天津市海洋空間資源承載力定量研究

孫 歡，譚曉璇，屠建波，姜旭娟，馬玉艷

（1.國家海洋局天津海洋環境監測中心站，天津 300457；2.自然資源部海洋咨詢中心，北京 100161）

海洋資源環境承載力是衡量人類社會經濟活動與區域海洋資源環境系統協調程度的重要標尺，是可持續發展理念的重要體現，在評價資源環境承載力基礎上開展國土空間規劃和管控是實施生態文明建設的必然條件[1-2].天津市地處環渤海經濟圈的中心地帶，是中國臨近內陸國家的重要出海口，其較早開展圍填海活動，是全國海域開發強度較高的區域之一.據調查，截至2018年，天津市的自然岸線長度僅為14 km，圍填海面積達36 000 hm2，海洋空間資源已經成為制約環渤海區域經濟增長的短板[3-4].開展天津市海洋空間資源承載能力研究是促進區域協調發展，引導地方科學管海、合理用海的重要手段.

近年來，天津市涉海承載力的評價方法主要有系統動力學法、模糊綜合評價法、單項評價法、集對分析法和因子分析法等，評價內容包括海洋資源、環境、生態和經濟等一個或多個方面[5-12].狄乾斌等[11]和薄文廣等[12]開展了天津市海洋資源承載力評價，涵蓋的海洋資源包括用海及灘涂面積、油氣產量、鹽業產量、養殖及捕撈產量、碼頭數量等，但未對海洋空間資源承載力進行針對性評價；曹可等[13]開展了津冀海域的開發利用承載力評價，但在海洋空間資源方面僅考慮了岸線以下海域資源的開發利用狀況，未將岸線資源納入評價指標體系.構建評價指標體系有2種常見方式：一種是基于壓力-狀態-響應模型，如蘇蔚瀟[6]利用PSR概念模型，構建了天津市濱海新區海岸帶區域生態環境綜合承載力評價模型，于謹凱等[14]基于PSR模型進一步擴展構建了海域承載力評價模型，以我國近海海域為例進行了實證研究；另一種是以壓力類、承壓類和彈性類指標作為一級指標的多級評價指標體系，如王艷艷等[15]構建了沿海區域可持續承載力的預警指標體系，張靜等[16]構建了廣東省海洋資源環境承載力評價體系，并借助熵權法和TOPSIS模型計算承載力水平.

本文在分析天津市海洋空間資源影響因素的基礎上，以外業調查結果、實驗室分析數據、遙感解譯數據為基礎，利用因子分析方法對長時間序列下的天津市海洋空間資源承載力進行評價，采用自然間斷點法對評價結果進行分級，進而判定海洋空間資源承載力水平，以期更好地解決天津經濟發展、資源配置與海洋空間資源之間的平衡與協調問題，促進區域社會經濟與資源環境的可持續發展.

1 指標體系與研究方法

1.1 構建指標體系

與其他海洋類資源不同，海洋空間資源一旦被利用，很難受到海洋經濟發展、科學技術進步和短期自身修復等的影響而產生彈性變化.因此，本文以壓力類和承壓類指標作為一級指標構建天津市海洋空間資源承載力評價指標體系.壓力類指標主要反映人類開發利用活動對海洋空間資源的占用情況；承壓類指標主要反映區域資源環境在海洋空間資源開發利用下的狀態.天津市在發展經濟的同時，對海洋空間資源進行了大規模開發利用，海域開發強度和岸線開發強度空前，因此海洋生態環境受到了嚴重的負面影響.壓力類指標主要包括海域和岸線兩個方面，以填海成陸面積和人工濕地面積來表征海域開發強度，以岸線人工化指數來表征岸線開發強度.海洋空間資源被占用主要表現為自然濕地和自然岸線的減少以及人工建（構）筑物的增加，由此也導致了海灣水動力條件改變、生物多樣性降低以及近岸水環境和沉積物環境惡化等問題，因此從海洋空間資源現狀、水動力環境狀況、生物生態狀況、海水水質狀況和海洋沉積物狀況5個方面反映天津市海洋空間資源的承壓狀態.根據數據的可獲得性、指標的代表性和科學性，最終構建了包括2個一級指標、7個二級指標和12個三級指標的指標體系，以此評價天津市海洋空間資源承載力狀況，如表1所示.

表1 天津市海洋空間資源承載力評價指標體系Tab.1 Evaluation index system of marine space resources carrying capacity in Tianjin

1.2 研究方法

在進行承載力評價時，應全面考慮影響海洋空間資源承載力的因素，選取盡可能多的指標，提高評價結果準確度[20]，但冗雜的數據會使分析過程復雜化[21]，指標過多也使數據獲取存在困難.因子分析法可以對指標進行篩選，用較少具有代表性的數據反映原始資料的大部分信息，遴選出主控因子，從而抓住問題本質，同時實現分析評價簡單化[20].具體分析步驟如下：

（1）數據標準化

由于各變量的單位不同且數據差異較大，為了消除因量綱不同所帶來的影響，在計算之前對原始數據進行標準化.研究采用極差標準化的方法，標準化后的變量均處于[0，1]之間.公式如下：

（2）因子分析數據學模型

將標準化后的各變量用一組公共因子變量的線性組合來標識，得到如下矩陣：

式中：F1，F2，…，Fr為原變量的公因子（r≤m），且互不相關；A={aij}是各因子的載荷矩陣，表示第i個變量信息落在第j個公因子上的重要程度；U為特殊因子，表示原變量不能被因子解釋的部分.利用基于主成分模型的主成分分析法求取因子載荷矩陣，從相關陣出發求解，利用相互正交的特征向量和矩陣轉換的可逆性對主成分矩陣進行特征根矩陣變換得出[22].

（3）相關性檢驗判斷

對標準化后的變量進行KMO和巴特利球形度檢驗，當KMO檢驗系數＞0.5、巴特利球形度檢驗顯著性水平P＜0.05時，評價體系才有結構效度，方能進行因子分析[20].

2 承載力評價

2.1 評價基準年選擇

天津市海洋空間資源承載力的壓力類指標主要包括岸線開發強度和海域開發強度，因此需綜合考慮岸線和海域資源的開發利用狀況，合理選擇評價基準年.本文基于長時間序列下的衛星遙感影像，提取自1995年以來天津市各年份自然岸線長度和圍填海占用濱海自然濕地面積兩個指標數據，結果如圖1所示.

圖1 1995—2018年天津市自然岸線及濱海自然濕地減少情況Fig.1 Reduction of natural coastline and coastal natural wetland in Tianjin from 1995 to 2018

由圖1可以看出，2000年以前，天津市自然岸線長度基本維持在30 km左右，期間自然岸線長度主要受河口沖淤及沿岸小規模海水養殖的影響，變化較小；2001年開始，自然岸線長度逐年減小，7年間減少了53%，2007年自然岸線長度僅為13.6 km.結合圍填海活動對濱海自然濕地的占用情況，濱海濕地面積首次減少出現在1996年，但該年被圈占的自然濕地主要用于海水養殖，未徹底喪失濱海濕地屬性；2002年濱海濕地面積減少出現第2次峰值，約600 hm2濱海自然濕地被圈占，后被陸續圍填成陸，區域屬性發生根本性變化，濱海自然濕地面積明顯減少，海域空間資源減少，因此將2002年視為天津市規模性圍填海的開端.綜上，將2001年作為天津市海洋空間資源承載力評價基準年.

2.2 定量評價

基于標準化后的數據，利用SPSS 24.0進行因子分析，KMO檢驗系數為0.616（>0.5），巴特利球形度檢驗值P=0.000（＜0.05），表明評價體系具有結構效度，可以進行因子分析，結果如表2所示.

表2 因子提取結果Tab.2 Total variance explained

由表2可知，前4個因子的方差累積貢獻率達到了94.812%（>85%），符合因子分析的要求，可認為這4個因子反映了原始變量的絕大部分信息，因此將其作為主要因子，分別定義為F1、F2、F3、F4.

唐紅梅等[20]采用因子分析降維的方法，對云南省22條泥石流溝的危險性開展評價，評價結果精度與文獻[23]相當，且工作量顯著減少.考慮到數據獲取難度和評價方法在實際工作中的可推廣性，本研究采用最大方差法旋轉后的因子載荷矩陣.根據公式λj=

以4個因子的方差貢獻率計算得到相應權重系數，分別為0.612、0.175、0.117、0.096，將成分矩陣與因子權重系數進行線性組合得到各指標的綜合相關系數，結果如表3所示.選取綜合相關系數＞0.5的指標開展天津市海洋空間資源承載力評價，即填海成陸面積X1、岸線人工化指數X3、自然濕地面積X4、自然岸線保有率X5、納潮量X6、水交換率X7、潮流速率X8和優良水質面積比例X11共8個指標.

因子得分系數矩陣如表4所示.根據表4計算2001—2018年各年份中F1、F2、F3、F44個因子關于8個指標的因子得分，結果如表5所示.

表4 因子得分系數矩陣Tab.4 Component score coefficient matrix

表5 因子得分Tab.5 Component score

海洋空間資源承載力=0.612F1+0.175F2+

根據式（2）計算2001—2018年各年份天津市海洋空間資源承載力指數，結果如表6所示.

表6 天津市海洋空間資源承載力指數Tab.6 Index of the carrying capacity of marine spatial resources in Tianjin

2.3 評價結果分級

參照文獻[24]中海洋空間開發適宜性評價承載等級的分級方式，將天津市海洋空間資源承載力水平分為5個等級，分別為低、較低、一般、較高、高.任何數列之中都存在一些自然（非人為設定）轉折點，這些轉折點本身具有統計學意義，是分級的良好界限[25].自然間斷點法可以基于從數據中繼承的自然分組，將分類間隔進行識別，從而對相似值進行恰當分區，使各分區之間的差異最大化[26]，因此被視為少量數據集的最佳劃分方法[25].本研究將天津市海洋空間資源承載力指數數列以自然間斷點法進行分級，得到各級承載力水平閾值，即承載力水平低、較低、一般、較高、高對應的承載力指數區間分別為≤0.081、0.081～0.125、0.125～0.271、0.271～0.494、＞0.494.天津市海洋空間資源承載力水平評價結果如表7所示.

表7 天津市海洋空間資源承載力水平Tab.7 Level of the carrying capacity of marine spatial resources in Tianjin

3 分析與討論

3.1 指標篩選結果分析

從綜合相關系數大小方面看，所選8個指標的綜合相關系數排序為：填海成陸面積＞納潮量=水交換率＞自然濕地面積＞潮流速率＞自然岸線保有率＞岸線人工化指數＞優良水質面積比例.填海成陸面積與4個主要因子（F1、F2、F3、F4）的相關性最強，綜合相關系數為0.646；優良水質面積比例與4個主要因子的相關性最弱，綜合相關系數為0.558.可見，填海成陸面積指標對天津市海洋空間資源承載力評價結果的貢獻最大，是影響天津市海洋空間資源承載力的最主要因素；納潮量和水交換率的綜合相關系數均為0.644，同列所有指標的第2位，是影響天津市海洋空間資源承載力的重要因素；自然濕地面積、潮流速率、自然岸線保有率和岸線人工化指數的綜合相關系數均處于0.624～0.639之間，雖低于納潮量和水交換率，但變化幅度很小，同樣是影響天津市海洋空間資源承載力的重要因素.

從篩選指標所反映的天津市海洋資源環境狀況來看，選定的8個指標綜合反映了天津市海域和岸線的開發強度、海洋空間資源現狀、水動力環境狀況和海水水質狀況，保證了原始指標體系壓力-承壓結構的完整性.海域和岸線開發強度各入選1個指標，分別為填海成陸面積和岸線人工化指數，這與天津市海洋空間資源壓力來源分析結果相符.反映海洋空間資源狀況的2個指標和反應水動力環境狀況的3個指標均全部入選，表明海洋空間資源和水動力環境是承受來自海域開發和岸線開發壓力的主要承壓體.優良水質面積比例可以綜合反映近岸海域海水水質狀況，但在8個選定指標中，其綜合相關系數最低，表明海水水質狀況不是海域和岸線開發壓力的主要承壓體，但對天津市海洋空間資源承載力仍有重要影響.反映海洋生物生態狀況和海洋沉積物狀況的指標未入選，表明海洋生物生態狀況和沉積物狀況的改變不是天津市海洋空間資源承載力變化的主要原因.為降低數據獲取難度，減少評價工作量，刪減了相關指標，但這并不能說明海洋空間資源承載力變化與海洋生物生態狀況和海洋沉積物狀況無關.

3.2 因子分析法降維前后評價結果對比

將因子分析法降維前的12個指標數據代入因子得分系數矩陣得到4個因子關于12個指標的因子得分，利用海洋空間資源承載力計算公式和自然間斷點法得到的天津市海洋空間資源承載力指數和承載力水平評價結果如表8所示.從評價結果可知，采用因子分析法降維后的天津市海洋空間資源承載力水平評價結果與降維前的評價結果高度一致，準確率達到88.9%.僅2011年和2015年降維前后的評價結果略有差異，而2011年降維前的承載力指數為0.327，恰好是區分承載力水平“一般”和“較低”的間斷點，按照自然間斷點法閾值劃分原則，將該值作為承載力水平評價結果“較低”的邊界值，從而得到2011年的評價結果.因此認為因子分析法降維前后評價結果存在的差異是可接受的.綜上，本研究所用評價方法在確保評價結果準確率在85%以上的基礎上，使評價指標得到了縮減，評價過程簡單化，在具有可靠性的基礎上更具推廣性.

表8 評價結果對比Tab.8 Comparison of evaluation results

3.3 天津市海洋空間資源承載力評價結果

由表6和表7可以看出，2001—2018年天津市海洋空間資源承載力指數呈現降低趨勢，表明近20年隨著經濟的發展，海洋空間資源對經濟的貢獻率提高，但承受的壓力也越來越大，海洋空間資源承載力水平不斷降低.2001—2004年天津市海洋空間資源承載力水平為“高”，圍填海活動在這些年份雖已開始，但還沒有形成較大規模，同時，海域的水質、生物生態、沉積物、水動力等與空間資源承載力相關的要素還未受到明顯影響.2004—2013年是天津市海洋空間資源承載力指數快速降低的10年，也是天津市岸線資源和海域資源被大規模開發利用的10年，10年間天津市自然岸線長度減少約13 km，累計新增圍填海面積達35 200 hm2，承載力水平由“高”持續降至“低”，連降5級.但在2004—2013年間實際獲得審批的圍填海面積僅為12 260hm2，占填海總面積的34.8%.未批先填問題是該時期內海洋空間資源承載力快速降低的重要原因.在自然岸線與濱海自然濕地同時減少的雙重影響下，2004—2007年間海洋空間資源承載力指數的降低速率要明顯高于2007—2013年.2007年以后，自然岸線長度基本保持穩定，圍填海導致的濱海自然濕地面積減少成為海洋空間資源承載力降低的最主要原因.隨著圍填海存量土地增多、濱海濕地保護意識的增強和國家嚴控圍填海政策的頒布與實施，2013年開始，天津市海洋空間資源承載力指數雖有小范圍波動，但整體保持穩定，承載力始終處于“較低”或“低”水平.

3.4 提升天津市海洋空間資源承載力的對策

根據承載力變化趨勢和原因分析，天津市提升海洋空間資源承載力應從以下幾個方面著手：①建立海洋空間資源承載力的監測預警機制，準確掌握承載力變化情況，管理部門對承載力下降趨勢及時做出政策反饋；②加強對海洋空間資源利用行為的監管工作，同時發揮社會監督力量，建立公眾參與和獎勵制度，鼓勵公眾舉報非法用海行為；③在消化存量土地、避免新增圍填海的基礎上，不斷推進圍填海成陸土地的集約高效利用，鼓勵優質項目向圍填海閑置區域聚集；④大力推進退養還灘、退養還濕、退圍還海工作，給海洋留出空間，同時在“生態保護優先、自然恢復為主”的原則下，積極推進重要濱海濕地、沿海灘涂、岸線的生態保護和修復.

4 結論與建議

本文在分析海洋空間資源承載力相關要素的基礎上，利用因子分析法將12個原始指標縮減為8個，降低了數據的冗余和獲取難度，同時保證了指標體系的完整性.采用自然間斷點法對近20年天津市海洋空間資源承載力定量計算結果進行分級，確定了分級標準，取得了可靠的評價效果.

（1）2001—2018年天津市海洋空間資源承載力指數呈降低趨勢.2004年以前承載力水平為“高”；2004—2013年承載力水平由“高”持續降至“低”，連降5級；2013年以后承載力指數雖有波動但趨于穩定，始終處于“較低”或“低”水平.

（2）未批先填問題是天津市海洋空間資源承載力持續降低的主要原因，因此未來天津市應重點加強對海洋空間資源利用行為的監管工作并鼓勵公眾舉報非法用海.同時應從建立承載力監測預警機制、集約利用圍填海成陸土地、退養還灘還濕、退圍還海等方面開展工作，提高天津市海洋空間資源承載力.

（3）研究在指標的選取方面仍存在不足之處，如海洋生物生態狀況僅選擇底棲生物相關指標表征，未將游泳動物、浮游生物相關指標納入評價指標體系；選定參與評價的8個指標中，反映海洋水動力環境狀況的指標有3個，而反映海洋生物生態狀況和海洋沉積物狀況的指標卻沒有，雖然說明了海洋水動力狀況是海洋空間資源承載力的重要影響因素，但指標體系可能不夠完善.因此，在未來研究中應進一步對指標體系進行優化.