基于能值的山东省海洋生态足迹研究

狄乾斌， 张海红，曹可

（1.辽宁师范大学 海洋经济与可持续发展研究中心，辽宁 大连 116029；2.国家海洋环境监测中心，辽宁 大连 116026）

在可持续发展研究中，海洋经济可持续发展的定量分析（韩增林等，2003；狄乾斌等，2009；邵桂兰 等，2011；李夫星等，2013；方欣 等，2013） 成为不少学者的研究方向。生态足迹模型的提出（Rees，1992），为定量研究海洋经济的可持续发展提供了新的理论和方法。

不少学者运用传统的生态足迹模型（徐中民等，2003；魏明等，2006；杨天姿 等，2009） 或者修正的生态足迹模型（隋春花等，2006；杨海波等，2009；杨海真等，2010） 定量测度了不同层次区域的可持续发展状况。20 世纪90年代初引入能值模型（蓝盛芳等，2001，2002），国内学者（王建源等，2007；赵志强等，2008，2009；刘淼等，2008） 将传统生态足迹模型与能值理论相结合，运用改进的能值-生态足迹模型（Emergybased Ecological Footprint，EEF），研究了不同地区的能值-生态承载力和能值-生态足迹。在能值-生态承载力（Emergy-based carrying capacity， ECC）的计算上，大多采用全球平均能值密度（张芳怡等，2006；隋春锋等，2008），而能值-生态足迹则采用区域能值密度，但也有不少学者从不同角度改进了能值足迹法：金丹等（2010） 以地球生物圈循环中3 种主要能源在特定区域中的能值总量计算出区域能值密度，以同一能值密度计算区域能值生态承载力和生态足迹；赵志强等（2008） 将输入系统的可更新资源定义为潜在生态承载力，将研究区产品产出、进出口以及劳务均纳入生态承载力范围；刘淼等（2008） 将研究区内所有人类可利用的可再生资源的能值作为生态承载力总能值，该能值与研究区域面积之比作为区域能值密度，并运用此能值密度计算生态承载力。这些研究从不同角度对区域经济进行分析，为区域可持续发展提供决策依据。国内学者（杨山 等2011；赵美霞等，2011）分别将生态足迹模型运用到海洋可持续研究中，然而运用能值-生态足迹法在区域海洋经济方面的研究还不多见。能值-生态足迹模型的提出，克服了生态足迹法偏生态性的特点（顾康康等，2009），从生态环境、社会发展和经济发展角度进行评价，更能真实的反映区域的可持续发展状况。本文基于能值理论与生态足迹模型在可持续发展评价上的可行性，将能值-生态足迹模型运用到海洋生态系统中，构建了海洋能值-生态足迹创新模型，并以山东海洋生态系统为例，定量分析了特定区域海洋经济的可持续发展。

1 研究区域

山东省海域面积1.595×105km2，分布于渤海和黄海，以蓬莱角为界，向西属于渤海海域，向东属于黄海海域。海岸线全长3 345 km，北起鲁冀交界处的漳卫新河河口（381 543.77 N），南至鲁苏交界处的绣针河河口（350 445 N）。山东沿海属暖温带季风气候，冬季盛行偏北风，夏季盛行偏南风，海域年均风速为7.1～7.5 m/s，年均降水量在580 916 mm之间，日照时数23 002 900 hr。沿海潮汐主要为不正规半日潮和正规半日潮，海上风能、潮汐能、波浪能等可开发海洋能源资源储量丰富。

山东省是我国海洋经济大省，其海洋生产总值一直居全国前列。2010年实现海洋生产总值7074.5 亿元，占全国比例为17.9 %，三次海洋产业比重分别为6.3%、50.2%和43.5%。海洋渔业产量631 万t（远洋捕捞1.5×105t），海盐产量2.273×107t，均居全国第一。海洋渔业、海洋化工业、海洋生物医药业、海洋电力业、滨海旅游业和海洋交通运输业分别比上年增长16.4%、36.0%、68.9%、35.6 %、22.7 %和8.0 %。海洋资源储藏量丰富，海洋经济持续增长。

2 数据来源与处理

2.1 数据来源与处理

本文中可更新资源基础数据来源于《山东省海洋功能区划（2011-2020）》，海洋资源消费项目数据来源于《中国海洋统计年鉴2001-2011》、《中国海洋年鉴2011》、 《山东统计年鉴2011》 和《2010年山东省国民经济和社会发展统计公报》。数据计算与制图分别采用EXCEL 和WORD 完成。

2.2 海洋能值-生态足迹模型

2.2.1 海洋能值-生态足迹的概念

Folke 等（1991；1998） 将海洋生态足迹定义为人类为满足自身需要的海产品以及服务所占用的海洋生态系统的表面积。Warren-Rhodes 等（2003） 给出了海洋生态足迹的数值表达式：MEF=SC/AS，SC 表示生产一定消耗量所需要的海洋面积，AS 表示某区域的实际海洋面积，以MEF 值的大小来判断研究区域海洋生态的赤字或者盈余。国内学者陈成忠等（2008） 提出海洋足迹和海洋生物承载力两个概念：海洋足迹是指人类单位水域海洋生物资源的捕捞量，海洋生物承载力是指海洋单位水域供给人类生物资源的能力，并运用非线性科学理论模拟了最大可持续海洋足迹。

依据上述海洋生态足迹的定义，结合由H.T.Odum 创立的能值理论，基于生态系统中的能量直接或间接源于太阳能，通过太阳能值转换率将生态系统或生态经济系统中不同类型、不能直接比较的能量换算成可进行比较的能值标准——太阳能值。本文将海洋能值-生态足迹定义为：人类为满足自身需要的海产品以及服务所消耗的海洋生态系统的能量所占用的（通过能值转换率和海域能值密度换算） 的海域表面积。海洋能值-生态承载力是海洋生态系统中可更新资源的能值。

表1 2000-2010年山东海域自然资源原始数据

海洋水体的流动性、海洋环境的复杂性以及海洋开发的立体性导致海洋经济的研究比陆域经济的研究要复杂很多。本文将能值-生态足迹模型应用到海洋经济的研究中，主要基于以下几点考虑：（1） 每个沿海地区都具有不同的区域特性，其海洋自然资源、海陆经济发展水平和社会条件各不相同。从区域经济的科学研究方面，可以将具有不同发展条件的海洋区域划分为一个个相对独立的经济研究单位。（2） 基于海域自然能源资源由特定海域区位、气候等条件决定，海域矿产资源是由海域生物地化循环长期累积的结果，因此短期内均不会发生较大变化。海洋生物资源以及海域生产力在短时间内容易受自然灾害以及人为灾害等的影响，但是基于海洋生态系统强大的自我调节功能，在一定的时间周期内，也不会发生较大变化。（3） 以研究地区所辖海域范围海洋资源的产量和海洋能源的利用量作为生态足迹指标，范围之外的资源消耗则为外界输入能值。图1 是特定海域海洋生态系统的自然资源的能值流量图。

2.2.2 海洋生态系统自然资源的能值计算

海洋生态系统中可更新自然资源包括太阳辐射能、风能、雨水化学能、潮汐能、潮流能、波浪能、温差能、盐差能和地球旋转能，其总能值用Er 表示。不可更新能源资源包括海洋石油、海洋天然气，其总能值用En 表示。某自然资源的太阳能值（sej）=其有效能（J）×太阳能值转换率（sejJ）。

图1 特定海域海洋自然资源能值流量图

2.2.3 海域能值密度的计算

因太阳辐射能、海洋风能、雨水化学能、波浪能、温差能和盐差能均是由太阳辐射作用产生的，潮汐能和潮流能是由太阳和月球对地球的万有引力引起的，计算海域能值密度时只取其中最大值，则海域能值密度计算公式为：

式中：D 表示海域能值密度；Er[maxA,maxB，C]表示太阳辐射能、海洋风能、雨水化学能、波浪能、温差能、盐差能中的能值最大值与潮汐能和潮流能的能值最大值以及地球旋转能之和；S 表示研究区海域面积。

2.2.4 海域能值/货币比率（sej/$） 的计算

因人类消耗的自然环境资源可用能值来衡量，经济系统中循环流通的货币的实际购买力可以通过单位货币所能购买的能值量（能值/货币比率） 来衡量。因此，可以通过能值/货币比率将以货币形式表示的资源环境消费项目转换为能值，进而计算其能值-生态足迹。根据蓝盛芳（2002），由国家的能值/货币比率推出海域能值/货币比率的计算公式：

式（2） 中：该国全年能值投入总量包括可更新资源、不可更新资源及进口商品、资源的能值。式（3） 中，表示研究区海域可更新自然资源能值投入总量；表示不可更新自然资源的能值投入总量；表示输入的外界资源能值。海域能值/货币比率则表示某海域单位海洋生产总值所对应的能值量。

2.2.5 海洋能值-生态承载力的计算

海洋能值-生态承载力（Marine Emergy Ecological Capacity） 的计算公式为：

式中：MEEC 表示海洋能值-生态承载力；Er 表示可利用的海洋生态系统可更新自然资源的能值；D表示海域能值密度。

2.2.6 海洋能值-生态足迹的计算

海洋能值-生态足迹（Marine Emergy Ecological Footprint） 的计算公式为：

式中，MEEC 表示海洋能值-生态足迹；Ec 表示消耗的海洋资源的总能值，海洋生态足迹消费项目包括海洋渔业（海洋捕捞和海水养殖）、海盐、海洋原油、海洋天然气、海洋化工、海洋生物医药、海洋电力、海水综合利用、海洋工程建筑以及排放到海洋中的废水、废固。由于海洋化工是包括海盐化工、海水化工、海洋石油化工等的生产活动，因此，为了避免重复计算，只取海洋资源的原始产量数据；海洋生物医药是由海水产品制成的，计算生态足迹时只取海洋捕捞和海水养殖产量；D 表示海域能值密度。

3 山东海洋生态系统能值-生态足迹分析

由于山东海域海洋自然资源的产出不只是供应山东省本地的资源消费，还包括国内以及国外一部分地区，但是外界消耗的山东海洋资源量没有比较具体的统计数据，因此，本文通过计算海域总能值-生态承载力和总能值-生态足迹来进行海洋生态系统评价。

表2 是山东海域可更新资源能值。基于9.26×1024sej/yr 的全球能值基准（Campbell et al，2004；Campbell，2000），根据公式（4） 计算得出山东海洋生态系统总能值-生态承载力为1.60 × 107hm2。根据公式（1） 计算得出山东海洋生态系统能值密度为1.24 ×1017sej/hm2。海域能值-生态承载力的计算只考虑了海洋生态系统中5 种可更新能源资源的总能值，海流能、波浪能、温差能以及盐差能等海洋能数据缺失，因此海洋能值-生态承载力计算结果偏小。

表2 2010年山东省海洋生态系统可更新资源能值

表3 是山东海洋生态系统能值-生态足迹。由公式（5） 得出2010年总的能值-生态足迹为1.74×106hm2。海洋生态足迹的指标选取以海洋消费活动对海洋生态系统会造成一定的生态影响为主。计算海域能值/货币比率时采用的不可更新资源项目为海洋原油、海洋天然气和海洋矿业，远洋捕捞水产品（1.64×1021sej） 计入外界输入的能值，则山东海洋生态系统能值/货币比率为1.93×1013sej/$。

表3 2010年山东海洋能值-生态足迹账户

图2 是2000-2010年山东省海洋自然资源能值-生态足迹，包括海洋捕捞、海水养殖、海洋原油、海洋天然气和海盐。2000-2010年间，海水养殖生态足迹持续上升，而海洋捕捞生态足迹呈下降趋势。海盐足迹在这11年间上升幅度最大，海洋能源资源的生态足迹没有太大变化。

图2 2000-2010年山东省海洋自然资源能值-生态足迹

4 结论与讨论

（1） 山东省海洋生态系统处于生态盈余状态

由海洋能值-生态足迹模型得出，目前山东海域总能值-生态承载力（1.60×107hm2） 大于总能值-生态足迹（1.74×106hm2），处于生态盈余状态。究其原因如下：1） 山东海域独特的区位条件以及自然环境赋予其丰富的可更新能源资源，可利用的海洋生态系统能值比较大，具有较强的能值-生态承载力（山东海域能值密度为1.24 × 1017sej/hm2，O dum 等（1996） 计算的全球平均能值密度为3.104×1014sej/hm2，高出400 倍）；2） 区域海洋生态系统能量流中自然资源的能值储量远远小于可更新能源资源的能值储量，尽管山东省海洋渔业产量一直居高，但是由2010年海洋电力（风力发电、潮汐发电） 太阳能值7.43×1021sej 仅占潮汐能值的3.95%可以看出，海洋可更新能源资源利用率非常低，且从图2 中可以看出，2001-2010年间，海洋原油、海洋天然气的能值-生态足迹占自然资源能值-生态足迹的比例和增长幅度均非常小。因此，海洋能值-生态足迹远小于能值-生态承载力，海洋生态系统处于生态盈余状态。

（2） 山东省海洋能值-生态足迹中第二产业大于第一产业

表3 显示，2010年山东省海洋工程建筑业能值-生态足迹（8.51×105hm2） 占总能值-生态足迹的49.02%，大于海洋自然资源的能值-生态足迹。由于近年来海洋交通运输业、海洋旅游业、海洋科研教育服务业等海洋第三产业发展迅速，而海洋工程建筑正是这些海洋产业发展所需的基础设施，海洋经济快速增长的同时，必定有海洋工程建筑业的不断增长。海洋工程建筑业不断增长的同时，其占用的海洋系统空间面积也随之增大，被占用海区以及其邻近海区的生态系统平衡会遭到破坏，导致海洋自然资源产量下降，甚至一些海洋生物物种濒临灭绝。因此，海洋工程建筑带来的是多方面的生态环境损害。

由图2 可知，2000-2010年间，海洋原油、海洋天然气的能值-生态足迹均有小幅上升，海盐的能值-生态足迹增长幅度最大。根据《中国海洋统计年鉴2001-2011》，2005年之前山东省海盐产量占全国海盐产量比重不到50 %，2005-2010年，由56.9%增长到了69.2%。山东省海盐产业满足全国大部分地区海盐需求，能值-生态足迹较大。表3中可以看出，排放到海水中的工业废水（直排入海） 的能值-生态足迹为3 260 hm2。所以，工业废水在一定程度上给海洋生态系统造成了危害，消耗了海洋生态系统中的部分能量。总体而言，海洋第二产业能值消耗量大于第一产业，能值-生态足迹较大。

（3） 山东省海洋水产业能值-生态足迹总体上有小幅上升，内部产业结构变化较大

图2 显示，2000-2010年间，海洋捕捞能值-生态足迹下降了15.4%，海水养殖能值-生态足迹增加了29.9%，且从2001年起，海水养殖业超越海洋捕捞业成为山东省海洋渔业的支柱产业。究其原因如下：1） 由于人类海洋消费活动增加导致海洋过度捕捞、海水污染等，海洋生物链遭到破坏，生物物种数量减少，海洋渔业资源日趋衰退，海洋捕捞量也会随之减少。据山东省海洋与渔业厅统计资料显示，山东省近海47 个主要捕捞品种，已有27 种过度利用，6 种严重衰退。2） 山东省致力于发展现代海水养殖技术，从1950年山东省海水养殖研究所的成立至2009年12月现代海水养殖产业技术创新战略联盟成立，从基础理论到应用技术研究，海水养殖技术水平的进步以及产业规模不断扩大，海水养殖产量逐年增加，使得海洋水产品产量保持稳定。

（4） 本研究将能值-生态足迹模型运用到海洋生态系统中，以期能够为海洋经济可持续发展研究提供有效的理论方法。但是，海洋生态系统本身的复杂性、海洋统计数据的缺失以及数据本身的误差是研究海洋生态足迹的障碍，因此，以能值-生态足迹模型来评价区域海洋经济可持续发展状况仍需要进一步的完善。但是总体而言，海洋能值-生态足迹模型在不断完善的基础上将会是一种较可靠的可持续发展评价工具，能够为特定区域、国家以及全球海洋经济可持续发展方向提供科学合理的依据。

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