環渤海海洋生態環境時空演變及影響因素識別

蓋 美 張 策

1.遼寧師范大學海洋經濟與可持續發展研究中心 大連 116029

2.遼寧師范大學 地理科學學院 大連 116029

環渤海地區已逐漸形成一個獨立、完整的藍色經濟體系，成為北方經濟發展的重要驅動力和區域高質量發展的增長點。2018年環渤海經濟圈GDP總量達到21 8361.26億元，占全國GDP總量近1/4；2019年，包括渤海灣在內的北部海洋經濟圈海洋生產總值26 360億元，占全國海洋生產總值的比重為29.5%。然而隨著經濟快速發展，日進頻繁的海洋活動加重了海洋負擔，在海洋經濟轉型發展的背景下，該地區面臨著巨大的資源短缺和環境污染現狀。國家發展改革委曾印發《環渤海地區合作發展綱要》[1]對京津冀協同發展和區域發展總體戰略作出重要指示；十九大報告[2]明確指出，應提高海洋資源開發能力，順應國際海洋事務發展潮流，推動海洋經濟向質量效益型轉變。

縱觀已有文獻，國內外學者在海洋生態環境評價、海洋生態環境影響因素及海陸統籌治理等方面的研究取得一系列進展，國內外關于海域環境的研究主要集中在以下三個方面：（1）以多種方法從多維度、多視角進行海洋環境質量評價[3-10]；（2）以城市經濟活動為重心探索海洋生態環境影響因素[11-13]；（3）建立耦合模型探索海洋生態文明和社會發展系統的關系[14-21]。但由于海域系統具有動態性和不確定性的特點，現有研究中大都基于單指標、單系統間的縱深研究，對海域環境、資源、經濟等系統間的橫向交叉性研究較少；已有文獻對海域整體系統的協調性研究大多集中在海域環境與海域各系統的協調發展方面，但陸源污染是海域環境污染的重要來源，必須重視陸地系統與海洋環境系統的關聯性。

因此，研究海洋生態環境同陸地“經濟-科技-環境-社會”四元復合系統的耦合協調關系，無疑是促進海洋可持續發展和社會高質量發展新的突破點。本文在已有研究的基礎上，著重分析海洋生態環境污染機理，針對環渤海地區17個城市構建海洋生態環境的評價體系，測算分析其2008－2018年的海洋環境發展水平并揭示其時空演變規律，再基于陸海統籌的理論基礎和海陸系統耦合相關機理，深入研究環渤海地區“經濟-科技-環境-社會”四元系統指標體系對各市海洋環境發展水平與陸地子系統間的耦合協調度，運用灰色關聯度模型剖析單因素陸源因素對海洋環境質量水平的影響，旨在為環渤海地區未來科學高效發展提供有益參考。

1 研究方法

1.1 熵權-TOPSIS法

首先采用極值法將海洋環境質量體系中的初始指標規范化，基于AHP法和熵權法進行綜合賦值并建立加權規范化評價矩陣，分別計算不同年份評價向量到正、負理想解的距離，得出歷年評價對象與最優方案的貼進度得分，即各市海洋環境發展水平得分U。

1.2 灰色關聯分析模型

通過灰色關聯分析模型，以參考數據列和若干個比較數據列的幾何形狀相似程度來判斷海洋環境發展水平與陸地系統各指標的關系其聯系是否緊密，以此分析環渤海海洋環境的陸源影響因素。首先，選取依據方法1所得的各市海洋環境發展水平得分U為母系統，記為{y0（k）}，選取陸地經濟子系統、陸地科技子系統、陸地環境子系統、陸地社會子系統四個子系統指標為子系統，記為{yi（k）}，構建灰色關聯模型εi（k），并求關聯度ri（k）。

式中：εi（k）為母系統對子系統在k時刻的灰色關聯度；ρ為分辨系數，取值為[0，1]，本研究取0.5。當0＜r≤0.35時，關聯度較弱；當0.35＜r≤0.65時，關聯度適中；當0.65＜r≤0.85時，關聯度較強；當0.85＜r≤1.00時，關聯度極強。

1.3 耦合協調度模型

本文參考相關研究[22-23]，引入離差模型求解海洋環境與陸地“經濟-科技-環境-社會”四個子系統的耦合協調水平。首先依據方法1所得海洋環境發展水平得分為U，再將環渤海地區陸地系統分為經濟X、科技Y、環境T、社會Z四個子系統，引入二元耦合協調度模型，評價海洋環境發展水平和各子系統的相對發展狀況：

式中：C為離差系數，U為海洋環境系統指數，X為陸地經濟子系統指數， （X可以替換為Y陸地科技子系統、Z陸地環境子系統、T陸地社會子系統）。耦合協調度公式表示為：

其中，T為陸地子系統同海洋環境系統綜合評價指數，T=α*H+β*J，α、β為待定系數，借鑒以往研究成果取α=β=0.5。本文將陸地系統與海洋環境系統耦合協調類型進行劃分：

表1 描述性統計結果

2 指標選取和機理分析

2.1 環境質量評價指標與分級標準設定

遵循指標體系構建的科學性、可操作性、層次性等原則，參照國內外海洋環境評價標準，本文從污染排放、污染治理和環保投資3個方面選取評價指標，將海洋環境質量評價指標體系分為目標層、要素層、指標層3個層次，共選取7項指標對我國環渤海17個沿海城市海洋環境質量進行系統評價。

本文所有數據均來源于2008－2018年的《中國海洋統計年鑒》《中國環境統計年鑒》《中國統計年鑒》《中國城市統計年鑒》、以及各省市統計年鑒和統計公報，部分缺失數據采用線性擬合法進行估算。本文依據全國海洋環境指標狀況并參照各沿海經濟帶的分級標準[10-11]，將環渤海地區海洋環境發展水平得分劃分為如下三個等級。

圖1 環渤海海洋環境質量評價指標體系

表2 海洋環境發展水平得分等級劃分

2.2 海洋環境與陸地四元系統耦合協調機理分析

陸地子系統影響著海洋生態環境的發展，高效的海洋經濟、藍色的海洋生態環境系統又為人類社會發展提供廣大的發展空間和資源發展的基礎，因此沿海城市的高質量發展必須重視陸海統籌的思想，綜合考慮海洋和陸地的經濟、生態以及社會功能，處理好兩個系統間的關聯性從而實現陸海高質量資源優勢互補。從圖2可見，陸地系統、海洋系統和綜合治理系統共同作用于海洋環境系統，健康的海洋系統應是一個海洋資源可持續、資源配置合理、開發利用和治理保護堅持全局性、長遠性和穩定性的綜合體系。因此，應立足于地理學中的機理-響應研究范式，首先對地區海洋環境進行科學評價，再根據相關研究選取陸地子系統中會對海洋生態產生影響的指標，基于海洋環境機制原理來尋求影響海洋環境質量的相關影響因子。

1.5 統計學分析 采取SHEsis在線軟件對試驗數據進行連鎖不平衡以及HWE檢驗分析，對早產兒腦癱組以及對照組之間ATG5基因中的5個多態性位點的單倍型頻率、等位基因頻率以及基因型頻率進行比較分析。計量資料表示，組間比較采用單因素方差分析或重復測量的方差分析，組間兩兩比較采用LSD-t檢驗；計數資料(%)表示，χ2檢驗，P<0.05為差異有統計學意義。

圖2 海洋環境污染相關關系機理分析

當前，在高質量發展的背景下，陸地系統形成由經濟-科技-環境-社會子系統相互聯系的動態復雜系統。考慮到數據獲取的難易程度和數據全面性、影響程度是否顯著等原因，本文分別選取了如圖3所示的影響海洋環境發展指數的因素：

圖3 環渤海地區陸地系統指標體系

（1）經濟子系統對海洋環境的影響主要通過產業規模及產業結構等因素的變化來體現：通過農業非點源污染進入海洋環境的氮磷使海水水質惡化；第二、三產業比重直接決定工業廢水排放量和固體廢棄物排放量；另外，經濟資金又可以為海洋環境污染提供充足的物質保障和資金、人力支撐。 （2）科技子系統對海洋環境的污染的影響主要是通過開發新技術使經濟高質量發展，廢水排放量減少，持續改善海洋環境。其中，本文以地區科研機構數量、科研機構人數、科研論文數綜合確定地區綜合的科研水平（B1），加上海洋科研課題應用數和萬人發明專利授權量指標綜合說明地區科技子系統水平。 （3）陸地系統、海洋系統共同作用于海洋環境系統，而陸地系統和海洋系統又通過大氣循環和水循環相互作用，因此陸地環境子系統與海洋環境的關系十分緊密。選取農用化肥施用量、建成區綠化覆蓋率、垃圾無害化處理率定量研究陸域環境子系統和海洋環境子系統的相互性。 （4）社會子系統主要通過人口、城市化率等因素影響海洋生態環境。隨著社會經濟發展，地區人口數量和居民素質決定了城市化水平和城市生活污水排放量，生活污染物通過河流等進入海洋會造成污染。

3 結果分析

3.1 環渤海海洋生態環境時空演變分析

3.1.1 時序分析

為避免主觀誤差，本文以2008、2013、2018三年為重要時間節點，引入核密度函數模型[24]分析中國海洋環境發展水平得分。當得分處于[0.8－1.0]時，中國海洋環境發展水平較高；當[0.6－0.8]區間時，中國海洋環境發展水平較一般；當其處于[0－0.6]區間時，其水平極低。但是由于數據差距較小，各時間節點上部分城市名次波動較大。其中，研究期始末：2008年濰坊、濱州、青島、天津得分較高，2018年滄州、青島、天津、唐山。總體來看，山東省和河北省總體數據較高，沿海城市環境發展水平較高，而遼寧省部分城市還是處于較低水平。

由于受到2008年金融危機影響的特殊性，經濟發展水平的停滯也相應體現在無法保證對于海洋環境的科學利用和有效保護，如圖4所示，2008年曲線主峰較寬，環渤海各城市海洋環境總體水平較差，然而各區間城市數量較平均，海洋環境發展水平大多處于中等水平；2013年出現了寬峰形向尖峰形發展的趨勢，工業廢水達標，高值區省份發展進一步提高，各城市發展水平差距越來越大，這與黨的十八大作出了建設海洋強國的重大部署，各地為把握時代特征和世界潮流，在海洋開發利用和治理上實施積極有效措施息息相關；2018年，主峰進一步增高、且尖銳，波峰對應得分在大約0.80左右，低水平所對應的核密度在下降。由此可見，在研究時段內，各城市總體海洋環境質量，保持穩步增長的良好態勢體現出海洋高質量發展，建立健全綠色低碳循環發展的經濟體系的要求。

圖4 環渤海地區海洋環境發展水平得分

3.1.2 空間分布

圖5 環渤海地區海洋環境發展水平空間演化示意圖

從省級尺度分析，山東省和遼寧省各市海洋環境水平相對良好，而河北省各市得分相對較低。研究期始，海洋生態環境發展水平達到一級的城市僅為2個，均分布在山東省；大多城市處于二級水平，而三級水平城市僅有1個。而研究期末，海洋生態環境發展水平達到一級的城市達到6個，山東、河北、遼寧省均有分布；部分城市處于二級水平，數量有所下降且城市得分向一級城市數據靠攏。依據各城市指標計算，2008年環渤海地區有濰坊和威海兩個城市海洋生態環境處于一級水平；2013年除威海市外，大部分城市海洋生態環境處于二級水平；2018年由于經濟發展水平高、生態環境保護投資力度大得分較高，入海污染物受到有效控制，錦州、天津、滄州、東營、日照的海洋生態水平都提高為一級水平。

近年來，全國各地積極推動海洋生態經濟發展，其中威海三年海洋生態環境水平都處于一級水平，海洋環境發展指數均值為0.8805。“2020年海洋生態經濟國際論壇”曾在威海舉行，提出了構建產業生態化生態產業化路徑下的海洋生態經濟體系，為推動海洋生態資源生態價值向經濟價值的轉變奠定了良好基礎，為國內外海洋生態經濟發展提供了可復制可推廣的典型經驗，威海的自然岸線保有率達到47.2%，海洋功能區達標率100%，并在海洋生態經濟方面探索“產業生態化生態產業化”的實現路徑。從原始數據來看，該市污染排放各指標數值極低是其影響最終得分偏高的關鍵，在部分沿海城市工業廢水入海量超2－3萬噸以上時，威海的數據僅為2－3千噸且逐年降低，由此可得良好的海洋生態資源既是推動海洋經濟高質量發展的基本前提，蓬勃的海洋生態經濟也是海洋經濟自身重要的組成部分。

另外，葫蘆島市2008－2018年海洋環境發展水平得分為0.629 4，且在2013、2018兩個拐點年居于三級發展水平，表現為污染排放極大，污染治理能力弱，環保投資極少。葫蘆島市目前共有主要入海河流11條，其中市環保局重點監測4條，葫蘆島城區三條入海河流（茨山河、連山河、五里河）作為該市極大的海洋污染源其水質全部為劣Ⅴ類，下游氨氮、總磷、化學需氧量超標。曾報道，通過水樣監測分析顯示污水中氨氮含量為41 mg/L，超出地表水質量標準規定的Ⅴ類水質標準20.5倍，揮發酚超標10.6倍，化學需氧量超標6倍，而且當地財力有限，缺少配套的污水處理廠生活，污水直排重金屬污染堪憂。

3.2 環渤海海洋生態環境影響因素識別

3.2.1 單因素影響因素識別

灰色關聯度[30,31]在解決綜合評價問題時，通常選定每個指標或時間段中所有子序列中的最佳值組成的新序列為母序列。海洋本體條件的動態性和不穩定性較高，隨著人類開發海洋資源的規模日益擴大，海洋環境已受到人類活動的影響和污染。陸地“經濟-科技-環境-社會”四大系統內的單因素指標高低與海洋環境質量水平具有相關性。因此根據研究結果，本文選擇以環渤海地區17個城市單元所構成的整體海洋環境質量為研究對象，以2008－2018各地區各年份海洋環境得分均值與陸地四子系統各指標為研究數據，從而得到關聯度矩陣（表3）。在具體指標層面，關聯度數值分布在區間[0.713 3，0.975 0]，關聯程度從中度關聯到高度關聯均有分布。按關聯度從高到低的順序，與海洋環境發展水平得分U關聯度前4個依次是農用化肥施用量 （C1）、第一產業從業人員數量（D2）、垃圾無害化處理率（C2）、建成區綠化覆蓋率（C2），此4組關聯關系屬于高度關聯，在環境子系統、科技子系統、社會子系統內皆有分布。

表3 海洋環境系統與陸地系統關聯度矩陣

陸地經濟子系統的各具體指標與海洋環境發展水平關聯度值位于區間[0.573，0.749]上，其中三產占比 （A3）與海洋環境系統相關性最強，二產占比（A2）與海洋環境系統相關性次強，這表明地區經濟結構對影響海洋高質量發展具有重要意義。環渤海地區是我國重要的農業、重化工業、加工制造業、現代服務業基地，各地區間的產業層次具有一定梯度，為產業協作提供了內在動力，提高海洋環境發展水平需進一步加快發展第三產業，發展高新技術產業，遏制高污染企業的數量，產業結構合理才能有效調整保證海洋經濟的高速發展和海洋環境的綠色化。地區GDP（A1）關聯性最小，因為GDP之于海洋環境問題是一把雙刃劍，隨著GDP的增長環境生態會經歷一個先增長后降低的過程，即庫茲涅茨的EKC曲線。針對環渤海地區情況，陸地經濟發展狀況與海洋生態保護需要協調起來。陸地科技子系統與海洋環境發展水平關聯度值位于區間[0.740 1，0.913 3]上，關聯程度普遍處于高度關聯區間，其中海洋科研課題應用數（B2）與海洋環境系統相關性最強。另外地區科研水平（B1），萬人發明專利授權量（B3）的影響因子也達到了0.7以上，環渤海城市需要充分發揮市場配置資源的決定性作用和政府的宏觀引導作用，構建環渤海地區數字化、寬帶化、智能化、綜合化、一體化信息基礎設施發展。陸地科技水平的提高將有效促進海洋船舶工業、海水綜合利用業等產業效益提高，加快環渤海藍色海洋體系的建設步伐。沿海地區環境問題本就需綜合考慮海洋和陸地的雙系統生態狀況，海洋環境水平與陸地環境水平是直接相關的系統，陸地環境系統與海洋環境發展水平關聯度值位于區間[0.913 4，0.975 0]上，關聯程度極高，其中農用化肥施用量（B2）與海洋環境系統相關性最強，另外兩項指標也達到了0.9以上。陸地社會子系統與海洋環境發展水平關聯度值位于區間[0.816 6，0.954 0]內，關聯程度普遍較高，其中第一產業從業人員數量（D2）與海洋環境發展水平關聯度高達0.954 0。這認證了隨著社會化和城市化發展，城市化深度推進會通過集聚效應和技術進步效應對海洋污染產生積極影響，而城市化廣度推進過程中所帶來的人口規模的擴大會加劇海洋污染，此外產業結構和綠色技術未能轉型升級也是城市擴張加劇海洋污染的關鍵因素所在。經濟產業、社會人員分布和海洋環境發展之間形成相互反饋，將環渤海地區社會子系統建設得城鄉統籌、發展協調、社會穩定、公平和諧對海洋環境質量有正向引領作用。

3.2.2 海陸間系統層影響因素識別

除了對環渤海地區17市的海洋發展水平進行評價，還應重視對海陸間系統關聯性進行剖析，揭示海洋環境系統與地區經濟-科技-生態-社會四元系統的耦合協調發展關系，從系統層識別環渤海海洋環境質量影響因素。從各城市耦合度研究期內均值來看，“海洋環境系統-地區科技系統”耦合度均值為0.637 4>“海洋環境系統-地區經濟系統”0.553 4>“海洋環境系統-地區環境系統”0.445 6>“海洋環境系統-地區社會系統”0.355 2。僅從數據上看，環渤海大部分城市的海洋環境發展水平與地區科技子系統相關性最高且逐年上升，而大部分城市的海洋環境發展水平和社會子系統耦合度較低且逐年下降，呈現極度不協調的發展狀態。鑒于此，選取2008、2013、2018三年份的數值進行分析，各子系統耦合度圖表見圖6－圖9。

圖6 海洋環境與陸地經濟系統耦合度地域單元分異態勢

圖7 海洋環境與陸地科技系統耦合度地域單元分異態勢

圖9 海洋環境與陸地社會系統耦合度地域單元分異態勢

從總體上看，研究期間環渤海各市海洋環境系統與地區經濟系統的耦合度C處于[0.488，0.570]區間，耦合協調度較低。研究期始耦合度為最大值，隨后呈下降趨勢，相互作用減弱，系統間耦合協調度在緩慢下降證明，其系統間矛盾突出，陸地經濟快速發展的同時，對海洋環境污染和治理投資也在不斷加大。但由于耦合度均處于過渡區間，仍具有明顯相關性。以天津市為例，作為環渤海城市群中唯一的特大城市中心城市，2018年全市生產總值為18 809.64億元，擁有北方第一位的大港口天津港，產業比重也十分合理，而其海洋環境系統與地區經濟系統的耦合度僅為0.5左右。以環渤海城市經濟圈的發展現狀來看，該區域“一體化”進程不足以及由此引發的難以形成統一市場，產業鏈條分割嚴重和地方保護主義盛行等問題。因此，必須重視陸地經濟系統中，如海水養殖業、濱海旅游業、海上制造業等排放的污染物對海洋環境的影響。

圖8 海洋環境與陸地環境系統耦合度地域單元分異態勢

環渤海海洋環境系統與地區科技系統的耦合度在2008、2013、2018分別為0.608 5、0.633 5、0.621 0，呈波動上升趨勢，系統間從基本協調到初級協調，基本處于可接受區間的良好協調發展類。黨的十四大報告中提出要加快環渤海地區的開發、開放，其中科技發展起到極為重要的引領作用。如威海市“海洋環境系統-科技系統”耦合均值在0.75左右，在各城市中排名水平較高，該市極其重視吸引高水平、專業化機構參與海洋科技城建設，同中科院海洋大科學研究中心等建立廣泛合作。環渤海地區是中國最大的工業密集區，是中國的重工業和化學工業基地且受到京津兩大直轄市的輻射影響，科技力量強大、高校眾多、人才優勢與資源優勢突出。在大數據時代，科技水平提高、高新技術發展可以使污水處理利用率、海洋資源利用率有效提高，使系統間達到一定規律的協調，提高海洋生態環境水平。

環渤海海洋環境系統與陸地環境和陸地社會系統的耦合度都普遍偏低，各城市耦合度均值為0.4456和0.3552，但是環渤海地區海洋環境-陸地環境的耦合度呈上升趨勢，由2008年的0.397逐年上升為2018年的0.4474，相反海洋環境-陸地社會的耦合度逐年下降，由2008年的0.3812逐年下降為2018年的0.2961，環境污染治理投資低，城市化水平低顯著影響著地區海洋環境水平得分，海陸環境協調性降低，導致系統間矛盾增加。部分發展較好的城市海洋環境系統與陸地環境和陸地社會系統的耦合度偏低，如大連和青島，其原因是陸地部分系統指標度較好，但是海洋環境的發展水平由于經濟高速發展的工業廢水入海量和化學需氧量總排放等負向指標較高，而使得系統間耦合度發展偏低、較不協調。而東營市由于城市化水平較低、社會系統得分較低，導致兩系統耦合發展度較低。因此，城市化水 平、人口結構、居民素質等因素都會影響海洋環境的質量，協調好陸地社會系統和海洋環境的關系，需要科學規劃城市建設。

以上為環渤海海洋環境系統與陸地四元系統的總體變化情況，由于在發展過程中還會受到社會政策、自然條件、發展歷史等因素的影響，各地域單元各子系統間相互作用耦合度曲線所以有的地區并不完全遵循此曲線變化，發展階段以及耦合協調水平差異較大，表現出不同的耦合態勢，但耦合度大多居于可接受區間內。

4 結論與建議

本文通過對環渤海地區17個城市海洋生態環境進行評價，構建地區海洋環境和陸地系統指標體系，對各市2008－2018年海洋環境質量的時空演化特征進行研究，并運用耦合協調度模型和灰色關聯度模型對單因素和系統層影響因素進行識別，得到主要結論如下：（1）環渤海地區海洋環境質量總體向良性轉變，研究期間均值由0.725 7到0.792 5，但各城市海洋環境水平差異較大；（2）運用灰色關聯分析可得，農用化肥施用量、第一產業從業人員數量、垃圾無害化處理率、建成區綠化覆蓋率與海洋環境系統高度相關，環境子系統、科技子系統是影響海陸系統耦合發展水平的主導關系層；（3）在海洋環境系統與陸地經濟-科技-生態-社會四元系統的耦合協調發展關系中，海洋環境系統-地區科技系統的相關性最大、耦合水平較高，海洋環境系統-地區社會系統相關性最小、耦合水平最低，需要進一步重視陸海統籌發展。

根據對海洋生態環境影響因素的識別，本文對環渤海沿海城市未來發展提出以下建議：（1）由于農用化肥施用量、第一產業從業人員數量、垃圾無害化處理率、建成區綠化覆蓋率等單因素會對海洋環境質量造成影響，各市政府應該加強污染源控制，天津、大連、青島等發展較好的城市，應發揮經濟和科技優勢，積極推進污染控制、生態保護、風險防范，實現海洋污染的區域聯防聯控；而東營、日照、秦皇島等城市應通過借鑒陸域污染治理的經驗與方法，減少農業及工業面源污染負荷。 （2）從海陸間系統層影響因素來看，需準確把握陸域和海域生態環境治理的整體性、系統性和聯動性，建立陸海統籌的海洋生態環境監測與監督執法體系[32]，注重海洋經濟和陸地經濟的高效發展、海洋環境和陸地環境的綠色協調，充分發揮環渤海地區的發展潛力和綜合優勢，切實改善環渤海地區海洋生態環境。加強環渤海區域合作，發揮沿海城市化推進對海洋污染防治的正外部性影響，推進環渤海海域的綠色高質量發展。