平原河网区浅水湖泊生态安全评估与时空差异性分析：以江苏省白马湖为例

柴丽娜，张 磊，孙兆海②，于 洋，蒋晓威，李盈语

(1.江苏省环境工程技术有限公司，江苏 南京 210019；2.江苏省环境科学研究院，江苏 南京 210036；3.中国科学院南京地理与湖泊研究所，江苏 南京 210008)

作为重要的淡水资源，湖泊具有供水、防洪、气候调节等多种生态功能，对社会经济的发展起到了不可估量的作用。由于湖泊流域社会经济的快速发展，人类活动干扰程度不断加强，导致我国众多湖泊处于超污染物负荷的高生态风险状态，严重威胁湖泊生态安全。因此，需辅以科学合理的人工调控措施，维持湖泊生态系统的健康稳定。开展湖泊生态安全评估研究，探究湖泊生态环境改变的主要驱动因子和胁迫因子，能够为制定我国湖泊流域生态环境保护政策提供理论依据[1-2]。

近年来，国内外学者在湖泊生态安全评估模型、评估指标体系建立和生态安全状况评估方面开展了大量的研究[3-5]。在评估模型及指标体系建立方面，应用于河湖流域水生态安全评估的模型主要包括压力-状态-响应(PSR)、压力-状态-功能-风险(PSFR)和驱动力-压力-状态-影响-响应(DPSIR)等[6-12]。相较于其他模型，DPSIR模型具有完整性和全面性的特点，能够准确描述系统的复杂性和相互之间的因果关系，更为全面地评价人类活动与生态环境之间的相互作用关系[3,13]，在复杂环境系统的评估研究中得到了广泛应用[10-13]。关于湖泊生态安全状况评估的研究以静态现状评价为主，动态跟踪评价较少，且以洞庭湖[14]、鄱阳湖[15]、太湖、洪泽湖等换水周期较长的大型湖泊居多[1]，针对人类活动干扰较大、换水周期较短[16]的平原河网地区浅水湖泊的水生态安全综合评估研究则鲜有报道。白马湖位于淮河流域洪泽湖下游，属于典型的平原河网区浅水湖泊，近年来白马湖水环境问题日益突出[17]。笔者以白马湖为研究对象，采用DPSIR模型框架，将反映人类调控对湖泊水生态安全改善作用的指标纳入研究范围，建立白马湖水生态安全评估指标体系，开展白马湖生态安全状况评估及时空差异性分析研究，不仅能够为白马湖的系统保护与管理决策提供科学依据，同时有望为平原河网区浅水湖泊流域的生态安全评估提供参考。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

白马湖地处淮河流域下游(33°18′40″～33°12′37″ N，119°06′12″～119°09′27″ E)，分属淮安市淮安区、洪泽区、金湖县和扬州市宝应县，地势呈西高东低，北高南低，汇水区域面积994 km2(图1)，为苏北灌溉总渠以南、里运河以西、白马湖隔堤和洪金北干渠以北的封闭区域，主要汇集区域内的地表径流和灌溉回归水[16]。白马湖是江苏省十大淡水湖之一，也是南水北调东线工程的过境湖泊和淮安市第二饮用水源地，兼具饮用水源、航运、防洪滞涝等功能。白马湖水面面积82.68 km2，南北长17.3 km，东西平均宽6.4 km，湖底高程一般为5.0～5.5 m，多年平均水位为6.56 m，换水周期为4.2 d，补给系数为8.8，属于典型的平原河网区浅水湖泊，主要出入湖河流17条，入湖河流分布于湖泊西岸和北岸。随着经济的快速发展，白马湖流域人口不断增长，污染物排放量不断增多，对湖泊水环境产生了显著影响[17]。

1.2 指标体系及参照标准

1.2.1指标体系构建

以DPSIR模型及“4+1”评估方法(即流域社会经济影响、湖泊水生态系统健康、湖泊生态服务功能、调控管理水平4个方案层评估和湖泊生态安全综合评估)[2]为借鉴。参考《湖泊生态安全调查与评估技术指南》，结合白马湖流域生态系统特点，优选能反映湖泊生态安全状况的关键指标，建立平原河网区浅水湖泊生态安全评价指标体系。指标体系由流域社会经济影响(A1)、湖泊水生态系统健康(A2)、湖泊生态服务功能(A3)、调控管理水平(A4)4个方案层组成，方案层包括18个因素层(B)和39个指标层(C)指标(表1)。其中，社会经济影响指标反映人类活动方式和活动强度是否适当，包括驱动力和压力2个方面，驱动力反映湖泊流域所处的人类社会经济系统的相关属性，包括人口压力、经济活动影响、社会影响3个部分；压力反映人类社会对湖泊水质的最直接影响，突出反映在流域污染负荷和入湖河流水质2个方面。水生态健康指标反映湖泊生态健康所处的状态，体现在水质和水生态(富营养化、沉积物、水生生物多样性等)2个方面。生态服务功能指标主要反映湖泊健康状况变化对其服务功能的影响，体现在饮用水服务、水源涵养、栖息地服务、拦截净化、生物多样性维护等方面。调控管理指标反映人类反馈措施对社会经济发展的调控及湖泊水质水生态的改善作用，主要体现在经济政策、部门政策和环境政策3个方面，由资金投入、污染治理、监管能力和长效机制4个指标组成。

1.2.2数据来源

人口压力和经济活动数据主要来源于2014和2019年统计年鉴，流域污染负荷数据主要来源于2013和2018年环境统计年报；社会影响、水源涵养、栖息地、拦截净化数据主要由遥感影像解译结合2013和2018年土地利用现状获取。湖泊沉积物、水生生物多样性、生态服务功能各项指标主要采用现场调查结合主管部门备案资料。资金投入、污染治理、监管能力、长效机制指标主要来源于主管部门相关管理、考核文件。湖泊水质、富营养化数据来源于2010—2018年白马湖浔河口(L1)、洪金(L2)、李庄(L3)3个断面的例行监测数据。饮用水服务功能采用白马湖备用水源地2010—2018年例行监测数据。由于淮安市仅对浔河进行例行监测，缺乏其他入湖河流水质数据，为使入湖河流指标值尽可能反映客观情况，分别在浔河(R1)、花河(R2)、往良河(R3)、草泽河(R4)4个入湖河流上增设4个水质监测点位(图1)，实测2014和2018年2个时段的逐月水质数据。研究缺少2013年河流水质监测数据，但鉴于河流沿岸土地利用及生产活动变化不大[8]，且2013—2015年期间未开展河道治理[18]，因此，采用2014年实测的4条入湖河流水质数据进行评估。

1.2.3指标参照标准

指标参照标准值主要依据以下4个方面确定[2,12]：(1)已有的国家标准、国际标准或经过研究已经确定的区域标准；(2)流域水质、水生态、环境管理的目标或者参考国内外具有良好特色的流域现状值；(3)依据现有的湖泊流域社会经济协调发展理论得出的定量化指标；(4)对于目前研究较少，但对生态安全评估较为重要的指标，在缺乏有关指标统计数据时，将经验数据作为参照标准。

1.3 评估方法

1.3.1指标标准化和权重计算

根据Weber-Fishna定律，对照表1中的标准，对各指标数据进行标准化处理[14]。指标标准化数值均为无量纲化数值，介于0～1之间，越大越好。采用熵值法[19-20]、专家打分法相结合的方式确定指标权重[8]，其中社会经济、水生态健康、生物多样性保护、污染治理等指标层及因素层指标权重以熵值法为主，其余指标权重以专家打分法为主。标准化数值和指标权重见表2。

表1 白马湖生态安全评估指标体系及指标参照标准[7-8,12]Table 1 Ecological security evaluation index system and the standards for Baima Lake

表2 白马湖生态安全评估指标权重[8,11-12]Table 2 The weight of ecological security evaluation index for Baima Lake

1.3.2生态安全指数及方案层指数计算方法

采用分级评分、逐级加权的方法计算方案层指数，采用综合指数法将各指标进行加权求和，计算湖泊生态安全指数(ESI，IES)[14]。

(1)方案层指数计算方法为

(1)

(2)

式(1)～(2)中，Ak为第k个方案层(社会经济影响、水生态健康、生态服务功能、调控管理水平)的分值，0≤Ak≤100；Bi为因素层的状态指数，0≤Bi≤100；Wi为因素层B指标因子相对于方案层A的权重系数；Wj为指标层C相对于因素层B的权重系数；Cij为评估指标的标准化值，此处需满足0≤Cij≤1，>1的按1取值。

(2)生态安全指数计算方法

(3)

式(3)中，IES为生态安全指数；Wk为第k个方案层对目标层的权重。

1.3.3生态安全分级标准

参考《湖泊生态安全调查与评估技术指南》及相关研究[10,14]，将湖泊生态安全指数分为安全、较安全、一般安全、欠安全、很不安全5个等级(表3)。

表3 生态安全指数及方案层指数等级划分标准Table 3 Grading standards of ecological security index and scheme level index

2 结果与讨论

2.1 白马湖生态安全水平时间差异性分析

采用白马湖生态安全评估指标体系计算得到研究区社会经济影响、水生态健康、生态服务功能、调控管理水平4个方案层指数和白马湖生态安全指数(表4)。结果表明，近年来白马湖生态安全水平有所好转，流域生态系统完整性呈现向好态势，ESI值由2013年的66.70提高到2018年的74.79，湖泊生态系统从“一般安全”提升到“较安全”状态，社会经济影响、生态服务功能、调控管理水平3个指数显著提高，分别较2013年提高了19.6%、14.3%和16.5%。其中，社会经济影响指数改善幅度最大，说明经济活动对湖泊生态系统的干扰程度有所下降，主要归功于流域近年来污染治理水平和社会经济发展水平的不断提升，但其状态仍接近“较轻”下限，需持续加大流域经济的绿色转型发展力度，避免出现反弹。生态服务功能和调控管理水平指数分别提升至81.36和82.91，均处于“较好”状态，说明湖泊流域能够为动植物提供良好的栖息地环境，为人类提供优质的生态产品，人为调控水平也能较好地解决“人湖”关系，这与湖泊流域全面实施退圩(渔)还湖还湿等生态保护修复措施、完善保护管理体制密切相关。

表4 白马湖生态安全评估结果Table 4 The results of ecological security evaluation for Baima Lake

然而，区别于前述3项指数，水生态健康状况改善幅度甚微，2018年仅比2013年提高了1.8%，接近“较好”状态的下限，这一现象值得引起高度重视，说明白马湖水生态保护与修复依旧任重道远。受损的水生态系统结构和功能恢复是一个漫长的过程，外部干扰因素改善后，湖泊生态安全水平虽有所提升，但湖泊生态系统内部难以快速调节到平衡状态，水生态健康状况改善具有明显的延迟性。而强外部干扰却能迫使浅水湖泊生态系统自我调节能力迅速丧失，加速破坏湖泊稳态系统[21]，进而延缓和加大治理的进程及成本[22-23]。因此，浅水湖泊保护与管理的首要任务是加强对人类活动的管控，避免外部干扰因素的强度超过流域和湖泊的承载能力。

2.2 白马湖生态安全水平空间差异性分析

对不同湖区生态安全指数的分析结果表明，白马湖生态安全水平由南向北逐渐下降，2013和2018年，北部湖区(浔河口)ESI值分别为61.22和69.01，均处于“一般安全”状态；中部湖区(洪金)ESI值分别为66.90和77.94，由“一般安全”状态改善为“较安全”状态；南部湖区(李庄)ESI值分别为74.15和83.43，均处于“较安全”状态(图2)。水生态健康水平在空间上也呈现出相同的变化趋势，南部湖区水生态健康状况最好，指数值超过了90，处于“很好”的状态；中部湖区处于“较好状态”；北部湖区最差，处于“较差”水平，生态调节机制已不能保证生态系统的良性循环。由此可知，水生态健康水平低是导致北部湖区生态安全指数最低的直接因素。

北部湖区生态安全水平低的根本原因是湖泊流域高强度的开发利用产生大量的外源污染物，通过浔河、往良河、草泽河等入湖河流进入白马湖[16]，导致北部湖区水质遭受直接冲击，湖体水质(B6)、富营养化程度(B7)和水生生物多样性(B9)3个指标值均明显低于中部和南部湖区(图3)，水生态健康状况恶化最为严重[24]。采用Pearson相关性系数分析了3条入湖河流与白马湖总磷浓度的相关性，结果表明，西北部入湖河流与北部和中部湖区总磷浓度在0.01或0.05水平(双侧)上显著相关，而与南部湖区不显著相关(表5)。

表5 入湖河流与白马湖总磷浓度的Pearson相关性Table 5 Pearson correlation of TP concentration between inflow rivers and Baima Lake

北部和西北部湖区受沿岸农业和生活污染源影响较大，水体中的污染物在传输过程中逐步得到净化，因此南部湖区水质受西北部入湖河流影响较小[17]。如2018年北部浔河口点位总磷浓度最高，为0.130 mg·L-1；中部洪金和南部李庄点位的总磷浓度则较低，分别为0.045和0.033 mg·L-1。进一步证实了人类活动的过度无序开发会直接驱动湖泊生态安全状况的恶化[15]。

2.3 白马湖生态安全水平关键影响因素分析

对4个方案层和18个因素层指标的分析结果(图4)表明，经济活动影响(B2)大、流域污染负荷(B4)高、湖体富营养化(B7)程度高、水源涵养功能(B11)低、拦截净化功能(B13)低、监管水平(B17)低是导致白马湖生态安全水平下降的主要限制性因素，而绿色发展水平不高、环境基础设施不完善、人类活动干扰强度高是根本原因。张磊[12]、钟振宇等[14]对洪泽湖、洞庭湖等平原区湖泊生态安全评估及其影响因素分析也得到相似的结果，即水质、水生态指标是关键因子，而水生态安全水平下降也与社会经济、污染负荷等指标密切相关。

就社会经济影响而言，经济影响(B2)和污染负荷(B4)2项指标值低，是限制白马湖流域社会经济影响指数提升的主要因素。主要原因在于流域绿色发展水平不高，农业源和生活源污染入河量仍处于高位。经测算，2013年白马湖单位面积面源和点源污染物负荷超出流域环境容量的2～6倍。因此白马湖流域污染治理应重点关注农业面源及生活源的治理[21]，持续推进产业绿色转型，加快生态资产变现，促进经济高质量发展。

就水生态健康而言，富营养化指数(B7)指标值过低，水生生物多样性(B9)总体较差，是导致水生态健康水平较低的主要原因。一方面由于外源污染物大量入河入湖[15,25]，导致湖泊富营养化程度较重；另一方面，白马湖大规模清淤，对水生生物群落结构造成扰动，湖泊内部大面积的围网养殖降低了水生植物覆盖度[26-27]。2016年白马湖的水生植被覆盖率仅为43%，较历史最高覆盖度下降了32百分点，且湖区荒漠化凸显[17]。水质(B6)和沉积物(B8)2项指标值较高，说明白马湖的水质状况较好，沉积物重金属风险指数尚处于“低风险”水平。因此，应加大湖泊流域截污力度，以降低湖体富营养化程度。同时，应将湖泊及其流域作为一个整体，采取近自然的保护修复方式，减少不必要的人为干扰，让生态休养生息，逐步恢复水生生物多样性。

就生态服务功能而言，饮用水服务功能(B10)和栖息地功能(B12)较好，水源涵养功能(B11)、拦截净化功能(B13)、人文景观功能(B14)3项指标值偏低，是水生态健康水平提升的限制性因素。原因在于流域植被覆盖度低、湖滨带遭受破坏，不仅影响动植物栖息地环境，还会导致水源涵养功能和湖滨带污染物拦截净化功能下降[28-29]。因此，流域植被恢复、湖滨带生态修复及湿地建设是未来一段时期内白马湖生态系统修复的重点，应严格限制人类活动非法侵占湖泊自然岸线等重要生态空间。

就调控管理水平而言，白马湖环保资金投入(B15)较高，理论上可满足流域生态环境保护的资金需求。然而，由于白马湖流域污染治理起步晚，污染治理欠账多(B16)、监管水平低(B17)，加之白马湖分属淮安、扬州两市，长效机制不健全(B18)，没有统一的管理机构对整个湖泊流域实施统一监管，因此2013年流域调控管理水平整体较低。随着白马湖生态环境保护规划、水资源管理制度等一系列政策文件的印发实施，长效监管机制逐步完善，湖泊流域调控管理能力得到大幅提升，使得白马湖生态系统退化趋势得以扭转[30]。因此，持续推进流域生态环境治理能力现代化，尽快完善流域生态环境管理制度仍是未来湖泊保护与管理的重中之重。

2.4 浅水湖泊生态环境保护与管理对策建议

综合前述研究结果及已有文献报道[31-32]，未来的浅水湖泊保护与管理应由单纯的污染治理向流域生态系统保护转变，将流域各类生态空间及生产生活空间作为一个整体，从生态系统自然演替规律和内在机理出发，开展湖泊流域系统性保护与管理，全方位系统性保护湖泊流域生态安全。一是以提升区域绿色低碳发展水平为根本，推动源头污染减量，降低外部干扰；二是以加大生态空间管控力度为抓手，严格限制人类生产生活非法侵占湖泊自然岸线等重要生态空间，留足休养生息的时间和空间，扩大生态容量；三是加大污染治理力度、提高污染治理水平，加快完善流域生态环境基础设施，推进流域生态环境治理能力现代化发展，补齐生态环境治理短板；四是建立完善湖泊流域跨行政区域单元协同保护机制，强化统一监督管理。

3 结论

基于DPSIR模型和“4+1”评估框架体系构建的平原浅水湖泊生态安全评价指标体系不仅能够反应湖泊生态安全综合水平，同时可用于识别影响湖泊生态状况的关键因素。白马湖生态安全评估结果显示，2018年白马湖生态安全水平整体处于“较安全”等级，较2013年明显好转，但湖泊水生态健康水平变化不大，湖泊生态系统内部结构及功能的改善具有延迟性。生态安全水平在空间上呈现出由南向北逐渐下降的趋势。通过对因素层指标的分析发现，平原浅水湖泊生态系统状况的主要影响因素是上游区域污染负荷高、入湖河流水质状况差、流域水源涵养功能低和污染拦截净化功能低；人类生产生活干扰程度的不同导致不同湖区生态安全水平出现明显差异，湖泊上游区域高强度的开发利用使得生态功能下降，进而造成湖泊水生态状况下降。湖泊保护与管理应改变唯治水而治湖的观念，将湖泊及其流域作为一个整体，实施岸上岸下协同治理，优先控制人类活动强度，降低外部干扰，维护湖泊生态系统稳定。