贝类养殖的生态承载能力：以生态系统质量为视角的中国长山群岛案例研究

《Aquatic Living Resources》：Ecological carrying capacity of shellfish aquaculture: An ecosystem-quality approach in the Changshan Archipelago, China

本研究提出基于生态系统质量的主成分分析法评估养殖容量，通过情景模拟发现壳类养殖密度与生态系统指标呈非线性关系，最佳密度为33.58 t/km2，较现状低73.3%。该方法结合EwE模型多指标分析，有效识别关键生态影响参数，提升评估客观性。

　　### 生态承载力评估：以壳类养殖为例

在现代海洋经济中，水产养殖已成为提供高质量动物蛋白和促进沿海地区经济发展的重要手段。随着养殖产量的增加，某些区域面临着诸如不合理的养殖布局、不健全的产业结构以及过高的本地养殖密度等挑战，这些因素对海洋生态系统的可持续发展构成了潜在威胁。因此，科学地评估养殖活动的生态承载力，对于优化养殖模式、提高海洋资源利用效率具有重要意义。本文提出了一种基于生态系统质量的新方法，用于评估壳类养殖的生态承载力，并在山东长山群岛水域中应用该方法，得出壳类养殖的生态承载力为33.58吨/平方公里，大约是当前养殖密度的73.3%。

### 评估方法的背景与意义

生态承载力的评估是实现可持续发展的重要工具。传统的评估方法往往依赖于生态系统的静态指标，如能量效率（EE）或最大可持续产量（MSY），这些方法虽然在一定程度上能够反映养殖活动对生态系统的影响，但其局限性在于未能全面考虑生态系统的整体结构和功能。此外，这些方法可能忽略了生态系统中复杂的相互作用关系，导致评估结果存在偏差。本文提出的方法则基于生态系统质量，通过情景模拟和主成分分析（PCA）来综合评估养殖密度对生态系统的影响，从而更准确地确定生态承载力。

### 方法概述

本文的方法主要包括以下几个步骤：首先，通过情景模拟构建生态系统质量指标，然后利用PCA分析这些指标，以确定最优的养殖密度。具体而言，研究团队基于Ecopath模型，对长山群岛的生态系统进行了详细模拟，并设计了不同养殖密度的情景。这些情景涵盖了从当前养殖密度的1%到最大生产力的多个梯度，以确保全面覆盖各种可能的养殖模式。通过调整养殖密度，同时保持浮游植物的能量效率不变，研究团队优化了养殖密度，以实现最大生产力。此外，通过PCA分析，团队对不同养殖密度下的生态系统质量指标进行了综合评估，以确定最优的生态承载力。

### 情景模拟与指标分析

情景模拟是本文方法的核心部分。研究团队设计了多个养殖密度情景，从当前密度的1%到最大生产力的70吨/平方公里，共18种情景。在每个情景中，养殖密度被调整，同时保持浮游植物的能量效率不变。这种调整有助于优化养殖密度，从而提高系统的生产力。通过这一过程，研究团队获得了不同养殖密度下生态系统的各项指标，包括总初级生产力与总呼吸（TPP/TR）、总初级生产力与总生物量（TPP/TB）、净系统生产力（NSP）、总生物量与总系统通量（TB/TST）、系统杂食性指数（SOI）、芬恩循环指数（FCI）、芬恩平均路径长度（FML）、捕食循环指数（PCI）以及升腾度与承载力比值（A/C）。这些指标反映了生态系统在不同养殖密度下的状态变化。

### 生态系统质量指标的变化趋势

从生态系统的发育指标来看，TPP/TR、TPP/TB和NSP之间存在显著的正相关关系（R2 > 0.95，p < 0.01），表明随着养殖密度的增加，这些指标的变化趋势趋于一致。然而，TB/TST则表现出线性上升的趋势，说明总生物量与总系统通量之间的关系较为稳定。在食物网复杂性指标方面，FML和FCI之间也存在显著的正相关关系，而PCI则表现出线性下降的趋势。这些指标的变化趋势表明，养殖密度的增加会对生态系统的不同方面产生不同的影响。

从生态系统结构有序性指标来看，信息指数在当前养殖密度下仅略有下降（从1.160降至1.134），表明生态系统的整体状态较为稳定。H多样性指数在当前养殖密度的40%（即18.32吨/平方公里）时达到最大值，之后逐渐下降，这表明生态系统的多样性在这一密度下最为丰富。承载力指数则在当前养殖密度的1.1倍（即50.38吨/平方公里）时达到峰值，随后逐渐下降。这些变化趋势为确定生态承载力提供了重要的参考依据。

### 生态承载力的评估结果

通过PCA分析，研究团队发现前两个主成分（PC1和PC2）能够解释99.4%的总变异，其中PC1解释了87.9%的变异，主要反映了养殖密度的梯度变化趋势。PC2则主要与生态系统质量相关，解释了11.5%的总变异。通过分析PC1和PC2的得分，研究团队估计了在最优养殖密度下的生态承载力，即33.58吨/平方公里。这一结果表明，当前养殖密度（45.80吨/平方公里）超过了生态承载力，存在约28%的过载。

### 生态系统质量提升的潜力

在生态承载力情景下，研究团队发现生态系统的关键指标得到了显著改善。例如，连接指数、多样性指数和信息指数均显著提高。具体而言，捕食循环指数（PCI）从5.71%增加到6.72%，H多样性从1.76增加到1.82。这些变化表明，生态承载力情景下的生态系统质量得到了有效提升，从而有助于维持生态系统的稳定性和健康。

### 方法的优势与局限性

本文提出的方法在评估生态承载力方面具有显著优势。与传统的EE、MSY和FC方法相比，该方法通过情景模拟和PCA分析，能够更全面地评估生态系统质量，从而提高评估的准确性。然而，该方法也存在一定的局限性。首先，Ecopath模型的空间分辨率有限，可能导致生态承载力的高估或低估。其次，模型未能充分考虑非线性物种相互作用，如疾病传播和共生关系，这可能影响生态承载力的稳定性。最后，该方法仅能提供整个研究区域的总体生态承载力，而无法反映不同区域的生态承载力分布。

### 未来展望

尽管本文的方法在评估生态承载力方面取得了一定的进展，但仍需进一步优化和扩展。未来的研究可以关注提高模型的空间分辨率，以更准确地反映不同区域的生态承载力变化。此外，还需要考虑非线性物种相互作用，以增强模型的预测能力。最后，研究团队建议将该方法应用于更多不同的养殖区域，以验证其在不同生态系统中的适用性。

### 结论

本文通过情景模拟和PCA分析，提出了一种基于生态系统质量的生态承载力评估方法，并在长山群岛水域中应用该方法，确定了壳类养殖的生态承载力为33.58吨/平方公里，大约是当前养殖密度的73.3%。这一结果为管理长山群岛国家公园的养殖活动提供了科学依据，同时也为其他面临人类与土地冲突的生态系统提供了新的评估框架。通过这种方法，可以更有效地管理壳类养殖，确保生态系统的健康和可持续发展。