海岸生态系统与经济社会发展的关系

来源:海洋知圈   发布时间:2020-09-11 11:11:49 
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海岸生态系统与经济社会发展的关系

作者:高抒

本文是高抒教授于2020年8月28日所做的河口海岸学国家重点实验室“2020年全国科技活动周”科普讲座。



    欢迎大家参与我们实验室为全国科技活动周而组织的这次视频讲座。今天我们讨论的主题是海岸生态系统与经济社会发展的关系。我想分四个论点来探讨这个主题。








01


海岸带经济社会发展:环境条件支配


    第一个论点是,海岸带经济承载力对于不同的海岸单元有明显的差异


    从环境条件支配论的观点来看,“好地方”决定于地理位置,也取决于历史发展的阶段。在农业时代,鱼米之乡是好地方;贸易时代,通商口岸是好地方;科技产业时代,通达宜居是好地方。在现代社会,如果这三者兼而有之,那就是最好的地方。我们的长三角、珠三角就是这样的地方。


    不过让人容易引起误会的一个说法是“大河三角洲都是最好的地方”。其实,在全球范围来看,情况并非如此。全球大河三角洲有20多个,但并非每个三角洲这样都能像长三角和珠三角那样,成为一个国家的经济重点发展地区。密西西比河三角洲在整个美国并不是经济最发达的地方,欧洲的多瑙河三角洲在整个流域里面也是经济相对落后的地方。总体上来看,河流三角洲既不是经济发达的必要条件,也不是充分条件。最重要的支撑条件实际上是海湾,其英文是“Coastal embayments”。海湾是在海岸线上向内陆凹入的一片水域。根据水域面积的大小,海湾有千平方公里量级的,有百平方公里量级的,也有十平方公里及其以下量级的。


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全球大河三角洲(图片来自高抒教授科普讲座)


    海湾面积的大小代表了资源量的大小,包括空间资源、景观资源、生物资源等等。因此可以想见,大的海湾能够支撑较大的经济发展规模,而小的海湾只能支撑较小的经济发展规模。所以说,海湾的经济承载力决定于海湾的规模。所谓经济承载力,是指一个海湾单元的经济总量的时间变化趋势曲线,初期的时候快速增长,达到一定阶段后将缓慢增长,最后可能进入一个平衡态。所以经济发展是要考虑经济承载力问题的,可持续发展更要考虑这个问题。



    在环太平洋地区,经济发达的重要海湾有美国的旧金山湾和日本的东京湾。这两个海湾的水域面积都达到了千平方公里的量级。而海湾附近的陆域,城市用地的规模达到了万平方公里的量级。长三角、珠三角为何能成为经济发展的重点地区?原因是这两个大河三角洲与所在的海湾即杭州湾、伶仃洋相联系。杭州湾水域面积达到了3000多平方公里。伶仃洋所在的地方形成粤港澳大湾区,水域面积有2000多平方公里。因此,大河三角洲广阔的陆域土地与大型海湾相结合,形成了典型的大湾区环境。这两个大湾区的环境甚至要优于旧金山湾区和东京湾区。


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粤港澳大湾区(图片来自CCTV1)


    综上所述,海湾构成了海岸带的基本单元,每个单元都有各自的经济承载力。从大河三角洲-大湾区体系到大中小湾区,经济承载力各有差异,不可能是一刀切的。

02


生态和经济承载力


    第二个论点是,海岸带经济承载力受到海湾生态承载力的制约


    经济承载力可以表示为GDP随时间的变化的曲线,它与多个因素有关,如人类活动方式和科技发展水平,但最基本的制约因素是海湾的环境条件,尤其是海湾生态系统状况。现在人们经常讲环境容量问题,就是考虑一个海湾的水质和生态系统在保持健康前提下可容许的人类活动最大物质输入和生态系统改变幅度问题。历史上,旧金山湾区和东京湾区都有过这样的问题。周边向海湾的污染物排放造成水质恶化,对水域生态系统的不恰当利用则导致生态系统退化。因此,海湾的整体质量就下降了,海湾的宜居环境受到威胁,对湾区的经济发展有很大的负面影响。在很长一段时间里,这两个湾区的人们都致力于环境整治和生态系统修复。


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   Odum & Barrett, 2009. 生态学基础(中译本)图片来自高抒教授科普讲座


    环境容量的研究,是试图确定人类排放和干预的限度,所以正确的环境容量指标是比较客观的,它应根据每一个海湾的水体规模生态系统特征而建立。由此可以推论,不同大小的海湾,环境容量也是非常不同的,这个特点跟经济承载力相一致。


    海湾环境容量,在一定程度上可以看成为生态系统承载力。污染物的排放,造成水质下降,影响生态系统特征。营养物质的过度排放就使得海湾水域的正常营养物质比例被破坏,引发赤潮。人类活动对生态系统的其他干预,如进行捕捞、水产养殖等,也会影响天然生态系统。因此,生态系统状况是海湾环境健康的标志,生态承载力可用来建立环境健康的判别指标。


    与经济承载力相类似,海湾生态承载力是生物量随时间的变化曲线。在生态系统形成的初期,生物量上升很快,然后就达到了平衡。

    

    海湾经济承载力和生态系统承载力之间,具有密切的联系。宏观上看,经济承载力是受到生态承载力制约的。经济承载力与生态承载力之间有四种可能的相关关系。


  • 第一,两者均未达到承载力曲线的破坏阈值。在这种情况下,经济发展的模式可以继续维持。我们国家经济发展的早期,特别是在上个世纪,就是处于这种情况。当时为了发展经济,特别关注生态系统的资源特征,把可能的资源尽量开发出来,为经济发展服务。但目前这种情况在重要的海湾当中已不复存在。

  • 第二,两种承载力中,生态承载力达到了破坏阈值。在这种情况下,经济承载力无论处于什么位置,都需要重新调整。要在生态承载力的约束下,重新构建经济承载力曲线,使之符合生态系统健康的要求。目前我们的很多海湾都已经处于这种状态。

  • 第三,两种承载力均已接近或达到了阈值。在这种情况下,可能需要对双边都进行调整。也就是说,一方面要对海湾的生态系统进行修复,比如渔业可用人工生态系统来替代,以便恢复原始的海湾自然生态系统,另一方面,也要对生产生活方式进行调整,包括调整产业结构、交通运输出行方式等。此种方式使得未来生态承载力和经济承载力都实现可持续的目标。在这个意义上,经济承载力是高度动态的,需要以生态承载力为参照经常进行实时调整。

  • 第四种情况是经济承载力达到了阈值,而生态承载力没有达到阈值。这种情况在目前的海湾环境下是很少见的。当然,即便有,也自然而然会由于社会调节而消失,不可持续的生产方式肯定会被改变。与前述三种情形不同的是,没有生态系统的制约,生产生活方式的调整有相当大的灵活性,有很多的路可走。


    上述关系告诉我们,如果要实现海岸带经济的可持续发展,就不仅要挖掘不同规模的海湾所在区域的经济发展潜力,而且要调整好经济承载力生态承载力之间的关系,对这个关系要进行优化

03


生态系统的资源禀赋和多种用途


    今天要探讨的第三个论点是,生态系统具有资源禀赋,可用以促进海湾经济的发展。


    我们经常讲资源、环境、生态、灾害和人地关系问题。但实际上,这些问题是不能割裂的,生态系统本身就同时具有资源环境生态灾害的各个方面的关联性。从生态系统当中,可以找出很多可利用的资源,这本身也是海岸经济的一个组成部分。


    生态系统在保障海湾经济发展的总体格局里,应该能够发挥更大的作用。举例而言,在海岸防护问题上,绿色海堤就涉及了海岸盐沼湿地生物礁


    在不同的海岸区域,自然灾害的防范重点是不同的。对于旧金山湾和东京湾,最大的自然灾害威胁来自于地震和海啸,所以这两个海湾都投入了大量的研究力量来解决地震和海啸的减灾防灾问题。我们这里的两个大湾区,长三角-杭州湾湾区和珠三角-粤港澳湾区,最大的自然灾害威胁是来自台风和风暴潮。


    从全球看,南亚孟加拉湾的风暴潮最为严重,其他区域的风暴,如西太平洋台风、西大西洋飓风、欧洲北海的冬季风暴等均可引发剧烈的风暴潮。为了防范风暴潮灾害,长三角-杭州湾湾区和珠三角-粤港澳湾区都提升了海堤建设标准,主要是基于灰色海堤建设工程概念,利用钢筋、水泥、抛石等来抵抗高水位和风暴大浪。在上海市,正在尝试使用海岸湿地的消浪功能,将湿地纳入海堤的组成部分。这个新发展有它的逻辑性,即为了降低海堤建设的成本,同时为了保护海的本身,让海岸湿地消耗掉一大部分波能。这是发挥生态系统功能的重要一步,尽管绿色海堤的建设工程规范还需要进一步完善。


    在气候变暖、海面上升、风暴加剧的背景下,海湾环境未来要面对更大的自然灾害,绿色海堤就更重要了。海面上升和风暴加剧将使得目前的高标准在不久的未来就变成较低的标准。因此,需要设法发挥生态系统的更大作用。


    在应对未来风暴潮灾害的绿色海堤蓝图当中,一种可选方案是建设双线海堤。内侧海堤挡水,外侧海堤防浪。这种水位波浪分治的海堤,更有利于生态系统的利用。在外侧防浪海堤之外,可以人工方式构建盐沼湿地的生态位。在这方面互花米草可以是可利用的资源。互花米草人工引种到我国,经常被认为是一种入侵物种,但互花米草的利弊要看具体情况,用得不好会对原生的生态系统造成不良影响,但对于绿色海堤互花米草却是非常合适的,它能够快速形成海堤前的盐沼湿地。在盐沼湿地的外围,还可以构建生物礁,热带区域有珊瑚礁,我们所在区域有可能形成比较大规模的牡蛎礁。盐沼湿地和牡蛎礁形成需要十到百年的时间尺度。如果从现在开始构建,那么对未来的海面上升风暴加剧就刚好能够发挥作用。绿色海堤建造需要更多地考虑和解决人工生态系统构建的技术问题。


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潮防浪分治的绿色海堤示意图(图片来自高抒教授科普讲座)


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海岸盐沼和牡蛎礁的景观(分别摄于上海崇明岛、南通海岸的潮滩; 图片来自高抒教授科普讲座

04


海岸生态系统变化新问题


    现在提出最后一个论点,全球变暖和人为干预下的海岸生态系统变化是一个重要科学问题,需要构建新理论新方法


    在全球变暖和人为干预下,生态承载力会发生明显的变化。这种变化达到一定的程度,有可能导致原有生态系统的崩溃。此后,新的生态系统可能发展起来,而变化了的生态系统,其生态承载力曲线,可能是非常不同的


    气候变化和人类活动如何影响河口海岸生态系统变化,是个实在的有内涵的科学问题。任何生态系统,如果所处的自然环境是稳定的,那么它就会形成稳定的生态系统,具有稳定的营养物质循环格局、营养级、食物网、生物多样性。但在外部因素的胁迫下,生态系统会发生变化,其系统和行为、影响因素和机理都会发生相应的变化。


    我们怎么知道气候变暖和人类活动干预造成了生态系统变化呢?目前是缺乏理论和方法的。河口海岸学国家重点实验室的研究主题是气候变化和人类活动影响下的河口海岸水、沉积物、环境和生态系统动力过程,这里千万不能把“气候变化人类活动影响”只是当成一个背景或一个口号,这两个因素是系统状态转换的内涵所在,要摆到理论的核心层,作为一个新系统来对待。


    在我们的研究中,经常把变化和不同相混淆。在逻辑关系上,变化可以导致不同,但不同不一定是代表变化。在同一个系统当中,可以有不同的行为和表现,这种情形叫做系统的多变性(Variability),它与系统变化(Change)是不同的概念。观测的先后和不同地点,必然可以揭示出不同,但要解释为系统变化的结果,还需要进一步思考。我们要建立一定的理论和方法,使之能够识别系统的多样性和变化,进而建立气候变暖和人为干预下的海岸生态系统动力学。


    从系统论的观点来看,一个系统的特征和行为,是由这个系统的所有影响因素及其变量的定义域(取值的变化范围)所决定的。在这个系统当中,所有的特征和行为,不管有多大的差异,都是由这些影响因素及其变动范围所决定的。我们过去的理论体系,就是基于对这样的系统的刻画。从动力学的观点来看,可以考虑这个系统的物质能量传输转换循环,所建立起来的方程是这个系统的控制方程。再加上一些参数化的处理,就可能构建预测这个系统特征和行为的模型。


    但现在的问题是新系统的影响因素和变量定义域都发生了变化。具体而言,就是气候变暖和人为干预这两个因素的加入。因此,对这个变化了的系统进行定量刻画,就需要有新的控制方程组。这个方程控制方程体系不仅要包含原来的影响因素,而且要把新的加进去。处理的方法有多种,如确定新的边界和初始条件;对方程中的某些项的表达式及其所相关联的参数进行调整,以便包含人为因素的定量表达;构建新的控制方程。人类活动当然也涉及到物质和能量的传输转换循环,但是人类活动经常是有信息传导的。信息的传递造成行动,行动造成系统变化。所以,对信息及其传递的表达是非常重要的。有可能需要建立信息控制方程加入到动力学模型中去。在这个方面,过去对生物过程的刻画也是有缺陷的,生物过程也是由信息传递引发物质能量变化,考虑信息控制方程,而不仅仅是借用统计结果。南京信息工程大学梁湘三教授信息流方程进行了研究,提出了一些好的想法,发展分辨相关性和因果关系的方法,值得借鉴。事实上。我们平常所讲的大数据方法,也应该通过信息控制方程与传统动力学方法相融合,提高系统的预测能力。不考虑动力学的大数据方法,其有效性仅限于稳定的系统,当系统发生变化的时候原来的相关关系就会受到影响,很可能不再成立。人工智能方法应追求高级智慧,不以高级相关性为满足。


    海岸生态系统变化导致生态承载力变化,进而改变经济承载力和生态系统承载力之间的关系,在此不再赘述。

    以上几个论点,是理顺海洋经济发展与生态系统健康之间逻辑关系的尝试。其中所包含的科学问题需要根据数据分析来获得答案。谢谢大家关注。

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