探究生态治理背景下内陆河流域社区恢复力演变规律及其影响因素,对于流域生态保护与社会经济高质量发展具有重要意义.选取石羊河流域为典型研究区,在识别社区恢复力演变的基础上,探究社区恢复力内部影响因素及外部生态治理影响路径,进而揭示社区恢复力影响机制.结果表明:(1)生态治理背景下石羊河流域社区恢复力迅速增长且时空异质性明显,其中,生态维度空间格局集聚度高且优势性强,但增长缓慢,经济及社会维度时空异质性大,且增长迅速;(2)石羊河流域社区恢复力内部影响因素中,经济维度具有主导影响,社会维度影响减弱,而生态维度影响最小且变化趋势不大;(3)外部生态治理影响中,退耕还林及关井压田在三个时期对社区恢复力均起到制约作用,农业技术培训早期制约社区恢复力提升,后期制约作用消失,多重生态治理要素组合影响在2000年表现为农业结构调整及资源调控路径,2010年表现为农业结构调整路径、生活水资源主导调控路径、生态水资源主导调控路径,2020年表现为农业结构调整及资源配置路径、农业结构调整及技术支持路径、生产水资源主导配置路径.总体来说,研究为社区恢复力内外部影响因素综合研究提供了思路,也为内陆河流域未来乡村社区恢复力建设提供了实践参考.

以石羊河流域武威和民勤两大绿洲为研究区,分别选取1995年、2006年和2016年LandsatTM/OLI遥感影像作为数据源,通过提取沙漠化指数(DI)、概括差值植被指数(GI)、盐渍化指数(MSI)、湿度指数(WI)等评价指标,构建用于生态环境质量评估的遥感生态距离指数(RSEDI),对石羊河流域两大绿洲区进行生态环境质量分析评价.结果表明:从时间变化来看,1995-2016年,石羊河流域两大绿洲生态环境质量整体上逐年变好,RSEDI均值由1995年的5.3上升到2016年的14.8,生态恢复面积大于生态退化面积;从空间变化来看,1995-2016年,民勤绿洲生态质量整体处于恢复状态,武威绿洲区在西北方向呈恢复状态,而在东南方向以退化为主;从剖面图的变化来看,两大绿洲1995年生态质量较差且绿洲内部空间分布差异显著,2006年生态质量最差但内部差异最小,2016年生态质量最好,绿洲内部生态环境质量空间分布差异也较为明显;总体来看,石羊河流域两大绿洲生态环境质量整体较差,但经过多年治理,尤其近10年来生态环境质量向好趋势明显,说明流域治理取得了阶段性成果.

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％.

生态系统服务权衡与协同研究是国际生态学、地理学等学科研究的热点.以石羊河流域为研究区,借助InVEST模型,对流域2005、2010和2015年的水源涵养、土壤保持、水质净化、碳储存和生物多样性五项服务进行精准测度,分析服务的时空格局及演变特征,并利用相关系数法逐像元定量计算5种服务之间的权衡与协同关系,从不同尺度分析权衡与协同关系的空间格局特征.结果表明:(1)各项服务具有空间异质性:水源涵养、土壤保持、碳储存、生物多样性呈“西南高-东北低”的空间格局,且水质净化、碳储存服务的高值区沿河流分布.(2)10年期间,水源涵养、水质净化、碳储存、生物多样性服务呈现“整体增加-局部减少”的变化趋势,而土壤保持呈“整体减少-局部增加”的变化特征.(3)多种服务之间权衡与协同关系具有区域依赖特征:水源涵养与土壤保持、水源涵养与水质净化、水质净化与碳储存、水质净化与生物多样性、土壤保持与碳储存、土壤保持与生物多样性以权衡关系为主;水源涵养与碳储存、水源涵养与生物多样性、土壤保持与水质净化、碳储存与生物多样性以协同关系为主.定量可视化评估生态系统服务及权衡关系,为制定区域发展与生态保护双赢政策提供依据,同时也为其他流域的相关研究提供可靠参考.

水源涵养功能是流域生态系统的重要服务功能之一和可持续发展的关键因素.采用InVEST模型,通过参数本地化,定量评估了石羊河流域产水量及水源涵养功能,在此基础上对水源涵养功能重要性进行分级,通过模拟不同退耕情景,分析其产水量及水源涵养功能的差异.结果表明:(1) InVEST模型中的Zhang系数为2.1时,研究区产水量模拟效果最佳;研究区2015年单元平均产水深度值为60.90 mm,产水总量为24.71×108m3;单元平均水源涵养量为23.97 mm,水源涵养总量为1.35×108m3;单元产水深度与单元平均水源涵养量空间分布均呈现出南高北低的趋势;研究区不同地类单元水源涵养能力以林地最强,草地的水源涵养总量最大.(2)研究区内水源涵养功能一般重要级别区域占总面积的53.94％,极重要和高度重要级别共占总面积的22.40％.(3)根据不同退耕模式情景模拟结果,研究区林地面积最大时,单元水源涵养量及水源涵养总量均最高;随着林地、草地面积的增加,产水量有所减少,且林地面积最大时,产水量最少;基于最小模糊度法,确定了研究区合理退耕还林还草模式.

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.

以石羊河流域为研究区,基于干旱内陆河流域生态特征和遥感数据快速、客观、大面积观测的特点,采用遥感模型计算湿度、绿度、干度和热度等指标,并构建石羊河流域生态脆弱性评价指标体系,在此基础上运用空间主成分分析法(SPCA)对石羊河流域2000和2016年生态脆弱性时空演变及动因进行了分析.研究结果表明:(1)从各遥感指数空间分布来看,湿度和绿度指标均值在17年间呈增长趋势,证明该流域水源涵养能力变好,植被覆盖率变大;干度指标均值有所下降,表明该流域地表裸露程度有所降低;而与植被和水资源关系密切的地表温度均值呈逐年上升趋势,说明该流域水热平衡差异进一步增加,对未来生态脆弱性影响显著;(2)从全流域生态脆弱性时空演变特征来看,该流域主要以强度和中度脆弱为主,17年间生态脆弱性整体上呈缓慢降低趋势;(3)从不同的海拔生态脆弱性分布来看,中山区(1000-2000m)最高,高中山区(2000-3000m)次之,高山区(＞3000m)最低,17年间中山区生态脆弱性有所下降,而高中山区与高山区却呈上升的趋势;(4)从不同的行政区划生态脆弱性来看,金川区、凉州区、永昌县、民勤县和古浪县整体上处于中度和强度脆弱水平,而天祝县和肃南县处于轻度和微度脆弱水平;(5)从生态脆弱性的演变动因来看,4个指标对石羊河流域生态脆弱性影响均为显著.2000年生态脆弱性的主导影响因子依次为热度＞湿度＞绿度＞干度,而2016年为热度＞干度＞绿度＞湿度.总的来看,石羊河流域生态脆弱程度近年来有所降低,但综合治理工作仍任重道远.本文的遥感方法和分析思路对该流域生态脆弱性保护及治理提供一定的理论基础和决策依据.

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.