廣西土地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能時(shí)空變化及其影響因素研究

摘要［目的］研究廣西土地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的時(shí)空變化和影響因素。［方法］基于InVEST模型的產(chǎn)水量模塊和ArcGIS軟件，定量評(píng)估廣西2000、2010、2020年3個(gè)時(shí)期水源涵養(yǎng)功能時(shí)空變化，并利用地理探測(cè)器模型分析水源涵養(yǎng)功能的主要影響因素。［結(jié)果］2000—2020年廣西土地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量為140.26×108～157.83×108m多年平均水源涵養(yǎng)量為148.99×108m時(shí)間尺度上呈現(xiàn)先增加后減少的態(tài)勢(shì)，空間格局上呈現(xiàn)東北部高、西南部低的態(tài)勢(shì)；2000—2020年廣西各類土地的水源涵養(yǎng)功能排序依次為林地gt;耕地gt;草地gt;水域gt;建設(shè)用地gt;未利用地，土地利用類型面積的占比對(duì)水源涵養(yǎng)量有重要影響；單因子探測(cè)結(jié)果表明，廣西土地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量的空間分布差異主要受土地利用類型、年蒸散量、高程的影響，而雙因子探測(cè)結(jié)果則進(jìn)一步揭示，土地利用類型和年降水量、年降水量和人口密度的交互作用對(duì)水源涵養(yǎng)量的空間分布變化影響尤為顯著。［結(jié)論］廣西土地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能在時(shí)空上存在明顯差異，繼續(xù)實(shí)施退耕還林政策，進(jìn)一步鞏固已取得的成效，兼顧單因子和多因子作用的共同影響有利于廣西更好地推進(jìn)生態(tài)安全建設(shè)。

關(guān)鍵詞水源涵養(yǎng)功能；時(shí)空變化；影響因素；土地生態(tài)系統(tǒng)；InVEST模型；地理探測(cè)器；廣西

中圖分類號(hào)X171.1"文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611（2025）02-0066-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.02.016

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

StudyonSpatio-temporalChangesofWaterConservationFunctionofLandEcosystemandItsInfluencingFactorsinGuangxi

HUANGYi-ping，YANGXiao-xiong

（SchoolofNaturalResourcesandSurveying，NanningNormalUniversity，Nanning，Guangxi530001）

Abstract［Objective］Tostudythespatio-temporalchangesandinfluencingfactorsofwaterconservationfunctionoflandecosysteminGuangxi.［Method］BasedonthewaterproductionmoduleofInVESTmodelandArcGISsoftware，thespatio-temporalchangesofwaterconservationfunctioninGuangxiin2000，2010and2020werequantitativelyevaluated，andthemaininfluencingfactorsofwaterconservationfunctionwereanalyzedbyusingthegeographicaldetectormodel.［Result］From2000to2020，thewaterconservationoflandecosysteminGuangxiwas140.26×108-157.83×108mandtheannualaveragewaterconservationwas148.99×108mshowingatrendoffirstincreaseandthendecreaseonthetimescale，andthespatialpatternwashigherinthenortheastandlowerinthesouthwest.TherankingofthewaterretentionfunctionofvariouslandtypesinGuangxifrom2000to2020wasforestland＞arableland＞grassland＞waters＞constructionland＞unusedland.Theproportionoflandusetypeshadanimportantimpactonwaterretentioncapacity.ThesinglefactordetectionresultsindicatedthatthespatialdistributiondifferencesofwatersourceconservationcapacityinGuangxi'slandecosystemweremainlyinfluencedbylandusetypes，annualevaporationandelevation.Thedualfactordetectionresultsfurtherrevealedthattheinteractionbetweenlandusetypesandannualrainfall，aswellastheinteractionbetweenannualrainfallandpopulationdensity，hadaparticularlysignificantimpactonthespatialdistributionchangesofwatersourceconservationcapacity.［Conclusion］ThewaterconservationfunctionoflandecosysteminGuangxiwasobviouslydifferentintimeandspace.Continuingtoimplementthepolicyofreturningfarmlandtoforest，furtherconsolidatingtheachievedresults，andtakingintoaccountthecombinedeffectsofsinglefactorandmultiplefactorareconducivetobetterpromotingtheconstructionofecologicalsecurityinGuangxi.

KeywordsWaterconservationfunction;Spatio-temporalchange;Influencingfactor;Landecosystem;InVESTmodel;Geographicdetector;Guangxi

水源涵養(yǎng)功能是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要組成部分，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類直接或間接從生物與其周邊環(huán)境構(gòu)成的整體中獲得的惠益^［1］，是人類生活生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要保障。水源涵養(yǎng)功能是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中的關(guān)鍵組成部分^［2］，在調(diào)蓄徑流、保持水土、保護(hù)生物多樣性等方面都發(fā)揮著極其重要的作用^［3］。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和全球氣候變暖，人類對(duì)水資源的需求量增加和不合理利用，導(dǎo)致水源涵養(yǎng)功能承受巨大的壓力，嚴(yán)重威脅人類生產(chǎn)生活和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。因此，人們更加重視對(duì)水源涵養(yǎng)功能的研究。

水源涵養(yǎng)功能主要是通過水源涵養(yǎng)量來體現(xiàn)，水源涵養(yǎng)量評(píng)估方法主要分為兩類，一類是基于概念模型的水量平衡法、降水量?jī)?chǔ)存法、綜合蓄水能力法等方法，另一類是基于動(dòng)力模型的InVEST模型、SWAT模型、元胞自動(dòng)機(jī)、Terrain Lab等模型。其中，InVEST模型具有數(shù)據(jù)易獲取、適用性較強(qiáng)、結(jié)果可視化和定量化等優(yōu)點(diǎn)^［4］，被廣泛運(yùn)用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估等領(lǐng)域^［5-8］。利用InVEST模型計(jì)算水源涵養(yǎng)量的研究對(duì)象由單一的森林生態(tài)系統(tǒng)^［4，9］向其他生態(tài)系統(tǒng)^［10-11］、流域^{［2，13-14］}擴(kuò)展，研究?jī)?nèi)容由闡釋樹木水源涵養(yǎng)作用、測(cè)量林區(qū)地面蒸發(fā)^［14］等向水文過程產(chǎn)生的綜合效應(yīng)^［15］、水源涵養(yǎng)時(shí)空尺度研究^［16-17］等擴(kuò)展。

喀斯特地區(qū)是我國(guó)四大生態(tài)脆弱地區(qū)之一^［18］，地表異常缺水和多發(fā)洪澇災(zāi)害，對(duì)水土保持、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等影響很大。但目前學(xué)者們對(duì)喀斯特地區(qū)水源涵養(yǎng)功能演變及其機(jī)制的相關(guān)研究較少，廣西屬于典型的喀斯特地區(qū)，開展廣西土地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的時(shí)空變化及影響因素分析具有重要意義。筆者以廣西為研究區(qū)域，利用InVEST模型評(píng)估2000、2010和2020年3個(gè)時(shí)期的水源涵養(yǎng)功能時(shí)空分布特征，并使用地理探測(cè)器分析水源涵養(yǎng)量變化的影響因子作用及相互作用。

1資料與方法

1.1研究區(qū)概況廣西地處我國(guó)華南地區(qū)（104°28′～112°04′E、20°54′～26°24′N），包括南寧、柳州、桂林等14個(gè)地級(jí)市。該地區(qū)山嶺綿亙四周，中部為巖溶丘陵、平原，地勢(shì)大致為西北高、東南低，總體上從北向南傾斜，喀斯特地貌連片分布在83.9%的縣域，面積約占區(qū)域面積的51%。屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，大部分地區(qū)雨量充沛，日照適中，年降水量1500～2000mm，年平均氣溫16.0～23.0℃，雨熱同期。

1.2數(shù)據(jù)來源土地利用數(shù)據(jù)源自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（https：//www.resdc.cn/），使用重分類工具將其分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6類。降水量和潛在蒸散量數(shù)據(jù)由國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心共享服務(wù)平臺(tái)（http：//www.geodata.cn/）提供，其數(shù)據(jù)單位是0.1mm。土壤屬性數(shù)據(jù)來自世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD），包括土壤深度、砂礫、粉粒、黏粒和土壤有機(jī)質(zhì)含量。高程數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云（https：//www.gscloud.cn/）GDEMV230m分辨率數(shù)字高程產(chǎn)品。廣西行政邊界、流域數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（https：//www.resdc.cn/）。人均GDP和人口密度根據(jù)《廣西統(tǒng)計(jì)年鑒》計(jì)算獲得。為了提高各種數(shù)據(jù)的匹配度和模型模擬的準(zhǔn)確性，該研究將數(shù)據(jù)的投影坐標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為WGS_1984_UTM_Zone_48N，并重新采樣為1km×1km。

1.3研究方法

1.3.1InVEST產(chǎn)水量模型。該研究利用InVEST模型中的產(chǎn)水量模塊進(jìn)行模擬計(jì)算，基于水量平衡原理，結(jié)合年降水量、年潛在蒸散量、植物根系深度、植物可利用水含量、土地利用類型、生物系數(shù)等參數(shù)，通過運(yùn)行模型得到研究區(qū)的產(chǎn)水量。年產(chǎn)水量公式如下：

Yx=（1-AETxPx）×Px（1）

AETxPx=1+ωxRx1+ωxRx+1Rx（2）

Rx=kx×ET0Px（3）

ωx=Z×AWCxPx（4）

AWCx=min（maxSDx，RDx）×PAWCx（5）

PAWCx=54.509-0.132sand-0.030（sand）2-0.055silt-0.006（silt）2-0.074clay+0.007（clay）2-2.638OC+0.501（OC）2（6）

式中：Yx為年產(chǎn)水量（mm）；AETx為年實(shí)際蒸散量（mm）；Px為年降水量（mm）；AETxPx為布德科曲線的近似值；ωx為修正蒸散發(fā)量；Rx為布德科干燥指數(shù)；kx為植被蒸散系數(shù)；ET0為潛在蒸散發(fā)量（mm）；Z為Zhang系數(shù)，是描述降水分布和深度的季節(jié)性參數(shù)，取值為1～30，該研究參考2000、2010、2020年廣西水資源公報(bào)，對(duì)Z參數(shù)進(jìn)行修正；AWCx為植被有效利用水含量（mm）;maxSDx為土壤的最大深度（mm）；RDx為根系深度（mm）；PAWCx為植物可利用水含量，可以通過公式（6）計(jì)算得到^［19］;sand為土壤中砂粒含量（%）；silt為土壤中粉粒含量（%）；clay為土壤中黏粒含量（%）；OC為土壤中有機(jī)質(zhì)含量（%）。

1.3.2水源涵養(yǎng)模型。在使用InVEST模型計(jì)算出產(chǎn)水量后，將流速系數(shù)、地形指數(shù)、土壤飽和導(dǎo)水率等參數(shù)與產(chǎn)水量相結(jié)合進(jìn)行分析，以獲得研究區(qū)的水源涵養(yǎng)量，計(jì)算公式如下：

WR=min（249Velocity）×min（0.9×TI3）×min（Kast300）×Yx（7）

TI=lg（DareaSoildep×Pslope）（8）

Kast=114.8×10^{（-0.6+1.26×10-2}sand-6.4×10^-3clay） （9）

式中：WR為水源涵養(yǎng)量（mm）；Velocity為流速系數(shù)；TI為地形指數(shù)；Kast為土壤飽和導(dǎo)水率；Yx是研究區(qū)的產(chǎn)水量（mm）；Darea為集水區(qū)的柵格數(shù)量；Soildep為土層深度（mm）；Pslope為坡度的百分比（%）；sand為土壤中砂粒含量（%）；clay為土壤中黏粒含量（%）。

1.3.3 地理探測(cè)器。地理探測(cè)器是一組用于探測(cè)空間分異性及揭示其背后驅(qū)動(dòng)力的統(tǒng)計(jì)方法^［20］。該研究利用地理探測(cè)器中的因子探測(cè)器和交互探測(cè)器來分析廣西土地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量變化的主要影響因素。因子探測(cè)器用于評(píng)估變量對(duì)因變量的解釋能力^［20］，而交互探測(cè)器則用于探討2個(gè)自變量之間的交互作用。解釋能力的強(qiáng)弱通過q值來衡量，其計(jì)算公式如下：

q=1-Lh=1Nhσ2hNσ2（10）

式中：q的取值是［0，1］，q值越大，表示該因子對(duì)因變量的解釋力越強(qiáng)；變量分層用h=…，L表示；Nh和σ2h分別為h層的樣本數(shù)量和方差；N和σ2分別為樣本總量和總方差。

2結(jié)果與分析

2.1土地利用類型變化特征從2000—2020年廣西土地利用類型空間分布（圖1）可以看出，耕地和林地的面積較大，占研究區(qū)總面積的80%以上。桂東南地區(qū)和桂西北地區(qū)土地資源差異大，耕地主要分布在東南區(qū)域，東南區(qū)域多為低山丘陵、盆地和平原，水利條件好，土地肥沃，耕作精細(xì)，土地生產(chǎn)率高，土地綜合利用率達(dá)90%以上；林地廣泛分布于研究區(qū)；草地主要分布在桂中地區(qū)和桂北高寒山區(qū)；水域主要為紅水河、郁江、西江（下游區(qū)）、桂江流域等；建設(shè)用地大多以點(diǎn)狀形式分布在城市建設(shè)區(qū)。

從圖2可以看出，研究區(qū)內(nèi)各類土地的面積均有變化，主要表現(xiàn)為耕地、草地轉(zhuǎn)出和林地、水域、建設(shè)用地、未利用地轉(zhuǎn)入。由表1可知，相較于2000年，2020年耕地和草地面積均減少，耕地面積減少幅度最大，減少了1721km2；草地減少幅度次之，減少了425km2。相較于2000年，2020年林地、水域、建設(shè)用地和未利用地面積均增加，建設(shè)用地增加幅度最大，增加了1824km2；水域次之，增加了165km2；其次是林地，增加了141km2；最后是未利用地，增加了16km2。

2.2水源涵養(yǎng)功能時(shí)空格局變化從區(qū)域水源涵養(yǎng)量（圖3）來看，水源涵養(yǎng)量呈現(xiàn)東北部高、西南部低的態(tài)勢(shì)，水源涵養(yǎng)量高的區(qū)域主要是桂林、河池、柳州、百色，其次是南寧、梧州、來賓、賀州，北海和防城港水源涵養(yǎng)量較低；從單元水源涵養(yǎng)量（表2）來看，各類土地利用類型基本呈增加的趨勢(shì)，只有林地呈先增加后減少的趨勢(shì)；從水源涵養(yǎng)總量（表2）來看，研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量呈先增加后減少的趨勢(shì)，2000—2020年為157.83×108m2020年為148.89×108m2020年水源涵養(yǎng)總量相較于2000年增加了8.63×108m增長(zhǎng)率約為6%。2000—2020年水源涵養(yǎng)功能表現(xiàn)為林地＞耕地＞草地＞水域＞建設(shè)用地＞未利用地，說明水源涵養(yǎng)量的高低受不同土地利用類型的影響。

2.3水源涵養(yǎng)量時(shí)空變化影響因素分析

2.3.1水源涵養(yǎng)量變化單因子探測(cè)。該研究從影響水源涵養(yǎng)量變化的自然因素和社會(huì)因素角度進(jìn)行分析，自然因素包括土地利用類型（X1）、年降水量（X2）、年蒸散量（X3）、高程（X4）和坡度（X5），社會(huì)因素包括人均GDP（X6）和人口密度（X7）。從表3可以看出，總體來看，2000、2010和2020年對(duì)廣西土地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量變化的影響始終保持最強(qiáng)的4個(gè)因子分別是高程（X4）、土地利用類型（X1）、年蒸散量（X3）、坡度（X5），q均值分別為0.814、0.732、0.701、0.60說明對(duì)廣西土地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量變化的影響力較大；而年降水量（X2）、人口密度（X7）、人均GDP（X6）對(duì)廣西土地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量變化的影響力相對(duì)較小，q均值分別為0.344、0.307、0.157，說明高程（X4）、土地利用類型（X1）、年蒸散量（X3）是廣西土地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量變化的主導(dǎo)因子，從而導(dǎo)致水源涵養(yǎng)量在時(shí)空上產(chǎn)生不同的變化。

2.3.2水源涵養(yǎng)量變化因子交互探測(cè)。采用因子交互進(jìn)一步分析不同因子之間的交互作用對(duì)廣西土地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量變化的影響，從圖4可以看出，雙因子作用整體高于單因子作用，交互作用結(jié)果均為非線性增強(qiáng)或雙因子增強(qiáng)，說明所選因子中任何一個(gè)因子與另一個(gè)因子結(jié)合都可以增強(qiáng)對(duì)水源涵養(yǎng)量變化的影響。其中，2000年影響力排在前4的交互作用分別是年蒸散量（X3）∩人均GDP（X6）、年蒸散量（X3）∩人口密度（X7）、年降水量（X2）∩高程（X4）、土地利用類型（X1）∩高程（X4），q值分別為0.993、0.993、0.989、0.987；2010年影響力排在前4的交互作用分別是土地利用類型（X1）∩年降水量（X2）、土地利用類型（X1）∩人均GDP（X6）、高程（X4）∩人均GDP（X6）、坡度（X5）∩人均GDP（X6），q值分別為1.000、0.994、0.994、0.990；2020年影響力排在前4的交互作用分別是年降水量（X2）∩人口密度（X7）、土地利用類型（X1）∩年降水量（X2）、

土地利用類型（X1）∩年蒸散量（X3）、土地利用類型（X1）∩高程（X4），q值分別為1.000、1.000、0.975、0.975。由此可知，土地利用類型和年降水量、年降水量和人口密度的交互作用最為顯著，q值均為1.000。此外，綜合分析得出土地利用類型（X1）、年蒸散量（X3）和高程（X4）與其他因子交互后的q值均在0.690以上，明顯大于其他因子之間的交互作用，表明土地利用類型（X1）、年蒸散量（X3）和高程（X4）是廣西土地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量變化的主要影響因素。總體來看，多因子之間的交互作用對(duì)廣西土地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量空間分布特征具有明顯的增強(qiáng)作用，因此對(duì)區(qū)域進(jìn)行水資源的管理和保護(hù)時(shí)，應(yīng)綜合考慮不同因子的交互作用對(duì)廣西土地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量變化的影響。

3結(jié)論與討論

3.1結(jié)論該研究借助InVEST模型的產(chǎn)水量模塊，并通過相關(guān)系數(shù)校正，量化評(píng)估了2000—2020年廣西土地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能，并運(yùn)用地理探測(cè)器分析研究區(qū)水源涵養(yǎng)空間分異的影響因素，主要結(jié)論如下：

（1）2000—2020年廣西土地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量為140.26×108～157.83×108m多年平均水源涵養(yǎng)量為148.99×108m時(shí)間尺度上呈現(xiàn)先增加后減少的態(tài)勢(shì)，空間格局上呈現(xiàn)東北部高、西南部低的態(tài)勢(shì)。

（2）總體來看，2000—2020年廣西各類土地的水源涵養(yǎng)功能排列依次為林地＞耕地＞草地＞水域＞建設(shè)用地＞未利用地。

（3）從單因子探測(cè)結(jié)果來看，廣西土地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量在空間分布上的差異主要受土地利用類型、年蒸散量和高程的影響；從雙因子探測(cè)結(jié)果來看，土地利用類型和年降水量、年降水量和人口密度的交互作用對(duì)水源涵養(yǎng)量空間分布變化影響尤為顯著。

3.2討論2000—2020年廣西土地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)總量增加，在空間上呈現(xiàn)東北部高、西南部低的分布，主要得益于桂林、河池、柳州、百色等地多位于山區(qū)或丘陵地帶，地形起伏較大，有利于水資源的自然匯集和儲(chǔ)存。此外，這些地區(qū)的蒸散量相對(duì)較低，使得水分得以更多地保留在土壤中，進(jìn)一步提高了水源涵養(yǎng)能力。

土地利用類型間的轉(zhuǎn)換對(duì)水源涵養(yǎng)功能影響顯著^［2］。1999年國(guó)家開展了一輪大規(guī)模的退耕還林工作，2014年后又開展了新一輪的退耕還林還草工作。其中，1999年從四川、陜西、甘肅3省率先開始試點(diǎn)，2002年退耕還林工程在25個(gè)省（區(qū)、市）全面啟動(dòng)，任務(wù)開始急劇放大。廣西作為退耕還林的25個(gè)省（區(qū)、市）之一，嚴(yán)格落實(shí)《退耕還林條例》。疏林地、其他林地向有林地、灌木林地轉(zhuǎn)變及低覆蓋度草地向高覆蓋度草地轉(zhuǎn)變有效提高了廣西的植被覆蓋率。林地和草地通常具有較好的植被覆蓋，能夠有效截留雨水、減緩地表徑流，從而增加地下水的補(bǔ)給量，為水源涵養(yǎng)提供了良好的生態(tài)環(huán)境。退耕還林還草在一定程度上影響了水源涵養(yǎng)能力，鑒于此有必要堅(jiān)持實(shí)施《退耕還林條例》，進(jìn)一步鞏固退耕還林還草成效。

水源涵養(yǎng)功能空間分異不僅受單因子作用的影響，還受多因子共同作用的影響，建議綜合考慮單因子和多因子作用的共同影響，以便更有效地提升水源涵養(yǎng)能力。

該研究尚存在一些不足之處，在通過參數(shù)修正計(jì)算水源涵養(yǎng)量時(shí)，未考慮地表徑流、人類活動(dòng)的影響；在探討影響水源涵養(yǎng)功能空間分異的影響因素時(shí)，僅從土地利用類型、年降水量、年蒸散量、高程、坡度、人均GDP和人口密度7個(gè)方面展開研究，未考慮夜光燈指數(shù)、歸一化植被指數(shù)等因素的影響，今后還需深入探究，以此提高研究結(jié)果的精確性，從而為研究區(qū)水資源可持續(xù)利用、保障生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供參考。

參考文獻(xiàn)

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