近20年疏勒河流域生态承载力和生态需水研究

ＡＣＴＡＥＣＯＬＯＧＩＣＡＳＩＮＩＣＡ

生态学报

Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．１４Ｊｕｌ．，２０１９

ＤＯＩ：１０．５８４６／ｓｔｘｂ２０１８０９１４１９８９５１７８⁃５１８７．

岳东霞，陈冠光，朱敏翔，郭晓娟，周妍妍，李凯，王东，郭建军，曾建军．近２０年疏勒河流域生态承载力和生态需水研究．生态学报，２０１９，３９（１４）：ＹｕｅＤＸ，ＣｈｅｎＧＧ，ＺｈｕＭＸ，ＧｕｏＸＪ，ＺｈｏｕＹＹ，ＬｉＫ，ＷａｎｇＤ，ＧｕｏＪＪ，ＺｅｎｇＪＪ．ＢｉｏｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｉｎＳｈｕｌｅＲｉｖｅｒＢａｓｉｎｏｖｅｒｔｈｅｐａｓｔ２０Ｙｅａｒｓ．ＡｃｔａＥｃｏｌｏｇｉｃａＳｉｎｉｃａ，２０１９，３９（１４）：５１７８⁃５１８７．

近２０年疏勒河流域生态承载力和生态需水研究

岳东霞１，陈冠光１，朱敏翔１，郭晓娟１，周妍妍１，李　凯１，王　东１，郭建军２，曾建军３，∗

１兰州大学资源环境学院，兰州　７３００００

２中国科学院西北生态环境资源研究院中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室，兰州　７３００００３兰州城市学院，兰州城市学院地理与环境工程学院，兰州　７３００００

摘要：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（３０ｍ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。关键词：土地利用；生态承载力；生态需水；疏勒河流域

ＢｉｏｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｉｎＳｈｕｌｅＲｉｖｅｒＢａｓｉｎｏｖｅｒｔｈｅｐａｓｔ２０Ｙｅａｒｓ

Ｊｉａｎｊｕｎ２，ＺＥＮＧＪｉａｎｊｕｎ３，∗

ＹＵＥＤｏｎｇｘｉａ１，ＣＨＥＮＧｕａｎｇｕａｎｇ１，ＺＨＵＭｉｎｘｉａｎｇ１，ＧＵＯＸｉａｏｊｕａｎ１，ＺＨＯＵＹａｎｙａｎ１，ＬＩＫａｉ１，ＷＡＮＧＤｏｎｇ１，ＧＵＯ

１ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥａｒｔｈａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００００，Ｃｈｉｎａ

２ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＤｅｓｅｒｔａｎｄＤｅｓｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｃｏ⁃ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００００，Ｃｈｉｎａ３ＬａｎｚｈｏｕＣｉｔｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＧｅｏｇｒａｐｈｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００００，Ｃｈｉｎａ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗａｔｅｒｉｓａｂａｓｉｃｎａｔｕｒａｌｒｅｓｏｕｒｃｅｔｈａｔａｌｌｌｉｖｉｎｇｃｒｅａｔｕｒｅｓｎｅｅｄｔｏｓｕｒｖｉｖｅａｎｄｃａｎｎｏｔｂｅｒｅｐｌａｃｅｄ．Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｐｌａｙｓａｎｅｘｔｒｅｍｅｌｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇｔｈｅｂａｌａｎｃｅｂｅｗｅｅｎｔｈｅｅｃｏｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｓｕｓｔａｉｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙｏｆｒｉｖｅｒｂａｓｉｎｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙａｒｉｄｉｎｌａｎｄｂａｓｉｎｓ．Ｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙ，ｔｈｅｂａｓｉｎ⁃ａｎｄｃｏｕｎｔｙ⁃ｓｃａｌｅＳｈｕｌｅＲｉｖｅｒＢａｓｉｎＬａｎｄｓａｔＴＭ／ＥＴＭ＋／ＯＬＩｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｄａｔａ（３０ｍｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）ｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｉｎｔｅｒｐｒｅｔｔｈｅＳｈｕｌｅＲｉｖｅｒＢａｓｉｎ（ＳＲＢ）ｌａｎｄｕｓｅｄａｔａｆｏｒｔｈｅｐａｓｔ２０ｙｅａｒｓ．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｗａｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｉｖｅｐｈａｓｅｓｏｆｌａｎｄｕｓｅｄａｔａ，ｍｕｌｔｉ⁃ｙｅａｒｈｙｄｒｏｌｏｇｙａｎｄｗａｔｅｒｒｅｓｏｕｒｃｅｓｂａｓｉｃｄａｔａ，ａｎｄＳＲＢｆｉｅｌｄｓｕｒｖｅｙｓａｎｄｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ，Ｔｈｅｍｕｌｔｉ⁃ｙｅａｒｈｙｄｒｏｌｏｇｙａｎｄｗａｔｅｒｒｅｓｏｕｒｃｅｓｂａｓｉｃｄａｔａｆｏｒ

基金项目：国家自然科学基金项目（４１６７１５１６，４１６６１０１４）；甘肃省国际科技合作专项（１６０４ＷＫＣＡ００２）；兰州大学“中央高校基本科研业务费专项资金”项目（ｌｚｕｊｂｋｙ⁃２０１７⁃ｉｔ９０）

收稿日期：２０１８⁃０９⁃１４；　　修订日期：２０１９⁃０３⁃２１

∗通讯作者Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ．Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｅｎｇｊｊ１５＠ｌｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

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　１４期　　　岳东霞　等：近２０年疏勒河流域生态承载力和生态需水研究　５１７９

ｔｈｅｂａｓｉｎａｎｄｔｈｅｆｉｅｌｄｓｕｒｖｅｙｓａｎｄｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｏｆｔｈｅＳＲＢｏｖｅｒｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｏｖｅｒｔｈｅｐａｓｔ２０ｙｅａｒｓ，ｔｈｅｔｏｔａｌｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅＳＲＢｓｈｏｗｅｄａｎｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｒｅｎｄ．Ｔｈｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｏｆｔｈｅｎａｔｕｒａｌｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｂａｓｉｎａｌｓｏｉｎｃｒｅａｓｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．Ａｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｗａｔｅｒｓｈｅｄｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｏｖｅｒａｌｌｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｈａｄｉｎｃｒｅａｓｅｄｏｖｅｒｔｈｅｐａｓｔ２０ｙｅａｒｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｒｅｗａｓａｌｓｏａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｐｏｓｉｔｉｖｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｗａｔｅｒｓｈｅｄｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｔｈｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｐｏｓｉｔｉｖｅ．Ｉｎｐａｒｔｉｃｕｌａｒ，ｔｈｅｐｏｓｉｔｉｖｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄａｎｄｔｈｅｂｉｏｃａｐａｃｉｔｉｅｓｏｆｆｏｒｅｓｔａｎｄｇｒａｓｓｌａｎｄｗｅｒｅｔｈｅｓｔｒｏｎｇｅｓｔ，ａｎｄｔｈｅｇｏｏｄｎｅｓｓｏｆｆｉｔ（Ｒ２）ｒｅａｃｈｅｄ０．８５１９ａｎｄ０．７２３５，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｉｃｈｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙｏｆｆｏｒｅｓｔａｎｄｇｒａｓｓｌａｎｄａｎｄｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｗｏｗａｓｃｌｏｓｅｒ．Ｂａｓｅｄｏｎｓｐａｔｉａｌｈｏｔｓｐｏｔ

ｔｈｅｐａｓｔ２０ｙｅａｒｓ．Ｔｈｅｓｐａｔｉａｌ⁃ｔｅｍｐｏｒａｌｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄａｎｄｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙｉｎｔｈｅＳＲＢｗｅｒｅａｌｓｏ

（０．６０７６）．Ａｔｔｈｅｃｏｕｎｔｙｓｃａｌｅ，ｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄａｎｄｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ

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础的具体表现［１⁃３］。对于人类而言，生态承载力为自然生态系统能够提供给人类可用的自然资源和吸纳人类产生的废弃物的能力，其可持续供给是保障区域生态安全和可持续发展的重要基础和必要条件。生态承载力被认为是生态科学最重要的概念之一，并且通过近年技术层面的相继革新和多学科交叉的研究发展，生态承载力的理论与方法变得越来越成熟，由以往的生物种群环境容纳量和生态承载力的单一限制因素（诸如食物、水和土地）研究，转变为服务于人类社会发展的现实问题和多因素、多尺度的系统研究［４］。

水是生命之源，是维系生态系统平衡的关键环境因子，在保障区域生态承载力的持续供给方面扮演着极

生态系统提供的产品和服务是人类生存、繁衍与发展的物质基础，生态承载力（Ｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙ）正是这一基

其重要的角色，在我国干旱区内陆河流域表现得尤为突出［５］。我国干旱区包括新疆全境、甘肃河西走廊、青海柴达木盆地及内蒙古贺兰山以西地区，占我国国土面积的２４．５％，分布着塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠、柴达木盆地沙漠、库姆塔格沙漠、腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠等。区内气候干旱、风大沙多、土地贫瘠，是我国生态环境最为严酷和脆弱的地区。而区内同时也分布着高大的山系，由此发育了众多内陆河系，形成了山地“水塔”和沙漠绿洲，也使得我国干旱区有别于世界上其他地带性干旱区［５］。干旱区内陆河流域由于气候干旱，降水主要集中于上游山区，因此上游的出山口径流量基本代表着每条河流或每一流域的总水资源，上游来水流经山前戈壁带和绿洲带，最后注入终端湖，形成了上中下游闭合的水循环系统。流域内有水成绿洲，无水成荒漠，植被演替皆取决于生态需水［５］。天然植被在这种干旱环境条件下形成一种主要依靠地下水和降水维持生存和发展的特殊机制。可以说，生态水文过程控制着干旱区内陆河流域基本的生态格局和生态过

程，特别是控制着基本的植被分布格局和演替过程［６⁃７］，而植被在陆地生态系统中起着主导的作用［８］，因此，生态水文过程也决定着流域生态承载力的分布格局和演变过程。在干旱区内陆河流域，生态水文过程和生态需水的改变往往是生态系统退化、生态承载力降低的直接驱动力。反之，在流域大尺度上天然植被和人工植被可以在多个层次上影响降水、径流和蒸发，进而对生态需水量进行重新分配，深刻地影响着流域的生态水文循环过程，且对流域的水土流失和土地荒漠化起到调控作用［９⁃１２］。此外，景观格局变化因在较大的时空尺度上深刻改变着地表生态系统的结构和功能，而成为最重要的陆地生态系统变化方式，这种变化对流域生态水文过程的影响也是显著的［１３⁃１４］。可见，在流域大尺度的生态水文过程研究中必须综合考虑植被与景观格局变化对生态水文过程的作用机制。由此，我们可以得出这样一个基本判断：干旱区内陆河流域生态承载力与生态需水之间客观存在着相互影响、相互作用的关系，它们的相互作用控制着流域生态格局的过去、现在和

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５１８０　生　态　学　报　　　３９卷　

未来。

纵观国内外研究现状和进展，由于流域生态需水不仅涉及多学科，而且涉及不同国家、区域的水资源管理政策措施，并要充分考虑不同流域独特的景观特征、生态承载能力、经济发展规模、历史文化背景和人们的认知程度等各个方面和多个发展目标，因此，研究难度很大，目前仍存在很多问题尚未解决，而且随着环境变迁和社会发展，同一流域已有的研究成果也需要不断地改进和完善，才能适应人类发展的需要［１５⁃１８］。总之，开展特定流域景观与生态承载能力下的生态需水研究是当前水资源领域急需开展的研究工作。而对干旱区内陆河流域生态承载力和生态需水的时、空格局演变研究，探讨二者之间的作用机制，显得格外重要。因此本文针对干旱区内陆河流域大尺度生态水文过程耦合机制和生态水资源调控研究的不足［１５］，并瞄准我国对干旱区生态安全建设的迫切需求，以疏勒河流域为典型研究区，引入生态承载力这一关键生态指标，在流域尺度上开展生态水文过程耦合机制及相关研究，以期为疏勒河流域生态环境保护和水资源合理利用提供科学依据。１　研究区概况

疏勒河流域地处我国西北干旱区腹地，位于９３°２２′—９８°５９′Ｅ，３８°１′—４２°４７′Ｎ之间，东邻巴丹吉林沙漠，西接库姆塔格沙漠，北连马鬃山脉低山、丘陵、戈壁滩，南为祁连山脉，流域面积约为１．２５×１０５ｋｍ２，是河西走廊三大内陆河流域和国家７个水权试点流域之一［３，１９⁃２１］，流域区位图见图１。流域海拔高度在９１４—５８１６ｍ之间，北部地区较低，南部地区较高。属于大陆性荒漠型气候，作为典型的内陆河流域，水源补给主要是由冰川融水和山区降水组成。流域土壤有７个土类，３１个亚类，６３个土属。疏勒河流域范围包括酒泉市下辖的敦煌市、玉门市、肃北县、瓜州县、阿克塞县及青海省天峻县和德令哈的一部分（本文只讨论流域内所辖区域）。截止２０１８年底，流域总人口５２．４２万人，农业人口２２．１４万人，多年人口自然增长率４．５４‰。目前人均水资源占有量为２９３３．７ｍ３。截止２０１４年底，疏勒河全流域生产总值３５．１２８亿元，工业增加值１６５．０１亿元，人均国内生产总值６．７万元。同时流域内有享誉国际的敦煌莫高窟、月牙泉、阳关和玉门关遗址等世界文化遗产，是我国生态文明建设实施的重要节点区域，将其建设成为我国西部干旱区生态文明保护屏障，对国家中长期发展规划具有重要战略意义［２２］。２　数据来源与研究方法２．１　数据来源与处理

根据１９９５、２０００、２００５、２０１０和２０１５年疏勒河流域５期ＬａｎｄｓａｔＴＭ／ＥＴＭ＋／ＯＬＩ遥感数据（３０ｍ分辨率），解译获得土地利用数据，在Ｅｒｄａｓ９．２和ＡｒｃＧＩＳ１０．３软件下，将土地利用类型分为６个一级景观类型和２５个二级景观类型。

水文气象数据来源于甘肃省水文局、中国气象局气象数据中心和甘肃省气象局，包括敦煌（１９５２—２０１３年）、瓜州（１９５１—２０１３年）、玉门（１９５３—２０１３年）和酒泉（１９５１—２０１３年）气象站的多年气象资料。部分降水与蒸发数据来源于甘肃省水利科学研究院和清华大学，根据其收集疏勒河流域５６年降水与２０ｃｍ常规蒸发皿观测资料统计分析，得到多年各月降水量与蒸发量［２３］；径流与输沙数据来源于甘肃省水文水资源局，包括流域内的党河（１９５５—２０１６年）、双塔堡水库（１９６１—２０１６年）、玉门市（１９７８—２０１６年）、党城湾（１９６６—２０１６年）、潘家庄（１９５９—２０１６年）和昌马堡（１９５６—２０１６年）的多年径流资料。植被影响系数参考内陆河流域、河西走廊玉门镇以及石羊河流域相关试验成果作为计算依据［２４］。单位面积蒸发量，根据植物生长确定疏２．２　研究方法

勒河中游植被潜水埋深变动范围［３，２４⁃２５］。

２．２．１　生态承载力模型

生态系统提供的产品和服务是人类生存、繁衍与发展的物质基础，而生态承载力正是这一基础的具体表现。本文基于生态足迹法开展生态承载力研究［２６⁃２８］。生态承载力，研究区域内一定时期（通常为一年）所有

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　１４期　　　岳东霞　等：近２０年疏勒河流域生态承载力和生态需水研究　５１８１

图１　疏勒河流域区位图

Ｆｉｇ．１　ＴｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｏｆＳｈｕｌｅＲｉｖｅｒＢａｓｉｎ

可用的生物生产性土地和水域面积的总和：

ＢＣ＝

式中，ＢＣ为生态承载力，单位为全球公顷（ｇｈｍ２）。Ａｉ为面积；ＹＦｉ为产量因子，即某个国家或地区的某种生物生产性土地的平均生产力与全球同类土地的平均生产力之间的比率；ＥＱＦｉ为均衡因子，即将全球某类生物生产性土地的平均生态生产力除以全球各类生物生产性土地的平均生态生产力［２９］。

为了使生态承载力计算的结果尽可能的符合当地实际情况，在计算近２０年疏勒河流域生态承载力时，鉴

∑Ａｉ

×ＹＦｉ×ＥＱＦｉ

（１）

２．２．２　天然植被生态需水模型

于产量因子和均衡因子计算和获取的难度，采用了相近年份的甘肃省产量因子和全球均衡因子［３，２９，３０⁃３２］。

干旱内陆区主要以天然植被为主，而且天然植被在这种干旱环境条件下形成一种主要依靠地下水和降水维持生存和发展的特殊机制，干旱地区植被的生长主要取决于地下水［２４，３３］。建立的计算Ｗｖ的数学模型：

Ｗｖ＝

地等）的面积（ｍ２）。

式中，Ｗｖ为天然植被年生态需水量（ｍ３／ａ）；Ｋ为植被系数；ＥＴｉｊ为月的潜水蒸发量（ｍｍ）；Ａｉ为生态区（林地、草

其中，ＥＴｉｊ可根据阿里维杨诺夫公式计算［３４］，即：

∑∑Ｋ·ＥＴｉｊ·Ａｉｊ＝１ｉ＝１

１２

ｎ

（２）

式中，（ＥΦ２０）ｉｊ为月的常规气象蒸发皿蒸发值（ｍｍ）；Ｈ为地下水埋深（ｍ）；Ｈｍａｘ为地下水蒸发极限深度（ｍ）；ａ、ｂ为经验系数；ｉ＝１，２，…，ｎ；ｊ＝１，２，…，１２［２４］。

计算方法中待定参数包括极限地下水埋深Ｈｍａｘ、系数ａ，ｂ，文中关于参数的标定是根据甘肃水文二队、中

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ＥＴｉｊ＝ａ(１－Ｈ／Ｈｍａｘ)ｂ·(ＥΦ２０)

ｉｊ

（３）

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科院旱寒所、甘肃省水利科学研究院和清华大学在玉门、张掖等地的试验数据所得。各有关参数确定如下：在干旱区，有植被盖度的区域以５ｍ为限，荒漠区（植被覆盖度＜５％）以４．５ｍ为限，河道湖泊根据土质要求以３．５ｍ为限［２４，３５］。如果极限地下水埋深大于这些深度，其潜水蒸发量可近似认为等于零，这也是目前水文地质计算中普遍采用的值［３，２４，３５⁃３６］。标定公式计算的潜水蒸发量只与地下水埋深相关。根据荒漠区特点，不同土质潜水蒸发公式参数不同，因而参考确定ａ、ｂ的值［３，２４，３５⁃３６］。根据干旱区陆面蒸发观测资料，地表蒸发随地下水位的变化而变化，当地下水位埋深达到４．０ｍ时，潜水蒸发量仅为１５．９ｍｍ／ａ［３，２４，３５⁃３６］。另外，根据收集到６３．７８ｍｍ，平均蒸发２７０４．８７ｍｍ［３，２４］。不同潜水埋深下的植被蒸腾对潜水的影响系数是由参考干旱区内陆河流域相关试验成果作为计算依据［２４，３５，３７］。３　结果与分析

３．１　疏勒河流域生态承载力与生态需水时空关系３．１．１　近２０年疏勒河流域生态承载力时序变化分析

利用确定的土地利用数据、产量因子、均衡因子，结合式（１）生态承载力模型计算近２０年疏勒河流域生态承载力，由表１和图２可知，疏勒河流域近２０年的生态承载力整体呈上升趋势，且在２０００—２００５年迅速增长，２００５—２０１５年变化较为平稳；全流域不同土地利用类型的生态承载力差异明显。其中近２０年耕地和林地生态承载力呈下降趋势，且林地下降趋势较耕地更为显著，２００５年后两类生态承载力变化较小；草地和水域生态承载力整体呈现上升趋势，且近２０年上升趋势明显，之后变化平稳。城乡工矿居民用地生态承载力最高，波动幅度较大，整体呈现上升趋势。

表１　近２０年疏勒河流域生态承载力变化／ｇｈｍ２

Ｔａｂｌｅ１　ＢｉｏｃａｐａｃｉｔｙｃｈａｎｇｅｏｆＳｈｕｌｅＲｉｖｅｒＢａｓｉｎｏｖｅｒ２０ｙｅａｒｓ

土地利用类型Ｌａｎｄｕｓｅｔｙｐｅ耕地Ｃｕｌｔｉｖａｔｅｄｌａｎｄ林地Ｆｏｒｅｓｔｌａｎｄ草地Ｇｒａｓｓｌａｎｄ水域Ｗａｔｅｒｓ

城乡工矿居民用地

Ｕｒｂａｎａｎｄｒｕｒａｌｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｎｄｍｉｎｉｎｇｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌｌａｎｄ生态承载力（合计）

Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｃａｒｒｙｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ（Ｔｏｔａｌ）

１９９５７５４８２２８２００３４１４７７４３０４８８７４３０１３４２０７７

２０００５８７１８０６７７１８５４１１０２１５８５９９２０５５１３０３９１３

２００５７２５９８８５０００９１１５５９２８２８８７４１０８３３７２０６９１３６

２０１０６８３９７９４６８２９１２３１５２６２９８４９９８３９５２０９０５７８

２０１５７４９３３３４７３９７１１０９８６０２７５０６１３７１２４２０７１２２０

流域降水与２０ｃｍ口径蒸发皿（Ｅ２０）观测资料统计分析得到多年各月降水量与蒸发量，全年平均降水为

图２　近２０年疏勒河流域、县域生态承载力时序动态图

Ｆｉｇ．２　ＢｉｏｃａｐａｃｉｔｙｔｅｍｐｏｒａｌｄｙｎａｍｉｃｏｆＳｈｕｌｅＲｉｖｅｒＢａｓｉｎａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｕｎｔｉｅｓｏｖｅｒ２０ｙｅａｒｓ

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　１４期　　　岳东霞　等：近２０年疏勒河流域生态承载力和生态需水研究　５１８３

３．１．２　疏勒河流域天然植被生态需水时序变化分析

依据实际调查资料确定每种植被类型的地下水埋深范围和平均埋深，并按公式（２）、（３）计算，结果如下。图３为不同植被的月潜水蒸发量和不同潜水埋深的天然植被月潜水蒸发总量雷达图，表２为流域近２０年不同植被类型生态最小需水量（单位：１０８ｍ３），表３为天然植被不同县域生态需水（单位：１０８ｍ３）。

图３　不同植被的月潜水蒸发量和不同潜水埋深的天然植被月潜水蒸发总量雷达图

Ｆｉｇ．３　

Ｒａｄａｒｃｈａｒｔｓｏｆｍｏｎｔｈｌｙｐｈｒｅａｔｉｃｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｅｇｅｔａｔｉｏｎａｎｄｔｏｔａｌｑｕａｎｔｉｔｙｏｆｍｏｎｔｈｌｙｐｈｒｅａｔｉｃｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｗｉｔｈ

ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｔｅｒｔａｂｌｅｄｅｐｔｈ

表２　流域近２０年不同植被类型生态最小需水量／×１０８ｍ３

１９９５０．０４２７１．０５２００．１２５５０．０３２５０．７７４８０．５８８５７．５７７１１０．１９３０

２００００．０４２２１．０３６４０．２４１１０．０２９６２．７８９４０．７４０８７．４９１４１２．３７１１

２００５０．０４１９１．０２８５０．２２５９０．０３４４２．７９２６０．７３９４７．４８６４１２．３４９０

Ｔａｂｌｅ２　Ｍｉｎｉｍｕｍｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｏｖｅｒ２０ｙｅａｒｓ

土地利用类型Ｌａｎｄｕｓｅｔｙｐｅ有林地Ｆｏｒｅｓｔｌａｎｄ灌木林地Ｓｈｒｕｂｌａｎｄ疏林地Ｓｐａｒｓｅｆｏｒｅｓｔｌａｎｄ其他林地Ｏｔｈｅｒｆｏｒｅｓｔｌａｎｄ

高覆盖度草地Ｈｉｇｈｃｏｖｅｒａｇｅｇｒａｓｓｌａｎｄ中覆盖度草地Ｍｏｄｅｒａｔｅｃｏｖｅｒａｇｅｇｒａｓｓｌａｎｄ低覆盖度草地Ｌｏｗｃｏｖｅｒａｇｅｇｒａｓｓｌａｎｄ合计Ｔｏｔａｌ

２０１００．０４１９１．０２３４０．２２６００．０３４６２．８１１７０．７４１８７．５０５８１２．３８５２

２０１５０．０４１０１．０２６１０．２２８８０．０３４５２．８１０００．７４１１７．４９７３１２．３７８８

Ｔａｂｌｅ３　Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｗｉｔｈｎａｔｕｒａｌｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｕｎｔｉｅｓ

县域Ｃｏｕｎｔｙ肃北属肃北瓜州玉门天峻县德令哈敦煌阿克塞总计Ｔｏｔａｌ

１９９５２．５０７２１．７７８５１．２３４４１．１６９７１．４２５６０．０７２８０．９５６４０．２５０４９．３９５１

２０００２．９６３５１．７９１０１．１９８１１．３０１３１．７７０８０．０７５００．９０１３０．７２９４１０．７３０３

２００５２．９６３０１．７９４２１．１６３０１．２９０１１．７７１２０．０７４９０．９２０７０．７３８８１０．７１５９

２０１０２．９６９０１．７９８７１．１６６９１．３０２４１．７７１００．０７６３０．９１８５０．７４００１０．７４２８

２０１５２．９６７４１．８００２１．１７２２１．２８９６１．７７２１０．０７６３０．９２１２０．７３９９１０．７３８８

表３　天然植被不同县域生态需水量／×１０８ｍ３

３．２　疏勒河流域生态承载力与生态需水时空关系３．２．１　流域生态承载力与生态需水时序分析

在栅格尺度下，对核算的县域生态需水、县域林地生态需水、县域草地生态需水分别与县域生态承载力、

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５１８４　生　态　学　报　　　３９卷　

县域林地生态承载力、县域草地生态承载力对应开展统计分析。流域生态承载力与生态需水统计分析发现，近２０年来伴随流域生态承载力的增加，生态需水也呈增加趋势，呈非常明显的正相关关系，相关系数达０．６０７６（图４），在以县域为统计单元的县域尺度下，生态承载力的变化对生态需水变化的解释能力为２２．９９％（图５），说明基于生态承载力这一指标对生态需水开展度量是存在可行性的。与此同时，林地生态承载力的变化对林地生态需水变化的解释能力更是达到了８７．２３％（图６），草地生态承载力的变化对草地生态需水变化的解释能力也达到了７３．０９％（图７），意味着自然植被的生态承载力与生态需水的相关性更密切。

图４　流域尺度下近２０年生态承载力与生态需水时序关系　Ｆｉｇ．４　

Ｔｅｍｐｏｒａｌｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ

ｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｂａｓｅｄｏｎｗａｔｅｒｓｈｅｄｓｃａｌｅｏｖｅｒ２０ｙｅａｒｓ

　图５　不同县域尺度下近２０年生态承载力与县域生态需水时序关系

Ｆｉｇ．５　Ｔｅｍｐｏｒａｌｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｂａｓｅｄｏｎｃｏｕｎｔｙｓｃａｌｅｏｖｅｒ２０ｙｅａｒｓ　图６　近２０年不同县域下林地生态承载力与林地生态需水时序关系

Ｆｉｇ．６　Ｔｅｍｐｏｒａｌｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｏｆｆｏｒｅｓｔｌａｎｄｂａｓｅｄｏｎｃｏｕｎｔｙｓｃａｌｅｏｖｅｒ２０ｙｅａｒｓ

３．２．２　流域生态承载力与生态需水空间分析

根据单位面积生态承载力、天然植被生态需水空间分布数据，利用ＡｒｃＧＩＳ软件的热点分析方法（Ｇｅｔｉｓ⁃ＯｒｄＧｉ∗），将有统计显著性的高值（热点）和低值（冷点）进行空间聚类。从整体来看，近２０年流域单位面积生态承载力与天然植被生态需水的热点区均主要分布在平原带（敦煌平原、西湖平原、瓜州平原、锁阳城平原、玉门平原，甘海子平原、双塔水库平原、昌马灌区平原等）、平原绿洲湿地生态功能区和高海拔南部祁连山区和北部的马鬃山脉（图８），冷点区域分布也比较集中，可见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分布格局，说明生态承载力和生态需水二者之间在空间尺度上也呈正相关关系。

进一步分析可知，该流域县域生态需水量的高值集

　图７　近２０年不同县域下草地生态承载力与草地生态需水时序关系

Ｆｉｇ．７　Ｔｅｍｐｏｒａｌｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｏｆｇｒａｓｓｌａｎｄｂａｓｅｄｏｎｃｏｕｎｔｙｓｃａｌｅｏｖｅｒ２０ｙｅａｒｓ

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　１４期　　　岳东霞　等：近２０年疏勒河流域生态承载力和生态需水研究　５１８５

图８　近２０年生态需水和绝对生态承载力热点空间分布图

Ｆｉｇ．８　Ｈｏｔｓｐｏｔｓｐａｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄａｎｄｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙｏｖｅｒ２０ｙｅａｒｓ

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５１８６　生　态　学　报　　　３９卷　

中出现在生态承载力１×１０５—５×１０５ｇｈｍ２之间，天然植被中林地生态需水量的高值集中出现在生态承载力１．５

在１×１０５—１．５×１０５ｇｈｍ２，说明生态承载力在１×１０５—１．５×１０５ｇｈｍ２区间内，流域生态需水量最大，为此可以基本判定这个区间为生态需水的高值区，在今后的城市规划和控制规划里，可以以此为依据判定生态需水保护范围，划定水资源一、二、三级保护区。４　结论与讨论

针对疏勒河流域水资源匮乏、生态环境功能退化现状，引入生态承载力和生态需水２个关键生态指标，在景观格局背景下，本文开展了流域生态承载力和生态需水时空动态研究，探讨了流域生态承载力与生态需水的时空耦合关系。

植被生态需水量呈明显的增加趋势，近２０年共增加２．１９×１０８ｍ３，年均增加０．１１×１０８ｍ３，其中高覆盖度草地生态需水量增加最多。

基于获得的近２０生态承载力和生态需水数据，深入分析了不同时空尺度的生态承载力与生态需水的相互关系。结果表明，近２０年来伴随流域生态承载力的增加，生态需水也呈增加趋势，呈非常明显的正相关关系，相关系数达０．６０７６。以县域为统计单元，流域生态需水与生态承载力正相关关系也较高，尤其是林、草地的生态需水与生态承载力正相关关系更高，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。利用热点分析，发现流域近２０年单位面积生态承载力与天然植被生态需水变化的热点区域主要分布在平原带、平原绿洲湿地生态功能区、部分高海拔南部祁连山区和北部的马鬃山脉，冷点区域分布也比较集中且格局相似，说明该流域生态承载力与生态需水在空间尺度上也呈正相关关系。以上结论说明疏勒河流域景观格局变化深刻影响着流域生态承载力和生态需水的变化，生态承载力与生态需水呈密切的相互依存、相互影响和趋向一致的时空耦合关系。

甄别疏勒河流域生态承载力和生态需水高（低）值区，可为流域生态需水的空间配置提供重要依据。今后可以考虑给二者的高值区优先和加大配置生态水资源量，以提高流域水资源的利用效率。

在干旱区内陆河流域，植被的生物生产量变化不仅直接决定着生态承载力的改变，而且其变化也直接导致植物耗水过程的变化，进而影响到植物的生态需水，使得流域生态承载力与生态需水在时间和空间尺度上均呈现正相关关系，而它们的相互作用又控制着流域生态格局的变化。基于这一结论，干旱区地方政府可以根据流域生态承载力未来的变化趋势来优化和调控生态需水量，并建立以生态承载力可持续发展为目标的区域生态水资源优化配置方案，以保障该流域生态环境建设有序开展。

本文引入生态承载力和生态需水两个指标，初步探究了生态承载力和生态需水的时空耦合关系，下一步在继续提高生态需水和生态承载力计算的空间分辨率的基础上，可借鉴诸如贝叶斯理论，进一步深入开展生态承载力和生态需水的关系研究，推动流域“生态需水⁃态承载力⁃社会经济”三者的耦合和可持续发展。

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×１０５ｇｈｍ２以下，天然植被中草地生态需水量的高值集中出现在生态承载力２×１０５ｇｈｍ２以下，三者的交集出现

疏勒河流域近２０年生态承载力呈现上升趋势，空间异质性高，但空间分布变化较小。近２０年流域天然

［４］　ＫｉｔｚｅｓＪ，ＧａｌｌｉＡ，ＢａｇｌｉａｎｉＭ，ＢａｒｒｅｔｔＪ，ＤｉｇｅＧ，ＥｄｅＳ，ＥｒｂＫ，ＧｉｌｊｕｍＳ，ＨａｂｅｒｌＨ，ＨａｉｌｓＣ，Ｊｏｌｉａ⁃ＦｅｒｒｉｅｒＬ，ＪｕｎｇｗｉｒｔｈＳ，ＬｅｎｚｅｎＭ，Ｌｅｗｉｓ

Ｋ，ＬｏｈＪ，ＭａｒｃｈｅｔｔｉｎｉＮ，ＭｅｓｓｉｎｇｅｒＨ，ＭｉｌｎｅＫ，ＭｏｌｅｓＲ，ＭｏｎｆｒｅｄａＣ，ＭｏｒａｎＤ，ＮａｋａｎｏＫ，ＰｙｈäｌäＡ，ＲｅｅｓＷ，ＳｉｍｍｏｎｓＣ，ＷａｃｋｅｒｎａｇｅｌＭ，ＷａｄａＹ，ＷａｌｓｈＣ，ＷｉｅｄｍａｎｎＴ．Ａｒｅｓｅａｒｃｈａｇｅｎｄａｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｎａｔｉｏｎａｌｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｆｏｏｔｐｒｉｎｔａｃｃｏｕｎｔｓ．ＥｃｏｌｏｇｉｃａｌＥｃｏｎｏｍｉｃｓ，２００９，６８（７）：

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　１４期　　　岳东霞　等：近２０年疏勒河流域生态承载力和生态需水研究　５１８７

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