桂西南地區水源涵養物質量及其價值評估

李春燕 田義超 彭倩蓉

［關鍵詞］ 水源涵養；價值評估；InVEST 模型；影子工程法；桂西南地區

［摘 要］ 基于2000—2018年桂西南地區遙感影像等數據，采用InVEST模型定量評估水源涵養物質量，利用影子工程法計算水源涵養服務價值。結果表明：時間尺度上，研究區水源涵養物質量及其價值總體上均呈增加趨勢；空間尺度上，水源涵養物質量及其價值分布存在一定差異，但大致均呈從南部向北部遞減的趨勢，大部分地區水源涵養價值呈增加趨勢，只有百色市樂業縣及沿海地區呈減少趨勢；水源涵養價值與坡度、海拔均呈極顯著負相關關系，也與地貌類型密切相關。

［中圖分類號］ S157? ［文獻標識碼］ A? ［文章編號］ 1000－0941（2023）05－0049－04

生態系統服務是指人類從生態系統中獲得的收益，是人類福祉和可持續發展的基礎[1]。在眾多生態系統服務中，水源涵養占據了重要位置。生態系統利用林冠、枯落物、根系和土壤把大量的降水、灌溉水攔蓄在生態系統內部，不僅滿足了系統內各個生態群體的需求，而且持續地向外部提供水源[2]。由于水環境的急劇惡化和人類對水資源需求的持續增加，全球水資源嚴重短缺，因此人們更加關注水源涵養服務功能的相關研究。隨著“3S”技術的發展，利用定量化和空間可視化方法評估生態系統中水源涵養物質量成為一種新趨勢[3]。常用來研究水源涵養物質量的方法有土壤蓄水能力法、年徑流量法和水量平衡法等，研究模型主要有TerrainLab模型、SWAT模型和InVEST模型等，其中InVEST模型對參數、特性數據要求較低，通用性較強，且在不斷改進完善中，目前已應用于多地流域水源涵養服務的評估研究中并取得了較好的應用效果[4-5]。

廣西壯族自治區作為與東盟各國對接的核心省區，地理位置非常重要，尤其桂西南地區具有沿邊、沿海的區位優勢，正日益成為廣西乃至大西南對外開放的“通道”和“窗口”。在《國家發展改革委關于印發〈西部陸海新通道總體規劃〉的通知》（發改基礎〔2019〕1333號）發布后，包括廣西在內的西部地區都在以物流為主題，大力發展一體化綜合交通樞紐。為在加強交通基礎設施建設的同時，最大程度地保護生態系統服務功能，本研究以桂西南地區為研究區，定量評估生態系統水源涵養物質量及其價值，并分析主要影響因素對水源涵養價值的影響，以期為合理制定后續生態保護和經濟發展政策提供參考。

1 研究區概況

桂西南地區位于20°26′～25°07′N、104°28′～109°56′E之間，包括百色市、崇左市、南寧市、防城港市、欽州市和北海市6個地級市，總面積約95 662 km2，占廣西總面積的40%；地處廣西典型的巖溶喀斯特地貌區，喀斯特地貌面積約32 525 km2，非喀斯特地貌面積約63 137 km2，地形地貌復雜，巖性以碳酸鹽類為主，水土流失嚴重；受季風氣候影響，降雨較為集中且雨量充沛；水系主要有左江、右江、邕江、南流江等，水量豐富且隨季節變化較大，同時地下水資源較為豐富，地表河流與地下河流相互轉化。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究采用的數據包括遙感影像、氣象、土壤類型、DEM及社會經濟數據等。影像數據來源于地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn/），空間分辨率為30 m×30 m，選取2000年、2005年、2010年、2015年、2017年的LANDSAT數據，在ENVI5.1軟件中通過人工目視解譯生成土地利用數據。氣象數據源自中國氣象科學數據共享服務網（http：//cdc.cma.gov.cn），時間為2000—2018年，主要包括研究區及其周邊的25個氣象站點的氣溫、太陽輻射、蒸散發等逐日數據，降雨數據采用的是TRMM_3B43數據。土壤類型數據包括土壤深度數據（來源于世界土壤數據庫）和土壤沙粒、粉粒、黏粒、有機碳的含量數據（來源于中國科學院資源環境科學數據中心，http：//www.resdc.cn/）。DEM原始數據來源于地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn/），空間分辨率為30 m，對原始數據進行鑲嵌、裁剪等處理后得到最終的DEM數據。人口密度、用水量等社會經濟數據均來自于2000—2018年統計部門公布的社會經濟公共數據。

2.2 研究方法

2.2.1 水源涵養物質量

本研究采用InVEST模型的產水量模塊計算研究區的水源涵養物質量。該模塊基于水量平衡原理，以減去實際蒸散發后的降水量作為單位柵格的產水量[6]，并以柵格為基礎，結合各項參數計算，分析導致產水量呈現空間異質性的影響因素。

2.2.2 水源涵養價值

水源涵養價值的估算選取影子工程法，即利用修建相應庫容水庫的成本來測算水源涵養的經濟價值[7]，計算公式為E=aVw式中：E為水源涵養價值，元；a為單位面積的水庫造價，取值參考《林業生態工程生態效益評價技術規程》（DB11/T 1099—2014），本研究取值6.110 7元/m3；Vw為區域水源涵養總量，m3。

3 結果與分析

3.1 水源涵養物質量時空變化特征

統計2000—2018年研究區、喀斯特區和非喀斯特區單位面積水源涵養物質量年際變化，見圖1。2000—2018年研究區單位面積水源涵養物質量呈增加趨勢， 李春燕等：桂西南地區水源涵養物質量及其價值評估年均值為1 230.16 mm/km2，其中2001年最大（1 674.92 mm/km2），2009年最小（969.98 mm/km2）；研究區、喀斯特區、非喀斯特區單位面積水源涵養物質量變化曲線斜率排序為非喀斯特區（6.635 7）>研究區（6.435 2）>喀斯特區（6.042 9）。

計算每個柵格的水源涵養物質量（見圖2），采用自然斷點分級法（Jenks）共劃分為低、較低、中等、較高和高5個等級，分析研究區2000—2018年水源涵養物質量均值的空間分布特征。整體上看，水源涵養物質量高值區分布在研究區南部，低值區分布在北部，其空間變化呈現出由南向北遞減的趨勢。從行政區來看，高值區集中在防城港市、欽州市及北海市的南部區域，面積占總面積的14.33%；較高值區集中在崇左市的寧明縣、扶綏縣和南寧市的邕寧區、橫縣等，面積占總面積的21.93%；中值區集中在研究區的中部，以崇左市和南寧市為主，在百色市東部也有少量分布，面積占總面積的33.74%；較低值區面積占總面積的23.56%；低值區面積最少，僅占6.44%。

3.2 水源涵養價值時空變化特征

分別統計2000—2018年研究區、喀斯特區和非喀斯特區的水源涵養價值，見圖3。2000—2018年研究區、喀斯特區與非喀斯特區水源涵養價值均呈增加趨勢，增長曲線斜率排序為研究區（37.579）＞非喀斯特區（25.563）>喀斯特區（11.922）。研究區水源涵養價值年均值為7 191.19億元，其中2001年最大（9 791.12億元），2009年最小（5 670.27億元）。

2000—2018年研究區單位面積水源涵養價值年均值空間分布差異較大，按照自然斷點法，中高值區分布在南部，低值區分布在北部，其空間變化呈現從南部到北部遞減的趨勢，見圖4。進一步計算水源涵養價值差值，分析19 a來研究區水源涵養價值變化的空間分布，見圖5。從總體上看，大部分地區水源涵養價值呈增加趨勢（差值為正值），以西部地區增加較為明顯，只有百色市的樂業縣及南部沿海地區呈減少趨勢。其中：差值在73 286.72～107 904.17元的面積最多，占總面積的27.24%，主要分布于南寧市，在百色市和欽州市也有小面積分布；其次是差值在137 905.967～461 002.190元的區域，占總面積的25.55%，主要分布在西部區域，即百色市的西南部和崇左市的絕大部分區域。

3.3 水源涵養價值空間分異影響因素分析

（1）坡度。將坡度每隔5°劃分1個等級，研究區坡度范圍0～55°，一共劃分為12個等級，統計不同坡度區水源涵養價值變化情況（見圖6）。由圖6可知，水源涵養價值和坡度關系曲線的趨勢線斜率為-69.69，R2為0.471 5，通過了顯著性水平為0.01的檢驗，說明水源涵養價值與坡度整體上呈極顯著負相關關系，即隨坡度的升高水源涵養價值逐漸減少，特別是坡度從0上升到5°時水源涵養價值下降速度最快，下降速度為181.33億元/（°）。

（2）海拔。基于研究區DEM數據，海拔每100 m劃分1個等級，研究區海拔0～2 036 m，一共劃分了21個等級，統計得到水源涵養價值和海拔的相關關系散點圖（見圖7）。由圖7可知，研究區水源涵養價值和海拔的趨勢線斜率為-11.191，R2為0.542 7，通過了顯著性水平為0.01的檢驗，說明水源涵養價值與海拔整體上呈極顯著負相關關系，即隨著海拔升高水源涵養價值逐漸減少。海拔0～100 m時，水源涵養價值呈增加趨勢，海拔每升高1 m，水源涵養價值增加3.102億元。當海拔超過100 m時，水源涵養價值隨海拔升高呈現先快速下降后緩慢下降的變化趨勢：當海拔100～200 m時，水源涵養價值快速下降，海拔每升高1 m，水源涵養價值減少1.862億元；當海拔超過200 m時，水源涵養價值呈現緩慢下降趨勢，海拔200～2 036 m時水源涵養價值減少了214.732億元，下降速度為0.117億元/m。

（3）地貌類型。對研究區從東南到西北的11類地貌類型依次排序，統計2000—2018年各地貌類型的年均單位面積水源涵養價值，見圖8。可以看出，從東南到西北11類地貌單元的水源涵養價值大致呈遞減趨勢，低海拔海積平原地貌類型水源涵養價值最大，年均值為24 703.87萬元/km2，中海拔黃土梁地貌類型水源涵養價值最小，年均值為10 139.08萬元/km2。

4 結 語

本研究以桂西南地區為研究區，采用遙感影像、氣象、土壤類型、DEM及社會經濟數據等，采用InVEST模型定量評估研究區2000—2018年水源涵養物質量，并采用影子工程法評估2000—2018年水源涵養價值，結果表明：①時間尺度上，2000—2018年研究區水源涵養物質量總體呈增加趨勢，單位面積水源涵養物質量年均值為1 230.16 mm/km2；水源涵養價值總體也呈增加趨勢，水源涵養價值年均值為7 191.19 億元。②空間尺度上，2000—2018年研究區水源涵養價值年均值分布規律表現出明顯的地域分異規律，高值區分布在南部，中值區集中在中部，低值區分布在北部，空間變化呈現出由南向北遞減的趨勢；大部分地區水源涵養價值呈增加趨勢，以西部地區增加較為明顯，只有在百色市的樂業縣及南部沿海地區呈減少趨勢。③整體上，研究區水源涵養價值與坡度、海拔均呈極顯著負相關關系，同時與地貌類型密切相關。

本研究利用InVEST模型對桂西南地區生態系統的水源涵養服務進行了評價，驗證了該模型在桂西南地區的適用性。但是，由于研究區大部分區域模型和方法的簡化，缺少實時更新的實測數據，因此降低了研究結果的準確性。考慮到水源涵養評價的復雜性，今后需要加強實時數據采集，注重對參數的局部分析和驗證，提高評價結果的準確性，同時深入探討各類環境因素對生態系統中水源涵養功能的影響，改進InVEST模型評價模式。

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［作者簡介］ 李春燕（1999—），女，廣西欽州人，學士，主要從事遙感信息應用相關研究；通信作者田義超（1986—），男，陜西西安人，教授，博士，主要從事資源環境遙感及海岸帶生態環境監測相關研究。

［收稿日期］ 2022-01-15

（責任編輯 李楊楊）