近20年疏勒河流域生態承載力和生態需水研究

岳東霞,陳冠光,朱敏翔,郭曉娟,周妍妍,李 凱,王 東,郭建軍,曾建軍

1 蘭州大學資源環境學院,蘭州 730000 2 中國科學院西北生態環境資源研究院中國科學院沙漠與沙漠化重點實驗室,蘭州 730000 3 蘭州城市學院,蘭州城市學院地理與環境工程學院, 蘭州 730000

生態系統提供的產品和服務是人類生存、繁衍與發展的物質基礎,生態承載力(Biocapacity)正是這一基礎的具體表現[1- 3]。對于人類而言,生態承載力為自然生態系統能夠提供給人類可用的自然資源和吸納人類產生的廢棄物的能力,其可持續供給是保障區域生態安全和可持續發展的重要基礎和必要條件。生態承載力被認為是生態科學最重要的概念之一,并且通過近年技術層面的相繼革新和多學科交叉的研究發展,生態承載力的理論與方法變得越來越成熟,由以往的生物種群環境容納量和生態承載力的單一限制因素(諸如食物、水和土地)研究,轉變為服務于人類社會發展的現實問題和多因素、多尺度的系統研究[4]。

水是生命之源,是維系生態系統平衡的關鍵環境因子,在保障區域生態承載力的持續供給方面扮演著極其重要的角色,在我國干旱區內陸河流域表現得尤為突出[5]。我國干旱區包括新疆全境、甘肅河西走廊、青海柴達木盆地及內蒙古賀蘭山以西地區,占我國國土面積的24.5%,分布著塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠、柴達木盆地沙漠、庫姆塔格沙漠、騰格里沙漠、巴丹吉林沙漠等。區內氣候干旱、風大沙多、土地貧瘠,是我國生態環境最為嚴酷和脆弱的地區。而區內同時也分布著高大的山系,由此發育了眾多內陸河系,形成了山地“水塔”和沙漠綠洲,也使得我國干旱區有別于世界上其他地帶性干旱區[5]。干旱區內陸河流域由于氣候干旱,降水主要集中于上游山區,因此上游的出山口徑流量基本代表著每條河流或每一流域的總水資源,上游來水流經山前戈壁帶和綠洲帶,最后注入終端湖,形成了上中下游閉合的水循環系統。流域內有水成綠洲,無水成荒漠,植被演替皆取決于生態需水[5]。天然植被在這種干旱環境條件下形成一種主要依靠地下水和降水維持生存和發展的特殊機制。可以說,生態水文過程控制著干旱區內陸河流域基本的生態格局和生態過程,特別是控制著基本的植被分布格局和演替過程[6- 7],而植被在陸地生態系統中起著主導的作用[8],因此,生態水文過程也決定著流域生態承載力的分布格局和演變過程。在干旱區內陸河流域,生態水文過程和生態需水的改變往往是生態系統退化、生態承載力降低的直接驅動力。反之,在流域大尺度上天然植被和人工植被可以在多個層次上影響降水、徑流和蒸發,進而對生態需水量進行重新分配,深刻地影響著流域的生態水文循環過程,且對流域的水土流失和土地荒漠化起到調控作用[9- 12]。此外,景觀格局變化因在較大的時空尺度上深刻改變著地表生態系統的結構和功能,而成為最重要的陸地生態系統變化方式,這種變化對流域生態水文過程的影響也是顯著的[13-14]。可見,在流域大尺度的生態水文過程研究中必須綜合考慮植被與景觀格局變化對生態水文過程的作用機制。由此,我們可以得出這樣一個基本判斷：干旱區內陸河流域生態承載力與生態需水之間客觀存在著相互影響、相互作用的關系,它們的相互作用控制著流域生態格局的過去、現在和未來。

縱觀國內外研究現狀和進展,由于流域生態需水不僅涉及多學科,而且涉及不同國家、區域的水資源管理政策措施,并要充分考慮不同流域獨特的景觀特征、生態承載能力、經濟發展規模、歷史文化背景和人們的認知程度等各個方面和多個發展目標,因此,研究難度很大,目前仍存在很多問題尚未解決,而且隨著環境變遷和社會發展,同一流域已有的研究成果也需要不斷地改進和完善,才能適應人類發展的需要[15- 18]。總之,開展特定流域景觀與生態承載能力下的生態需水研究是當前水資源領域急需開展的研究工作。而對干旱區內陸河流域生態承載力和生態需水的時、空格局演變研究,探討二者之間的作用機制,顯得格外重要。 因此本文針對干旱區內陸河流域大尺度生態水文過程耦合機制和生態水資源調控研究的不足[15],并瞄準我國對干旱區生態安全建設的迫切需求，以疏勒河流域為典型研究區，引入生態承載力這一關鍵生態指標，在流域尺度上開展生態水文過程耦合機制及相關研究，以期為疏勒河流域生態環境保護和水資源合理利用提供科學依據。

1 研究區概況

疏勒河流域地處我國西北干旱區腹地,位于93°22′—98°59′E,38°1′—42°47′N之間,東鄰巴丹吉林沙漠,西接庫姆塔格沙漠,北連馬鬃山脈低山、丘陵、戈壁灘,南為祁連山脈,流域面積約為1.25×105km2,是河西走廊三大內陸河流域和國家7個水權試點流域之一[3,19- 21],流域區位圖見圖1。流域海拔高度在914—5816 m之間,北部地區較低,南部地區較高。屬于大陸性荒漠型氣候,作為典型的內陸河流域,水源補給主要是由冰川融水和山區降水組成。流域土壤有7個土類,31個亞類,63個土屬。疏勒河流域范圍包括酒泉市下轄的敦煌市、玉門市、肅北縣、瓜州縣、阿克塞縣及青海省天峻縣和德令哈的一部分(本文只討論流域內所轄區域)。截止2018年底,流域總人口52.42萬人,農業人口22.14萬人,多年人口自然增長率4.54‰。目前人均水資源占有量為2933.7 m3。截止2014年底,疏勒河全流域生產總值35.128億元,工業增加值165.01億元,人均國內生產總值6.7萬元。同時流域內有享譽國際的敦煌莫高窟、月牙泉、陽關和玉門關遺址等世界文化遺產,是我國生態文明建設實施的重要節點區域,將其建設成為我國西部干旱區生態文明保護屏障,對國家中長期發展規劃具有重要戰略意義[22]。

圖1 疏勒河流域區位圖Fig.1 The location of Shule River Basin

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

根據1995、2000、2005、2010和2015年疏勒河流域5期LandsatTM/ETM+/OLI遙感數據(30 m分辨率),解譯獲得土地利用數據,在Erdas9.2和ArcGIS10.3軟件下,將土地利用類型分為6個一級景觀類型和25個二級景觀類型。

水文氣象數據來源于甘肅省水文局、中國氣象局氣象數據中心和甘肅省氣象局,包括敦煌(1952—2013年)、瓜州(1951—2013年)、玉門(1953—2013年)和酒泉(1951—2013年)氣象站的多年氣象資料。部分降水與蒸發數據來源于甘肅省水利科學研究院和清華大學,根據其收集疏勒河流域56年降水與20 cm常規蒸發皿觀測資料統計分析,得到多年各月降水量與蒸發量[23]；徑流與輸沙數據來源于甘肅省水文水資源局,包括流域內的黨河(1955—2016年)、雙塔堡水庫(1961—2016年)、玉門市(1978—2016年)、黨城灣(1966—2016年)、潘家莊(1959—2016年)和昌馬堡(1956—2016年)的多年徑流資料。植被影響系數參考內陸河流域、河西走廊玉門鎮以及石羊河流域相關試驗成果作為計算依據[24]。單位面積蒸發量,根據植物生長確定疏勒河中游植被潛水埋深變動范圍[3,24-25]。

2.2 研究方法

2.2.1生態承載力模型

生態系統提供的產品和服務是人類生存、繁衍與發展的物質基礎,而生態承載力正是這一基礎的具體表現。本文基于生態足跡法開展生態承載力研究[26- 28]。生態承載力,研究區域內一定時期(通常為一年)所有可用的生物生產性土地和水域面積的總和：

BC=∑Ai×YFi×EQFi

(1)

式中,BC為生態承載力,單位為全球公頃(ghm2)。Ai為面積；YFi為產量因子,即某個國家或地區的某種生物生產性土地的平均生產力與全球同類土地的平均生產力之間的比率；EQFi為均衡因子,即將全球某類生物生產性土地的平均生態生產力除以全球各類生物生產性土地的平均生態生產力[29]。

為了使生態承載力計算的結果盡可能的符合當地實際情況,在計算近20年疏勒河流域生態承載力時,鑒于產量因子和均衡因子計算和獲取的難度,采用了相近年份的甘肅省產量因子和全球均衡因子[3,29,30-32]。

2.2.2天然植被生態需水模型

干旱內陸區主要以天然植被為主,而且天然植被在這種干旱環境條件下形成一種主要依靠地下水和降水維持生存和發展的特殊機制,干旱地區植被的生長主要取決于地下水[24,33]。建立的計算Wv的數學模型：

(2)

式中,Wv為天然植被年生態需水量(m3/a)；K為植被系數；ETij為月的潛水蒸發量(mm)；Ai為生態區(林地、草地等)的面積(m2)。

其中,ETi j可根據阿里維楊諾夫公式計算[34],即：

ETij=a(1-H/Hmax)b·(EΦ20)ij

(3)

式中,(EΦ20)ij為月的常規氣象蒸發皿蒸發值(mm)；H為地下水埋深(m)；Hmax為地下水蒸發極限深度(m)；a、b為經驗系數；i=1,2,…,n；j=1,2,…,12[24]。

計算方法中待定參數包括極限地下水埋深Hmax、系數a,b,文中關于參數的標定是根據甘肅水文二隊、中科院旱寒所、甘肅省水利科學研究院和清華大學在玉門、張掖等地的試驗數據所得。各有關參數確定如下：在干旱區,有植被蓋度的區域以5 m為限,荒漠區(植被覆蓋度<5%)以4.5 m為限,河道湖泊根據土質要求以3.5 m為限[24,35]。如果極限地下水埋深大于這些深度,其潛水蒸發量可近似認為等于零,這也是目前水文地質計算中普遍采用的值[3,24,35-36]。標定公式計算的潛水蒸發量只與地下水埋深相關。根據荒漠區特點,不同土質潛水蒸發公式參數不同,因而參考確定a、b的值[3,24,35-36]。根據干旱區陸面蒸發觀測資料,地表蒸發隨地下水位的變化而變化,當地下水位埋深達到4.0 m時,潛水蒸發量僅為15.9mm/a[3,24,35-36]。另外,根據收集到流域降水與20 cm口徑蒸發皿(E20)觀測資料統計分析得到多年各月降水量與蒸發量,全年平均降水為63.78mm,平均蒸發2704.87mm[3,24]。不同潛水埋深下的植被蒸騰對潛水的影響系數是由參考干旱區內陸河流域相關試驗成果作為計算依據[24,35,37]。

3 結果與分析

3.1 疏勒河流域生態承載力與生態需水時空關系

3.1.1近20年疏勒河流域生態承載力時序變化分析

利用確定的土地利用數據、產量因子、均衡因子,結合式(1)生態承載力模型計算近20年疏勒河流域生態承載力,由表1和圖2可知,疏勒河流域近20年的生態承載力整體呈上升趨勢,且在2000—2005年迅速增長,2005—2015年變化較為平穩；全流域不同土地利用類型的生態承載力差異明顯。其中近20年耕地和林地生態承載力呈下降趨勢,且林地下降趨勢較耕地更為顯著,2005年后兩類生態承載力變化較小；草地和水域生態承載力整體呈現上升趨勢,且近20年上升趨勢明顯,之后變化平穩。城鄉工礦居民用地生態承載力最高,波動幅度較大,整體呈現上升趨勢。

表1 近20年疏勒河流域生態承載力變化/ghm2

圖2 近20年疏勒河流域、縣域生態承載力時序動態圖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態需水時序變化分析

依據實際調查資料確定每種植被類型的地下水埋深范圍和平均埋深,并按公式(2)、(3)計算,結果如下。圖3為不同植被的月潛水蒸發量和不同潛水埋深的天然植被月潛水蒸發總量雷達圖,表2為流域近20年不同植被類型生態最小需水量(單位：108m3),表3為天然植被不同縣域生態需水(單位：108m3)。

圖3 不同植被的月潛水蒸發量和不同潛水埋深的天然植被月潛水蒸發總量雷達圖Fig.3 Radar charts of monthly phreatic evaporation with different vegetation and total quantity of monthly phreatic evaporation with different water table depth

土地利用類型 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 高覆蓋度草地 High coverage grassland0.7748 2.7894 2.7926 2.8117 2.8100 中覆蓋度草地 Moderate coverage grassland0.5885 0.7408 0.7394 0.7418 0.7411 低覆蓋度草地 Low coverage grassland7.5771 7.4914 7.4864 7.5058 7.4973 合計 Total10.1930 12.3711 12.3490 12.3852 12.3788

表3 天然植被不同縣域生態需水量/×108m3

3.2 疏勒河流域生態承載力與生態需水時空關系

3.2.1流域生態承載力與生態需水時序分析

圖4 流域尺度下近20年生態承載力與生態需水時序關系 Fig.4 Temporal relation between biocapacity and ecological water demand based on watershed scale over 20 years

在柵格尺度下,對核算的縣域生態需水、縣域林地生態需水、縣域草地生態需水分別與縣域生態承載力、縣域林地生態承載力、縣域草地生態承載力對應開展統計分析。流域生態承載力與生態需水統計分析發現,近20年來伴隨流域生態承載力的增加,生態需水也呈增加趨勢,呈非常明顯的正相關關系,相關系數達0.6076(圖4),在以縣域為統計單元的縣域尺度下,生態承載力的變化對生態需水變化的解釋能力為22.99%(圖5),說明基于生態承載力這一指標對生態需水開展度量是存在可行性的。與此同時,林地生態承載力的變化對林地生態需水變化的解釋能力更是達到了87.23%(圖6),草地生態承載力的變化對草地生態需水變化的解釋能力也達到了73.09%(圖7),意味著自然植被的生態承載力與生態需水的相關性更密切。

圖5 不同縣域尺度下近20年生態承載力與縣域生態需水時序關系Fig.5 Temporal relation between biocapacity and ecological water demand based on county scale over 20 years

圖6 近20年不同縣域下林地生態承載力與林地生態需水時序關系Fig.6 Temporal relation between biocapacity and ecological water demand of forest land based on county scale over 20 years

圖7 近20年不同縣域下草地生態承載力與草地生態需水時序關系Fig.7 Temporal relation between biocapacity and ecological water demand of grassland based on county scale over 20 years

3.2.2流域生態承載力與生態需水空間分析

根據單位面積生態承載力、天然植被生態需水空間分布數據,利用ArcGIS軟件的熱點分析方法(Getis-Ord Gi*),將有統計顯著性的高值(熱點)和低值(冷點)進行空間聚類。從整體來看,近20年流域單位面積生態承載力與天然植被生態需水的熱點區均主要分布在平原帶(敦煌平原、西湖平原、瓜州平原、鎖陽城平原、玉門平原,甘海子平原、雙塔水庫平原、昌馬灌區平原等)、平原綠洲濕地生態功能區和高海拔南部祁連山區和北部的馬鬃山脈(圖8),冷點區域分布也比較集中,可見該流域生態承載力和生態需水的熱點和冷點區域均呈現相似的空間分布格局,說明生態承載力和生態需水二者之間在空間尺度上也呈正相關關系。

圖8 近20年生態需水和絕對生態承載力熱點空間分布圖Fig.8 Hotspot spatial distribution of ecological water demand and biocapacity over 20 years

進一步分析可知,該流域縣域生態需水量的高值集中出現在生態承載力1×105—5×105ghm2之間,天然植被中林地生態需水量的高值集中出現在生態承載力1.5×105ghm2以下,天然植被中草地生態需水量的高值集中出現在生態承載力2×105ghm2以下,三者的交集出現在1×105—1.5×105ghm2,說明生態承載力在1×105—1.5×105ghm2區間內,流域生態需水量最大,為此可以基本判定這個區間為生態需水的高值區,在今后的城市規劃和控制規劃里,可以以此為依據判定生態需水保護范圍,劃定水資源一、二、三級保護區。

4 結論與討論

針對疏勒河流域水資源匱乏、生態環境功能退化現狀,引入生態承載力和生態需水2個關鍵生態指標,在景觀格局背景下,本文開展了流域生態承載力和生態需水時空動態研究,探討了流域生態承載力與生態需水的時空耦合關系。

疏勒河流域近20年生態承載力呈現上升趨勢,空間異質性高,但空間分布變化較小。近20年流域天然植被生態需水量呈明顯的增加趨勢,近20年共增加2.19×108m3,年均增加0.11×108m3,其中高覆蓋度草地生態需水量增加最多。

基于獲得的近20生態承載力和生態需水數據,深入分析了不同時空尺度的生態承載力與生態需水的相互關系。結果表明,近20年來伴隨流域生態承載力的增加,生態需水也呈增加趨勢,呈非常明顯的正相關關系,相關系數達0.6076。以縣域為統計單元,流域生態需水與生態承載力正相關關系也較高,尤其是林、草地的生態需水與生態承載力正相關關系更高,擬合優度R2分別達0.8519、0.7235,說明林、草地生態承載力的變化對生態需水變化的解釋能力更強,二者之間的關系更為緊密。利用熱點分析,發現流域近20年單位面積生態承載力與天然植被生態需水變化的熱點區域主要分布在平原帶、平原綠洲濕地生態功能區、部分高海拔南部祁連山區和北部的馬鬃山脈,冷點區域分布也比較集中且格局相似,說明該流域生態承載力與生態需水在空間尺度上也呈正相關關系。以上結論說明疏勒河流域景觀格局變化深刻影響著流域生態承載力和生態需水的變化,生態承載力與生態需水呈密切的相互依存、相互影響和趨向一致的時空耦合關系。

甄別疏勒河流域生態承載力和生態需水高(低)值區,可為流域生態需水的空間配置提供重要依據。今后可以考慮給二者的高值區優先和加大配置生態水資源量,以提高流域水資源的利用效率。

在干旱區內陸河流域,植被的生物生產量變化不僅直接決定著生態承載力的改變,而且其變化也直接導致植物耗水過程的變化,進而影響到植物的生態需水,使得流域生態承載力與生態需水在時間和空間尺度上均呈現正相關關系,而它們的相互作用又控制著流域生態格局的變化。基于這一結論,干旱區地方政府可以根據流域生態承載力未來的變化趨勢來優化和調控生態需水量,并建立以生態承載力可持續發展為目標的區域生態水資源優化配置方案,以保障該流域生態環境建設有序開展。

本文引入生態承載力和生態需水兩個指標,初步探究了生態承載力和生態需水的時空耦合關系,下一步在繼續提高生態需水和生態承載力計算的空間分辨率的基礎上,可借鑒諸如貝葉斯理論,進一步深入開展生態承載力和生態需水的關系研究,推動流域“生態需水-態承載力-社會經濟”三者的耦合和可持續發展。