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，定量評估廣西2000、2010、2020年3個時期水源涵養(yǎng)功能時空變化，并利用地理探測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時間尺度上呈現(xiàn)先增加后減少的態(tài)勢，空間格局上呈現(xiàn)東北部高、西南部低的態(tài)勢；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水源涵養(yǎng)量有重要影響；單因子探測結(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；時空變化；影響因素；土地生態(tài)系統(tǒng)；InVEST模型；地理探測器；廣西

中圖分類號X171.1"文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)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(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］。隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)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(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(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，研究內(nèi)容由闡釋樹木水源涵養(yǎng)作用、測量林區(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)時空尺度研究^［16-17］等擴(kuò)展。

喀斯特地區(qū)是我國四大生態(tài)脆弱地區(qū)之一^［18］，地表異常缺水和多發(fā)洪澇災(zāi)害，對水土保持、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等影響很大。但目前學(xué)者們對喀斯特地區(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模型評估2000、2010和2020年3個時期的水源涵養(yǎng)功能時空分布特征，并使用地理探測器分析水源涵養(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個地級市。該地區(qū)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(qū)域面積的51%。屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，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)由國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心共享服務(wù)平臺（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，對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(qū)動力的統(tǒng)計(jì)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(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)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(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，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，只有林地呈先增加后減少的趨勢；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，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。該研究從影響水源涵養(yǎng)量變化的自然因素和社會因素角度進(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(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(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）對廣西土地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)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(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。采用因子交互進(jìn)一步分析不同因子之間的交互作用對廣西土地生態(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因子與另一個因子結(jié)合都可以增強(qiáng)對水源涵養(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?？傮w來看，多因子之間的交互作用對廣西土地生態(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，因此對區(qū)域進(jìn)行水資源的管理和保護(hù)時，應(yīng)綜合考慮不同因子的交互作用對廣西土地生態(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時間尺度上呈現(xiàn)先增加后減少的態(tài)勢，空間格局上呈現(xiàn)東北部高、西南部低的態(tài)勢。

（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存。此外，這些地區(qū)的蒸散量相對較低，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)換對水源涵養(yǎng)功能影響顯著^［2］。1999年國家開展了一輪大規(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?。▍^(qū)、市）全面啟動，任務(wù)開始急劇放大。廣西作為退耕還林的25個省（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，未考慮地表徑流、人類活動的影響；在探討影響水源涵養(yǎng)功能空間分異的影響因素時，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(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。

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