石羊河流域灌区是人-地-水矛盾高度集结之地,也是流域综合治理的重点地区,其用水效率的高低深刻影响着绿洲的稳定性和三生系统(生产-生活-生态)的和谐发展状态.选择DEA模型,测度了《石羊河流域治理规划》实施前后13个灌区农业用水效率变化.结果表明:综合治理前后各灌区用水效率存在明显的时空差异,以2007年为拐点,总体呈现前期波动下降、后期稳定提升的发展历程.用水效率中游井泉灌区＞中游山水灌区＞下游山水井泉混合灌区,映射出流域治理的强大影响力.重点治理区域高于非重点区域,但下游红崖山水库灌区用水效率仍很低.各灌区水土冗余是影响用水效率的共性因素.水冗余井泉灌区＜山水灌区,但冗余度和松弛变量均在减少,说明水资源节约程度在加强.治理前井泉灌区和混合灌区土冗余最多;治理后山水灌区和下游红崖山水库灌区土地在减少冗余度,说明“关井压田”对井泉灌区起到明显作用.

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.

以石羊河流域上游山区和中下游绿洲区为研究区,采用Thornthwaite Memorial模型对研究区的NPP进行估算,通过Sen斜率的方法对NPP变化的时空特征进行分析,基于敏感性分析对NPP的主要气候影响因子对NPP的贡献程度进行了估算;通过设定不同的气候情景,分析各气候情景下NPP的响应特征,在此基础上对未来NPP的变化进行了预测.结果表明:1981-2015年,研究区气候趋向“暖湿化”,NPP在“暖湿化”的趋势下表现为增加;NPP自上游至下游呈增加趋势,增减趋势空间分异不显著,变化幅度空间异质性较强;NPP主要受降水、相对湿度及净辐射的影响;“暖湿型”气候条件对植被生长和干物质的积累最有利,“冷干型”气候最不利于植被干物质的积累,相对于气温而言,降水的影响程度更大,降水决定NPP的增减,气温影响NPP的变化幅度;石羊河流域NPP未来的变化以增加为主,到2050年NPP将增加5.71％～7.83％.

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.

生态敏感性是生态系统对自然环境变化和人类活动干扰的反映程度及生态环境问题发生难易程度和可能性大小的重要因素之一.以中国西北地区典型的干旱内陆河流域-石羊河流域为例,通过借鉴前人研究成果及实地调查研究,将石羊河流域生态敏感性分为生态风险敏感性、水土流失敏感性和生物多样性敏感性三个方面,并系统构建生态风险敏感性指数、水土流失敏感性指数和生物多样性敏感性指数三个定量评价指标,对石羊河流域综合生态敏感性进行研究.并通过格网编码、圈层分析,探讨近30年石羊河流域生态敏感性的时空变化.研究结果表明:(1) 1987-2016年间石羊河流域生态敏感性总体上逐年降低,综合生态敏感性指数(Comprehensive ecological sensitivity index,CESI)值从1987年的1.143上升到2016年的1.287,反映出流域生态环境当前还是向着可持续发展的方向发展;(2)流域生态敏感性整体偏高,常年极度敏感区和常年重度敏感区占流域总面积的42.26％.此外,敏感性空间分异明显,流域上游及下游荒漠区敏感性相对稳定,中下游绿洲区敏感性波动变化较为频繁,且波动变化区占总面积的51.24％,这表明流域生态敏感性与人类活动及工农业生产有较为密切的关系;(3)目前流域生态敏感性整体趋于好转,但局部地区有恶化的趋势,敏感性波动降低的区域面积为11693.57km2,占流域总面积的28.82％,敏感性波动升高的区域面积为9099.66km2,占流域总面积的22.43％,这表明一方面在国家宏观政策的引导下,当地在生态环境保护方面做了大量工作,另一方面也表现出在全球生态环境逐渐恶化的大背景下,当地的生态环境治理工作仍然任重道远.

以石羊河流域下游青土湖区域内不同年代盐碱化退耕地的黑果枸杞群落为研究对象,利用空间代替时间的方法,对比分析不同退耕年限盐碱化退耕地黑果枸杞群落土壤理化因子变异特征.研究结果表明:(1)在黑果枸杞群落的演替过程中,不同深度土壤水分含量发生了相应的变化,通过对三种类型的黑果枸杞群落0～ 200 cm土壤水分的测定,整体表现为原始群落(15.6％)＞60年代群落(13.9％)＞80年代群落(10.9％);(2)不同类型黑果枸杞群落土壤养分、盐分含量具有差异性,黑果枸杞群落随着自然演替0～30 cm土壤有机质含量起初下降明显,后期30～60 cm有机质消耗较明显.(3)原始黑果枸杞群落盐分表层聚集现象明显,表层盐分含量达24.66 g/kg,表层含盐量是30～60 cm的5倍,80年代退耕地内黑果枸杞群落土壤含盐量较小.(4)盐分八大离子组成中,80年代退耕黑果枸杞种群HCO3-含量较高,随着群落演替SO42-、Cl-逐渐增加,原始黑果枸杞群落土壤30～60 cm主要以Cl-为主,其次为Mg+,而K+、Na+含量较小.

基于RS和GIS技术方法,选取自然资本、社会压力和经济支撑3方面的11个指标,利用空间主成分分析法、变异系数法和层次分析法,构建自然资本指数(NCI)、社会压力指数(SPI)、经济支撑指数(ESI)以及生态环境质量评价指数(EQEI),对石羊河流域生态环境质量空间分布特征及影响因素进行分析.结果表明:石羊河流域生态环境质量整体处于较差水平,生态环境质量等级为优、良的区域主要集中在流域上游的祁连山地区,等级为较差及其以下的区域主要集中在中、下游的低山丘陵区和荒漠区.石羊河流域EQEI值在西南-东北方向上具有两极分化现象,随着距离变化,该值变化幅度较大,存在明显的空间异质性.石羊河流域生态环境质量以高-低值两种聚集模式共存,主要呈现“断裂式”分布,并具备热点高度聚集、冷点高度聚集的特征.在石羊河流域生态环境质量的影响因素中,自然资本因素占据主导地位,社会压力因素次之,经济支撑因素的影响最小.

土壤水分是地表和大气循环的纽带,对植被生长和高效农业灌溉起着关键作用.以石羊河流域为研究区,采用植被覆盖度/表面反照率梯形特征空间散点图计算裸土反照率,减少植被对遥感获取土壤水分误差,以提高遥感土壤水分估算精度.同时通过稳定性、空间自相关和地理探测器等分析了SM的空间格局及其影响因素.结果表明:(1)裸土反照率模型在石羊河流域的SM反演精度较高,为流域尺度的SM计算提供了新的方法思考.(2)SM具有明显的空间自相关性,Moran's值为0.88(Z-score= 1852.94,P ＜0.01),上游林地高-高聚集,下游荒漠低-低聚集,且SM与FVC显著相关(P ＜0.01).(3)石羊河流域年内SM稳定性整体良好,其中稳定性好和较好区域占研究区88.34％. (4)SM空间分布受多因子影响,各因子解释能力存在显著差异,其中植被覆盖度＞土壤类型＞高程＞土地利用,且因子间交互作用增强了对SM空间分异的解释力.(5)不同土地利用类型的SM差异较大,其中未利用地大部分SM小于7％;草地和耕地SM居于中等水平,SM值为7％-15％;林地水平最高,SM值大于25％.

以石羊河流域下游甘肃省民勤县为研究区,选取1995、2000、2005、2010、2015、2018年6期遥感影像作为数据源,利用RS和GIS理论和方法,基于归一化植被指数(NDVI)和地表反照率(Albedo)建立Albedo-NDVI特征空间,构建荒漠化差值指数,对民勤县荒漠化动态变化进行分析.结果 表明:石羊河流域下游地区荒漠化面积占民勤县总面积的90％以上,绿洲零星分布在大面积荒漠化土地中,以中度荒漠化为主,占全县总面积的70％以上;1995-2018年间,民勤县荒漠化面积整体呈减少趋势,年均减少面积为22.06 km2,年均减少0.1％.研究期间,该县各类荒漠化面积减少与扩张并存,重度、中度、轻度、微度荒漠化面积的动态度分别为-1.5％、0.2％、-0.9％、3.8％,说明荒漠化严重程度降低;研究区荒漠化总体处于稳定状态,未发生大面积并且趋势较为明显的荒漠化过程,荒漠化治理工作取得了阶段性的成果;研究区荒漠化波动下降的面积占15.2％,而波动上升的面积只占3.9％,无规律波动变化区主要分布在荒漠绿洲过渡区和绿洲边缘地区,面积达到总面积的17.7％,说明在绿洲和荒漠区交错地带,荒漠化反复变化较为活跃,是将来重点治理和修复地区之一.

多枝柽柳(Tamarix ramosissima)灌丛是石羊河下游防风固沙林的重要组成,对绿洲免受风沙灾害侵袭发挥着关键作用.由于区域水文环境的恶化,多枝柽柳灌丛大面积退化死亡,亟需人工恢复,但其季节水分来源尚不清楚.为此,基于氢氧稳定同位素示踪技术,运用IsoSource模型,定量分析了不同衰退程度多枝柽柳灌丛的水分利用策略.结果表明:2016年石羊河下游降雨以小于5 mm小降雨事件为主,降雨氧稳定同位素值(δ18O)的季节效应明显.降水线方程为氢稳定同位素氘值δD=6.46δ18O-5.11,R2=0.87.整体上,不同衰退程度多枝柽柳灌丛土壤水分在夏季较低,秋季略为恢复.由于衰退程度越严重蒸腾耗水越低,生长季多枝柽柳灌丛土壤水分大小排序为重度(3.48％)＞极重度(2.69％)＞中度(1.97％)＞轻度(1.87％).降雨与土壤水δD的变化关系分析表明,6-10月降雨对衰退多枝柽柳灌丛土壤水补给贡献较大.土壤水、降水、地下水是不同退化程度多枝柽柳灌丛的潜在水源.受春季蒸发损失小,冠层截留少,以及土壤生物结皮的综合影响,不同衰退阶段多枝柽柳春季对降水的平均利用比例达40.63％,大小排序为重度衰退(58.5％)＞中度衰退(41.7％)＞轻度衰退(39.3％)＞极重度衰退(23％).春季到秋季衰退多枝柽柳灌丛趋向于利用可靠的深层地下水.随生境水分可获得性的变化,不同衰退程度多枝柽柳选择性利用降雨、土壤水、地下水.虽然能勉强维持生存,但石羊河下游衰退多枝柽柳灌丛有被红砂(Reaumuria soongarica)等超耐旱小灌木替代的趋势.建议干旱区人工植被建设应以水定绿,灌草结合,少选择乔木、大灌木等高耗水植物种作为固沙造林树种.