孙 欢，谭晓璇，屠建波，姜旭娟，马玉艳
（1.国家海洋局天津海洋环境监测中心站，天津 300457；
2.自然资源部海洋咨询中心，北京 100161）
海洋资源环境承载力是衡量人类社会经济活动与区域海洋资源环境系统协调程度的重要标尺，是可持续发展理念的重要体现，在评价资源环境承载力基础上开展国土空间规划和管控是实施生态文明建设的必然条件[1-2].天津市地处环渤海经济圈的中心地带，是中国临近内陆国家的重要出海口，其较早开展围填海活动，是全国海域开发强度较高的区域之一.据调查，截至2018年，天津市的自然岸线长度仅为14 km，围填海面积达36 000 hm2，海洋空间资源已经成为制约环渤海区域经济增长的短板[3-4].开展天津市海洋空间资源承载能力研究是促进区域协调发展，引导地方科学管海、合理用海的重要手段.
近年来，天津市涉海承载力的评价方法主要有系统动力学法、模糊综合评价法、单项评价法、集对分析法和因子分析法等，评价内容包括海洋资源、环境、生态和经济等一个或多个方面[5-12].狄乾斌等[11]和薄文广等[12]开展了天津市海洋资源承载力评价，涵盖的海洋资源包括用海及滩涂面积、油气产量、盐业产量、养殖及捕捞产量、码头数量等，但未对海洋空间资源承载力进行针对性评价；
曹可等[13]开展了津冀海域的开发利用承载力评价，但在海洋空间资源方面仅考虑了岸线以下海域资源的开发利用状况，未将岸线资源纳入评价指标体系.构建评价指标体系有2种常见方式：一种是基于压力-状态-响应模型，如苏蔚潇[6]利用PSR概念模型，构建了天津市滨海新区海岸带区域生态环境综合承载力评价模型，于谨凯等[14]基于PSR模型进一步扩展构建了海域承载力评价模型，以我国近海海域为例进行了实证研究；
另一种是以压力类、承压类和弹性类指标作为一级指标的多级评价指标体系，如王艳艳等[15]构建了沿海区域可持续承载力的预警指标体系，张静等[16]构建了广东省海洋资源环境承载力评价体系，并借助熵权法和TOPSIS模型计算承载力水平.
本文在分析天津市海洋空间资源影响因素的基础上，以外业调查结果、实验室分析数据、遥感解译数据为基础，利用因子分析方法对长时间序列下的天津市海洋空间资源承载力进行评价，采用自然间断点法对评价结果进行分级，进而判定海洋空间资源承载力水平，以期更好地解决天津经济发展、资源配置与海洋空间资源之间的平衡与协调问题，促进区域社会经济与资源环境的可持续发展.
1.1 构建指标体系
与其他海洋类资源不同，海洋空间资源一旦被利用，很难受到海洋经济发展、科学技术进步和短期自身修复等的影响而产生弹性变化.因此，本文以压力类和承压类指标作为一级指标构建天津市海洋空间资源承载力评价指标体系.压力类指标主要反映人类开发利用活动对海洋空间资源的占用情况；
承压类指标主要反映区域资源环境在海洋空间资源开发利用下的状态.天津市在发展经济的同时，对海洋空间资源进行了大规模开发利用，海域开发强度和岸线开发强度空前，因此海洋生态环境受到了严重的负面影响.压力类指标主要包括海域和岸线两个方面，以填海成陆面积和人工湿地面积来表征海域开发强度，以岸线人工化指数来表征岸线开发强度.海洋空间资源被占用主要表现为自然湿地和自然岸线的减少以及人工建（构）筑物的增加，由此也导致了海湾水动力条件改变、生物多样性降低以及近岸水环境和沉积物环境恶化等问题，因此从海洋空间资源现状、水动力环境状况、生物生态状况、海水水质状况和海洋沉积物状况5个方面反映天津市海洋空间资源的承压状态.根据数据的可获得性、指标的代表性和科学性，最终构建了包括2个一级指标、7个二级指标和12个三级指标的指标体系，以此评价天津市海洋空间资源承载力状况，如表1所示.
表1 天津市海洋空间资源承载力评价指标体系Tab.1 Evaluation index system of marine space resources carrying capacity in Tianjin
1.2 研究方法
在进行承载力评价时，应全面考虑影响海洋空间资源承载力的因素，选取尽可能多的指标，提高评价结果准确度[20]，但冗杂的数据会使分析过程复杂化[21]，指标过多也使数据获取存在困难.因子分析法可以对指标进行筛选，用较少具有代表性的数据反映原始资料的大部分信息，遴选出主控因子，从而抓住问题本质，同时实现分析评价简单化[20].具体分析步骤如下：
（1）数据标准化
由于各变量的单位不同且数据差异较大，为了消除因量纲不同所带来的影响，在计算之前对原始数据进行标准化.研究采用极差标准化的方法，标准化后的变量均处于[0，1]之间.公式如下：
（2）因子分析数据学模型
将标准化后的各变量用一组公共因子变量的线性组合来标识，得到如下矩阵：
式中：F1，F2，…，Fr为原变量的公因子（r≤m），且互不相关；
A={aij}是各因子的载荷矩阵，表示第i个变量信息落在第j个公因子上的重要程度；
U为特殊因子，表示原变量不能被因子解释的部分.利用基于主成分模型的主成分分析法求取因子载荷矩阵，从相关阵出发求解，利用相互正交的特征向量和矩阵转换的可逆性对主成分矩阵进行特征根矩阵变换得出[22].
（3）相关性检验判断
对标准化后的变量进行KMO和巴特利球形度检验，当KMO检验系数＞0.5、巴特利球形度检验显著性水平P＜0.05时，评价体系才有结构效度，方能进行因子分析[20].
2.1 评价基准年选择
天津市海洋空间资源承载力的压力类指标主要包括岸线开发强度和海域开发强度，因此需综合考虑岸线和海域资源的开发利用状况，合理选择评价基准年.本文基于长时间序列下的卫星遥感影像，提取自1995年以来天津市各年份自然岸线长度和围填海占用滨海自然湿地面积两个指标数据，结果如图1所示.
图1 1995—2018年天津市自然岸线及滨海自然湿地减少情况Fig.1 Reduction of natural coastline and coastal natural wetland in Tianjin from 1995 to 2018
由图1可以看出，2000年以前，天津市自然岸线长度基本维持在30 km左右，期间自然岸线长度主要受河口冲淤及沿岸小规模海水养殖的影响，变化较小；
2001年开始，自然岸线长度逐年减小，7年间减少了53%，2007年自然岸线长度仅为13.6 km.结合围填海活动对滨海自然湿地的占用情况，滨海湿地面积首次减少出现在1996年，但该年被圈占的自然湿地主要用于海水养殖，未彻底丧失滨海湿地属性；
2002年滨海湿地面积减少出现第2次峰值，约600 hm2滨海自然湿地被圈占，后被陆续围填成陆，区域属性发生根本性变化，滨海自然湿地面积明显减少，海域空间资源减少，因此将2002年视为天津市规模性围填海的开端.综上，将2001年作为天津市海洋空间资源承载力评价基准年.
2.2 定量评价
基于标准化后的数据，利用SPSS 24.0进行因子分析，KMO检验系数为0.616（>0.5），巴特利球形度检验值P=0.000（＜0.05），表明评价体系具有结构效度，可以进行因子分析，结果如表2所示.
表2 因子提取结果Tab.2 Total variance explained
由表2可知，前4个因子的方差累积贡献率达到了94.812%（>85%），符合因子分析的要求，可认为这4个因子反映了原始变量的绝大部分信息，因此将其作为主要因子，分别定义为F1、F2、F3、F4.
唐红梅等[20]采用因子分析降维的方法，对云南省22条泥石流沟的危险性开展评价，评价结果精度与文献[23]相当，且工作量显著减少.考虑到数据获取难度和评价方法在实际工作中的可推广性，本研究采用最大方差法旋转后的因子载荷矩阵.根据公式λj=
以4个因子的方差贡献率计算得到相应权重系数，分别为0.612、0.175、0.117、0.096，将成分矩阵与因子权重系数进行线性组合得到各指标的综合相关系数，结果如表3所示.选取综合相关系数＞0.5的指标开展天津市海洋空间资源承载力评价，即填海成陆面积X1、岸线人工化指数X3、自然湿地面积X4、自然岸线保有率X5、纳潮量X6、水交换率X7、潮流速率X8和优良水质面积比例X11共8个指标.
因子得分系数矩阵如表4所示.根据表4计算2001—2018年各年份中F1、F2、F3、F44个因子关于8个指标的因子得分，结果如表5所示.
表4 因子得分系数矩阵Tab.4 Component score coefficient matrix
表5 因子得分Tab.5 Component score
海洋空间资源承载力=0.612F1+0.175F2+
根据式（2）计算2001—2018年各年份天津市海洋空间资源承载力指数，结果如表6所示.
表6 天津市海洋空间资源承载力指数Tab.6 Index of the carrying capacity of marine spatial resources in Tianjin
2.3 评价结果分级
参照文献[24]中海洋空间开发适宜性评价承载等级的分级方式，将天津市海洋空间资源承载力水平分为5个等级，分别为低、较低、一般、较高、高.任何数列之中都存在一些自然（非人为设定）转折点，这些转折点本身具有统计学意义，是分级的良好界限[25].自然间断点法可以基于从数据中继承的自然分组，将分类间隔进行识别，从而对相似值进行恰当分区，使各分区之间的差异最大化[26]，因此被视为少量数据集的最佳划分方法[25].本研究将天津市海洋空间资源承载力指数数列以自然间断点法进行分级，得到各级承载力水平阈值，即承载力水平低、较低、一般、较高、高对应的承载力指数区间分别为≤0.081、0.081～0.125、0.125～0.271、0.271～0.494、＞0.494.天津市海洋空间资源承载力水平评价结果如表7所示.
表7 天津市海洋空间资源承载力水平Tab.7 Level of the carrying capacity of marine spatial resources in Tianjin
3.1 指标筛选结果分析
从综合相关系数大小方面看，所选8个指标的综合相关系数排序为：填海成陆面积＞纳潮量=水交换率＞自然湿地面积＞潮流速率＞自然岸线保有率＞岸线人工化指数＞优良水质面积比例.填海成陆面积与4个主要因子（F1、F2、F3、F4）的相关性最强，综合相关系数为0.646；
优良水质面积比例与4个主要因子的相关性最弱，综合相关系数为0.558.可见，填海成陆面积指标对天津市海洋空间资源承载力评价结果的贡献最大，是影响天津市海洋空间资源承载力的最主要因素；
纳潮量和水交换率的综合相关系数均为0.644，同列所有指标的第2位，是影响天津市海洋空间资源承载力的重要因素；
自然湿地面积、潮流速率、自然岸线保有率和岸线人工化指数的综合相关系数均处于0.624～0.639之间，虽低于纳潮量和水交换率，但变化幅度很小，同样是影响天津市海洋空间资源承载力的重要因素.
从筛选指标所反映的天津市海洋资源环境状况来看，选定的8个指标综合反映了天津市海域和岸线的开发强度、海洋空间资源现状、水动力环境状况和海水水质状况，保证了原始指标体系压力-承压结构的完整性.海域和岸线开发强度各入选1个指标，分别为填海成陆面积和岸线人工化指数，这与天津市海洋空间资源压力来源分析结果相符.反映海洋空间资源状况的2个指标和反应水动力环境状况的3个指标均全部入选，表明海洋空间资源和水动力环境是承受来自海域开发和岸线开发压力的主要承压体.优良水质面积比例可以综合反映近岸海域海水水质状况，但在8个选定指标中，其综合相关系数最低，表明海水水质状况不是海域和岸线开发压力的主要承压体，但对天津市海洋空间资源承载力仍有重要影响.反映海洋生物生态状况和海洋沉积物状况的指标未入选，表明海洋生物生态状况和沉积物状况的改变不是天津市海洋空间资源承载力变化的主要原因.为降低数据获取难度，减少评价工作量，删减了相关指标，但这并不能说明海洋空间资源承载力变化与海洋生物生态状况和海洋沉积物状况无关.
3.2 因子分析法降维前后评价结果对比
将因子分析法降维前的12个指标数据代入因子得分系数矩阵得到4个因子关于12个指标的因子得分，利用海洋空间资源承载力计算公式和自然间断点法得到的天津市海洋空间资源承载力指数和承载力水平评价结果如表8所示.从评价结果可知，采用因子分析法降维后的天津市海洋空间资源承载力水平评价结果与降维前的评价结果高度一致，准确率达到88.9%.仅2011年和2015年降维前后的评价结果略有差异，而2011年降维前的承载力指数为0.327，恰好是区分承载力水平“一般”和“较低”的间断点，按照自然间断点法阈值划分原则，将该值作为承载力水平评价结果“较低”的边界值，从而得到2011年的评价结果.因此认为因子分析法降维前后评价结果存在的差异是可接受的.综上，本研究所用评价方法在确保评价结果准确率在85%以上的基础上，使评价指标得到了缩减，评价过程简单化，在具有可靠性的基础上更具推广性.
表8 评价结果对比Tab.8 Comparison of evaluation results
3.3 天津市海洋空间资源承载力评价结果
由表6和表7可以看出，2001—2018年天津市海洋空间资源承载力指数呈现降低趋势，表明近20年随着经济的发展，海洋空间资源对经济的贡献率提高，但承受的压力也越来越大，海洋空间资源承载力水平不断降低.2001—2004年天津市海洋空间资源承载力水平为“高”，围填海活动在这些年份虽已开始，但还没有形成较大规模，同时，海域的水质、生物生态、沉积物、水动力等与空间资源承载力相关的要素还未受到明显影响.2004—2013年是天津市海洋空间资源承载力指数快速降低的10年，也是天津市岸线资源和海域资源被大规模开发利用的10年，10年间天津市自然岸线长度减少约13 km，累计新增围填海面积达35 200 hm2，承载力水平由“高”持续降至“低”，连降5级.但在2004—2013年间实际获得审批的围填海面积仅为12 260hm2，占填海总面积的34.8%.未批先填问题是该时期内海洋空间资源承载力快速降低的重要原因.在自然岸线与滨海自然湿地同时减少的双重影响下，2004—2007年间海洋空间资源承载力指数的降低速率要明显高于2007—2013年.2007年以后，自然岸线长度基本保持稳定，围填海导致的滨海自然湿地面积减少成为海洋空间资源承载力降低的最主要原因.随着围填海存量土地增多、滨海湿地保护意识的增强和国家严控围填海政策的颁布与实施，2013年开始，天津市海洋空间资源承载力指数虽有小范围波动，但整体保持稳定，承载力始终处于“较低”或“低”水平.
3.4 提升天津市海洋空间资源承载力的对策
根据承载力变化趋势和原因分析，天津市提升海洋空间资源承载力应从以下几个方面着手：①建立海洋空间资源承载力的监测预警机制，准确掌握承载力变化情况，管理部门对承载力下降趋势及时做出政策反馈；
②加强对海洋空间资源利用行为的监管工作，同时发挥社会监督力量，建立公众参与和奖励制度，鼓励公众举报非法用海行为；
③在消化存量土地、避免新增围填海的基础上，不断推进围填海成陆土地的集约高效利用，鼓励优质项目向围填海闲置区域聚集；
④大力推进退养还滩、退养还湿、退围还海工作，给海洋留出空间，同时在“生态保护优先、自然恢复为主”的原则下，积极推进重要滨海湿地、沿海滩涂、岸线的生态保护和修复.
本文在分析海洋空间资源承载力相关要素的基础上，利用因子分析法将12个原始指标缩减为8个，降低了数据的冗余和获取难度，同时保证了指标体系的完整性.采用自然间断点法对近20年天津市海洋空间资源承载力定量计算结果进行分级，确定了分级标准，取得了可靠的评价效果.
（1）2001—2018年天津市海洋空间资源承载力指数呈降低趋势.2004年以前承载力水平为“高”；
2004—2013年承载力水平由“高”持续降至“低”，连降5级；
2013年以后承载力指数虽有波动但趋于稳定，始终处于“较低”或“低”水平.
（2）未批先填问题是天津市海洋空间资源承载力持续降低的主要原因，因此未来天津市应重点加强对海洋空间资源利用行为的监管工作并鼓励公众举报非法用海.同时应从建立承载力监测预警机制、集约利用围填海成陆土地、退养还滩还湿、退围还海等方面开展工作，提高天津市海洋空间资源承载力.
（3）研究在指标的选取方面仍存在不足之处，如海洋生物生态状况仅选择底栖生物相关指标表征，未将游泳动物、浮游生物相关指标纳入评价指标体系；
选定参与评价的8个指标中，反映海洋水动力环境状况的指标有3个，而反映海洋生物生态状况和海洋沉积物状况的指标却没有，虽然说明了海洋水动力状况是海洋空间资源承载力的重要影响因素，但指标体系可能不够完善.因此，在未来研究中应进一步对指标体系进行优化.
