基于海洋生态-产业复合系统的海洋生态安全测度方法研究

苟露峰，杨思维，高 强

(1. 青岛理工大学商学院，青岛 266520； 2.中山大学管理学院，广州 510275； 3.中国海洋大学管理学院，青岛 266100)



基于海洋生态-产业复合系统的海洋生态安全测度方法研究

苟露峰1，杨思维2，高 强3

(1. 青岛理工大学商学院，青岛 266520； 2.中山大学管理学院，广州 510275； 3.中国海洋大学管理学院，青岛 266100)

基于生态和产业的共生关系，在压力-状态-影响-响应(PSIR)模型的基础上，构建海洋生态-产业复合系统的Lotka-Volterra模型，并对海洋生态安全进行测度。本文构建海洋生态安全与海洋产业的共生度指数，描述海洋生态安全演变趋势。研究表明，根据海洋生态-产业复合系统的Lotka-Volterra模型，得出的海洋生态安全测度方法具有明确的生态经济意义，可应用于海洋生态安全的监测与管理。

海洋产业； 海洋生态安全； 测度指数； 共生关系； Lotka-Volterra模型

生态安全是国家安全的重要内容，也是支撑经济、社会与自然发展的生态与环境的安全状态。我国的安全威胁主要来自海洋，十八大报告提出“建设海洋强国”及“21世纪海上丝绸之路”战略也要求海洋安全战略应综合考虑多方面的利益诉求。作为海洋强国战略与海上丝绸之路战略的重要组成部分，海洋生态安全问题日益受到关注。海洋开发进程的不断加快，海洋资源开发和海洋环境保护压力逐渐加大，由此引发的环境、民生等各种问题也集中显现，保障海洋稳定发展、保护海洋资源环境的双重压力和两难局面更加突出，海洋生态安全的重要性、艰巨性、复杂性与紧迫性更加突显。

目前，海洋产业与海洋生态安全关系的研究重点在于两者的现状与评价等方面，且初步构建了较为完整的理论体系。也有学者对生态产业的演进机制进行了探讨[1]，但从生态安全的视角对海洋产业发展进行研究比较少见。因此，本文基于海洋生态与产业复合系统的角度，从海洋生态子系统和海洋产业子系统共生关系出发，重新审视海洋生态安全，从海洋生态-产业复合系统的共生耦合关系探索海洋生态安全测度的新方法，旨在促进海洋产业随着生态环境的变化而良性演变和持续发展。

1 海洋产业与海洋生态安全概述

近年来，随着沿海地区对海洋产业投入力度的逐年增大，海洋产业逐渐成为经济发展新的增长点。党的十八大报告提出“建设海洋强国”，指出应提高海洋资源的开发能力，合理开发利用海洋资源，发展海洋经济。但由于我国海洋产业基础相对其他海洋强国较为薄弱，同时也面临众多不确定性发展因素，如海洋环境承载力过大且自然灾害频繁[2]、海洋油气开采及溢油事故风险上升[3]、海洋权益纷争不断[4]、各类市场风险制约海洋产业的持续健康发展等，海洋产业安全问题亟需全面、深入的研究。

海洋生态安全是海洋经济和社会发展的基本要求与规范。海洋经济的快速增长，个别区域海洋生态日益恶化、自然资源出现枯竭、海域生态环境持续破坏的现状，使海洋生态稳定运行与人口急剧上升、消费超常增长的矛盾尖锐。国外学者认为人类活动已开始触及海洋的承载极限，经济利益盲目驱动的经济体系可能正在破坏人类的可持续福祉[5]，同时指出当前海洋生态正面临诸多矛盾，亟需对海洋和沿海不同地区采取生态恢复措施；也有学者从生态安全评价工具与方法[6]、概念与模型[7]等角度梳理了近年来海洋经济的演变过程。国内学者也认为随着经济发展和人口增长，我国沿海城市的生态危机不断加重[8]，提出多元主体参与的共治模式是中国目前改革海洋生态安全管理模式的突破[9]。

我国海洋产业发展面临着企业内部生态位高度重叠、产业协同性差、海洋经济发展与环境冲突严重等问题。海洋产业生态转型的困境并非单纯的资源环境的生态约束或工业化惯性的延续，而是表现在海洋产业间关联弱、生态要素配置不合理等方面。海洋产业生态功能缺失与海洋产业发展的深层结构问题相互交织，成为制约海洋产业发展要解决的关键问题。从生态安全角度对海洋产业发展进行分析，能很好地缓解企业发展同生态环境之间的矛盾冲突，促进海洋产业和环境协同发展，为我国海洋产业提供新的发展思路。

2 海洋生态-产业安全的共生模型构建

2.1 共生模型构建理论基础

传统意义上的海洋生态安全测度方法主要有指标体系法和特征指数法，指标体系法中的数据经标准化后得到的综合指标将失去其最初的涵义，而特征指数法在计算过程中很容易产生误差，为此我们尝试构建海洋生态安全的共生耦合测度模型，在海洋生态和海洋产业复合系统的动态均衡中，构建海洋生态安全测度方法和指标体系。Lotka-Volterra模型是由美国生态学家A.J.Lotka(1925)和意大利数学家V.Volterra(1926)构建的，用来反映物种间共生关系的微分动态方程系统模型[10]。“共生”(Symbiosis)这一词语起源于生物学，是指不同物种的生物按照某种联系生活在一起，演化为现在的不同种类的有机体之间长期作用和相互依存的共同生存现象。

海洋生态环境与海洋产业是较为典型的共生系统，两者之间不仅反映着海洋生态系统的安全现状，还预示着未来两者关系的演变趋势。因此，衡量海洋生态系统的安全与否不仅要对海洋生态系统本身进行分析，也应考虑到海洋生态系统和海洋产业系统之间的共生关系。为此，基于生态系统模型理论和共生理论，根据海洋生态-产业复合系统情况，我们构建符合海洋生态-产业复合系统共生关系的动态发展模型，对海洋生态-产业安全的共生耦合关系进行测度。

2.2 复合系统协同演化模型

针对海洋生态安全(MES)问题，构建压力-状态-影响-响应(PSIR)结构模型(简称MES-PSIR结构模型)比较合适。MES-PSIR结构模型中各子系统的构成有：(1)社会经济压力子系统(P)，反映海洋经济发展和海洋产业对海洋资源需求和对海洋生态环境破坏等压力；(2)资源与环境状态子系统(S)，反映海洋资源总量、海域质量情况、海洋生态服务功能以及海洋环境承载力等状态；(3)生态影响子系统(I)，反映海洋生态系统健康状况、生态系统的自我调节与恢复能力、海洋灾害发生情况、海洋生物多样性以及海平面上升等影响；(4)人类响应子系统(R)，反映人类对改善海洋生态环境做出的努力，从科技投入、法律规范、政策扶持等方面对海洋生态环境问题作出响应。当海洋生态系统与海洋产业系统两者相互独立发展时，根据Logistic equation模型，可得到两者相互关系如下：

(1)

式中：Indt为海洋产业水平指数，反映海洋产业的可持续发展水平，可以用MES-PSIR结构模型中的压力子系统和响应子系统指标体系获得；Ecot为某海域生态水平指数，反映海洋生态系统受影响的程度，可以用MES-PSIR结构模型中的影响子系统指标体系计算获得；C(t)为生态环境承载力指数，反映海洋产业的发展空间和海洋生态环境的承载能力，可以用MES-PSIR结构模型中的状态子系统指标体系计算获得；α(t)为海洋生态对海洋产业的竞争效应；β(t)为海洋产业对海洋生态环境的竞争效应；r1为海洋产业水平情况；r2为海洋生态环境利用与保护发展情况；λ和φ分别为环境容量全部用于海洋产业发展和海洋生态环境发展的环境贡献系数；t为时间变量。

改进的海洋生态-产业复合系统共生关系Lotka-Volterra模型可以用两个独立的非线性微分方程表示如下[11]：

(2)

在海洋生态-产业复合系统中，海洋产业水平Ind(t)和海洋生态环境水平Eco(t)均依赖于海洋资源，两者具有资源性竞争特性。从式(2)两个

方程α(t)和β(t)的定义可以推导出，海洋生态环境系统Eco(t)对海洋产业系统Ind(t)的影响系数为α(t)/λC(t)，海洋产业系统Ind(t)对海洋生态环境系统Eco(t)的影响系数为β(t)/φC(t)，且当α(t)>0时，海洋生态环境水平的发展将抑制海洋产业的发展，当α(t)<0时，海洋生态环境水平的发展将促进海洋产业的发展，当α(t)=0，海洋生态环境系统和海洋产业发展不相关，对式中β(t)的解释也如此。

为求得系统平衡点，则：

(3)

由λC(t)/α(t)、λC(t)和λC(t)/α(t)、φC(t)分别形成两条直线，表示Ind(t)和Eco(t)的容量，其发展情况可分为以下a、b、c、d四种。

图1 海洋产业和海洋生态共生发展情况分析Fig.1 Analysis of marine industry and marine ecological symbiosis development

如图1所示，a.当λC(t)>φC(t)/β(t)，φC(t)<λC(t)/α(t)时，海洋产业系统能继续成长，而海洋生态系统则已达到环境最大承载力，无法继续成长，最终结果是海洋产业系统胜出；b.当λC(t)<φC(t)/β(t)，φC(t)>λC(t)/α(t)时，竞争结果是海洋生态系统胜出，海洋产业系统消退；c.当λC(t)<φC(t)/β(t)，φC(t)<λC(t)/α(t)时，两者进入稳定的共存发展状态，E即为均衡点，得到稳定状态下的Ind(t)和Eco(t)：

Ind(t)=λC(t)-α(t)Eco(t)

(4)

Eco(t)=φC(t)-β(t)Ind(t)

(5)

d.当λC(t)>φC(t)/β(t)，φC(t)>λC(t)/α(t)时，两者处于不稳定的竞争状态中，双方均有胜出的可能。因此，a、b和d都是不稳定的状态，只有c是稳定共生的，即两者在协同演化的过程中实现自身容量的最大化。

3 海洋生态-产业复合系统共生协调水平测度

求解海洋生态-产业复合系统共生关系Lotka-Volterra模型的稳定条件，得出海洋生态环境对海洋产业的竞争效应α(t)及海洋产业对海洋生态环境的竞争效应β(t)：

(6)

(7)

通过上述解析，判断出海洋生态系统与海洋产业系统的关系(表1)：

表1 海洋生态与海洋产业共生关系的界定Tab.1 Definition of marine ecology and marine industry symbiosis

分析得出，海洋生态-产业复合系统中的海洋生态子系统和海洋产业子系统通过共同的海洋自然资源，间接实现耦合共生。要想实现两大子系统的均衡发展，实现海洋生态-产业的互惠共生，应设计海洋生态-产业复合系统共生协调关系模型，从而分析研究系统的演化趋势。为了定量分析两者发展的协调关系，在此基础上构造海洋生态-产业共生指数RHS(t)：

其中，α(t)和β(t)不同时为0

(8)

4 基于耦合共生关系的海洋生态安全分析

上述分析中的共生指数RHS(t)是评价海洋生态安全性的重要依据，但两者之间的关系并非简单的对应关系，为了进一步分析共生指数与海洋生态安全性之间的对应关系，结合表1界定的海洋生态与海洋产业共生关系，将海洋生态安全状态可分为以下几大区间：

表2 海洋生态-产业复合系统共生模式与竞争系数的关系Tab.2 Relationship between marine ecological - industrial symbiosis models and competition coefficient

5 结论与展望

本文通过构建海洋生态安全的压力-状态-影响-响应(PSIR)模型，利用改进的海洋生态-产业Lotka-Volterra模型构建了海洋生态安全的共生耦合测度模型，可以解析海洋生态子系统和海洋产业子系统之间经历相互竞争关系、偏利共生关系和良性互动关系三个阶段，以及动态平衡发展的条件。初步研究认为，海洋生态-产业复合系统演化，能够促进各个子系统之间形成更加紧密的联系，构建共生的结合体，并维持在时空上系统延续和持续进化，复合系统的共生关系能较好地诠释海洋生态系统与海洋产业的相互作用机理，以及海洋经济发展的演进和生态安全变化的趋势。

本文研究提出的方法为海洋生态安全测度提供了一种更加科学的结构化和定量化手段。MES-PSIR结构模型为海洋生态安全的共生耦合指标体系的构建提供了理论依据和逻辑框架，紧接着根据共生指数，可以科学地确定海洋生态安全的阈值，对海洋生态安全进行更加细化的级别划分。

值得注意的是，从Lotka-Volterra模型的分析中发现，海洋生态-产业复合系统演化需要重视协同作用，防止过度竞争，明确复合系统及各子系统的生态位，通过兼容方式实现复合系统的协同演化。这就要求海洋产业系统内的参与者在制定自身发展对策时，应抛弃原有的单纯以自身发展为重的传统思维方式，而应更多关注系统内部各参与者协调平衡发展的系统思维方式。

生态安全是经济发展的必然趋势，海洋生态安全必须以完善的海洋生态产业体系作为支撑。本文构建的共生耦合测度模型，笔者正在将其运用到我国海洋生态安全测度的实际应用中，关于模型的具体细化、我国不同海域和不同时期海洋生态安全测度等实证研究成果，将作为后续的主要研究内容和方向。

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Study on the methodology for measuring marine ecological security based on ecology-industry symbiosis: a research framework

GOU Lu-feng1, YANG Si-wei2, GAO Qiang3

( 1.CollegeofBusinessofQingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao266520,China;2.CollegeofManagementofSunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China; 3.CollegeofManagementofOceanUniversityofChina,Qingdao266100,China)

Based on the ecology-industry symbiosis theory and pressure-state-impact-response structure model (PSIR), a Lotka-Volterra symbiosis model of marine ecology-industry compound system (marine L-V symbiosis model) was established to develop an operable and practical technology for the marine ecological security measurement. Moreover, indexes of harmonious symbiotic degree were constructed to analyze the evolution trend of marine ecological security. According to the results，there are numerous technological advantages for MES measuremeat based on the methodology referring to its foundation mechanism, which conforms to the eco-economy meaning, helpful for the marine ecological security control.

marine industry; marine ecological security; measure index; symbiosis; Lotka-Volterra model

2016-12-05

2017-02-28

国家海洋局公益性行业科研专项“海洋强国建设的评价体系研究及应用”(201405029)；教育部人文社会科学重点研究基地项目“促进海洋经济与生态协调发展的预警与调控机制研究”(15JJDZONGHE023)

苟露峰(1986-)，女，山东青岛人，博士，讲师，研究方向为海洋资源与环境管理研究。 E-mail：goulufeng1234@126.com

2095-3666(2017)02-0106-06

10.13233/j.cnki.fishis.2017.02.004

P 74

A