桂西南地区水源涵养物质量及其价值评估

李春燕 田义超 彭倩蓉

［关键词］ 水源涵养；价值评估；InVEST 模型；影子工程法；桂西南地区

［摘 要］ 基于2000—2018年桂西南地区遥感影像等数据，采用InVEST模型定量评估水源涵养物质量，利用影子工程法计算水源涵养服务价值。结果表明：时间尺度上，研究区水源涵养物质量及其价值总体上均呈增加趋势；空间尺度上，水源涵养物质量及其价值分布存在一定差异，但大致均呈从南部向北部递减的趋势，大部分地区水源涵养价值呈增加趋势，只有百色市乐业县及沿海地区呈减少趋势；水源涵养价值与坡度、海拔均呈极显著负相关关系，也与地貌类型密切相关。

［中图分类号］ S157  ［文献标识码］ A  ［文章编号］ 1000－0941（2023）05－0049－04

生态系统服务是指人类从生态系统中获得的收益，是人类福祉和可持续发展的基础[1]。在众多生态系统服务中，水源涵养占据了重要位置。生态系统利用林冠、枯落物、根系和土壤把大量的降水、灌溉水拦蓄在生态系统内部，不仅满足了系统内各个生态群体的需求，而且持续地向外部提供水源[2]。由于水环境的急剧恶化和人类对水资源需求的持续增加，全球水资源严重短缺，因此人们更加关注水源涵养服务功能的相关研究。随着“3S”技术的发展，利用定量化和空间可视化方法评估生态系统中水源涵养物质量成为一种新趋势[3]。常用来研究水源涵养物质量的方法有土壤蓄水能力法、年径流量法和水量平衡法等，研究模型主要有TerrainLab模型、SWAT模型和InVEST模型等，其中InVEST模型对参数、特性数据要求较低，通用性较强，且在不断改进完善中，目前已应用于多地流域水源涵养服务的评估研究中并取得了较好的应用效果[4-5]。

广西壮族自治区作为与东盟各国对接的核心省区，地理位置非常重要，尤其桂西南地区具有沿边、沿海的区位优势，正日益成为广西乃至大西南对外开放的“通道”和“窗口”。在《国家发展改革委关于印发〈西部陆海新通道总体规划〉的通知》（发改基础〔2019〕1333号）发布后，包括广西在内的西部地区都在以物流为主题，大力发展一体化综合交通枢纽。为在加强交通基础设施建设的同时，最大程度地保护生态系统服务功能，本研究以桂西南地区为研究区，定量评估生态系统水源涵养物质量及其价值，并分析主要影响因素对水源涵养价值的影响，以期为合理制定后续生态保护和经济发展政策提供参考。

1 研究区概况

桂西南地区位于20°26′～25°07′N、104°28′～109°56′E之间，包括百色市、崇左市、南宁市、防城港市、钦州市和北海市6个地级市，总面积约95 662 km2，占广西总面积的40%；地处广西典型的岩溶喀斯特地貌区，喀斯特地貌面积约32 525 km2，非喀斯特地貌面积约63 137 km2，地形地貌复杂，岩性以碳酸盐类为主，水土流失严重；受季风气候影响，降雨较为集中且雨量充沛；水系主要有左江、右江、邕江、南流江等，水量丰富且随季节变化较大，同时地下水资源较为丰富，地表河流与地下河流相互转化。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究采用的数据包括遥感影像、气象、土壤类型、DEM及社会经济数据等。影像数据来源于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/），空间分辨率为30 m×30 m，选取2000年、2005年、2010年、2015年、2017年的LANDSAT数据，在ENVI5.1软件中通过人工目视解译生成土地利用数据。气象数据源自中国气象科学数据共享服务网（http：//cdc.cma.gov.cn），时间为2000—2018年，主要包括研究区及其周边的25个气象站点的气温、太阳辐射、蒸散发等逐日数据，降雨数据采用的是TRMM_3B43数据。土壤类型数据包括土壤深度数据（来源于世界土壤数据库）和土壤沙粒、粉粒、黏粒、有机碳的含量数据（来源于中国科学院资源环境科学数据中心，http：//www.resdc.cn/）。DEM原始数据来源于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/），空间分辨率为30 m，对原始数据进行镶嵌、裁剪等处理后得到最终的DEM数据。人口密度、用水量等社会经济数据均来自于2000—2018年统计部门公布的社会经济公共数据。

2.2 研究方法

2.2.1 水源涵养物质量

本研究采用InVEST模型的产水量模块计算研究区的水源涵养物质量。该模块基于水量平衡原理，以减去实际蒸散发后的降水量作为单位栅格的产水量[6]，并以栅格为基础，结合各项参数计算，分析导致产水量呈现空间异质性的影响因素。

2.2.2 水源涵养价值

水源涵养价值的估算选取影子工程法，即利用修建相应库容水库的成本来测算水源涵养的经济价值[7]，计算公式为E=aVw式中：E为水源涵养价值，元；a为单位面积的水库造价，取值参考《林业生态工程生态效益评价技术规程》（DB11/T 1099—2014），本研究取值6.110 7元/m3；Vw为区域水源涵养总量，m3。

3 结果与分析

3.1 水源涵养物质量时空变化特征

统计2000—2018年研究区、喀斯特区和非喀斯特区单位面积水源涵养物质量年际变化，见图1。2000—2018年研究区单位面积水源涵养物质量呈增加趋势， 李春燕等：桂西南地区水源涵养物质量及其价值评估年均值为1 230.16 mm/km2，其中2001年最大（1 674.92 mm/km2），2009年最小（969.98 mm/km2）；研究區、喀斯特区、非喀斯特区单位面积水源涵养物质量变化曲线斜率排序为非喀斯特区（6.635 7）>研究区（6.435 2）>喀斯特区（6.042 9）。

计算每个栅格的水源涵养物质量（见图2），采用自然断点分级法（Jenks）共划分为低、较低、中等、较高和高5个等级，分析研究区2000—2018年水源涵养物质量均值的空间分布特征。整体上看，水源涵养物质量高值区分布在研究区南部，低值区分布在北部，其空间变化呈现出由南向北递减的趋势。从行政区来看，高值区集中在防城港市、钦州市及北海市的南部区域，面积占总面积的14.33%；较高值区集中在崇左市的宁明县、扶绥县和南宁市的邕宁区、横县等，面积占总面积的21.93%；中值区集中在研究区的中部，以崇左市和南宁市为主，在百色市东部也有少量分布，面积占总面积的33.74%；较低值区面积占总面积的23.56%；低值区面积最少，仅占6.44%。

3.2 水源涵养价值时空变化特征

分别统计2000—2018年研究区、喀斯特区和非喀斯特区的水源涵养价值，见图3。2000—2018年研究区、喀斯特区与非喀斯特区水源涵养价值均呈增加趋势，增长曲线斜率排序为研究区（37.579）＞非喀斯特区（25.563）>喀斯特区（11.922）。研究区水源涵养价值年均值为7 191.19亿元，其中2001年最大（9 791.12亿元），2009年最小（5 670.27亿元）。

2000—2018年研究区单位面积水源涵养价值年均值空间分布差异较大，按照自然断点法，中高值区分布在南部，低值区分布在北部，其空间变化呈现从南部到北部递减的趋势，见图4。进一步计算水源涵养价值差值，分析19 a来研究区水源涵养价值变化的空间分布，见图5。从总体上看，大部分地区水源涵养价值呈增加趋势（差值为正值），以西部地区增加较为明显，只有百色市的乐业县及南部沿海地区呈减少趋势。其中：差值在73 286.72～107 904.17元的面积最多，占总面积的27.24%，主要分布于南宁市，在百色市和钦州市也有小面积分布；其次是差值在137 905.967～461 002.190元的区域，占总面积的25.55%，主要分布在西部区域，即百色市的西南部和崇左市的绝大部分区域。

3.3 水源涵养价值空间分异影响因素分析

（1）坡度。将坡度每隔5°划分1个等级，研究区坡度范围0～55°，一共划分为12个等级，统计不同坡度区水源涵养价值变化情况（见图6）。由图6可知，水源涵养价值和坡度关系曲线的趋势线斜率为-69.69，R2为0.471 5，通过了显著性水平为0.01的检验，说明水源涵养价值与坡度整体上呈极显著负相关关系，即随坡度的升高水源涵养价值逐渐减少，特别是坡度从0上升到5°时水源涵养价值下降速度最快，下降速度为181.33亿元/（°）。

（2）海拔。基于研究区DEM数据，海拔每100 m划分1个等级，研究区海拔0～2 036 m，一共划分了21个等级，统计得到水源涵养价值和海拔的相关关系散点图（见图7）。由图7可知，研究区水源涵养价值和海拔的趋势线斜率为-11.191，R2为0.542 7，通过了显著性水平为0.01的检验，说明水源涵养价值与海拔整体上呈极显著负相关关系，即随着海拔升高水源涵养价值逐渐减少。海拔0～100 m时，水源涵养价值呈增加趋势，海拔每升高1 m，水源涵养价值增加3.102亿元。当海拔超过100 m时，水源涵养价值随海拔升高呈现先快速下降后缓慢下降的变化趋势：当海拔100～200 m时，水源涵养价值快速下降，海拔每升高1 m，水源涵养价值减少1.862亿元；当海拔超过200 m时，水源涵养价值呈现缓慢下降趋势，海拔200～2 036 m时水源涵养价值减少了214.732亿元，下降速度为0.117亿元/m。

（3）地貌类型。对研究区从东南到西北的11类地貌类型依次排序，统计2000—2018年各地貌类型的年均单位面积水源涵养价值，见图8。可以看出，从东南到西北11类地貌单元的水源涵养价值大致呈递减趋势，低海拔海积平原地貌类型水源涵养价值最大，年均值为24 703.87万元/km2，中海拔黄土梁地貌类型水源涵养价值最小，年均值为10 139.08万元/km2。

4 结 语

本研究以桂西南地区为研究区，采用遥感影像、气象、土壤类型、DEM及社会经济数据等，采用InVEST模型定量评估研究区2000—2018年水源涵养物质量，并采用影子工程法评估2000—2018年水源涵养价值，结果表明：①时间尺度上，2000—2018年研究区水源涵养物质量总体呈增加趋势，单位面积水源涵养物质量年均值为1 230.16 mm/km2；水源涵养价值总体也呈增加趋势，水源涵养价值年均值为7 191.19 亿元。②空间尺度上，2000—2018年研究区水源涵养价值年均值分布规律表现出明显的地域分异规律，高值区分布在南部，中值区集中在中部，低值区分布在北部，空间变化呈现出由南向北递减的趋势；大部分地区水源涵养价值呈增加趋势，以西部地区增加较为明显，只有在百色市的乐业县及南部沿海地区呈减少趋势。③整体上，研究区水源涵养价值与坡度、海拔均呈极显著负相关关系，同时与地貌类型密切相关。

本研究利用InVEST模型对桂西南地区生态系统的水源涵养服务进行了评价，验证了该模型在桂西南地区的适用性。但是，由于研究区大部分区域模型和方法的简化，缺少实时更新的实测数据，因此降低了研究结果的准确性。考虑到水源涵养评价的复杂性，今后需要加强实时数据采集，注重对参数的局部分析和验证，提高评价结果的准确性，同时深入探讨各类环境因素对生态系统中水源涵养功能的影响，改进InVEST模型评价模式。

[参考文献]

[1] 傅伯杰.生态系统服务与生态安全[M].北京：高等教育出版社，2013：10-28.

[2] 傅斌，徐佩，王玉宽，等.都江堰市水源涵养功能空间格局[J].生态学报，2013，33（3）：789-797.

[3] 谢余初，巩杰，齐姗姗，等.基于InVEST模型的白龙江流域水源供给服务时空分异[J].自然资源学报，2017，32（8）：1337-1347.

[4] 余新晓，周彬，吕锡芝，等.基于InVEST模型的北京山区森林水源涵养功能评估[J].林业科学，2012，48（10）：1-5.

[5] 张媛媛.1980—2005年三江源区水源涵养生态系统服务功能评估分析[D].北京：首都师范大学，2012：1-54.

[6] 黄从红.基于InVEST模型的生态系统服务功能研究[D].北京：北京林业大学，2014：1-81.

[7] 田义超，白晓永，黄远林，等.基于生态系统服务价值的赤水河流域生态补偿标准核算[J].农业机械学报，2019，50（11）：312-322.

［作者简介］ 李春燕（1999—），女，廣西钦州人，学士，主要从事遥感信息应用相关研究；通信作者田义超（1986—），男，陕西西安人，教授，博士，主要从事资源环境遥感及海岸带生态环境监测相关研究。

［收稿日期］ 2022-01-15

（责任编辑 李杨杨）