蓝水和绿水是淡水资源循环的两个组成部分,反映了人类活动和生态系统可利用水资源,用来评估区域水资源的安全状况,优化区域水资源管理.然而,目前对于同时揭示蓝绿水资源安全之间潜在联系的空间规律的研究还较为缺乏.地处西北内陆干旱区的黑河中游的生态环境保护和社会经济发展之间的用水矛盾日益加剧,导致水资源供需关系渐趋紧张,影响区域可持续发展.以黑河中游为研究区,采取多源地理数据,基于SWAT模型分析了黑河中游2000-2020年期间子流域尺度上蓝水和绿水资源的可用性,进而结合用水需求,定量评估了蓝水资源和绿水资源安全的时空变化.结果表明:(1)率定期和验证期R2与NSE均＞0.7,说明观测径流与模拟径流之间一致性较好,构建的SWAT模型在蓝绿水安全研究中较为可靠.(2)黑河中游的年平均绿水资源量是蓝水资源量的4倍,是该地区的主要水资源.从空间分布来看,蓝绿水资源的空间分布具有较大的差异性,蓝水资源大多分布于南部林草地和干流两侧的农田灌区,而绿水从南部向北部呈现递减趋势(2)由于水资源供给和需求的空间不匹配,蓝水资源的安全性较低,不安全地区位于中部农田集中区,而绿水资源安全性较高且整体较为稳定,空间差异不大.研究结果可为区域水资源持续管理提供参考.

基于2013-2017 年岱海水质监测数据,分析岱海湖泊叶绿素 a 浓度时空分布特征,进而通过混合演化算法(HEA)建立湖泊叶绿素a浓度模拟和预测模型,结合生态阈值和敏感性分析,定量揭示和模拟预测湖泊叶绿素a浓度变化及其与环境因子之间的关系.研究表明:(1)岱海富营养化程度的季节变化呈显著性差异,表现为春季显著高于夏季和秋季,但空间变化不具有显著性差异.(2)基于混合演化算法模型的岱海湖泊叶绿素a浓度预测值与实际监测值之间拟合度高(R2 = 0.95).(3)混合演化算法的最佳规则集表明,当水体化学需氧量大于 172.049 mg·L-1,且水温在 13.97-20.36℃的范围内时,岱海湖泊叶绿素 a浓度随水温增高而降低,随 pH和水深的增高而增高;反之,叶绿素 a浓度与总氮和水深均是负相关关系.混合演化算法模型能够模拟和预测湖泊叶绿素 a浓度变化,识别和量化湖泊富营养化与环境因子的生态关系和阈值数据,可为干旱半干旱区内陆湖泊藻类水华的预测预警提供一定的理论依据和技术支撑.

湿地水文条件对湿地生态系统结构和功能起着关键作用.借助卫星遥感技术,以干旱区疏勒河中下游沼泽湿地为研究对象,基于Landsat8 OLI遥感影像的温度植被干旱指数(TVDI)、垂直干旱指数(PDI)和归一化干旱监测指数(NPDI)3种干旱监测方法,结合野外湿地实测土壤水分数据进行比较和验证.结果表明:(1)TVDI、PDI和NPDI3种干旱指数在不同土层中均与土壤实测水分呈显著负相关(P＜0.01),且NPDI指数与表层土壤水分的拟合效果最好.不同土层中,3种干旱指数与土壤水分的拟合优度大小均为NPDI＞TVDI＞PDI;(2)研究区同一湿地类型不同土层的土壤水分存在显著差异(P＜0.05),且不同湿地类型的土壤水分总体上表现为随着土壤深度的增加呈递增态势;(3)研究区同一土层不同湿地类型的土壤水分差异显著(P＜0.05),且不同土层中土壤水分的大小均为:沼泽化草甸＞草本沼泽＞季节性咸水沼泽＞内陆盐沼.

石羊河流域是河西走廊东段重要生态区,也是用水矛盾最突出、生态环境问题最严重的地区之一,对其进行生态系统质量的评价,可为干旱区内陆河流域的生态保护工作提供借鉴.依据生态系统质量概念,以统计数据、遥感数据和土地覆被数据为基础,从生态系统的3方面(生产力、稳定性和承载力)构建评价指数,基于非参数Kruskal-Wallis卡方(x2)检验和熵值法确定指标权重,结合RS、GIS和SPSS软件对2000、2005、2010和2015年石羊河流域不同生态系统类型的质量及各指数进行综合评价及变化分析.结果表明:2000-2015年,石羊河流域生态系统质量均值为57.76,呈现显著下降趋势,年降幅为0.72,空间分布呈上游优于中游、中游优于下游的状态;生态系统生产能力、稳定性和承载力均值分别为67.52、45.37、58.53,生产能力和稳定性小幅上升,承载力逐渐下降.就各生态系统类型来看,森林生态系统质量最高,年均值为78.12,年降幅最小,为0.28;其次是草地、农田和城镇生态系统,年均值分别为62.45、58.76、50.29;湿地生态系统质量最低,年降幅最大,达0.98.

内陆干旱区人口数量急剧增加驱动了绿洲快速扩张,扩张方式主要包括:灌木地、林地和农地扩张,尚缺乏绿洲扩张方式对土壤生物多样性和生态系统服务功能影响的研究.本文以河西走廊黑河中游张掖绿洲为研究区域,选择绿洲边缘天然草地及其转变的人工梭梭(Haloxylon ammodendron)灌木地(无灌溉)、人工杨树(Populus gansuensis)林地(灌溉)、玉米(Zea mays)地(灌溉+施肥)为研究对象,测定了4种生境土壤食物网中9种优势功能类群的密度以及反映土壤生态系统功能特征的有机碳储量、氮储量、磷储量与土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性.主要结果如下:(1)灌木地扩张显著降低了甲螨、植食性昆虫密度,增加了跳虫、捕食性螨密度和真菌的OTUs,对其余类群无显著影响;林地扩张增加了捕食性节肢动物、植食性昆虫、捕食性螨、跳虫、甲螨的密度及细菌和真菌OTUs,对其余类群无显著影响;农地扩张增加了蚓类、捕食性节肢动物、捕食性螨、跳虫、甲螨的密度及细菌和真菌的OTUs,对其余类群无显著影响.(2)林地和灌木地扩张显著提高了土壤有机碳储量和氮储量,而农地扩张显著提高了土壤有机碳储量、氮储量和磷储量.(3)3种扩张方式显著提高了土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性,玉米地和杨树林地土壤酶活性的增幅高于灌木地.人工绿洲扩张方式显著和有差异地改变了土壤食物网结构及其生态功能水平,该结果对建立基于土地利用结构优化调控的人工绿洲生物多样性保护管理新方法具有重要意义,并为人工绿洲生态系统功能稳定性评价研究提供了基础资料.

生态承载力是区域可持续发展的重要物质基础.为了探讨我国干旱区内陆河流域未来生态承载力的时空格局变化,以石羊河流域为研究区,基于该流域1992、2002年和2012年3期Landsat TM遥感影像,选取10个影响生态承载力变化的主要驱动因素,利用元胞自动机-马尔科夫模型(CA-Markov),以土地利用预测为切入点,对该流域2022年的生态承载力时空格局进行了模拟预测.首先基于1992-2002年数据预测了2012年石羊河流域土地利用状况,并与当年实际土地利用状况进行对比和验证,结果显示:Kappa系数为0.7956,说明本文所选用的预测方法预测结果可靠,可以用于该流域土地利用预测;其次,以2012年为起始年,模拟预测了2022年土地利用空间数据,并计算生态承载力时空格局,结果显示:2022年石羊河流域单位面积生态承载力与1992年、2002年和2012年相比整体空间分布格局变化不大,但区域内部变化却呈明显的空间分异特征;1992-2022年流域生态承载力总量以2002年为拐点呈先减少后增加的趋势,其中建设用地的生态承载力增加最为显著;预测可知,较2012年,2022年流域上游山区的林地、中游绿洲的建筑用地生态承载力均增加较快,且呈现较明显的斑块聚集,而中、下游绿洲区耕地、草地生态承载力增、减变化复杂,斑块分布较为离散和破碎;2012-2022年土地利用类型将发生频繁转换,导致流域生态承载力结构组成变化较大,其中未利用地的转出对2022年流域生态承载力的增加贡献突出.研究结果表明自2002年以后,该流域实施的退耕还林还草、关井压田等生态工程已经并将继续对该流域生态效益的提高起到积极的作用.

干旱内陆河流在维系绿洲形成与发展,连接干旱区绿洲各类生态子系统中具有举足轻重的作用.以克里雅河中游为研究区,基于遥感影像分析了1995年、2005年和2015年3个时期的土地利用/覆被与景观格局变化特征,采用缓冲区分析法,揭示了土地利用/覆被与景观格局的时空变化特征,用土地覆被转移指数模型计算了土地利用转移方向.研究结果表明:1)1995-2015年,克里雅河中游耕地持续增加,草地和水体呈减少趋势,耕地增加和水体减少主要发生在河道附近,草地退化在绿洲边缘较严重.在河道附近,耕地主要由水体和草地转入,水体主要转出到耕地,而在绿洲边缘草地主要转出为其他用地;2)从景观水平看,研究区整体景观具有破碎化趋势,景观多样性降低,分离度变大,整个景观向均匀化发展,此变化在河道附近和绿洲边缘较明显.从类型水平看,耕地斑块数量持续增加,有向连片生成的趋势.草地斑块分离度越来越大,逐渐失去了在绿洲中的优势.水体有破碎化趋势;3)从土地转移指数看,研究区土地覆被总体变差;河道附近土地覆被经历了退化-改善的变化过程,而其他缓冲带则是持续退化,尤其绿洲边缘退化程度最为严重.

干旱区内陆河流域的生态环境极为脆弱,生态系统的微小变化也可能给流域生态安全带来巨大影响.甘州区位于干旱内陆河流域,生态问题突出,重视生态系统自身安全、构建合理的生态安全格局是保障该地区生态安全的有效措施.通过当量因子法估算2000、2005、2010年甘州区生态系统服务的静态价值,在充分考虑各项生态系统服务功能变化率及空间集聚程度对功能发挥影响的基础上,采用生态系统服务优先指数和空间丰富度指数,对甘州区2010年生态系统服务静态价值的估算结果进行动态重构.利用重构后的生态系统服务价值构建了甘州区3种不同安全水平情景下的生态安全格局.结果 表明:1)甘州区生态系统服务价值总量逐步上升,各项服务多年变化率差异不大.2)重构后生态系统服务价值量为1438.21-390993元/hm2,大部分地区为中低值.3)低、中、高安全水平生态安全格局中,生态源地面积分别为155.75 km2,191.25 km2和224.5 km2.基于生态系统服务价值构建的生态安全格局是立足于生态系统服务现状提出的规划策略,可为区域生态保护规划和生态文明建设提供重要依据.

绿洲水库作为干旱区内陆河流域的典型水系节点, 在区域农业发展中占有重要地位.为了认识农区水库对土壤盐分空间分布特征的影响, 本文以三工河流域的冰湖水库和柳城子水库为例, 运用经典统计分析、地统计分析和GIS相结合的方法, 对比分析不同景观背景下, 以水库为中心的区域土壤剖面 (060 cm) 盐分的空间变异特征.结果表明: (1) 以自然景观为背景的柳城子水库各土层盐分含量 (020 cm:20.77 g·kg-1, 2040 cm:14.96g·kg-1, 4060 cm:16.9 g·kg-1) 高于灌溉景观为主导背景的冰湖水库各土层盐分含量 (020 cm:7.81 g·kg-1, 2040 cm:5.66 g·kg-1, 4060 cm:5.24 g·kg-1) .在土壤盐分变异性上, 冰湖水库各土层盐分的变异系数CV＞100％, 均呈现强变异性, 而柳城子水库呈现出中等变异性 (10％＜CV≤100％); (2) 两个水库区域各层土壤盐分, 均呈现中等强度空间自相关性 (0.25＜C0/ (C0+C) ＜0.75), 冰湖水库表层土壤盐分空间变异主要受人为活动产生的随机因素影响, 但随着土层深度的增加结构性因素的影响逐渐增强, 而柳城子水库土壤盐分空间变异主要受结构性因素主导; (3) 农业水库区域呈现出"盐岛"效应, 冰湖水库各土层非盐化土面积占主导地位, 随土层深度增加, 非盐化土面积逐渐增大;而柳城子水库各土层盐土面积占主导地位, 随土层深度增加, 盐土面积也逐渐增大.

水资源是一切生物赖以生存和不可替代的基本自然资源,生态需水在维持流域生态系统平衡和生态承载力可持续性方面扮演着极其重要的角色,干旱区内陆河流域尤为突出.以疏勒河流域和其所辖县区为不同尺度区域,利用LandsatTM/ETM+/OLI遥感数据(30 m分辨率),解译该流域近20年5期土地利用数据,同时在收集和整理流域多年水文水资源基础数据的基础上,以流域生态需水为研究主线,运用多学科方法和原理,结合遥感技术、GIS技术,通过现场调查和观测,计算了流域及其所辖县区近20年生态承载力和天然植被生态需水量.结果 表明:近20年来,伴随流域生态承载力的增加,生态需水量也呈增加趋势,两者呈非常明显的正相关关系,相关系数达0.6076;县域尺度上,生态需水与生态承载力正相关关系也较高,其中林、草地的生态需水与生态承载力拟合优度R2分别达0.8519、0.7235,说明林、草地生态承载力的变化对生态需水变化的解释能力更强,二者之间的关系更为紧密;基于空间热点分析,该流域生态承载力和生态需水的热点和冷点区域均呈现相似的空间格局,说明二者之间在空间尺度上也呈正相关关系.研究结论可为疏勒河流域生态水资源量的科学配置和调控提供重要的决策依据.