环渤海地区海洋经济发展水平与海域承载力耦合分析

郑金花 ， 狄乾斌 ，b

（辽宁师范大学，a.城市与环境学院；b.海洋经济与可持续发展研究中心，辽宁 大连 116029）

耦合是指两个或两个以上系统相互作用关系，区域经济与生态环境两个系统之间存在一定耦合关系。“环境库兹涅茨曲线”（Environmental Kuznets Curve，EKC）理论体现环境质量与经济发展过程中此消彼长、相互促进[1]。基于此理论，许多学者对经济—生态环境承载力系统的耦合关系进行了研究：陈晓红研究城市化与生态环境耦合脆弱性和协调性作用机制，得出城市化与生态环境耦合的协调性与脆弱性是在自然条件与孕灾环境、人口素质与城市文明、产业升级与技术进步、制度创新与管理科学、系统自身恢复力等多种机制下共同作用发展的结论[2]。陈端吕、彭保发等对环洞庭湖区生态经济系统耦合特征进行分析，结果表明环洞庭湖区生态经济系统耦合水平由拮抗期过渡到磨合期，耦合作用不理想[3]。玛伊热姆古丽·依明对库尔勒市城市化进程与生态环境的藕合进行分析，研究表明两者之间耦合度呈一定线性上升趋势[4]。王志红对浙江省海洋产业集聚和环境资源系统耦合进行分析，结果显示浙江海洋产业集聚与环境资源系统的耦合程度趋向于转好，但是资源环境系统处于中度滞后状态，将会制约海洋产业集聚的进一步发展[5]。杜湘红分析水资源环境和社会经济系统耦合度，并将耦合态势分为倒U型、U型和单项递增型三个类型[6]。张群分析了福建省海洋产业集聚和环境资源耦合状况，结果表明耦合协调度水平总体趋势向较高水平发展[7]。马丽等对中国经济与环境污染进行空间耦合分析，发现中国经济环境系统整体上处于低耦合、低协调状态，东部沿海地区的都市经济区和中部重要人口产业集聚区耦合度和协调度相对较高，远西部和东中部偏远地区的耦合度和协调度相对较低[8]。总体上，这些研究主要以地区城市化质量和生态环境承载力耦合关系，或者某一单项海洋产业与生态环境之间关系的研究为主，对海洋经济发展水平与海域承载力耦合关系研究甚少，仅有姜烨对广东省海洋经济发展水平与环境协调耦合进行分析研究[9]，缺乏对环渤海地区海洋经济发展水平和海域承载力耦合关系研究。

我国是海洋资源大国，随着海洋经济日益发展，人口、环境、资源方面的压力不断增大，环境污染加剧，产业集约化程度低，地域空间差异显著，海洋经济发展与海洋生态环境承载力协调问题日益凸显。环渤海地区作为我国经济发展的第三增长极，其发展对我国北方地区经济以及沿海地区海洋经济有重大战略意义。2017年4月1日，中央决定在河北雄安新区设立国家级新区，调整优化京津冀地区空间结构，培育创新驱动发展新引擎，促进环渤海地区经济发展。同时，京津冀协调发展是当前三大国家战略之一，因此环渤海地区海洋经济发展水平与海域承载力综合评价以及两者之间耦合度分析对促进环渤海经济区发展、带动北方腹地发展具有重大意义。本文以环渤海地区三省一市为研究单元，选取2000—2014年相关数据，采用耦合度等模型对环渤海地区海洋经济发展水平和海域承载力系统进行时空序列耦合分析，提出符合地域特点的发展对策，以期能够为环渤海地区海洋经济可持续发展提供依据，促进京津冀地区协调发展，实现海洋经济—环境全面协调优化。

1 研究区概况、研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

环渤海地区是我国重要的海洋经济增长极，海岸线长6 924.2千米,是我国海岸线总长度的38.47%，2015年海洋经济总产值为23 437亿元，占全国海洋生产总值的36.2%。由于环渤海地区海洋资源开发不合理，发展模式比较传统，粗放型和资源高消耗型产业比重大，造成环境污染严重，导致生态脆弱，经济环境协调问题突出。

1.2 研究方法

1.2.1 耦合度模型

耦合是物理学范畴概念，借鉴物理学中容量耦合系数模型[10]，可将耦合度模型应用在海洋经济系统与海洋生态环境系统中。耦合度模型[11]的计算公式如下：

为便于分析计算海洋经济发展水平和海域承载力之间的耦合度，根据熊建新等[12]对洞庭湖生态承载力耦合协调度分析的成果，结合本文研究实际，分别建立海洋经济发展水平评价函数 z（x）和海域承载力评价函数 h（y）：

式中：ai、bi分别表示海洋经济发展水平和海域承载力指标权重，xi、yi分别表示海洋经济发展水平和海域承载力指标标准化值，z（x）指数值越高，h（y）说明该区域海洋经济发展水平越高；指数值越高，说明该区域海域承载力越强。二者之间耦合度模型，根据离散系数的原理可简化为[13]：

式中：c为耦合度，k为调节系数。k的取值根据研究要素需要确定，本文取k=2。

借鉴刘耀彬[14]、陈端吕[2]对洞庭湖区生态经济系统耦合特征的研究成果，本文对耦合度的类型及发展状态和趋势划分如表1所示。

1.2.2 耦合协调度模型

耦合度能反映海洋经济发展水平和海域承载力之间相互协调关系，但是不能反映两者之间综合效益和整体发展状况。因此，需构造耦合协调度模型，以进一步体现海洋经济发展水平和海域承载力综合效益。根据周成等[15]对长江流域经济—旅游—生态耦合协调研究，在海洋经济发展水平和海域承载力耦合协调度的研究中，构建如下模型：

式中：R为耦合协调度，C为耦合度，P为海洋经济发展水平和海域承载力综合效益评价指数，P=αz（x）+βh（y），α、β分别为海洋经济发展水平和海域承载力权重，假设两者重要性相同，α=β=0.5。

表1 海洋经济发展水平和海域承载力耦合度分类及状态Tab.1 The classification and status of marine economic development level and the carrying capacity of marine space coupling

根据张群等[16]对海洋产业集聚和环境资源系统耦合协调度研究成果，以及李宝庆等[17]对长三角区战略性产业与区域经济耦合研究成果，对海洋经济发展水平和海域承载力耦合协调度划分为以下类型（表2）。

表2 海洋经济发展水平和海域承载力耦合协调度等级与类型Tab.2 The coupling coordination degree level and types of marine economic development level and the carrying capacity of marine space

1.2.3 核密度估计

在概率论中，核密度用来估计未知的密度函数，是非参数检验方法之一[18]。对于一组数据x1，x2，x3，…，xn，核密度估计表达式为：

式中：核函数k是一个加权函数，包括高斯核、三角核、四次核等，依据分组数据的密集程度进行分组[19]。

本研究中，应用软件进行估计，采用高斯函数：

核密度估计没有确定的表达式，在研究中通常采取图形对比的方式来考察其分布变化[20]。本文分别以海洋经济发展水平和海域承载力耦合度与耦合协调度为样本点进行拟合作图，基于所得图形，从位置、形态、峰度等方面进行观察，从而分析得出2000—2014年，环渤海地区海洋经济发展水平与海域承载力耦合度以及耦合协调度的演变态势。

1.3 指标体系

海洋经济发展水平和海域承载力系统评价指标的建立遵循以下原则：①科学性，可获得性，可操作性；②综合代表性和特征显著性；③动态性和稳定性相结合。基于上述原则，参考已有研究成果[21]，结合环渤海地区实际发展状况以及当前海洋系统发展特点，分别对海洋经济发展水平和海域承载力建立指标体系，应用层次分析法和熵值法确定主客观权重，乘法合成归一化法[22]得出各个指标体系综合权重（见表 3）。

表3 海洋经济发展水平和海域承载力指标体系及权重值Tab.3 The index systems and weights of marine economic development level and the carrying capacity of marine space

1.4 数据来源与处理

以环渤海地区三省一市为研究对象，选取2000—2014年的相关数据，数据来源于2001—2015年的《中国海洋统计年鉴》《辽宁统计年鉴》《河北统计年鉴》《山东统计年鉴》以及各个省市国民经济和社会发展统计公报[23]。为消除量纲，采用极值标准化法，对原始数据标准化，对于缺失数据，利用均值法处理。

2 环渤海地区海洋经济发展水平和海域承载力耦合分析

2.1 海洋经济发展水平与海域承载力指数综合评价

选取环渤海地区三省一市2000—2014年海洋经济发展水平和海域承载力共计24个单项指标数据，运用指标评价函数计算出环渤海各区2000—2014年海洋经济发展水平指数x和海域承载力指数y（如图1，2所示）。

图1 环渤海地区海洋经济发展水平指数Fig.1 The index of marine economy development level in Round-the-Bohai Region

图2 环渤海地区海域承载力指数Fig.2 The index of the carrying capacity of marine space in Round-the-Bohai Region

结果显示：

（1）环渤海地区海洋经济发展水平和海域承载力走势一致，整体微增，局部突变，海域承载力变化较平缓。

环渤海地区海洋经济发展水平逐年增长，2000—2005年增长趋势缓慢，天津发展水平较高，其它三省区域间差异较小。2006年之后，海洋经济发展水平增长较快，区域间差异显著，2006年变差系数最小为0.165，之后，呈阶梯等级分布，天津＞山东＞辽宁＞河北，之后不断增大，保持平稳。15年来增长率分别为辽宁（16.68%）、河北（97.27%）、天津（200.32%）、山东（431.04%）。“十五”期间，国家开始提倡大力发展海洋经济，开发海洋资源，提高海洋经济发展水平，天津依托于港口城市率先发展，其它地区由于基础薄弱而发展缓慢。“十一五”时期，国家开始实施节能减排政策，注重绿色发展，不同地区分别制定符合当地特色的经济发展方案，山东发展注重海洋科技提升，海洋经济水平得到迅速提升，辽宁与河北由于重工业基础雄厚，海洋产业结构以第一、二产业为主，海洋经济发展水平相对落后。

环渤海地区海域承载力整体水平较低，变化趋势缓慢，空间格局分异显著，天津（0.281）和山东（0.280）海域承载力大于辽宁（0.156）和河北（0.151）。由变差系数变化图可知（图3），相对差异保持平稳，分布在0.5左右。天津和山东领先于其它地区，反应了天津和山东海洋产业结构较合理，集约化程度较高的海洋经济发展模式；辽宁和河北发展模式粗放，需要进一步调整，引导产业向集约化模式发展。

图3 环渤海地区海洋经济发展水平和海域承载力指数变差系数Fig.3 The coefficient of variation of sea economic development level and bearing capacity index around in the Round-the-Bohai Region

（2）环渤海地区的海洋经济发展水平指数普遍高于海域承载力强度指数。

限于篇幅选取“十一五”“十二五”“十三五”首年2001年、2006年、2011年和最新研究数据年份2014年为截面数据进行研究，应用环渤海地区海洋经济发展水平和海域承载力截面数据制作雷达图（图4），结果显示：2001年，河北和辽宁海洋经济发展水平指数高于海域承载力强度指数，天津、山东海洋经济发展水平指数低于海域承载力强度指数；2006年，除山东两者持平外，其它地区海洋经济发展水平指数均高于海域承载力强度指数；2011年以及2014年，环渤海地区海洋经济发展水平指数全部高于海域承载力强度指数，而且两者差距逐渐增大。说明海洋经济发展水平相对于海域承载力的雷达图向外扩充速度较快，2001年环渤海地区海洋经济发展水平和海域承载力指数平均值分别为0.147和0.153，2014年环渤海地区海洋经济发展水平和海域承载力指数平均值分别为0.445和0.234，海洋经济发展水平的提升幅度大于海域承载力的增强幅度。

2.2 海洋经济发展水平与海域承载力时间序列耦合协调分析

根据耦合度模型和耦合协调度模型计算出环渤海地区海洋经济发展水平和海域承载力耦合度与耦合协调度指数，应用核密度估计法，分别绘制环渤海地区2000—2014年海洋经济发展水平和海域承载力耦合度与耦合协调度指数核密度估计分布图（图5，6），以2001、2006年、2011年、2014年为截面数据进行核密度估计分析。

2.2.1 海洋经济发展水平和海域承载力耦合度

（1）从位置来看，2000—2014年，环渤海地区海洋经济发展水平与海域承载力耦合度指数峰度位置变化不大，在0.878～0.967之间微小波动，说明2000年以来，两者耦合度水平属于中—高水平耦合类型。

图4 环渤海地区海洋经济发展水平和海域承载力综合评价指数值（2001年、2006年、2011年、2014年）Fig.4 The comprehensive evaluation index of economic development level and the carrying capacity of marine space in Round-the-Bohai Region(2001,2006,2011,2014)

图5 耦合度的核密度分布Fig.5 Kernel density estimation distribution of coupling degree

图6 耦合协调度的核密度分布Fig.6 Kernel density estimation distribution of coupling coordination degree

（2）从形状来看，主峰附属个别小峰，说明环渤海地区海洋经济发展水平和海域承载力耦合度较集中，属于高耦合水平，个别地区集中在低耦合水平状态，尤其以2001年较为显著。

（3） 从峰度来看，2001年峰度较大，分布集中，2006年峰度最小，趋于平稳，之后趋于中等峰度，说明2000年以来，环渤海地区耦合度水平差距由大减小，耦合度水平整体趋于均衡，各地区经过生态治理，绿色发展，在耦合水平方面取得显著成效。

2.2.2 海洋经济发展水平与海域承载力耦合协调度

（1）从位置上看，选取4年截面数据，核密度函数曲线呈整体逐年向右移动的态势，说明两者之间的耦合协调度逐年趋于良好耦合效益水平。

（2）从形状上看，海洋经济发展水平和海域承载力耦合协调度整体呈单峰分布，主要集中在中等协调水平，2006年出现三峰分布，出现轻微三极分化，说明两者之间的耦合度出现三极分化形势，耦合协调度水平分类较为显著，这种现象随后减缓。

（3）从峰度上看，两者之间的耦合协调度整体呈现宽峰状态，坡度较为和缓，密度较低，说明环渤海地区海洋经济发展水平和海域承载力耦合协调度层次分明，即从良好协调水平、中等协调水平、初等协调水平均有分布。耦合协调度主要集中在0.604～0.749之间，总体处于初中等协调水平。

2.3 海洋经济发展水平与海域承载力空间序列耦合协调分析

选取2014年环渤海地区海洋经济发展水平与海域承载力耦合度和耦合协调度截面数据进行空间分析，得到海洋经济发展水平和海域承载力耦合度与耦合协调度指数及其类型（表 4）。

（1） 根据表4中的数据，除河北（0.776）处于海洋经济和环境磨合期外，辽宁（0.910）、天津（0.907）、山东（0.938）海洋经济发展水平和海域承载力总体处于高水平耦合阶段，接近良性共振耦合水平，表明海洋经济发展水平逐步提高，追求海洋经济数量的同时，更注重海洋经济质量。海洋生态修复投入大量资金、技术，海域承载力逐步增强，最终实现“经济—生态—社会”系统高度耦合。河北耦合度值较低，海洋经济发展基础薄弱，以高消耗、高污染产业占比大，经济发展破坏海域环境，同时生态环境破坏制约海洋经济的发展，使得两者处于磨合阶段。

表4 2014年环渤海地区海洋经济发展水平和海域承载力耦合协调及分类Tab.4 Marine economic development level and the carrying capacity of marine space coupling coordination and classification in Round-the-Bohai Region in 2014

（2）海洋经济发展水平和海域承载力耦合协调度范围在0.620～0.797之间，河北（0.620）处于初等协调水平，辽宁（0.732）、山东（0.794）、天津（0.797）处于中等耦合协调水平，环渤海地区四省市均属于海洋经济发展水平占主导地位的耦合发展类型。河北海洋经济发展水平低，基础设施不完善、海洋经济规模小，产业结构单一，环保监测系统不完善，有待进一步解决。辽宁处于东北老工业基地，重工业基础良好，发展历史悠久，设施较完善，高新技术产业有待提高。天津、山东拥有大型优良港口，交通便利，拥有海洋专业高等院校和科研机构，掌握先进技术和智能化环境治理设备，海洋经济与环境处于协调发展水平。

图7 环渤海地区海洋经济发展水平和海域承载力及耦合度与耦合协调度空间格局图Fig.7 The spatial pattern figure of marine economic development level and the bearing capacity of waters and the coupling and coupling coordination degree in Round-the-Bohai Region

3 结论与建议

3.1 结论

海洋经济发展以海域环境为载体，在经济发展过程中，两者之间耦合度及耦合协调度，均有不同程度的时空差异。通过分析，本研究得出以下结论：

（1）环渤海地区海洋经济发展水平不断提高，区域差异趋于稳定状态，海洋经济发展水平呈现“天津＞山东＞辽宁＞河北”的阶梯状分布，海域承载力处于低水平状态，变化较小，天津、山东领先于辽宁和河北，该地区海洋经济发展水平的提升幅度高于海域承载力的增强幅度。

（2）时间序列上，环渤海地区海洋经济发展水平和海域承载力耦合度较高，处于高水平耦合，耦合度分布集中程度随年份增长呈“U”型结构，耦合协调度处于初中等水平，且协调水平不断提高。

（3） 2014年环渤海地区海洋经济发展水平和海域承载力耦合度与耦合协调度空间差异显著，河北处于磨合期初等耦合协调水平，辽宁、天津、山东处于高耦合水平中等协调水平。环渤海地区海洋经济发展水平和海域承载力及其耦合协调水平均有待于提高。

3.2 建议

海洋经济的发展要充分兼顾海洋资源和生态环境承受能力，在海域承载力范围内，实现海洋经济效益最大化，从而实现海洋经济发展水平和海域承载力高水平耦合、均衡协调发展。

针对高速铁路钢轨波磨的自身特点，指出了现有波磨理论的局限性，结合国内高速铁路现场调查结果，提出波磨主要源自车轮和钢轨在轨道不平顺处产生的高频接触振动和黏滑振动的共同作用，预防和减缓波磨应从消除轨道不平顺和抑制振动方面入手。此外，钢轨的材质也会影响波磨的形成和发展。以上分析为治理高速铁路钢轨波磨提供了理论依据。

（1） 注重海洋经济发展质量，提高海域承载能力，实现海洋经济与环境优化同步发展。根据环渤海地区海洋经济发展水平和海域承载力现状，实现两者同步发展，需要引进先进生产技术、经营理念，增加高科技、高附加值、低污染的海洋产业比重，积极发展循环经济和低碳经济，注重环境友好型和集约型经济的发展。

（2）加强海洋科技创新体系建设，充分发挥海洋科技创新在海洋经济—环境系统中的作用，以科技促进海洋经济水平发展。“十三五”期间，青岛基于海洋国家实验室、国家深海基地等已有的高端资源，建立青岛国家海洋科学中心，促进各类海洋科研资源高效匹配、协同创新、充分发挥聚集效应，提升创新基础能力，带动我国环渤海地区海洋科技创新，以实现海洋产业优化升级和海洋经济高效发展。

（3）提高海洋经济综合效益，缩小环渤海地区海洋经济与海域承载力的差异。针对不同省市区海洋经济发展水平与海域承载力发展态势及其耦合规律，制定符合区域特色发展战略，以提高环渤海地区“经济—环境—社会”系统综合效益。山东和天津拥有雄厚的海洋经济实力，海洋产业结构优化水平较高，科技水平领先，海洋油气资源丰富，新兴产业比重高，可以引领带动环渤海地区经济水平发展；辽宁海洋资源禀赋、基础设施、国际竞争力较均衡，需要积极调整海洋产业结构，引导粗放型产业向集约型发展，注重海洋生态环境保护；河北海洋经济发展水平低，海洋经济规模小，是重点关注对象，需要加强海洋基础设施建设，完善海洋经济体制。不同区域，需结合自身特点，发展海洋经济，提高海域承载力，增强综合实力，实现海洋经济发展水平和海域承载力高度耦合良好协调水平发展，促使环渤海地区海洋系统整体效益提升。

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