桂西南地區(qū)水源涵養(yǎng)物質(zhì)量及其價(jià)值評(píng)估

李春燕 田義超 彭倩蓉

［關(guān)鍵詞］ 水源涵養(yǎng)；價(jià)值評(píng)估；InVEST 模型；影子工程法；桂西南地區(qū)

［摘 要］ 基于2000—2018年桂西南地區(qū)遙感影像等數(shù)據(jù)，采用InVEST模型定量評(píng)估水源涵養(yǎng)物質(zhì)量，利用影子工程法計(jì)算水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值。結(jié)果表明：時(shí)間尺度上，研究區(qū)水源涵養(yǎng)物質(zhì)量及其價(jià)值總體上均呈增加趨勢；空間尺度上，水源涵養(yǎng)物質(zhì)量及其價(jià)值分布存在一定差異，但大致均呈從南部向北部遞減的趨勢，大部分地區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值呈增加趨勢，只有百色市樂業(yè)縣及沿海地區(qū)呈減少趨勢；水源涵養(yǎng)價(jià)值與坡度、海拔均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，也與地貌類型密切相關(guān)。

［中圖分類號(hào)］ S157? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A? ［文章編號(hào)］ 1000－0941（2023）05－0049－04

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的收益，是人類福祉和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。在眾多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中，水源涵養(yǎng)占據(jù)了重要位置。生態(tài)系統(tǒng)利用林冠、枯落物、根系和土壤把大量的降水、灌溉水?dāng)r蓄在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部，不僅滿足了系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)生態(tài)群體的需求，而且持續(xù)地向外部提供水源[2]。由于水環(huán)境的急劇惡化和人類對(duì)水資源需求的持續(xù)增加，全球水資源嚴(yán)重短缺，因此人們更加關(guān)注水源涵養(yǎng)服務(wù)功能的相關(guān)研究。隨著“3S”技術(shù)的發(fā)展，利用定量化和空間可視化方法評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)中水源涵養(yǎng)物質(zhì)量成為一種新趨勢[3]。常用來研究水源涵養(yǎng)物質(zhì)量的方法有土壤蓄水能力法、年徑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模型對(duì)參數(shù)、特性數(shù)據(jù)要求較低，通用性較強(qiáng)，且在不斷改進(jìn)完善中，目前已應(yīng)用于多地流域水源涵養(yǎng)服務(wù)的評(píng)估研究中并取得了較好的應(yīng)用效果[4-5]。

廣西壯族自治區(qū)作為與東盟各國對(duì)接的核心省區(qū)，地理位置非常重要，尤其桂西南地區(qū)具有沿邊、沿海的區(qū)位優(yōu)勢，正日益成為廣西乃至大西南對(duì)外開放的“通道”和“窗口”。在《國家發(fā)展改革委關(guān)于印發(fā)〈西部陸海新通道總體規(guī)劃〉的通知》（發(fā)改基礎(chǔ)〔2019〕1333號(hào)）發(fā)布后，包括廣西在內(nèi)的西部地區(qū)都在以物流為主題，大力發(fā)展一體化綜合交通樞紐。為在加強(qiáng)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的同時(shí)，最大程度地保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，本研究以桂西南地區(qū)為研究區(qū)，定量評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)物質(zhì)量及其價(jià)值，并分析主要影響因素對(duì)水源涵養(yǎng)價(jià)值的影響，以期為合理制定后續(xù)生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策提供參考。

1 研究區(qū)概況

桂西南地區(qū)位于20°26′～25°07′N、104°28′～109°56′E之間，包括百色市、崇左市、南寧市、防城港市、欽州市和北海市6個(gè)地級(jí)市，總面積約95 662 km2，占廣西總面積的40%；地處廣西典型的巖溶喀斯特地貌區(qū)，喀斯特地貌面積約32 525 km2，非喀斯特地貌面積約63 137 km2，地形地貌復(fù)雜，巖性以碳酸鹽類為主，水土流失嚴(yán)重；受季風(fēng)氣候影響，降雨較為集中且雨量充沛；水系主要有左江、右江、邕江、南流江等，水量豐富且隨季節(jié)變化較大，同時(shí)地下水資源較為豐富，地表河流與地下河流相互轉(zhuǎn)化。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的數(shù)據(jù)包括遙感影像、氣象、土壤類型、DEM及社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等。影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/），空間分辨率為30 m×30 m，選取2000年、2005年、2010年、2015年、2017年的LANDSAT數(shù)據(jù)，在ENVI5.1軟件中通過人工目視解譯生成土地利用數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)源自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//cdc.cma.gov.cn），時(shí)間為2000—2018年，主要包括研究區(qū)及其周邊的25個(gè)氣象站點(diǎn)的氣溫、太陽輻射、蒸散發(fā)等逐日數(shù)據(jù)，降雨數(shù)據(jù)采用的是TRMM_3B43數(shù)據(jù)。土壤類型數(shù)據(jù)包括土壤深度數(shù)據(jù)（來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫）和土壤沙粒、粉粒、黏粒、有機(jī)碳的含量數(shù)據(jù)（來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心，http：//www.resdc.cn/）。DEM原始數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/），空間分辨率為30 m，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌、裁剪等處理后得到最終的DEM數(shù)據(jù)。人口密度、用水量等社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)均來自于2000—2018年統(tǒng)計(jì)部門公布的社會(huì)經(jīng)濟(jì)公共數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 水源涵養(yǎng)物質(zhì)量

本研究采用InVEST模型的產(chǎn)水量模塊計(jì)算研究區(qū)的水源涵養(yǎng)物質(zhì)量。該模塊基于水量平衡原理，以減去實(shí)際蒸散發(fā)后的降水量作為單位柵格的產(chǎn)水量[6]，并以柵格為基礎(chǔ)，結(jié)合各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算，分析導(dǎo)致產(chǎn)水量呈現(xiàn)空間異質(zhì)性的影響因素。

2.2.2 水源涵養(yǎng)價(jià)值

水源涵養(yǎng)價(jià)值的估算選取影子工程法，即利用修建相應(yīng)庫容水庫的成本來測算水源涵養(yǎng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[7]，計(jì)算公式為E=aVw式中：E為水源涵養(yǎng)價(jià)值，元；a為單位面積的水庫造價(jià)，取值參考《林業(yè)生態(tài)工程生態(tài)效益評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》（DB11/T 1099—2014），本研究取值6.110 7元/m3；Vw為區(qū)域水源涵養(yǎng)總量，m3。

3 結(jié)果與分析

3.1 水源涵養(yǎng)物質(zhì)量時(shí)空變化特征

統(tǒng)計(jì)2000—2018年研究區(qū)、喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)單位面積水源涵養(yǎng)物質(zhì)量年際變化，見圖1。2000—2018年研究區(qū)單位面積水源涵養(yǎng)物質(zhì)量呈增加趨勢， 李春燕等：桂西南地區(qū)水源涵養(yǎng)物質(zhì)量及其價(jià)值評(píng)估年均值為1 230.16 mm/km2，其中2001年最大（1 674.92 mm/km2），2009年最?。?69.98 mm/km2）；研究區(qū)、喀斯特區(qū)、非喀斯特區(qū)單位面積水源涵養(yǎng)物質(zhì)量變化曲線斜率排序?yàn)榉强λ固貐^(qū)（6.635 7）>研究區(qū)（6.435 2）>喀斯特區(qū)（6.042 9）。

計(jì)算每個(gè)柵格的水源涵養(yǎng)物質(zhì)量（見圖2），采用自然斷點(diǎn)分級(jí)法（Jenks）共劃分為低、較低、中等、較高和高5個(gè)等級(jí)，分析研究區(qū)2000—2018年水源涵養(yǎng)物質(zhì)量均值的空間分布特征。整體上看，水源涵養(yǎng)物質(zhì)量高值區(qū)分布在研究區(qū)南部，低值區(qū)分布在北部，其空間變化呈現(xiàn)出由南向北遞減的趨勢。從行政區(qū)來看，高值區(qū)集中在防城港市、欽州市及北海市的南部區(qū)域，面積占總面積的14.33%；較高值區(qū)集中在崇左市的寧明縣、扶綏縣和南寧市的邕寧區(qū)、橫縣等，面積占總面積的21.93%；中值區(qū)集中在研究區(qū)的中部，以崇左市和南寧市為主，在百色市東部也有少量分布，面積占總面積的33.74%；較低值區(qū)面積占總面積的23.56%；低值區(qū)面積最少，僅占6.44%。

3.2 水源涵養(yǎng)價(jià)值時(shí)空變化特征

分別統(tǒng)計(jì)2000—2018年研究區(qū)、喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)的水源涵養(yǎng)價(jià)值，見圖3。2000—2018年研究區(qū)、喀斯特區(qū)與非喀斯特區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值均呈增加趨勢，增長曲線斜率排序?yàn)檠芯繀^(qū)（37.579）＞非喀斯特區(qū)（25.563）>喀斯特區(qū)（11.922）。研究區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值年均值為7 191.19億元，其中2001年最大（9 791.12億元），2009年最?。? 670.27億元）。

2000—2018年研究區(qū)單位面積水源涵養(yǎng)價(jià)值年均值空間分布差異較大，按照自然斷點(diǎn)法，中高值區(qū)分布在南部，低值區(qū)分布在北部，其空間變化呈現(xiàn)從南部到北部遞減的趨勢，見圖4。進(jìn)一步計(jì)算水源涵養(yǎng)價(jià)值差值，分析19 a來研究區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值變化的空間分布，見圖5。從總體上看，大部分地區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值呈增加趨勢（差值為正值），以西部地區(qū)增加較為明顯，只有百色市的樂業(yè)縣及南部沿海地區(qū)呈減少趨勢。其中：差值在73 286.72～107 904.17元的面積最多，占總面積的27.24%，主要分布于南寧市，在百色市和欽州市也有小面積分布；其次是差值在137 905.967～461 002.190元的區(qū)域，占總面積的25.55%，主要分布在西部區(qū)域，即百色市的西南部和崇左市的絕大部分區(qū)域。

3.3 水源涵養(yǎng)價(jià)值空間分異影響因素分析

（1）坡度。將坡度每隔5°劃分1個(gè)等級(jí)，研究區(qū)坡度范圍0～55°，一共劃分為12個(gè)等級(jí)，統(tǒng)計(jì)不同坡度區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值變化情況（見圖6）。由圖6可知，水源涵養(yǎng)價(jià)值和坡度關(guān)系曲線的趨勢線斜率為-69.69，R2為0.471 5，通過了顯著性水平為0.01的檢驗(yàn)，說明水源涵養(yǎng)價(jià)值與坡度整體上呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨坡度的升高水源涵養(yǎng)價(jià)值逐漸減少，特別是坡度從0上升到5°時(shí)水源涵養(yǎng)價(jià)值下降速度最快，下降速度為181.33億元/（°）。

（2）海拔?；谘芯繀^(qū)DEM數(shù)據(jù)，海拔每100 m劃分1個(gè)等級(jí)，研究區(qū)海拔0～2 036 m，一共劃分了21個(gè)等級(jí)，統(tǒng)計(jì)得到水源涵養(yǎng)價(jià)值和海拔的相關(guān)關(guān)系散點(diǎn)圖（見圖7）。由圖7可知，研究區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值和海拔的趨勢線斜率為-11.191，R2為0.542 7，通過了顯著性水平為0.01的檢驗(yàn)，說明水源涵養(yǎng)價(jià)值與海拔整體上呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著海拔升高水源涵養(yǎng)價(jià)值逐漸減少。海拔0～100 m時(shí)，水源涵養(yǎng)價(jià)值呈增加趨勢，海拔每升高1 m，水源涵養(yǎng)價(jià)值增加3.102億元。當(dāng)海拔超過100 m時(shí)，水源涵養(yǎng)價(jià)值隨海拔升高呈現(xiàn)先快速下降后緩慢下降的變化趨勢：當(dāng)海拔100～200 m時(shí)，水源涵養(yǎng)價(jià)值快速下降，海拔每升高1 m，水源涵養(yǎng)價(jià)值減少1.862億元；當(dāng)海拔超過200 m時(shí)，水源涵養(yǎng)價(jià)值呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，海拔200～2 036 m時(shí)水源涵養(yǎng)價(jià)值減少了214.732億元，下降速度為0.117億元/m。

（3）地貌類型。對(duì)研究區(qū)從東南到西北的11類地貌類型依次排序，統(tǒng)計(jì)2000—2018年各地貌類型的年均單位面積水源涵養(yǎng)價(jià)值，見圖8?？梢钥闯觯瑥臇|南到西北11類地貌單元的水源涵養(yǎng)價(jià)值大致呈遞減趨勢，低海拔海積平原地貌類型水源涵養(yǎng)價(jià)值最大，年均值為24 703.87萬元/km2，中海拔黃土梁地貌類型水源涵養(yǎng)價(jià)值最小，年均值為10 139.08萬元/km2。

4 結(jié) 語

本研究以桂西南地區(qū)為研究區(qū)，采用遙感影像、氣象、土壤類型、DEM及社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等，采用InVEST模型定量評(píng)估研究區(qū)2000—2018年水源涵養(yǎng)物質(zhì)量，并采用影子工程法評(píng)估2000—2018年水源涵養(yǎng)價(jià)值，結(jié)果表明：①時(shí)間尺度上，2000—2018年研究區(qū)水源涵養(yǎng)物質(zhì)量總體呈增加趨勢，單位面積水源涵養(yǎng)物質(zhì)量年均值為1 230.16 mm/km2；水源涵養(yǎng)價(jià)值總體也呈增加趨勢，水源涵養(yǎng)價(jià)值年均值為7 191.19 億元。②空間尺度上，2000—2018年研究區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值年均值分布規(guī)律表現(xiàn)出明顯的地域分異規(guī)律，高值區(qū)分布在南部，中值區(qū)集中在中部，低值區(qū)分布在北部，空間變化呈現(xiàn)出由南向北遞減的趨勢；大部分地區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值呈增加趨勢，以西部地區(qū)增加較為明顯，只有在百色市的樂業(yè)縣及南部沿海地區(qū)呈減少趨勢。③整體上，研究區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值與坡度、海拔均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，同時(shí)與地貌類型密切相關(guān)。

本研究利用InVEST模型對(duì)桂西南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)服務(wù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了該模型在桂西南地區(qū)的適用性。但是，由于研究區(qū)大部分區(qū)域模型和方法的簡化，缺少實(shí)時(shí)更新的實(shí)測數(shù)據(jù)，因此降低了研究結(jié)果的準(zhǔn)確性?？紤]到水源涵養(yǎng)評(píng)價(jià)的復(fù)雜性，今后需要加強(qiáng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，注重對(duì)參數(shù)的局部分析和驗(yàn)證，提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)深入探討各類環(huán)境因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中水源涵養(yǎng)功能的影響，改進(jìn)InVEST模型評(píng)價(jià)模式。

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［作者簡介］ 李春燕（1999—），女，廣西欽州人，學(xué)士，主要從事遙感信息應(yīng)用相關(guān)研究；通信作者田義超（1986—），男，陜西西安人，教授，博士，主要從事資源環(huán)境遙感及海岸帶生態(tài)環(huán)境監(jiān)測相關(guān)研究。

［收稿日期］ 2022-01-15

（責(zé)任編輯 李楊楊）