深圳东部海域主要包括大鹏湾与大亚湾海域，滨海旅游和物种资源丰富，是深圳市面积最大和保存最完好的滨海资源区, 自然生态景观价值高。自2012年以来，由大鹏新区政府管制，下辖大鹏、南澳、葵涌三个街道办事处。海岸线长133.22 km，拥有21个黄金沙滩；地理位置优越，大亚湾与惠州接壤，大鹏湾与香港新界隔海相望。随着海洋经济的快速发展，深圳东部海域在深港惠经济合作体系中逐渐发挥重大作用。然而，海洋资源的不断开发利用，使得海水入侵、资源锐减和污染加重等问题日益突出，海洋生态环境逐渐处于超载状态^[1-4]。

承载力概念初现于18世纪末期，主要用来研究资源、环境、人口的可持续发展。1798年，Malthus提出资源环境对人口增长起限制作用^[5-6]。Brush等人根据土地承载力的内涵，开展了土地资源承载力研究^[7]。目前承载力的研究领域主要集中在资源、生态、人口等陆地领域，对于海洋生态环境承载力的量化研究较少。海洋生态环境承载力是指在一定的时间范围内，不对海洋资源和生态环境造成重大危害，以可持续发展为原则，海洋生态系统所能承受的最大纳污限度和自我修复能力^[8-9]。本文以承载力理论为基础，通过构建多层次指标体系和状态空间评价模型，对深圳东部海域生态环境承载力进行量化评价。

1   材料与方法

1.1   指标构建原则

本研究以海洋生态环境承载力概念内涵为依据，按以下基本原则构建指标体系^[10-12]。

① 独立性原则：指标间相互独立，并充分反映海洋生态、环境、资源、经济与社会现状之间的关系。

② 代表性原则：选择代表性指标，综合反映承载力的状况，突出研究重点。

③ 可操作性原则：考虑数据获得以及量化的难易程度，尽量选择易于统计计算的相关指标。

④ 可比性原则：兼顾指标的可比性特点，方便与沿海不同省市进行适当的比较。

1.2   评价指标体系

本研究以P-S-R概念模型(图 1)为理论依据，运用SPSS统计分析软件, 采用线性回归法分析指标间的多重共线性，建立了以“压力”、“状态”、“响应”三个层面的评价指标体系(表 1)。其中压力层包含12个指标，状态层包含9个指标，响应层包含7个指标。压力指标主要指外界条件给生态环境带来的影响，分为正压和负压；状态指标主要指区域环境的实际状况，例如人均可利用面积、环境现状等；响应指标主要指生态系统在遭受外界压力时所产生的可持续发展的应对措施^[13-14]。

图  1  海洋生态环境承载力P-S-R指标体系概念模型

Fig.  1  The P-S-R concept model for carrying capacity of marine ecology and environment

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表  1  深圳东部海域生态环境承载力评价指标体系

Tab.  1  The carrying capacity evaluation indicator system in Shenzhen eastern coast

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1.3   承载力量化模型研究

本研究不同于传统的承载力研究方法，采用量化评价模型对承载力定量研究。状态空间法是欧氏几何空间用于定量描述系统状态的一种有效方法，通常由代表系统各要素状态向量的三维状态空间轴组成^[15-16]，本研究的三维状态空间轴分别为人类活动轴、环境轴和海洋资源轴(状态空间模型如图 2所示)。状态空间中的原点与系统状态点所构成的矢量模用来定量描述海洋生态系统的承载状况。

图  2  状态空间评价模型

Fig.  2  The state-space evaluation model

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在图 2状态空间模型中，空间的任何一点均能代表海洋生态系统承载力状况。图 2中C点代表人类活动与海洋生态系统达到理想状态的承载点，A、B、D点分别代表不同的人类活动强度下海洋生态环境的承载状况。任何高于该曲面的点代表海洋生态环境系统处于超载状态(例如B点)，任何低于该曲面的点代表系统处于可载状态(例如A、D点)。因此，本文以原点与状态点的矢量模代表海洋生态环境承载力大小，其数学公式如下：

式中：CCMEE为海洋生态环境承载力值(carrying capacity of marine ecology and environment)的大小；|M|代表原点与状态点的矢量模；x_ir为海洋系统中各指标理想状态下的空间坐标值(i=1, 2, 3，…n)；w_i为指标权重；n为指标数量^[17-18]。

现实中与理想状态下的海洋生态环境承载力仍有相当差距，本研究将现实的海洋生态环境承载力定为CSMEE(carrying state of marine ecology and environment)，根据模型分析可知：

当|CSMEE|＞| CCMEE|时，即现实承载力大于理想承载力，可载；

当|CSMEE|＝| CCMEE|时，即现实承载力等于理想承载力，满载；

当|CSMEE|＜| CCMEE|时，即现实承载力小于理想承载力，超载；

通过各指标的标准化处理，假定处理后的指标理想值为：1, 1, 1，…, 1(n个)，即状态空间中承载力曲面X_maxOY_max(O为坐标原点)上任意一点与原点构成的矢量模为1，故海洋生态环境承载力理想值为1，即CCMEE=1；当|CSMEE|＞1时，可载；|CSMEE|＝1时，满载；|CSMEE|＜1时，超载。

1.4   指标数据来源及预处理

1.4.1   数据来源

本研究共选取了28个评价指标，原始数据主要来源于2011~2015年《深圳市统计年鉴》、2012~2015年《大鹏国民经济和社会发展统计公报》、《大鹏监测季报》、2011年《龙岗区统计年鉴》、2013年《大鹏统计年鉴》等统计数据^[19-23]，其中2011年数据主要取自深圳市龙岗区葵涌、大鹏、南澳三个街道相关数据。

1.4.2   理想值的确定

评价指标理想状态值直接影响承载力的定量计算。因此在确定评价指标理想值时主要考虑以下两点：(1) 以区域海洋的可持续发展为准则，兼顾海洋经济、资源与人类生活质量的协调发展；(2) 从政府决策着手，考虑区域时间内环境保护与经济持续健康发展。实际操作过程中，本文采取实地调研、专家咨询法，并参照国内外相关标准综合确定各指标理想状态值。

1.4.3   数据标准化

评价指标有正负两种类型，属性值越大越好的为正向型指标，属性值越小越好的为负向型指标；由于各因子间的量纲不统一，无可比性，因此需要对评价指标进行标准化处理。不同类型的指标有不同的标准化计算公式^[24-25]。

其中正向型指标按下式计算：

式中：Z_ij为标准化指标值；y_jmax为指标y_j的最大值；y_jmin为指标y_j的最小值。

负向型指标计算公式如下：

式中各符号含义同式(2)。

1.4.4   评价指标赋权

不同指标对承载力的影响程度不同，因此指标权重至关重要，直接影响海洋生态环境承载力的评价结果。鉴于专家打分法及经验法的主观性，本文选择主成分分析法(PCA)、熵值法和等权重法这三种客观赋权法对各指标分别赋权，作纵向分析，得到的赋权结果如表 2所示。

表  2  深圳东部海域生态环境承载力指标权重

Tab.  2  The weight of carrying capacity evaluation indicators in Shenzhen eastern coast

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2   结果与讨论

2.1   承载力结果

根据表 2各指标权重，将标准化后的各指标值代入承载力公式(1) 中，计算得到3种不同赋权法下的海洋生态环境承载力量化值，结果见表 3。

表  3  深圳东部海域承载力量化值

Tab.  3  The carrying capacity in Shenzhen eastern coast

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从图 3可见，这3种指标赋权法在对深圳东部海洋生态环境承载力的定量评价中虽然存在部分差异，但反映的承载状况和趋势相对一致，承载力值均介于0.5~2之间，结果较客观。根据表 3中结果可知，2011~2015年期间，深圳东部海域承载状况较理想，仅2012年超载，其他4 a海洋生态环境承载力量化值均大于1，处于可载状态，但2011年和2013年承载力值均接近1，处于临界超载状态，2014~2015年海洋生态环境承载力值逐步递增，承载状况得到较大改善。

图  3  三种赋权法下承载力趋势与对比值

Fig.  3  Trend and comparison of capacity under three weight methods

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2.2   实证分析

大鹏半岛作为深圳市面积最大，保护最完好的滨海新区，其本身的环境纳污能力和修复功能较强。近年来随着国家生态文明建设政策的提出，深圳市政府加大环保支持力度，调整海洋产业结构，实现资源、人口、生态环境协调发展。这些举措对缓解海洋生态环境压力作用较大，因此，2014~2015年深圳东部海域承载状况趋于好转。

以各指标承载结果为依据，可对深圳东部海域超载和临界超载情况进行比较全面的分析。2012年深圳东部海洋生态环境承载力评价指标中有14个指标值超载，指标超载率高达50%，其中COD浓度、赤潮发生频次和赤潮发生累计面积这3个负指标值远高于理想状态值，科研技术投资额和城市污水集中处理率这2个正指标值远低于理想状态值。2011年和2013年，深圳东部海洋生态环境承载力值均接近1，处于临界超载状态，两年均有11个指标值超载，承载状况较好的2014年和2015年，指标超载量分别为9个和7个。综合2011~2015年各指标情况和权重分析，连续5 a超载的负指标主要为：人口自然增长率、COD浓度、万元GDP水耗、万元GDP电耗、平均气温、赤潮发生频次和赤潮发生累计面积等7项，该7项指标均对深圳东部海洋生态环境承载状况产生较大影响，各指标承载力值均低于理想值，其中2012年深圳东部海域发生赤潮6次，累计面积达52.5 km²，此两项指标值与其他4 a该指标值存在明显差异，可能是导致2012年深圳东部海洋生态环境呈现超载状态的较大因素。赤潮的发生受多种环境因素的影响，水体中营养盐是其发生的物质基础，因而其发生频率和规模可以表征水体中富营养化水平及环境承压的程度。2012年深圳全年降水偏少，局部暴雨较多，水体纳污自净能力降低，加之污水处理设施不足，COD和营养盐水平急剧上升，因而2012年深圳东部海域赤潮发生较频繁，海域生态环境超载现象突出。2011~2013年，环保投入额、科研技术投资额、城市污水集中处理率、生活垃圾年处理量、污水年处理量等5项正指标值均低于理想值，东部海域承压能力较弱，可能缘于大鹏新区始建于2011年底，各项基础配套设施尚未完善，不足以承受生态环境的巨大压力；2014~2015年，各项正指标值逐步增大，基本达到理想状态，生态环境承载力状况趋于好转；由此可见环保、科研等投入及污水、垃圾等妥善处理对提高海洋生态环境的承载能力起着一定作用。

3   结论

(1)2011~2015年造成深圳东部海洋生态环境超载的负指标主要有7项，分别为：人口自然增长率、COD浓度、万元GDP水耗、万元GDP电耗、平均气温、赤潮发生频次和赤潮发生累计面积；其中赤潮发生频次过高和赤潮发生累计面积过大可能导致海域超载现象突出。

(2)2011~2013年，深圳东部海洋生态环境指标体系中环保投入额、科研技术投资额、城市污水集中处理率、生活垃圾年处理量、污水年处理量等5项正指标低于理想值，深圳东部海域生态环境处于超载或临界超载状态；2014~2015年各项正指标承载力值均达到理想值，深圳东部海域生态环境处于可载状态，承载状况趋于好转，故正指标是否达到理想值对海域承载状况有一定影响。