以新疆玛纳斯河流域长期连作棉田为研究对象,采用傅里叶红外光谱技术(FTIR)分析不同连作年限[0(对照)、5、10、15和20年]棉田土壤红外光谱特征,分析连作结合秸秆还田对土壤有机碳结构和稳定性的影响.结果表明:随连作年限增加,土壤有机质中多糖和芳香族基团相对峰强度下降,脂肪族和醇酚相对峰强度上升,脂肪族-CH/芳香族C=C逐年升高.连作5年土壤颗粒有机碳含量最高,比对照土壤高5.11倍,之后随连作年限增加颗粒有机碳含量逐渐降低;连作10年土壤矿物结合态有机碳含量最高,比对照高1.84倍,连作5年土壤颗粒有机碳与矿物结合态有机碳含量之比(ω(POC)/ω (MOC))最高,之后随连作年限增加开始下降.综上,棉田长期连作结合秸秆还田后土壤有机质结构趋于脂肪化,土壤矿物结合对有机质保护性升高,有机质稳定性升高.

以2000、2006和2016年3期的Landsat遥感影像为基础数据源,结合前人研究成果和实地考察,借助RSEI指数,对玛纳斯湖湿地生态环境进行监测和评价.结果 表明:利用主成分分析技术集成植被指数、湿度分量、地表温度和土壤指数建立的RSEI指数具有一定的适用性,可较好的对玛纳斯湖湿地生态环境质量状况及其时空变化进行监测和评价.2000、2006和2016年RSEI指数均值分别为0.227、0.183、0.234,对RSEI指数进行分级处理后,发现流域生态环境质量“较差”等级居于主导地位,“优”等级有所增加,湿地生态环境质量向好的方向发展.气候变化和人类活动共同作用于玛纳斯湖湿地产生的生态环境效应,日益增强的人类活动是湿地退化的主要原因,多年来粗放型的农业发展使玛纳斯河流域人口、经济与生态环境之间的关系严重失调.从优化水资源配置角度提出对主要源流流域水土资源大规模开发的同时,应重视尾闾湖泊湿地的生态价值与可持续发展.

通过土地利用结构优化能够实现区域生态效益的最大化.采用5期Landsat遥感影像数据,基于单位面积当量因子法,估算了玛纳斯河流域1990-2015年各项生态系统服务价值及其变化;并借助灰色线性规划模型(GLP)进行土地结构优化,探讨了最大化生态效益目标下优化前后研究区生态服务价值的比对及变动.结果 表明:(1)该流域草地和未利用地是主要的土地利用类型,所占比例达70％;建工用地和耕地面积逐期增加,而其他土地利用类型均逐渐减少.(2)研究期内流域生态服务价值(ESV)总体呈下降趋势,2015年较1990年减少了14.97％;各单项ESV大小依次为:水文调节＞气候调节＞土壤保持＞生物多样性＞气体调节＞净化环境＞美学景观＞食物生产＞原料生产＞维持养分循环＞水资源供给;从空间分布来看,流域生态服务价值呈片状分布,ESV等级分界线较明显,其中ESV最高的低山区占总价值的35.84％,气候、水文调节是主要的生态服务功能,其原因在于草地覆盖面积大.(3)优化配置后,未利用地面积明显减少,而其他土地利用类型均有所增加;总ESV较优化前增加了5.29％,且各单项ESV也均增加,特别是水文调节和气候调节的增加最为明显.本研究可为区域土地利用规划和生态文明建设等方面提供一定理论基础和实践参考.

地学信息图谱分析可利用图形语言将复杂的地理现象进行简洁的表达,对开展多时空尺度土地利用变化空间格局与时间过程的集成研究具有重要意义.本研究以新疆玛纳斯河流域为例,基于7期遥感数据(1975、1990、1995、2000、2005、2010和2015年)构建土地利用/覆被变化(LUCC)图谱体系,定量分析流域LUCC过程及趋势.结果表明:1975-2015年,流域土地利用变化幅度逐渐减弱,土地利用结构由复杂趋向单一,后期趋于稳定.1975-1990年,流域内草地涨势最强,主要来源于未利用土地的转入.1990---2015年,耕地增幅最大,主要由未利用土地、林草地转换而来.土地利用变化模式图谱显示,前期变化型、后期变化型及持续变化型仅占流域面积的1.3％,图谱单元总体变化以未利用土地转向耕地、草地和水域占主导,土地利用变化过程较为稳定.土地利用变化频率图谱的稳定不变区域覆盖流域面积的61.2％,土地利用空间格局相对稳定.土地利用转变最频繁的方式为耕地的持续扩张,以沙湾县柳毛湾镇和玛纳斯县六户地镇为左右中心,呈“摊饼式”向两侧扩张,延伸至古尔班通古特沙漠.通过构建土地利用时空变化图谱,丰富了LUCC时空分析方法体系,为今后开展多时空尺度下的LUCC研究提供了有效手段.

随着人类活动范围日益扩张和强度增加,景观生态风险评价已经成为预测和衡量生态环境质量和动态演化的重要手段.以玛纳斯河流域(简称玛河流域)为研究区,选取2000、2005、2010和2015年4期Landsat TM/ETM遥感影像,运用ENVI软件对研究区土地利用类型进行解译,定量分析流域近15年来土地利用动态变化特征,基于景观格局指数,采用地统计学方法,探究玛河流域景观生态风险程度及时空分异特征.结果 表明:(1) 2000-2015年,玛河流域景观格局发生了较大变化,耕地景观面积增加最多(2638.31 km2),主要由草地和未利用地转入;未利用地景观面积减少最多(2559.99 km2),主要转化成了草地、耕地和林地;(2)将流域景观生态风险划分为5个等级,研究期内流域低、中风险区面积增加而较高、高风险区面积减少,整体景观生态风险指数减小,所以研究区生态环境在整体上呈现好转;(3) 2000-2005年、2010-2015年玛河流域在景观风险分布格局上发生较小变化,但2005-2010年流域景观风险分布格局发生较大变化,主要是中、较高和高风险区向流域南北方向分散并转移,低风险区向流域北部转移.

干旱区生态资本独特但生态承载有限,其生态足迹供求关系及均衡机理倍受关注.以干旱区典型内陆河流域-玛纳斯河流域为靶区,根据干旱区土地利用/覆盖类型特征及变化趋势,基于绿洲生产消耗所产生的生态系统服务流动规律建立三维生态足迹评价模型,并利用干旱区本土参数对流域2000-2018年的生态足迹时空分异进行分析.结果 表明:(1)受自然承载有限和社会经济发展交互影响,玛纳斯河流域生态赤字不断扩大.时间上,18年间流域生态赤字增长了4.36倍,人均生态赤字增长了3.12倍,其中能源用地和耕地占比高、增速快,对生态赤字的贡献远远超过其他类型;空间上,石河子市对流域生态足迹的贡献率明显大于沙湾县和玛纳斯县;(2)同期,玛纳斯河流域生态足迹广度增加了0.59倍,足迹深度增加了0.44,广深比达到3343876:1.63,流量资本占用不断增加,存量资本日趋消损,生态压力不断增大;(3)流域资源利用效率显著提高,18年内增加了4.73倍,增长速度为5778.3万元hm-2 a-1;(4)流域虽面临较大的生态挑战和人口压力,但在全疆范围来看并不突出.本土参数与省域参数和国家参数相比可较好反映流域自然资本利用现状,最后提出干旱区生态承载力的优化展望和流域可持续发展建议.

基于植被净初级生产力(NPP)法开展干旱区流域生物多样性维护功能重要性评价可为区域生态安全建设提供科学依据.基于玛纳斯河流域MODIS13Q1 数据和环境数据,利用卡内基-艾姆斯-斯坦福方法模型(CASA)估算 2001-2020 年流域植被NPP,结合地形因子构建流域生物多样性维护功能重要性评价模型,利用地理探测器分析气候、地形、土壤类型等因子对流域NPP的空间异质性影响.研究结果表明:(1)近 20 年,流域植被NPP均值呈上升趋势,高值集中于山地区低山丘陵带和绿洲区中部,低值区分布于荒漠生态区;(2)从流域不同土地利用类型的NPP 均值看,耕地＞林地＞草地＞建设用地＞未利用地＞水域;(3)流域生物多样性维护功能的一般重要区、中等重要区、重要区和极重要区的数值范围为:0-0.12、0.12-0.22、0.22-0.47 和0.47-0.84,分别占流域总面积的 20.17％、20.14％、19.91％和 19.85％,山地区低山丘陵带和绿洲区中部是流域生物多样性维护功能的极重要区;(4)年平均降水、土壤类型是流域NPP空间分异解释力最强的因子;各因子的影响呈非线性增强及双因子增强作用,年平均降水与海拔的交互作用最强(q=0.44),与年平均太阳总辐射(q=0.42)的交互作用次之.