南四湖流域近45a水质净化服务功能的时空演变及其影响因素.pdf

生态与农村环境学报，（）：收稿日期：基金项目：山东省自然科学基金（）通信作者：叶敦雨，孙小银，单瑞峰南四湖流域近 水质净化服务功能的时空演变及其影响因素生态与农村环境学报，（）：，（）：南四湖流域近 水质净化服务功能的时空演变及其影响因素叶敦雨，孙小银，单瑞峰，（曲阜师范大学地理与旅游学院，山东 日照；南四湖湿地生态与环境保护山东省高校重点实验室，山东 日照）摘要：研究区域生态系统的水质净化服务功能的时空变化趋势及其驱动因素可以更加有效地保护流域水环境和合理开展土地利用规划。以南四湖流域 年 期土地利用数据为基础，以流域氮、磷输出负荷表征水质净化服务功能，运用 （）模型模拟流域 年水质净化服务功能的时间变化趋势，并利用 空间统计分析、景观格局分析和地理探测器等探讨土地利用、景观格局和其他自然和社会经济因素对水质净化服务功能的影响。结果表明，年近 中南四湖流域氮、磷输出量呈先增加后减少再增加趋势；空间上，年流域西部平原地区氮、磷输出量较高，流域北部次之，流域东南部最低；相关分析表明，林地、草地对流域氮、磷输出起拦截阻滞作用，建设用地则对流域氮、磷输出起促进作用；景观格局指数分析表明，平均形状指数（）、平均相似度指数（）、斑块结合度（）、蔓延度指数（）和景观形状指数（）等景观指数对氮、磷输出起促进作用，散布与并列指数（）、平均聚集指数（）和平均核心斑块指数（）等则对氮、磷输出起阻滞作用。地理探测器分析表明，建设用地是水质净化服务功能的主要控制因素。关键词：模型；土地利用；景观格局；南四湖流域；地理探测器；水质净化服务功能中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：（），第 期 叶敦雨等：南四湖流域近 水质净化服务功能的时空演变及其影响因素 ：；生态系统水质净化服务功能是指土壤、植被、微生物及水生生物等通过对径流中氮、磷等污染物的拦截、吸附和吸收，从而使河湖水环境污染得到净化的一种服务功能。水质净化服务功能是流域生态系统服务中的重要组成部分，对河湖水环境的保护有着重要意义，评估和研究流域水质净化服务功能已逐渐成为流域生态系统服务的研究热点之一。作为生态系统水质净化服务功能空间化评估的重要工具，生态系统服务评估和权衡（，）模型被广泛用于模拟和评估生态系统服务及其经济价值，为生态系统管理和决策提供了重要的支撑。目前全球 多个国家和地区，包括中国在内的众多学者，利用 模型开展了大量的生态系统服务研究，模型已经被认为是支撑管理决策的高效工具，具有广阔的应用空间。（）模型是其中的一个子模块，目的是为了模拟流域氮、磷等营养物的来源和输送过程，估算林地、耕地等土地利用类型对径流中氮、磷污染物的滤除值及最终流域各栅格单元氮、磷的输出量，据此来反映生态系统水质净化服务功能。流域氮、磷输出量越大，水质净化服务功能越差。目前，国内外已经有较多学者在不同区域开展了部分研究，但大多基于短时间序列尺度研究水质净化服务功能的分布特点及其影响因素，对其影响机制的研究较少，且主要集中在土地利用和景观格局对水环境质量的影响上。目前，从水质净化服务功能的角度分析其长时间序列的时空变化趋势并深入探讨其驱动机制的研究还较少，需要进一步开展研究。南四湖是中国北方最大的淡水湖泊，是南水北调东线工程重要的调蓄水枢纽，是山东省重要的粮食生产基地和淡水渔业基地，具有极为重要的生态地位。然而，近几十年来受人类活动影响强烈，流域生态环境恶化，面源污染严重，生态系统服务功能逐渐减退，有些地区甚至出现生态系统服务被严重破坏的现象。南四湖的水质关系到南水北调工程的成败，影响到输水地区水资源的利用。因此，开展南四湖流域生态系统的水质净化服务功能研究具有极为重要的现实意义。目前利用 模型对南四湖流域生态系统水质净化服务功能及其驱动因素开展的研究鲜有报道。鉴于此，笔者基于南四湖流域 年 期土地利用数据，运用 模型模拟流域近 来水质净化服务功能的时空演变，探讨土地利用类型、景观格局指数等对水质净化服务功能的影响机制，并运用地理探测器分析地形地貌、降水和人口密度等其他自然和社会因素对当前水质净化服务功能空间分布的影响，以期为南四湖流域水环境的保护和流域土地利用管理等提供决策支持。研究区概况南四湖流域（，）自西北向东南分别是南阳湖、独山湖、昭阳湖和微山湖 个湖泊。南四湖主体位于山东省济宁市南部，却承担着同时向江苏、山东、河南、安徽 省的 多个县市区的供水服务，全流域总面积 （图）。整个南四湖流域有 条入湖河流，以南四湖为中心从四面八方呈辐射状汇入南四湖。流域地处暖温带半湿润地区，属暖温带大陆性季风气候，雨热同期，无霜期长，年平均气温约，年均降水量为 左右。流域以南四湖湖体和京杭大运河为界分为湖东、湖西两部分，湖东地区以山地和丘陵为主，湖西地区以平原为主，是黄河和古黄河之间的黄泛平原。南四湖流域是典型的农业流域，集约化的农业生产模式、城市用地的快速扩张、工业活动的快速发展及流域内林地、草地面积的持续减少对流域生态系统服务功能造成巨大压力。数据来源与研究方法 数据来源以南四湖流域、年共 期土地利用数据为基础，其中、和 年的土地利用数据（）来源于中国科学院资源环境数据中心（：），年土地利用数据来源于遥感影像解译，以南四湖自然保护区 影像（）为基础，年土地利用数据来源于 地表覆盖数据（：），是利用 进行人工交互式目视解译获得，其解译结果的 生 态 与 农 村 环 境 学 报第 卷检验精度。研究所涉及到的土地利用分类参考土地资源分类系统的 个一级地类，分别是耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地。中国土壤质地空间分布数据根据 万土壤类型图和第 次土壤普查获取到的土壤剖面数据编制而成，根据砂粒、粉粒、黏粒含量进行土壤质地划分；基于 以及 等卫星遥感影像得到的 年植被覆盖指数（，）反映植被覆盖度状况（）；地貌（）、土壤质地（）、（）、降水（）、坡度（）和人口密度（）均来自于中国 科 学 院 资 源 环 境 数 据 中 心（：），为确保分析结果的准确性，在应用地理探测器模型进行分析时，将 年土地利用数据、数据及坡度数据通过栅格重采样为 。图 研究区水系、高程和卫星影像图 ，研究方法 模型该评估模型以径流中氮、磷养分污染物的清除能力来估算植被和土壤对水质净化的作用，以确定生态系统水质净化的贡献。除了陆地植被过滤外，模型不涉及化学或生物交互作用。模型计算公式如下：，（），（）。（）式（）（）中，为栅格单元 处调节的载荷值；为栅格单元 的输出系数；为栅格单元计算方法的水文敏感度评分；为栅格单元 流量指标；为流域平均径流指数；为栅格单元流量路径上栅格单元水产量的总和。模型所需参数中营养物径流代理、不同土地利用类型的氮磷输出负荷值、植被营养物滞留效率、流量累积阈值、参数设置以及模型结果的验证均参考课题组前期研究，。基于 年 期土地利用数据，利用 模型得到氮、磷输出栅格数据，利用 的 空间分析中分区统计工具得到各子流域 年氮、磷输出量。模型校验模型校验是指将模型运行结果与实测数据进行比较，通过调整季节性因子来确定最适合于研究区域的评估模型。年枯水期（月）、丰水期（月）和平水期（月）分别对南四湖 条主要入湖河流入湖口处断面进行采样，获得实测的总氮、总磷浓度，通过调整 模型季节性因子数值，检验模拟值与实测值之间的 相关性，验证模型在南四湖流域的可应用性。景观格局分析景观指数能够凝练景观格局信息，反映其结构组成和空间配置的某些特征，景观格局指数法能够较好地度量流域景观格局，并从不同尺度上反映特定 区 域 景 观 格 局 特 征 的 变 化 状 况。利 用 软件选取景观形状指数（）、平均形状指数（）、平均聚集指数（）、平均核心斑块指数（）、平均相似度指数（）、蔓延度指数（）、散布与并列指数（）和斑块结合度（）个景观水平指数来分析景观指数的变化与氮、磷输出量之间的相关性。选取的景观指数能够表示景观的个体数量特征和空间特征，各个景观指数具体含义见表。利用 软件获取 年南四湖 第 期 叶敦雨等：南四湖流域近 水质净化服务功能的时空演变及其影响因素 流域景观水平对应指数数据，景观格局指数相关计算方法参照文献。表 景观格局指数含义及其类别 景观格局指数指数含义类别经数学转化的斑块边长与面积比形状指数通过连续斑块的值来量化连续指数描述核心区占总景观面积的比例核心面积指数表示景观形状的复杂程度聚合指数量化一个斑块相对于同一类斑块的空间背景景观里不同斑块类型的团聚程度或延展趋势反映景观或各斑块类型间的总体散布和并列情况反映相应斑块间的物理连通性 地理探测器地理探测器模型是探测空间分异性，以及揭示其背后影响因素的一种新的统计学方法，主要包括风险探测、因子探测、交互探测与生态探测 个部分。地理探测器 统计量可以用来度量空间分异性、探测解释因子、分析变量之间的交互关系，已经在自然和社会科学等多领域得到广泛应用。选取因子探测器来分析影响南四湖流域水质净化服务功能的各个影响因素。（）式（）中，；为变量 或因子 的分层（），即分类或分区；和 分别为层 和全区的单元数；和 分别是层 和全区的 值的方差。为层内方差之和（），为全区总方差（）。数据处理与分析利用 中 空间统计分析 年土地利用数据和水质净化服务功能数据，利用分区统计工具获取 年 个子流域中氮、磷输出量及 种土地利用类型面积比例。运用 软件中 相关性分析工具分析 模型模拟值与实测值的相关性，运用 相关性分析工具分别对 年土地利用数据、景观格局指数与相应的氮、磷输出量进行相关性分析，探究氮、磷输出量变化的影响因素。综合运用地图代数运算与图谱代码融合的空间分析方法，合成空间属性过程一体化图谱单元，生成南四湖流域 年的土地利用转移图谱，得到主要转移图谱单元类型。结果与分析 模型验证通过对 模型模拟值与实测值进行 相关性分析，氮、磷输出量模拟值与实测值存在显著相关性（），相关系数分别为 和，说明 模型在季节性因子 时模拟值与实测值比较接近。南四湖流域水质净化服务功能的时间变化 年南四湖流域年氮、磷输出量变化明显，呈现出先升高后降低再升高、整体呈上升的变化趋势，尤其是 年氮、磷输出量增长明显（图）。图 年氮、磷输出量变化曲线 年南四湖流域氮、磷输出量分别是 和 ，为近 氮、磷输出量最高值，与 年 相 比 分 别 增 长 和 。年氮、磷输出量分别增长 和，但是 年氮、磷输出量却分别增长 和 ，高于过去 增长速度。氮、磷输出量越多，流域生态系统水质净化服务功能越差。因此，近 来南四湖流域生态系统水质净化服务功能显著下降，整体呈衰退趋势，且衰退速度加快。水质净化服务功能的空间分布及变化由图 可知，当前水质净化服务功能在空间分布上存在着显著差异。氮、磷输出高值区大多分布在地形平坦、人类活动强烈的区域，土地利用类型 生 态 与 农 村 环 境 学 报第 卷多为建设用地。高值区主要集中分布在流域北部、西部，这些区域多为平原地区，土地利用类型以耕地和建设用地为主；流域东部、南部的大部分区域氮磷输出量较小，可能与这些地区土地利用类型多以林地、草地为主，植被本身氮、磷输出较小，且对氮、磷的流失具有拦截、过滤等作用，减少了氮、磷的输出量。流域氮、磷输出的总体空间特点是西高东低，这与荆延德等等关于南四湖流域面源污染输出风险的研究结果一致。图 年氮、磷输出空间分布及土地利用类型 如图 所示，与 年相比，年氮输出量在流域东部山地、丘陵地带明显增加，流域西部则呈现出分散点状区域显著增加，主要位于城市区域，其 他 区 域 变 化 则 不 显 著。就 全 流 域 而 言，的区域氮输出下降，的区域氮输出增加，的区域氮输出保持不变。磷输出量在整个流域均呈现少数点状区域显著增加，大部分区域变化不明显，增加的区域多为城市化扩展区域。全流域 的区域磷输出下降，的区域磷输出增加，的区域磷输出保持不变。结合 年土地利用转移图，氮、磷输出量变化显著的点状区域大多为近 中其他土地利用类型转换为城市建设用地，城市扩张造成了氮、磷输出的增加。耕地，林地，草地，水域，建设用地，未利用地；表示 年耕地转为 年耕地的面积，其余依次类推。图 年氮、磷输出量空间变化及对应的土地利用转移图谱 土地利用变化对水质净化服务功能的影响 年流域氮、磷输出量变化与土地利用变化的相关性分析（表）表明，林地与草地面积变化与氮、磷输出量呈极显著负相关（），说明林地与草地对流域氮、磷输出起阻滞作用。林地、草地植被拦截、过滤径流中的氮、磷等污染物，其自身能够吸收转化氮、磷，也可以通过植被根系对土壤中的氮、磷截留，减少向河流中的输入。崔超等关于香溪河流域的研究发现，当林地面积增加时氮、磷负荷消减；韩黎阳等等分析了土地利用类型对兰陵溪水体中氮、磷输出的影响，发现以林地为主的子流域氮、磷输出量低。同时，建设用地与流域氮、磷输出量存在极显著正相关（），说明建设用地对流域氮、磷输出量起促进作用，建设用地是人类生产生活活动最频繁的区域，对氮、磷输出量有较大贡献。房志达等研究发现，南方丘陵区小流域中建设用地单位面积氮、磷负荷最高；王艺璇等关于永定河的研究发现，建 第 期 叶敦雨等：南四湖流域近 水质净化服务功能的时空演变及其影响因素 设用地面积增加导致水体中氮、磷含量持续增加。表 年氮、磷输出量与土地利用类型的相关系数 输出量耕地林地草地水域建设用地未利用地总氮 总磷 表示 。景观格局指数对水质净化服务功能的影响 年各景观格局指数数值变化结果（表）表明，在南四湖流域中，建设用地面积增加，其余土地利用类型面积均有所减小且破碎化程度增加；各土地利用类型间紧密度增加，景观异质性下降。在景观水平上，不同景观类型之间散布指数越高、物理连通性越高、团聚程度越大，则水质越差；同一景观中，景观形状越复杂、斑块占同类型景观面积比例越大，则对氮、磷污染物的输出越有利。结合表 可以看出，、和 等景观水平指数值的升高对氮、磷输出量起促进作用，、和 等景观指数值的降低对氮、磷输出量起阻滞作用。各景观指数的变化对氮、磷输出的影响与前人研究结果相同。表 年景观格局指数变化 年份 各景观指数含义见表。表 年氮磷输出量与景观水平指数的相关系数 污染物总氮 总磷 表示 ，表示 。各景观指数含义见表。水质净化服务功能分布格局的影响因素 土地利用与景观格局对水质净化的影响将 年 个子流域的氮磷输出分别与土地利用类型、景观格局指数进行相关性分析，结果见图、表。在土地利用类型中，草地与总氮输出表现为显著负相关（），与总磷输出则表现为正相关但不显著，说明草地对总氮输出的阻滞作用较为明显；建设用地与氮、磷输出表现为极显著正相关（），说明建设用地对氮、磷输出起到促进作用。景观格局指数中，与氮、磷输出呈正相关但不显著，与氮、磷输出呈显著负相关（），、与总氮输出呈显著负相关（），与总磷输出相关性不显著，说明 对 氮、磷 输 出 起 阻 滞 作 用，和 对总氮输出起阻滞作用，对总磷输出阻滞作用不显著，其他景观格局指数与氮、磷输出呈负相关但不显著（表）。水质净化服务功能的其他自然和社会经济影响因素采用因子探测器衡量各个影响因素对水质净化服务功能的解释力，结果见表。年建设用地所占比例对氮、磷输出的贡献量均在 以上，生 态 与 农 村 环 境 学 报第 卷依据 值越大，对因变量的解释作用越大原则，所以建设用地是流域水质净化服务功能的主要控制因素；和人口密度对氮、磷输出的贡献率均在 以上，对水质净化服务功能的贡献率仅次于建设用地所占比例，是水质净化服务功能的重要控制因素；地形地貌、降水、土壤质地和坡度等自然因素对氮、磷输出的贡献率均低于，对水质净化服务功能的影响较小。图 年子流域氮、磷输出 表 年子流域氮、磷输出与土地利用类型相关性 污染物耕地林地草地水域建设用地未利用地总氮 总磷 表示 ，表示 。表 年子流域氮、磷输出与景观格局指数相关性 污染物总氮 总磷 表示 ，表示 。各景观指数含义见表。表 水质净化服务功能各影响因子贡献比例 污染物地形地貌降水土壤质地淤泥沙土黏土坡度人口密度建设用地比例总氮 总磷 讨论与结论 讨论总体而言，南四湖流域近 水质净化服务功能逐年变差，土地利用类型及景观格局指数等因素影响着水质净化服务功能。与吴瑞等的研究相比，南四湖流域水质净化服务功能持续减弱，且减弱幅度不断增大。年氮、磷输出空间分布变化结果表明，南四湖流域东南部地区氮、磷输出增长趋势较快，这可能与该区域近 成立的产生大量氮、磷污染物的工厂企业较多有密切关系，所以控制流域氮、磷输出可从 个大方向着手。就土地利用类型而言，针对建设用地促进氮磷的输出这一关键影响因素，应该整合现有城镇排水，建立有效的污水处理系统，减少工业污水及生活污水向河流湖泊的直接排放，加强村庄生活垃圾的集中管理及处理工作；根据林草地对流域氮、磷输出的拦截阻滞作用的研究结论，应实行有计划的湖岸带退耕还林还草或增加城镇绿化等措施，增加林草地面积，在有条件的地区建立林、草地缓冲带，拦截氮、第 期 叶敦雨等：南四湖流域近 水质净化服务功能的时空演变及其影响因素 磷等污染物进入河流。就景观格局而言，增加景观异质性，合理分布景观类型，提升景观适应度，有助于提高对氮、磷输出的阻滞。结论 年南四湖流域氮、磷输出量整体呈增长趋势，且 年氮、磷输出量增长趋势明显，说明流域内水质净化能力正在加速退化，流域内氮、磷输出量增加，生态环境受到进一步损害，其中总氮输出量远高于总磷输出量，成为南四湖流域水质净化的重点、难点。对 年南四湖流域 期土地利用类型与氮、磷输出的相关性分析结果表明，林地与草地对氮、磷输出起阻滞作用，其中草地对氮、磷输出的阻滞作用较强。建设用地对氮、磷输出起促进作用，随着建设用地面积逐年增加，氮、磷输出量也与日俱增。其他土地利用类型与氮、磷输出的相关性不显著。在空间上，年流域西部平原地区氮、磷输出量较高，流域北部地区次之，流域东南部地区氮、磷输出量最低。近 景观格局指数的变化趋势及其与氮、磷输出的相关性分析表明，、和 等景观指数值的升高对氮、磷输出起促进作用，、和 等景观指数值的下降对氮、磷输出起阻滞作用。此外，的降低和人口密度的增加也是流域水质净化服务功能恶化的重要因素，应该引起足够的重视。参考文献：吴瑞，刘桂环，文一惠基于 模型的官厅水库流域产水和水质净化服务时空变化环境科学研究，（）：，（）：刘翠太湖流域水供给及水质净化服务供需时空演变分析南京：南京农业大学，：，张文静，孙小银，周俊南四湖流域关键生态系统服务的时空权衡关系生态学报，（）：，（）：杨旭气候和土地利用变化背景下中国西北干旱区产水和水质净化服务评估：以博斯腾湖流域为例 上海：华东师范大学，：，郭洪伟基于 模型的南四湖流域生态系统服务空间格局研究 日照：曲阜师范大学，：，王蓓，赵军，胡秀芳石羊河流域生态系统服务权衡与协同关系研究生态学报，（）：，（）：，（）：，：，：张华美南四湖流域非点源污染输出风险评估及其对土地利用变化的响应日照：曲阜师范大学，：，徐好南四湖水质时空分布及评价研究 济南：济南大学，：，荆延德，张华美基于 的南四湖流域面源污染输出风险评估自然资源学报，（）：，（）：李爽，张祖陆，孙媛媛基于 模型的南四湖流域非点源氮磷污染模拟湖泊科学，（）：，（）：孟瑶瑶，薛丽芳南四湖流域土地利用及其景观格局变化分析水土保持研究，（）：，（）：张大智，孙小银，袁兴中，等南四湖流域 年土地利用变化及其对流域生境质量的影响湖泊科学，（）：，生 态 与 农 村 环 境 学 报第 卷，（）：荆延德，张华美，孙笑笑基于输出系数模型的南四湖流域非点源污染输出风险评估水土保持通报，（）：，（）：，黄亚丽，张丽，朱昌雄山东省南四湖流域农业面源污染状况分析环境科学研究，（）：，（）：徐燕，孙小银，张大智，等 年南四湖流域景观格局及其脆弱性应用生态学报，（）：，（）：，：刘怡娜，孔令桥，肖燚，等长江流域景观格局变化对生态系统水质净化服务的影响环境保护科学，（）：，（）：王劲峰，徐成东地理探测器：原理与展望地理学报，（）：，：，（）：蔡兴冉，李忠勤，张慧，等中国天山冰川变化脆弱性研究地理学报，（）：，（）：张文静，孙小银，单瑞峰，等 年南四湖流域景观生态风险时空变化及其驱动因素研究生态科学，（）：，（）：雷菁，钟业喜，冯兴华，等基于交通信息流的长江经济带城市中心性及其影响因素经济地理，（）：，（）：唐常春，李亚平多中心城市群土地利用 覆被变化地学信息图谱研究：以长株潭城市群为例地理研究，（）：，：，（）：崔超，刘申，翟丽梅，等香溪河流域土地利用变化过程对非点源氮磷输出的影响农业环境科学学报，（）：，（）：韩黎阳，黄志霖，肖文发，等三峡库区兰陵溪小流域土地利用及景观格局对氮磷输出的影响环境科学，（）：，（）：房志达，苏静君，赵洪涛，等红壤丘陵区小流域典型土地利用的面源氮磷输出特征 环境科学，（）：，（）：王艺璇，沈彦军，高雅，等永定河上游环境变化和水资源演变研究进展南水北调与水利科技，（）：，（）：作者简介：叶敦雨（），男，山东滕州人，研究方向为污染生态学。：（责任编辑：陈 昕）