摘要：運用InVEST模型分析了1980—2020年洪澤湖流域生境質量時空變化特征，通過Johnes經典輸出系數模型計算不同情景下污染負荷輸出量，利用回歸模型建立污染負荷與生境質量關系，預測流域污染負荷削減措施對生境質量的改善效果。結果表明，洪澤湖流域生境質量逐年下降，空間上呈“南高北低、東高西低”分布格局。流域污染負荷輸出呈逐年上升趨勢，且污染負荷在低生境質量區域有明顯集聚效應，污染負荷與生境質量呈顯著負相關。在自然發展(污染負荷無削減)情景下，流域生境質量平均值會進一步降低1.1%~2.。根據流域污染負荷削減目標，在污染負荷削減率為8%情景下，流域生境質量平均值較自然發展情景提升0.9%~2.2;在污染負荷削減率為18%情景下，流域生境質量平均值較自然發展情景提升1.3~2.8%。在設計情境下，流域各區縣生境質量模擬改善率介于.5%~3.7。流域污染負荷削減對于提高生境質量具有顯著效果，研究成果可為土地資源優化配置和生境修復效果預測評價提供科學支撐。

　　關鍵詞：InVEST模型;生境質量;污染負荷;洪澤湖

　　流域水生態健康是生態文明建設的重要基礎，保障流域水生態健康是國家水環境安全的重要組成成分。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。

　　生境的定義在20世紀90年代被提出，Hall等人定義生境為“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”，生境質量是指生態系統基于生存資源可獲得性，生態系統為存在數量生物的生存繁殖提供適合個體和種群生存條件的能力，是一個從低到高在0~1之間的連續變量，具有明顯的地域特性。高生境質量數值趨近于，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脅迫的相對敏感性。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定的成果10。周婷等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的程度。楊潔等評估了黃河流域生境質量，并探究了生境質量的空間分析特征及其內在驅動因素。

　　李子等[1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。研究表明氣候變化、地理特征、人類活動等因素是導致生境質量變化的驅動因素[1，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20，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、經濟發展以及人類活動強度的水平。

　　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，同時為評價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。

　　但是，目前關于流域生境質量與污染負荷之間的定量響應關系目前尚不明晰。洪澤湖是我國第四大淡水湖泊，在防洪、保護生物多樣性等方面起著極其重要的作用，近年來，伴隨著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。

　　本研究以洪澤湖流域為研究對象，選用InVEST和Johnes輸出系數模型模擬生境質量和計算污染負荷，主要是因為InVEST模型相比于其它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[2，Johnes經典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[2。用1980~2020土地利用數據為基礎，運用InVEST模型評價了研究區域生境質量的演變，基于Johnes輸出系數模型計算了基于土地利用強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材料與方法

　　1.1研究區概況

　　洪澤湖流域包含江蘇省淮安市和宿遷市的區縣，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、硝礦業以及化工業。

　　根據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6970億元，總面積9826km，耕地639.3萬畝，人均耕地1.6畝。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會蓄積于土地中，同時也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。

　　1.2數據來源及研究思路

　　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，數據源為30空間分辨率且云量覆蓋度小于2%。基于多光譜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分為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。

　　保證了分類精度的可靠性，根據本研究內容的需要，在ArcGIS10.6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種土地利用類型�；�于高分辨率土地利用覆被數據，篩選土地利用脅迫因子，運用InVEST(IntegratedValuationofEcosystemServicesandTradeoffs)生境質量模型計算分析研究區域1980~2020年生境質量變化情況。

　　運用Johnes建立的經典輸出系數模型計算了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ArcGIS10.6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。

　　2011年江蘇省人民政府辦公廳成立長江經濟帶戰略環評及“三線一單”劃定項目協調小組(蘇政傳發〔2018〕72號)，出臺《江蘇省“三線一單”生態環境分區管控方案》，“三線一單”是生態保護紅線、環境質量底線、資源利用上線，生態環境準入清單。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，本研究對規劃目標下生境質量改善效果進行評價，同時基于遠景目標，對未來生境質量變化進行預測。

　　1.3土地利用生境質量評價

　　基于1980、1990、2000、2010和2020年土地利用數據，運用InVEST模型對研究區各年份的生境質量進行計算分析。參考前人研究成果25，并根據本研究區域特點將生境質量值域區間劃分為差(0~0.25)、中(0.25~0.5)、良(0.5~0.75)以及優(0.75~1)四個級別。

　　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5km5km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值作為該網格單元生境質量的平均水平，所有單元數值平均代表區域生境質量整體水平。InVEST生態模型計算生境質量主要受到個因素的影響，分別為威脅源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。威脅因子對生境的威脅程度通常隨距離的增加而降低，影響程度隨距離的有兩種衰減方式。

　　1.4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和各土地利用類型程度綜合指數分別展開計算，從而探究人類活動對土地利用的選擇方向以及變化趨勢。

　　2結果與分析

　　2.1生境質量與人口密度時空變化特征

　　從空間尺度看，洪澤湖流域生境質量整體呈“南高北低，東高西低”，東南方區域向西北方區域有遞減趨勢，低生境質量區具有明顯聚合特征。宿城區低生境質量區分布趨于邊緣化，2020年平均生境質量為0.6346;泗洪縣低生境質量區域主要集中在中心，呈四周高的環狀分布特征，2020平均生境質量為0.6387;盱眙縣2020年平均生境質量為0.641.

　　在研究區的個分區中最高，優級生境質量主要集中在正南方，由東到西也有零散分布，面積比例顯著大于差級水平;洪澤縣生境質量具有“近湖低，遠湖高”的分布特征;2020平均生境質量為0.6654;淮陰區生境質量呈現四周低中間高的分布格局，2020年平均生境質量為0.6579;泗陽縣差級生境質量區域集聚成“倒三角”形狀，南北向中間遞減的分布特征，2020年平均生境質量為0.6618。

　　在時間上，1980—2020年洪澤湖地區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，低生境質量級別面積在各縣(區)向四周擴張。從結果可以看出1980—2020年洪澤湖地區生境質量的動態轉移主要發生在差等級與中等級之間，優和良等級面積在2000年之后有小幅度降低。

　　2.2污染負荷削減情景下生境質量變化預測

　　洪澤湖地區自然發展和污染負荷削減情景下生境質量變化預測。在當前自然發展(污染負荷不削減)情景下，2030年較2020年縣(區)平均生境質量皆下降。在當前發展情境下以8%削減比例對污染負荷進行控制，在2030年較未削減情景下縣(區)生境質量均有不同程度的提升，泗洪縣平均生境質量提升幅度最大，洪澤縣提升幅度最小，提升區間分別為0.0094~0.0177和0.0028~0.0123。

　　以18%削減比例對污染負荷進行控制時生境質量整體的提升效果更好，單位提升效率相比有所降低，在8%削減比例下，平均生境質量提升最大和最小的泗洪縣和洪澤縣提升效率分別為19.4%~37.1%、5.3%~23.5%，在18%削減比例下提升效率分別為12.8%~20.4%、3.7%~12.9%。

　　3討論

　　1980~2020年生境質量逐年降低且空間呈“南高北低，東高西低”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高低有決定性作用36，土地利用程度增加改變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39。在城鎮化大背景下，洪澤湖地區土地利用程度逐年增強，在前20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40，表明在1980~2000年，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源面積變化較為緩慢。

　　導致洪澤湖地區在2000年之后生境質量出現大面積下降�？臻g上，洪澤湖地區土地利用強度綜合指數范圍為255~330，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相一致，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研究相一致的結果，如MA在疏勒河流域、KYLE在密歇根胡支流，這驗證了本研究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。

　　經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44，造成地區生境質量逐年下降。

　　空間上，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，盱眙縣平均生境質量最高分布特征。已有學者在甘肅省、泛長三角地區的研究中得出相似結論46，這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。

　　4結論

　　本文以洪澤湖流域為研究區域，以1980—2020年土地利用覆被數據為基礎，基于InVEST模型、Johnes輸出系數模型和回歸模型，模擬分析了研究區生境質量的時空分布特征，計算了研究區污染負荷產出，建立了污染負荷與生境質量的回歸關系，預測了不同發展情境下生境質量的變化特征，主要研究結論有：

　　(1)1980—2020年洪澤湖流域整體生境質量逐年下降，空間上呈“南高北低，東高西低”分布格局，40年間低生境質量面積占總面積比例提升78.7，中良優生境質量面積比例分別降低.7%、15、3.9%污染負荷與生境質量呈顯著負相關。

　　(2)土地利用程度綜合指數在1980~1990年有略微的降低，在1990—2020年呈逐年增長的趨勢，40年間變化最大的土地利用類型依次為旱地、水田和城鎮用地。

　　(3)自然發展情景下2030年流域生境質量平均值預計下降范圍1.1%~2.5%;在8%和18%污染負荷削減率情景相比自然發展情景流域平均生境質量改善率分別為0.9%~2.2%和1.3~2.8%，生境質量較低的宿城區和泗洪縣預計改善率相對較高，分別為1.2%~2.5%和1.6%~3%、1.7%~3.1%和2.3%~3.7%。

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　　作者：王俊，劉超2,，王智源3,，陳求穩3,4，黃玉，胡曉東，劉東升，吳蘇舒，閆丹丹