塔里木河流域水储量变化及绿洲生态安全评估

绿洲是干旱、半干旱地区最具生态敏感性和独特性的景观类型,是维系人类生存和社会经济发展的重要区域。然而,在气候变化与人类活动双重影响下,干旱区水资源及其绿洲生境正发生剧烈变化。基于2000—2020年MODIS、GRACE卫星数据、土地利用数据和气象观测资料,通过计算植被覆盖度,估算植被初级生产力(NPP)和遥感生态指数(RSEI),系统分析了过去20 a塔里木河(简称塔河)流域陆地水储量和绿洲的动态变化并完成了绿洲区生态安全评估。结果表明:(1)2002—2020年塔河流域陆地水储量以0.27 mm·月-1的速率减少,空间上塔河流域陆地水储量在北部和西部区域显著减少,而在南部区域显著增加。(2)2000—2020年塔河流域绿洲面积显著增加,面积增加6.49%(0.42×10^(4)km^(2))。塔河流域整体生态环境呈转好趋势,生态等级由较差级别转为中等级别,生态改善区占总流域面积的69%,而生态退化区面积不足5%。塔河流域归一化植被指数(NDVI)由2000年的0.13增至2020年的0.16,近20 a植被覆盖度增加36.79%,NPP增加31.55%。(3)气温升高和降水增多的同时伴随下游河川径流增加,这进一步加剧了塔河流域陆地水资源储量的时空差异性,但人类活动仍是绿洲显著扩张最根本的原因。

放牧对新疆草地生态系统碳源/汇的影响模拟研究

正确评估新疆草地生态系统碳源/汇效应,对区域尺度碳循环研究具有重要意义。放牧是新疆草地生态系统中主要的人类活动,但放牧对草地碳平衡与碳动态的影响还具有很大的不确定性。利用生态系统放牧模型Biome-BGC grazing,通过情景模拟综合评价新疆草地生态系统碳源/汇的动态。结果表明:1)1979—2007年新疆草地生态系统的碳源总量为0.38Pg C,其中由放牧导致的碳释放为0.37Pg C;2)当平均放牧率小于0.24头标准羊/hm^2时,放牧能够促进草地碳固定。研究实现了BiomeBGC grazing模型在区域尺度的应用,研究结果将有助于理解气候变化及放牧对干旱区草地生态系统碳动态变化的驱动机理,对探明干旱区草原生态系统的源/汇特征具有重要意义。

塔里木盆地南缘绿洲-沙漠过渡带8种植物C、N、P生态化学计量特征的季节变化

研究荒漠生态系统中乔木、灌木和草本叶片生态化学计量特征及其随季节变化的规律,旨在阐明不同生活型植物生长发育过程中生态化学计量特征动态平衡及其差异,为荒漠生态系统的保护与管理提供理论依据。选择塔里木盆地南缘绿洲-沙漠过渡带内不同生活型8种植物,在生长季的4—9月连续进行叶片采集,分析叶片C、N、P含量及其计量比在整个生长季的变化。结果表明:(1)整体上,8种植物叶片C含量的季节变化不大,N、P含量在生长初期最高,之后逐步下降,体现了明显的稀释作用,而植物叶片的C∶N、C∶P和N∶P在整个生长季内的变化规律不一致;(2)综合分析8种植物叶片C、N、P含量及其计量比值在整个生长季节内的变异,变异系数由大到小排序为:P(32.39%)>C∶P(25.67%)>N(20.96%)>N∶P(20.42%)>C∶N(19.83%)>C(6.49%);(3)植物叶片C含量的变异主要受物种和生活型的影响,N、P含量及C∶N、C∶P的变异受物种和生长季的影响最大,而N∶P的变异受到生长季与物种的交互影响大于生长季的影响;(4)8种植物叶片N、P含量间存在极显著的正相关关系(P<0.001);P含量则与N∶P间呈现显著负相关(P<0.001),而N含量与N∶P间无显著相关性(P>0.05)。绿洲-沙漠过渡带8种植物叶片碳、氮、磷含量及其化学计量比在生长季因物种而不同,它们在生长季内的变异系数在物种间也存在差异,植物生长更容易受到N元素的限制。

基于地理探测器的艾比湖流域生态脆弱性评价及驱动力分析

对艾比湖流域生态脆弱性进行评价,并对其驱动力进行定量分析,为区域生态环境保护与建设、生态资源合理开发利用提供理论支撑。从自然因素和人类因素2个方面选择高程、坡度、坡向、植被覆盖度、年降水、地表温度、河网密度、土壤类型、土地利用类型、人均GDP及人口密度等11个指标,构建艾比湖流域生态脆弱性评价体系,利用主观权重与客观权重相结合的方法确定指标权重,选取2000、2010及2020年3个时间点进行流域生态脆弱性(EVI)研究和驱动力分析。结果表明:近20年来艾比湖流域生态脆弱性以中度脆弱与轻度脆弱为主,占总面积的85.53%,整体上生态脆弱性有所改善。地理探测器分析表明,生态环境的空间分布特征是多种影响因子共同交互作用的结果,植被覆盖度和土地利用类型是影响区域生态脆弱性状况的主要因子。2000年、2010年和2020年生态脆弱性具体解释力的值分别为0.592、0.721和0.711。

新疆孔雀河流域生态基流与天然植被需水量研究

研究和确定流域生态基流及天然植被需水量是为了遏制因河道断流或流量减少而造成的生态环境退化,以确保流域生态系统健康发展。根据孔雀河流域植被类型分布及多年径流状况,将河道分为A、B两部分,A段为孔雀河上游塔什店至第三分水枢纽常年未断流河道;B段为第三分水枢纽以下天然植被主要分布区。基于塔什店水文站近50 a水文数据,结合Tennant法等4种方法对A段河道生态基流进行估算;选择潜水蒸发法、定额法对B段距河道1 km辐射范围内的天然植被需水量进行计算。结果表明:Tennant法估算的年均生态基流为9.13 m^(3)·s^(-1),对应基本生态水量为2.88×10^(8) m^(3)·a^(-1),满足A段河道2000—2018年多年平均河损,且近10 a(2009—2018年)塔什店实测年均流量均可满足此生态基流标准;B段河道辐射范围内天然植被总面积为4.66×10^(4) hm^(2),生态需水量为0.95×10^(8) m^(3)·a^(-1),以孔雀河生态输水工程为例科学调控水资源,在满足A段基本生态基流的同时兼顾B段天然植被需水量。研究结果对实现孔雀河河道修复和不同水平年下生态供水具有一定的意义。

新疆孔雀河流域生态退化问题与保护恢复研究

保护孔雀河流域荒漠河岸林对阻挡库木塔格沙漠与塔克拉玛干沙漠合拢、维系塔里木河下游"绿色走廊"具有重要意义。本文对孔雀河流域生态问题进行了诊断分析,提出孔雀河流域的水资源过度开发已经超出了环境的承载能力,耕地面积的不断扩大和农业用水量的不断增加,强烈挤占了生态用水。产生这些问题与流域生态水权管理体制缺失,监管体系不健全有关。针对此,提出要改变以往完全依赖扩大种植面积实现经济增长的发展模式,控制流域灌溉面积;实现地表水、地下水两水统管;以水定地,积极推广节水技术;实施差别水价,建立生产用水的市场调节机制;加快孔雀河沿岸胡杨林区的"退耕、封井、还水"行动,构建孔雀河流域生态管护与合作机制,明晰孔雀河流域胡杨林生态管护的权责。

科技支撑新疆塔里木河流域生态修复及可持续管理

塔里木河流域地处我国西北新疆,面积约102×10~4km^2,是我国丝绸之路经济带建设的核心区。在过去50 a里,塔里木河流域经历了大规模的水土资源开发,经济社会发展的同时,河道断流,湖泊干涸,沙漠化加剧,生物多样性受损,生态隐忧日益加剧,已威胁塔里木河流域绿洲经济发展和社会稳定,严重影响国家"丝绸之路经济带"建设。荒漠与绿洲生态国家重点实验室针对塔里木河流域的生态环境问题,开展了长期的生态监测与科学研究,基于多年监测调查数据,解析了塔里木河荒漠河岸林植被与地下水的关系,揭示了生态系统退化过程和机理,提出了塔里木河下游合理/胁迫/临界地下水位与流域生态需水量,研发提出的退化生态系统修复重建关键技术得到推广应用;提出的重点生态工程建设方案,被纳入《南疆水利规划》;提出的流域水资源管理建议被国家采纳并实施。科技支撑塔里木河流域生态修复及可持续管理,为丝绸之路经济带生态文明建设提供了重要科学依据和示范样板。

新疆绿洲覆膜滴灌棉田碳通量特征研究

基于涡度相关技术,对新疆典型绿洲棉田进行了连续4年的碳通量观测,并探讨覆膜滴灌棉田生育期内碳通量的构成和特征。结果表明:生长盛期(6—9月),棉田的总初级生产力(GPP)和净生态系统碳交换(NEE)日变化明显,峰值约出现在14:00。生态系统呼吸(Res)日变化稳定,与膜下土壤温度日变化稳定有关。日间GPP随太阳净辐射(Rnet)增加而增大,可用直角双曲线方程描述;且最大光合速率的峰值出现在7月。各碳通量的季节变化不同:GPP和NEE与LAI的季节变化一致,峰值出现在7月;而Res的峰值出现在6月。月累积GPP在6—9月间主要分配给NEE;而其余月份则分配给Res。整个生育期内(5—10月),总GPP平均为816.2 g C/m2,其中NEE占58.6%,这表明生育期内覆膜滴灌棉田表现为碳汇。

基于层次分析法的干旱内陆河流域生态环境需水评价——以新疆台兰河流域为例

干旱内陆河流域生态环境需水综合评价是一个多层次,多目标的综合决策问题,同时是干旱区水资源合理配置与管理,生态环境保护与建设中最为关键的科学问题之一。根据台兰河流域的实际情况和环境问题,构建评价干旱内陆河流域生态环境需水状况的指标体系;该指标体系由3个层次38个评估因子组成;通过分级量化指标,用层次分析法对指标进行权重分析,提出了内陆河流域生态环境需水状况评判标准和具体的评价方法。结果显示,水资源因素对台兰河流域生态环境需水的影响最大,生态环境因素和经济社会因素次之,影响最小的是自然因素。水资源因素、生态环境因素、经济社会因素和自然因素之间相互关联,共同作用导致流域生态环境需水综合状况。评价结果与实际情况基本相符,证明层次分析方法在评价干旱内陆河流域生态环境需水状况中具有一定的应用价值。

干旱内陆河流域平原区生态环境需水分析——以新疆自治区台兰河流域为例

从干旱区台兰河流域存在的环境问题出发,在确定流域平原区生态环境需水类型的基础上,构建了台兰河流域平原区生态环境需水定量模型,估算了流域平原区生态环境的规模。计算结果表明,台兰河平原区最大生态环境需水量为4.146×108m3,最小生态环境需水量为2.372×108m3,最适生态环境需水量为2.983×108m3,分别占台兰河平原区水资源总量(8.121×108m3)的51.05%,29.21%和36.73%。在不考虑河流输沙需水量的情况下,台兰河河流生态环境需水量平均为1.440×108m3。在考虑输沙需水量的情况下,河流生态环境需水量平均为2.604×108m3。明确了在确定流域生态环境需水量时,必须考虑研究区环境状况和生态保护目标,从而在不同区域和用水部门间进行调配,并针对流域不同的生态系统状况和对应生态系统类型确定了面向生态的水资源合理配置方案。

基于NDVI的新疆荒漠地区植被覆盖度遥感估算经验模型研究

新疆荒漠地区植被覆盖度遥感估算模型十分缺乏,给荒漠化监测等相关工作带来很大不便,开展植被覆盖度遥感估算经验模型研究,对于促进和完善相关地区的生态监测及研究工作具有积极的现实意义。通过对阜康市北部沙漠南缘和克拉玛依市中部平原荒漠进行无人机航拍,利用无人机遥感提取(光合)植被信息,并将无人机航拍影像的植被覆盖度统计单元与高分辨率卫星影像像元在空间上直接相对应,获取在高分辨率卫星影像像元尺度上的植被盖度,然后通过植被覆盖度和空间上与其相对应的源自高分辨率卫星影像的NDVI数据的拟合关系,建立基于源自高分二号影像的NDVI的阜康北部沙漠植被覆盖度遥感估算线性模型以及基于源自ZY1-02C影像的NDVI的克拉玛依平原荒漠植被覆盖度遥感估算二次多项式模型。研究中所采用的无人机遥感与卫星遥感相结合、植被覆盖度统计单元与卫星像元在空间上直接对应的方法,可避免以往相关工作中常以点位测量数据代表卫星像元数据所带来的不确定性。由于所用卫星影像的NDVI数据稳定性相对不足等原因,所建立的遥感估算模型的估算精度尚相对偏低,有待于今后进一步的工作加以改进。

不同情景下干旱区尾闾湖泊生态水位与需水研究——以黑河下游东居延海为例

水位作为湖泊重要的水文要素之一,在反映湖泊水量变化,指示湖泊湿地生态环境状况等方面都有重要的生态意义。选取黑河下游尾闾湖东居延海为研究区域,采用湖泊形态学法对湖泊最小生态水面和最低生态水位进行了研究。依据水量平衡原理,结合已有研究对不同情景下的生态需水量进行了估算。最后结合黑河输水河道耗水规律,提出不同情景(水文频率)下各水文断面需下泄水量。研究结果对于干旱区流域湖泊湿地的保护和水资源的合理利用都有重要意义,同时也为黑河流域生态输水工程的实施提供现实的科学依据。

博斯腾湖小湖区湿地生态需水量阈值研究

湿地生态需水量阈值是其生态系统发生质变的临界条件,一旦某阈值被超越,系统的某些物质平衡关系、功能、健康就会受到影响,而月尺度的湿地生态需水量阈值研究有助于水资源优化配置。针对博斯腾湖小湖区芦苇沼泽镶嵌交错明水塘道的景观结构,结合遥感数据同步获取大范围数据的优势,利用长时间序列的水面面积频率分析,确定月尺度最小、中等和理想状态的小湖区湿地明水区面积;采用蒸发皿观测值计算法,核算小湖区湿地的月尺度最小、中等和理想生态耗水量。结果表明:小湖区湿地全年月平均最小、中等和理想的生态水面面积为14.47 km^(2)、21.56 km^(2)、26.75 km^(2);小湖区湿地生长季3—9月最小生态需水量为0.22×10^(8)m^(3)、0.35×10^(8)m^(3)、0.44×10^(8)m^(3)、0.51×10^(8)m^(3)、0.39×10^(8)m^(3)、0.41×10^(8)m^(3)、0.28×10^(8)m^(3),其中6月最大,3月最小,小湖区湿地年最小生态需水量约为3.02×10^(8)m^(3);如若同时满足小湖区湿地生态目标芦苇生长所需动态水位,3—9月最小生态需水量为0.40×10^(8)m^(3)、0.52×10^(8)m^(3)、0.79×10^(8)m^(3)、0.86×10^(8)m^(3)、2.31×10^(8)m^(3)、0.41×10^(8)m^(3)、0.28×10^(8)m^(3),其中7月最大,9月最小,小湖区湿地年最小生态需水量约为5.99×10^(8)m^(3)。本研究计算结果可用于小湖区湿地年、月尺度来水分配及出水调控,有利于提高区域水资源利用效率,确保小湖生态可持续发展。

基于保证生态需水的生态补偿标准研究——以塔里木河干流为例

探讨新疆塔里木河干流保证生态需水限制种植业发展应付出的生态补偿标准问题。根据经济学弹性原理,筛选与种植业相关经济指标作为单项、综合机会成本,预测种植业发展受限下机会成本因子的受限值。最后,通过生态补偿标准大于地方政府、农户的机会成本原理构建生态补偿标准模型。若要限制种植业发展,种植业发展的单项、综合机会成本为566 535万元、2 855 746万元;生态补偿标准每年不低于1 756 779万元。解决农业用水与生态用水的矛盾,还应从构建以农户为单位的水资源产权和交易制度,建立综合的水资源管理体制,农业发展向低耗水的生态农业转变等方面探索。

新疆生产建设兵团2001—2015年生态足迹及其驱动力因子分析

基于生态足迹模型对新疆生产建设兵团2001—2015年生态足迹进行计算,并运用偏最小二乘回归以及Pearson相关分析两种方法分析生态足迹的经济社会驱动力因子。结果显示:2001—2015年,兵团人均生态足迹从2.765 hm^2·cap^(-1)增加到14.329 hm^2·cap^(-1),人均生态承载力保持较低稳定状态,人均生态赤字从0.355 hm^2·cap^(-1)增加到11.670 hm^2·cap^(-1)。表明兵团经济快速增长过程中,生态压力持续增加,可持续发展面临挑战。人均GDP、第二产业增加值、城镇居民人均可支配收入、社会消费品零售总额、城镇化水平、第一产业增加值对兵团人均生态足迹变化有显著正向驱动作用,而万元GDP生态足迹、第三产业增加值比重则表现出对人均生态足迹相对较弱的逆向驱动作用。调整产业结构以及保证生态用水是降低生态足迹,提高生态承载力,实现兵团可持续发展的有效途径。

新疆旅游产业-经济发展-生态环境耦合态势分析及预测

旅游产业作为国家战略产业之一,在经济发展中起到了很大的贡献作用,旅游与经济的发展都以生态环境为主要依托,因此处理好三者之间的关系是实现可持续发展的关键。在构建旅游产业-经济发展-生态环境评价指标体系的基础上,运用耦合协调模型对新疆2008-2017年三大系统耦合协调发展进行综合实证研究,并利用灰色预测模型GM(1,1)对未来五年的耦合协调度进行预测。结果表明:2008-2017年新疆旅游产业-经济发展-生态环境系统综合发展状态可分为两种类型,其中2008-2010年为生态超前型,2011-2017年为经济超前型;三大系统之间具有较高的关联度,从时间维度上看,耦合协调度呈现波动上升的趋势,从协调等级上看,整体从初级协调逐步演变到中级协调;未来几年内,新疆三大系统的耦合协调度总体上呈现小幅增长的趋势,在2021年达到良好协调水平。

干旱区间歇性生态输水对地下水位与植被的影响机理研究

塔里木河下游生态系统作为典型的干旱区生态系统,对水分具有较强的依赖性。为了解塔里木河下游间歇性生态输水对地下水埋深变化、植被生长的关系,得出地下水埋深、植被生长变化及间歇性生态输水过程之间的相互影响机理,以塔里木河下游英苏断面为研究区,基于达西定律、植物根系吸水速率计算方法,以及2009—2015年生态输水—地下水位变化—NDVI变化相互耦合关系,对三者之间相互影响过程及影响机理进行定性与定量分析。结果表明:(1)输水效益的显现是一个漫长的过程,地下水的响应和下游植被的生态响应均在一个大的空间和时间尺度上将逐步显现,另外由于植物生长具有季节性,当年地下水埋深值在一定程度上可影响次年植物生长。(2)多年研究表明,当地下水埋深低于7 m时,满足乔、灌木植物生长需求;低于6 m时,满足草本植物生长需求。(3)在年总输水量为固定情况下,一年两次是利于河岸植被恢复的最适宜输水次数。由于生态输水—地下水位变化—NDVI变化存在一定的滞后期,建议每年春季4~5月份和夏季7~8月份作为输水期。

近40 a昆仑山北麓典型河流生态基流时空特征

生态基流是河流生态系统健康稳定的关键,对于水资源缺乏的干旱区内陆河流尤为重要。以昆仑山北麓克里雅河、尼雅河与车尔臣河3条典型季节性内陆河为研究对象,选取1978—2014年流域水文数据,利用QP法、Tennant法、近10 a最枯月平均流量法和Texas法4种水文学方法,计算确定河流生态基流并据此分析其时空分异特征与影响因素。结果表明:Tennant法更适合昆仑山北麓河流生态基流计算。从时间变化来看,3条河生态基流年内最大值均出现在7月份,最小值均出现在1月份;年生态基流最大值均出现在2010年左右,最小值在1980年前后,分别以1.378、0.653、3.066 m^(3)/s·(10 a)^(-1)的速度增加。3条河流生态基流空间分布,春季表现为车尔臣河>克里雅河>尼雅河,夏季和秋季均表现为克里雅河>车尔臣河>尼雅河,且同一河流波动变化明显,不同河流之间变化差异不显著(p>0.05)。影响生态基流年内时空差异的主要因素分别是气温、降水和人类活动,其中以车尔臣河流域气温、降水与生态基流的相关性最强,相关系数r分别为0.876、0.917。考虑生态基流时空分布与流域气候变化特征,综合提出3条河流年内各月生态基流管控目标。研究结果可为昆仑山北麓河流生态保护与水资源管理调度提供参考。

中国对“一带一路”沿线国家玉米产品出口的影响因素及潜力分析

选取43个“一带一路”沿线国家,利用贸易竞争力指数对2015—2021年中国玉米产品的国际竞争力进行衡量,通过扩展的贸易引力模型分析玉米产品出口的影响因素,并对出口潜力进行测量。结果表明,中国玉米产品的国际竞争力总体较弱,处于劣势地位。双方高的经济总量、较高的贸易自由度、加入共同的经济组织等因素显著促进了玉米产品的出口,而地理距离及过多的人口数量会阻碍玉米产品的出口。在43个样本国家中,3个国家是潜力巨大型国家,38个国家是潜力开拓型国家,2个国家是潜力再造型国家。中国应该继续强化积极的贸易因素,弱化消极的因素,培养新的玉米延伸产品,充分释放出口潜能。

高山湖泊生态系统气候响应研究进展

作为高山淡水生态系统主要载体,高山湖泊生态系统具有生态环境原始、环境承载力低、自净能力弱以及生物群落结构单一等特点,对于气候与环境变化响应敏感。围绕气候变化背景下高山湖泊生态系统结构与功能变化这一主线,系统分析了山区海拔依赖性增暖对高山湖泊热力特性、溶解氧分层以及生物过程的影响,阐述了辐射增强背景下高山水生生物适应对策及水下辐射特征变化,揭示山区降水变化对高山湖泊跨生态系统物质补贴及生物地球化学循环的影响机制。在今后研究中,需完善多气候因子变化下的湖泊生境综合响应实验,建立对高山湖泊生态系统全要素的系统监测与整合,以加强高山湖泊生态系统对气候变化的响应过程及适应机制的认知。