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

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140.26×108～157.83×108 m 多年平均水源涵养量为148.99×108 m 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>耕地>草地>水域>建设用地>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 X 171.1  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）：

Study on Spatio-temporal Changes of Water Conservation Function of Land Ecosystem and Its Influencing Factors in Guangxi

HUANG Yi-ping，YANG Xiao-xiong

（School of Natural Resources and Surveying，Nanning Normal University，Nanning，Guangxi 530001）

Abstract ［Objective］To study the spatio-temporal changes and influencing factors of water conservation function of land ecosystem in Guangxi.［Method］Based on the water production module of InVEST model and ArcGIS software，the spatio-temporal changes of water conservation function in Guangxi in 2000，2010 and 2020 were quantitatively evaluated，and the main influencing factors of water conservation function were analyzed by using the geographical detector model.［Result］From 2000 to 2020，the water conservation of land ecosystem in Guangxi was 140.26×108-157.83×108 m and the annual average water conservation was 148.99×108 m showing a trend of first increase and then decrease on the time scale，and the spatial pattern was higher in the northeast and lower in the southwest.The ranking of the water retention function of various land types in Guangxi from 2000 to 2020 was forestland＞arable land＞grassland＞waters＞construction land＞unused land.The proportion of land use types had an important impact on water retention capacity.The single factor detection results indicated that the spatial distribution differences of water source conservation capacity in Guangxi's land ecosystem were mainly influenced by land use types，annual evaporation and elevation.The dual factor detection results further revealed that the interaction between land use types and annual rainfall，as well as the interaction between annual rainfall and population density，had a particularly significant impact on the spatial distribution changes of water source conservation capacity.［Conclusion］The water conservation function of land ecosystem in Guangxi was obviously different in time and space.Continuing to implement the policy of returning farmland to forest，further consolidating the achieved results，and taking into account the combined effects of single factor and multiple factor are conducive to better promoting the construction of ecological security in Guangxi.

Key words Water conservation function;Spatio-temporal change;Influencing factor;Land ecosystem;InVEST model;Geographic detector;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1 500～2 000 mm，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0.1 mm。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/）GDEMV2 30 m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1 km×1 km。

1.3 研究方法

1.3.1 InVEST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（%）。