2005—2020 年山西省水源涵養(yǎng)功能時(shí)空格局及其演變驅(qū)動(dòng)力分析

何秋琴，王京偉，畢 旭，宋曉偉

1.中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所，福建 廈門 361021

2.山西財(cái)經(jīng)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030006

3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

水源涵養(yǎng)是生態(tài)系統(tǒng)的一項(xiàng)重要服務(wù)調(diào)節(jié)功能，在恢復(fù)植被、控制土壤沙化及保護(hù)水資源等方面都起著關(guān)鍵作用[1]；特別是在干旱、半干旱的生態(tài)脆弱區(qū)，良好的水源涵養(yǎng)功能既是當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)安全的重要基礎(chǔ)，也是社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的保障[2].生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的時(shí)空格局越來越受到學(xué)術(shù)界關(guān)注和重視[3].

山西省是全國水資源貧乏與水土流失最嚴(yán)重的省份之一，全省水資源總量只有142×108m3，人均占有量381 m3，全省水土流失面積最高時(shí)達(dá)到10.8×104km2[4].近20 多年來，山西省一直是國家生態(tài)修復(fù)工程投資的重點(diǎn)省份.據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，經(jīng)過多年的生態(tài)修復(fù)，全省水土流失治理度已達(dá)62.9%，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量已大為改善；但其帶來的水源涵養(yǎng)功能時(shí)空格局變化還不清楚.山西省降水的季節(jié)分布差異大，空間上呈東南向西北遞減、平原向高山逐漸增加的趨勢，大部分區(qū)域蒸散發(fā)與干旱化風(fēng)險(xiǎn)均較大；水源涵養(yǎng)功能變化與全省生態(tài)安全格局密切相關(guān)[5].此外，作為我國典型的生態(tài)脆弱區(qū)，水源涵養(yǎng)功能時(shí)空格局及驅(qū)動(dòng)因素狀況也是當(dāng)?shù)靥嵘鷳B(tài)環(huán)境整治工作質(zhì)量的基礎(chǔ).然而，有關(guān)山西省水源涵養(yǎng)功能時(shí)空格局演變及其驅(qū)動(dòng)力的定量研究還較為缺乏.

目前，水源涵養(yǎng)量的計(jì)算方法主要有水量平衡法、年徑流量法、降水貯存法、綜合蓄水能力法和多因子回歸法，這些方法需要的數(shù)據(jù)量大，不適合應(yīng)用于大尺度區(qū)域[6].隨著水文模型的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，學(xué)術(shù)界常運(yùn)用相關(guān)水文模型更加精準(zhǔn)地對研究區(qū)域水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行評估，主要采用InVEST 模型[7-8]、SWAT模型[9]等.其中，InVEST 模型具有適用區(qū)域范圍廣、數(shù)據(jù)易獲取、評估結(jié)果可空間化表達(dá)等特征，越來越被廣泛使用[10-11].例如，學(xué)者們利用InVEST 模型分別對河南省[12]、遼寧省[13]、黑龍江省[14]等區(qū)域的水源涵養(yǎng)量及其時(shí)空分布特征進(jìn)行了研究.隨著王勁峰等[15]開發(fā)出地理探測器模型和相關(guān)軟件，地理探測器逐漸被應(yīng)用于水源涵養(yǎng)空間分異驅(qū)動(dòng)因子分析研究[14-16].地理探測器適用于分析研究目標(biāo)的空間分異性、探測驅(qū)動(dòng)因素或解釋影響因素、解析不同研究因子間的交互關(guān)系等方面[17]，該模型可充分地從地理空間的角度探討水源涵養(yǎng)功能對多個(gè)驅(qū)動(dòng)因素的綜合響應(yīng).地理探測器分析水源涵養(yǎng)變化驅(qū)動(dòng)因素的定量效應(yīng)時(shí)，在多因素疊加效應(yīng)方面存在不足，而主成分分析法可以彌補(bǔ)這種缺陷；然而，綜合地理探測器和主成分分析法定量評價(jià)水源涵養(yǎng)變化驅(qū)動(dòng)因素的研究還不多見.本研究以山西省為研究區(qū)域，使用InVEST 模型評估2005 年、2010 年、2015 年和2020年等4 個(gè)時(shí)期水源涵養(yǎng)的空間分布特征；在此基礎(chǔ)上，綜合使用地理探測器和主成分分析法識別區(qū)域內(nèi)水源涵養(yǎng)空間分異的主要驅(qū)動(dòng)因子及交互作用類型，分析整體生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)時(shí)空變化特征及其驅(qū)動(dòng)因素，研究結(jié)果利于增強(qiáng)對山西省水源涵養(yǎng)功能變化的認(rèn)識，且有助于相關(guān)管理部門制定更有效的針對性政策.

1 研究區(qū)概況

山西省地處黃河中游、海河上游，位于太行山西側(cè)、黃土高原東部，東依太行與河北省毗連，西隔黃河與陜西省相望，南抵黃河與河南省為鄰，北界長城與內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤.全省輪廓呈東北斜向西南的平行四邊形，地理位置處于34°34′N～40°44′N、110°14′E～114°33′E 之間.全省面積15.67×104km2，約占全國總土地面積的1.6%；省域內(nèi)地勢東北高、西南低，是典型的黃土覆蓋的山地高原；高原內(nèi)部起伏不平，河谷縱橫，地貌有山地、丘陵、臺地、平原，山區(qū)面積占全省總面積的80.1%(見圖1).山西省地處中緯度地帶的內(nèi)陸，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候；全省各地年均氣溫介于4.2～14.2 ℃之間，總體分布趨勢為由北向南升高，由盆地向高山降低；全省各地年降水量介于364.635～779.534 mm 之間，季節(jié)分布不均，夏季6―8 月降水相對集中，約占全年降水量的60%，且省內(nèi)降水分布受地形影響較大.

圖1 山西省數(shù)字高程Fig.1 Digital elevation model of Shanxi Province

2 研究數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究收集土地利用類型、年降水量、潛在蒸散發(fā)、土壤屬性、數(shù)字高程模型(DEM)、山西省邊界、歸一化植被指數(shù)(NDVI)和夜間燈光指數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(見表1)進(jìn)行水源涵養(yǎng)功能變化及其驅(qū)動(dòng)因素分析.

表1 數(shù)據(jù)類型及來源Table 1 Data type and source

2.2 研究方法

2.2.1 產(chǎn)水量計(jì)算

采用InVEST 模型的產(chǎn)水量模塊進(jìn)行產(chǎn)水量模擬計(jì)算，主要是基于水量平衡原理，依據(jù)降水量、潛在蒸散發(fā)量、土壤深度、土地利用類型、植物可利用水含量和生物物理表等參數(shù)計(jì)算獲得產(chǎn)水量.年產(chǎn)水量采用式(1)計(jì)算：

式中：Yx為柵格單元x的年產(chǎn)水量，mm；AETx為柵格單元x的年實(shí)際蒸散量，mm；Px為柵格單元x的年降水量，mm.是依據(jù)傅抱璞等[18-19]提出的Budyko曲線基礎(chǔ)上發(fā)展而來，采用式(2)計(jì)算：

式中：Rx為柵格單元x的布德科干燥度指數(shù)，它是潛在蒸散與降水量的比值；wx為氣候-土壤非物理參數(shù).Rx采用式(3)計(jì)算，wx根據(jù)Donohue 等[20]提出的式(4)計(jì)算.

式中：Kcx為柵格單元x的植被蒸散系數(shù)，不同的植被類型該值不同；ET0x為柵格單元x的年潛在蒸散發(fā)量，或稱為參考蒸散發(fā)量，mm.

式中：AWCx為柵格單元x的植被有效利用水含量，mm；Z為多年平均降水特征的季節(jié)常數(shù)，在模型中取值范圍為1～30，本研究根據(jù)《2015 年山西省水資源公報(bào)》和《2020 年山西省水資源公報(bào)》中的產(chǎn)水系數(shù)對產(chǎn)水量進(jìn)行矯正.AWCx采用式(5)計(jì)算：

式中：MSDx為該區(qū)域柵格單元x的土壤最大深度，mm；RDx為柵格單元x的根系最大深度，mm；PAWCx為柵格單元x的植物可利用水含量，可以通過土壤質(zhì)地以及土壤有機(jī)質(zhì)含量計(jì)算得到[21]，mm，采用式(6)計(jì)算：

式中：φsand為土壤砂粒含量，%；φsilt為土壤粉砂粒含量，%；φclay為土壤黏粒含量，%；σOM為土壤有機(jī)質(zhì)含量，%.

2.2.2 水源涵養(yǎng)模型

水源涵養(yǎng)是指生態(tài)系統(tǒng)對降水進(jìn)行截留、滲透、蓄積，并通過蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)對水流、水循環(huán)的調(diào)控.將產(chǎn)水量和地形指數(shù)、地表徑流流速、土壤飽和導(dǎo)水率等參數(shù)進(jìn)行疊加分析，得到的結(jié)果為該區(qū)域的水源涵養(yǎng)量[22].水源涵養(yǎng)量采用式(7)計(jì)算：

式中：Ret 為水源涵養(yǎng)量，mm；V為流速系數(shù)；T為地形指數(shù)；K為土壤飽和導(dǎo)水率；Yx為研究區(qū)柵格單元x的年產(chǎn)水量，mm.T和K分別采用式(8)和式(9)計(jì)算：

式中：Da 為區(qū)域柵格數(shù)量；Sd 為土壤深度，mm；Ps 為坡度百分比，%.

2.2.3 地理探測器

從自然因素和人類活動(dòng)兩個(gè)方面選擇與水源涵養(yǎng)功能變化相關(guān)的具有代表性且易量化、易獲取的驅(qū)動(dòng)因素.其中，自然因素包括年降水量、年潛在蒸散發(fā)量、數(shù)字高程和歸一化植被指數(shù)柵格數(shù)據(jù)，人類活動(dòng)包括土地利用類型和夜間燈光指數(shù)柵格數(shù)據(jù).

地理探測器是探測空間分異性、揭示其背后驅(qū)動(dòng)因子的一種新的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[23].本研究使用地理探測器中的因子探測和交互探測模塊，分析山西省水源涵養(yǎng)量空間分異的驅(qū)動(dòng)因子作用及相互作用.因子探測主要是探測因變量Y的空間分異性，以及探測某因子X在多大程度上解釋了屬性Y的空間分異，用q值[15]度量，表達(dá)式為

式中：q表示離散化后的自變量對因變量的解釋能力，取值在0～1 之間；h=1，2，3，…，L；L為自變量的分類或分層；Nh和σh2分別為h層的樣本數(shù)和方差；N和σ2分別為總樣本量和方差.

交互作用探測主要是識別不同驅(qū)動(dòng)因子X之間的交互作用，即評估因子X1和X2共同作用時(shí)是否會(huì)增加或減弱對因變量Y的解釋力，或這些因子對Y的影響是相互獨(dú)立的.

2.2.4 主成分分析法

主成分分析法是一種隨機(jī)變量統(tǒng)計(jì)方法，以最少的信息丟失為前提，將原有變量通過線性組合的方式綜合成少數(shù)幾個(gè)新變量且新變量之間互不相關(guān)，用新變量代替原有變量參與數(shù)據(jù)建模，該研究采用SPSS軟件對驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行主成分分析，通過計(jì)算特征值、主要成分貢獻(xiàn)率及累計(jì)方差貢獻(xiàn)率，并結(jié)合地理探測器分析結(jié)果識別關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子[24].

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量變化特征

2005―2020 年山西省降水量空間格局分析結(jié)果(見圖2)表明，高降水量區(qū)域主要集中晉東南的長治市、晉城市以及晉南的運(yùn)城市，這些地區(qū)年均降水量為500～800 mm；晉北的大同市、朔州市降水量較低，這些地區(qū)年均降水量為300～400 mm；其他地區(qū)降水量較為中等，總體呈從西北向東南逐漸增加的趨勢，且全省東南部太行山地區(qū)和忻州市的五臺山地區(qū)降水最為充沛.隨著時(shí)間推移，山西省降水量整體呈逐漸增加趨勢.

圖2 2005―2020 年山西省降水量空間分布特征Fig.2 Spatial distribution characteristics of precipitation in Shanxi Province from 2005 to 2020

3.2 土地利用類型變化特征

研究表明，土地利用類型變化對水源涵養(yǎng)功能有顯著影響，該研究選取2005 年、2010 年、2015 年、2020年4 個(gè)時(shí)期的土地利用/覆被類型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.2005-2020 年山西省土地利用類型空間分布及土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣(見圖3 和表2)表明，土地利用類型在整體上存在明顯的空間異質(zhì)性，各土地利用類型面積有明顯變化.從空間分布來看，土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地(見圖3)；其中耕地面積最大，主要分布在海拔較低的大同盆地、忻定盆地、太原盆地和運(yùn)城盆地；其次是林地和草地，主要分布在高山和丘陵地區(qū)；建設(shè)用地類型面積位于第四位，主要分布在城鎮(zhèn)區(qū)；水域和未利用地面積占比都較低.

表2 2005―2020 年山西省土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣Table 2 Land use transfer matrix of Shanxi Province from 2005 to 2020 km2

圖3 2005―2020 年山西省土地利用類型空間分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of land use types in Shanxi Province from 2005 to 2020

土地利用類型轉(zhuǎn)移結(jié)果(見表2)表明，2005―2020 年，未利用地和水域面積變化不大，其他土地利用類型有明顯轉(zhuǎn)移.耕地和草地為主要轉(zhuǎn)出土地利用類型，其中，耕地轉(zhuǎn)出面積(約22 422.45 km2)最大，占總轉(zhuǎn)出面積的35.36%，主要轉(zhuǎn)移為草地，重要發(fā)生區(qū)域?yàn)槲鞑繀瘟荷降狞S土丘陵溝壑區(qū)和殘塬溝壑區(qū)，以及晉東南的太行山山地丘陵區(qū)；草地也發(fā)生了較大轉(zhuǎn)出，共轉(zhuǎn)出面積約20 872.24 km2，主要轉(zhuǎn)出為耕地，重要發(fā)生區(qū)域?yàn)槲鞑繀瘟荷降狞S土丘陵溝壑區(qū).建筑用地呈現(xiàn)快速擴(kuò)張趨勢，轉(zhuǎn)入面積遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)出面積，面積增加來源于草地和耕地，重要發(fā)生區(qū)域?yàn)樘璧亍⒋笸璧?；林地轉(zhuǎn)入面積約為12 863.96 km2，主要轉(zhuǎn)入來源為草地和耕地，重要發(fā)生區(qū)域?yàn)楦吆０紊絽^(qū).

3.3 水源涵養(yǎng)功能時(shí)空格局變化

山西省水源涵養(yǎng)量高的區(qū)域主要集中在晉東南的太行山、西部的呂梁山和東北部的五臺山等山區(qū)，其次是晉東南部的長治盆地、晉城盆地和晉南的運(yùn)城盆地，晉北地區(qū)(大同市和朔州市)水源涵養(yǎng)量最低(見圖4).全省單位面積水源涵養(yǎng)量整體呈先增后減的趨勢，2005 年為13.34 mm/m2，2010 年為14.22 mm/m2，2015 年為14.51 mm/m2，2020 年為14.31 mm/m2.2020 年水源涵養(yǎng)總量相比2005 年增加了1.53 ×108m3，增長率為7.3%(見表3).

表3 2005―2020 年山西省不同土地利用類型水源涵養(yǎng)量Table 3 Water conservation of different land use types in Shanxi Province from 2005 to 2020

圖4 2005―2020 年山西省水源涵養(yǎng)空間分布特征Fig.4 Spatial distribution characteristics of water conservation in Shanxi Province from 2005 to 2020

從單位面積水源涵養(yǎng)量來看，山西省各土地利用類型也均呈先上升再下降的趨勢.2005 年以來，山西省耕地、林地、草地和其他用地水源涵養(yǎng)總量呈先增后減的趨勢，而建筑用地的水源涵養(yǎng)總量呈持續(xù)增加趨勢.根據(jù)水源涵養(yǎng)總量，2005―2020 年山西省水源涵養(yǎng)能力表現(xiàn)為林地?草地?耕地?建筑用地?未利用地?水域(見表3).

3.4 水源涵養(yǎng)量時(shí)空分異驅(qū)動(dòng)力分析

地理探測器分析結(jié)果(見表4 和表5)表明，高程(q值為0.046～0.059)、年潛在蒸散發(fā)量(q值為0.057～0.105)、年降水量(q值為0.372～0.477)、土地利用類型(q值為0.074～0.127)、夜間燈光指數(shù)(q值為0.047～0.085)和歸一化植被指數(shù)(q值為0.122～0.224)對山西省水源涵養(yǎng)功能的變化具有顯著影響(P均小于0.05)，但不同因子對水源涵養(yǎng)變化的解釋力存在差異.其中，年降水量在不同年份的解釋力均超過0.3，說明其是決定水源涵養(yǎng)變化的空間分異特征的主導(dǎo)因素；歸一化植被指數(shù)次之，在不同年份的解釋力均超過0.1；解釋力居第三的因子是土地利用類型，各土地利用類型水源涵養(yǎng)能力不同但解釋力均超過0.05，故土地利用類型面積的變化對水源涵養(yǎng)量有重要影響.主成分分析法結(jié)果(見表6 和表7)表明，2005-2020 年前三個(gè)主成分解釋的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率在70%以上，其中第一主成分的貢獻(xiàn)率最大.根據(jù)驅(qū)動(dòng)因子的主成分荷載值，與第一主成分密切相關(guān)的因子是高程和年潛在蒸散發(fā)量，與第二主成分密切相關(guān)的因子是年降水量，土地利用類型與第三主成分密切相關(guān).

表4 2005―2020 年各驅(qū)動(dòng)因子交互探測結(jié)果Table 4 Interactive detection results of each driving factor from 2005 to 2020

表5 2005―2020 年驅(qū)動(dòng)因子對水源涵養(yǎng)量變化的單個(gè)效應(yīng)(q 值)Table 5 Individual and combined effects of the driving factors on water conservation changes from 2005 to 2020 (q value)

表6 驅(qū)動(dòng)因子的特征值、主成分貢獻(xiàn)率及累計(jì)方差貢獻(xiàn)率Table 6 Eigenvalues,contribution rates and accumulated variance contribution rates of driving factors

表7 驅(qū)動(dòng)因子的主成分荷載值Table 7 Loading values of principal components of driving factors

進(jìn)一步分析各驅(qū)動(dòng)因子的交互作用，發(fā)現(xiàn)均為非線性增強(qiáng)或雙因子增強(qiáng)，說明任何單個(gè)因素與其他因素相結(jié)合均可增強(qiáng)對水源涵養(yǎng)量空間分異的影響.在不同年份中，對山西省水源涵養(yǎng)量空間分異解釋力最大的驅(qū)動(dòng)因子交互組合為年降水量與年潛在蒸散發(fā)量協(xié)同(q值為0.486～0.596)以及年降水量與土地利用類型協(xié)同(q值為0.468～0.582)，說明在這兩種協(xié)同類型下的區(qū)域有更加豐富的水源涵養(yǎng)量.驅(qū)動(dòng)因子交互作用次之的是年降水量與高程協(xié)同、年降水量與歸一化植被指數(shù)協(xié)同.

4 討論

山西省作為我國典型的生態(tài)脆弱區(qū)，近年來生態(tài)修復(fù)取得了較大成效.水源涵養(yǎng)功能時(shí)空格局演變及其驅(qū)動(dòng)力的定量分析可為優(yōu)化全省生態(tài)環(huán)境管理提供重要參考，然該方面研究相對欠缺，該研究針對前述問題從以下3 個(gè)方面展開討論.

4.1 水源涵養(yǎng)功能時(shí)空格局

水源涵養(yǎng)功能是反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，探究其時(shí)空格局變化對于維持生態(tài)系統(tǒng)健康和穩(wěn)定具有重要意義[25].該研究表明，2005-2020 年山西省水源涵養(yǎng)量整體呈先增后減的趨勢，具有明顯的空間差異性，這與呂樂婷等[13]關(guān)于遼寧省的研究結(jié)果相似，但他們并未深入分析長時(shí)間序列背景下較短年限間隔內(nèi)降水量與水源涵養(yǎng)量變化趨勢.寧亞洲等[26]研究了秦嶺地區(qū)水源涵養(yǎng)功能的時(shí)空變化，發(fā)現(xiàn)降水量與水源涵養(yǎng)量時(shí)空分布特征基本一致，降水量是影響水源涵養(yǎng)量的主要因素.該研究發(fā)現(xiàn)，山西省水源涵養(yǎng)量空間分布呈東南向西北遞減，這與降水量空間分布特征一致；然而，水源涵養(yǎng)量在2005-2015 年間的變化趨勢與降水量變化趨勢一致，但在2015-2020 年間卻與降水量變化趨勢不一致，原因可能是該時(shí)間段內(nèi)人類活動(dòng)干擾較大[26].該研究還發(fā)現(xiàn)，山西省水源涵養(yǎng)量高值區(qū)域集中在山區(qū)和盆地，該結(jié)果可能與這些區(qū)域近幾十年來大力實(shí)施退耕還林還草措施而明顯提高了植被覆蓋度密切相關(guān)，因?yàn)榱值睾筒莸厣鷳B(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力顯著高于其他類型生態(tài)系統(tǒng)[25].

土地利用類型變化會(huì)改變土壤下墊面、水土保持功能及局域小氣候，進(jìn)而影響水源涵養(yǎng)功能時(shí)空格局[27].該研究表明，2005―2020 年山西省各類土地利用類型水源涵養(yǎng)能力表現(xiàn)為林地?草地?耕地?建筑用地?未利用地?水域.喬亞軍等[14]和涂安國等[28]分別對黑龍江省和江西省東江源區(qū)的研究也都表明林地的水源涵養(yǎng)能力顯著大于其他土地利用類型，這與筆者所得結(jié)果一致；但這些研究發(fā)現(xiàn)耕地的水源涵養(yǎng)能力大于草地，這與筆者所得結(jié)果不同，原因可能是研究區(qū)域的地勢地貌不同造成的[29].山西省地貌類型復(fù)雜多樣，山地、丘陵、殘塬、臺地、谷地、平原等交錯(cuò)分布，以山地、丘陵為主體(約占總土地面積的80.4%)，且大部分區(qū)域海拔在1 000 m 以上，這造成了草地對于全省水源涵養(yǎng)的重要性僅次于林地且大于耕地[30].

人類活動(dòng)對土地利用類型的改變顯著影響其水源涵養(yǎng)功能[31].2005-2020 年山西省土地利用類型轉(zhuǎn)移結(jié)果表明，耕地和草地為主要轉(zhuǎn)出土地利用類型，耕地(22 422.45 km2)主要轉(zhuǎn)出為草地，草地(20 872.24 km2)主要轉(zhuǎn)出為耕地，其主要發(fā)生的區(qū)域?yàn)槲鞑繀瘟荷降狞S土丘陵溝壑區(qū)和殘塬溝壑區(qū)，以及晉東南的太行山山地丘陵區(qū)，而這些地區(qū)是近20 年來山西省水土保持生態(tài)工程和水源涵養(yǎng)措施實(shí)施的重點(diǎn)區(qū)域，以上兩類土地利用類型的變化總體上增強(qiáng)了水源涵養(yǎng)功能[32].該研究還發(fā)現(xiàn)，林地和建筑用地為面積增加的主要土地利用類型，高海拔山區(qū)有12 629.24 km2的草地和耕地轉(zhuǎn)為林地，這與近20 年來全省實(shí)施的生態(tài)修復(fù)和退耕還林還草措施密切相關(guān)；而建筑用地呈現(xiàn)快速擴(kuò)張趨勢，這可能是近年來全省城市、城鎮(zhèn)現(xiàn)代化進(jìn)程迅速擴(kuò)張所致.建筑用地增加、草地面積減少會(huì)降低區(qū)域內(nèi)的水源涵養(yǎng)能力[33]，這與喬亞軍等[14]的研究結(jié)果一致.基于上述研究結(jié)果，山西省應(yīng)繼續(xù)堅(jiān)持實(shí)施國土綠化，緊緊圍繞沙化地、矸石山、土石山等困難立地造林，針對性推進(jìn)草原生態(tài)修復(fù)，從而增加林草面積，增強(qiáng)山西省水源涵養(yǎng)功能.

4.2 水源涵養(yǎng)功能變化的驅(qū)動(dòng)因素

目前，山西省水源涵養(yǎng)功能時(shí)空變化的驅(qū)動(dòng)因素尚不清楚.鑒于此，該研究利用InVEST模型、地理探測器及主成分分析法進(jìn)行了綜合分析.地理探測器結(jié)果表明，年降水量、土地利用類型、歸一化植被指數(shù)等3 個(gè)因素對水源涵養(yǎng)有重要影響；主成分分析法結(jié)果表明，年降水量、土地利用類型、高程、年潛在蒸散發(fā)量等4 個(gè)因素對水源涵養(yǎng)有重要影響，但各驅(qū)動(dòng)因素的交互作用分析發(fā)現(xiàn)降水量與潛在蒸散發(fā)量、土地利用類型、高程、歸一化植被指數(shù)等指標(biāo)的協(xié)同作用會(huì)強(qiáng)烈影響水源涵養(yǎng)量的變化.因此，降水量是影響山西省水源涵養(yǎng)功能變化的最主要因素，這與呂樂婷等[13,34]的研究結(jié)果相似，但呂樂婷等[13,34]并未深入探析降水量與其他因子的交互作用對水源涵養(yǎng)的影響.該研究發(fā)現(xiàn)，年降水量與年潛在蒸散發(fā)量協(xié)同(q值為0.486～0.596)以及年降水量與土地利用類型協(xié)同(q值為0.468～0.582)是對水源涵養(yǎng)影響最顯著的驅(qū)動(dòng)因子交互組合，這表明近20 年來山西省水源涵養(yǎng)功能變化主要是由年降水量、年潛在蒸散發(fā)量和人類活動(dòng)共同驅(qū)動(dòng)；而張福平等發(fā)現(xiàn)水源涵養(yǎng)功能變化的主要驅(qū)動(dòng)因素是氣候變化[34]，這種差異主要是由研究區(qū)域地理地貌不同造成的[35].山西省以山地丘陵為主的復(fù)雜地貌不但會(huì)影響區(qū)域年降水量、年潛在蒸散發(fā)量，而且還增強(qiáng)了人類活動(dòng)下生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性和可變性[36]，因此，除年降水量、年潛在蒸散發(fā)量外，與人類活動(dòng)密切相關(guān)的土地利用類型變化是該省在關(guān)注水源涵養(yǎng)功能時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的因素.歸一化植被指數(shù)對水源涵養(yǎng)空間分異特征的影響僅次于年降水量，其在各年份的解釋力均超過0.1，且年降水量與歸一化植被指數(shù)協(xié)同、年降水量與高程協(xié)同是對水源涵養(yǎng)影響次顯著的驅(qū)動(dòng)因子交互組合.這表明在優(yōu)化土地利用類型結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注重提高植被覆蓋率，特別是海拔較高地區(qū)的植被覆蓋度[37]，這將利于增強(qiáng)水源涵養(yǎng)功能.

4.3 基于水源涵養(yǎng)影響因素的生態(tài)修復(fù)措施優(yōu)化探討

該研究發(fā)現(xiàn)不同驅(qū)動(dòng)因素的交互作用均可增強(qiáng)對水源涵養(yǎng)量空間分異的影響力，表明綜合考慮各項(xiàng)影響因素的協(xié)同作用、細(xì)化優(yōu)化工程措施是提高生態(tài)修復(fù)工程水源涵養(yǎng)功能效應(yīng)的有效路徑[38].在不同年份，對山西省水源涵養(yǎng)量空間分異解釋力最大的影響因子協(xié)同類型為年降水量與年潛在蒸散發(fā)量協(xié)同、年降水量與土地利用類型協(xié)同，在該兩種協(xié)同類型作用下的地區(qū)有更豐富的水源涵養(yǎng)量.因此，可基于作用最強(qiáng)的協(xié)同類型，優(yōu)化生態(tài)修復(fù)規(guī)劃、調(diào)整具體工程措施.如根據(jù)區(qū)域氣候要素細(xì)化工程區(qū)劃，基于小流域內(nèi)降水量和蒸散發(fā)量核算優(yōu)化林草種類和配比，提高利于形成植被多樣性的封禁措施比重，這些舉措可定向提高截流能力強(qiáng)的林草植被面積，以達(dá)到增強(qiáng)該區(qū)域水源涵養(yǎng)能力的目的[39].此外，局部地區(qū)土地利用類型變化對水源涵養(yǎng)功能的影響大于年降水量、年潛在蒸散發(fā)量，應(yīng)注重優(yōu)化調(diào)整土地利用類型方案[40].如在西部呂梁山的黃土丘陵溝壑區(qū)和殘塬溝壑區(qū)、晉東南的太行山山地丘陵區(qū)以及晉西北應(yīng)鞏固提高草地面積，高海拔山區(qū)要提高林地面積，大同盆地、太原盆地則要嚴(yán)格限制草地和耕地轉(zhuǎn)為建筑用地.總之，各驅(qū)動(dòng)因子間的協(xié)同作用對山西省水源涵養(yǎng)量空間分異的影響更大，不是簡單的疊加關(guān)系.在實(shí)際中需要綜合考慮驅(qū)動(dòng)因子對水源涵養(yǎng)量空間分異產(chǎn)生的影響[41]，未來對于山西省水源涵養(yǎng)功能的維持和提升需要充分考慮年降水量、蒸散量等自然因素和土地利用類型等人為因素的交互作用影響，優(yōu)化相應(yīng)的生態(tài)修復(fù)措施，以達(dá)到提升生態(tài)服務(wù)功能的目的.

上述分析明確了山西省水源涵養(yǎng)功能時(shí)空格局變化特征及其主要影響因素，但是該研究采用的InVEST 產(chǎn)水量模型存在一定程度的局限性，即假定匯集到出水口的水分為蒸散發(fā)釋放后的水分，沒有將人類直接消耗的水分進(jìn)行計(jì)算，也沒有區(qū)分地表水和地下水.在未來的研究中應(yīng)加強(qiáng)實(shí)地?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測，結(jié)合山西省的實(shí)際情況對水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行更綜合、系統(tǒng)的評價(jià)，提升研究結(jié)果的精確性.

5 結(jié)論

a) 地理探測器和主成分分析法的綜合結(jié)果表明，2005-2020 年，山西省水源涵養(yǎng)變化的主要影響因素是年降水量(q值為0.372～0.477)和土地利用類型(q值為0.074～0.127)；但水源涵養(yǎng)變化更受限于不同因素間的交互作用，在不同年份中，對山西省水源涵養(yǎng)量空間分異解釋力最大的驅(qū)動(dòng)因子交互作用為年降水量與年潛在蒸散發(fā)量協(xié)同(q值為0.486～0.596)，以及年降水量與土地利用類型協(xié)同(q值為0.468～0.582).

b) 山西省以山地丘陵為主的復(fù)雜地貌增強(qiáng)了人類活動(dòng)下生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性和可變性，要特別關(guān)注年降水量與土地利用類型的協(xié)同作用，通過調(diào)整優(yōu)化土地利用類型，強(qiáng)化前述兩因素的交互作用，以期增強(qiáng)水源涵養(yǎng)功能.