海域承載力研究進展

周 健,王其翔, 劉洪軍, 趙文溪, 劉夢俠

(山東省海水養(yǎng)殖研究所,山東 青島 266002)

承載力(Carrying Capacity)原為工程地質(zhì)領域中的一個力學概念，指物體在不產(chǎn)生任何破壞時所能承受的最大負荷，20世紀初這一概念被逐漸引入至人口統(tǒng)計學，種群生態(tài)學等領域，主要是指在一定條件下，一定區(qū)域范圍可以容納的最大人口(或種群)的數(shù)量[1]。承載力理論內(nèi)涵的起源甚至可追溯至Malthus在1798年提出的需求供應失衡理論[2]，其后歷經(jīng)兩百多年時間的發(fā)展，經(jīng)過從種群承載力—資源承載力—環(huán)境承載力—生態(tài)承載力的演進過程，現(xiàn)已成為了人類可持續(xù)發(fā)展度量和管理的重要依據(jù)[3]，并在陸地區(qū)域環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)得到了廣泛的應用[4-7]。

近年來，由于海洋資源掠奪性開發(fā)與沿海環(huán)境污染等問題不斷加劇，海洋生態(tài)系統(tǒng)結構日益遭受破壞，為促進海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，迫切需要開展涉海承載力的相關研究工作。狄乾斌等是國內(nèi)較早開展涉海承載力研究的學者，并提出“海域承載力”的概念，即一定時期內(nèi)，以海洋資源的可持續(xù)利用、海洋生態(tài)環(huán)境的不被破壞為原則，在符合現(xiàn)階段社會文化準則的物質(zhì)生活水平下，通過海洋的自我調(diào)節(jié)、自我維持，海洋能夠支持人口、環(huán)境和經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的能力或限度[8]。韓立民等則直接指出海域承載力的實質(zhì)為海洋對人類活動的最大支持程度[9]。目前，國內(nèi)有關海域承載力研究報道逐漸增多，依據(jù)具體研究對象主要分為海洋生態(tài)環(huán)境承載力、海岸帶承載力、海水養(yǎng)殖承載力三個方面，見表1。本文在對這三種海域承載力報道系統(tǒng)總結的基礎上，提出海域承載力研究當前面臨的挑戰(zhàn)和未來的研究趨勢，以期為推進承載力理論在我國海洋科學的研究水平提供參考。

表1 海域承載力的分類Table 1 Classification of carrying capacity of marine region

1 海洋生態(tài)環(huán)境承載力

事實上，海洋生態(tài)環(huán)境承載力(Marine Ecological Environment Carrying Capacity)是從海洋環(huán)境容量(Marine Environment Capacity)的基礎上演化發(fā)展而來的。1953年，新瀉發(fā)生的水俁病事件震驚了全世界，日本政府隨即開展了對瀨戶內(nèi)海的治理和管理工作，學者們也提出了“環(huán)境容量”的概念，并對海灣內(nèi)污染物排放總量進行了研究和討論[10]。1986年，聯(lián)合國海洋污染專家小組(GESAMP)將“環(huán)境容量”正式定義為“環(huán)境容量為環(huán)境的特性，即在不造成環(huán)境不可承受的影響前提下，環(huán)境所能容納某污染物的能力(a property of the environment and can be defined as its ability to accommodate a particular activity or rate of activity without unacceptable impact)”，并提出了包括污染輸入，輸出和懸浮物輸出等三個過程的箱式估算模型[11]。后來，世界各地的學者們不斷對箱式模型進行改進，逐漸將人為或其它要素考慮進去，相繼發(fā)展為數(shù)學規(guī)劃模型、模糊線性規(guī)劃方法和動力水質(zhì)模型，并在全球范圍內(nèi)對海灣的COD、活性磷酸鹽、無機氮等的環(huán)境容量進行了估算[12-17]，為海灣環(huán)境的治理和規(guī)劃提供了重要的科學依據(jù)。由上述定義及模型可見，環(huán)境容量研究以估算特定海灣的最大排污量為目標，側(cè)重分析海灣環(huán)境的空間容納功能。

近年來，隨著可持續(xù)發(fā)展觀念的深入人心，部分學者開始借鑒國內(nèi)外區(qū)域承載力研究思路與方法，將海洋環(huán)境視作濱海區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，在分析海灣的環(huán)境納污能力的基礎上，增加考慮資源供給、社會服務、生態(tài)調(diào)節(jié)等功能，綜合評估其支撐沿海地區(qū)發(fā)展的最大支撐能力?；谫Y源供給和環(huán)境納污角度，苗立娟等率先提出了“海洋生態(tài)環(huán)境承載力”的概念，將其定義為“在滿足一定生活水平和環(huán)境質(zhì)量要求下，在不超出海洋生態(tài)系統(tǒng)彈性限度條件下，海洋資源、環(huán)境子系統(tǒng)的最大供給與納污能力，以及對沿海社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模及相應人口數(shù)量的最大支撐能力”，并初步構建了近海海洋生態(tài)環(huán)境承載力的評價體系[18](圖1)。劉容子等在極大豐富苗立娟所建評價指標體系的基礎上，明確融入生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值的探討，系統(tǒng)地建立了資源-生態(tài)-環(huán)境-經(jīng)濟復合的海洋承載力評價體系(以下稱“復合評價體系”)，并以渤海為研究區(qū)域，提出了合理利用渤海資源環(huán)境承載力的框架方案，開拓了海洋環(huán)境承載力研究新局面[19]。

在實證研究中，學者們多根據(jù)掌握的數(shù)據(jù)資料等情況對“復合評價體系”作出修改和補充，構建了適合的海洋環(huán)境承載力評價體系，并采用模糊綜合評判的方法來完成對研究區(qū)域承載力的評估。鄧觀明等、李志偉等、曹可等都引入了社會經(jīng)濟學影響因素如恩格爾系數(shù)、科技發(fā)展狀況等，作為承壓部分進一步完善了“復合評價體系”，分別對寧波、河北和遼寧的海洋生態(tài)環(huán)境承載力狀況進行估算和評價[20-22]。石洪華等在對廣西5個海灣進行了環(huán)境承載力的評估時，增加了對海洋環(huán)境的氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)的功能考慮，并提出了“海灣環(huán)境承載力”的概念，將其定義為“在一定時期內(nèi)，在保持海灣生態(tài)系統(tǒng)健康的條件下，海灣環(huán)境所能承受的人類活動的能力與為人類提供的環(huán)境福利之和”[23]。時至今日，海洋(灣)生態(tài)環(huán)境承載力的相關研究報道陸續(xù)增多，雖然在生態(tài)-環(huán)境-經(jīng)濟復合系統(tǒng)層面探討海洋生態(tài)環(huán)境的研究已成共識，但恰恰由于復合系統(tǒng)的龐大復雜性、模糊性和影響因素的多樣性，海洋環(huán)境承載力既未形成統(tǒng)一的概念界定，也未形成公認的指標體系和綜合評價模型，海域環(huán)境承載力的研究尚處在起步探索階段[24]。

圖1 近海海洋生態(tài)環(huán)境承載力的評價體系Fig.1 The assessment index system of carrying capacity of marine ecological environment for coastal regions

2 海岸帶承載力

自20世紀60年代以來，全球許多國家陸續(xù)開展海岸帶綜合管理的實踐與探索，特別是在《21世紀議程》提出了“沿海和海洋環(huán)境綜合管理和可持續(xù)發(fā)展”之后，協(xié)調(diào)海岸帶區(qū)域綜合承載力與經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的關系，實施海岸帶可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略是當今政府與社會各界關注的熱點[25-27]。Shea等在13thBiennial Coastal Zone Conference上提出一種“基于產(chǎn)出模式”的效果評價框架，促進了海岸帶可持續(xù)發(fā)展研究逐漸走向綜合性和定量化[28]。此后，技術上憑借著3S(RS，GIS和GPS)等高新技術手段的日益發(fā)展和運用，海岸帶可持續(xù)發(fā)展研究的科技水平得到了極大的提高，海岸帶研究的范圍和領域不斷擴展，逐漸演變成為了多學科交叉、綜合與集成的研究[29]。目前，海岸帶可持續(xù)發(fā)展及評價研究越來越受到重視，從海岸帶自然-社會-經(jīng)濟復合系統(tǒng)層面加強和實施海岸帶綜合管理(ICZM)已成為全球的普遍共識，并已在很多國家和地區(qū)積累了豐富和成功的實踐經(jīng)驗[30-31]。

石純、金建君等、李健等較早的在國內(nèi)開展了海岸帶可持續(xù)發(fā)展評價體系及方法模型的研究，主要采用層次分析法(AHP)構建了不同的評價體系，評價指標均涵蓋了資源、經(jīng)濟、社會和環(huán)境的內(nèi)容，分別對上海、遼寧、大連等沿海行政省市單元進行了初步的評價研究[32-34]。但是，這些評價指標體系中的某些指標數(shù)據(jù)(沿岸海域水質(zhì)綜合指數(shù))往往難以搜集或者檢測，且缺少綜合反映海岸帶地區(qū)環(huán)境、經(jīng)濟和社會發(fā)展狀況和水平的指標參數(shù)，部分參數(shù)仍需要經(jīng)定性分析得到。熊永柱率先提出了“海岸帶環(huán)境承載力(Coastal Environmental Carrying Capacity)”的概念，即“一定時期內(nèi)，海岸帶地區(qū)環(huán)境系統(tǒng)在保持其正常功能的前提下所能承受的人類社會和經(jīng)濟活動強度的能力大小”，并創(chuàng)建了包含綜合協(xié)調(diào)度、可持續(xù)性和可持續(xù)發(fā)展度3個指數(shù)的評價體系和概念模型[35]：

P=f(x1,x2,x3,…，xn)

(1)

式中，P為海岸帶環(huán)境承載力;x為回歸后的評價指標;n為回歸后的評價指標個數(shù)，其中每一項指標基本都可以量化，且較易于獲取，促進海岸帶可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)評價研究向定量化的發(fā)展。張婧等[36]基于生態(tài)系統(tǒng)安全的角度構建了包含40個指標的海岸帶評價指標體系，并分別采用綜合指數(shù)法和模糊評價法對膠州灣海岸帶10 a的生態(tài)安全狀況進行了定量評價分析。郭晶等[37]以環(huán)境承載力綜合指數(shù)為依據(jù)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡對1995-2012年我國沿海地區(qū)環(huán)境承載力進行了評價和預測。

然而，由于目前將“海岸帶”表述為“由海岸線向陸海兩側(cè)擴展一定寬度的帶形區(qū)域，是海洋與陸地相互交接、相互作用的地帶”，只是籠統(tǒng)的界定了大致邊界，缺乏確切的范圍劃定，不同“海岸帶承載力”研究間既在尺度上存在著很大的差異，可從小型濱海城鎮(zhèn)到沿海城市，以至于拓展至整個大陸海岸[35-38]。此外，劉康等還指出由于“海岸帶承載力”是涉及到多方面的綜合概念，存在海岸帶資源和環(huán)境的復雜性以及地域差異性，不同主體對“海岸帶承載力”的評估研究往往帶有主觀性[39]。同海洋生態(tài)環(huán)境承載力相似，海岸帶承載力研究也還未形成一個被廣泛認可的方法體系，仍然需經(jīng)過更多的實證分析才能不斷完善。

3 海水養(yǎng)殖承載力

海水養(yǎng)殖承載力(Marine Aquaculture Carrying Capacity)主要指養(yǎng)殖海域取得最大產(chǎn)量的同時，對生長速率不產(chǎn)生負面影響的最大放養(yǎng)密度，相關研究大多針對淺海貝類、海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖等進行，而且國內(nèi)在引用時很少用“養(yǎng)殖承載力”的表述，基本都將其譯為“養(yǎng)殖容量”。養(yǎng)殖容量的研究始于20世紀70年代末，日本學者率先發(fā)現(xiàn)貝類養(yǎng)殖量的大小與病害率和死亡率直接有關，Inglis將養(yǎng)殖的容納量分為物理容量(physical carrying capacity)、養(yǎng)殖容量(production carrying capacity)、生態(tài)容量(ecological carrying capacity)和社會容量(social carrying capacity)[40]，見表2。

表2 Inglis關于養(yǎng)殖容量的分類Table 2 The classification of aquaculture carrying capacity proposed by Inglis

我國海水養(yǎng)殖容量研究起步較晚，方建光等在國內(nèi)率先以Chl-a為有機碳供應指標建立了養(yǎng)殖容量計算公式，對山東桑溝灣櫛孔扇貝的養(yǎng)殖容量進行估算，其技術方法由于簡單易用的特點得到了廣泛的應用[41]。黃小平等以水體富營養(yǎng)化的限制因子N和P 的最高限制值作為控制值，利用數(shù)學模型(二維淺水潮波方程)模擬公灣海域環(huán)境對其網(wǎng)箱養(yǎng)殖容量的限制情況，推測公灣海域環(huán)境所能承受的網(wǎng)箱養(yǎng)殖容量規(guī)模約為6 500 個網(wǎng)箱[42]。董雙林等將養(yǎng)殖系統(tǒng)分為自然營養(yǎng)型和人工營養(yǎng)型兩類，認為對自然營養(yǎng)型可以從初級生產(chǎn)力和營養(yǎng)需求入手研究養(yǎng)殖容量[43]。事實上，養(yǎng)殖容量是諸多生態(tài)環(huán)境因子與養(yǎng)殖生物相互作用后達到的動態(tài)平衡，受營養(yǎng)水平、氣候、水化學、水文、物理和生物等諸多因素影響。另外，養(yǎng)殖生物通過攝食控制浮游植物現(xiàn)存量的同時，還會促進浮游植物的生產(chǎn)力，正確確定估算養(yǎng)殖容量的關鍵因子，是正確估算養(yǎng)殖容量的關鍵。朱明遠等、張學雷等根據(jù)養(yǎng)殖海區(qū)的供餌力和養(yǎng)殖扇貝的生長估計建立了貝藻混養(yǎng)生態(tài)模型，同時引入了人的活動對養(yǎng)殖對象的效應因素，為進一步引入社會經(jīng)濟模塊，進行中長期效應的綜合養(yǎng)殖容量研究奠定了基礎[44-45]。尹暉等通過歷史資料收集、現(xiàn)場調(diào)查、現(xiàn)場模擬實驗、室內(nèi)模擬實驗等綜合性方法研究了濾食性海水灘涂貝類養(yǎng)殖容量研究中涉及的主要過程，以浮游植物、浮游動物、養(yǎng)殖貝類、有機碎屑四個狀態(tài)變量構建了乳山灣灘涂貝類養(yǎng)殖容量評估模型，并對乳山灣灘涂貝類養(yǎng)殖現(xiàn)狀進行評估分析[46]。

近年來，隨著生態(tài)動力學和計算技術的發(fā)展，通過將物理、生物過程定量化，運用生態(tài)系統(tǒng)動力學模型進行養(yǎng)殖容納量的研究成為了新的趨勢。目前，國外學者廣泛應用的模型方法主要有DEPOMOD(圖2)和ECOPATH兩種，前者根據(jù)顆粒物沉降軌跡依賴于水動力學的特性建立，主要用于預測魚類、貝類的養(yǎng)殖水平對底棲生物群落結構的影響程度；后者是基于能量平衡(biomass-balance)原理直接構造生態(tài)結構，用線性齊次方程描述能量流動以及確定生態(tài)參數(shù)，在諸多水生生態(tài)系統(tǒng)研究中都得以廣泛應用[47-49]。這兩種生態(tài)動力學模型在估算養(yǎng)殖容量方面有著巨大的貢獻，但依然存在技術缺陷，都是從部分生態(tài)要素出發(fā)，不足以全面反映生態(tài)系統(tǒng)的復雜性，需要對整個生態(tài)系統(tǒng)的機能進行深入的研究，才能使容納量的評估模型更為完善[50]。近年來，Byron等人在綜合養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎上，結合社會管理學理論，提出以海灣養(yǎng)殖資源量為主，兼顧環(huán)境、社會、經(jīng)濟總量的綜合承載力，并以Narragansett海灣的牡蠣養(yǎng)殖承載力為例進行了相應的評估研究[51]。

圖2 DEPOMOD模型簡要示意圖Fig.2 A brief schematic map of DEPOMOD model

4 分析與展望

時至今日，海洋環(huán)境承載力和海岸帶承載力的研究大多在通過借鑒陸地區(qū)域承載力的空間狀態(tài)模型基礎上，結合近岸地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的特點，構建相應的評價指標體系，并以此來量化和評判研究海灣或海岸帶地區(qū)的承載力狀況。而海水養(yǎng)殖承載力起初屬于資源承載力的范疇，隨著承載力概念的整體發(fā)展，涵義越來越廣泛，逐漸演變成了以生物資源為主的，可持續(xù)承載生物資源的生態(tài)容量、環(huán)境質(zhì)量和社會、經(jīng)濟總量的綜合生態(tài)承載力的研究[52]。綜上可見，海域承載力的研究目前都已上升至綜合生態(tài)承載力的層面，已成為了協(xié)調(diào)和決策區(qū)域海洋產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的理論基礎。

海域承載力的研究視角多為“自然-社會-經(jīng)濟”復合巨系統(tǒng)，具體研究對象既涉及生物、水質(zhì)、氣候等自然生態(tài)因子，又涵蓋生產(chǎn)、消費、服務等海洋經(jīng)濟生態(tài)過程，還包括設施、文化等濱海生態(tài)格局，再加之時空的變動性、體系的多層性以及評價的主觀性決定了海域承載力研究的復雜性。目前，海域承載力的研究在獲得越來越多認可的同時，其研究體系和內(nèi)容卻面臨諸多困難和挑戰(zhàn)。一方面，盡管海域承載力研究已明確了方向，但許多問題只能從理論上探討，尤其是復合巨系統(tǒng)中許多機制的模糊性使得當前海域承載力的內(nèi)涵更像一個發(fā)展的框架，需要繼續(xù)補充和完善。另一方面，現(xiàn)今的研究方法還停留在單資源承載力或因子效應簡單復合層面，且大多數(shù)方法僅針對結果和現(xiàn)象，缺乏對研究過程的深入探討，已落后于海域承載力的任務需求。因此，進一步開拓生態(tài)系統(tǒng)的認知進程，提升分析和模擬研究的精度，開創(chuàng)更有效的、過程化的研究方法，成為了當前海域承載力研究最重大的挑戰(zhàn)，直接影響到海域承載力的生命力和未來的發(fā)展。

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