洪泽湖流域污染负荷削减对生境质量的影响

　　摘要：运用InVEST模型分析了1980—2020年洪泽湖流域生境质量时空变化特征，通过Johnes经典输出系数模型计算不同情景下污染负荷输出量，利用回归模型建立污染负荷与生境质量关系，预测流域污染负荷削减措施对生境质量的改善效果。结果表明，洪泽湖流域生境质量逐年下降，空间上呈“南高北低、东高西低”分布格局。流域污染负荷输出呈逐年上升趋势，且污染负荷在低生境质量区域有明显集聚效应，污染负荷与生境质量呈显著负相关。在自然发展(污染负荷无削减)情景下，流域生境质量平均值会进一步降低1.1%~2.。根据流域污染负荷削减目标，在污染负荷削减率为8%情景下，流域生境质量平均值较自然发展情景提升0.9%~2.2;在污染负荷削减率为18%情景下，流域生境质量平均值较自然发展情景提升1.3~2.8%。在设计情境下，流域各区县生境质量模拟改善率介于.5%~3.7。流域污染负荷削减对于提高生境质量具有显著效果，研究成果可为土地资源优化配置和生境修复效果预测评价提供科学支撑。

　　关键词：InVEST模型;生境质量;污染负荷;洪泽湖

　　流域水生态健康是生态文明建设的重要基础，保障流域水生态健康是国家水环境安全的重要组成成分。流域生境质量对水生态健康有着重要的表征指示作用，近年来人类活动增强引起的土地利用变化降低了土地景观连通性，改变了污染负荷的产出和运移，破坏了斑块之间的物质和能量循环，导致生境的结构和组成遭到破坏，这是生境质量降低的主要原因。

　　生境的定义在20世纪90年代被提出，Hall等人定义生境为“存在于一个地区的资源和条件为给定生命体提供生存和繁殖的栖息用地环境”，生境质量是指生态系统基于生存资源可获得性，生态系统为存在数量生物的生存繁殖提供适合个体和种群生存条件的能力，是一个从低到高在0~1之间的连续变量，具有明显的地域特性。高生境质量数值趋近于，量化数值越小，生境质量越差。

　　生境质量的量化数值主要取决于土地利用覆被和土地利用威胁因子对生物多样性的威胁距离和威胁权重及各个生境类型的生境适宜度指数和对胁迫的相对敏感性。国内外对生境质量开展了大量研究，并在生境质量的服务功能、价值、内在机理以及驱动影响因素等方面取得了一定的成果10。周婷等应用双变量空间自相关和地理加权回归对神农架林区生境质量与人类活动进行了定性的分析。田义超等以流域尺度模拟预测了北部湾南流江生物多样性生境质量与生境退化的程度。杨洁等评估了黄河流域生境质量，并探究了生境质量的空间分析特征及其内在驱动因素。

　　李子等[1基于土地利用研究了渭河流域生态服务功能与生态之间的平衡关系。研究表明气候变化、地理特征、人类活动等因素是导致生境质量变化的驱动因素[1，城镇化和经济发展不可逆趋势增加了环境压力，环境压力增大最直接的特征表现为污染负荷产出增加20，地区污染负荷的产出总量以及单位产出量都能在不同层面反映区域城镇化、经济发展以及人类活动强度的水平。

　　研究生境质量与污染负荷之间的关联特征，对于寻求城镇化、经济发展与生境质量的平衡区间具有重要意义，同时为评价当前实施的一系列环境治理措施对生境质量的改善效果提供一种方法，也有助于预测实施污染负荷削减措施对生境质量的改善效果，在土地资源的优化配置以及精细化管理方面具有重要参考价值。

　　但是，目前关于流域生境质量与污染负荷之间的定量响应关系目前尚不明晰。洪泽湖是我国第四大淡水湖泊，在防洪、保护生物多样性等方面起着极其重要的作用，近年来，伴随着经济社会快速发展和人类活动加剧，加快了流域内生态失衡，生境质量逐年下降，严重影响了洪泽湖生态环境和周边地区社会经济的可持续发展。洪泽湖流域作为农业化向城镇化过渡的代表流域，其研究成果具有普适性。

　　本研究以洪泽湖流域为研究对象，选用InVEST和Johnes输出系数模型模拟生境质量和计算污染负荷，主要是因为InVEST模型相比于其它模型具有数据易于获取、能模拟现状和预测未来、评价准确度高、空间可视化效果强[2，Johnes经典输出系数模型具有使用简单、基础数据资料要求低、参数需求少、精度高等优势特点[2。用1980~2020土地利用数据为基础，运用InVEST模型评价了研究区域生境质量的演变，基于Johnes输出系数模型计算了基于土地利用强度的流域污染负荷产出，探讨流域污染负荷与生境质量之间的回归关系，预测了不同污染负荷削减情景对流域生境质量的改善效果。

　　1材料与方法

　　1.1研究区概况

　　洪泽湖流域包含江苏省淮安市和宿迁市的区县，流域内产业多元、经济发展迅猛，农作物主要以水稻、三麦、玉米、大豆等为主;经济作物主要以花生、棉花、油菜等为主;渔业和旅游业也为当地带来了不菲的经济收益;工业经济近年发展迅速，主要有盐、硝矿业以及化工业。

　　根据2020年《宿迁市统计年鉴》和《淮安市统计年鉴》显示，流域总人口近498.9万人，地区生产总值6970亿元，总面积9826km，耕地639.3万亩，人均耕地1.6亩。面源污染是洪泽湖流域污染的一个主要污染源。洪泽湖流域农业比较发达，农田污染物质(农药、化肥等)以及陆域分散的污染物质会蓄积于土地中，同时也会随着降雨径流等发生迁移转换进入湖中。点源污染是洪泽湖流域另一个污染源。城区工业尾水排放，村镇和渔民生活污水排放，增加了流域内污染负荷的产出。

　　1.2数据来源及研究思路

　　1980年、1990年、2000年、2010年和2020年Landsat系列遥感影像数据来源于地理空间数据云网站，数据源为30空间分辨率且云量覆盖度小于2%。基于多光谱信息源通过监督分类和人工解译相结合的方式将遥感影像数据解译分为个一级土地利用类型和26个二级土地利用类型，将解译结果和历史高分辨率影像进行精度验证，验证结果表明整体精度达到。

　　保证了分类精度的可靠性，根据本研究内容的需要，在ArcGIS10.6中将土地利用重分类为水田、旱地、林地、草地、水域、城镇用地以及农村居民点种土地利用类型。基于高分辨率土地利用覆被数据，筛选土地利用胁迫因子，运用InVEST(IntegratedValuationofEcosystemServicesandTradeoffs)生境质量模型计算分析研究区域1980~2020年生境质量变化情况。

　　运用Johnes建立的经典输出系数模型计算了不同土地利用类型非点源总氮(TN)和总磷(TP)的污染负荷量。在ArcGIS10.6平台进行正交网格单元分析，提取网格质点生境质量表示网格区域生境质量的平均水平并计算网格单元非点源污染负荷，通过回归模型构建污染负荷与生境质量之间的回归关系。

　　2011年江苏省人民政府办公厅成立长江经济带战略环评及“三线一单”划定项目协调小组(苏政传发〔2018〕72号)，出台《江苏省“三线一单”生态环境分区管控方案》，“三线一单”是生态保护红线、环境质量底线、资源利用上线，生态环境准入清单。于2019年完成了规划目标，明确了生态环境治理与修复的远景目标，本研究对规划目标下生境质量改善效果进行评价，同时基于远景目标，对未来生境质量变化进行预测。

　　1.3土地利用生境质量评价

　　基于1980、1990、2000、2010和2020年土地利用数据，运用InVEST模型对研究区各年份的生境质量进行计算分析。参考前人研究成果25，并根据本研究区域特点将生境质量值域区间划分为差(0~0.25)、中(0.25~0.5)、良(0.5~0.75)以及优(0.75~1)四个级别。

　　为量化局部区域生境质量平均水平，以合理性与可操作性为原则，采用5km5km正交网格单元对生境质量进行提取，以网格单元质心点的生境质量值作为该网格单元生境质量的平均水平，所有单元数值平均代表区域生境质量整体水平。InVEST生态模型计算生境质量主要受到个因素的影响，分别为威胁源因子的相对影响距离，生境类型对各个威胁因子的相对敏感性，栅格单元生境与威胁因子之间的距离，栅格单元受到合法保护的水平。威胁因子对生境的威胁程度通常随距离的增加而降低，影响程度随距离的有两种衰减方式。

　　1.4土地利用程度综合指数计算为探讨生境质量时间和空间差异性原因，对流域各县(区)土地利用程度综合指数和各土地利用类型程度综合指数分别展开计算，从而探究人类活动对土地利用的选择方向以及变化趋势。

　　2结果与分析

　　2.1生境质量与人口密度时空变化特征

　　从空间尺度看，洪泽湖流域生境质量整体呈“南高北低，东高西低”，东南方区域向西北方区域有递减趋势，低生境质量区具有明显聚合特征。宿城区低生境质量区分布趋于边缘化，2020年平均生境质量为0.6346;泗洪县低生境质量区域主要集中在中心，呈四周高的环状分布特征，2020平均生境质量为0.6387;盱眙县2020年平均生境质量为0.641.

　　在研究区的个分区中最高，优级生境质量主要集中在正南方，由东到西也有零散分布，面积比例显著大于差级水平;洪泽县生境质量具有“近湖低，远湖高”的分布特征;2020平均生境质量为0.6654;淮阴区生境质量呈现四周低中间高的分布格局，2020年平均生境质量为0.6579;泗阳县差级生境质量区域集聚成“倒三角”形状，南北向中间递减的分布特征，2020年平均生境质量为0.6618。

　　在时间上，1980—2020年洪泽湖地区生境质量整体呈现出衰退趋势。1980—2000年主要在宿城区北部、泗阳县中部、淮阴区东部以及盱眙县中部等局部小面积呈现出衰退特征。2000—2020年生境质量衰减趋势更显著，低生境质量级别面积在各县(区)向四周扩张。从结果可以看出1980—2020年洪泽湖地区生境质量的动态转移主要发生在差等级与中等级之间，优和良等级面积在2000年之后有小幅度降低。

　　2.2污染负荷削减情景下生境质量变化预测

　　洪泽湖地区自然发展和污染负荷削减情景下生境质量变化预测。在当前自然发展(污染负荷不削减)情景下，2030年较2020年县(区)平均生境质量皆下降。在当前发展情境下以8%削减比例对污染负荷进行控制，在2030年较未削减情景下县(区)生境质量均有不同程度的提升，泗洪县平均生境质量提升幅度最大，洪泽县提升幅度最小，提升区间分别为0.0094~0.0177和0.0028~0.0123。

　　以18%削减比例对污染负荷进行控制时生境质量整体的提升效果更好，单位提升效率相比有所降低，在8%削减比例下，平均生境质量提升最大和最小的泗洪县和洪泽县提升效率分别为19.4%~37.1%、5.3%~23.5%，在18%削减比例下提升效率分别为12.8%~20.4%、3.7%~12.9%。

　　3讨论

　　1980~2020年生境质量逐年降低且空间呈“南高北低，东高西低”分布特征，这与土地利用程度增强有密切联系。生境适宜度对生境质量的高低有决定性作用36，土地利用程度增加改变了区域生境适宜度的平衡，大量人为开发耕地和建设用地降低了地区生境适宜度39。在城镇化大背景下，洪泽湖地区土地利用程度逐年增强，在前20年土地利用程度增长幅度较小，综合指数仅增加0.46，流域内整体以农业占据主导地位40，表明在1980~2000年，流域内人为活动程度相对较低，城镇化水平不高，城镇用地与农村居民点等主要生境质量威胁源面积变化较为缓慢。

　　导致洪泽湖地区在2000年之后生境质量出现大面积下降。空间上，洪泽湖地区土地利用强度综合指数范围为255~330，由高到低的排列顺序为宿城区淮阴区泗阳县泗洪县盱眙县洪泽县，这与生境质量在空间上的分布特征相一致，即土地利用程度空间差异性是造成生境质量空间差异的主要原因。国内外一些学者在其他研究区域也得出和本研究相一致的结果，如MA在疏勒河流域、KYLE在密歇根胡支流，这验证了本研究关于土地利用程度增强会促进生境质量降低结论的可靠性。

　　经人口密度和生境质量的时空分布特征可以看出，人口密度在时间上的转移变化特征与生境质量在时间上的变化特征相吻合，本研究认为人类聚集对生境质量具有负效应，人类活动增强直接带来各类建设用地和耕地面积增加，导致地区景观破碎化、连通性降低，使地区生境受到威胁44，造成地区生境质量逐年下降。

　　空间上，高和较高人口密度区域主要聚集在淮阴区、泗阳县和宿城区，泗洪县、盱眙县和洪泽县人口密度等级主要为低和较低，较高密度区域零星分布在边缘和中间，城镇化程度不统一和区域经济发展不平衡导致人类活动强弱存在空间差异是生境质量空间差异的重要原因，这合理解释了空间上宿城区平均生境质量最低，盱眙县平均生境质量最高分布特征。已有学者在甘肃省、泛长三角地区的研究中得出相似结论46，这说明本文关于人类活动强度影响生境质量的结论具有普适性。

　　4结论

　　本文以洪泽湖流域为研究区域，以1980—2020年土地利用覆被数据为基础，基于InVEST模型、Johnes输出系数模型和回归模型，模拟分析了研究区生境质量的时空分布特征，计算了研究区污染负荷产出，建立了污染负荷与生境质量的回归关系，预测了不同发展情境下生境质量的变化特征，主要研究结论有：

　　(1)1980—2020年洪泽湖流域整体生境质量逐年下降，空间上呈“南高北低，东高西低”分布格局，40年间低生境质量面积占总面积比例提升78.7，中良优生境质量面积比例分别降低.7%、15、3.9%污染负荷与生境质量呈显著负相关。

　　(2)土地利用程度综合指数在1980~1990年有略微的降低，在1990—2020年呈逐年增长的趋势，40年间变化最大的土地利用类型依次为旱地、水田和城镇用地。

　　(3)自然发展情景下2030年流域生境质量平均值预计下降范围1.1%~2.5%;在8%和18%污染负荷削减率情景相比自然发展情景流域平均生境质量改善率分别为0.9%~2.2%和1.3~2.8%，生境质量较低的宿城区和泗洪县预计改善率相对较高，分别为1.2%~2.5%和1.6%~3%、1.7%~3.1%和2.3%~3.7%。

　　参考文献

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　　作者：王俊，刘超2,，王智源3,，陈求稳3,4，黄玉，胡晓东，刘东升，吴苏舒，闫丹丹