基于投影寻踪模型的我国近海海域承载力评价

于 谨 凯， 刘 星 华， 纪 瑞 雪

（中国海洋大学 经济学院，山东 青岛266100）

一、引 言

近海与海岸地区是我国从事海洋资源开发、促进海洋经济发展的重要空间载体。然而，随着社会经济活动的趋海化发展，近海海域正面临着巨大的生态环境压力。国家海洋局监测结果显示，我国管辖海域海水环境状况总体较好，但部分近岸海域污染依然严重，未达到第一类海水水质和呈富营养化状态海域面积分别为14.4万平方公里和6.5万平方公里，海水水质为劣四类的近岸海域面积约4.4万平方公里［1］。海洋资源作为一种重要的环境资源，容易产生较强的外部性［2］，对沿海地区经济发展造成一定程度的不良影响。我国“十二五”规划明确提出，将推进近海海域污染防治规划，面对日益严重的近海海域污染问题，科学评估近海海域承载力水平，对于高效利用近海海洋资源、优化近海产业布局、建设海洋生态文明、实现海洋经济可持续发展具有重要的理论价值和现实意义。

目前，学术界对于海域承载力问题已经开展了相关研究，国外很少采用海域承载力这一概念，与此相关的研究多包含在海洋渔业承载力的研究之中，Jiang等运用稳定线性食物网络模型预测了双壳类生物的产量承载力和生态承载力［3］，Byron等应用质量均衡模型计算了美国纳拉干塞特湾贝类生态承载力水平［4］。国内海域承载力评价研究更为普遍，曹可等建立海域承载力评价指标体系，运用模糊数学法评价了辽宁省海域承载力［5］，任光超等运用主成分分析法评价我国海洋资源承载能力并得出近几年的变化趋势［6］，狄乾斌等利用生物免疫学原理，测度了2000～2009年辽宁省海域生态承载力状况［7］。投影寻踪技术是国际统计界于20世纪70年代中期发展起来的、用于处理和分析高维观测数据，尤其是非正态、非线性高维数据的一种新兴统计方法，被广泛应用于环境和资源质量评价。姜秋香等基于粒子群优化投影寻踪模型评价了区域土地资源承载力［8］，巩奕成等运用投影寻踪和模糊物元组合模型对北京市地下水水质进行评价［9］，闫绪娴运用投影寻踪聚类方法对中西部地区自然灾害社会易损性进行了综合评价［10］。在评价指标体系构建方面，欧洲环境局（EEA）在压力－状态－反应（PSR）模型的基础上新增驱动力和影响两个维度，提出了DPSIR概念模型。它将表征一个自然系统的评价指标分成驱动力（driving force）、压力（pressure）、状态（state）、影响（impact）和响应（response）五种类型，每种类型又下设若干子指标［11］。

由此可见，目前国外对海洋渔业资源承载力开展了一些相关研究，而直接对近海海域承载力的研究并不多见。国内虽然开展了相关研究，但局限于主成分分析法等传统评价方法，评价限于局部海域。投影寻踪模型因其评价过程无需主观赋权，评价结果相对客观，近年来在环境质量评价领域已得到广泛应用，并取得了较好的评价效果。DPSIR概念模型继承了PSR模型的优点，是分析评估环境系统的有效工具，在环境系统评价指标体系构建方面应用广泛。基于此，本文依据DPSIR和投影寻踪模型构建近海海域承载力评价模型，并进行实证研究，这对调节人类经济社会活动，协调经济、社会与环境三者的关系，最终实现沿海地区经济社会可持续发展具有重要的现实意义。

二、评价指标体系构建

本文依据DPSIR模型构建近海海域承载力评价指标体系。该体系包括三个层次，第一层是我国近海海域承载力综合评价值，这是构建该指标体系的总体目标。第二层是因素层，包括驱动力、压力、状态、影响和响应五大因素。其中，驱动力是近海海域承载力评价的最原始、最关键的因素，本文把驱动力定义为推动近海海域承载力变化发展的因素。压力指标是指通过驱动力作用之后，直接施加在近海海域承载力之上的促使海域承载力发展变化的压力。状态指标指近海海域承载力在外部压力的作用下所处的形态，用来描述近海海域承载力的物理特征。影响指标即驱动力、压力所引起的近海海域承载力的变化。响应指标是指为提高近海海域承载能力而采取的措施。第三层是指标层，其目的是通过细化指标将上述五大因素层的影响具体化。狄乾斌等根据海域承载力特点，按压力类、承压类和区域交流类划分指标层［12］，韩立民等从压力指标、承压指标和状态指标三方面构建海域环境承载力评价指标体系［13］。在借鉴上述成果基础上，综合考虑指标选取的科学性、可操作性、层次性和动态性原则，本文设计了如表1所示的近海海域承载力评价指标体系。

表1 近海海域承载力评价指标体系

三、投影寻踪模型构建

评价生态环境海域承载能力常用的数学方法有指数评价法、承载率评价法、系统动力学法、多目标模型最优法和模糊评价法等。考虑到海域综合承载力数据的多维性、内部相互作用的复杂性以及指标数据搜集的难易程度，本文采用投影寻踪法对海域综合承载力进行量化计算。投影寻踪（projection pursuit，简称PP）是一种处理多因素复杂问题的统计方法，其基本思想是将高维数据投影到低维子空间上，然后通过优化投影指标函数，求出能反映原高维数据结构或特征的投影向量，从而在低维空间上对数据结构进行分析，以达到研究和分析高维数据的目的。在参考借鉴相关研究的基础上，本文将近海海域承载力评价投影寻踪模型的建立分为如下几个主要步骤。

1.构建近海海域承载力投影指标函数

投影寻踪方法实质上就是寻找最能体现近海海域承载力评价指标体系指标层数据特征的最优投影方向并把多维数据拟合成以最优投影方向为参考系的一维投影特征值，则样本在一维线性空间下的投影特征值即近海海域承载力综合值（z）i可表示为：

其中，xij为第i个样本的第j个指标，αj为m维单位投影方向向量。在拟合投影指标值时，要求近海海域承载力投影值（z） i的散布特征为局部投影点尽可能密集，最好能凝聚成若干个点团，而在整体上投影点团之间则尽可能散开，用函数表示为：

其中，Sz为投影值（z）i的标准差；Dz为投影值z （i）的局部密度，Sz和Dz的计算方法分别如公式（3）、（4）所示：

2.优化近海海域承载力投影指标函数

当近海海域承载力评价指标的样本值给定时，投影指标函数Qα只随投影方向的变化而变化。不同的投影方向反映不同的数据结构特征，最佳投影方向就是最大可能暴露高维数据某类特征结构的投影方向。因此，可通过求解近海海域承载力投影指标函数最大化问题来估计最佳投影方向，即：

3.近海海域承载力综合评价

将步骤2得到的近海海域承载力最佳投影向量a＊代入（1）式中，得到反映各评价指标综合信息的投影特征值，即近海海域承载力综合评价指数z＊pp，根据投影值的大小对样本进行综合评价分析。投影寻踪评价方法避免了主观赋权等人为因素的干扰，最终达到在低维空间上分析高维数据的目的，相比其他评价方法而言更具科学性和实用性。

四、实证分析

1.原始数据资料

2003年5月，国家实施《全国海洋经济发展规划纲要》，并把2005～2010年规划为实现海洋生态环境与资源保护目标的重要阶段。作为海域利用的重点区域和前沿阵地，近海海域在我国海洋事业发展中占据突出地位，具有利用频度高、开发强度大、工程项目聚集、环境负荷重等突出特征。随着社会经济活动的趋海化发展及离岸海洋开发工程建设的不断增加，近海海域正面临着巨大的生态环境压力，涉海行业和沿海产业的粗放式生产和陆源排污成为造成我国海洋承载能力下降和生态环境恶化的直接原因。在前文构建评价指标体系和评价模型的基础上，本文以我国近海海域为研究对象，考查2005～2011年我国近海海域承载力变化趋势。其中，全部指标数据均来源于《中国海洋统计年鉴》（2006～2012年）及《中国海洋环境状况公报》（2005～2011年）。2005～2011年我国近海海域承载力评价指标体系指标层原始数值如表2所示。

表2 2005～2011年全国近海海域承载力评价指标体系指标层原始数值

2.分指标测算结果分析

结合现有指标数据，根据投影寻踪模型原理，运用数据处理系统软件DPS分别对我国近海海域的驱动力指标、压力指标、状态指标和影响力指标加以计算，结果如图1所示。图1清楚地反映了我国近海海域2005～2011年7年间各指标的变化情况。需要指出的是，因投影寻踪模型要求每个指标层的子指标至少为2个，但鉴于我国海洋数据统计资料有待完善，响应指标层下仅设置了“海洋科研教育管理服务业增加值”1个子指标，故无法进行响应指标值的投影寻踪方法计量。在此，运用投影寻踪法分别计算我国近海海域的驱动力指标值、压力指标值、状态指标值及影响指标值并运用Origin8软件作出其折线图及趋势图如图2所示。

图1 我国近海海域驱动力、压力、状态及影响指标测算结果

（1）驱动力指标。由图1中的驱动力指标值变化可以看出，2005～2011年，我国近海海域的驱动力指标在波动中下降，除2010年相较2009年有所提高外，其余年份均呈现出下降趋势。驱动力指标主要用以反映近海社会经济发展对海域承载力的驱动作用，因此，包括海洋产业产值、人口数量、增长率等在内的社会经济指标被纳入其中。总体来看，社会经济发展对近海承载力的驱动作用表现为两方面：第一，近海海洋产业的迅速发展产生了更多的社会财富，这些财富部分可用于海洋生态环境保护，此为正向驱动作用；第二，沿海地区人口过度集中、高资源能源消耗型海洋产业的发展反而不利于海洋承载力水平的提升，此即负向驱动作用。驱动力指标值的变化深刻反映了这两种驱动作用的综合作用结果。可以看出，2007年以前的驱动力指标值为正，表明正向驱动作用为主，而2007年以来的驱动结果多以负向作用为主（图中虚线所示），说明我国近海海域已处于人口、经济发展的超饱和状态，生态环境压力较大，不利于承载力水平的提升。

（2）压力指标。与驱动力指标值的下降趋势相反，近海海域的压力指标值在除2008、2009年以外的其他年份均不断增加，总体上扬趋势明显。作为衡量海域利用活动对海域本身产生压力大小的指标，压力指标值的逐步扩大反映出2005～2011年近海海域开发利用活动对海域承载力产生了显著的负向影响。从子指标的选取来看，无论是海洋运输总量、海洋石油开发规模等海洋产业类指标还是入海河流排海污染物总量及疏浚物海洋倾倒量等指标，其值的增大均不利于海域承载力的提高。考虑到我国海洋污染物排放统计数据与真实排放量之间存在的巨大差异，可以认为，近海海域的实际压力指标值远大于以上测算结果，并成为降低海域承载力的最直接作用力量。

（3）状态指标。与驱动力指标、压力指标等动态化、流量型指标不同，状态指标倾向于静态化反映近海承载力的变动情况。图1显示，我国近海海域状态指标值下降趋势明显。在状态指标测算的子指标选取中，为避免与驱动力子指标发生多重共线性而影响测算结果，本文只选取了赤潮发生次数、赤潮累积发生面积两个海域环境状态指标，而未额外选取海洋产业发展状态指标。从表1中赤潮发生次数C10、赤潮累积发生面积C11的原始数值可以看出，我国近海海域的赤潮发生次数及面积下降趋势显著，这在很大程度上导致了状态指标值的下降态势，似乎印证了近海海域环境承载力水平的提升。显然，仅考虑海域环境状态的状态指标值计算结果无法全面反映海域承载力变动的全局效应，具体的海域承载力状态变化需要综合考虑。

（4）影响指标。从图1可以看出，我国近海海域影响指标值的变动趋势较为复杂，2005～2007年以及2009～2011年间呈现出两次巨幅波动，而在2007～2009年的3年间表现平稳。鉴于本文只搜集到了2005～2011年7年间的数据资料，我们无法对影响指标值变动进行长时期的系统观察，只能猜想是否近海海域影响指标值的变动存在一个以2年～3年为周期的波动，且该波动呈现出震荡与平稳交替产生的宏观趋势。当然，影响指标的评价是一个复杂的过程，而本文仅以水质指标作为其子指标，这样的评价方式能在多大程度上展现真实的影响变动，有待深入研究。

3.海域承载力综合评价结果分析

海域承载力是众多影响因素共同作用的结果，单一指标分析可以为海域承载力的变动研究提供信息，但海域承载力的综合评价才是本文希望得到的最终结果。运用DPS软件进行投影寻踪模型的计算，将得到的最佳投影方向代入式（1）中，计算综合投影值，得到2005～2011年我国近海海域承载力值向量：

将上述各年的承载力值绘成如图2所示的折线图，并运用Origin 8软件做出其趋势线，即图中虚线。 由图2可知，2005～2010年，虽然国家陆续在相关海域开展海域污染治理，但我国近海海域承载力水平总体仍不断下降，并于2010～2011年达到最小值。2007～2008年，我国近海海域承载力水平呈现出短期的上升趋势。同样，2010年后期，我国近海海域承载力有所恢复，但仍明显低于2005年海域承载力水平。总体来看，我国近海海域承载力状况不容乐观，统计区间内我国近海海域承载力下降幅度达到76.39%，虽然个别年份有所反弹，但不足以证明承载力状况已趋于好转。海洋经济正在逐步成为我国国民经济新的增长点，随着国家对海洋经济重视程度的提高，各沿海省市也已经纷纷制定各自的海洋开发战略，这标志着我国海洋经济发展高投资、高增长时期的到来。大量的石化、钢铁等基建项目的开展，对我国近海海域承载力提出了进一步的严峻考验。如果重增长、轻保护的海洋经济增长方式不加以改变，高污染高能耗的海洋产业结构不加以调整，海洋环境治理和保护力度不进一步加大，未来我国近海海域承载力仍有进一步恶化的可能。

图2 我国近海海域承载力综合评价结果

五、结 论

本文基于DPSIR方法构建近海海域承载力评价指标体系，并通过建立投影寻踪模型对我国近海海域承载力进行系统评估和测算。结果显示，2005～2011年，我国近海海域承载力值由2.1126降至0.4987，呈现出明显的波动中下降的趋势，其中，驱动力指标值、状态指标值下降趋势明显，压力指标值上升趋势明显，而影响指标值则呈现出一定的周期性波动特征。限于研究水平和数据资料的可得性，指标体系中未能涉及海域承载力评价过程中应当具备的全部指标，这对部分指标值的计算结果产生了一定影响，但对海域承载力综合值的测算结果影响有限。此外，鉴于我国海洋统计数据的不完善性，本文研究的样本区间较短，所得出的结论存在一定的局限性，难以得出一般化的规律性结论，这些问题将在今后的研究中加以完善。

作为协调沿海地区社会经济发展与海域资源环境的重要指导指标，海域承载力评估对于揭示沿海地区的资源供给能力和环境承载潜力，从而指导相关主体高效利用近海资源意义重大。当前，我国的近海海域承载力整体状况下降，海洋生态文明建设的迫切性表现得尤为突出。根据评价结果，为使我国近海海域承载力不断恶化的趋势得到真正改观，应进一步转变海洋经济发展方式，调整优化海洋产业结构，改造升级传统海洋产业，鼓励发展海洋新兴产业，以减少海洋经济发展对海域承载力产生的压力，更好地发挥其对海域承载力的正向驱动作用。此外，海域承载力状态、影响指标评估结果是做好海域承载力状况预警工作的重要前提，这就要求实施近海海域承载力状况动态监测，对监测结果做出客观评价，并把评价结果及时反馈给相应参与主体，进而适时采取针对性措施，并不断调整监测计划和管理目标。最后，要不断提高海洋科学技术水平，加大海洋环境保护和污染治理力度，完善海域污染监管处罚制度，为防止我国近海海域承载力进一步恶化采取充足的响应措施。

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