第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
干旱区内陆河流域气候干旱、风沙灾害频发，降水匮乏，水资源稀缺，而植被随水而生，绿洲有水则成，绿洲的变迁、植被的演替、生态系统的维持都取决于水（程国栋等，2008）。流域内不均匀的水资源时空分布深刻影响着植被群落的分布和发展，而植被具有水源涵养和水土保持等生态功能，在维护流域生态环境方面作用巨大（王宏昌，2001），是陆地生态系统重要的组成部分。生态系统为人类的生存和发展提供了必不可少的物质基础，具体可通过生态承载力（Biocapacity）进行表现（Yue et al.，2013）。植被的分布格局和演替在很大程度上决定了生态承载力的分布和变化。
近半个世纪以来，随着干旱区内陆河流域人口的增加和社会经济的发展，人类对流域内水资源的开发和利用达到了前所未有的程度，生产生活用水急剧增加导致生态用水被大量占用，水资源的分配在经济建设和生态建设方面严重失衡，引发了如植被退化、土地沙漠化等一系列的生态环境问题，削弱了流域生态承载力的可持续供给能力（Yue et al.,2011；2013）。与此同时，人类对生态承载力的需求却与日俱增，导致了生态承载力的供需矛盾（Yue et al.,2006,2013），生态超载问题日益突出，严重威胁着流域的生态安全（岳东霞等，2009；Yue et al.，2011）。若长期处于这种状态下，势必对流域生态环境产生不可逆的破坏，将严重阻碍流域的生态、社会、经济的可持续发展。
生态承载力空间格局优化是解决干旱区内陆河流域生态超载问题的有效途径（Guo et al.，2017）。水资源作为陆地生态系统发展和繁衍最为重要的环境限制因素，如何合理配置有限的水资源，使其满足生态承载力空间格局优化的基本需求，实现生态承载力可持续供给是干旱区内陆河流域管理面临的重大问题。因此，探究生态承载力-植被生态需水量耦合关系，进而明确生态承载力空间优化格局下的天然植被生态需水量是保障流域生态安全和水资源安全的关键。然而，国内外对于干旱区内陆河流域天然植被生态承载力空间优化格局如何？及其优化格局下流域天然植被生态需水量如何？等问题尚未开展深入研究，是亟待解决的关键科学问题。
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1.2 国内外研究进展
1.2.1 植被生态需水量研究
生态需水量的研究开始于 20 世纪 40 年代（严登华等，2005）。Gleick（1998）最先提出了生态需水量的概念，即提供一定量的水供给天然生态系统来维持其功能的正常运行，以求最低程度地改变系统从而保护生物的多样性和保证生态的整合性。国内关于生态需水量的研究主要围绕干旱半干旱区域展开（胡广录等，2008），以便为这些水资源短缺地区提供科学的水资源调配依据。植被是生态系统中不可或缺的组成部分，因此，植被生态需水量的确定一直以来是人们关注的焦点问题。植被生态需水量是指为了保证植被能够正常生长和发育，或维持植被生态系统健康并确保其生态服务功能得到正常发挥而必须消耗的一部分水量（何永涛等，2005）。植物在维持其生长和繁衍的过程中需要消耗大量的水分，植被耗水分为 3 个部分：一是同化耗水，即植被同化过程所消耗的水分以及植被体内含有的水分，这部分水分占比极小，约 0.15%~0.20%；二是植被的蒸腾作用消耗的水分；三是土壤蒸发耗水（王改玲等，2013）。其中，同化耗水和蒸腾耗水是植被生理过程中所必须消耗的水分，土壤蒸发耗水是形成植被生长环境条件所必须消耗的水分，由于植被同化作用耗水占比极小，特别是干旱区植被系统主要的水分消耗途径即为植被的蒸腾和土壤的蒸发，因此，干旱区天然植被蒸散耗水量（简称植被耗水量）可作为该地区植被生态需水量（何永涛等，2005；胡广录等，2008；王改玲等，2013；刘娇，2014；Chi et al.,2018）。
Dolton（1802）的蒸发定律为近代植被耗水量发研究奠定了理论基础。随着实验仪器和观测水平的提高，关于植被耗水量的估算理论与方法也在不断进步。基于仪器的蒸散发测量方法（仪器观测法）是重要的研究方法，例如田间尺度的蒸散仪法、涡度相关法、波文比法等和景观尺度的大孔径闪烁仪法等。但是，仪器观测法需依附于站点，观测范围有限，这些观测方法一般用于单株，样地、景观尺度的蒸散发观测，测量时长和站点分布的局限性较大（邵蕊，2020），因此不适合作为流域尺度的植被蒸散发观测手段，因此，需要运用可靠的蒸散发模型进行流域尺度或更大范围的植被蒸散耗水的估算。
图 1.1 研究技术路线
第二章 研究区概况
2.1 自然环境
2.1.1 地理位置
疏勒河流域位于河西走廊最西端，由于特殊的地理原因和气候变化，该流域水系在历史上有过多次变迁，因此，流域的边界尚无统一的认知，本文基于 SWAT模型，结合 DEM 生成了如图 2.1 所示的流域边界。流域地理位置介于93.367°E~98.984°E，38.167°N~42.783°N 之间，东、西分别与巴丹吉林沙漠、库木塔格沙漠相邻，南、北分别为祁连山脉、马鬃山脉。流域的行政区划地跨甘肃省酒泉市的敦煌市、玉门市、瓜州县、肃北蒙古族自治县（简称肃北县）、阿克塞哈萨克族自治县（简称阿克塞县）以及青海省的德令哈市与天峻县，流域面积约 8.88×104km2。疏勒河主要支流有党河、白杨河、石油河、榆林河等，形成了以疏勒河干流为主的内陆水系网络。疏勒河流域概况见图 2.1。
图 2.1 疏勒河流域概况
2.2 社会环境
截止 2018 年，全流域的总人口数为 53.43 万人。GDP 达到 347.70 亿元，其中第一、第二、第三产业分别为 34.59 亿元，141.44 亿元和 171.67 亿元。疏勒河流域各地区经济发展侧重点不同，位于疏勒河流域中部平原区的玉门市、瓜州县及敦煌市以发展绿洲灌溉农业为主，下辖有三大灌区，分别为昌马河灌区、双塔灌区以及花海灌区，是甘肃省重要的商品粮生产基地（张军等，2012；齐敬辉等，2016；柳思等，2018）。
南部祁连山地区草地资源丰富，以发展畜牧业为主。北部马鬃山地区靠近国界，并且矿产资源丰富，以发展边界贸易和采矿业为主（邹明亮等，2018）。近年来，中部平原区以敦煌旅游业为代表的第三产业迅猛发展，逐渐成为甘肃省旅游产业的名片（李翠翠等，2017）。疏勒河流域人口多集中分布于玉门市、敦煌市、瓜州县等绿洲区。人口分布不均也导致了路网空间分布不均，中部平原区的绿洲区交通较为便利，但南部祁连山地区及大部分荒漠戈壁地区道路稀少，交通状况较差。
移民安置项目的实施使疏勒河流域人口激增，农业发展十分迅猛，但同时，人们对生产生活用水的需求量显著增加。大水漫灌为主的灌溉方式以及城镇化建设使地表水和地下水资源被过度开采，导致了地表水资源减少、地下水位降低、土地盐碱化、荒漠化、植被退化等一系列生态环境问题（曾建军，2018）。但近年来，面对水资源供需矛盾问题，国家将甘肃省列为水权改革工作试点，一系列举措不仅让流域水资源利用效率得到明显提高，也使流域下游地区的生态环境得到进一步改善（向旭华，2018）。此外，国家级自然保护区的建立也针对性的保护了流域的生态脆弱区，对流域生态环境保护具有深远意义。
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第三章 数据来源及研究方法 ............................... 14
3.1 数据来源及处理................................... 14
3.1.1 数字高程模型.......................... 14
3.1.2 气象站点数据............................ 14
第四章 疏勒河流域天然植被耗水量及时空格局 .............................. 26
4.1 疏勒河流域潜在蒸散发量（ET0）及其时空分布 .................................... 26
4.1.1 流域潜在蒸散发量（ET0）年际变化特征 ..................................... 26
4.1.2 流域潜在蒸散发量（ET0）空间分布格局 ..................................... 27
第五章 疏勒河流域生态承载力时空格局及其与植被耗水量的相关性 ............................. 40
5.1 生态承载力转换因子计算与分析............................. 40
5.1.1 均衡因子............................ 41
5.1.2 产量因子..........................41
第六章 基于生态承载力优化结果的天然植被生态需水量
6.1 疏勒河流域生态承载力空间优化模型构建
6.1.1 土地利用类型空间适宜性分布概率
（1）驱动因子的选取
各土地利用空间适宜性分布概率（pik）由 Binary Logistic 回归分析得到。由于自然因素和人为因素都会影响和驱动土地利用类型的分布，因此，驱动因子的选取直接关系到pik的准确性和可靠性。涉及土地利用类型分布的驱动因子众多，如果考虑每一种驱动因子，其数据获取难度较大，且数据处理工作繁杂，因此需要选择具有代表性且符合区域自然人文特征的典型驱动因子参与回归分析。本文参考前人研究（郭建军，2014），结合疏勒河流域特殊的自然和人文特征，考虑了流域的地理约束条件、人文驱动因素、可达性约束条件，选取了 10 种典型的驱动因子，具体的驱动因子如表 6.1 所示。
表 6.1 驱动因子的选取及介绍
第七章 结论与展望
7.1 结论
1、2000-2018 年，疏勒河流域的天然植被耗水总量总体呈现先增加后减少的趋势，空间上，呈现南多北少的分布格局，全流域多年平均天然植被耗水总量为14.86×108m3，南部祁连山地区天然植被耗水最多，中部平原区次之，北部马鬃山地区最少。天然植被耗水量高值区主要分布在瓜州、玉门绿洲区附近以及阿塞克县、天峻县境内。草地耗水量远高于林地。林地中，灌木林地耗水量最多，有林地最少，草地中，低覆盖度草地耗水量最多，高覆盖度草地最少。单位面积植被耗水量呈现有林地>灌木林地>疏林地>高覆盖度草地>中覆盖度草地>低覆盖度草地的规律。生长中期是所有植被主要的耗水时期。
2、2001-2018 年，疏勒河流域生态承载力呈现波动增加趋势，呈现南多北少的空间分布格局，即南部祁连山地区>中部平原区>北部马鬃山地区。各土地利用类型生态承载力总量方面，未利用地>草地>耕地>林地>城乡建设用地>水域。除城乡建设用地生态承载力总量有所减少外，其他地类均有增加。各地类单位面积生态承载力呈现耕地>城乡建设用地>林地>草地>水域>未利用地的规律。
3、疏勒河流域天然植被耗水量与生态承载力在空间上具有一定的正相关关系。植被耗水量高生态承载力高的区域占天然植被区总面积的 11.43%，主要分布在南部祁连山地区的天峻县境内及肃北县东北部。植被耗水量低生态承载力低的区域占比为 33.08%，主要分布于祁连山地区的山前冲积扇、中部平原区的荒漠戈壁区，以及马鬃山地区。植被耗水量高生态承载力低的区域占比为 3.36%，主要分布于祁连山地区冰川消融区和中部平原区的绿洲区内。植被耗水量低生态承载力高的区域占比为 1.11%，主要分布于中部平原区的绿洲边缘。
4、较基准年（2018 年），三种生态承载力优化情景下的生态承载力空间格局整体变化较小，但内部变化的异质性明显。其中，土地利用适宜性概率最大情景的流域生态承载力总量减少了 203730.68wha；生态承载力最大情景下的流域生态承载力总量增加了 76700.25wha；生态可持续发展情景下的流域生态承载力总量减少了 82300.57wha。
参考文献（略）