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。疏勒河流域是我国干旱区河西走廊三大内陆河流域和国家七个水权试点流域之一,我国“一带一路”发展战略实施的重要区域,伴随气候变化和人类活动的加剧,流域景观格局发生了重要变化,水资源日益匮乏、生态环境退化严重,进而导致生态承载力和生态需水发生了未知的改变,然而相关研究却未见报道。因此,迫切需要开展景观格局变化背景下,流域生态承载力和生态需水时空动态及其耦合关系研究,以揭示流域宏观尺度的生态水文过程及机制,为该流域生态环境保护和水资源合理利用提供科学依据。鉴于此,该论文基于水文学、生态学、水文地质学、地理学、地统计学等多学科理论和方法,以Fragstats软件和ArcGIS软件为平台,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),在解译该流域近20年5期土地利用数据基础上,将景观格局指数与土地利用变化分析相结合,开展了流域近20年景观格局的时空演变研究;计算了流域近20年生态承载力,开展了流域生态承载力时空格局演变研究;在收集和整理流域多年水文水资源基础数据的基础上,计算了流域近20年生态需水量,开展了流域生态需水时空格局演变研究;基于以上研究,深入探讨了流域不同尺度区域景观格局、生态承载力和生态需水之间的耦合关系。最后,结合当前流域生态环境保护政策,提出基于生态承载力可持续性发展的生态需水调控与管理对策。主要研究结论如下:1、近20年流域景观格局时空演变(1)近20年疏勒流域土地利用发生了不同程度的变化。从总体上看,耕地、林地、草地和城乡工矿居民用地面积增加,水域和未利用地面积有所减少,水域和未利用地变化速度和变化的类型差异比较明显。流域土地利用类型转化的热点区域是中游绿洲,主要是敦煌、瓜州和玉门的三个县(市)。耕地、林地、草地都呈增加趋势,潜在会增加区域的整体耗水。(2)选取斑块数目(NP),斑块比例(PLAND),形状指数(LSI),散布与并列指数(IJI),连通度指数(COHESION)共5个类型水平上的景观指标开展景观格局分析,结果表明:近20年5个年份占主导地位的斑块类型均是戈壁和裸岩石质地,这两类景观的面积和都超过56%,斑块连通度指数最高,接近100,说明这两类一直是疏勒河流域最主要的景观,且自然连通性最好;其他景观类型的面积和则不超过总面积的43%,其中,滩地和水库坑塘在5个年份的分离度均很大,表明这两类景观内部斑块间的比邻概率更为均等;而农村居民点和湖泊斑块连通度指数均最低,说明农村居民点和湖泊的分布相对分散,空间连接性较低。(3)流域景观的斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、周长-面积比(PARA_MN)、香农多样性指数(SHDI)和散布与并列指数(IJI)均呈现整体增加的趋势,分离度指数(SPLIT)和斑块连通度指数分别呈现减小和不变趋势。说明近20年来,流域景观格局整体斑块数量增加,且形状趋于复杂,景观异质性加强,但离散程度总体减小,连通性较好。2、近20年流域生态承载力时空格局演变近20年疏勒河流域生态承载力总量呈现上升趋势,绝对生态承载力空间异质性高,但空间分布变化较小。不同土地利用类型的生态承载力变化差异明显,其中耕地和林地生态承载力呈现下降趋势;草地、水域和居民用地生态承载力总量和绝对生态承载力均呈增加趋势;县区尺度下,七个县区生态承载力总量均呈现增加趋势,其中肃北县和天峻县生态承载力增加最大,玉门市和德令哈市生态承载力增加最小;流域生态承载力变化主要发生在地处流域中下游绿洲的敦煌市、玉门市和瓜州县。3、近20年流域生态需水时空格局演变研究(1)将疏勒河流域生态需水类型划分为天然植被、河流(含输沙、河道渗漏补给、水面蒸发和基本生态需水量)、湿地和防治耕地盐碱化需水四类。计算得到1995、2000、2005、2010和2015年全流域生态需水量依次为17.6030×10~8m~3、19.8981×10~8m~3、19.9205×10~8m~3、19.9744×10~8m~3和19.9941×10~8m~3,近20年流域生态需水量呈现上升趋势。(2)近20年流域天然植被生态需水量呈明显的增加趋势,近20年增加2.19×10~8m~3,年均增加0.11×10~8m~3,其中高覆盖度草地生态需水量增加最多;生态需水量结构分析表明:有林地单位面积最小生态需水量最高,为1970.97m~3/hm~2,而中覆盖度草地最低,为88.48m~3/hm~2;流域草地的最小生态需水量占天然植被总水量的87.7%以上,低覆盖度草地生态最小需水量大。空间格局分析表明,流域天然植被生态需水分布空间广泛,总体随海拔高度下降呈减小趋势,高生态需水区主要集中在上游祁连山区和中下游的绿洲区。近20年,流域天然植被生态需水的空间分布总体变化不明显,但其内部不同区域格局变化呈不同趋势。(3)近20年河流生态需水量略有所增加;湿地生态需水量从2000年以后,每5年湿地生态需水量增加0.01×10~8m~3,其增加量并不大;防治耕地盐碱化生态需水量呈增加趋势。湿地和防治耕地盐碱化生态需水量空间分布随土地利用转化而变化,河流生态需水量空间格局基本稳定。4、疏勒河流域生态需水和生态承载力耦合关系(1)流域景观水平指数与生态承载力相关性明显,但程度有所不同。其中,流域生态承载力与周长面积比呈正相关,说明斑块形状越复杂,周长面积比越大,生态承载力越大。流域生态承载力与分离度指数之间呈负相关,说明景观斑块越破碎,生态承载力越小。以县域为统计单元,流域林、草地类型水平指数与天然植被(林地、草地)生态承载力也呈不同程度的相关性。其中,林、草地生态承载力与斑块数目和形状指数拟合优度均较高,与散布与并列指数和斑块比例拟合优度都很小,拟合优度的大小可解释生态承载力变化的能力。(2)流域景观水平指数与流域生态需水相关性明显,但程度有所不同。其中,流域生态需水与最大斑块指数呈正相关,说明最大景观斑块的变化对流域生态需水量影响较大。流域生态需水与分离度指数之间也呈负相关,说明景观斑块越破碎,生态需水越小。以县域为统计单元,流域林地、草地类型水平指数与天然植被(林地、草地)生态需水也呈不同程度的相关性。其中,林地生态需水与连通度指数均保持很高的相关性,表明景观中各种景观类型的聚集程度对林地生态需水影响深远。草地生态需水与形状指数相关性最高,表明草地生态需水对斑块边界的复杂性较为敏感。(3)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。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R~2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,二者之间的耦合关系更为紧密。利用空间热点分析发现,近20年流域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、部分高海拔南部祁连山区和北部的马鬃山脉。根据生态承载力和生态需水的热点区域和高值区,可优先考虑水资源配置,并保障生态环境建设的基本生态需水量。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具有密切的相互依存、相互影响并趋向一致的耦合关系,且单个土地利用类型的生态需水与生态承载力耦合关系更强。生物生产量的变化引起生态承载力发生改变,生物生产量又直接引起影响生物耗水过程,进而影响生态需水。(4)通过甄别生态承载力和生态需水的热点区域,判断生态承载力和生态需水的高(低)值区,今后在流域生态需水配给上,可以优先考虑热点高值区域的生态水资源量配置,同时可以约束生态承载力未来的变化趋势,优化和调控生态需水,提高水资源利用率。