广西土地生态系统水源涵养功能时空变化及其影响因素研究

2025-01-24黄依平杨小雄

安徽农业科学 2025年2期

摘要［目的］研究广西土地生态系统水源涵养功能的时空变化和影响因素。［方法］基于InVEST模型的产水量模块和ArcGIS软件，定量评估广西2000、2010、2020年3个时期水源涵养功能时空变化，并利用地理探测器模型分析水源涵养功能的主要影响因素。［结果］2000—2020年广西土地生态系统水源涵养量为140.26×108～157.83×108m多年平均水源涵养量为148.99×108m时间尺度上呈现先增加后减少的态势，空间格局上呈现东北部高、西南部低的态势；2000—2020年广西各类土地的水源涵养功能排序依次为林地gt;耕地gt;草地gt;水域gt;建设用地gt;未利用地，土地利用类型面积的占比对水源涵养量有重要影响；单因子探测结果表明，广西土地生态系统水源涵养量的空间分布差异主要受土地利用类型、年蒸散量、高程的影响，而双因子探测结果则进一步揭示，土地利用类型和年降水量、年降水量和人口密度的交互作用对水源涵养量的空间分布变化影响尤为显著。［结论］广西土地生态系统水源涵养功能在时空上存在明显差异，继续实施退耕还林政策，进一步巩固已取得的成效，兼顾单因子和多因子作用的共同影响有利于广西更好地推进生态安全建设。

关键词水源涵养功能；时空变化；影响因素；土地生态系统；InVEST模型；地理探测器；广西

中图分类号X171.1"文献标识码A

文章编号0517-6611（2025）02-0066-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.02.016

开放科学（资源服务）标识码（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

水源涵养功能是生态系统服务的重要组成部分，生态系统服务是指人类直接或间接从生物与其周边环境构成的整体中获得的惠益^［1^］，是人类生活生产的物质基础和区域可持续发展的重要保障。水源涵养功能是生态系统服务功能中的关键组成部分^［2^］，在调蓄径流、保持水土、保护生物多样性等方面都发挥着极其重要的作用^［3^］。随着社会经济快速发展和全球气候变暖，人类对水资源的需求量增加和不合理利用，导致水源涵养功能承受巨大的压力，严重威胁人类生产生活和区域可持续发展。因此，人们更加重视对水源涵养功能的研究。

水源涵养功能主要是通过水源涵养量来体现，水源涵养量评估方法主要分为两类，一类是基于概念模型的水量平衡法、降水量储存法、综合蓄水能力法等方法，另一类是基于动力模型的InVEST模型、SWAT模型、元胞自动机、Terrain Lab等模型。其中，InVEST模型具有数据易获取、适用性较强、结果可视化和定量化等优点^［4^］，被广泛运用于生态系统服务功能评估等领域^［5-8^］。利用InVEST模型计算水源涵养量的研究对象由单一的森林生态系统^［4，9^］向其他生态系统^［^10-11^］、流域^［^2，13-14^］扩展，研究内容由阐释树木水源涵养作用、测量林区地面蒸发^［14^］等向水文过程产生的综合效应^［¹⁵^］、水源涵养时空尺度研究^［^16-17^］等扩展。

喀斯特地区是我国四大生态脆弱地区之一^［18^］，地表异常缺水和多发洪涝灾害，对水土保持、农业生产等影响很大。但目前学者们对喀斯特地区水源涵养功能演变及其机制的相关研究较少，广西属于典型的喀斯特地区，开展广西土地生态系统水源涵养功能的时空变化及影响因素分析具有重要意义。笔者以广西为研究区域，利用InVEST模型评估2000、2010和2020年3个时期的水源涵养功能时空分布特征，并使用地理探测器分析水源涵养量变化的影响因子作用及相互作用。

1资料与方法

1.1研究区概况广西地处我国华南地区（104°28′～112°04′E、20°54′～26°24′N），包括南宁、柳州、桂林等14个地级市。该地区山岭绵亘四周，中部为岩溶丘陵、平原，地势大致为西北高、东南低，总体上从北向南倾斜，喀斯特地貌连片分布在83.9%的县域，面积约占区域面积的51%。属于亚热带季风湿润气候，大部分地区雨量充沛，日照适中，年降水量1500～2000mm，年平均气温16.0～23.0℃，雨热同期。

1.2数据来源土地利用数据源自中国科学院资源环境科学与数据中心（https：//www.resdc.cn/），使用重分类工具将其分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6类。降水量和潜在蒸散量数据由国家地球系统科学数据中心共享服务平台（http：//www.geodata.cn/）提供，其数据单位是0.1mm。土壤属性数据来自世界土壤数据库（HWSD），包括土壤深度、砂砾、粉粒、黏粒和土壤有机质含量。高程数据来自地理空间数据云（https：//www.gscloud.cn/）GDEMV230m分辨率数字高程产品。广西行政边界、流域数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（https：//www.resdc.cn/）。人均GDP和人口密度根据《广西统计年鉴》计算获得。为了提高各种数据的匹配度和模型模拟的准确性，该研究将数据的投影坐标统一转换为WGS_1984_UTM_Zone_48N，并重新采样为1km×1km。

1.3研究方法

1.3.1InVEST产水量模型。该研究利用InVEST模型中的产水量模块进行模拟计算，基于水量平衡原理，结合年降水量、年潜在蒸散量、植物根系深度、植物可利用水含量、土地利用类型、生物系数等参数，通过运行模型得到研究区的产水量。年产水量公式如下：

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为年产水量（mm）；AETx为年实际蒸散量（mm）；Px为年降水量（mm）；AETxPx为布德科曲线的近似值；ωx为修正蒸散发量；Rx为布德科干燥指数；kx为植被蒸散系数；ET0为潜在蒸散发量（mm）；Z为Zhang系数，是描述降水分布和深度的季节性参数，取值为1～30，该研究参考2000、2010、2020年广西水资源公报，对Z参数进行修正；AWCx为植被有效利用水含量（mm）;maxSDx为土壤的最大深度（mm）；RDx为根系深度（mm）；PAWCx为植物可利用水含量，可以通过公式（6）计算得到^［19^］;sand为土壤中砂粒含量（%）；silt为土壤中粉粒含量（%）；clay为土壤中黏粒含量（%）；OC为土壤中有机质含量（%）。

1.3.2水源涵养模型。在使用InVEST模型计算出产水量后，将流速系数、地形指数、土壤饱和导水率等参数与产水量相结合进行分析，以获得研究区的水源涵养量，计算公式如下：

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

TI=lg（DareaSoildep×Pslope）（8）

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

式中：WR为水源涵养量（mm）；Velocity为流速系数；TI为地形指数；Kast为土壤饱和导水率；Yx是研究区的产水量（mm）；Darea为集水区的栅格数量；Soildep为土层深度（mm）；Pslope为坡度的百分比（%）；sand为土壤中砂粒含量（%）；clay为土壤中黏粒含量（%）。

1.3.3 地理探测器。地理探测器是一组用于探测空间分异性及揭示其背后驱动力的统计方法^［20^］。该研究利用地理探测器中的因子探测器和交互探测器来分析广西土地生态系统水源涵养量变化的主要影响因素。因子探测器用于评估变量对因变量的解释能力^［20^］，而交互探测器则用于探讨2个自变量之间的交互作用。解释能力的强弱通过q值来衡量，其计算公式如下：

q=1-Lh=1Nhσ2hNσ2（10）

式中：q的取值是［0，1］，q值越大，表示该因子对因变量的解释力越强；变量分层用h=…，L表示；Nh和σ2h分别为h层的样本数量和方差；N和σ2分别为样本总量和总方差。

2结果与分析

2.1土地利用类型变化特征从2000—2020年广西土地利用类型空间分布（图1）可以看出，耕地和林地的面积较大，占研究区总面积的80%以上。桂东南地区和桂西北地区土地资源差异大，耕地主要分布在东南区域，东南区域多为低山丘陵、盆地和平原，水利条件好，土地肥沃，耕作精细，土地生产率高，土地综合利用率达90%以上；林地广泛分布于研究区；草地主要分布在桂中地区和桂北高寒山区；水域主要为红水河、郁江、西江（下游区）、桂江流域等；建设用地大多以点状形式分布在城市建设区。

从图2可以看出，研究区内各类土地的面积均有变化，主要表现为耕地、草地转出和林地、水域、建设用地、未利用地转入。由表1可知，相较于2000年，2020年耕地和草地面积均减少，耕地面积减少幅度最大，减少了1721km2；草地减少幅度次之，减少了425km2。相较于2000年，2020年林地、水域、建设用地和未利用地面积均增加，建设用地增加幅度最大，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水源涵养功能时空格局变化从区域水源涵养量（图3）来看，水源涵养量呈现东北部高、西南部低的态势，水源涵养量高的区域主要是桂林、河池、柳州、百色，其次是南宁、梧州、来宾、贺州，北海和防城港水源涵养量较低；从单元水源涵养量（表2）来看，各类土地利用类型基本呈增加的趋势，只有林地呈先增加后减少的趋势；从水源涵养总量（表2）来看，研究区水源涵养总量呈先增加后减少的趋势，2000—2020年为157.83×108m2020年为148.89×108m2020年水源涵养总量相较于2000年增加了8.63×108m增长率约为6%。2000—2020年水源涵养功能表现为林地＞耕地＞草地＞水域＞建设用地＞未利用地，说明水源涵养量的高低受不同土地利用类型的影响。

2.3水源涵养量时空变化影响因素分析

2.3.1水源涵养量变化单因子探测。该研究从影响水源涵养量变化的自然因素和社会因素角度进行分析，自然因素包括土地利用类型（X1）、年降水量（X2）、年蒸散量（X3）、高程（X4）和坡度（X5），社会因素包括人均GDP（X6）和人口密度（X7）。从表3可以看出，总体来看，2000、2010和2020年对广西土地生态系统水源涵养量变化的影响始终保持最强的4个因子分别是高程（X4）、土地利用类型（X1）、年蒸散量（X3）、坡度（X5），q均值分别为0.814、0.732、0.701、0.60说明对广西土地生态系统水源涵养量变化的影响力较大；而年降水量（X2）、人口密度（X7）、人均GDP（X6）对广西土地生态系统水源涵养量变化的影响力相对较小，q均值分别为0.344、0.307、0.157，说明高程（X4）、土地利用类型（X1）、年蒸散量（X3）是广西土地生态系统水源涵养量变化的主导因子，从而导致水源涵养量在时空上产生不同的变化。

2.3.2水源涵养量变化因子交互探测。采用因子交互进一步分析不同因子之间的交互作用对广西土地生态系统水源涵养量变化的影响，从图4可以看出，双因子作用整体高于单因子作用，交互作用结果均为非线性增强或双因子增强，说明所选因子中任何一个因子与另一个因子结合都可以增强对水源涵养量变化的影响。其中，2000年影响力排在前4的交互作用分别是年蒸散量（X3）∩人均GDP（X6）、年蒸散量（X3）∩人口密度（X7）、年降水量（X2）∩高程（X4）、土地利用类型（X1）∩高程（X4），q值分别为0.993、0.993、0.989、0.987；2010年影响力排在前4的交互作用分别是土地利用类型（X1）∩年降水量（X2）、土地利用类型（X1）∩人均GDP（X6）、高程（X4）∩人均GDP（X6）、坡度（X5）∩人均GDP（X6），q值分别为1.000、0.994、0.994、0.990；2020年影响力排在前4的交互作用分别是年降水量（X2）∩人口密度（X7）、土地利用类型（X1）∩年降水量（X2）、

土地利用类型（X1）∩年蒸散量（X3）、土地利用类型（X1）∩高程（X4），q值分别为1.000、1.000、0.975、0.975。由此可知，土地利用类型和年降水量、年降水量和人口密度的交互作用最为显著，q值均为1.000。此外，综合分析得出土地利用类型（X1）、年蒸散量（X3）和高程（X4）与其他因子交互后的q值均在0.690以上，明显大于其他因子之间的交互作用，表明土地利用类型（X1）、年蒸散量（X3）和高程（X4）是广西土地生态系统水源涵养量变化的主要影响因素。总体来看，多因子之间的交互作用对广西土地生态系统水源涵养量空间分布特征具有明显的增强作用，因此对区域进行水资源的管理和保护时，应综合考虑不同因子的交互作用对广西土地生态系统水源涵养量变化的影响。

3结论与讨论

3.1结论该研究借助InVEST模型的产水量模块，并通过相关系数校正，量化评估了2000—2020年广西土地生态系统水源涵养功能，并运用地理探测器分析研究区水源涵养空间分异的影响因素，主要结论如下：

（1）2000—2020年广西土地生态系统水源涵养量为140.26×108～157.83×108m多年平均水源涵养量为148.99×108m时间尺度上呈现先增加后减少的态势，空间格局上呈现东北部高、西南部低的态势。

（2）总体来看，2000—2020年广西各类土地的水源涵养功能排列依次为林地＞耕地＞草地＞水域＞建设用地＞未利用地。

（3）从单因子探测结果来看，广西土地生态系统水源涵养量在空间分布上的差异主要受土地利用类型、年蒸散量和高程的影响；从双因子探测结果来看，土地利用类型和年降水量、年降水量和人口密度的交互作用对水源涵养量空间分布变化影响尤为显著。

3.2讨论2000—2020年广西土地生态系统水源涵养总量增加，在空间上呈现东北部高、西南部低的分布，主要得益于桂林、河池、柳州、百色等地多位于山区或丘陵地带，地形起伏较大，有利于水资源的自然汇集和储存。此外，这些地区的蒸散量相对较低，使得水分得以更多地保留在土壤中，进一步提高了水源涵养能力。

土地利用类型间的转换对水源涵养功能影响显著^［2^］。1999年国家开展了一轮大规模的退耕还林工作，2014年后又开展了新一轮的退耕还林还草工作。其中，1999年从四川、陕西、甘肃3省率先开始试点，2002年退耕还林工程在25个省（区、市）全面启动，任务开始急剧放大。广西作为退耕还林的25个省（区、市）之一，严格落实《退耕还林条例》。疏林地、其他林地向有林地、灌木林地转变及低覆盖度草地向高覆盖度草地转变有效提高了广西的植被覆盖率。林地和草地通常具有较好的植被覆盖，能够有效截留雨水、减缓地表径流，从而增加地下水的补给量，为水源涵养提供了良好的生态环境。退耕还林还草在一定程度上影响了水源涵养能力，鉴于此有必要坚持实施《退耕还林条例》，进一步巩固退耕还林还草成效。

水源涵养功能空间分异不仅受单因子作用的影响，还受多因子共同作用的影响，建议综合考虑单因子和多因子作用的共同影响，以便更有效地提升水源涵养能力。

该研究尚存在一些不足之处，在通过参数修正计算水源涵养量时，未考虑地表径流、人类活动的影响；在探讨影响水源涵养功能空间分异的影响因素时，仅从土地利用类型、年降水量、年蒸散量、高程、坡度、人均GDP和人口密度7个方面展开研究，未考虑夜光灯指数、归一化植被指数等因素的影响，今后还需深入探究，以此提高研究结果的精确性，从而为研究区水资源可持续利用、保障生态安全和经济发展提供参考。

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