近20年疏勒河流域生态承载力和生态需水研究

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

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 730000 3 兰州城市学院,兰州城市学院地理与环境工程学院, 兰州 730000

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—5816 m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2933.7 m3。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]。

图1 疏勒河流域区位图Fig.1 The location of Shule River Basin

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(30 m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20 cm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勒河中游植被潜水埋深变动范围[3,24-25]。

2.2 研究方法

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)所有可用的生物生产性土地和水域面积的总和：

BC=∑Ai×YFi×EQFi

(1)

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]。

2.2.2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]。建立的计算Wv的数学模型：

(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、草地等)的面积(m2)。

其中,ETi j可根据阿里维杨诺夫公式计算[34],即：

ETij=a(1-H/Hmax)b·(EΦ20)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)；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5 m为限,荒漠区(植被覆盖度<5%)以4.5 m为限,河道湖泊根据土质要求以3.5 m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4.0 m时,潜水蒸发量仅为15.9mm/a[3,24,35-36]。另外,根据收集到流域降水与20 cm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]。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

图2 近20年疏勒河流域、县域生态承载力时序动态图Fig.2 Biocapacity temporal dynamic of Shule River Basin and different counties over 20 years

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 Radar charts of monthly phreatic evaporation with different vegetation and total quantity of monthly phreatic evaporation with different water table depth

土地利用类型 Land use type19952000200520102015有林地 Forestland0.0427 0.0422 0.0419 0.0419 0.0410 灌木林地 Shrubland1.0520 1.0364 1.0285 1.0234 1.0261 疏林地 Sparse forestland0.1255 0.2411 0.2259 0.2260 0.2288 其他林地 Other forestland0.0325 0.0296 0.0344 0.0346 0.0345 高覆盖度草地 High coverage grassland0.7748 2.7894 2.7926 2.8117 2.8100 中覆盖度草地 Moderate coverage grassland0.5885 0.7408 0.7394 0.7418 0.7411 低覆盖度草地 Low coverage grassland7.5771 7.4914 7.4864 7.5058 7.4973 合计 Total10.1930 12.3711 12.3490 12.3852 12.3788

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

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 Temporal relation between biocapacity and ecological water demand based on watershed scale over 20 years

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、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 Temporal relation between biocapacity and ecological water demand based on county scale over 20 years

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 Temporal relation between biocapacity and ecological water demand of forest land based on county scale over 20 years

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 Temporal relation between biocapacity and ecological water demand of grassland based on county scale over 20 years

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-Ord Gi*),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。

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 Hotspot spatial distribution of ecological water demand and biocapacity over 20 years

进一步分析可知,该流域县域生态需水量的高值集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1.5×105ghm2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。

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。