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.

干旱区土地利用转型作为影响区域生态系统变化的主要因素,直接关系人类福祉.本文以生态脆弱的黑河中游地区为研究对象,基于1987、2001、2016年的遥感影像数据,采用土地利用转型检测评估模型、生态响应模型系统研究了1987-2016年黑河中游地区土地利用转型的过程及其区域生态质量响应规律.结果表明:1987-2016年,研究区土地利用转型变化显著,总变化量呈增加趋势,耕地和建设用地持续增加;在随机新增和减少状态下,未利用地向其他地类转型的倾向性不强,草地向耕地转型具有很强的倾向性;研究区生态质量总体呈下降趋势,生态用地呈缩减态势,净减少2.8％,对于生态环境退化影响最大的土地利用转型类型是草地向耕地和未利用地的转型.为促进区域土地资源的可持续利用以及改善区域生态质量状况,需根据区域水资源状况合理分配区域生产用地和生态用地的比例.

湿地是自然界最富生物多样性的生态景观和人类社会赖以生存和发展的环境之一,对维护生态系统功能和区域生态安全有着重要意义.为阐明不同湿地恢复方式对土壤和植被的影响,以黑河中游地区张掖国家湿地公园为研究对象,比较了自然恢复方式、恢复利用方式和恢复保护方式下植物多样性、植物生长状态、土壤pH、盐分、容重、水分含量、有机碳、全氮、全磷、速效氮、速效磷的变化特征,研究结果表明:在自然恢复方式下,湿地各层土壤全磷、土壤速效磷、土壤速效氮、物种多样性值最高,反映出自然恢复方式可能成为干旱区土壤磷固存的有效手段,适当干扰可能成为干旱区提高物种多样性的有效方法;恢复保护方式下,湿地植物多度最高165.67±25,表明恢复保护方式有助于植被的生长繁殖;恢复利用方式下,湿地各层土壤含水量、土壤有机碳、土壤全氮、植被盖度值最高,土壤盐分含量、土壤pH值最低,湿地物种多样性较高.表明恢复利用方式可以有效降低湿地土壤盐分,提高土壤碳、氮含量的潜力,适当人为管理可能成为干旱区湿地恢复过程中提高湿地物种多样性的有效管理方法.该研究结果对于干旱区湿地恢复、保护与重建的效应评估和恢复方式的选择提供一定的理论支持和决策参考.

绿洲是生态环境极为脆弱的区域.实现绿洲城镇化与生态安全的双赢,是干旱区面临的重大问题.传统城镇空间扩展模拟研究,只是单向考虑了城镇发展趋势,而较少兼顾区域生境质量的约束.利用1992、2000、2008、2015年四期Landsat TM、ETM+、OLI遥感影像数据,以黑河中游地区为例.从城镇空间扩展与生态环境协调发展的角度出发,通过InVEST模型与SLEUTH模型的结合,将生境质量的评估结果融入到城镇扩展模型中,对研究区2015-2030年城镇扩展的土地利用变化格局进行模拟.研究表明:①生境质量整体较低,质量阶序和退化程度分异明显.高、中等级生境质量区域主要分布在黑河干流沿线和绿洲核心区,分别占5.69％、32.77％,生境退化程度高;低等级生境质量区域主要分布在戈壁荒漠区和城镇建设区,占61.54％,生境退化程度低.②生境质量对城镇空间扩展的约束作用显著.相比较无生境质量约束,2030年城镇建设用地面积和占用生态用地面积分别减少了27.08％、63.61％,并且,城镇斑块间连接性较好、集聚程度高,以“填充式”扩展为主.③城镇空间扩展总体体现了生境质量的要求.2030年新增城镇建设用地主要占用中、低等级生境质量区域,分别为34.88％、63.36％.绿洲平原区和山前洪积扇区生境质量约束较强,较2015年仅增长了51.53％、48.31％;绿洲边缘区生境质量约束性低,较2015年增长了110.18％,是未来城镇发展的潜力区.研究结果为绿洲城镇与生态环境协调发展提供科学依据.

科学的灌溉制度是干旱半干旱地区农业生产的重要保障.黑河位于西北干旱区,是我国第二大内陆河,且当地中游农业灌溉和下游生态需水矛盾十分突出.利用DSSAT (Decision Support for Ago-technology Transfer)模型模拟了黑河中游地区玉米、小麦、油菜、马铃薯的生长情况,对比分析了四种作物生育期内需水量变化与当地降水条件、现行灌溉制度之间的差异.通过设置灌溉组合探究了四种作物最适宜的灌溉制度,并计算了优化灌溉制度下的节水潜力.结果 表明:DSSAT模型通过参数校正与验证后,对四种作物生长过程模拟性能较好,产量标准化均方根误差(nRMSE)均低于15.0％,决定系数(R2)均达到0.65以上.缺水量模拟结果表明,四种作物生长季平均水分亏缺介于122.5-367.0 mm.通过调整灌溉制度,可使玉米、小麦、油菜、马铃薯的水分利用效率分别提高54.8％、25.0％、18.3％和51.3％,且产量变幅均低于5.0％,实现了高产节水的目的.在研究区实施最优灌溉制度,中游农业灌区每年可以节省8.1×108 m3的水资源量,用于支持下游生态保护.

生态系统服务的状态与生态是否安全密切相关,生态系统服务的正常发挥是实现生态安全的前提.近年来,中国西北荒漠-绿洲扩张速度加快,改变了生态系统服务的供给与传输,进而影响了区域生态安全.以典型荒漠-绿洲区域黑河中游的张掖市为例,基于压力-状态-响应模型,耦合生态系统服务理论,构建了黑河中游生态安全评价指标体系,评估了2001-2015年黑河中游生态安全演变趋势.研究结果表明黑河中游生态系统面临的资源消耗和环境污染压力越来越大,压力指数有所降低;部分地区出现植被退化、破碎化增加等现象,状态指数略有降低;在实施节水灌溉、产业转移、湿地保护等举措后,响应指数显著增加.总体来看,2001-2015年黑河中游生态安全水平呈现波动增长趋势,生态安全综合指数由0.3748增至0.5888,生态安全等级由"较不安全"达到"临界安全"状态,其中高效节水灌溉面积、生态用水量、地下水开采率等水资源相关要素是影响绿洲生态安全水平的主要因子.基于以上研究,提出了坚持生态保护优先、调整种植和产业结构、发展高效节水灌溉技术、提高公众生态保护意识等提高生态安全水平的相关对策与建议,以期为促进区域生态经济可持续发展提供支撑.

监测干旱、半干旱地区植被覆盖度的动态变化,评估大尺度区域地质背景,尤其是活动构造在植被变化过程中发挥的作用对植被时空格局的认识具有重要意义.黄河流域内蒙古段地处干旱半干旱区,植被多依赖于地下水;且该地区活动构造较发育,是认识植被非地带性特征的理想区域.基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)、归一化植被指数(NDVI)、气象与土地利用数据,对2000—2018年黄河流域内蒙古段植被覆盖度(FVC)的时空变化及稳定性进行分析,在此基础上针对河套段植被条带状特征及其成因进行讨论.结果表明,近20年研究区的FVC总体表现为增加趋势.降雨增加是大黑河流域、浑河流域及十大孔兑区域FVC增加的主要原因,沙漠地区FVC的增加得益于三北防护林工程建设.大黑河与浑河流域水分条件较好,物种多样性丰富,植被覆盖度高,能较好的抵御气候变化;而十大孔兑区域和沙漠地区FVC较低,生态系统脆弱,对气候波动的响应较大.河套灌区受人类活动主导,对气候变化的敏感性较低.河套段山前植被赋存环境为条带状地下水溢出带,在地下水储量增多条件下呈条带状增加趋势;而在山前过渡带,新构造运动及其造成的较大地表高差使得土壤层薄且储水能力较差,表现为FVC的高波动.现今黄河干流沿岸植被受土地利用转变影响整体减少;且在河流摆动、河道变迁扰动下,稳定性较差.河套盆地与鄂尔多斯台地边界处,受隐伏断裂和地震活动影响,地下水易沿带状透水断裂下渗,难以维持浅表水分和稳定的补给条件,使得FVC呈线状显著降低,且稳定性较差.研究从宏观水文地质条件和地表过程的角度,更加深入认识了植被空间分布的非地带性特征,为相似地区的研究提供了较好的科学依据.

为了解黑河流域输水工程的生态水文效应,以额济纳绿洲为例,利用长期监测数据和遥感数据,采用空间分析、趋势分析、回归分析和结构方程模型等方法,识别了生态输水工程实施以来(2000-2020年)额济纳绿洲地下水埋深、地表水体及NDVI时空变化,分析了绿洲水文-生态指标对生态输水量的响应,明晰了绿洲植被恢复驱动因素的结构与强度.结果表明:2000-2020年,狼心山径流量呈显著增加趋势,年均增加2.7×107 m3,额济纳绿洲平均地下水埋深上升了 0.41 m,地表水体面积增加了 130.62 km2;NDVI显著增加,增加区域占42.34％,主要集中在西河中游和东河下游;西河地区NDVI对径流量的响应较东河地区更敏感;当狼心山年径流量＞6×108 m3、平均地下水埋深＜2.8 m时,绿洲植被面积及NDVI维持在较高水平;径流量、地下水埋深及耕地面积等因素对绿洲植被有着不同程度的直接和间接影响;黑河下游径流量保证与地下水稳定是额济纳绿洲恢复与可持续发展的关键.