洪澤湖流域污染負荷削減對生境質量的影響

王 俊，劉 超，王智源，陳求穩，黃 玉，胡曉東，劉東升，吳蘇舒，閆丹丹

(1.江蘇省水利科學研究院，江蘇 南京 210029； 2.重慶交通大學河海學院，重慶 400074；3.南京水利科學研究院生態環境研究所，江蘇 南京 210029； 4.長江保護與綠色發展研究院，江蘇 南京 210098)

流域水生態健康是生態文明建設的重要基礎[1]，保障流域水生態健康是國家水環境安全的重要組成部分[2-3]。流域生境質量對水生態健康有著重要的表征指示作用，近年來人類活動增強引起的土地利用變化降低了土地景觀連通性，改變了污染負荷的產出和運移，破壞了斑塊之間的物質和能量循環，導致生境的結構和組成遭到破壞，這是生境質量降低的主要原因[4-5]。

生境的定義在20世紀90年代被提出，Hall等[6]定義生境為“存在于一個地區的資源和條件，為給定生命體提供生存和繁殖的棲息用地環境”，生境質量指生態系統基于生存資源可獲得性，為生物的生存繁殖提供適合個體和種群生存條件的能力，是在0～1之間的連續變量，具有明顯的地域特性[7]。高生境質量數值趨近于1，量化數值越小，生境質量越差。生境質量的量化數值主要取決于土地利用覆被和土地利用威脅因子對生物多樣性的威脅距離和威脅權重及各個生境類型的生境適宜度指數和對威脅的相對敏感性[8-9]。

國內外對生境質量開展了大量研究，并在生境質量的服務功能、價值、內在機理以及驅動影響因素等方面取得了一系列成果[10-12]。周婷等[13]應用雙變量空間自相關和地理加權回歸對神農架林區生境質量與人類活動進行了定性的分析；田義超等[14]以流域尺度模擬預測了北部灣南流江生物多樣性生境質量與生境退化程度；楊潔等[15]評估了黃河流域生境質量，并探究了生境質量的空間分布特征及其內在驅動因素；李子等[16]基于土地利用研究了渭河流域生態服務功能與生態之間的平衡關系。氣候變化、地理特征、人類活動等因素是生境質量變化的驅動因素[17-18]，城鎮化和經濟發展不可逆趨勢增加了環境壓力，環境壓力增大最直接的特征表現為污染負荷產出增加[19]，地區污染負荷的產出總量以及單位產出量都能在不同層面反映區域城鎮化和經濟發展水平以及人類活動強度[20]。研究生境質量與污染負荷之間的關聯特征，對于尋求城鎮化、經濟發展與生境質量的平衡區間具有重要意義，可為當前實施的一系列環境治理措施對生境質量的改善效果提供一種評價方法，也有助于預測實施污染負荷削減措施對生境質量的改善效果，在土地資源的優化配置以及精細化管理方面具有重要參考價值。但目前關于流域生境質量與污染負荷之間的定量響應關系尚不明晰。

本研究以1980—2020年土地利用數據為基礎，運用InVEST(integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs)生境質量模型評價了洪澤湖流域生境質量的演變，基于Johnes輸出系數模型計算了基于土地利用程度的流域污染負荷產出，探討流域污染負荷與生境質量之間的回歸關系，預測了不同污染負荷削減情景對流域生境質量的改善效果。

1 研究區概況

洪澤湖是我國第四大淡水湖泊，在防洪、生物多樣性保護等方面起著極其重要的作用。近年來，經濟社會快速發展和人類活動加劇加快了流域內生態失衡，生境質量逐年下降，嚴重影響了洪澤湖生態環境和周邊地區社會經濟的可持續發展。洪澤湖流域作為農業化向城鎮化過渡的代表流域，其研究成果具有普適性。

洪澤湖流域包含江蘇省淮安市和宿遷市的2區4縣(圖1)，流域內產業多元、經濟發展迅猛，農作物主要以水稻、三麥、玉米、大豆等為主；經濟作物主要以花生、棉花、油菜等為主；漁業和旅游業也為當地帶來了不菲的經濟收益；工業經濟近年發展迅速，主要有鹽、硝礦業以及化工工業。2020年《宿遷市統計年鑒》和《淮安市統計年鑒》顯示，流域總人口近498.9萬人，地區生產總值6 970億元，總面積9 826 km2，耕地42.64萬hm2，人均耕地0.09 hm2。面源污染是洪澤湖流域污染的一個主要污染源。洪澤湖流域農業比較發達，農田污染物質(農藥、化肥等)以及陸域分散的污染物質蓄積于土地中，會隨著降雨徑流等發生遷移轉換進入湖中；點源污染是洪澤湖流域另一個污染源，城區工業尾水排放，村鎮和漁民生活污水排放，增加了流域內污染負荷的產出。

圖1 洪澤湖流域行政邊界和高程Fig.1 Administrative boundary and elevation of Hongze Lake Basin

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

1980年、1990年、2000年、2010年和2020年Landsat系列遙感影像數據來源于地理空間數據云網站(http://www.gscloud.cn/)，數據源空間分辨率為30 m，且云量覆蓋度小于2%?；诙喙庾V信息源，通過監督分類和人工解譯相結合的方式，將遙感影像數據解譯、劃分為6個一級土地利用類型和26個二級土地利用類型，將解譯結果和歷史高分辨率影像進行精度驗證，驗證結果表明整體精度達到90%，保證了分類精度的可靠性。根據本研究內容的需要，在ArcGIS 10.6中將土地利用重分類為水田、旱地、林地、草地、水域、城鎮用地以及農村居民點7種土地利用類型。

2.2 研究思路

分別選用InVEST生境質量模型和Johnes輸出系數模型模擬生境質量和計算污染負荷。InVEST生境質量模型相比于其他模型具有數據易于獲取、能模擬現狀和預測未來、評價準確度高、空間可視化效果強等特點[21]；Johnes輸出系數模型具有使用簡單、基礎數據資料要求低、參數需求少、精度高等優勢特點[22]。

基于高分辨率土地利用覆被數據，篩選土地利用威脅因子，運用InVEST生境質量模型計算分析洪澤湖流域1980—2020年生境質量變化情況。運用Johnes輸出系數模型計算不同土地利用類型非點源總氮(TN)和總磷(TP)的污染負荷量。在ArcGIS 10.6平臺進行正交網格單元分析，提取網格質點生境質量表示網格區域生境質量的平均水平，并計算網格單元非點源污染負荷，通過回歸模型構建污染負荷與生境質量之間的回歸關系，研究思路流程見圖2。2018年江蘇省人民政府辦公廳出臺了《江蘇省“三線一單”生態環境分區管控方案》，于2019年完成了規劃目標，明確了生態環境治理與修復的遠景目標，其中，“三線一單”指生態保護紅線、環境質量底線、資源利用上線和生態環境準入清單。本研究對規劃目標下生境質量改善效果進行評價，基于遠景目標，對未來生境質量變化進行預測。

圖2 研究思路流程圖Fig.2 Flowchart of research ideas

2.3 土地利用生境質量評價

參考前人研究成果[23-24]，根據本研究區域特點將生境質量按值域區間劃分為差(0～0.25)、中(>0.25～0.50)、良(>0.50～0.75)和優(>0.75～1)4個級別。為量化局部區域生境質量平均水平，以合理性與可操作性為原則，采用5 km×5 km正交網格單元對生境質量進行提取，以網格單元質心點的生境質量作為該網格單元生境質量，以所有單元數值的平均值代表區域生境質量整體水平。

InVEST生境質量模型計算生境質量主要受到4個因素的影響，分別為威脅因子的相對影響距離，生境類型對各個威脅因子的相對敏感性，柵格單元生境與威脅因子之間的距離，柵格單元受到合法保護的水平[25]。威脅因子對生境的威脅水平通常隨距離的增加而降低，影響程度有線性衰減和指數衰減2種方式，計算公式[26-27]分別為

(1)

(2)

式中：Irxy為柵格y的威脅因子r對柵格x的威脅水平；dxy為柵格x與y之間的直線距離；drmax是威脅因子r對生境的最大影響距離。

每一種生境類型對每一種威脅因子的敏感性具有顯著差異性，敏感性越高，其值越接近1。計算公式為

(3)

式中：Dxj為生境類型j在柵格x的退化度；R為威脅因子數量；Yr為威脅因子r的柵格數；wr為威脅因子r的權重；ry為柵格y對應的威脅因子個數；βx是威脅因子對柵格x的可接近性；Sjr為生境類型j對威脅因子r的敏感度。

生境質量計算公式為

(4)

式中：Qxj為生境類型j的生境質量；Hj為生境類型j的生境適宜度；z為歸一化指數；K為半飽和常數。

威脅因子屬性值以及不同生境類型對其敏感性具有地域差異性，參考前人研究的基礎成果[28-29]，結合洪澤湖流域特征對其進行確定。因洪澤湖流域農業化程度高，城鎮化進程加快，故選擇水田、旱地、城鎮用地、農村居民點、工業用地作為生境威脅因子。威脅因子的最大影響距離和權重以及生境對威脅因子的敏感性如表1和表2所示。

表1 威脅因子最大影響距離和權重Table 1 Maximum influence distance and weight of threat factors

表2 不同土地利用類型生境適宜度及其對威脅因子的敏感度Table 2 Habitat suitability and its sensitivity to threat factors of different land use types

2.4 土地利用程度綜合指數計算

為探討生境質量時間和空間差異性原因，對流域各縣(區)土地利用程度綜合指數進行計算[30-32]：

(5)

式中：L為土地利用程度綜合指數；ai為i級土地利用類型對應的分級指數；Ci為i級土地利用類型面積占比。土地利用類型對應的分級指數如下：未利用土地為1，草地、林地、水域為2，水田、旱地為3，城鎮用地、農村居民點為4。

2.5 基于土地利用的流域污染負荷估算

采用Johnes輸出系數模型對1980年、1990年、2000年、2010年和2020年土地利用產生的非點源TN和TP污染負荷進行計算。采用5 km×5 km正交網格單元作為污染負荷輸出的基礎計算單元，總污染負荷以各網格為輸出單元進行累計求和，模型計算公式為

(6)

式中：W為輸出污染負荷；Ei為i類土地利用類型輸出系數；Ai為營養物輸入的i類土地利用類型面積。

Johnes輸出系數模型的核心在于輸出系數的確定，本研究中土地利用類型的輸出系數主要參考胡晴等[33]研究成果，結合洪澤湖流域的特點進行調整得到TN和TP的輸出系數，結果如表3所示。

表3 土地利用非點源污染負荷輸出系數Table 3 Non-point source pollution load output coefficient of different land use types

3 結果與分析

3.1 生境質量與人口密度時空變化特征

不同時期洪澤湖流域生境質量空間分布如圖3所示。從空間尺度看，洪澤湖流域生境質量整體呈“南優北差、東優西差”，東南方區域向西北方區域生境質量有惡化趨勢，差等級生境質量區具有明顯聚合特征。宿城區差等級生境質量區分布趨于邊緣化，2020年平均生境質量為0.634 6；泗洪縣差等級生境質量區主要集中在中心，呈四周優的環狀分布特征，2020年平均生境質量為0.638 7；盱眙縣2020年平均生境質量為0.664 1，在洪澤湖流域的6個分區中最高，優等級生境質量區主要集中在正南方，由東向西也有零散分布，優等級生境質量面積占比大于差等級生境質量面積占比；洪澤縣生境質量具有“近湖差、遠湖優”的分布特征，2020年平均生境質量為0.675 4；淮陰區生境質量呈現“四周差、中間優”的分布格局，2020年平均生境質量為0.657 9；泗陽縣差等級生境質量區域集聚成“倒三角”形狀、生境質量呈南北向中間惡化的分布特征，2020年平均生境質量為0.661 8。

(a) 1980年

(b) 1990年

(c) 2000年

(d) 2010年

(e) 2020年

圖3 洪澤湖流域1980—2020年生境質量時空變化特征Fig.3 Temporal and spatial characteristics of habitat quality in Hongze Lake Basin from 1980 to 2020

在時間上，1980—2020年洪澤湖流域生境質量整體呈現出衰退趨勢。1980—2000年主要在宿城區北部、泗陽縣中部、淮陰區東部以及盱眙縣中部等局部小面積呈現出衰退特征，2000—2020年生境質量衰減趨勢更顯著，差等級生境質量面積在各縣(區)向四周擴張。圖4為1980—2020年各生境質量等級面積變化情況，從圖4可以看出，1980—2020年洪澤湖流域生境質量的動態轉移主要發生在差與中等級之間，優和良等級面積在2000年之后有小幅度降低。1980年差等級生境質量面積比例為15.1%，2020年上升到27.5%；中等級生境質量面積變化趨勢與差等級生境質量相反，面積占比由1980年57.4%降低到2020年的47%；優等級和良等級生境質量面積變化較小，1980—2020年面積比例分別降低了0.3%和1.8%。

圖4 1980—2020年洪澤湖流域各生境質量等級面積變化Fig.4 Area changes of different habitat quality grades in Hongze Lake Basin from 1980 to 2020

洪澤湖流域人口密度分布如圖5所示，由高到低各等級人口密度分別為≤270 人/km2、271～550人/km2、551～825人/km2、>825人/km2。由圖5可見，2000—2020年低人口密度區域不斷向高一級人口密度區域轉移，2000年低、較低、較高和高人口密度區域面積分別占總面積的40.3%、39.3%、16.0%和9.9%，到2020年，不同人口密度區域面積占比分別變化為31.0%，41.4%，22.2%和5.4%。

(a) 2000年

(b) 2010年

(c) 2020年

圖5 2000—2020年洪澤湖流域人口密度空間分布特征Fig.5 Spatial distribution characteristics of population density in Hongze Lake Basin from 2000 to 2020

3.2 土地利用程度與生境質量相關性

洪澤湖流域1980—2020年土地利用程度綜合指數計算結果如表4所示，可以看到所有土地利用類型的綜合指數之和在1980—1990年出現略微降低，在1990—2020年逐步上升。從類型上看，1980—2020年水田、旱地和城鎮用地綜合指數的變化最為劇烈，水田和城鎮用地綜合指數分別增加了27.59和15.75，旱地則降低了44.20。

表4 洪澤湖流域1980—2020年土地利用程度綜合指數Table 4 Comprehensive index of land use degree in Hongze Lake Basin from 1980 to 2020

基于土地利用程度指數與生境質量數據進行正態分布檢驗，顯著性均大于0.05，滿足了相關性分析的統計條件。土地利用程度與生境質量相關性分析結果如圖6所示，其中，宿城區土地利用程度最高，洪澤縣利用程度最低。6縣(區)土地利用程度均與生境質量呈顯著負相關關系，根據Pearson相關系數r排序，兩者的相關性由高到底的順序為盱眙縣、泗洪縣、洪澤縣、泗陽縣、宿城區和淮陰區。

(a) 泗陽縣

(b) 宿城區

(c) 盱眙縣

(d) 洪澤縣

(e) 淮陰區

(f) 泗洪縣圖6 土地利用程度與生境質量相關性Fig.6 Correlation between land use degree and habitat quality

3.3 污染負荷與生境質量回歸關系

表5為輸出系數模型的污染負荷計算結果。1980—2020年各縣(區)污染負荷產出整體呈增加趨勢。洪澤縣TN負荷產出增長率(35.9%)最大，泗陽縣增長率(1.3%)最小，其余縣(區)增長率由大到小分別為泗洪縣(24.7%)、盱眙縣(3.3%)、宿城區(3.1%)、淮陰區(2.1%)。TP負荷產出增長率最大為洪澤縣(47.3%)，最小為泗陽縣(0.9%)，其余縣(區)增長率由大到小分別為泗洪縣(26.3%)、宿城區(7.4%)、盱眙縣(2.3%)、淮陰區(2.1%)。

表5 1980—2020年洪澤湖流域TN和TP污染負荷Table 5 TN and TP pollution loads in Hongze Lake Basin from 1980 to 2020

污染負荷與生境質量之間的定量回歸關系如圖7所示。TN和TP負荷與生境質量回歸關系具有顯著負效應(p<0.01)。當TN負荷等于3 500 t時，生境質量均值在95%置信區間為0.689 6～0.700 4；當TP負荷為230 t時，生境質量在95%置信區間為0.693 1～0.705 4。

(a) TN

(b) TP圖7 洪澤湖流域污染負荷與生境質量回歸關系Fig.7 Regression relationship between pollution load and habitat quality in Hongze Lake Basin

3.4 污染負荷削減情景下生境質量變化預測

洪澤湖流域自然發展和污染負荷削減情景下生境質量變化預測如表6所示。在自然發展(污染負荷不削減)情景下，與2020年相比，2030年6縣(區)平均生境質量皆下降，盱眙縣、宿城區、泗陽縣、泗洪縣、淮陰區和洪澤縣生境質量分別下降了0.07%～2.0%、0.3%～1.6%、0.2%～1.5%、5.2%～6.6%、0.1%～1.3%和0.3%～1.6%。以8%削減率對污染負荷進行控制時，較未削減情景下2030年6縣(區)生境質量均有不同程度的提升，宿城區平均生境質量提升幅度最大，盱眙縣提升幅度最小，提升區間分別為0.009 4～0.017 7和0.002 8～0.012 3，提升效率分別為11.8%～22.1%和3.5%～15.4%。以18%削減率對污染負荷進行控制時，生境質量整體提升效果更好，但相比于8%削減比例，宿城區和盱眙縣生境質量提升效率有所降低，分別為7.8%～12.2%和2.5%～8.4%。

表6 2030年不同污染負荷削減情景下洪澤湖流域生境質量變化預測Table 6 Prediction of habitat quality change under different pollution load reduction scenarios in 2030 in Hongze Lake Basin

4 討 論

1980—2020年洪澤湖流域生境質量逐漸惡化，呈“南優北差，東優西差” 空間分布特征，這與土地利用程度增強有密切聯系。生境適宜度對生境質量的優差有決定性作用[34-35]，土地利用程度的提高破壞了區域生境適宜度的平衡，大量人為開發耕地和建設用地降低了地區生境適宜度[36-37]。在城鎮化大背景下，洪澤湖流域土地利用程度逐年增強，1980—2000年土地利用程度增長幅度較小，綜合指數僅增加0.46，流域內整體以農業占據主導地位[38];同時流域內人為活動程度相對較低，城鎮化水平不高，城鎮用地與農村居民點等主要生境質量威脅因子面積變化較為緩慢，城鎮用地面積增加17.93 km2，增長率為14.3%，農村居民點面積增加18.19 km2，增長率為1.3%，造成洪澤湖流域在1980—2000年生境質量呈現局部小面積惡化。2000—2020年，洪澤湖流域土地利用程度急劇增強，水田、城鎮用地和農村居民點土地利用程度綜合指數分別由55.72、6.78和63.89增長到84.56、21.65和68.37，導致洪澤湖流域在2000年之后生境質量出現大面積惡化?？臻g上，洪澤湖流域各縣(區)土地利用程度綜合指數范圍為259～327，由高到低的排列順序為宿城區、淮陰區、泗陽縣、泗洪縣、盱眙縣、洪澤縣，這與生境質量在空間上的分布特征一致，即土地利用程度空間差異性是造成生境質量空間差異的主要原因。國內外一些學者在其他研究區域也得出和本文一致的結果，如Ma等[39]在疏勒河流域、Brumm等[40]在密歇根湖支流的研究結果，驗證了本文關于土地利用程度增強會促進生境質量降低結論的可靠性。

從人口密度和生境質量的時空分布特征可以看出，人口密度在時間上的轉移變化特征與生境質量在時間上的變化特征相吻合，本研究認為人類聚集對生境質量具有負效應，人類活動增強直接帶來各類建設用地和耕地面積增加，導致地區景觀破碎化、連通性降低，使地區生境受到威脅[41-42]，造成地區生境質量逐年下降?？臻g上，高和較高人口密度區域主要聚集在淮陰區、泗陽縣和宿城區；泗洪縣、盱眙縣和洪澤縣人口密度等級主要為低和較低，較高密度區域零星分布在邊緣和中間。城鎮化程度不統一和區域經濟發展不平衡導致人類活動強弱存在空間差異是生境質量空間差異的重要原因，這合理解釋了空間上宿城區平均生境質量最低，洪澤縣平均生境質量最高的分布特征。已有學者在甘肅省、泛長三角地區的研究中得出相似結論[43-44]，說明本文關于人類活動強度影響生境質量的結論具有普適性。

5 結 論

a.1980—2020年洪澤湖流域整體生境質量逐年惡化，空間上呈“南優北差，東優西差”分布格局，40年間差等級生境質量面積占總面積比例提升12.4%，中、良、優等級生境質量面積比例分別降低10.4%、1.8%和0.3%。污染負荷與生境質量呈顯著負相關關系。

b.洪澤湖流域土地利用程度綜合指數在1980—1990年有略微降低，在1990—2020年呈逐年增長的趨勢，40年間綜合指數變化最大的土地利用類型依次為旱地、水田和城鎮用地。

c.自然發展情景下，2030年流域生境質量平均值與2020年相比下降1.0%～2.4%；在8%和18%污染負荷削減率情景下，流域平均生境質量相比自然發展情景改善率分別為0.9%～2.2%和1.3%～2.7%。