承载力理论起源于人口承载力，被用来衡量人类经济社会活动与自然环境之间的相互关系^[1]。20世纪中叶以来，资源、生态、人口危机促进了承载力研究纵深发展，逐步扩展到土地、水、能源等矿产资源在内的主要自然资源和环境承载力研究^[2]。随着发展视角转移海洋，资源承载力被广泛用于说明海洋生态系统承受发展和特定活动能力的限度，如海洋生物资源承载力。海洋生物资源承载力没有一个统一的概念，体现了一定时期、一定海域空间生物资源所能承载的人类各种活动的规模和强度阈值^[3]。海洋渔业是海洋生物资源的主要代表，也是海洋产业的重要组成部分，因此渔业资源承载力研究是生物资源承载力的基础和核心内容。

随着海洋捕捞渔获量的增长，渔业种群衰退、海洋生态系统失衡等问题凸显，国内外学者以渔业资源可持续利用为研究目标开展了广泛的研究，联合国粮农组织在1995年出版了《渔业管理参考点》，提出了基于参考点体系的预防性渔业管理技术框架，从资源和捕捞状态两个属性将渔业种群的管理目标划分为限制参考点(limit reference points, LRP)、目标参考点(target reference points, TRP)，并构建了集渔业资源评估、状态判别、渔获率控制法则于一体的渔业管理预警技术体系，这种体系在欧洲沿海国家、美国以及亚洲的日本、韩国应用于渔业实践，并以此为科学基础形成区域性的渔业管理法案^①。预防性渔业管理技术框架与资源环境承载力评价方法在基本内涵上表现出共性特征，即根据生态系统承受发展和特定活动能力的限度判断当前生态系统所处的位置，从而通过资源环境的内涵和系统特点延伸出不同形式的评价技术模式，如传统的承载力评价技术中的生态足迹法^[4-5]、系统动力学法^[6]、层次分析法^[7]、状态空间法^[8-9]以及预防性渔业管理中的渔业参考点法等。到目前为止，承载力评价仍聚焦于陆地或海洋生态环境，渔业资源承载力的研究相对较少，霍军^[10]通过状态空间法设计并构建了近海渔业资源承载力评估指标体系；杨洋等^[11]将预防性渔业参考点技术应用到承载力分析，以0.75MSY为阈值评估了浙江省海洋渔业资源承载力。然而渔业参考点方法对数据类型有较高的需求，在渔业管理的实践中，渔业参考点方法固化了科学建议的形式和渔业管理措施，限制了该方法在渔业资源承载力方面的扩展。

① The Magnuson-Stevens Fishery Conservation and Management Act (16 U.S.C.1801-1891(d))(2014)

交通灯方法(traffic light approach, TLA)是一种简化的有限数据条件下的渔业资源承载力评价方法，该方法可将表述渔业种群或生态系统现状的多重指标划分为红、黄、绿三个体系，分别代表了超载、临界超载和可载三个状态，最终通过指标集成来评价种群或生态系统的承载状况^[12-13]。本研究以2000年~2015年东海区小黄鱼(Larimichthys polyactis)为例，以资源禀赋指标为评判标准，应用交通灯理论开展种群层面的资源承载力诊断与评价，以丰富海洋渔业资源承载力评价技术与方法。

1   材料与方法

1.1   交通灯理论

交通灯方法最初由Caddy提出^[12-13]，发展理念和预防性管理框架相似，用于有限数据条件下渔业资源评估。该方法将资源健康相关的代表性指标分类为红、黄、绿三个体系，并把不同资源属性度量的多种指标信号进行集成，依据预定的得分体系汇总评价结果，提供种群或渔业健康状况的总体判读，最后根据集成结果制定完整的管理决策规则。依据上述分析程序，交通灯理论存在五个关键过程，分别为指标选择、阈值确定、尺度转化、指标集成和决策规则，相关的基础理论和实践应用在诸多文献中均有阐述^[14-15]。

指标是构建交通灯方法的基础组成部分，无论是理论和实践方面，选择的指标和资源现状应有直接关系，即选择的指标能够测度渔业或生态系统健康状况；指标的确证需要建立在生物学理论基础之上，或者是现行的具有科学基础的相关指标；适宜的指标通常具有简单、准确、易理解以及对资源变化灵敏性的特征。在种群层面，捕捞死亡系数和资源密度是反映种群变化的优良指标。

阈值是承载能力监测预警体系构建中的关键因子，并直接关系到资源环境承载能力监测预警工作的科学性和管理效能^[16]。在预防性渔业管理框架下，生物学限制参考点和目标参考点作为技术阈值将渔业管理分为两类，其中限制参考点是把捕捞限制在产生最高可持续产量的安全生物量限度内，防止出现过度开发的危险^[17]；目标参考点是所期望的捕捞或资源状态；交通灯体系下的阈值与生物参考点定义相似，黄色/红色阈值等同限制参考点，绿色/黄色为理想条件和非期望条件之间的缓冲区。

交通灯方法依据阈值将各属性指标分为红、黄、绿三个类别，这种方法被称为“绝对交通灯”。然而，从指标到信号灯转换涉及到不同的尺度和类型，指标值为连续变量，信号灯为离散变量，在将连续数值转化为离散变量时会出现信息损失。另外，指标值获取过程中可能会因一系列误差引起不确定性，状态之间的急剧转变也会存在感知问题，例如，当观测值极其接近阈值时，将会被划分为某种状态，这种“非此即彼”的绝对划分方法忽略了不同数值大小的权重。模糊逻辑提供了解决尺度转化过程存在不确定信息问题的一种方法，它通过建立模糊集合的隶属度函数，借助去模糊化过程实现变量的0~1范围内的精确化定义^[18]。在实际应用中，首先将连续指标按阈值分成超载、临界超载和可载3个模糊等级(分别以红、黄、绿表示)，然后通过模糊隶属函数将指标值分配隶属度，并通过建立模糊规则库输出相应的模糊集合，最终通过去模糊化将模糊集合转换成范围在0~1的数值，因此，输出的指标值既可能隶属于红色，也可能是绿色，只是隶属某种颜色的程度不同，但隶属度总和为1。隶属度函数是模糊逻辑的核心，本文建立三角形隶属函数分配隶属度(图 1所示)。

图  1  模糊交通灯分析方法

Fig.  1  Schematic for fuzzy traffic lights

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将不同属性的指标按照预定的规则加以整合，从而获取定性或定量的衡量渔业种群状态的评价体系。然而，由于指标的度量属性不同，其权重也并不等同。从统计学方法上，层次分析、熵值、均方差均是赋权的常用方法^[7]，不过在权重难以确定的情况下，将所有指标等权赋值是最简单和直接的用法。交通灯体系构建的最终目的是扩展到决策法则，从而通过不同的管理策略养护或修复渔业，但由于本文旨在诊断资源状态，评价承载力概况，并不再对决策规则开展论述。

1.2   研究区域及数据来源与处理

1.2.1   研究区域概况

东海区西临我国大陆，东到200 m等深线，是西北太平洋西部一个较开阔的边缘浅海。东海区大陆架海域包括海洋学上的黄海南部一部分和东海的广大海域，沿海有江苏、浙江、福建和上海等省市^[19]。本文研究区域位于江苏、上海和浙江海域，面积约为东海区73.6%。东海区是小黄鱼的主要分布区，黄海南部和东海小黄鱼种群为独立种群，栖息于江苏南部近海到福建北部沿岸海域^[20]。因此，东海区基本涵盖了该小黄鱼种群的主要栖息水域。但由于机轮拖网禁渔线划定，所有机轮拖网渔业均不能在禁渔区内生产。故研究区域的调查数据仅包含禁渔区以外海域。研究区域见图 2。

图  2  2000~2015年小黄鱼调查区域

Fig.  2  Survey areas for small yellow croaker during 2000~2015

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1.2.2   数据来源及处理

数据来源于2000年~2015年春季(4~5月)和夏季(8~9月)渔业资源调查，调查方式为双拖渔船，范围为26°30′N~35°00′N，机轮拖网禁渔线以深至150 m海域，每30′×30′设置一个站位。其中2008年~2009年调查渔船更换，不用于本次分析，因此实际时间序列14 a。交通灯分析指标包括亲体量丰度(ind/h)、补充量丰度(ind/h)和开捕期相对资源量(kg/h)，其中亲体量为性成熟个体，代表了种群的生殖潜力；补充量为进入渔场并能够捕捞的当年生个体，反映了种群的补充强度；开捕期相对资源量为休渔结束时的资源生物量，此时资源丰度在全年最高，代表了当年可被渔业开发利用的资源基础。

通过模糊逻辑技术将各资源指标在0~1之间精细化赋值。首先统计指标值的均值(Mean)、标准差(Sd)、置信区间(CI)，从而获得上限(UB)和下限(LB)。以Mean-2×LB、Mean-LB、Mean、Mean+UB、Mean+2×UB为阈值参数(表 1)，1，0.5，0，0.5，1为因变量，分别对红灯和绿灯构建线性回归模型，估算截距和斜率；然后以指标值为自变量，分别预测红灯和绿灯的得分值。任何预测值为负值时均设为0(若红灯为负值，绿灯应为正值。理论上只有指标值近似均值时，红灯和绿灯会同时为负值，这时可将黄灯值标为1，如图 1所示)，1和正值(红灯或绿灯)的差值则为黄灯值。最终可获得各指标在每个年份的交通灯颜色组合比例。将交通灯中的红灯、黄灯和绿灯分别定义为超载、临界超载和可载，根据选择的具体指标，超载代表了当下资源处于较低水平，限制后期的种群增长；临界超载为当下资源存在不确定性；可载为当下资源水平处于高位，有利于后期的种群增长。

表  1  模糊逻辑交通灯分析指标描述

Tab.  1  The description of indicators for fuzzy traffic lights

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式中：y_i1为第i指标的红灯预测得分值；Y_i1为红灯得分值；y_i2为第i指标的绿灯预测得分值；Y_i2为绿灯得分值；Y_i3为第i指标的黄灯得分值。

分别将各指标的交通灯颜色进行集成，获得复合交通灯得分，集成方式如下：

式中：i为指标；j为交通灯颜色；F_j为j灯在复合交通灯的得分；w_i为i指标的权重；Y_ij为i指标j灯的得分值；Y_i为i指标的总分值；n为指标数。本文采用等权重集成方法，w_i可为任意相等值。

2   结果与分析

2.1   生产力和丰度指标交通灯指数

亲体量丰度年际变化主要由黄色组成(图 3)，在2012年，黄色比例达到97.75%，尽管并未出现超载比例，但处于临界超载的严重区；在2000年、2006年、2010年、2014年，亲体量丰度处于相对较高的水平，绿色颜色比例分别占到19.22%、29.47%、42.55%和21.34%。2014和2015年均未有红色出现，但2015年绿色比例较2014年下降，黄色比例增加，表明亲体量丰度在临界超载状态呈进一步加剧的趋势。2000年以来，有8个年份在一定程度上出现超载的状况，其中2005年界定为超载的比例最高，达到62.85%，其次为2011年，界定超载比例为43.33%，其余年份均低于30%。

图  3  2000年~2015年东海小黄鱼亲体量丰度和交通灯颜色比例年际变化

Fig.  3  Inter-annual variation abundance and traffic color proportion for small yellow croaker spawning stock in East China Sea during 2000~2015

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小黄鱼补充量丰度常年小幅波动变化(图 4)，但2011年突变为最高值，达到5398 ind/h。从交通灯指数构成上，2011年为绿色，不存在超载。在各年份上，红色共出现11 a，反映出补充群体数量在不同程度上出现超载现象，其中2002年红色比例为95.25%，为最高的年份，2014年红色比例最低，为1.32%，红色比例超过30%的年份还包括2003年、2004年、2006年、2010年、2012年。根据近几年来的变化趋势，2012年~2015年，红色比例逐年下降，黄色比例逐年增加，表现出补充数量超载趋势减少，临界超载趋势增加，补充数量处于从超载向临界超载状态的转变；甚至到2015年，交通灯指数中红色比例消失，绿色比例占到34.84%，说明补充量在小幅程度上达到可载状态。

图  4  2000年~2015年东海小黄鱼补充量丰度和交通灯颜色比例年际变化

Fig.  4  Inter-annual variation of abundance and traffic color proportion for small yellow croaker recruit stock in East China Sea during 2000~2015

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开捕期资源丰度变化趋势与补充量较为相似(图 5)，该时期资源丰度由补充群体数量和剩余群体数量组成，其中又以补充群体为主。这部分群体数量成为新的渔业周期渔业资源利用的目标对象和基础。根据2000年~2015年交通灯指数变化情况，有8个年份出现红色，比例超过30%的年份包括2002年、2003年和2012年，但多数年份的红色比例均未超过50%(2003年为51.39%)，表明小黄鱼资源丰度仍以临界超载状态为主。2000年、2011年、2013年~2015年绿色呈不同比例变化，2011年达到69.25%。

图  5  2000年~2015年东海开捕期小黄鱼生物量和交通灯颜色比例年际变化

Fig.  5  Inter-annual variation of abundance and traffic color proportions for small yellow croaker at the beginning of fisheries in East China Sea during 2000~2015

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2.2   交通灯指数集成评价

对亲体量指数、补充量指数和开捕期资源丰度指数等权重集成，构建了复合交通灯指数，结果见图 6。小黄鱼资源状况在2000年~2014年均存在一定程度的超载，2002年超载所占比例最高，为52.18%，随后，超载比例缓慢下降，2014年仅为1.32%；超载现象的发生主要由当年补充量减少所致，尽管2006年亲体量较高，但环境适合度低，早期死亡严重，导致无法形成有效的补充群体数量。2000年、2005年、2006年、2010年~2015年可载比例为1.18%~56.42%不等，可载比例最高值出现在2011年，最低为2005年；2011年补充量出现异常值，根据刘尊雷等^[21]研究结果，补充强度除和亲体量补偿机制有关，还和5月长江冲淡水强度负相关，2011年弱长江冲淡水限制了小黄鱼仔稚鱼向外海的扩散范围，有利于存活率的提高。根据2012年以来变化趋势，超载现象逐年下降，可载现象相对增加，但仍以临界超载为主。

图  6  2000年~2015年小黄鱼生产力和丰度交通灯颜色集成比例年际变化

Fig.  6  Annual variation of color proportions of the composite traffic light by spawning stock, recruit and abundance at the beginning of fisheries for small yellow croaker in East China Sea during 2000~2015

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3   讨论与结论

3.1   模糊逻辑交通灯方法优势和局限性

传统资源承载力评价方法将资源承载力划分为超载、临界超载和可载3种水平，这种严格的界定方法对阈值的准确性提出了较高的要求。实际上，资源承载力评价指标数据在收集过程不可避免的存在着过程误或观察误，阈值的确定也并不明确，这些因素均增加了不确定结果。因此，在严格划分条件下，分类中各个类的定义以及将观测值指定给各个类时的不精确性可能会对判别结果产生重大的差异，从而影响决策的制定。模糊逻辑方法可以解决各个类之间的边界不明确情况，通过模糊化过程将观测值变换为0到1的隶属可能性，更接近集合定义中心的每个值将被指定为1，确定不属于集合的值被指定为0。两个极端值之间的值位于集合的过渡区。当值远离集合的中心时，将被指定为从1到0的连续范围中减少的值，最终定义分析指标是集合的成员的可能性。本次对小黄鱼资源状态的分析，采用了均值为过渡区中心值，此时交通灯颜色为黄色的比例最高，远离均值时黄色比例下降，左偏离程度越高，红色比例相应增加，即资源超载越严重，当指标值小于极端阈值时则完全处于超载状态；同理，右偏离程度越高，绿色比例相应增加，即资源向可载状态接近，当指标值高于极端阈值时则完全处于可载状态。当分析指标的性质发生变化时，如捕捞死亡系数指标与资源量大小的方形属性相反，红色和绿色的位置也不相同。本文在确定阈值时只是基于当前数据，时间序列较短，理论上，数据时长应涵盖资源处于不同时期的动态变化区间，若当前资源位于高位期或低位期，对资源承载情况的界定就会过于悲观或乐观。

交通灯方法是基于指标评价体系的一种，选用的指标非常灵活，因此，交通灯理论可扩展到多个层级的应用，既可包括资源丰度、生产力、生态环境等自然属性特征，也可整合捕捞压力、经济发展等社会属性^[22]。然而，交通灯方法集成结果在较大程度上受到指标数的影响，指标数越多，不同属性的指标结论差异越大，甚至相悖，这也是传统承载力评价方法存在着共性问题。

3.2   小黄鱼资源承载力评价

根据生产力和丰度特征构建的复合交通灯，大多数年份均以超载和临界超载并存，甚至是三种状态并存。12个年份存在超载状态，2002年、2003年、2004年、2006年超载状态比例超过30%；9个年份出现可载状态。小黄鱼“超载”现象的发生与补充量不足密切相关(r=-0.49)，两者呈负相关关系，即补充量高，则红灯比例下降。红灯比例与亲体量相关性并不显著(r=-0.23)。根据亲体和补充量年际变化，亲体量和补充量的关系较为隐晦，两者呈弱负相关(r=-0.27)，这可能与密度补偿作用有关。补充量在较大程度上受到长江径流量和经向风应力驱动，小黄鱼早期生活史阶段依赖于栖息地适合度，长江冲淡水势力强盛而经向风减弱的年份，鱼卵仔稚鱼向外海扩散，不适宜的栖息生境降低了仔稚鱼的存活率^[21]。补充过程一直是资源科学研究的热点领域，但至今为止仍无法透析早期生活史的各种关键问题。

由于影响海洋渔业资源承载力的因素众多，且影响程度差异性较大，本文简化了指标体系的构建，仅从资源丰度和生产力两个方面开展评价分析，选择的指标也仅有3个，因此对小黄鱼资源状态的判别是建立在资源数量基础之上，缺少捕捞、环境或经济发展等人为因素的驱动力分析，今后需要加强多个属性和指标的综合应用，建立目标导向完整的交通灯评价理论体系。