近20年疏勒河流域生态承载力和生态需水研究

第３９卷第１４期２０１９年７月
生态学报
ＡＣＴＡＥＣＯＬＯＧＩＣＡＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．１４Ｊｕｌ．，２０１９
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；㊀㊀修订日期：２０１９⁃０３⁃２１
∗通讯作者Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ．Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｅｎｇｊｊ１５＠ｌｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
ＤＯＩ：１０．５８４６／ｓｔｘｂ２０１８０９１４１９８９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）：５１７８⁃５１８７．
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㊀凯１，王㊀东１，郭建军２，曾建军３，∗
１兰州大学资源环境学院，兰州㊀７３００００
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㊀７３００００３兰州城市学院，兰州城市学院地理与环境工程学院，兰州㊀７３００００
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㊂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㊁ＧＩＳ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㊂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㊁草地的生态需水与生态承载力拟合优度Ｒ２分别达０．８５１９㊁０．７２３５，说明林㊁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㊂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㊂关键词：土地利用；生态承载力；生态需水；疏勒河流域
ＢｉｏｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｉｎＳｈｕｌｅＲｉｖｅｒＢａｓｉｎｏｖｅｒｔｈｅｐａｓｔ２０Ｙｅａｒｓ
ＹＵＥＤｏｎｇｘｉａ１，ＣＨＥＮＧｕａｎｇｕａｎｇ１，ＺＨＵＭｉｎｘｉａｎｇ１，ＧＵＯＸｉａｏｊｕａｎ１，ＺＨＯＵＹａｎｙａｎ１，ＬＩＫａｉ１，ＷＡＮＧＤｏｎｇ１，ＧＵＯ
Ｊｉａｎｊｕｎ２，ＺＥＮＧＪｉａｎｊｕｎ３，∗
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
ｔｈｅｂａｓｉｎａｎｄｔｈｅｆｉｅｌｄｓｕｒｖｅｙｓａｎｄｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｏｆｔｈｅＳＲＢｏｖｅｒｔｈｅｐａｓｔ２０ｙｅａｒｓ．Ｔｈｅｓｐａｔｉａｌ⁃ｔｅｍｐｏｒａｌｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄａｎｄｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙｉｎｔｈｅＳＲＢｗｅｒｅａｌｓｏ
ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｏｖｅｒｔｈｅｐａｓｔ２０ｙｅａｒｓ，ｔｈｅｔｏｔａｌｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅＳＲＢｓｈｏｗｅｄａｎｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｒｅｎｄ．Ｔｈｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｏｆｔｈｅｎａｔｕｒａｌｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｂａｓｉｎａｌｓｏｉｎｃｒｅａｓｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．Ａｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｗａｔｅｒｓｈｅｄｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｏｖｅｒａｌｌｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｈａｄｉｎｃｒｅａｓｅｄｏｖｅｒｔｈｅｐａｓｔ２０ｙｅａｒｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｒｅｗａｓａｌｓｏａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｐｏｓｉｔｉｖｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｗａｔｅｒｓｈｅｄｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｔｈｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄ（０．６０７６）．Ａｔｔｈｅｃｏｕｎｔｙｓｃａｌｅ，ｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄａｎｄｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ
ｐｏｓｉｔｉｖｅ．Ｉｎｐａｒｔｉｃｕｌａｒ，ｔｈｅｐｏｓｉｔｉｖｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄａｎｄｔｈｅｂｉｏｃａｐａｃｉｔｉｅｓｏｆｆｏｒｅｓｔａｎｄｇｒａｓｓｌａｎｄｗｅｒｅｔｈｅｓｔｒｏｎｇｅｓｔ，ａｎｄｔｈｅｇｏｏｄｎｅｓｓｏｆｆｉｔ（Ｒ２）ｒｅａｃｈｅｄ０．８５１９ａｎｄ０．７２３５，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｉｃｈｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅａｂｉｌｉｔｙｔｏｅｘｐｌａｉｎｆｏｒｅｓｔａｎｄｇｒａｓｓｌａｎｄｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｃｈａｎｇｅｓｗａｓｓｔｒｏｎｇｅｒｗｈｅｎｔｈｅｒｅｗｅｒｅｃｈａｎｇｅｓｉｎｔｈｅｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙｏｆｆｏｒｅｓｔａｎｄｇｒａｓｓｌａｎｄａｎｄｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｗｏｗａｓｃｌｏｓｅｒ．Ｂａｓｅｄｏｎｓｐａｔｉａｌｈｏｔｓｐｏｔ
ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅｈｏｔａｎｄｃｏｌｄｒｅｇｉｏｎｓｏｆｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｓｈｏｗｓｉｍｉｌａｒｓｐａｔｉａｌｐａｔｔｅｒｎ，ｗｈｉｃｈｉｎｄｉｃａｔｅｓａｐｏｓｉｔｉｖｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍｏｎｔｈｅｓｐａｔｉａｌｓｃａｌｅ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｉｆｔｈｅｆｕｔｕｒｅｔｒｅｎｄｉｎｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙｉｓｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ，ｔｈｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｃａｎｂｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ，ａｎｄｔｈｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｒｅｓｏｕｒｃｅｓｗｉｌｌｉｍｐｒｏｖｅ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｌａｎｄｕｓｅ；ｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙ；ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄ；ＳｈｕｌｅＲｉｖｅｒＢａｓｉｎ
生态系统提供的产品和服务是人类生存㊁繁衍与发展的物质基础，生态承载力（Ｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙ）正是这一基
础的具体表现［１⁃３］㊂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㊂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㊁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㊁多尺度的系统研究［４］㊂
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
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］㊂我国干旱区包括新疆全境㊁甘肃河西走廊㊁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㊁古尔班通古特沙漠㊁柴达木盆地沙漠㊁库姆塔格沙漠㊁腾格里沙漠㊁巴丹吉林沙漠等㊂区内气候干旱㊁风大沙多㊁土地贫瘠，是我国生态环境最为严酷和脆弱的地区㊂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］㊂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㊂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］㊂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㊂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㊂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㊁生态承载力降低的直接驱动力㊂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㊁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］㊂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］㊂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㊂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㊁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㊁现在和
９
７１５㊀１４期㊀㊀㊀岳东霞㊀等：近２０年疏勒河流域生态承载力和生态需水研究㊀
０８１５㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀３９卷㊀未来㊂
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㊁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㊁生态承载能力㊁经济发展规模㊁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］㊂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㊂而对干旱区内
陆河流域生态承载力和生态需水的时㊁空格局演变研究，探讨二者之间的作用机制，显得格外重要㊂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㊂１㊀研究区概况
疏勒河流域地处我国西北干旱区腹地，位于９３ʎ２２ᶄ ９８ʎ５９ᶄＥ，３８ʎ１ᶄ ４２ʎ４７ᶄＮ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㊁丘陵㊁戈壁滩，南为祁连山脉，流域面积约为１．２５ˑ１０５ｋｍ２，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１㊂流域海拔高度在９１４ ５８１６ｍ之间，北部地区较低，南部地区较高㊂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㊂流域土壤有７个土类，３１个亚类，６３个土属㊂疏勒河流域范围包括酒泉市下辖的敦煌市㊁玉门市㊁肃北县㊁瓜州县㊁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）㊂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４．５４ɢ㊂目前人均水资源占有量为２９３３．７ｍ３㊂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㊂同时流域内有享誉国际的敦煌莫高窟㊁月牙泉㊁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］㊂
２㊀数据来源与研究方法
２．１㊀数据来源与处理
根据１９９５㊁２０００㊁２００５㊁２０１０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㊂
水文气象数据来源于甘肃省水文局㊁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）㊁瓜州（１９５１ ２０１３年）㊁玉门（１９５３ ２０１３年）和酒泉（１９５１ ２０１３年）气象站的多年气象资料㊂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）㊁双塔堡水库（１９６１ ２０１６年）㊁玉门市（１９７８ ２０１６年）㊁党城湾（１９６６ ２０１６年）㊁潘家庄（１９５９ ２０１６年）和昌马堡（１９５６ ２０１６年）的多年径流资料㊂植被影响系数参考内陆河流域㊁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］㊂单位面积蒸发量，根据植物生长确定疏勒河中游植被潜水埋深变动范围［３，２４⁃２５］㊂
２．２㊀研究方法
２．２．１㊀生态承载力模型
生态系统提供的产品和服务是人类生存㊁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㊂本文基于生态足迹法开展生态承载力研究［２６⁃２８］㊂生态承载力，研究区域内一定时期（通常为一年）所有
图１㊀疏勒河流域区位图
Ｆｉｇ．１㊀ＴｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｏｆＳｈｕｌｅＲｉｖｅｒＢａｓｉｎ
可用的生物生产性土地和水域面积的总和：
ＢＣ＝
ðＡｉ
ˑＹＦｉˑＥＱＦｉ
（１）
式中，ＢＣ为生态承载力，单位为全球公顷（ｇｈｍ２）㊂Ａｉ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］㊂
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
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］㊂
２．２．２㊀天然植被生态需水模型
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］㊂建立的计算Ｗｖ的数学模型：
Ｗｖ＝
ð１２
ｊ＝１ðｎ
ｉ＝１
Ｋ㊃ＥＴｉｊ㊃Ａｉ（２）
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㊁草
地等）的面积（ｍ２）㊂
其中，ＥＴｉｊ可根据阿里维杨诺夫公式计算［３４］，即：
ＥＴｉｊ＝ａ１－Ｈ／Ｈｍａｘ()ｂ㊃ＥΦ２０()
ｉｊ
（３）
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）；ａ㊁ｂ为经验系数；ｉ＝１，２， ，ｎ；ｊ＝１，２， ，１２［２４］㊂
计算方法中待定参数包括极限地下水埋深Ｈｍａｘ㊁系数ａ，ｂ，文中关于参数的标定是根据甘肃水文二队㊁中
１
８１５㊀１４期㊀㊀㊀岳东霞㊀等：近２０年疏勒河流域生态承载力和生态需水研究㊀
２８１５㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀３９卷㊀科院旱寒所㊁甘肃省水利科学研究院和清华大学在玉门㊁张掖等地的试验数据所得㊂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］㊂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］㊂标定公式计算的潜水蒸发量只与地下水埋深相关㊂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ａ㊁ｂ的值［３，２４，３５⁃３６］㊂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］㊂另外，根据收集到流域降水与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６３．７８ｍｍ，平均蒸发２７０４．８７ｍｍ［３，２４］㊂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］㊂
３㊀结果与分析
３．１㊀疏勒河流域生态承载力与生态需水时空关系
３．１．１㊀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㊁产量因子㊁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㊂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㊂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㊂
表１㊀近２０年疏勒河流域生态承载力变化／ｇｈｍ２
Ｔａｂｌｅ１㊀ＢｉｏｃａｐａｃｉｔｙｃｈａｎｇｅｏｆＳｈｕｌｅＲｉｖｅｒＢａｓｉｎｏｖｅｒ２０ｙｅａｒｓ
土地利用类型Ｌａｎｄｕｓｅｔｙｐｅ１９９５２０００２００５２０１０２０１５
耕地Ｃｕｌｔｉｖａｔｅｄｌａｎｄ７５４８２２５８７１８０７２５９８８６８３９７９７４９３３３
林地Ｆｏｒｅｓｔｌａｎｄ８２００３６７７１８５０００９４６８２９４７３９７
草地Ｇｒａｓｓｌａｎｄ４１４７７４５４１１０２１１５５９２８１２３１５２６１１０９８６０
水域Ｗａｔｅｒｓ３０４８１５８５９２８８７４２９８４９２７５０６
城乡工矿居民用地
Ｕｒｂａｎａｎｄｒｕｒａｌｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｎｄｍｉｎｉｎｇｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌｌａｎｄ８７４３０９２０５５１０８３３７９８３９５１３７１２４
生态承载力（合计）
２０７１２２０
Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｃａｒｒｙｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ（Ｔｏｔａｌ）１３４２０７７１３０３９１３２０６９１３６２０９０５７８Array
图２㊀近２０年疏勒河流域、县域生态承载力时序动态图
Ｆｉｇ．２㊀ＢｉｏｃａｐａｃｉｔｙｔｅｍｐｏｒａｌｄｙｎａｍｉｃｏｆＳｈｕｌｅＲｉｖｅｒＢａｓｉｎａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｕｎｔｉｅｓｏｖｅｒ２０ｙｅａｒｓ
３．１．２㊀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）㊁（３）计算，结果如下㊂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）㊂
图３㊀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．３㊀
Ｒａｄａｒｃｈａｒｔｓｏｆｍｏｎｔｈｌｙｐｈｒｅａｔｉｃｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｅｇｅｔａｔｉｏｎａｎｄｔｏｔａｌｑｕａｎｔｉｔｙｏｆｍｏｎｔｈｌｙｐｈｒｅａｔｉｃｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｗｉｔｈ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｔｅｒｔａｂｌｅｄｅｐｔｈ
表２㊀流域近２０年不同植被类型生态最小需水量／ˑ１０８ｍ３
Ｔａｂｌｅ２㊀Ｍｉｎｉｍｕｍｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｏｖｅｒ２０ｙｅａｒｓ
土地利用类型Ｌａｎｄｕｓｅｔｙｐｅ１９９５２０００２００５２０１０２０１５有林地Ｆｏｒｅｓｔｌａｎｄ０．０４２７０．０４２２０．０４１９０．０４１９０．０４１０灌木林地Ｓｈｒｕｂｌａｎｄ１．０５２０１．０３６４１．０２８５１．０２３４１．０２６１疏林地Ｓｐａｒｓｅｆｏｒｅｓｔｌａｎｄ０．１２５５０．２４１１０．２２５９０．２２６００．２２８８其他林地Ｏｔｈｅｒｆｏｒｅｓｔｌａｎｄ
０．０３２５０．０２９６０．０３４４０．０３４６０．０３４５高覆盖度草地Ｈｉｇｈｃｏｖｅｒａｇｅｇｒａｓｓｌａｎｄ０．７７４８２．７８９４２．７９２６２．８１１７２．８１００中覆盖度草地Ｍｏｄｅｒａｔｅｃｏｖｅｒａｇｅｇｒａｓｓｌａｎｄ０．５８８５０．７４０８０．７３９４０．７４１８０．７４１１低覆盖度草地Ｌｏｗｃｏｖｅｒａｇｅｇｒａｓｓｌａｎｄ７．５７７１７．４９１４７．４８６４７．５０５８７．４９７３合计Ｔｏｔａｌ
１０．１９３０
１２．３７１１
１２．３４９０
１２．３８５２
１２．３７８８
表３㊀天然植被不同县域生态需水量／ˑ１０８ｍ３
Ｔａｂｌｅ３㊀Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｗｉｔｈｎａｔｕｒａｌｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｕｎｔｉｅｓ
县域Ｃｏｕｎｔｙ１９９５２０００２００５２０１０２０１５肃北２．５０７２２．９６３５２．９６３０２．９６９０２．９６７４属肃北１．７７８５１．７９１０１．７９４２１．７９８７１．８００２瓜州１．２３４４１．１９８１１．１６３０１．１６６９１．１７２２玉门１．１６９７１．３０１３１．２９０１１．３０２４１．２８９６天峻县１．４２５６１．７７０８１．７７１２１．７７１０１．７７２１德令哈０．０７２８０．０７５００．０７４９０．０７６３０．０７６３敦煌０．９５６４０．９０１３０．９２０７０．９１８５０．９２１２阿克塞０．２５０４０．７２９４０．７３８８０．７４０００．７３９９总计Ｔｏｔａｌ
９．３９５１
１０．７３０３
１０．７１５９
１０．７４２８
１０．７３８８
３．２㊀疏勒河流域生态承载力与生态需水时空关系３．２．１㊀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㊁县域林地生态需水㊁县域草地生态需水分别与县域生态承载力㊁
３
８１５㊀１４期㊀㊀㊀岳东霞㊀等：近２０年疏勒河流域生态承载力和生态需水研究㊀
图４㊀流域尺度下近２０年生态承载力与生态需水时序关系㊀Ｆｉｇ．４㊀
Ｔｅｍｐｏｒａｌｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ
ｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｂａｓｅｄｏｎｗａｔｅｒｓｈｅｄｓｃａｌｅｏｖｅｒ２０ｙｅａｒｓ
县域林地生态承载力㊁县域草地生态承载力对应开展统计分析㊂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㊂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
㊂
㊀图５㊀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．５㊀Ｔｅｍｐｏｒａｌｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｂａｓｅｄｏｎｃｏｕｎｔｙｓｃａｌｅｏｖｅｒ２０
ｙｅａｒｓ㊀图６㊀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．６㊀Ｔｅｍｐｏｒａｌｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｏｆｆｏｒｅｓｔｌａｎｄｂａｓｅｄｏｎｃｏｕｎｔｙｓｃａｌｅｏｖｅｒ２０
ｙｅａｒｓ
㊀图７㊀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．７㊀Ｔｅｍｐｏｒａｌｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄｏｆｇｒａｓｓｌａｎｄｂａｓｅｄｏｎｃｏｕｎｔｙｓｃａｌｅｏｖｅｒ２０ｙｅａｒｓ
３．２．２㊀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㊁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㊂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㊁西湖平原㊁瓜州平原㊁锁阳城平原㊁玉门平原，甘海子平原㊁双塔水库平原㊁昌马灌区平原等）㊁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㊂
进一步分析可知，该流域县域生态需水量的高值集
４８１５㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀３９卷㊀
图８㊀近２０年生态需水和绝对生态承载力热点空间分布图
Ｆｉｇ．８㊀Ｈｏｔｓｐｏｔｓｐａｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｗａｔｅｒｄｅｍａｎｄａｎｄｂｉｏｃａｐａｃｉｔｙｏｖｅｒ２０ｙｅａｒｓ５８１５
㊀１４期㊀㊀㊀岳东霞㊀等：近２０年疏勒河流域生态承载力和生态需水研究㊀
６８１５㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀３９卷㊀中出现在生态承载力１ˑ１０５ ５ˑ１０５ｇｈｍ２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１．５ˑ１０５ｇｈｍ２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２ˑ１０５ｇｈｍ２以下，三者的交集出现
在１ˑ１０５ １．５ˑ１０５ｇｈｍ２，说明生态承载力在１ˑ１０５ １．５ˑ１０５ｇｈｍ２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，划定水资源一㊁二㊁三级保护区㊂
４㊀结论与讨论
针对疏勒河流域水资源匮乏㊁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㊂
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㊂近２０年流域天然植被生态需水量呈明显的增加趋势，近２０年共增加２．１９ˑ１０８ｍ３，年均增加０．１１ˑ１０８ｍ３，其中高覆盖度草地生态需水量增加最多㊂
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㊂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０．６０７６㊂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㊁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０．８５１９㊁０．７２３５，说明林㊁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㊂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㊁平原绿洲湿地生态功能区㊁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㊂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㊁相互影响和趋向一致的时空耦合关系㊂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㊂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㊂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㊂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㊂
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㊂
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７
８１５㊀１４期㊀㊀㊀岳东霞㊀等：近２０年疏勒河流域生态承载力和生态需水研究㊀。