海洋漁業(yè)生態(tài)安全驅(qū)動(dòng)因子分析

于 淼

遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029

0 引言

近年來(lái)，人類在沿海地區(qū)活動(dòng)頻繁，開(kāi)展了航運(yùn)、捕魚(yú)、娛樂(lè)等活動(dòng)，海洋經(jīng)濟(jì)已成為許多國(guó)家經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，也是人類可持續(xù)發(fā)展的重要貢獻(xiàn)者。盡管這些活動(dòng)給人類帶來(lái)了好處，但是由此產(chǎn)生的長(zhǎng)期累積壓力，包括噪聲、過(guò)度捕撈、棲息地破壞和污染等，也以協(xié)同或?qū)沟姆绞礁淖兞撕Ｑ笊鷳B(tài)系統(tǒng)［1-2］，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)基線發(fā)生變化。此外，人為壓力的快速增加影響了水生物種、群落和生態(tài)系統(tǒng)［3］。“碳達(dá)峰”和“2030 年可持續(xù)發(fā)展議程”等全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)對(duì)海洋漁業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出了新的要求，加快了海洋漁業(yè)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型和升級(jí)。有效利用海洋資源，在保持海洋漁業(yè)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的同時(shí)減輕環(huán)境壓力，改善海洋漁業(yè)生態(tài)安全，是海洋漁業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要解決的重要問(wèn)題。因此，構(gòu)建支持海洋漁業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展的海洋漁業(yè)生態(tài)安全評(píng)估模型，為合理有序的海洋漁業(yè)開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)，已成為服務(wù)我國(guó)海洋生態(tài)文明建設(shè)、保障國(guó)家糧食安全、實(shí)現(xiàn)海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展中亟待解決的問(wèn)題。鑒于此，筆者基于狀態(tài)—脅迫—免疫（State-Danger-Immunity，SDI）模型構(gòu)建我國(guó)海洋漁業(yè)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)影響我國(guó)海洋漁業(yè)生態(tài)安全水平的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行識(shí)別并展開(kāi)討論。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

筆者以SDI 模型［4］為基礎(chǔ)，構(gòu)建海洋漁業(yè)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（見(jiàn)表1）。SDI 模型將海洋漁業(yè)生態(tài)安全演變分解成海洋漁業(yè)生態(tài)環(huán)境狀態(tài)、海洋漁業(yè)生態(tài)環(huán)境脅迫與海洋漁業(yè)生態(tài)環(huán)境免疫3 個(gè)方面。其中，生態(tài)環(huán)境狀態(tài)是指生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)前的基本狀況、初級(jí)生產(chǎn)力及提供服務(wù)的能力，是海洋漁業(yè)生態(tài)安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)。該研究采用確權(quán)海域面積/地區(qū)人口數(shù)量、海洋漁業(yè)從業(yè)人員、海洋漁業(yè)經(jīng)濟(jì)年增加產(chǎn)值/海洋漁業(yè)經(jīng)濟(jì)年產(chǎn)值、海水產(chǎn)品產(chǎn)量/水產(chǎn)品產(chǎn)量、濱海濕地面積/地區(qū)人口數(shù)量對(duì)海洋漁業(yè)生態(tài)環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行量化評(píng)估。生態(tài)環(huán)境脅迫是指多重自然和社會(huì)因素?cái)_動(dòng)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境施加的壓力，反映生態(tài)環(huán)境的敏感性。該研究選取現(xiàn)代海洋漁業(yè)資源生態(tài)位寬度、海水污染壓力指數(shù)，漁業(yè)災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失，近岸海域三、四類水質(zhì)海域面積/總海域面積，年度填海造地面積/海域總面積來(lái)表征海洋漁業(yè)生態(tài)環(huán)境脅迫。生態(tài)環(huán)境免疫是指人類會(huì)采取一些措施來(lái)改善海洋生態(tài)環(huán)境，增強(qiáng)其抵御風(fēng)險(xiǎn)的能力，并在受到擾動(dòng)后恢復(fù)其生態(tài)系統(tǒng)原有結(jié)構(gòu)和功能。采用水產(chǎn)技術(shù)推廣機(jī)構(gòu)密度、海洋漁業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換速率、海洋自然保護(hù)區(qū)面積、海濱觀測(cè)臺(tái)數(shù)量、海洋環(huán)境質(zhì)量指數(shù)來(lái)衡量海洋漁業(yè)生態(tài)安全免疫。

表1 我國(guó)海洋漁業(yè)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2 研究方法

1.2.1 基于人工魚(yú)群算法優(yōu)化的投影尋蹤綜合評(píng)價(jià)模型

作為數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的一種聚類分析方法，投影尋蹤模型可以同時(shí)用于探索性分析和確定性分析［5］。它用于將高維數(shù)據(jù)投影到低維空間，并研究投影的特征值，以反映低維空間中的高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或特征，從而降維。海洋漁業(yè)生態(tài)安全的測(cè)度與評(píng)價(jià)很難尋求可參照最優(yōu)解，或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)劃分明確閾值，而投影尋蹤模型相較于傳統(tǒng)方法更適于自動(dòng)識(shí)別多指標(biāo)集成的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。基于高維非線性系統(tǒng)的投影尋蹤技術(shù)，存在計(jì)算復(fù)雜度高、優(yōu)化精度過(guò)低及投影的最優(yōu)解缺乏等問(wèn)題。因此，為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化效果好、結(jié)果精度高、算法收斂速度快的目標(biāo)，引入人工魚(yú)群算法求解。人工魚(yú)群算法的靈感來(lái)源于自然界魚(yú)群的生態(tài)學(xué)行為，即捕食、群集和跟隨行為。作為一種有效的群體智能方法，人工魚(yú)群算法被廣泛應(yīng)用于解決現(xiàn)實(shí)世界的優(yōu)化問(wèn)題［6］。總之，筆者采用使用基于人工魚(yú)群算法（Artificial Fish Swarm Algorithm，AFSA）優(yōu)化的投影尋蹤模型測(cè)度我國(guó)海洋漁業(yè)生態(tài)安全水平。基于人工魚(yú)群算法優(yōu)化的投影尋蹤綜合評(píng)價(jià)模型構(gòu)建過(guò)程參考文獻(xiàn)［7］。

1.2.2 基于SHAP的可解釋性隨機(jī)森林模型

隨機(jī)森林模型是Breiman在2001年提出的一種基于分類樹(shù)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法［8］。該算法具有優(yōu)越的分類精度、高泛化性能、輸出的魯棒性、低噪聲（低偏差和低變化結(jié)果）等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)［9］。其基本原理是通過(guò)Bootstrap 抽樣技術(shù)從原始樣本中提取多個(gè)子樣本，并通過(guò)決策樹(shù)CART（Classification and Regression Tree）算法對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行建模，然后將這些決策樹(shù)組合起來(lái)生成隨機(jī)森林，通過(guò)投票獲得最終預(yù)測(cè)。然而，機(jī)器學(xué)習(xí)模型作為一種黑箱預(yù)測(cè)，缺乏為特定需求收集線索的可解釋性。因此，筆者引入SHAP（SHapley Additive exPlanations）概念來(lái)確定哪些因素有助于海洋漁業(yè)生態(tài)安全水平的提升及這些因素的重要性。SHAP 是一種用于解釋機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)的方法。其基于博弈論中的Shapley值概念，使用合理的方式將貢獻(xiàn)值分配給每個(gè)特征，以解釋模型預(yù)測(cè)結(jié)果。基于SHAP 的可解釋性隨機(jī)森林模型構(gòu)建過(guò)程參考文獻(xiàn)［10-11］。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

該研究涉及的指標(biāo)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《近岸海域環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》《中國(guó)漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)海洋統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)海洋年鑒》《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》《海域使用管理公報(bào)》《中國(guó)海洋生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)（Autoregressive Integrated Moving Average）》及沿海各地區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒，采用線性插值法或ARIMA 預(yù)測(cè)模型來(lái)補(bǔ)全矯正個(gè)別缺失和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。因缺少相關(guān)數(shù)據(jù)，該研究不涉及我國(guó)香港、澳門、臺(tái)灣。

2 研究結(jié)果與分析

為了揭示影響海洋漁業(yè)生態(tài)安全水平的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，筆者引入基于SHAP的可解釋性隨機(jī)森林模型，對(duì)投影尋蹤模型測(cè)度的影響沿海各地區(qū)海洋漁業(yè)生態(tài)安全水平的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行識(shí)別。由隨機(jī)森林模型推導(dǎo)出的SHAP值如圖1 所示。圖1 中每個(gè)協(xié)變量的全局重要性被視為該協(xié)變量在所有給定樣本上的平均絕對(duì)值，預(yù)測(cè)值按照全局重要性的順序從上到下列出。圖1 顯示，海洋漁業(yè)科技創(chuàng)新和技術(shù)推廣能力、海洋漁業(yè)產(chǎn)業(yè)資源綜合利用水平、海洋漁業(yè)就業(yè)活力、海洋漁業(yè)自然環(huán)境綜合治理水平是影響我國(guó)海洋漁業(yè)生態(tài)安全水平的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子。

圖1 所有樣本協(xié)變量的絕對(duì)平均SHAP值

3 研究結(jié)論與政策建議

3.1 研究結(jié)論

筆者基于狀態(tài)—脅迫—免疫模型構(gòu)建我國(guó)海洋漁業(yè)生態(tài)安全水平綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，考察2008—2021年我國(guó)沿海11 個(gè)省（自治區(qū)、直轄市）的海洋漁業(yè)生態(tài)安全水平，并應(yīng)用基于SHAP 的可解釋性隨機(jī)森林模型對(duì)影響我國(guó)海洋漁業(yè)生態(tài)安全水平的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行識(shí)別。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，海洋漁業(yè)科技創(chuàng)新和技術(shù)推廣能力、海洋漁業(yè)產(chǎn)業(yè)資源綜合利用水平、海洋漁業(yè)就業(yè)活力、海洋漁業(yè)自然環(huán)境綜合治理水平均對(duì)我國(guó)海洋漁業(yè)生態(tài)安全水平的提升產(chǎn)生顯著的正向影響，是影響我國(guó)海洋漁業(yè)生態(tài)安全水平的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子。

3.2 提升我國(guó)海洋漁業(yè)生態(tài)安全水平的建議

3.2.1 提升海洋漁業(yè)科技創(chuàng)新和技術(shù)推廣能力

現(xiàn)如今，我國(guó)海洋漁業(yè)產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新能力仍顯薄弱，與先進(jìn)國(guó)家相比尚有較大差距。對(duì)此，我國(guó)應(yīng)加大對(duì)海洋漁業(yè)技術(shù)研發(fā)的資金投入力度，整合科學(xué)研究機(jī)構(gòu)、高等院校和漁業(yè)龍頭企業(yè)等科研資源，建立跨領(lǐng)域合作機(jī)制和技術(shù)研發(fā)平臺(tái)，以推動(dòng)新技術(shù)產(chǎn)生，支撐和引領(lǐng)現(xiàn)代漁業(yè)高效發(fā)展。同時(shí)，我國(guó)應(yīng)強(qiáng)化推廣機(jī)構(gòu)的公益性職能，加快完善海洋漁業(yè)全鏈條技術(shù)服務(wù)體系，以促進(jìn)技術(shù)推廣應(yīng)用，為現(xiàn)代漁業(yè)建設(shè)、漁業(yè)增效和漁民增收提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

3.2.2 提升海洋漁業(yè)產(chǎn)業(yè)資源綜合利用水平

漁業(yè)資源枯竭及海洋漁業(yè)產(chǎn)業(yè)粗放、不平衡和不可持續(xù)發(fā)展對(duì)海洋漁業(yè)生態(tài)安全產(chǎn)生了負(fù)面影響。對(duì)此，我國(guó)海洋漁業(yè)部門應(yīng)加快水產(chǎn)品加工業(yè)升級(jí)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，加強(qiáng)低值水產(chǎn)品和加工副產(chǎn)物的高值化開(kāi)發(fā)和綜合利用；發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，并引導(dǎo)加工業(yè)向生物能源開(kāi)發(fā)、海洋化工、海洋生物制藥、基因工程和功能食品等領(lǐng)域拓展，提高資源利用的綜合效益。

3.2.3 提升海洋漁業(yè)就業(yè)活力

我國(guó)海洋漁業(yè)是一個(gè)龐大的行業(yè)，涉及眾多的漁民群體。這些漁民從事捕撈、養(yǎng)殖等漁業(yè)活動(dòng)，為保障我國(guó)人民的食品安全貢獻(xiàn)了力量。然而，漁獲量的季節(jié)性、商品的易腐性、市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)和漁業(yè)作業(yè)的危險(xiǎn)性等因素的綜合作用使捕魚(yú)和相關(guān)職業(yè)的收入變得不確定。我國(guó)海洋漁業(yè)部門應(yīng)深入實(shí)施海洋漁民素質(zhì)提升工程，加快培育懂技術(shù)、善經(jīng)營(yíng)、會(huì)管理的新型高素質(zhì)職業(yè)海洋漁民，促進(jìn)我國(guó)海洋漁民從傳統(tǒng)型向職業(yè)型轉(zhuǎn)化；出臺(tái)就業(yè)指導(dǎo)和就業(yè)咨詢等政策，為海洋漁民提供就業(yè)支持與保障，助推漁民創(chuàng)業(yè)就業(yè)增收。

3.2.4 提升海洋漁業(yè)自然環(huán)境綜合治理水平

綜合治理海洋自然環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜且長(zhǎng)期的過(guò)程。我國(guó)應(yīng)加強(qiáng)海洋環(huán)境保護(hù)相關(guān)法律法規(guī)的制定和修訂工作，不斷推進(jìn)人工魚(yú)礁、國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)、海洋牧場(chǎng)及國(guó)家級(jí)水生生物自然保護(hù)區(qū)建設(shè)；增加對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備的投入，提高對(duì)海洋水質(zhì)、溫度、鹽度等關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)能力，以便及時(shí)掌握海洋環(huán)境變化，并采取相應(yīng)的管理和保護(hù)措施；強(qiáng)化對(duì)海洋污染源的管控，推廣清潔生產(chǎn)技術(shù)，提高污水處理和廢棄物處理效率；實(shí)施海洋重要生態(tài)區(qū)域修復(fù)項(xiàng)目，恢復(fù)受損的海洋生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)我國(guó)海洋漁業(yè)生態(tài)安全與可持續(xù)發(fā)展。