摘要: 探究桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，可為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。本文通過構(gòu)建“活力(Vigor)-組織力(Organization)-恢復(fù)力(Resilience)-服務(wù)力(Services)”(VORS)模型分析區(qū)域生態(tài)健康，借助地理檢測(cè)器探討影響生態(tài)系統(tǒng)健康的驅(qū)動(dòng)因素。結(jié)果表明：①20年間桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)均值由2000年的0.446增加至2020年的0.478，整體上呈改善趨勢(shì)，這得益于退耕還林、水土保持、石漠化治理等一系列生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施。②在空間分布格局上，桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康總體上西北部及中部地區(qū)優(yōu)于東南部地區(qū)，西北部及中部區(qū)域以亞健康狀況為主，而病態(tài)和不健康狀況則分布在東南部南寧市主城區(qū)。③土地墾殖率、平均海拔、夜間燈光強(qiáng)度、人口密度、坡度是影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康的主要因子，其解釋力均大于或等于0.45；與單因子相比，自然因子和人文因子的交互作用對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康的解釋力更強(qiáng)。在今后發(fā)展中應(yīng)加強(qiáng)協(xié)調(diào)區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，提高區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康水平。

Analysis of Spatial and Temporal Changes in Ecosystem Health and Its Drivers in Southwest Guangxi in the Last 20 Years

HUANG Lifang1,2,3, QIN Xingming1,2,4 , HU Baoqing1,2, HUANG Simin1,2,3, WEI Wenwen1,2, CHEN Siqi1,2,3     

Abstract: Exploring the health of ecosystems in Southwest Guangxi can provide a theoretical basis for regional sustainable development. This article analyzed the regional ecological health by constructing a "Vigor-Organization-Resilience-Services" (VORS) model, and explored the driving factors affecting ecosystem health with the help of geographical detectors. The results showed that: ①During the past 20 years, the average value of ecosystem health index in Southwest Guangxi increased from 0.446 in 2000 to 0.478 in 2020, showing an overall improvement trend, which benefited from the implementation of a series of ecological restoration projects such as returning farmland to forest, soil and water conservation, and rocky desertification control.②In terms of spatial distribution pattern, the ecosystem health in the northwest and central regions of Southwest Guangxi was generally better than that in the southeast region. The northwest and central regions were dominated by sub-health conditions, while morbid and unhealthy conditions distributed in the main urban area of Nanning City in the southeast.③Land reclamation rate, average altitude, nighttime light intensity, population density and slope were the main factors affecting the health of regional ecosystem, and their explanatory power was all greater than or equal to 0.45.Compared with the single factor, the interaction between natural factors and human factors had a stronger explanatory power for the health of regional ecosystem.In the future development, the coordination between regional ecological environment protection and high-quality economic development should be strengthened, and the health level of regional ecosystem should be improved.

Key words: ecosystem health    VORS model    geographic detector    driving factor    Southwest Guangxi    

自然生態(tài)系統(tǒng)能為人類社會(huì)提供糧食生產(chǎn)、氣候調(diào)節(jié)等各種社會(huì)發(fā)展能力，健康的自然生態(tài)系統(tǒng)是人類可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)保證，對(duì)推動(dòng)人與自然和諧共生有著重要意義[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，自然生態(tài)空間減少，生態(tài)環(huán)境問題凸顯，影響了生態(tài)系統(tǒng)的格局和功能[2, 3]。在此背景下，生態(tài)系統(tǒng)健康已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)際生態(tài)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)[4]。對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行定量評(píng)價(jià)可以客觀地了解生態(tài)環(huán)境的狀況，識(shí)別生態(tài)環(huán)境問題突出的區(qū)域，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境管理提供依據(jù)。

西南喀斯特地區(qū)是我國(guó)五大生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)之一，由于喀斯特地區(qū)獨(dú)特的地表-地下雙層地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及人類活動(dòng)的雙重影響，該地區(qū)具有生態(tài)敏感性高、抗干擾能力弱和恢復(fù)難度大等特點(diǎn)[5-7]。在大力推進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的背景下，如何量化喀斯特地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康水平，厘清區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，是一項(xiàng)亟待解決的科學(xué)問題。由于喀斯特生態(tài)系統(tǒng)寬廣而復(fù)雜，當(dāng)前主要通過模型來評(píng)估喀斯特生態(tài)系統(tǒng)健康，包括“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”(PSR)模型[8, 9]、“驅(qū)動(dòng)-壓力-狀態(tài)-沖擊-響應(yīng)”(DPSIR)模型[10]、“活力-組織力-恢復(fù)力”(VOR)模型[11]等。PSR和DPSIR模型主要強(qiáng)調(diào)人與環(huán)境的相互作用，并不能完全揭示生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和健康狀況[12]。VOR模型可用于生態(tài)系統(tǒng)健康診斷，該模型考慮了土地利用和景觀格局的影響，但它只關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部屬性，忽略了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的評(píng)估，未能很好地將生態(tài)系統(tǒng)與社會(huì)系統(tǒng)聯(lián)系起來[13]。整體來說，針對(duì)喀斯特地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)相對(duì)較少，目前還沒有一套適用于喀斯特生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)體系，影響喀斯特生態(tài)系統(tǒng)健康的驅(qū)動(dòng)因子尚不清楚[14]。

作為生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，生態(tài)系統(tǒng)健康反映了生態(tài)系統(tǒng)滿足人類發(fā)展合理需求的能力，其健康狀況直接或間接影響人類福祉。而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)則體現(xiàn)了自然為人類提供福祉的能力，反映了人類社會(huì)與生態(tài)系統(tǒng)之間的直接聯(lián)系，是對(duì)各種生態(tài)因素和社會(huì)環(huán)境變化的響應(yīng)，因而將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)納入生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估具有重要的意義[15]。Costanza等[16]在VOR模型的基礎(chǔ)上考慮了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響，提出“活力(Vigor)-組織力(Organization)-恢復(fù)力(Resilience)-服務(wù)力(Services)”(VORS)模型。該模型既考慮了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要性又考慮了生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，加強(qiáng)了自然因素與人文因素的聯(lián)系，充分體現(xiàn)了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)在性和復(fù)雜性特征，彌補(bǔ)了前述評(píng)估方法的不足，度量了空間實(shí)體的可持續(xù)狀態(tài)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給能力，有效實(shí)現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)功能與狀態(tài)屬性的結(jié)合[17, 18]。桂西南地區(qū)是我國(guó)西南喀斯特地區(qū)的重要組成部分，是我國(guó)西部重要的生態(tài)廊道。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人地矛盾突出，石漠化問題加劇，影響著區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。為促進(jìn)桂西南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與保護(hù)，有必要對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)?；诖?，本文通過VORS模型構(gòu)建桂西南喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估框架，并借助地理檢測(cè)器探討影響生態(tài)系統(tǒng)健康的驅(qū)動(dòng)因素，以期為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)及其可持續(xù)發(fā)展等提供參考。

1 材料與方法1.1 研究區(qū)概況

桂西南地區(qū)位于廣西西南部，地理坐標(biāo)為105°32′-108°36′E、21°36′-24°18′N，包括南寧市、百色市、崇左市所轄地區(qū)(圖 1)，總面積約75 635 km2。北與貴州省接壤，西與云南省、越南接壤，區(qū)域內(nèi)喀斯特地貌發(fā)育，地勢(shì)由西北向東南降低，左、右江等江河貫穿其中。氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨[19]。年平均氣溫為20-23 ℃，年平均降水量為1 200-1 800 mm。據(jù)《廣西統(tǒng)計(jì)年鑒》，截至2020年，年末常住人口約1 441.98萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)6 870.02億元。受巖溶地表-地下雙層地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及人類活動(dòng)的影響，區(qū)域普遍存在水土流失、旱澇災(zāi)害和石漠化等生態(tài)環(huán)境問題，人地矛盾嚴(yán)峻，自然生態(tài)環(huán)境本底脆弱。

圖 1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location diagram of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究涉及的數(shù)據(jù)主要包括2000、2010、2020年的多源遙感數(shù)據(jù)以及社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(表 1)。多源遙感數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程模型(DEM)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)、土地利用數(shù)據(jù)、夜間燈光數(shù)據(jù)、氣溫降水?dāng)?shù)據(jù)，均通過ENVI 5.3和ArcGIS 10.8對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行投影、圖像鑲嵌和裁剪等預(yù)處理。通過DEM提取坡度、坡向、平均海拔等數(shù)據(jù)；按中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心的分類標(biāo)準(zhǔn)將地表覆被類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6類，同時(shí)基于土地利用數(shù)據(jù)在ArcGIS 10.8和Fragstats 4.2平臺(tái)提取景觀格局指數(shù)；其他數(shù)據(jù)均通過ArcGIS 10.8的空間分析方法提取。

表 1 數(shù)據(jù)來源與描述Table 1 Data sources and descriptions

數(shù)據(jù)類型
Data types 來源與描述
Source and description Digital Elevation Model (DEM) GDEMV3 30 M resolution digital elevation data from Geospatial Data Cloud(https://www.gscloud.cn/) Normalized Difference Vegetation Index
(NDVI) Spatial distribution dataset of China′s annual vegetation index with a spatial resolution of 1 km from the Centre for Resource and Environmental Science and Data, Chinese Academy of Sciences (https://www.resdc.cn/) Land use data 30-metre land cover dataset for China from 1985 to 2022(http://doi.org/10.5281/zenodo.4417809) Night light data Annual dataset on night lighting in China from Resource and Environmental Science and Data Centre of the Chinese Academy of Sciences (https://www.resdc.cn/) Temperatures Annual mean temperature data at 1 km resolution for China from National Earth System Science Data Centre (http://www.geodata.cn/) Precipitation Annual precipitation data at 1 km resolution for China from National Earth System Science Data Centre (http://www.geodata.cn/) Statistics on food sown area, food production, national average food prices, GDP per capita, etc. Guangxi Statistical Yearbook，China Statistical Yearbook(Township)，China Yearbook of Agricultural Price Survey (https://www.cnki.net/)

社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括糧食播種面積、糧食產(chǎn)量、全國(guó)平均糧食價(jià)格、人均GDP、經(jīng)濟(jì)密度、人口密度、土地墾殖率等，通過插值法彌補(bǔ)個(gè)別數(shù)據(jù)缺失的情況。其中，經(jīng)濟(jì)密度=國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值/區(qū)域面積[19]，人口密度=區(qū)域人口數(shù)量/區(qū)域面積[20]，土地墾殖率=區(qū)域耕地面積/區(qū)域面積[21]。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可計(jì)算性，客觀地評(píng)價(jià)桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康，通過無量綱化模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，使得各項(xiàng)指標(biāo)在0與1之間。

1.3 方法1.3.1 生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估體系的構(gòu)建

一個(gè)健康的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)具備一定的生產(chǎn)力和代謝能力，保持自身結(jié)構(gòu)和功能的完整性，具備一定的自我調(diào)節(jié)能力，以及為人類提供穩(wěn)定、可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的能力[22]。在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上[23, 24]，通過VORS模型構(gòu)建桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估框架，并借助地理檢測(cè)器探討影響生態(tài)系統(tǒng)健康的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，如圖 2所示。

圖 2 桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估框架Fig.2 Ecosystem health assessment framework of Southwest Guangxi

1.3.2 VORS模型

生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中，EHI為生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)，V為活力，O為組織力，R為恢復(fù)力，S為服務(wù)力。V、O、R、S的選取及計(jì)算方式如后續(xù)所述。參考已有研究成果[25, 26]，將EHI的取值范圍按照等值法劃分為5類等級(jí)，如表 2所示。

表 2 桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Grading standard of ecosystem health assessment in Southwest Guangxi

分值區(qū)間
Score interval 健康狀況
State of health < 0.2 Sickness 0.2-0.4 Unhealthy 0.4-0.6 Sub-health 0.6-0.8 Health 0.8-1.0 Pretty healthy

① 活力評(píng)估。生態(tài)系統(tǒng)活力是重要的生態(tài)系統(tǒng)功能之一，是系統(tǒng)新陳代謝或初級(jí)生產(chǎn)力能力的重要體現(xiàn)。歸一化植被指數(shù)(NDVI)反映了植被的生產(chǎn)能力，參考周玲燕等[27]的研究，選用NDVI來表征生態(tài)系統(tǒng)活力。

② 組織力評(píng)估。生態(tài)系統(tǒng)組織力是系統(tǒng)各組成結(jié)構(gòu)間的相互作用，反映了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、復(fù)雜性，其結(jié)構(gòu)越復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)越健康，該指標(biāo)層通常受景觀異質(zhì)性和景觀連通性影響[28]。參考曾晨等[29]的研究，選用香濃多樣性指數(shù)(SHDI)、香濃均勻度指數(shù)(SHEI)、景觀連通性指數(shù)(CONTAG)、景觀分割度指數(shù)(DIVISION)來衡量生態(tài)系統(tǒng)組織力。其中，SHDI、SHEI是景觀異質(zhì)性的集中表征，異質(zhì)性越高景觀越穩(wěn)定，景觀組織力愈強(qiáng)；CONTAG、DIVISION表示景觀的連通性，景觀連通性愈高愈有利于物種間的遷徙、不同斑塊之間的交流，則景觀組織力愈強(qiáng)。根據(jù)劉一鳴等[30]的研究，在權(quán)重設(shè)定上，考慮景觀異質(zhì)性和連通性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)組織力同等重要，賦予同等權(quán)重，公式如下：

O=0.25×SHDI+0.25×SHEI+0.25×CONTAG+0.25×DIVISION。 (2)

③ 恢復(fù)力評(píng)估。生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力是在遇到外部干擾情況時(shí)生態(tài)系統(tǒng)仍保持原有結(jié)構(gòu)和功能的能力，如未利用土地具有較高的恢復(fù)力，在受到外界干擾后可以快速恢復(fù)原狀。大體上來說，不同土地利用類型的屬性越接近自然生態(tài)系統(tǒng)，受到外界干擾后其恢復(fù)能力愈強(qiáng)。參考周啟剛等[31]對(duì)不同土地利用類型的恢復(fù)力系數(shù)進(jìn)行賦值，耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地分別為0.40、0.80、0.65、0.80、0.20、1.00。生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力計(jì)算公式如下：

式中，n表示土地利用類型數(shù)量，Ai表示第i種土地利用類型所占的面積比例，Ti為第i種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力系數(shù)。

④ 服務(wù)力評(píng)估。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指自然生態(tài)環(huán)境為人類社會(huì)所提供的生產(chǎn)、發(fā)展的各種產(chǎn)品和惠益，通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的貨幣化價(jià)值來表征生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)力。本研究以謝高地等[32]改進(jìn)后的中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)當(dāng)量表為基礎(chǔ)，結(jié)合桂西南土地利用類型進(jìn)行修正和計(jì)算。查閱《廣西統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)縣域統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格調(diào)查年鑒》可知，2000-2020年桂西南平均糧食產(chǎn)量為4 355.2 kg/hm2，2020年全國(guó)糧食平均收購(gòu)價(jià)格為2.54元/kg。采用因子當(dāng)量法，即按照“一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子是單位面積農(nóng)田食物生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的1/7”，計(jì)算得出桂西南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子為1 767.8元/(hm2·a)。按照公式(5)計(jì)算出桂西南各土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)(表 3)，最后按公式(6)(7)計(jì)算出桂西南生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

表 3 桂西南各土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)Table 3 Coefficient of ecosystem service value for each land use type in Southwest Guangxi  Unit: Yuan/(hm2·a)

一級(jí)類型
First level type 二級(jí)類型
Second level type 耕地
Farm land 林地
Forest land 草地
Grass land 水域
Water area 建設(shè)用地
Construction land 未利用土地
Unused land Supply services Food production 1 953.42 424.27 671.76 1414.24 0.00 0.00 Raw material production 433.11 963.45 989.97 406.59 0.00 0.00 Water resources supply -2 306.98 494.98 548.02 14 655.06 0.00 0.00 Regulating services Gas regulation 1 573.34 3 164.36 3 482.57 1 361.21 0.00 35.36 Climate regulation 822.03 9 484.25 9 210.24 4 048.26 0.00 0.00 Clean the environment 238.65 2 837.32 3 040.62 9 811.29 0.00 176.78 Hydrologic regulation 2 642.86 7 150.75 6 753.00 180 739.87 0.00 53.03 Support services Soil conservation 919.26 3 862.64 4 242.72 1 644.05 0.00 35.36 Maintain nutrient cycle 274.01 291.69 318.20 123.75 0.00 0.00 Food diversity 300.53 3 517.92 3 853.80 4 507.89 0.00 35.36 Cultural services Aesthetic landscape 132.59 1 546.83 1 697.09 3 341.14 0.00 17.68 Total 6 982.81 33 738.46 34 807.98 222 053.36 0.00 353.56

式中，E是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子[元/(hm2·a)，G為全國(guó)糧食平均收購(gòu)價(jià)格(元/kg)，R為研究區(qū)糧食產(chǎn)量，m為年份數(shù)；VCi為第i種土地利用類型的單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)[元/(hm2·a)]，ECik為第i種土地利用類型的k項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量，n為項(xiàng)數(shù)；ESVk為第k項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，VCik為第i種土地利用類型第k項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)(元/hm2)，Wi表示第i種土地利用類型面積(hm2)；ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(元)。

1.3.3 地理探測(cè)器

通過地理探測(cè)器對(duì)區(qū)域空間分異性的探測(cè)能夠反映同一區(qū)域地理現(xiàn)象的相似性及不同區(qū)域的差異性，進(jìn)而揭示其背后的驅(qū)動(dòng)力[33]。參考陳紅蓮等[34]和李魁明等[35]的研究，選取年均氣溫(X1)、年均降水(X2)、平均海拔(X3)、坡度(X4)、坡向(X5)、人均GDP(X6)、經(jīng)濟(jì)密度(X7)、人口密度(X8)、夜間燈光強(qiáng)度(X9)、土地墾殖率(X10)共10個(gè)驅(qū)動(dòng)因素對(duì)桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康變化的影響程度進(jìn)行定量化研究。

因子探測(cè)：用于探測(cè)生態(tài)系統(tǒng)健康Y的空間分異性，以及探測(cè)因子X對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康Y的空間分異的解釋力，公式如下：

式中，i=1，2，…，L為生態(tài)系統(tǒng)健康Y或因子X的分層，Ni和N分別為i層和全區(qū)的單元數(shù)，δi和δ分別為i層的方差和全區(qū)方差。Q值越大，表明因子X對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康Y的變化解釋越強(qiáng)，反之則越弱。

交互探測(cè)器：判斷不同影響因子Xn之間的交互作用，即評(píng)價(jià)因子X1和X2共同作用時(shí)是否會(huì)改變其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康Y的解釋力，判斷依據(jù)如表 4所示。

表 4 因子交互類型及判斷依據(jù)Table 4 Interaction types and judgment basis of factors

判斷依據(jù)
Basis of judgment 交互作用
Interaction Q(X1∩X2) < Min(Q(X1), Q(X2)) Nonlinearity weakening Min(Q(X1), Q(X2)) < Q(X1∩X2) < Max(Q(X1), Q(X2)) Single-factor nonlinear attenuation Q(X1∩X2)>Max(Q(X1), Q(X2)) Bi-factor enhancement Q(X1∩X2)=Q(X1)+Q(X2) Independent Q(X1∩X2)>Q(X1)+Q(X2) Nonlinear enhancement

2 結(jié)果與分析2.1 生態(tài)系統(tǒng)健康時(shí)空變化2.1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的時(shí)空變化

2000、2010、2020年桂西南生態(tài)系統(tǒng)活力、組織力、恢復(fù)力和服務(wù)力發(fā)生了不同程度的變化(圖 3)。2000、2010、2020年生態(tài)系統(tǒng)活力指數(shù)平均值分別為0.520、0.618、0.686，呈上升趨勢(shì)。從空間上看，西北部生態(tài)系統(tǒng)活力普遍高于東南部地區(qū)[圖 3(a)]，西北部由于林草植被覆蓋率高，人類活動(dòng)密度小，具有較高的生態(tài)系統(tǒng)活力；而東南部植被覆蓋程度較西北部低，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展速度較快，人類活動(dòng)易破壞生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)活力相對(duì)較低。生態(tài)系統(tǒng)組織力指數(shù)平均值由2000年的0.549下降到2020年的0.527，隨著時(shí)間的推移呈遞減趨勢(shì)。石漠化治理等生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施加強(qiáng)了區(qū)域景觀的連通性，但城市化發(fā)展在一定程度上抑制了區(qū)域景觀的連通性，從而抵消了研究區(qū)整體的生態(tài)系統(tǒng)組織力的增加。組織力側(cè)面反映了景觀格局的優(yōu)化程度，從空間格局上看西北部區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)組織力較低，而東南部的生態(tài)系統(tǒng)組織力較高[圖 3(b)]，可以推測(cè)西北部區(qū)域景觀格局的優(yōu)化程度未有效提高，后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)景觀格局的合理優(yōu)化。2000、2010、2020年生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力指數(shù)平均值分別為0.691、0.722、0.641，整體上較高，同時(shí)也較其他指標(biāo)層高，表明生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力在生態(tài)系統(tǒng)健康中起主要作用，系統(tǒng)自身有較強(qiáng)的對(duì)外抵抗力和自我修復(fù)能力。西北部生態(tài)恢復(fù)力水平較東南部高[圖 3(c)]，表現(xiàn)為“西北高、東南低”的分布格局，由于東南部人口眾多、人類活動(dòng)強(qiáng)度較高，人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了巨大的壓力，生態(tài)系統(tǒng)彈性??；西北部以山地為主，分布著較大面積的林地、草地，植被覆蓋度高，擁有更完善的生態(tài)系統(tǒng)，抗人類干擾能力強(qiáng)，生境質(zhì)量高，生態(tài)系統(tǒng)彈性大。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)力指數(shù)平均值由2000年的0.319增長(zhǎng)至2020年的0.330，呈緩慢增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，表明服務(wù)力推動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)健康的改善和提升。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)力水平低值區(qū)主要分布在中部及東南部區(qū)域，該區(qū)域人口密集，人類活動(dòng)頻繁；高值區(qū)零散分布在西北部區(qū)域及個(gè)別縣(區(qū))，這些區(qū)域林地面積占比大，植被覆蓋率高，物種豐富，優(yōu)越的自然環(huán)境促進(jìn)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的形成[圖 3(d)]。整體上，生態(tài)系統(tǒng)活力、恢復(fù)力、服務(wù)力呈現(xiàn)出相似的空間分布模式。

圖 3 2000-2020年桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)空間格局Fig.3 Spatial pattern of ecosystem health assessment indexes in Southwest Guangxi from 2000 to 2020

2.1.2 生態(tài)系統(tǒng)健康變化趨勢(shì)

20年間桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康呈上升的變化趨勢(shì)(圖 4)，其健康指數(shù)平均值由2000年的0.446增加至2020年的0.478，表明生態(tài)環(huán)境狀況向好發(fā)展，這可能與國(guó)家在“十五”工作報(bào)告中提出的“加快推進(jìn)黔桂滇巖溶石漠化的綜合治理”[36]有關(guān)。2000-2010年生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)平均值由0.446提升至0.477，提升速度較快，這可能是經(jīng)過退耕還林、石漠化綜合治理等一系列生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施，植被覆蓋率得以提升、生態(tài)環(huán)境逐漸好轉(zhuǎn)所致。2010-2020年生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)均值由0.477提升至0.478，提升速度有所放緩，表明經(jīng)過先前一系列的生態(tài)修復(fù)工程，生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定向好發(fā)展。

圖 4 2000-2020年桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康變化趨勢(shì)Fig.4 Change trend of ecosystem health in Southwest Guangxi from 2000 to 2020

在空間分異格局上(圖 5)，桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康水平呈現(xiàn)西北-東南逐漸變差的趨勢(shì)，從西北向東南呈健康、亞健康、不健康、病態(tài)的空間分布格局，分異特征顯著?？傮w上以亞健康狀態(tài)為主，主要分布在西北部、中部地區(qū)，表明當(dāng)前區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)尚穩(wěn)定，景觀結(jié)構(gòu)比較合理。東南部少部分縣區(qū)為病態(tài)、不健康狀態(tài)，不健康狀態(tài)縣區(qū)大多環(huán)繞在病態(tài)狀態(tài)縣區(qū)周圍，表明其生態(tài)系統(tǒng)遭到一定程度的破壞，自然景觀嚴(yán)重破碎化。2000年各縣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)為0.020-0.704，健康狀態(tài)分布在百色市的隆林各族自治縣、右江區(qū)、西林縣及崇左市的寧明縣4個(gè)縣(區(qū))，病態(tài)狀態(tài)主要分布東南部的西鄉(xiāng)塘區(qū)、興寧區(qū)、江南區(qū)、邕寧區(qū)，東南部生態(tài)系統(tǒng)健康狀況明顯較差，這可能是由于城市化進(jìn)程的推進(jìn)，激化了地區(qū)環(huán)境和土地利用發(fā)展間的矛盾，景觀日趨碎片化，導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)問題突出。2010年各縣(區(qū))生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)為0.003-0.729，處于健康狀態(tài)的縣(區(qū))有所增加，田東縣、大新縣、龍州縣由亞健康狀態(tài)向健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變，生態(tài)環(huán)境得到改善, 這可能是由于在石漠化綜合治理下，多種生態(tài)綜合治理舉措并行，生態(tài)環(huán)境得到改善，人地關(guān)系基本和諧。2020年各縣(區(qū))生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)為0.004-0.713，生態(tài)系統(tǒng)健康變化較大，局部變化明顯，處于病態(tài)狀態(tài)的縣(區(qū))有所減少，如江南區(qū)、邕寧區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況由病態(tài)轉(zhuǎn)為不健康狀態(tài)；處于健康狀態(tài)的縣(區(qū))較2000年增加了2個(gè)，江南區(qū)、邕寧區(qū)的生態(tài)環(huán)境得以改善，這可能與城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展重心的轉(zhuǎn)移有關(guān)。20年間病態(tài)、不健康和健康等級(jí)相互轉(zhuǎn)換最為激烈，生態(tài)系統(tǒng)健康整體上向好發(fā)展。

圖 5 2000-2020年桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)空間格局Fig.5 Spatial patterns of ecosystem health grade in Southwest Guangxi from 2000 to 2020

總體上來說，西北部及中部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康明顯優(yōu)于東南部，主要得益于優(yōu)越的自然本底條件以及國(guó)家在石漠化防治和環(huán)境保護(hù)等生態(tài)修復(fù)工程上的支持，同時(shí)由于人口經(jīng)濟(jì)密度小，自然生態(tài)結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，生態(tài)狀況較好，區(qū)域系統(tǒng)的活力、恢復(fù)力及服務(wù)力相對(duì)較高，應(yīng)作為區(qū)域自然景觀維護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域，繼續(xù)加強(qiáng)國(guó)家生態(tài)建設(shè)戰(zhàn)略，貫徹落實(shí)“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念。東南部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康較差，由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、工業(yè)化程度高、人口增長(zhǎng)和城鎮(zhèn)擴(kuò)張，人類干擾作用明顯，建設(shè)用地面積增多，自然景觀向人為景觀轉(zhuǎn)變，生態(tài)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)被破壞，整體環(huán)境形勢(shì)不容樂觀。因此, 應(yīng)把東南部作為區(qū)域景觀布局優(yōu)化調(diào)整與生態(tài)恢復(fù)建設(shè)的關(guān)鍵區(qū)域，在建設(shè)開發(fā)的同時(shí)統(tǒng)籌生態(tài)環(huán)境保護(hù)，合理控制建設(shè)用地的擴(kuò)展，提高建設(shè)用地的用地效率，重點(diǎn)開展生態(tài)建設(shè)工作，優(yōu)化低植被覆蓋率地區(qū)的生態(tài)布局，利用生態(tài)建設(shè)手段改善生態(tài)環(huán)境狀況，提高地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)健康變化的驅(qū)動(dòng)因素2.2.1 因子探測(cè)

對(duì)影響桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康變化的因子進(jìn)行定量化表示，Q值越大說明該因子對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康空間分異影響越大(圖 6)。因子探測(cè)結(jié)果表明，生態(tài)系統(tǒng)健康空間分異的驅(qū)動(dòng)因子解釋力排序?yàn)橥恋貕ㄖ陈?X10)＞平均海拔(X3)＞夜間燈光強(qiáng)度(X9)＞人口密度(X8)＞坡度(X4)＞經(jīng)濟(jì)密度(X7)＞年均降水(X2)＞人均GDP(X6)＞年均氣溫(X1)＞坡向(X5)。其中土地墾殖率(0.760)、平均海拔(0.603)、夜間燈光強(qiáng)度(0.499)、人口密度(0.455)、坡度(0.450)、經(jīng)濟(jì)密度(0.442)、年均降水(0.434)7個(gè)自然/人文因子對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康變化的影響較大，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的貢獻(xiàn)力均大于0.4，表明桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康變化主要受自然環(huán)境變化和人類活動(dòng)的影響。自然因子中平均海拔、坡度、年均降水的貢獻(xiàn)力最高，解釋力均在40%以上。人文因子中土地墾殖率、夜間燈光強(qiáng)度、人口密度的解釋力均在45%以上，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響最為重要。

圖 6 桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康變化因子探測(cè)結(jié)果Fig.6 Detection results of ecosystem health change factors in Southwest Guangxi

2.2.2 交互探測(cè)

在交互探測(cè)結(jié)果(圖 7)中，不同因子的交互作用解釋力均不同。年均降水與土地墾殖率(0.967)、人口密度與土地墾殖率(0.951)、坡向與土地墾殖率(0.944)、年均氣溫與土地墾殖率(0.941)、年均降水與人均GDP(0.930)、年均降水與夜間燈光強(qiáng)度(0.926)、夜間燈光強(qiáng)度與土地墾殖率(0.905)交互作用值均在0.9以上，其中自然因子與人文因子交互作用強(qiáng)烈，表明桂西南生態(tài)系統(tǒng)變化是自然因子與人文因子協(xié)同作用的結(jié)果。年均降水、土地墾殖率與其他因子的交互作用值普遍較高?？λ固氐貐^(qū)基巖裸露，土層淺薄，降雨易導(dǎo)致土層的松動(dòng)，引發(fā)水土流失。由于地形地貌等限制，喀斯特地區(qū)水熱空間分布不均、土壤貧瘠、土地產(chǎn)量低。為尋求更大的生存空間，人們過度開墾土地，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境被破壞。單一自然因子、人文因子對(duì)桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康的解釋力較弱，但兩者交互作用后的解釋力均高于單一自然因子或人文因子的解釋力，且任意兩個(gè)因子交互結(jié)果呈現(xiàn)出顯著的雙因子增強(qiáng)或非線性增強(qiáng)的特點(diǎn)，說明桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康變化是各因子綜合作用的結(jié)果，并非受單一因子控制。

圖 7 桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康變化因子交互探測(cè)結(jié)果Fig.7 Interactive detection results of ecosystem health change factors in Southwest Guangxi

3 討論3.1 生態(tài)系統(tǒng)健康的時(shí)空分異特征

過去20年桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康呈良好發(fā)展態(tài)勢(shì)，這與張楠等[37]針對(duì)廣西生態(tài)系統(tǒng)健康的研究結(jié)果相似。由于退耕還林、水土保持、石漠化治理等一系列生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施，桂西南地區(qū)的生態(tài)環(huán)境得以改善，生態(tài)系統(tǒng)健康水平顯著提升，說明退耕還林、石漠化治理等措施對(duì)改善生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。從空間分布來看，桂西南西北部及中部區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康優(yōu)于東南部。李佳豪等[11]研究表明廣西西北部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康水平比南寧地區(qū)好。西北部及中部區(qū)域以山地為主，分布著較大面積的林地、草地及灌木叢，植被覆蓋率高，同時(shí)地形起伏大，不利于大規(guī)模的人類活動(dòng)，加上人口外流，人類活動(dòng)干擾度小，伴隨著較好的生境狀況，生態(tài)系統(tǒng)健康狀況良好。東南部經(jīng)濟(jì)發(fā)展快、工業(yè)化程度高、人口增長(zhǎng)和城鎮(zhèn)擴(kuò)張速度快，建設(shè)用地面積增多，自然景觀向人為景觀轉(zhuǎn)變，人類干擾作用顯著，生態(tài)系統(tǒng)健康狀況相對(duì)較差。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)健康變化的驅(qū)動(dòng)因素

Zou等[38]研究結(jié)果表明生態(tài)系統(tǒng)健康變化是自然環(huán)境因素和人類活動(dòng)因素等相互作用的結(jié)果。本研究利用地理探測(cè)器對(duì)桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明土地墾殖率、平均海拔、夜間燈光強(qiáng)度、人口密度、坡度、經(jīng)濟(jì)密度、年均降水7個(gè)因素具有較強(qiáng)的單因子解釋力。冉晨[39]研究表明，年均降水是影響喀斯特生態(tài)系統(tǒng)健康變化的主要因子。由于喀斯特地區(qū)基巖大面積裸露，土層淺薄，在降水條件下會(huì)加速地表水土流失，影響土層的穩(wěn)定性，破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)。加之成土速率慢，不合理的耕作方式會(huì)破壞地表植被的生長(zhǎng)且恢復(fù)難度較大。海拔不同其水熱條件也不同，進(jìn)而影響植被生長(zhǎng)，而植被對(duì)地表土壤有一定穩(wěn)固作用，能有效阻擋降水對(duì)地表的沖刷，因而植被覆蓋度較高的地方其生態(tài)系統(tǒng)健康狀況較好?？λ固氐貐^(qū)生境本底較為脆弱，人類活動(dòng)密集區(qū)域人類干擾作用明顯，土地利用類型轉(zhuǎn)換較為迅速，自然景觀向人為景觀轉(zhuǎn)變；同時(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展導(dǎo)致土壤污染、水污染等環(huán)境問題的產(chǎn)生，進(jìn)而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生破壞，影響其健康水平。

Xu等[25]研究發(fā)現(xiàn)，不同因子之間的交互作用大于單一因子對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響。交互探測(cè)結(jié)果表明，單一自然因子、人文因子對(duì)桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康的解釋力較弱，但兩者交互作用后的解釋力均高于單一自然因子或人文因子的解釋力。年均降水與土地墾殖率、人口密度與土地墾殖率的解釋力均大于其他因子交互作用的解釋力?？λ固氐貐^(qū)由于獨(dú)特的地表-地下雙層地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及人類活動(dòng)的雙重影響，具有生態(tài)敏感性高、抗干擾能力弱和恢復(fù)難度大等特點(diǎn)[5-7]，其土層淺薄，土壤肥力低，土壤與碳酸鹽巖之間的黏著力差，在遇到暴雨天氣時(shí)極易發(fā)生山洪或泥石流等自然災(zāi)害。此外，喀斯特土地承載能力較低，對(duì)人類干擾的響應(yīng)更為敏感，人口增長(zhǎng)加重土地的承載能力，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)健康水平?？傮w而言，桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康變化是自然環(huán)境因素和人類活動(dòng)綜合作用的結(jié)果。

4 結(jié)論

① 20年間桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康整體上呈改善態(tài)勢(shì)，其生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)由2000年的0.446增加至2020年的0.478，這可能是經(jīng)過退耕還林、石漠化綜合治理等一系列生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施，植被覆蓋率得以提升、生態(tài)環(huán)境逐漸好轉(zhuǎn)，表明生態(tài)修復(fù)工程對(duì)改善生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

② 從空間分布來看，近20年來桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康總體上西北部及中部地區(qū)優(yōu)于東南部地區(qū)，分異特征顯著。西北部及中部區(qū)域以亞健康狀態(tài)為主，而病態(tài)和不健康狀態(tài)則分布在東南部南寧市主城區(qū)。病態(tài)、不健康和健康狀態(tài)等級(jí)相互轉(zhuǎn)換最為激烈。

③ 在單一因子探測(cè)中，土地墾殖率、平均海拔、夜間燈光強(qiáng)度、人口密度、坡度的解釋力均大于或等于0.45。因子之間的交互作用均高于單因子的影響，年均降水與土地墾殖率、人口密度與土地墾殖率、坡向與土地墾殖率、年均氣溫與土地墾殖率、年均降水與人均GDP、年均降水與夜間燈光強(qiáng)度、夜間燈光強(qiáng)度與土地墾殖率交互作用值均在0.9以上，自然因子與人文因子交互作用強(qiáng)烈，表明桂西南生態(tài)系統(tǒng)健康變化是自然因子與人文因子綜合作用的結(jié)果。

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