內部生態位高度重疊、產業協同性差、海洋經濟發展與環境沖突嚴重等問題。海洋產業生態轉型的困境并非單純的資源環境的生態約束或工業化慣性的延續，而是表現在海洋產業間關聯弱、生態要素配置不合理等方面。海洋產業生態功能缺失與海洋產業發展的深層結構問題相互交織，成為制約海洋產業發展要解決的關鍵問題。從生態安全角度對海洋產業發展進行分析，能很好地緩解企業發展同生態環境之間的矛盾沖突，促進海洋產業和環境協同發展，為我國海洋產業提供新的發展思路。

2 海洋生態-產業安全的共生模型構建

2.1 共生模型構建理論基礎

傳統意義上的海洋生態安全測度方法主要有指標體系法和特征指數法，指標體系法中的數據經標準化后得到的綜合指標將失去其最初的涵義，而特征指數法在計算過程中很容易產生誤差，為此我們嘗試構建海洋生態安全的共生耦合測度模型，在海洋生態和海洋產業復合系統的動態均衡中，構建海洋生態安全測度方法和指標體系。Lotka-Volterra模型是由美國生態學家A.J.Lotka(1925)和意大利數學家V.Volterra(1926)構建的，用來反映物種間共生關系的微分動態方程系統模型[10]。“共生”(Symbiosis)這一詞語起源于生物學，是指不同物種的生物按照某種聯系生活在一起，演化為現在的不同種類的有機體之間長期作用和相互依存的共同生存現象。

海洋生態環境與海洋產業是較為典型的共生系統，兩者之間不僅反映著海洋生態系統的安全現狀，還預示著未來兩者關系的演變趨勢。因此，衡量海洋生態系統的安全與否不僅要對海洋生態系統本身進行分析，也應考慮到海洋生態系統和海洋產業系統之間的共生關系。為此，基于生態系統模型理論和共生理論，根據海洋生態-產業復合系統情況，我們構建符合海洋生態-產業復合系統共生關系的動態發展模型，對海洋生態-產業安全的共生耦合關系進行測度。

2.2 復合系統協同演化模型

針對海洋生態安全(MES)問題，構建壓力-狀態-影響-響應(PSIR)結構模型(簡稱MES-PSIR結構模型)比較合適。MES-PSIR結構模型中各子系統的構成有：(1)社會經濟壓力子系統(P)，反映海洋經濟發展和海洋產業對海洋資源需求和對海洋生態環境破壞等壓力；(2)資源與環境狀態子系統(S)，反映海洋資源總量、海域質量情況、海洋生態服務功能以及海洋環境承載力等狀態；(3)生態影響子系統(I)，反映海洋生態系統健康狀況、生態系統的自我調節與恢復能力、海洋災害發生情況、海洋生物多樣性以及海平面上升等影響；(4)人類響應子系統(R)，反映人類對改善海洋生態環境做出的努力，從科技投入、法律規范、政策扶持等方面對海洋生態環境問題作出響應。當海洋生態系統與海洋產業系統兩者相互獨立發展時，根據Logistic equation模型，可得到兩者相互關系如下：

(1)

式中：Indt為海洋產業水平指數，反映海洋產業的可持續發展水平，可以用MES-PSIR結構模型中的壓力子系統和響應子系統指標體系獲得；Ecot為某海域生態水平指數，反映海洋生態系統受影響的程度，可以用MES-PSIR結構模型中的影響子系統指標體系計算獲得；C(t)為生態環境承載力指數，反映海洋產業的發展空間和海洋生態環境的承載能力，可以用MES-PSIR結構模型中的狀態子系統指標體系計算獲得；α(t)為海洋生態對海洋產業的競爭效應；β(t)為海洋產業對海洋生態環境的競爭效應；r1為海洋產業水平情況；r2為海洋生態環境利用與保護發展情況；λ和φ分別為環境容量全部用于海洋產業發展和海洋生態環境發展的環境貢獻系數；t為時間變量。

改進的海洋生態-產業復合系統共生關系Lotka-Volterra模型可以用兩個獨立的非線性微分方程表示如下[11]：

(2)

在海洋生態-產業復合系統中，海洋產業水平Ind(t)和海洋生態環境水平Eco(t)均依賴于海洋資源，兩者具有資源性競爭特性。從式(2)兩個

方程α(t)和β(t)的定義可以推導出，海洋生態環境系統Eco(t)對海洋產業系統Ind(t)的影響系數為α(t)/λC(t)，海洋產業系統Ind(t)對海洋生態環境系統Eco(t)的影響系數為β(t)/φC(t)，且當α(t)>0時，海洋生態環境水平的發展將抑制海洋產業的發展，當α(t)<0時，海洋生態環境水平的發展將促進海洋產業的發展，當α(t)=0，海洋生態環境系統和海洋產業發展不相關，對式中β(t)的解釋也如此。

為求得系統平衡點，則：

(3)

由λC(t)/α(t)、λC(t)和λC(t)/α(t)、φC(t)分別形成兩條直線，表示Ind(t)和Eco(t)的容量，其發展情況可分為以下a、b、c、d四種。

圖1 海洋產業和海洋生態共生發展情況分析Fig.1 Analysis of marine industry and marine ecological symbiosis development

如圖1所示，a.當λC(t)>φC(t)/β(t)，φC(t)<λC(t)/α(t)時，海洋產業系統能繼續成長，而海洋生態系統則已達到環境最大承載力，無法繼續成長，最終結果是海洋產業系統勝出；b.當λC(t)<φC(t)/β(t)，φC(t)>λC(t)/α(t)時，競爭結果是海洋生態系統勝出，海洋產業系統消退；c.當λC(t)<φC(t)/β(t)，φC(t)<λC(t)/α(t)時，兩者進入穩定的共存發展狀態，E即為均衡點，得到穩定狀態下的Ind(t)和Eco(t)：

Ind(t)=λC(t)-α(t)Eco(t)

(4)

Eco(t)=φC(t)-β(t)Ind(t)

(5)

d.當λC(t)>φC(t)/β(t)，φC(t)>λC(t)/α(t)時，兩者處于不穩定的競爭狀態中，雙方均有勝出的可能。因此，a、b和d都是不穩定的狀態，只有c是穩定共生的，即兩者在協同演化的過程中實現自身容量的最大化。

3 海洋生態-產業復合系統共生協調水平測度

求解海洋生態-產業復合系統共生關系Lotka-Volterra模型的穩定條件，得出海洋生態環境對海洋產業的競爭效應α(t)及海洋產業對海洋生態環境的競爭效應β(t)：

(6)

(7)

通過上述解析，判斷出海洋生態系統與海洋產業系統的關系(表1)：

表1 海洋生態與海洋產業共生關系的界定Tab.1 Definition of marine ecology and marine industry symbiosis

分析得出，海洋生態-產業復合系統中的海洋生態子系統和海洋產業子系統通過共同的海洋自然資源，間接實現耦合共生。要想實現兩大子系統的均衡發展，實現海洋生態-產業的互惠共生，應設計海洋生態-產業復合系統共生協調關系模型，從而分析研究系統的演化趨勢。為了定量分析兩者發展的協調關系，在此基礎上構造海洋生態-產業共生指數RHS(t)：

其中，α(t)和β(t)不同時為0

(8)

4 基于耦合共生關系的海洋生態安全分析

上述分析中的共生指數RHS(t)是評價海洋生態安全性的重要依據，但兩者之間的關系并非簡單的對應關系，為了進一步分析共生指數與海洋生態安全性之間的對應關系，結合表1界定的海洋生態與海洋產業共生關系，將海洋生態安全狀態可分為以下幾大區間：

表2 海洋生態-產業復合系統共生模式與競爭系數的關系Tab.2 Relationship between marine ecological - industrial symbiosis models and competition coefficient

5 結論與展望

本文通過構建海洋生態安全的壓力-狀態-影響-響應(PSIR)模型，利用改進的海洋生態-產業Lotka-Volterra模型構建了海洋生態安全的共生耦合測度模型，可以解析海洋生態子系統和海洋產業子系統之間經歷相互競爭關系、偏利共生關系和良性互動關系三個階段，以及動態平衡發展的條件。初步研究認為，海洋生態-產業復合系統演化，能夠促進各個子系統之間形成更加緊密的聯系，構建共生的結合體，并維持在時空上系統延續和持續進化，復合系統的共生關系能較好地詮釋海洋生態系統與海洋產業的相互作用機理，以及海洋經濟發展的演進和生態安全變化的趨勢。

本文研究提出的方法為海洋生態安全測度提供了一種更加科學的結構化和定量化手段。MES-PSIR結構模型為海洋生態安全的共生耦合指標體系的構建提供了理論依據和邏輯框架，緊接著根據共生指數，可以科學地確定海洋生態安全的閾值，對海洋生態安全進行更加細化的級別劃分。

值得注意的是，從Lotka-Volterra模型的分析中發現，海洋生態-產業復合系統演化需要重視協同作用，防止過度競爭，明確復合系統及各子系統的生態位，通過兼容方式實現復合系統的協同演化。這就要求海洋產業系統內的參與者在制定自身發展對策時，應拋棄原有的單純以自身發展為重的傳統思維方式，而應更多關注系統內部各參與者協調平衡發展的系統思維方式。

生態安全是經濟發展的必然趨勢，海洋生態安全必須以完善的海洋生態產業體系作為支撐。本文構建的共生耦合測度模型，筆者正在將其運用到我國海洋生態安全測度的實際應用中，關于模型的具體細化、我國不同海域和不同時期海洋生態安全測度等實證研究成果，將作為后續的主要研究內容和方向。

[1] 秦曼,王淼. 我國海洋產業生態轉型的困境與出路[J]. 經濟縱橫,2016 (6):47-51.

[2] 孫才志,李欣.環渤海地區海洋資源、環境阻尼效應測度及空間差異[J].經濟地理,2013(12):169-176.

[3] 法麗娜.我國海洋產業生存與發展安全評價及政策選擇[J].世界經濟情況,2008(3):66-68.

[4] COSTANZA R , FARLEY J. Ecological economics of coastal disasters: Introduction to the special issue[J]. Ecological Economics,2007(63):249-253.

[5] KULLENBERG G. Regional co-development and security: a comprehensive approach [J]. Ocean and Coastal Management, 2002, 45( 11/12) : 761-776．

[6] KILDOW J T , MCLLGORM A. The importance of estimating the contribution of the oceans to national economies [J]. Marine Policy, 2010, 34: 367-374.

[7] STOJANOVICA T A , FARMERB C J Q. The development of world oceans & coasts and concepts of sustainability [J]. Marine Policy,2013(42):157-165.

[8] 吳次方,鮑海君,徐保根.我國沿海城市的生態危機與調控機制[J].中國人口·資源與環境,2005,15(3):32-37.

[9] 楊振姣,董海楠,姜自福.我國海洋生態安全多元主體參與治理模式研究[J].海洋環境科學,2014,33(1):130-137.

[10] 李興莉, 申虎蘭, 馮玉廣. Logistic和Lotka-Volterra模型參數的灰色估計方法研究[J].大學數學, 2004(6):82-87.

[11] 胡漢輝，趙震翔,譯.產業組織導論[M]. 北京：人民郵電出版社, 2002.

Study on the methodology for measuring marine ecological security based on ecology-industry symbiosis: a research framework

GOU Lu-feng1, YANG Si-wei2, GAO Qiang3

( 1.CollegeofBusinessofQingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao266520,China;2.CollegeofManagementofSunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China; 3.CollegeofManagementofOceanUniversityofChina,Qingdao266100,China)

Based on the ecology-industry symbiosis theory and pressure-state-impact-response structure model (PSIR), a Lotka-Volterra symbiosis model of marine ecology-industry compound system (marine L-V symbiosis model) was established to develop an operable and practical technology for the marine ecological security measurement. Moreover, indexes of harmonious symbiotic degree were constructed to analyze the evolution trend of marine ecological security. According to the results，there are numerous technological advantages for MES measuremeat based on the methodology referring to its foundation mechanism, which conforms to the eco-economy meaning, helpful for the marine ecological security control.

marine industry; marine ecological security; measure index; symbiosis; Lotka-Volterra model

2016-12-05

2017-02-28

國家海洋局公益性行業科研專項“海洋強國建設的評價體系研究及應用”(201405029)；教育部人文社會科學重點研究基地項目“促進海洋經濟與生態協調發展的預警與調控機制研究”(15JJDZONGHE023)

茍露峰(1986-)，女，山東青島人，博士，講師，研究方向為海洋資源與環境管理研究。 E-mail：goulufeng1234@126.com

2095-3666(2017)02-0106-06

10.13233/j.cnki.fishis.2017.02.004

P 74

A