基于熵權TOPSIS法的我國養殖海域承載力評價研究

紀建悅,王城佳,周婧琳

(中國海洋大學經濟學院 青島 266100)

0 引言

海水養殖通過提供高蛋白食物優化人們的飲食結構,并通過調整漁業結構、提高居民收入等方式在我國海洋產業中發揮重要作用[1]。隨著海洋經濟的發展和人類活動的激增,近岸海域遭受過度開發、環境污染、生物多樣性下降等壓力[2],海水養殖業的可持續發展也遭受海洋生態系統退化的巨大壓力[3]。在現有技術水平條件下,人類若無限制地開發利用海域資源,將不可避免地陷入資源枯竭和環境污染的困境,從而嚴重制約海洋產業的可持續發展[4]。海水養殖業屬于傳統的資源導向型產業,受海域資源環境的制約更為明顯[5]。為衡量海域資源環境對海水養殖業可持續發展的制約作用,學者們探索采用養殖海域承載力進行評價。養殖海域承載力是指海域在資源可持續利用和環境保護的前提下,能夠承載和支持海水養殖相關活動的能力[6]。養殖海域承載力評價有助于客觀了解養殖海域資源環境的現狀和開發利用潛力,對于維持近岸海域資源開發與海水養殖業發展的平衡關系具有重要意義[7]。

近年來,海域資源的快速消耗和海洋環境的持續惡化引起人們的廣泛關注,海域承載力研究已成為海洋產業可持續發展的重要課題。大量研究從濱海旅游業發展[8]、圍填海空間資源配置[9]、漁業空間規劃[10]等角度對海域承載力進行評價分析,少數研究從漁業、海水養殖業可持續性的角度對海域承載力進行探索[11]。漁業相關的海域承載力研究主要包括3類:①采用海洋生態系統的漁業資源生態容量表征漁業生態承載力,采用漁業生產海域面積指標構建承載力指數,研究結果表明海洋漁業資源處于生態超載狀態[12];②討論漁業和海洋生態系統承載力之間的關系,并分析漁業對相關海域承載力的影響[13-14];③基于漁業可持續發展評價海洋生態系統的承載力[15-16]。

為科學評價海域承載力,國內外學者在評價指標、評價方法方面進行大量的探索,為后續研究提供有價值的借鑒和經驗。①在評價指標方面,以往研究主要從資源系統、生態系統、經濟社會系統3個層面選取指標[17-18]。近年來,為更系統地從整體視角分析海域對人類經濟活動的承載力,國內外學者開始嘗試從壓力與承壓關系的角度出發設計海域承載力評價指標;這些研究將海洋作為載體,將人口、環境與經濟的協調發展作為受載體,從載體和受載體2個層面建立包含壓力指標和承壓指標的海域承載力評價指標體系[19-21]。②在多指標體系的評價方法中,層次分析法[22-23]、熵值法[24]常被用于指標賦權和承載力評價。在指標賦權過程中,熵權法被認為可以最大限度地消除評價分析的不確定性,從而使評價更加客觀[25]。

綜上所述,已有研究對海域承載力進行有益探索,但仍存在進一步深化的空間。目前對海域承載力的研究大多局限于對單一區域的分析,對養殖海域承載力的綜合研究較少。在評價方法中,層次分析法基于主觀經驗劃分指標閾值,容易造成一定的定量偏差;熵值法直接將指標的信息熵作為評價值,雖然保障評價結果的客觀性,但沿海地區的海域承載力是相對的概念,采用簡單的熵值法可能無法精確體現海域承載力的區域差異,而TOPSIS法與熵權法的結合可以彌補這一不足。因此,本研究對我國海水養殖業相關的海域承載力進行研究,構建包含壓力、狀態、響應3個層次的養殖海域承載力評價指標體系,運用熵權TOPSIS法進行指標賦權和綜合得分,以期準確評價我國養殖海域承載力。

1 研究方法與數據來源

1.1 熵權TOPSIS法

TOPSIS法基于距離度量的概念,通過計算樣本與理想解之間的距離得到樣本的排序,是常用的多屬性決策方法。TOPSIS法具有較強的靈活性,可以根據具體問題的需求和決策者的偏好進行調整,如可以選擇不同的距離度量方法和權重分配方法。熵權TOPSIS 法在TOPSIS 法的基礎上采用信息熵確定指標權重,能夠減少主觀因素對權重分配的影響,提高模型的可靠性和穩定性。熵權TOPSIS法充分考慮指標之間的相關性,避免傳統TOPSIS法在處理指標權重時存在的矛盾性和不一致性問題。本研究的養殖海域承載力評價是多維度、多指標的復雜問題,須考慮指標之間的相互關系,且養殖海域承載力具有區域差異,因此采用熵權TOPSIS法進行評價。

對于由m個評價指標和n個樣本構成的決策矩陣,矩陣元素為xij(1≤i≤n,1≤j≤m),對指標數據進行標準化處理。

基于得到的標準化矩陣Y={yij}m×n,運用熵權法得到各指標的熵值ej以及權重wj。

運用TOPSIS法,構建加權后的規范化矩陣Z,其中的元素zij為:

基于規范化矩陣分別確定最優解和最劣解:

計算各樣本與最優解和最劣解的距離:

計算評價對象與最優解的接近程度即綜合得分:

ci的取值范圍為0～1,ci越接近1表明評價對象越接近最優解。

1.2 數據來源

本研究數據主要來自歷年《中國漁業統計年鑒》《中國海洋統計年鑒》和《中國農業統計年鑒》。2008年《國家海洋事業發展規劃綱要》正式指出保護海洋生態環境、規范海洋資源開發秩序在我國海洋事業發展中的重要性,對海洋經濟可持續發展和資源可持續利用提出要求,自此我國海洋事業步入新的階段,因此基于2008年這個關鍵節點對我國養殖海域承載力進行定量分析。同時,考慮到自2020 年起新冠疫情對經濟數據帶來階段性和非常規性的影響,選取2008—2019年的相關數據進行實證研究。

2 我國養殖海域承載力評價與分析

2.1 評價指標體系和指標權重

為更全面地展現海洋生態系統對人類活動的承載力,完整的反饋機制應是:人類活動對海域施加一定的壓力,海域生態環境狀態發生變化;海域生態環境狀態變化對經濟的長期健康發展發出預警,人類隨即采取行動加以響應。PSR(Pressure-State-Response)理論作為涵蓋壓力、狀態和響應環節的評價理論,可以很好地契合這一過程。本研究結合海水養殖業的發展特征,依據我國海水養殖業的相關政策、規劃,遵循科學性、系統性、代表性、可獲得性的原則,參考以往文獻經驗,最終構建包含5個壓力指標、5個狀態指標、4個響應指標共14項指標的評價指標體系,并基于熵權法計算各指標權重(表1)。

表1 養殖海域承載力評價指標體系Table 1 Evaluation index system of carrying capacity of mariculture region

壓力指標表征人類社會經濟活動對海域資源環境產生的消極影響和潛在壓力。①從人口與經濟發展的角度,選取人口密度、人均海水養殖產值、海水養殖產值占GDP比重3個指標。②從海水養殖使用資源的角度,選取海水養殖面積指標。③從海水養殖環境污染的角度,選取海水養殖等標污染物指標;根據《水產養殖業污染源產排污系數手冊》定義的28種海水養殖產污物以及5種海水養殖方式,將不同產污物(包括氮、磷、化學需氧量)的產污量轉化為標準介質量,從而得到統一尺度的污染物指標[26]。

狀態指標表征海域環境的健康狀態和受污染程度。①近岸海域水質采用符合第一、第二類海水水質標準的點位占比,即第一、第二類海水水質在近岸監測海域面積中的占比,占比越高表示水質越佳,這是表征海水清潔程度和安全程度的重要指標。②養殖海域多為近岸海域,其健康狀態受沿海地區工業生產的影響較大。選取工業廢水中化學需氧量排放量和氨氮排放量2個指標,表征近岸海域受工業污染的程度。③選取污染養殖面積指標表征養殖海域受污染狀況,選取漁業災情造成的經濟損失占漁業總產值比重指標表征災害損失強度。

響應指標表征政府和企業為改善海域環境、提高資源利用效率而產生的經濟行為,重點考慮在水產技術推廣、海洋科研教育管理服務、海洋科研人才培養3個方面的努力。此外,本研究納入海水養殖業綠色全要素生產率指標,表征海水養殖業的經濟效益和綠色發展水平,采用EBM 超效率模型測度[27],將海水養殖資本存量、海水養殖從業人員數量、海水養殖面積作為投入變量,將海水養殖產值作為產出變量,將海水養殖產污量作為非期望產出。

分析各指標權重可以發現,權重最高的是水產技術推廣機構數量和海洋科研教育管理服務業占比,分別為0.206和0.205;其次是海水養殖業綠色全要素生產率,接近0.100。這3個指標都屬于響應指標,同時都是正向指標,在養殖海域承載力評價中具有非常重要的地位。此外,海水養殖產值占GDP比重(0.077)、工業廢水中化學需氧量排放量(0.066)、近岸海域水質(0.058)的權重較高,對養殖海域承載力的貢獻較大。污染養殖面積、漁業災情造成的經濟損失占漁業總產值比重的權重最小。

2.2 養殖海域承載力評價結果

基于熵權法獲得新的決策矩陣后,運用TOPSIS模型計算每個對象到最優解和最劣解的歐氏距離,得到2008—2019 年我國沿海10 省(自治區、直轄市)養殖海域承載力在目標層和3個準則層的得分并排名,其中目標層排名即養殖海域承載力綜合排名(表2)。

表2 2008—2019年我國沿海10省(自治區、直轄市)養殖海域承載力排名Table 2 The ranking of carrying capacity of mariculture region in 10 Provinces(Autonomous Region,Municipality)of China from 2008 to 2019

2008—2019年我國沿海10省(自治區、直轄市)養殖海域承載力排名隨時間變化有一定的變動。①從目標層排名即綜合排名來看,廣東始終排名第一,山東一直排名第二,排名靠后的主要包括廣西、天津、河北;遼寧的排名變化較大,從2008年的第十名升至2014—2015年的第五名。②從壓力層排名來看,排名靠前的主要包括河北、浙江、江蘇,排名靠后的主要包括福建、遼寧、海南。③狀態層排名的變動較大,其中海南排名較靠前,廣東和浙江排名靠后。④響應層排名較為穩定,排名靠前的主要包括廣東、山東、江蘇,排名靠后的主要包括河北、天津、廣西。

以2008—2019年我國沿海10省(自治區、直轄市)養殖海域承載力得分的平均值作為我國養殖海域承載力得分,得到各年份不同評價層的得分變化情況(圖1)。

圖1 2008—2019年我國養殖海域承載力得分的變化趨勢Fig.1 Variation trend of the scores of carrying capacity of mariculture region in China from 2008 to 2019

2008—2019年我國養殖海域承載力目標層得分即綜合得分逐年上升,從2008 年的0.342 升至2019年的0.458,年均值為0.378;壓力層和狀態層得分較高,年均值分別為0.689和0.799;響應層得分較低,年均值為0.318。

壓力層得分呈現先下降、后持平、再上升的趨勢,其中2011-2015 年較低,保持在0.630 左右,2016年后回升至0.730 以上;狀態層得分在0.800左右小幅波動,其中2016年達到峰值即0.859;響應層得分呈現逐年上升的趨勢,從2008年的0.258升至2019年的0.415,變化趨勢與綜合得分相近。雖然壓力層和狀態層得分遠高于響應層,但響應指標的權重較大,對綜合得分的貢獻率更高,可以認為我國養殖海域承載力綜合得分偏低主要受到響應層的影響。

進一步分析養殖海域承載力的區域差異。各地養殖海域承載力目標層得分平均值如圖2所示,可以看出廣東最高(0.503),其次是海南、山東和江蘇(高于0.400),天津最低(0.285)。

圖2 養殖海域承載力目標層得分平均值Fig.2 Average value of target layer of carrying capacity of mariculture region

各地養殖海域承載力壓力層得分平均值如圖3所示,可以看出呈現兩極分化狀態,其中天津最高(0.862),其次是浙江(0.820),河北、江蘇、廣西較高(高于0.750),山東、遼寧、福建較低(低于0.600)。

圖3 養殖海域承載力壓力層得分平均值Fig.3 Average value of pressure layer of carrying capacity of mariculture region

各地養殖海域承載力狀態層得分平均值如圖4所示,可以看出同樣呈現兩極分化狀態,其中大多數較高(高于0.800),山東最高(0.936),其次是河北和海南(高于0.900),天津和浙江較低(分別為0.586和0.419)。

圖4 養殖海域承載力狀態層得分平均值Fig.4 Average value of state layer of carrying capacity of mariculture region

各地養殖海域承載力響應層得分平均值如圖5所示,可以看出區域差異較大,其中廣東最高(0.483),其次是山東、海南、江蘇(高于0.350),遼寧、河北、廣西、天津較低(低于0.300),天津最低(0.138)。由于響應指標在評價指標體系中權重較大,響應層得分對目標層得分和排名具有重要影響。

圖5 養殖海域承載力響應層得分平均值Fig.5 Average value of response layer of carrying capacity of mariculture region

3 結論與政策建議

3.1 結論

本研究基于PSR 理論以及我國海水養殖業特征和海域資源環境特征,構建包含壓力、狀態、響應3個準則層共14個評價指標的養殖海域承載力評價指標體系。運用2008—2019 年我國沿海10 省(自治區、直轄市)數據,通過熵權TOPSIS 法確定指標權重并計算得到養殖海域承載力綜合得分,主要得到3點結論。

(1)2008—2019年我國養殖海域承載力逐年提高,綜合得分從2008 年的0.342 升至2019 年的0.458,年均值為0.378。在養殖海域承載力評價指標體系的不同準則層中,壓力層和狀態層得分較高,年均值分別為0.689和0.799;響應層得分較低,年均值僅為0.318。響應層得分較低是我國養殖海域承載力綜合得分較低的最重要原因,表明近年來沿海地區政府和企業為改善近岸海域環境、提高養殖海域資源利用效率而做出的努力是不夠的。

(2)養殖海域承載力評價指標體系的壓力層得分呈現先下降、后持平、再上升的趨勢,狀態層得分小幅波動并于2016年達到峰值即0.859。這表明沿海地區社會經濟活動對養殖海域產生的資源環境壓力有所減小且海域環境有所改善,這種變化可能與我國海洋經濟發展與海域環境保護政策有關。2012年全國海洋經濟發展“十二五”規劃指明“十二五”時期是我國海洋經濟加快調整優化的關鍵時期,同時指出“十一五”期間海洋經濟總量快速增長但資源與環境問題愈漸突出的狀況;2017年全國海洋經濟發展“十三五規劃”則對海域資源集約利用和海洋生態保護提出更嚴格的要求。

(3)我國養殖海域承載力具有明顯的區域差異。綜合得分平均值最高的是廣東,其次是海南、山東和江蘇,最低的是天津;壓力層得分呈現兩極分化狀態,平均值最高的是天津,其次是浙江,較低的是山東、遼寧和福建,主要受海水養殖產值占GDP比重、工業廢水中化學需氧量排放量2 個指標的影響;狀態層得分也呈現兩極分化狀態,天津和浙江的平均值較低,主要受近岸海域水質指標的影響;響應層得分的區域差異較大,平均值最高的是廣東,其次是山東、海南和江蘇,主要受水產技術推廣機構數量、海洋科研教育管理服務業占比、海水養殖業綠色全要素生產率3 個指標的影響。

3.2 政策建議

基于我國養殖海域承載力評價的研究結論,本研究認為應采取有力的政策措施來保護和優化近岸海域生態環境,同時促進海水養殖業的可持續發展。在此基礎上,本研究提出3 點針對性建議。

(1)加強工業廢水處理,降低工業廢水中化學需氧量和氨氮排放量,改善近岸海域水質。工業化的加速和人口的增加導致我國近岸海域水質日益惡化,直接影響海水養殖業的健康發展,沿海地區應采取措施推動工業廢水的全面處理。對于違反環保規定的企業,必須堅決予以懲處,并對其進行長期監管,確保廢水排放符合相關標準;積極開展海域環境綜合治理,提高海洋環境整體質量,加大對生境修復、污染治理的項目投資;以陸海統籌發展理念為指引,促進海洋產業結構高級化、布局合理化,大力扶持高新技術產業和清潔能源產業發展;通過排污許可、征收排污稅、提高排污標準等手段激勵企業節能減排,降低廢水、廢氣排放對海域資源環境的壓力。通過上述措施有效改善近岸海域水質,提高養殖海域承載力。

(2)推動海洋科研和水產技術的發展,鼓勵設立水產技術推廣機構、提高海洋科研教育管理服務業占比。科技創新是實現養殖海域可持續發展的關鍵,政府應積極推動海洋科研和水產技術的發展,加大科技投入,提高科技要素貢獻率,提高養殖海域承載力。具體來說,加強科研機構和企業之間的合作,促進科研成果的轉化和應用;加強知識產權保護,鼓勵創新創業;通過設立科技創新專項資金,支持相關企業和機構的科研項目,激勵其投入更多的研發資源,推動技術創新的發展。

(3)提高海水養殖業綠色全要素生產率。海水養殖業的發展面臨資源環境壓力和生產成本等諸多挑戰,沿海地區應加強技術創新,推進綠色生產。一方面,通過推廣先進的海水循環養殖技術、水產養殖廢棄物資源化利用技術、水產品質量安全監管技術等,提高海水養殖業資源利用效率,從而提高生產效率和降低成本;另一方面,通過調整海水養殖業結構和布局實現降本提效,鼓勵企業根據不同區域的資源特點和市場需求,合理規劃和布局海水養殖場和養殖品種,同時鼓勵和支持農民合作社等新型經營主體的發展,實現規模化養殖和資源共享。