赣南地区小流域景观格局对水源涵养功能的影响

Impacts of landscape patterns in small watersheds of southern Jiangxi Province on water conservation function

摘要

目的 探究景观格局对赣南地区小流域水源涵养量的影响，为该地区小流域景观格局优化和水资源管理提供科学依据。 方法 以赣南地区1 030个小流域为研究对象，通过InVEST模型计算各小流域的水源涵养量，运用Fragstats 4.3软件，获取林地覆盖度（FCR）、斑块数量（NP）、边界密度（ED）、平均斑块面积（AREA_MN）、景观空间负荷对比指数（LCI）、蔓延度指数（CONTAG）、香农多样性指标（SHDI）等景观格局指数，采用Pearson相关系数法、响应面分析法分析小流域景观指数对水源涵养量的影响。 结果 ①景观格局指数中，FCR，AREA_MN和CONTAG与水源涵养量呈极显著正相关关系（p<0.01），LCI、NP，ED和SHDI与水源涵养量呈极显著负相关关系（p<0.01）。 ②根据水源涵养量对FCR和LCI的响应曲面，当LCI<0.218，FCR>80.65%时，小流域的水源涵养量随着FCR的增加和LCI的减小而缓慢提升；当LCI>0.272，FCR<58.82%时，小流域的水源涵养量随着FCR的增加和LCI的减小显著增长。 ③在降水净输入量低（463~607 mm），地形指数高（19~24）的小流域类型和降水净输入量适中（607~751 mm）且地形指数低（12~19）的小流域类型中，水源涵养量对FCR和LCI的响应较弱。 结论 通过调整林地占比和景观空间负荷对比指数，可提升小流域水源涵养量，但提升幅度与小流域的地形和降水条件密切相关。

Abstract

Objective The impacts of landscape patterns on the water conservation capacity of small watersheds in the southern Jiangxi Province were explored to provide a scientific basis for optimizing these patterns and thereby managing water resources. Methods The water conservation capacity of 1 030 small watersheds in the study area was calculated using the InVEST model. Fragstats 4.3 software was used to obtain landscape pattern indices， such as forest cover ratio （FCR）， number of patches （NP）， edge density （ED）， mean patch area （AREA_MN）， landscape cumulative index （LCI）， contagion index （CONTAG）， and Shannon diversity index （SHDI）. Pearson correlation coefficients and the response surface analysis method were adopted to analyze how the landscape indices of small watersheds influenced their water conservation capacity. Results ① Among the landscape pattern indices， FCR， AREA_MN， and CONTAG showed highly significant positive correlations with water conservation capacity （p<0.001）， whereas LCI， NP， ED， and SHDI showed highly significant negative correlations （p<0.001）. ② According to the response surface of water conservation capacity to FCR and LCI， when LCI<0.218 and FCR>80.65%， water conservation capacity increased slowly with increasing FCR and decreasing LCI； when LCI>0.272 and FCR<58.82%， water conservation capacity increased significantly with increasing FCR and decreasing LCI. ③ In small watersheds with low net precipitation input （463—607 mm） and high terrain index （19—24）， and in those with moderate net precipitation input （607—751 mm） and low terrain index （12—19）， water conservation capacity showed only weak response to FCR and LCI. Conclusion By adjusting forest cover ratio and landscape cumulative index， the water conservation capacity of small watersheds can be improved. However， the improvement range is closely related to the terrain and precipitation conditions of small watersheds.

Graphical abstract

关键词

水源涵养功能 / 景观格局 / 小流域 / 赣南地区 / InVEST模型

Key words

water conservation function / landscape pattern / small watershed / southern Jiangxi Provine / InVEST model

文献参数： 张敏， 汤崇军， 伍冰晨， 等.赣南地区小流域景观格局对水源涵养功能的影响［J］.水土保持通报，2025，45（4）：413-424. Citation:Zhang Min， Tangchong Jun， Wu Bingchen， et al. Impacts of landscape patterns in small watersheds of southern Jiangxi Province on water conservation function ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation，2025，45（4）：413-424.

近年来，中国面临水资源短缺日益加剧、水资源时空分布不均等诸多问题的严峻挑战，这些问题已成为中国经济社会高质量发展的重要瓶颈^［1］。水源涵养功能是生态系统水量调节服务的直接体现，能够直观反映区域对降水的有效调节与重新分配能力，对维持区域生态系统平衡、调节区域水循环有关键作用^［2］。以往的研究探讨了降雨^［3］、土壤类型^［4］、地形条件等^［5］因素对水源涵养功能的影响，相关作用机制已较为明确。然而，在南方红壤丘陵区，受人类活动影响，土地利用变化加剧，形成多样的景观格局，给区域水源涵养功能的变化带来诸多不确定性。因此，有必要评价不同景观格局和水源涵养功能之间的定量关系，并以此提出景观格局优化策略。

关于景观格局和水源涵养功能研究主要集中在单个流域或区域尺度，吕乐婷等^［6］基于InVEST模型，研究了太子河流域2000—2020年水源涵养时空分布特征，定量评估了研究期土地利用变化及景观格局演变；朱求安等^［7］研究黄河兰州以上区域草地变化对水源涵养的影响，定量分析了1980—2020年水源涵养量的变化趋势和响应特征；陈文华等^［8］以云南省保山市为例，研究云贵高原西南边缘保山市年均水源涵养量及其涵养功能的空间分布特征。以上的研究结论主要针对研究对象自身的特性，通常难以直接推广至其他流域或区域。而在小流域尺度，由于不同小流域之间的降雨分布和地形条件具有很强的异质性^［9］，而不同的景观格局造成了小流域下垫面特性的差异，影响截留、下渗、产流等环节，进而影响水源涵养量^［10］，因此加剧了景观格局对水源涵养功能作用的复杂性，亟需通过多流域、大样本的综合分析，系统解析景观格局与水源涵养功能间的内在关联，为区域生态保护修复与水资源可持续管理提供科学依据。

本研究以赣南红壤丘陵地区1 030个小流域为研究对象，采用InVEST模型与Fragstats软件，结合地理信息系统（GIS）空间分析技术，融合景观生态学理论与方法，对研究区域进行系统性分析，探究赣南各小流域水源涵养量的空间特征，量化景观格局指数对水源涵养量的影响，揭示景观格局变化对水源涵养功能的影响规律，为赣南地区小流域景观格局优化、水资源科学管理及提供理论支撑与实践指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

赣南地区地处24°29′—27°09′N，113°54′—116°38′。该区域以山地、丘陵以及盆地为主，属中亚热带季风气候，冬夏季风盛行，春夏降水集中，年平均气温19.4 ℃，年均降水量1 548.17 mm。植被以亚热带常绿阔叶林为主，还有针叶林、竹林、灌丛等多种类型，共同构成了该地区复杂多样的生态系统。

1.2 数据来源与处理

赣南地区小流域划分和水源涵养量计算所需数据和分辨率见表1。为满足模型构建需求，采用ArcGIS软件，将所有栅格数据进行重采样处理，统一调整像元大小至5 m×5 m，以确保数据空间分辨率的一致性与模型运算的适配性。

1.3 研究方法

1.3.1 小流域划分

依据SL653—2013《小流域划分及编码规范》，以数字高程模型（DEM）为基础，利用ArcGIS 10.2软件的水文分析将数据进行填洼、流向、流量、流域分析、流域链接、集水区等处理，结合高分辨率遥感影像、行政界线、水利设施分布等资料，通过设定集雨区域面积阈值，依次提取“沟道-河网-小流域”^［11-12］，最终得到赣南地区小流域划分结果（图1）。

1.3.2 产水量计算

产水量通常是指在一定区域和时间内，生态系统或水体所产生或提供的可利用水资源量，在小流域中代表能够为人类提供的可利用水资源量。InVEST模型中的产水量模块基于水量平衡原理，以某个栅格单元内的降水量减去实际蒸散量即为产水量，产水量计算公式^［1］为

Y_{xj}=\left(\mathrm{1}-\frac{\mathrm{A}\mathrm{E}{\mathrm{T}}_{xj}}{P_x}\right)\times P_x（1）

式中：Y_xj 为j类土地栅格单元x的产水量（mm）； AET _xj 为j类土地栅格单元x的年均蒸发量（mm）； P_x 为栅格单元x年降水量（mm）。

1.3.3 水源涵养量计算

水源涵养量是在产水量的基础上，结合研究区域的地形指数、土壤饱和导水率和流速系数计算^［3］得出，计算公式为

T_I=\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\frac{a}{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}b}\right)（2）

式中：T_I 为地形指数；a为单位等高线长度的上坡集水区面积；b为局部地段坡度。

R_e=\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\mathrm{1},\frac{\mathrm{249}}{v}\right)\times \mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\mathrm{1},\frac{\mathrm{0.9}\times T_I}{\mathrm{3}}\right)\times \mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\mathrm{1},\frac{K_{\mathrm{s}\mathrm{a}\mathrm{t}}}{\mathrm{300}}\right)\times Y_{xj}（3）

式中：R_e 为水源涵养量（mm）； v为流速系数； K_sat为土壤饱和导水率（mm/d）。

1.3.4 景观格局量化

以小流域划分结果为基础，并结合小流域实际情况，从景观指数分成的斑块水平、斑块类型水平和景观水平中，选取林地占比（FCR）、景观空间负荷指数（LCI）、斑块数量（NP）、平均斑块面积（AREA-MN）、边界密度（ED）、聚集度（AI）、蔓延度指数 （CONTAG）以及香农多样性指标（SHDI）等8个指数对各小流域的景观格局进行量化（表2）。

1.4 小流域类别划分

以降水量与蒸散量的差值表征降水净输入量。基于水资源实际空间分布特征，将研究区域内1 030个小流域划分为丰水、中水、少水三大类别。分析小流域降水净输入量分布数据发现，其取值范围为463~896 mm，且呈现出均匀分布态势。

为了实现精细化分类，依据该分布特性，将降水净输入量区间等间距划分为3等份。根据公式（2），利用GIS空间分析技术，通过将地形指数分布图与局部坡度分布图叠加进行分析。

研究结果表明，地形指数为19时，其对应的坡度为25°。即局部坡度超过25°时，地形指数大于19。因此本研究将地形指数分为两类，最终将1 030个小流域分成6类（详见表3）。

用Origin 2022软件的皮尔逊相关系数法，分析6类小流域景观格局指数与水源涵养量的相关性，筛选出关键影响指数。在此基础上，借助响应面分析法（RSM）构建响应曲面模型，量化关键指数交互作用及其对水源涵养量的协同效应，揭示两者内在关系。

2 结果与分析

2.1 小流域水源涵养量空间分布及景观指数特征

2.1.1 小流域水源涵养量的空间分布特征

图2a为赣南地区小流域划分结果。赣南地区共划分成1 030个小流域，小流域面积为21.19~59.34 km²。研究结果表明，赣南地区水源涵养量存在显著的空间异质性，最小值为1.65 mm，最大值高达1 125.64 mm，多年平均水源涵养量为434.29 mm，占多年平均降水量的28.05%。从空间分布来看，赣南地区水源涵养量呈现出“四周高，中部低”的特征，不同区域间的水源涵养能力存在明显差异；从小流域单元来看，多年平均水源涵养量最低的小流域地处瑞金市中部，其数值为251.73 mm，多年平均水源涵养量最高的小流域地处宁都县北部，其数值为951.05 mm。

2.1.2 小流域景观格局指数与水源涵养量的关系

由表4可知，研究样本涵盖1 030个小流域，各指数的统计特征充分反映出区域景观结构的复杂性与多样性。图3表明，FCR，LCI，NP，ED，AREA_MN，CONTAG以及SHDI等变量均与Re呈现显著相关性。具体而言，FCR_AREA_MN以及CONTAG与Re之间呈现极显著的正相关关系（p<0.01），即随着林地比例的提升和平均斑块面积的增大，以及优势斑块空间连续性的增强，区域水源涵养能力将得到显著提升。LCI， NP， ED和SHDI与Re呈极显著的负相关关系（p<0.01），意味着景观空间负荷对比指数的增加、斑块破碎化程度的加剧以及景观异质性的提升，均可能导致水源涵养量的下降。此外，AI与Re之间并未发现显著的相关性（p>0.05）。

2.2 不同类型小流域水源涵养量对景观格局的响应

2.2.1 各类小流域景观指数与水源涵养量的相关性

利用皮尔逊相关系数法分析6类小流域的景观指数与水源涵养量的相关性。通过对比不同类型小流域水源涵养量和景观指数，发现各小流域中相同景观指数与Re的显著性存在差异（图4）。在所有类型小流域中，FCR，CONTAG与Re均呈现极显著正相关关系（p<0.01），LCI，SHDI与Re则表现出极显著负相关关系（p<0.01）。而其他景观指数与Re的相关性在不同小流域表现不同，部分指数与Re无显著相关。如AI，仅在B， D类小流域中与Re存在显著相关关系（p<0.05），在其余类型小流域中未表现出明显的相关关系。

通过对比不同流域各景观指数之间的关系，发现它们之间存在着错综复杂的相互作用关系。FCR与CONTAG呈现出显著的极显著正相关关系，表明FCR的提升往往伴随着CONTAG的增加，二者在景观格局中存在协同变化趋势；LCI与SHDI同样表现出极显著的正相关关系，即LCI的变动与SHDI的变化具有一致性，二者在景观结构演变过程中相互影响。

2.2.2 各类小流域景观指数对水源涵养量的综合影响

以景观格局优化为核心目标，基于各景观指数对水源涵养量影响的显著性分析，为景观格局调整提供更科学的依据，综合考量景观格局与小流域出口的空间位置关系，能够显著提升调整工作的针对性与有效性。其中，林地占比（FCR）直接表征生态用地规模，对水源涵养功能起主导作用；景观空间负荷对比指数（LCI）则量化了景观格局与水系的空间关系，能够有效反映景观要素对流域生态过程的影响路径。因此，选取 FCR与 LCI作为关键调控指标，可在统筹生态功能与空间区位的基础上，为景观格局优化提供科学精准的切入点。

根据上述结论，采用响应面方法，对不同类型小流域FCR， LCI与R_e 的关系进行综合分析（图5）。通过对比分析这6类小流域，发现当FCR低于58.82%且LCI高于0.272时，随着FCR的逐渐增加以及LCI的逐渐减小，小流域的水源涵养量呈现显著增长态势，在不同小流域中分增加了60.50%，30.00%，28.00%，53.57%，79.31%和54.54%；而当FCR高于80.65%且LCI低于0.218时，即使FCR继续增加或者LCI持续减小，小流域水源涵养量的增量仍显著受限，其增长趋势趋于平缓。

研究结果表明，当B类小流域的LCI处于0.245~0.272区间，FCR处于58.82%~78.33%区间时，其水源涵养量的变化幅度仅为12.24%；而在A类小流域相同参数区间内，水源涵养量变化幅度则达32.00%。这表明在降水净输入量处于低值的环境下，地形指数较低的小流域内，景观指数的动态变化对水源涵养量的提升具有显著的促进效应。对降水净输入量处于适中水平的C， D两类小流域进行对比分析发现，当C类小流域的LCI介于0.218~0.255，FCR处于67.5%~80.65%区间时，水源涵养量由327.18 mm增至377.36 mm，增幅为15.34%。但相较于地形指数较高的D类小流域，在同等景观指数条件下，C类小流域的水源涵养量增长显著趋缓。通过对降水净输入量较高的E， F两类小流域开展对比研究发现，在LCI低于0.148且FCR高于90.01%的条件下，地形指数较高的F类小流域相较于地形指数较低的E类小流域，其水源涵养量呈现出显著的增长态势。

对降水净输入量存在差异的两大类小流域对比分析，结果发现，随着降水净输入量的增加，两类小流域的水源涵养量均呈现出显著的正向响应趋势。在地形指数较低的A，C，E 3类小流域中，A类与E类小流域的水源涵养量在变化趋势上具有较高的趋同性，而C类小流域则表现出明显的异质性特征。在降水净输入量处于中等水平的条件下，当C类小流域的LCI介于0.218~0.255之间，FCR处于67.5%~80.65%区间时，其水源涵养量虽呈增长态势，但增长速率较为平缓。具体表现为，水源涵养量从327.18 mm提升至377.36 mm，增幅达15.34%。相较于A类与E类小流域在同等条件下的变化趋势，C类小流域的水源涵养量增长曲线更为平缓；在地形指数较高的B，D，F类小流域中，D类与F类小流域的水源涵养量变化趋势呈现出显著的趋同性。而B类小流域的LCI处于0.245~0.272区间，FCR维持在58.82%~78.33%时，其水源涵养量呈现微弱增长，增幅为12.24%。

3 讨 论

研究表明，斑块数量与水源涵养能力呈显著负相关，而平均斑块面积与之呈显著正相关。李理等^［21］对淇河流域的研究表明，随着斑块数量的增加，尤其是空间上离散斑块的增多，难以形成连续且完整的生态系统，显著削弱流域对水分的截留与渗透功能，进而导致水源涵养能力降低。较大的平均斑块面积有助于维持景观要素的完整性与连续性，保障生态过程稳定。林地、湿地等水源涵养型景观中，大面积斑块可高效拦截降水、延缓径流，增强土壤水分入渗能力，提升区域水源涵养效能^［22］。此外，斑块数量的增大意味着平均斑块面积的减少，使得景观趋于破碎化，造成水分在土壤中的流动路径受阻，水分入渗减少，导致地表径流增加，进而降低水源涵养能力^［23］；基于斑块数量与平均斑块面积对水源涵养能力的显著影响，景观格局的多维特征进一步揭示其复杂作用机制，边界密度作为景观异质性量化指标，其值越高，景观斑块之间的过渡越频繁，生态系统的稳定性相对较差^［24］，高边界密度往往伴随着景观破碎化，加剧水分交换的复杂性与无序性，提升地表径流风险，削弱水源涵养能力；与边界密度的影响机制类似，香农多样性指数景观中越高，土地利用类型越丰富，斑块破碎化程度加剧，生态功能协同效应减弱，进而导致水源涵养量降低^［25］；与上述表征破碎化的指数形成对照，景观聚集度指数及蔓延度指数则体现景观要素空间聚合效应，在水源涵养功能方面，林地等功能斑块的高聚集度与蔓延度，可构建高效“水分涵养网络”，强化生态系统服务效能。山区森林生态系统研究显示，高聚集度森林斑块能协同优化林冠截留、枯枝落叶层蓄水及土壤入渗等过程，显著提升水源涵养能力^［6］。

本研究明确了林地占比和景观空间负荷对比指数对水源涵养量的综合影响。低景观空间负荷对比指数和高林地占比有利于水源涵养量的提升，这一结论与众多已有的生态水文学理论相契合。景观空间负荷对比指数基于土地利用类型的生态功能属性差异，将建设用地、农田等高人类活动强度的“源景观”与林地、湿地等自然生态主导的“汇景观”进行空间分布对比分析。例如，Jian G^［26］认为，低景观负荷对比指数的流域出口林地、果园等汇景观集中分布，高植被覆盖与优质土壤形成缓冲带，降水时，植被截留、枯枝滞流、土壤入渗协同作用，削减洪峰、减少侵蚀，优化水文过程，显著增强水源涵养能力。此外，高林地占比促进水源涵养量提升的机制，诸如植被对降水的截留，增强土壤入渗等作用，已获诸多学者的研究验证。如盛菲等^［27］在针对濂水流域的研究中发现，林地面积增加对径流产生显著影响。林地植被凭借枝叶对大量降水进行截留，有效减缓雨滴对地面的冲击力度；同时，其根系可改良土壤结构，提升土壤入渗能力，进而切实有效地增强水源涵养功能。本研究证实，上述关联模式在不同类型小流域中普遍存在，验证了这些生态过程的基础性与广泛性。然而，各类型小流域对此关联的响应程度存在显著差异，这一现象揭示了生态系统的复杂性，表明其受地形地貌、气候条件、生物群落结构等多因素协同与交互作用的影响^［28］。

地形和降水作为影响水源涵养两个关键的自然因素，与景观格局交互作用，共同对水源涵养量产生复杂而深远的影响。本研究明确揭示了不同地形指数和降水净输入量影响下的景观格局对水源涵养量的影响，各小流域呈现出独特的响应模式，这与先前诸多研究成果存在一定的关联与呼应。

本研究结果显示，在降水净输入量相对较少且地形指数相对较大的B类小流域，景观格局对水源涵养量的影响具有局限性。这可能与地形对降水再分配以及土壤水分运动的影响密切相关。较高的地形指数导致坡面径流速度加快，在B类小流域降水净输入量较少的前提下，降水在地表停留时间缩短，致使原本就稀少的水分尚未来得及充分渗入土壤就流失，从而限制了水源涵养量的提升幅度。Mohaimen A^［29］认为，地形起伏较大的区域，地表径流的产生和汇流过程更为迅速，在一定程度上减少了水分向土壤深层渗透和被植被截留的机会，进而对水源涵养功能产生负面影响。黄奕龙等^［30］研究指出，在低降水条件下，地形因素对土壤水分的空间分布格局具有决定性作用。因此，在降水净输入量相对较少且地形指数相对较大的地区，景观格局对水源涵养量的影响具有局限性。

同样的，在降水净输入量适中且地形指数相对较低的C类小流域，景观格局对水源涵养量的提升作用有限。这可能是由于平缓地形虽利于汇水，但排水不畅导致土壤通气性差，抑制植被根系呼吸与微生物活性，降低水分吸收利用效率，使得水源涵养量增长趋缓。周云等^［31］的研究发现，在适中降水条件下，地形平坦且土壤质地黏重的区域，土壤孔隙度较小，水分入渗后容易形成积水，造成土壤缺氧环境，不利于植物根系的生长和发育，从而削弱了植被的水源涵养功能。

此外，地形条件与降水特征显著影响景观破碎化程度，而景观破碎化又对水源涵养量形成反馈调节机制。以A，D，E，F类小流域为例，水源涵养量并非由单一降水或地形要素主导，而是受景观格局与地形、降水要素复杂交互的综合影响。景观破碎化会加剧水土流失，破坏生态连通性，削弱水源涵养功能；而完整连续的景观格局，如连片森林或湿地，可优化水文过程，缓冲地形与降水变化的扰动，保障水源涵养能力的稳定^［32］。

4 结 论

（1） 赣南地区小流域的平均水源涵养量为434.29 mm，占年均降水量的28.05%，并且在空间分布上具有较大差异。

（2） 小流域景观格局指数与水源涵养量密切相关，FCR，AREA_MN和CONTAG与水源涵养量呈正相关，LCI，NP，ED和SHDI与之呈负相关，AI无显著相关关系，且不同类型小流域中各景观指数与水源涵养量的相关性存在差异。

（3） 基于响应面方法分析得出，小流域在低景观空间负荷指数（LCI<0.218）和高林地占比（FCR>80.65%）时，水源涵养量随着FCR的增加和LCI的减小而缓慢增大；在高景观空间负荷对比指数（LCI>0.272）和低林地占比（FCR<58.82%）时，小流域的水源涵养量随着FCR的增加和LCI的减小显著增大。

（4） 对比不同降水净输入量和地形指数的小流域，在相同景观空间负荷对比指数和林地占比条件下，水源涵养量变化趋势存在差异。当58.82%<FCR<80.65%且0.218<LCI<0.272时，在降水净输入量少（463~607 mm）且地形指数高（19~24）的小流域，以及降水净输入量中等（607~751 mm）且地形指数低（12~19）的小流域内，水源涵养量呈现缓慢增长的态势，而其他类型的小流域均有显著增长。

（5） 对林地占比和景观空间负荷对比指数进行调整是提升水源涵养量的一种可行性途径。然而，本研究中的B，C类型的小流域在特定的参数区间内，尽管采取了上述调整措施，但水源涵养量的提升幅度相对有限，未能呈现出显著的增长态势。

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基金资助

江西省技术创新引导类计划项目“赣南水土保持生态治理技术模式优化集成与生态系统服务响应”(2022KSG01010)