中國近岸海域環(huán)境質量演變及驅動因素研究

(遼寧師范大學 城市與環(huán)境學院,遼寧 大連 116029)

1 引言

我國擁有1.8萬km的海岸線和約300萬km2的海洋國土面積。改革開放40年來,我國沿海地區(qū)已經(jīng)形成了以重點海域為依托的沿海經(jīng)濟帶，但是目前我國海洋管理并不完善,海洋資源的不合理開發(fā)導致海洋環(huán)境破壞與資源浪費,海洋環(huán)境問題越來越成為建設海洋強國的瓶頸和發(fā)展短板。2018年十九大報告將建設海洋強國從生態(tài)文明建設向現(xiàn)代化經(jīng)濟體系轉變,對我國海洋環(huán)境開發(fā)與保護的重視已提升到空前的戰(zhàn)略高度。因此,研究海洋生態(tài)環(huán)境演變及其影響因素對促進我國海洋可持續(xù)發(fā)展、加快建設海洋強國具有重要的戰(zhàn)略意義。

目前國內外關于水環(huán)境的研究主要集中在以下三個方面:①水環(huán)境質量評價。國內外對水環(huán)境質量評價方法的研究大致分為化學方法和生物方法兩大類：化學方法主要包括單維度單項指標和多種指標綜合評價法,如ArcGIS技術、模糊評價法、灰色關聯(lián)評價法、熵值法等方法[1-5]；生物學方法[6]則主要通過生物多樣性和群落結構變化來確定生物指標，反映環(huán)境質量。②水環(huán)境影響因素。國內外相關研究主要集中在經(jīng)濟活動和城市發(fā)展對海洋環(huán)境的影響。例如，國外學者Alberti等[7]通過研究發(fā)現(xiàn),隨著城市經(jīng)濟的發(fā)展,區(qū)域水文污染指標呈現(xiàn)出退化的趨勢;Mihailov G[8]采用回歸方法,研究了黑海海灣中金屬污染對海洋環(huán)境質量的影響。國內學者董偉等運用灰色關聯(lián)分析方法對我國長江上游水源涵養(yǎng)區(qū)的生態(tài)安全影響因素進行了關聯(lián)度綜合分析[9]。③水環(huán)境優(yōu)化調控。國內葉龍浩、周豐等學者基于水環(huán)境承載力核算模型,通過SD模型對約束指標的敏感度進行了分析,找到了關鍵的影響因子,提出優(yōu)化調控方法并應用于沁河流域系統(tǒng)[10];全華等學者基于水環(huán)境因子的動態(tài)閾值調控模型,提出了最優(yōu)調控方案,使風景區(qū)河段的水環(huán)境達到穩(wěn)定與協(xié)調的狀態(tài)[11]。

綜上所述，國內外學者關于水環(huán)境的相關研究已頗有成就,但還是難以全面反映環(huán)境質量的實際狀況,因此本文進行了補充:①采用可變模糊識別模型,通過變化模型及其參數(shù),將模糊綜合評價模型、理想點模型、Sigmoid型函數(shù)、模糊優(yōu)選模型4種數(shù)學模型組合起來,對我國沿海11省市的水環(huán)境質量評價結果進行驗證,以提高環(huán)境質量評價的科學性、可靠性和等級評價的可信度。②采用地理探測器模型的最大優(yōu)勢在于沒有過多的假設條件,可有效克服傳統(tǒng)統(tǒng)計分析方法處理類別變量時對假設條件和數(shù)據(jù)要求多的局限性[12],既可以檢驗單變量的空間分異性,也可以通過檢驗兩個變量空間分布的一致性來探測兩變量之間可能的因果關系。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 可變模糊識別法

可變模糊識別理論及其方法體系是由我國大連理工大學陳守煜教授創(chuàng)立的[13],其核心是對相對隸屬函數(shù)、相對差異函數(shù)和模糊可變集合的概念進行定義,主要是描述實物兩邊與質變時的數(shù)學語言和量化工具,其模型為:VA(u)=1/[1+(dg/db)a]。

2.2 地理探測器模型

地理探測器模型方法是由王勁鋒[14]等建立的,應用于地方性風險性疾病和其他與地理相關的影響因素方面的研究[15],包括風險探測、生態(tài)探測、因子探測和交互探測4部分。本文主要用因子探測器進行探測,通過P值變化來分析變量的影響程度。因子探測器是探測某因子X在多大程度上解釋了目標屬性Y的空間分異,用因子解釋力PD,H進行判斷;PD,H的值域為[0,1],P值越大,說明對目標屬性Y的解釋力就越大,Y的空間分異性就越明顯。

PD,H的計算公式為:

(1)

(2)

式中,h=1,…,L為變量Y或因子X1分層;Nh和N分別為層和全區(qū)單元數(shù);SSW和SST分別為層內方差之和與全區(qū)總方差;D為影響因子;H為目標海洋環(huán)境質量的空間變化值;PD,H為D對H的解釋力。

2.3 數(shù)據(jù)來源

文中所有數(shù)據(jù)均來源于2007—2017的《中國海洋統(tǒng)計年鑒》、《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》、《中國國土資源統(tǒng)計年鑒》、《中國統(tǒng)計年鑒》、《中國城市統(tǒng)計年鑒》、《中國農村統(tǒng)計年鑒》,以及各省市的環(huán)境質量公報。

3 指標選取和分級標準

3.1 環(huán)境質量評價指標和分級標準設定

在參考相關研究成果并結合我國海洋環(huán)境狀況與數(shù)據(jù)獲取難度,本文從污染排放、污染治理、污染面積和環(huán)保投資5個方面選取評價指標[16],遵循指標體系構建的科學性、可操作性、層次性、目標導向性等原則,將海洋環(huán)境質量評價指標體系分為目標層、要素層、指標層3個層次,共選取8項指標(表1)對我國沿海11個沿海省市海洋環(huán)境質量進行評價。

表1 我國海洋環(huán)境質量評價指標體系

3.2 評價標準

本文根據(jù)全國海洋環(huán)境指標狀況,同時參照國內其他沿海經(jīng)濟帶的分級標準,并結合實際情況確定了我國沿海11個省市的海洋環(huán)境質量分級標準,見表2。

表2 海洋環(huán)境質量特征值評價標準

3.3 影響因素指標選取

本文立足于地理學中的機理—響應研究范式,基于海洋環(huán)境驅動機制原理來尋求影響海洋環(huán)境質量的相關影響因子,并通過地理探測器空間技術模型來識別最重要的影響因子。從圖1可見,陸地系統(tǒng)、海洋系統(tǒng)和綜合治理系統(tǒng)共同作用于海洋環(huán)境系統(tǒng),而陸地系統(tǒng)和海洋系統(tǒng)又通過大氣循環(huán)和水循環(huán)而形成相互作用。

圖1 海洋環(huán)境污染相關關系機理

考慮到數(shù)據(jù)獲取的難易程度和數(shù)據(jù)全面性、影響程度是否顯著等原因,本文分別選取了科技水平(x1)----科研經(jīng)費、科研機構、科研人員總和;環(huán)境規(guī)制(x2)----環(huán)境保護投資額(萬元);經(jīng)濟效率(x3)----海岸線經(jīng)濟密度(億元/km);經(jīng)濟規(guī)模(x4)----海洋經(jīng)濟總產(chǎn)值增加率(%);工業(yè)污染(x5)----第二產(chǎn)業(yè)比重(%);廢水污染(x6)----工業(yè)廢水量+生活污水量(萬t);農業(yè)污染(x7)----農用化肥量/農作物播種面積(萬t/103hm2);單位面積海產(chǎn)養(yǎng)殖量(x8)----海產(chǎn)養(yǎng)殖量/海產(chǎn)養(yǎng)殖面積(萬t/hm2);城市化率(x9)----城鎮(zhèn)人口/總人口(%)共9個指標進行研究。

4 結果及分析

本文運用陳守煜教授提出的可變模糊評價模型,計算了海洋環(huán)境質量的相對隸屬度,得到評價結果見表3。

表3 2006—2016年沿海11省市海洋環(huán)境質量特征值

4.1 海洋環(huán)境質量時間變化

由表3可知,2006—2016年我國海洋環(huán)境質量水平呈現(xiàn)先上升后下降再上升的三階段發(fā)展趨勢。第一個階段為2006—2011年的上升階段,環(huán)境質量水平從2006年的2.20上升到2011年的1.66,年均上升率為4.90%;2006—2010年是我國海洋“十一五”規(guī)劃階段,規(guī)劃期間海洋由粗放式生產(chǎn)方式逐漸找到各省的發(fā)展優(yōu)勢和劣勢,加上對產(chǎn)業(yè)結構的調整,重視科技發(fā)展和實施海洋生態(tài)環(huán)境保護政策,海洋環(huán)境質量得到明顯改善,到2011年海洋環(huán)境質量特征值為1.66,達到近年來的高水平階段;2011—2015年為我國“十二五”規(guī)劃期,由于本次規(guī)劃在上次的基礎上加大了對海洋的開發(fā)力度,追求海洋生產(chǎn)方式的多元化,海洋經(jīng)濟得到快速發(fā)展,但與海洋環(huán)境質量保護不同步,經(jīng)濟快速發(fā)展和經(jīng)濟活動不斷加劇，導致海洋環(huán)境惡化,造成2012年的海洋環(huán)境較上一年下降了0.3%;2012年后我國調整了發(fā)展戰(zhàn)略,強調綜合重點整治海洋環(huán)境,尤其是加強對直接排入海中的污染源進行監(jiān)管與調整,改善海洋生態(tài)環(huán)境,提高海洋環(huán)境質量,該期間海洋環(huán)境保護投資占GDP的比重有所提高,海洋環(huán)境建設取得了明顯成效,直接排入海中的廢水量由13.17×108t減少到10.38×108t,工業(yè)廢水達標排放率由95.09%上升到96.87%。

4.2 海洋環(huán)境質量空間分布

從圖2可知,我國沿海地區(qū)海洋環(huán)境質量的地區(qū)差異明顯,整體上分3個水平。其中,天津市、上海市作為最早的沿海開放城市,經(jīng)濟發(fā)展水平高,科技水平和利用率也高,入海污染物受到有效控制,固體廢棄物和廢水處理率都達90%以上,環(huán)境保護投資占全省GDP的比重大。相對而言,海南省作為我國的旅游大省,第三產(chǎn)業(yè)比重高,生態(tài)環(huán)境保護投資力度大,海南省用3—5年營造了沿?；闪謳娣e1.02萬hm2,重建了“海島綠色長城”,在我國沿海省市海洋生態(tài)環(huán)境保護工作方面居于全國的最高水平。

圖2 沿海11個省(市)海洋環(huán)境質量

河北省、山東省、福建省、廣東省海洋環(huán)境質量屬于中等水平,河北省在京津冀一體化過程中,科研投入和利用率不斷提高。山東省憑借自身強大科研實力,以及國家提出打造“山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)”的國家策略,海洋環(huán)境質量有明顯改善。由于產(chǎn)業(yè)結構不合理,河北省第二產(chǎn)業(yè)占比超過50%,經(jīng)濟活動對海洋造成一定的污染。福建省、廣東省氨氮排放總量較大,且2006—2016年氨氮排放總量增長速度平均為80%。近年來,這些地方以近岸海域污染防治為重點,嚴格控制陸源污染,強化了工業(yè)廢水直接排海的點源控制,工業(yè)廢水廢棄物達標率達到82%,確保了近岸海域達到環(huán)境功能區(qū)劃標準。

遼寧省、江蘇省、浙江省、廣西壯族自治區(qū)等地海洋環(huán)境質量水平較低,江蘇省、浙江省人均污染嚴重,氨氮排放總量大,海洋環(huán)境污染最嚴重;遼寧省、廣西壯族自治區(qū)的環(huán)保投資較低,多年平均值僅有1%左右,海洋污染未得到有效治理,海洋環(huán)境承載力低,海洋環(huán)境質量也未得到有效改善,導致發(fā)展水平最低。

4.3 海洋環(huán)境質量的影響因素分析

本文將選取的9個影響因子和2006—2016年海洋環(huán)境質量的相關數(shù)據(jù)導入地理探測器模型，見表4。因子探測結果中影響力q值(q值越大,說明該因子對海洋環(huán)境質量的影響力越大;q值越小,說明該因子對海洋環(huán)境質量的影響力越小)表示各影響因素對海洋環(huán)境質量影響程度的大小。

表4 不同年份各影響因素作用強度的變化趨勢

從表4可見,不同時期影響海洋環(huán)境質量的指標因素作用不同,造成海洋環(huán)境質量空間差異的主要因素發(fā)生了明顯變化。從影響力度q值大小來看,經(jīng)濟效率(x3)和經(jīng)濟規(guī)模(x4)的平均影響值小于0.5,影響不顯著,其他因子的平均影響值均大于0.5,說明這幾個影響因子對不同時期的海洋環(huán)境呈不同的影響力。經(jīng)濟規(guī)模與經(jīng)濟效率對海洋環(huán)境的影響是間接通過海洋經(jīng)濟總產(chǎn)值增加率的變化而影響海洋科技水平、污染治理投資、污染物達標排放處理能力等,所以對海洋環(huán)境質量的影響不明顯。

總體來看,隨著時間的推移,經(jīng)濟效率、經(jīng)濟規(guī)模、農業(yè)污染和單位面積海產(chǎn)養(yǎng)殖量的影響強度在減弱且變化明顯,科技水平、環(huán)境規(guī)制、工業(yè)污染、廢水污染的影響強度略有變化但不顯著?？萍妓綄Ｑ蟓h(huán)境質量的影響存在一定的時間滯后性,且科技成果具有周期性的特點,尤其在“十二五”過后平均人均海洋科研經(jīng)費占總產(chǎn)值的比重上升為4.5%,對海洋環(huán)境質量呈現(xiàn)緩慢但持續(xù)帶動增長的效應,總體上科技水平的影響力仍很大,強化海洋科技創(chuàng)新推動核心產(chǎn)業(yè)科技化、普遍化是提高海洋環(huán)境質量的關鍵;環(huán)境規(guī)制一直起到約束和限制海洋污染物的重要作用,環(huán)境保護投資額以平均每年10%的速度增長,對海洋環(huán)境質量有明顯的影響;2006—2010年“十一五”期間,相關產(chǎn)業(yè)被嚴格限制污染物排放量和污水排放達標率,2010年廢水直接入海量為1.03801×105t,比2006年平均減少了5.3%,取得了明顯成效。隨后我國新一輪“十二五”規(guī)劃加快了海洋經(jīng)濟的發(fā)展,造成海洋環(huán)境污染管理松懈,廢水污染物增加,顯著影響到海洋環(huán)境質量發(fā)展。海產(chǎn)養(yǎng)殖作為海洋系統(tǒng)的一部分,對海洋環(huán)境一直存在一定的影響。其中,工業(yè)污染(q值為0.8897)2016年上升為最主要的影響因素,城市化率的影響作用較穩(wěn)定。全年大于0.5的平均影響值按從大到小依次是:X5、X2、X7、X6、X9、X1,原因可能是2006—2016年受我國“十一五、十二五”規(guī)劃的影響,政府加強了對海洋的綜合管理,對相關領域做出不同程度的調整。2008年各影響因素由于受到全球金融危機的影響,導致2009年各因子的影響力值呈下降趨勢。其中,產(chǎn)業(yè)結構在2006初期的矛盾突出,占比為1∶3∶2,傳統(tǒng)的資源消耗性產(chǎn)業(yè)占主導地位,且農業(yè)生產(chǎn)方式粗放,對海洋環(huán)境造成很大污染,所以工農業(yè)對海洋環(huán)境的污染嚴重。歷經(jīng)2006—2015年我國“十一五、十二五”規(guī)劃的影響,海洋產(chǎn)業(yè)結構呈積極的變化,由資源消耗為主向海洋服務為主轉變,農業(yè)機械化水平的提高和科技應用的成效顯著,單位農用化肥量平均減少了0.3%/hm2,污染狀況明顯減輕。隨著經(jīng)濟的發(fā)展,城鎮(zhèn)人口占總人口的比重上升,城市化污染排放物受同時期經(jīng)濟和科技的影響,對海洋環(huán)境質量的影響較穩(wěn)定且影響明顯。

5 結論

本文運用可變模糊模型對我國沿海11個省市的海洋環(huán)境質量進行了評價。結果發(fā)現(xiàn):隨著時間的推移我國海洋環(huán)境質量水平總體向良性轉變,海南、天津、上海對外開放早，經(jīng)濟發(fā)達,入海污染物得到了有效控制,海洋環(huán)境質量水平有一定提高;河北、山東、福建、廣東屬于海洋環(huán)境質量中等水平的地區(qū),產(chǎn)業(yè)結構、科技投入等海洋管理問題都有待加強;江蘇、浙江人均污染物排放量多,遼寧、廣西的環(huán)保投資較低,污染物未得到有效控制,內部差異顯著,海洋環(huán)境質量水平低。另外，因子探測結果顯示:影響因子中經(jīng)濟效率、經(jīng)濟規(guī)模和海水養(yǎng)殖量對海洋環(huán)境影響不顯著,工業(yè)污染、農業(yè)污染和環(huán)境規(guī)制對海洋環(huán)境質量影響最明顯。

6 對策建議

通過以上分析,本文對我國沿海11個省市的海洋環(huán)境質量提出以下對策建議:天津、上海作為海洋環(huán)境質量高水平城市,產(chǎn)業(yè)結構相對合理,但第三產(chǎn)業(yè)內部的海洋科研教育等比重需要加強,海洋環(huán)保形勢仍較嚴峻,海洋基礎管理有待加強;海南應繼續(xù)加強國際旅游島建設,打造低碳海南,將生態(tài)優(yōu)勢轉化為經(jīng)濟優(yōu)勢;河北、遼寧的海洋環(huán)境質量水平較低,應加強與臨近海洋強省----天津和山東的交流合作,降低第二產(chǎn)業(yè)的比重,擴大海洋高端制造業(yè)和海洋第三產(chǎn)業(yè)的比重,通過提高海洋相關產(chǎn)業(yè)結構中高層次科技產(chǎn)品的比重和工農業(yè)污染物數(shù)量的減少來提高海洋環(huán)境質量[17];江蘇、浙江雖然為經(jīng)濟強省,但海洋環(huán)境質量水平一般,應充分利用位于長三角的區(qū)位優(yōu)勢,加快區(qū)域海洋科技信息平臺建設,提升海洋科技的輻射能力、擴散效應和功能效應,促進海洋環(huán)境的改善,推進實施科技興海戰(zhàn)略,同時注意對人均污物排放量的控制,提高污水排放達標率和產(chǎn)業(yè)結構的優(yōu)化升級。福建、廣東、廣西占據(jù)珠三角的區(qū)位優(yōu)勢,資源豐富,但資源利用率低,產(chǎn)業(yè)層次需要進一步提升,提高海洋資源的開發(fā)深度,海洋科技轉化成果和產(chǎn)業(yè)化有待加強,推廣海洋健康

合理的養(yǎng)殖,避免海水富營養(yǎng)化,加強海洋環(huán)保投資和排污量的控制。