廣西土地生態系統水源涵養功能時空變化及其影響因素研究

摘要［目的］研究廣西土地生態系統水源涵養功能的時空變化和影響因素。［方法］基于InVEST模型的產水量模塊和ArcGIS軟件，定量評估廣西2000、2010、2020年3個時期水源涵養功能時空變化，并利用地理探測器模型分析水源涵養功能的主要影響因素。［結果］2000—2020年廣西土地生態系統水源涵養量為140.26×108～157.83×108m多年平均水源涵養量為148.99×108m時間尺度上呈現先增加后減少的態勢，空間格局上呈現東北部高、西南部低的態勢；2000—2020年廣西各類土地的水源涵養功能排序依次為林地gt;耕地gt;草地gt;水域gt;建設用地gt;未利用地，土地利用類型面積的占比對水源涵養量有重要影響；單因子探測結果表明，廣西土地生態系統水源涵養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，而雙因子探測結果則進一步揭示，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水源涵養量的空間分布變化影響尤為顯著。［結論］廣西土地生態系統水源涵養功能在時空上存在明顯差異，繼續實施退耕還林政策，進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生態安全建設。

關鍵詞水源涵養功能；時空變化；影響因素；土地生態系統；InVEST模型；地理探測器；廣西

中圖分類號X171.1"文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2025）02-0066-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.02.016

開放科學（資源服務）標識碼（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

水源涵養功能是生態系統服務的重要組成部分，生態系統服務是指人類直接或間接從生物與其周邊環境構成的整體中獲得的惠益^［1］，是人類生活生產的物質基礎和區域可持續發展的重要保障。水源涵養功能是生態系統服務功能中的關鍵組成部分^［2］，在調蓄徑流、保持水土、保護生物多樣性等方面都發揮著極其重要的作用^［3］。隨著社會經濟快速發展和全球氣候變暖，人類對水資源的需求量增加和不合理利用，導致水源涵養功能承受巨大的壓力，嚴重威脅人類生產生活和區域可持續發展。因此，人們更加重視對水源涵養功能的研究。

水源涵養功能主要是通過水源涵養量來體現，水源涵養量評估方法主要分為兩類，一類是基于概念模型的水量平衡法、降水量儲存法、綜合蓄水能力法等方法，另一類是基于動力模型的InVEST模型、SWAT模型、元胞自動機、Terrain Lab等模型。其中，InVEST模型具有數據易獲取、適用性較強、結果可視化和定量化等優點^［4］，被廣泛運用于生態系統服務功能評估等領域^［5-8］。利用InVEST模型計算水源涵養量的研究對象由單一的森林生態系統^［4，9］向其他生態系統^［10-11］、流域^{［2，13-14］}擴展，研究內容由闡釋樹木水源涵養作用、測量林區地面蒸發^［14］等向水文過程產生的綜合效應^［15］、水源涵養時空尺度研究^［16-17］等擴展。

喀斯特地區是我國四大生態脆弱地區之一^［18］，地表異常缺水和多發洪澇災害，對水土保持、農業生產等影響很大。但目前學者們對喀斯特地區水源涵養功能演變及其機制的相關研究較少，廣西屬于典型的喀斯特地區，開展廣西土地生態系統水源涵養功能的時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域，利用InVEST模型評估2000、2010和2020年3個時期的水源涵養功能時空分布特征，并使用地理探測器分析水源涵養量變化的影響因子作用及相互作用。

1資料與方法

1.1研究區概況廣西地處我國華南地區（104°28′～112°04′E、20°54′～26°24′N），包括南寧、柳州、桂林等14個地級市。該地區山嶺綿亙四周，中部為巖溶丘陵、平原，地勢大致為西北高、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，面積約占區域面積的51%。屬于亞熱帶季風濕潤氣候，大部分地區雨量充沛，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數據來源土地利用數據源自中國科學院資源環境科學與數據中心（https：//www.resdc.cn/），使用重分類工具將其分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地6類。降水量和潛在蒸散量數據由國家地球系統科學數據中心共享服務平臺（http：//www.geodata.cn/）提供，其數據單位是0.1mm。土壤屬性數據來自世界土壤數據庫（HWSD），包括土壤深度、砂礫、粉粒、黏粒和土壤有機質含量。高程數據來自地理空間數據云（https：//www.gscloud.cn/）GDEMV230m分辨率數字高程產品。廣西行政邊界、流域數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心（https：//www.resdc.cn/）。人均GDP和人口密度根據《廣西統計年鑒》計算獲得。為了提高各種數據的匹配度和模型模擬的準確性，該研究將數據的投影坐標統一轉換為WGS_1984_UTM_Zone_48N，并重新采樣為1km×1km。

1.3研究方法

1.3.1InVEST產水量模型。該研究利用InVEST模型中的產水量模塊進行模擬計算，基于水量平衡原理，結合年降水量、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、生物系數等參數，通過運行模型得到研究區的產水量。年產水量公式如下：

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為年產水量（mm）；AETx為年實際蒸散量（mm）；Px為年降水量（mm）；AETxPx為布德科曲線的近似值；ωx為修正蒸散發量；Rx為布德科干燥指數；kx為植被蒸散系數；ET0為潛在蒸散發量（mm）；Z為Zhang系數，是描述降水分布和深度的季節性參數，取值為1～30，該研究參考2000、2010、2020年廣西水資源公報，對Z參數進行修正；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為土壤中有機質含量（%）。

1.3.2水源涵養模型。在使用InVEST模型計算出產水量后，將流速系數、地形指數、土壤飽和導水率等參數與產水量相結合進行分析，以獲得研究區的水源涵養量，計算公式如下：

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為水源涵養量（mm）；Velocity為流速系數；TI為地形指數；Kast為土壤飽和導水率；Yx是研究區的產水量（mm）；Darea為集水區的柵格數量；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 地理探測器。地理探測器是一組用于探測空間分異性及揭示其背后驅動力的統計方法^［20］。該研究利用地理探測器中的因子探測器和交互探測器來分析廣西土地生態系統水源涵養量變化的主要影響因素。因子探測器用于評估變量對因變量的解釋能力^［20］，而交互探測器則用于探討2個自變量之間的交互作用。解釋能力的強弱通過q值來衡量，其計算公式如下：

q=1-Lh=1Nhσ2hNσ2（10）

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

2結果與分析

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，占研究區總面積的80%以上。桂東南地區和桂西北地區土地資源差異大，耕地主要分布在東南區域，東南區域多為低山丘陵、盆地和平原，水利條件好，土地肥沃，耕作精細，土地生產率高，土地綜合利用率達90%以上；林地廣泛分布于研究區；草地主要分布在桂中地區和桂北高寒山區；水域主要為紅水河、郁江、西江（下游區）、桂江流域等；建設用地大多以點狀形式分布在城市建設區。

從圖2可以看出，研究區內各類土地的面積均有變化，主要表現為耕地、草地轉出和林地、水域、建設用地、未利用地轉入。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、建設用地和未利用地面積均增加，建設用地增加幅度最大，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水源涵養功能時空格局變化從區域水源涵養量（圖3）來看，水源涵養量呈現東北部高、西南部低的態勢，水源涵養量高的區域主要是桂林、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量較低；從單元水源涵養量（表2）來看，各類土地利用類型基本呈增加的趨勢，只有林地呈先增加后減少的趨勢；從水源涵養總量（表2）來看，研究區水源涵養總量呈先增加后減少的趨勢，2000—2020年為157.83×108m2020年為148.89×108m2020年水源涵養總量相較于2000年增加了8.63×108m增長率約為6%。2000—2020年水源涵養功能表現為林地＞耕地＞草地＞水域＞建設用地＞未利用地，說明水源涵養量的高低受不同土地利用類型的影響。

2.3水源涵養量時空變化影響因素分析

2.3.1水源涵養量變化單因子探測。該研究從影響水源涵養量變化的自然因素和社會因素角度進行分析，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年對廣西土地生態系統水源涵養量變化的影響始終保持最強的4個因子分別是高程（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說明對廣西土地生態系統水源涵養量變化的影響力較大；而年降水量（X2）、人口密度（X7）、人均GDP（X6）對廣西土地生態系統水源涵養量變化的影響力相對較小，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）是廣西土地生態系統水源涵養量變化的主導因子，從而導致水源涵養量在時空上產生不同的變化。

2.3.2水源涵養量變化因子交互探測。采用因子交互進一步分析不同因子之間的交互作用對廣西土地生態系統水源涵養量變化的影響，從圖4可以看出，雙因子作用整體高于單因子作用，交互作用結果均為非線性增強或雙因子增強，說明所選因子中任何一個因子與另一個因子結合都可以增強對水源涵養量變化的影響。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）是廣西土地生態系統水源涵養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廣西土地生態系統水源涵養量空間分布特征具有明顯的增強作用，因此對區域進行水資源的管理和保護時，應綜合考慮不同因子的交互作用對廣西土地生態系統水源涵養量變化的影響。

3結論與討論

3.1結論該研究借助InVEST模型的產水量模塊，并通過相關系數校正，量化評估了2000—2020年廣西土地生態系統水源涵養功能，并運用地理探測器分析研究區水源涵養空間分異的影響因素，主要結論如下：

（1）2000—2020年廣西土地生態系統水源涵養量為140.26×108～157.83×108m多年平均水源涵養量為148.99×108m時間尺度上呈現先增加后減少的態勢，空間格局上呈現東北部高、西南部低的態勢。

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

（3）從單因子探測結果來看，廣西土地生態系統水源涵養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；從雙因子探測結果來看，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水源涵養量空間分布變化影響尤為顯著。

3.2討論2000—2020年廣西土地生態系統水源涵養總量增加，在空間上呈現東北部高、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或丘陵地帶，地形起伏較大，有利于水資源的自然匯集和儲存。此外，這些地區的蒸散量相對較低，使得水分得以更多地保留在土壤中，進一步提高了水源涵養能力。

土地利用類型間的轉換對水源涵養功能影響顯著^［2］。1999年國家開展了一輪大規模的退耕還林工作，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，2002年退耕還林工程在25個省（區、市）全面啟動，任務開始急劇放大。廣西作為退耕還林的25個省（區、市）之一，嚴格落實《退耕還林條例》。疏林地、其他林地向有林地、灌木林地轉變及低覆蓋度草地向高覆蓋度草地轉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給量，為水源涵養提供了良好的生態環境。退耕還林還草在一定程度上影響了水源涵養能力，鑒于此有必要堅持實施《退耕還林條例》，進一步鞏固退耕還林還草成效。

水源涵養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能力。

該研究尚存在一些不足之處，在通過參數修正計算水源涵養量時，未考慮地表徑流、人類活動的影響；在探討影響水源涵養功能空間分異的影響因素時，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個方面展開研究，未考慮夜光燈指數、歸一化植被指數等因素的影響，今后還需深入探究，以此提高研究結果的精確性，從而為研究區水資源可持續利用、保障生態安全和經濟發展提供參考。

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