全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 31 卷 第 9 期摇 摇 2011 年 5 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
EAM会议专刊述评———气候变化下旱区农业生态系统的可持续性
李凤民, Kadambot H. M Siddique, Neil C Turner,等 ( 玉 )
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第二届生态系统评估与管理(EAM)国际会议综述 李朴芳,赵旭喆,程正国, 等 (2349)………………………
应对全球气候变化的干旱农业生态系统研究———第二届 EAM国际会议青年学者论坛综述
赵旭喆,李朴芳,Kadambot H. M Siddique,等 (2356)
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微集雨模式与降雨变律对燕麦大田水生态过程的影响 强生才,张恒嘉,莫摇 非,等 (2365)……………………
黑河中游春小麦需水量空间分布 王摇 瑶,赵传燕,田风霞,等 (2374)……………………………………………
祁连山区青海云杉林蒸腾耗水估算 田风霞,赵传燕,冯兆东 (2383)……………………………………………
甘肃小陇山不同针叶林凋落物量、养分储量及持水特性 常雅军,陈摇 琦,曹摇 靖,等 (2392)…………………
灌水频率对河西走廊绿洲菊芋生活史对策及产量形成的影响 张恒嘉,黄高宝,杨摇 斌 (2401)………………
玛纳斯河流域水资源可持续利用评价方法 杨摇 广,何新林,李俊峰,等 (2407)…………………………………
西北旱寒区地理、地形因素与降雨量及平均温度的相关性———以甘肃省为例
杨摇 森,孙国钧,何文莹,等 (2414)
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黑河河岸植被与环境因子间的相互作用 许莎莎,孙国钧,刘慧明,等 (2421)……………………………………
干旱胁迫对高山柳和沙棘幼苗光合生理特征的影响 蔡海霞,吴福忠,杨万勤 (2430)…………………………
树锦鸡儿、柠条锦鸡儿、小叶锦鸡儿和鹰嘴豆干旱适应能力比较 方向文,李凤民,张海娜,等 (2437)…………
胡杨异形叶叶绿素荧光特性对高温的响应 王海珍,韩摇 路,徐雅丽,等 (2444)…………………………………
柠条平茬处理后不同组织游离氨基酸含量 张海娜,方向文,蒋志荣,等 (2454)…………………………………
玛河流域扇缘带盐穗木土壤速效养分的“肥岛冶特征 涂锦娜,熊友才,张摇 霞,等 (2461)……………………
摩西球囊霉对三叶鬼针草保护酶活性的影响 宋会兴,钟章成,杨万勤,等 (2471)………………………………
燕麦属不同倍性种质资源抗旱性状评价及筛选 彭远英,颜红海,郭来春,等 (2478)……………………………
光周期对燕麦生育时期和穗分化的影响 赵宝平,张摇 娜,任长忠,等 (2492)……………………………………
水肥条件对新老两个春小麦品种竞争能力和产量关系的影响 杜京旗,魏盼盼,袁自强,等 (2501)……………
猪场沼液对蔬菜病原菌的抑制作用 尚摇 斌,陈永杏,陶秀萍,等 (2509)…………………………………………
不同夏季填闲作物种植对设施菜地土壤无机氮残留和淋洗的影响 王芝义, 郭瑞英,李凤民 (2516)…………
不同群体结构夏玉米灌浆期光合特征和产量变化 卫摇 丽,熊友才,Baoluo Ma,等 (2524)……………………
脱硫废弃物对碱胁迫下油葵幼叶细胞钙分布及 Ca2+ 鄄ATPase活性的影响
毛桂莲,许摇 兴,郑国琦,等 (2532)
………………………………………
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过去 30a玛纳斯河流域生态安全格局与农业生产力演变 王月健, 徐海量, 王摇 成,等 (2539)………………
基于 RS和转移矩阵的泾河流域生态承载力时空动态评价 岳东霞,杜摇 军, 刘俊艳, 等 (2550)……………
毛乌素沙地农牧生态系统能值分析与耦合关系 胡兵辉, 廖允成 (2559)………………………………………
民勤绿洲农田生态系统服务价值变化及其影响因子的回归分析 岳东霞,杜摇 军,巩摇 杰,等 (2567)…………
青岛市城市绿地生态系统的环境净化服务价值 张绪良,徐宗军,张朝晖,等 (2576)…………………………
基于 3S技术的祖厉河流域农村人均纯收入空间相关性分析 许宝泉,施为群 (2585)…………………………
专论与综述
全球变化下植物物候研究的关键问题 莫摇 非,赵摇 鸿,王建永,等 (2593)………………………………………
区域气候变化统计降尺度研究进展 朱宏伟,杨摇 森,赵旭喆,等 (2602)…………………………………………
干旱胁迫下植物根源化学信号研究进展 李冀南,李朴芳,孔海燕,等 (2610)……………………………………
山黧豆毒素 ODAP的生物合成及与抗逆性关系研究进展 张大伟,邢更妹,熊友才,等 (2621)…………………
旱地小麦理想株型研究进展 李朴芳,程正国,赵摇 鸿,等 (2631)…………………………………………………
小麦干旱诱导蛋白及相关基因研究进展 张小丰,孔海燕,李朴芳,等 (2641)……………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*306*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*35*
室室室室室室室室室室室室室室
2011鄄05
封面图说: 覆膜鄄垄作燕麦种植———反映了雨水高效利用和农田水生态过程的优化(详见强生才 P2365)。
彩图提供: 兰州大学干旱与草地生态教育部重点实验室莫非摇 E鄄mail:mofei371@ 163. com
生 态 学 报 2011,31(9):2539—2549
Acta Ecologica Sinica
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基金项目:国家科技支撑计划课题(2007BAC17B01);国家 973 重点基础研究发展计划项目(2009CB825101)
收稿日期:2010鄄05鄄20; 摇 摇 修订日期:2010鄄09鄄14
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: westwild@ vip. sina. com.
过去 30a玛纳斯河流域生态安全格局
与农业生产力演变
王月健1,2, 徐海量3, 王摇 成2, 凌红波3, 刘红玲4, 王绍明4,*
(1. 石河子大学地理系,石河子摇 832003; 2.西南大学地理科学学院,重庆摇 400715;
3.中国科学院新疆生态与地理研究所, 乌鲁木齐摇 830011;4.新疆兵团绿洲生态农业重点实验室, 石河子摇 832003)
摘要:以空间地域差异明显的玛纳斯河流域为例,在遥感、GIS和历史文献资料的支持下,对该流域上、中、下游 4 个生态类型区
过去 30a的生态安全状况进行了评价;采用前人修正的 Costanza模型,进行了流域整体的生态健康评价;最后分析了流域生态
安全格局变化对农业生产力的影响。 研究认为:过去 30a 间,4 个生态类型区生态安全综合评价指数值及生态安全状况变化
为:(1)上游山区指数值下降 0郾 13,由较安全区到预警区;(2)中游绿洲城市区指数值增加 0. 09,由预警区到较安全区;(3)中下
游绿洲农区指数值下降 0. 19,由预警区到中警区;(4)下游荒漠区指数值下降 0. 14,生态安全状况在预警区间持续下降。 流域
的生态健康综合评价指数值降低 0. 13,由健康状态到一般状态。 农业生产力在大面积种植棉花的发展模式下得到了高速发
展,但也导致农业耗水占到了年均引水量的 90% ,绿洲边缘地下水位埋深普遍下降了 10 多米等生态负效应。 这表明农业的表
观生产力确实提高了,但潜在的生产力下降了,生态安全格局与农业生产力的演变具有同向性,以破坏生态环境为代价而提高
的农业生产力是不利于生态和农业可持续发展的。
关键词:生态安全格局; 生态类型区; 玛纳斯河流域; 农业生产力
The evolution between ecological security pattern and agricultural productive
force in Manas River Basin for the past 30 years
WANG Yuejian1,2, XU Hailiang3, WANG Cheng2, LING Hongbo3, LIU Hongling4, WANG Shaoming4,*
1 Department of Geography, Shihezi University, Shihezi 832003, China
2 School of Geographical Sciences, Southwest University, Chongqing 400715, China
3 Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China
4 Key Laboratory of Oasis Ecological Agriculture of Xinjiang Bingtuan, Xinjiang Shihezi 832003
Abstract: The core goal of Ecological Security is to have Eco鄄system Health Services and construct sustainable Ecological
Landscape Security Pattern. Ecological Health Evaluation is a form for reflecting the status of Ecological Security, Costanza
and the descendants think that evaluation standards of Ecosystem Health include: vigor, organizational ability, resilience,
maintenance of ecosystem services, management options, the reduction of the external input, the influence of neighboring
system and human health and so on, and vigor, organizational ability, resilience of which are the three most important
aspect. So, based on the principle of structure and function of Ecological System, it is valuable by using Ecological Health
theory for the study of Ecological System Security. Especially, at present, the evolution relationship between Ecological
Security Pattern and Agricultural Productive Force has been one of the hot topics of Ecology in arid areas.
After many years of large鄄scale water conservancy and irrigation, the amount of cultivated land increased rapidly and
Agricultural productivity Force have been greatly improved in Manas River basin. But the notable economic achievements
are depending on water resources highly, which occurs series of ecological and environmental problems. As we all know,
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the Manas River Basin is a system of mountain鄄Oasis鄄Desert ( MODS) structure typically according its geographical
Characteristics, so, we can divide the basin into four ecological zones to analyses the Ecological Security condition in every
Ecological Zones for the past 30 years; make the research of Ecological Health Evaluation by using the amended Costanza
previous model from the who river basin, and analyses the evolution relationship between Ecological Security Pattern and
Agricultural Productivity Force.
The Study show that: (1) for the past 30 years, the changes of the index of Ecological Security Evaluation for 4
Ecological Zones are as follows: the index of Upper鄄stream Mountain Area decreased 0. 13, from safer range to pre鄄warning
range; the index of Middle鄄stream Urban Area increased 0. 09, from pre鄄warning range to safer range; the index of Middle
and down鄄stream Agricultural Area decreased 0. 19, from pre鄄warning range to moderate鄄warning range;the index of Down鄄
stream desertification Area decreased 0. 14, the state on ecological safety were on the decline in the pre鄄warning range;
Expect for the Middle鄄stream Urban Area, the state of ecological security in Upper鄄stream Mountain Area、Middle and down鄄
stream Agricultural Area、 Down鄄stream desertification Area all decreased, especially in Middle and down鄄stream
Agricultural Area, Ecological Environment degrades most seriously. The index of vigor、organizational ability、resilience all
decreased, The index of vigor decreased 0. 14, the index of organizational ability decreased 0. 11, the index of resilience
decreased 0. 17; the index of comprehensive evaluation on Ecological Health of basin decreased 0. 13, from the health state
to general state, and is close to unhealthy state, which indicated that the state on Ecological Safety were on the decline
obvious for past 30 years. (2) Agricultural Productivity Force have been greatly developed in Manas River Basin for the past
30 years, but which is undergone at the cost of large鄄scale exploitation of water resources and destruction of Ecological
Environment. the cotton are planted extensively,which were led to the consumption of agricultural water almost reaching
90% of average annual amount of water, the groundwater level above decreased 10 meters in Oasis edge, the utilizing of
basin water resources has reached by the greatest extent; In addition, there have been abominable influence on the quality
land in that long鄄term large scale cultivation of single crops, the soil of basin have been hardened 、 impervious and
Stalinization; using large scale of chemical fertilizer, pesticide, agricultural plastic film caused the white pollution and
insect pest year by year. All of which indicated that the Ecological Environment has improved in some local areas, but
degenerated in the whole River Basin;(3) for the past 30 years, Agricultural Productive Force improved apparent, but in
fact it decreased potential, The change between Ecological Security Pattern and Agricultural Productive Force have changed
in the same direction. The improved Agricultural Productive Force were at the cost of destroying Ecological Environment,
which are not beneficial to Ecological Environment and sustainable development of agriculture. Thus, in future, Manas
River Basin economic development should be guided by the use of water resources scientifically, and control the scale of
oasis development strictly, particularly proscribe wasteland into cultivation in the edge of desert.
Key Words: ecological security; pattern; eco鄄types zones; Manas River Basin; agricultural productive force
生态安全是当今地学、资源学、生态学等诸多学科领域研究的重点和焦点,其研究的终极目标是实现生态
系统健康和构建景观服务功能持续的生态安全格局[1鄄4]。 区域生态安全的重要标志是具有健康的生态系
统[5],目前对于生态系统健康还没有形成统一的概念,比较有代表性的是 1992 年 Costanza 给出的定义:如果
生态系统是稳定的和可持续性的,即它是活跃的并随时间的推移能够维持自身的组织,对外力胁迫具有抵抗
力,那么,这样的系统就是健康的[6]。 后人则对生态健康概念的内涵和方法进行了扩充,认为生态系统健康
标准有活力、恢复力、组织、生态系统服务功能的维持、管理选择、外部输入减少、对邻近系统的影响及人类健
康影响等 8 个方面,其中最重要的是前 3 个方面[7鄄10]。 自此以后,对于生态系统的健康评价工作在生态学、生
物学、生态监测等交叉学科领域的催化下得到了迅速发展[11鄄17]。 生态健康是评价生态系统状态的一种方
式[18],以生态系统的结构和功能为依据,运用生态健康的基本原理进行生态系统的安全研究具有重要的
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意义。
位于天山北坡的玛纳斯河流域经过几十年的大规模兴修水利、引水灌溉,耕地面积迅速增加,流域的农业
生产力得到了极大的提高,社会经济建设取得了巨大的成就。 但这一切是在大规模的水资源开发的基础上进
行的,高度依赖水资源而进行的绿洲开发建设使得流域绿洲与沙漠之间的生态交错带被破坏,出现了天然植
被减少、草场退化、水质下降、湿地萎缩、土壤盐渍化加剧、土地沙化、撂荒弃耕地增加、玛纳斯河断流、尾闾湖
变迁、生物多样性降低等一系列的生态环境问题[19]。 诸多学者为此开展了相关的研究,但对流域生态安全格
局变化研究还不多见,更缺乏对流域生态安全格局变化与农业生产力之间的演变关系研究。 玛纳斯河流域是
典型的山地—绿洲—荒漠系统结构(MODS) [20],流域上、中、下游不同空间地域的生态类型差异显著,面临着
的主要生态问题不同,生态安全条件也不同[21]。 基于此,本文拟首先对流域各个生态类型区过去 30a 的生态
安全状况进行分析,进而从生态健康的角度出发,采用前人修正的 Costanza 模型[22],研究流域整体的生态安
全格局变化以及这种变化与农业生产力发展之间的演变关系,以期为该流域生态安全格局的恢复和重建提供
科学指导。
1摇 研究地区与方法
1. 1摇 研究区概况
玛纳斯河流域地处天山北坡,准噶尔盆地南缘,位于天山北坡经济带的中心,在行政上包括玛纳斯县、农
八师石河子垦区、沙湾县、克拉玛依的小拐镇和农六师的新湖农场。 位于 N43毅20—45毅55忆,E85毅01忆—86毅42忆。
流域自东向西有塔西河、玛纳斯河、清水河、金沟河及巴音沟河 5 条大的河流,可利用的地表水与地下水资源
总量为 30. 82 伊108 m3,其中,地表水的年均径流总量 22. 98伊108 m3。 玛纳斯河为该流域内最大的一条河流,
全长 400 km,年均径流量 12. 7伊108 m3,其发源于天山支脉依连哈比尔尕山,向北注入玛纳斯湖。 自红山嘴出
山口以上为流域的上游段,夹河子拦河水库以下为下游段。 玛纳斯和沙湾县的乡镇在流域上、中、下游各有分
布,石河子垦区的团场则交错分布在两县境内(图 1)(本图由于表现有限,列出了部分乡镇及团场)。 流域上
游的主要地貌类型为丘陵和山区,包括清水河乡、151 团场、东湾镇等,其经济发展主要以农牧业生产为主,面
积约为 1. 1伊104 km2,耕地面积 1. 2伊103 km2,人口 5. 6伊104人;中游为洪积鄄冲积扇平原,下游则为绿洲、交错
带、荒漠。 中游绿洲城市区包括玛纳斯县、石河子市、沙湾县,解放以来,绿洲城市经济发展有了长足的进步,
已成为带动绿洲经济发展的增长极、人口的聚居区和新兴的工业区,城区面积达 70 km2,人口 54伊104人;中下
游绿洲农区包括北五岔镇、150 团、老沙湾镇等,以种植粮食、棉花、油料等经济作物为主,面积约为 0郾 7伊104
km2,耕地面积 4. 7伊103 km2,人口 46. 4伊104人;下游荒漠区则指的是绿洲外围的沙漠覆盖区域,只是一个生态
类型区,面积约为 1伊104 km2。 流域年均降水量 115—200 mm ,年均蒸发量 1500—2100 mm ,年均气温 4. 7—
5. 7 益。
自 1949 年以来,玛纳斯河流域开始了大规模的水土资源开发,这极大提高了水土资源利用率,大大加速
了绿洲开发和经济建设的进程,目前,该流域已经成为新疆面积最大的农垦区。 2006 年全流域人口为 106伊
104人,为解放前的的 15 多倍,农业灌溉面积 31. 57伊104 hm2,为解放前的 20 多倍。 工农业总产值 124伊108元,
其中,农业总产值为 53伊108元,除石河子市、沙湾县城、玛纳斯县城的二、三产业占优势之外,其它地区农业仍
占绝对优势地位[19鄄20,23鄄25]。
1. 2摇 数据资料及处理
本研究的数据资料有 1976 年的 MSS、1987 的 TM、2000 年的 ETM、2006 年 CBERS 四期遥感影像、流域行
政边界图、县界图、1 颐10 万地形图,20 世纪 80 年代流域土壤图、水系图等图件资料;1976—2006 年沙湾鄄玛纳
斯鄄石河子统计年鉴与新疆统计年鉴、流域各地区的土壤、气候、水文、社会经济数据等相关辅助资料;炮台、乌
兰乌苏、莫索湾等气象站以及红山嘴、肯斯瓦特等水文站常年的观测数据资料;野外采集分析的土壤、植被、矿
化度等数据资料。
1976 年的 MSS采取 421 波段假彩色合成,1987 年、2000 年、2006 年的遥感影像采用的是 432 波段假彩色
1452摇 9 期 摇 摇 摇 王月健摇 等:过去 30a玛纳斯河流域生态安全格局与农业生产力演变 摇
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N
85° 86°
44°
45°
N
流域分段界线
县界
公路
荒漠
绿洲
山地
比例尺 1:1万
图例
县市
农牧团场
乡镇
E
图 1摇 玛纳斯河流域行政区划示意图
Fig. 1摇 The administrative divisions of Manas river basin
合成。 在 ERDAS9. 2、ARCGIS9. 3、PHOTOSHOP8. 0 的支持下,对遥感影像进行解译并数字化,建立拓扑关系,
形成 4 期的土地利用数据,分别建立图形和属性专题数据库。
1. 3摇 生态安全评价方法
1. 3. 1摇 生态类型区的生态安全评价
在广泛征求了环保、区划、农业等领域多位专家意见的基础上,根据评价对象各组成部分之间的关系,分
别从自然环境和社会经济两方面选取指标构建玛纳斯河流域 4 个生态类型区的生态安全评价指标体系(表
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1—表 4),依据各评价指标对生态安全贡献程度的差异,采用专家打分法和层次分析法赋予各评价指标相应
的权重(荒漠区由于人类经济活动影响较小,故只考虑生态环境方面的因素)。 依据各指标因子评价的标准
并结合实际情况,综合专家的意见,确定每个指标的生态安全标度范围,同时,采用(0—1)区间的连续数来确
定指标分级量化值[26 鄄28],采用左伟等提出的综合指数法(即公式(1))计算生态安全综合评价指数。
ESA =移
n
i = 1
w i 伊 pi (1)
式中,ESA表示生态安全综合评价指数,w i 表示指标的权重,pi 代表指标的标准化值。 对原始数据采用
极差标准化和专家分级标准化法进行标准化处理,所有指标的标准化值与其对应的权重相乘后累积求和即得
生态安全综合评价指数。 借鉴已有的结论,按照生态安全评价的判别标准,将生态安全综合评价指数从低到
高划为 5 个区间量度值范围[28]:重警区[0—0. 3];中警区[0. 3—0. 5];预警区[0. 5—0. 7];较安全区[0. 7—
0郾 9];安全区[0. 9—1]。
表 1摇 玛纳斯河流域上游山区生态安全评价指标体系及权重
Table 1摇 The index system of Ecological safety and its weights of the Hill in the uppper Manas River basin
目标层 Target level 准则层 Criterion level 要素层 Element level 数据来源 Methods of data 权重 Weights
玛纳斯河流域上游山区 生态环境 B1 森林覆盖率 C1 遥感解译 0. 14
生态安全评价指标 权重:0. 70 草地覆盖度 C2 遥感解译 0. 14
体系 A 冰川退化面积比例 C3 遥感解译 0. 12
The index system of 河流年均径流量 C4 水文站 0. 20
Ecological safety of on the 年均降水量 /年均蒸发量 C5 气象站 0. 01
Hill of ManasRiver basin 土壤侵蚀模数 C6 分析计算 0. 07
产水模数 C7 分析计算 0. 09
10 摄氏度以上积温 C8 气象站 0. 01
草地载蓄度 C9 分析计算 0. 20
社会经济 B2 人均 GDP C10 统计资料 0. 20
权重:0. 30 农牧民人均纯收入 C11 统计资料 0. 20
生态保护占 GDP的比值 C12 分析计算 0. 25
公路密度 C13 分析计算 0. 20
人口密度 C14 分析计算 0. 15
生态安全评价指标体系是基于各个生态类型区的生态安全问题出发而构建的。 其中,包含一些常见的评
价指标,如森林覆盖率、人均 GDP、人口密度等;另外,结合干旱区流域的具体生态情况,选取了一些具有特色
的评价指标,以下是对若干特色评价指标的解释:冰川退化面积比例是考虑到上游冰川在近几十年中退化显
著,冰川的退化对森林、植被覆盖度、径流变化都会产生影响[29鄄30];能源消耗是考虑到干旱区的城市大多是资
源型的城市,能源对社会经济发展起着举足轻重的作用,本研究中以标准煤为单位,将各类能源折合计算;单
方水的工业产值指消耗一立方水产生的工业增加值;干旱区流域的农业生产是靠高耗水而进行的,因而选取
将单方水的农业产值作为评价因子;防护林是脆弱生态区遏制生态退化的屏障,对生态安全格局的恢复起着
重要的作用;棉花占农作物播种面积比例是考虑到长期种植一种单一作物对农业生产会产生不利的影响,会
造成病虫害、土壤理化性质降低等;沙丘前进速度指是考虑到流域边缘的沙丘在逐年前进,已经严重威胁到了
工农业生产和人们的生活安全,因而选取其为评价指标。 除此之外,对于前人在干旱区的生态安全评价研究
中所选取的评价因子,如草地载蓄度、农田病虫害面积比例、地下水埋深、地下水矿化度、沙漠化面积比例、盐
渍化面积比例等[31],依据研究需要,本文也进行了选取。
1. 3. 2摇 流域整体生态安全评价
流域整体的生态安全评价从生态健康的角度出发,分别从活力、组织力、恢复力方面选取评价因子,构建
如下表所示的评价指标体系。
3452摇 9 期 摇 摇 摇 王月健摇 等:过去 30a玛纳斯河流域生态安全格局与农业生产力演变 摇
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表 2摇 玛纳斯河流域中游绿洲城市区生态安全评价指标体系及权重
Table 2摇 The index system of ecological safety and its weight of oasis city in the middle Manas River basin
目标层 Target level 准则层 Criterion level 要素层 Element level 数据来源 Methods of data 权重 Weights
玛纳斯河流域中游游 生态环境 B1 人均公共绿地面积 C1 统计资料 0. 10
绿洲城市区生态安全 权重:0. 70 地下水位逐年下降 C2 统计资料 0. 25
评价指标体系 A 城市人均供水量 /用水量 C3 分析计算 0. 10
The index system of 地表水水质级别 C4 统计资料 0. 10
Ecological safety of oasis 空气环境质量二级以上天数 C5 统计资料 0. 18
city in the middle Manas 工业废水排放达标率 C6 统计资料 0. 04
River basin 工业废气处理率 C7 统计资料 0. 04
工业固体废物综合利用率 C8 统计资料 0. 04
地表水保证率 C9 统计资料 0. 15
社会经济 B2 人均 GDP C10 统计资料 0. 20
权重:0. 30 人口密度 C11 统计资料 0. 05
人均住房使用面积 C12 统计资料 0. 04
人均道路面积 C13 统计资料 0. 10
第三产业结构比例 C14 统计资料 0. 02
城镇居民人均可支配收入 C15 统计资料 0. 12
城镇居民人均消费 C16 统计资料 0. 12
万人在校大学生人数 C17 分析计算 0. 02
千人拥有医生数 C18 分析计算 0. 03
能源消耗 C19 分析计算 0. 10
单方水工业产值 C20 分析计算 0. 20
表 3摇 玛纳斯河流域中下游绿洲农区生态安全评价指标体系及权重
Table 3摇 The index system of ecological safety and its weight of oasis agricultural region in the middle and lower Manas River basin
目标层 Target level 准则层 Criterion level 要素层 Element level 数据来源 Methods of data 权重 Weights
玛纳斯河流域中下游 自然环境 B1 地下水埋深 C1 统计资料 0. 18
绿洲农区生态安全 权重:0. 70 地下水矿化度 C2 分析计算 0. 11
评价指标体系 A 盐渍化面积比例 C3 遥感解译 0. 11
The index system of 沙漠化面积比例 C4 遥感解译 0. 11
ecological safety of oasis 土壤侵蚀模数 C5 分析计算 0. 07
agricultural region in the 农田病虫害面积比例 C6 统计资料 0. 05
middle and lower 农田化肥、农药、农膜残留 C7 统计资料 0. 05
Manas River basin 10 摄氏度以上积温 C8 气象站 0. 01
年均降水量 /年均蒸发量 C9 气象站 0. 01
节水面积占播种面积比例 C10 统计资料 0. 01
年风沙灾害次数 C11 气象站 0. 01
地表水保证率 C12 统计资料 0. 14
防护林面积比例 C13 统计资料 0. 14
社会经济 B2 人均 GDP C14 统计资料 0. 20
权重:0. 30 农民人均纯收入 C15 统计资料 0. 10
棉花占播种面积的比例 C16 统计资料 0. 10
粮食作物单产 C17 统计资料 0. 10
棉花单产 C18 统计资料 0. 10
公路密度 C19 分析计算 0. 05
人口密度 C20 统计资料 0. 05
单方水农业产值 C21 分析计算 0. 20
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表 4摇 玛纳斯河流域下游荒漠区生态安全评价指标体系及权重
Table 4摇 The index system of ecological safety and its weight of desert in the lower Manas River basin
玛纳斯河流域下游荒漠区生态安全评价指
标体系 A
The index system of Ecological safety of desert
region in the lower and lower Manas
River basin
准则层
Criterion level
要素层
Element level
数据来源
Methods of data
权重
Weights
自然环境 B 地下水埋深 C1 统计资料 0. 30
权重:1. 00 植被覆盖度 C2 遥感解译 0. 20
年风沙灾害次数 C3 气象站 0. 20
沙丘前进速度 C4 统计资料 0. 30
生态系统健康评价指数采用修正后的 Costanza模型进行计算[22],其公式为:
HIi =
3 V伊O伊R (2)
式中,HIi 表示生态系统健康指数, V、O、R分别代表生态系统的活力,组织力和恢复力。
流域生态系统的活力,组织力和恢复力的计算公式则分别为:
Vi =
1
3
NDVIi
NDVImax
+
EMmin
EMi
+
DR i
DR
æ
è
ç
ö
ø
÷
max
摇 摇 Vi沂[0,1] (3)
Oi =
1
3
LDR i
LDRmax
+
UEmin
UE i
+
URmin
UR
æ
è
ç
ö
ø
÷
i
摇 摇 Oi沂[0,1] (4)
R i =
1
3
LRIi
LRImax
+
VRmin
VR i
+
VEmin
VE
æ
è
ç
ö
ø
÷
i
摇 摇 R i沂[0,1] (5)
表 5摇 玛纳斯河流域生态系统健康评价指标体系
摇 摇 Table 5摇 The index system of Ecosystem Health Assessment in Manas
River Basin
评价因素
Indicators
评价方面
Aspects 评价因子 Variable
活力 Vigor 陆地景观 归 一 化 差 异 植 被 指数, NDVI
水土流失 土壤侵蚀模数, EM
水分损失 径流深度, DR
组织力 陆地景观 景观多样性指数 LDI
Organization 水土流失 平均侵蚀模数 UE
水分损失 平均径流量 UR
恢复力 Resilience 陆地景观 景观丰富度指数 LRI
水土流失 侵蚀变化 VE
水分损失 径流变化 UR
式中,NDVi、EMi、DR i、LDR i、UE i、UR i、LRII、VR i、
VE i 分别代表流域各个评价区域的相应的评价因子
(表 5), NDVImax、DRmax、LDRmax、LRImax分别代表各个
评价区域评价因子的最大值, EMmin、UEmin、URmin、
VRmin、VEmin则分别代表各个评价区域评价因子最小
值。 以流域的各团场和乡镇为评价单元,借助于遥
感、GIS、Fragstats 等计算流域的生态系统健康指数。
2摇 结果与分析
2. 1摇 玛纳斯河流域 4 个生态类型区的生态安全综合
评价
对相关数据进行综合运算,得出玛纳斯河流域 4
个生态类型区的过去 30a的生态安全综合评价值(图
2)。
(1)玛纳斯河流域上游山区摇 1976—2006 年间,
该区的生态安全综合评价指数值总体呈先下降后上升的趋势,指数值下降了 0. 13 之多,由生态较安全区转为
预警区。
(2)玛纳斯河流域中游绿洲城市区摇 1976—2006 年间,该区的生态安全综合评价指数值总体呈先上升后
下降的趋势,由生态预警区到较安全区。 1976—2000 年间,生态安全综合评价指数值持续上升,指数值上升
高达 0. 12 以上,2000—2006 年间又有所下降,指数值下降 0郾 03 之多。 2000 年的生态安全度最高,2006 年时
则有所降低。
(3)玛纳斯河流域中下游绿洲农区摇 1976—2006 年间,该区的生态安全综合评价指数总体呈下降趋势,
指数值下降 0郾 19 之多,由生态预警区转为中警区。
(4)玛纳斯河流域下游荒漠区摇 1976—2006 年间,该区的生态安全综合评价指数总体呈下降趋势,指数
值下降了 0. 14 之多,生态安全状况在预警区间持续下降,已经接近中警状态。
5452摇 9 期 摇 摇 摇 王月健摇 等:过去 30a玛纳斯河流域生态安全格局与农业生产力演变 摇
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摇 图 2摇 过去 30 年玛纳斯河流域 4 个不同生态类型区的生态安全
综合评价指数
Fig. 2 摇 Comprehensive index of ecological safety for four
ecozones in Manas River basin over past 30 years
2. 2摇 玛纳斯河流域整体生态安全综合评价
采用修正的 Costanza 模型,处理相关数据资料,得
到过去 30a间玛纳斯河流域生态健康综合评价指数(图
3)。 1976—2006 年间,流域的生态系统的活力,组织力
和恢复力指数均呈下降趋势,其中活力指数值下降
0郾 14,组织力指数值下降 0. 11,恢复力指数值下降
0郾 17;流域的生态健康综合评价指数持续下降,降低值
高达 0. 13,表明流域的生态健康状况由健康状态转为
一般状态,且已接近不健康状态,流域生态系统的服务
功能出现了较大程度的退化,生态安全问题已经开始
显现。
2. 3摇 生态安全格局与农业生产演变之间的关系
玛纳斯河流域的生态安全水平已经明显降低,流域
的农业生产力却在高速发展,但这一切是建立在高耗水基础上进行的,为此,对流域的农业生产发展以及用水
情况进行分析(表 6)。
2006 年玛纳斯河流域的灌溉面积已达 31伊104hm2,灌溉用水量则高达 25. 03伊108 m3(表 6),农业灌溉用
水几乎达到了年均引水量的 90% (流域年均引水量为 27. 83伊108m3),而这其中,棉花的耗水达 55%以上。 为
了发展经济,玛纳斯河流域大面积推广棉花种植,特别是靠近沙漠边缘的一些区域,其棉花种植面积占耕地面
积的比例高达 80%以上,甚至达到 90% (图 4—图 5)。
图 3摇 过去 30a玛纳斯河流域生态健康综合评价指数变化
摇 Fig. 3摇 Comprehensive index of ecological health in Manas River
basin over past 30 years
图 4摇 近 20a棉花种植面积
Fig. 4摇 The area of cotton鄄growing of farm over past 20 years
大规模种植棉花为流域的经济建设起到了极大的推动作用,农业生产力得到了明显的提高。 但同时,这
导致农业需水居高不下(种值棉花的耗水量为 300m3 / 666. 7m2 左右,是粮食作物、林果和牧草的好几倍),许
多团场、乡镇在地表水的供给无法达到满足时,大量的抽取地下水来灌溉庄稼,导致地下水位持续下降,150
团、136 团、121 团的地下水埋深已经下降了 10 多米(各观测井地下水位年度变化数据分别来源于 150 团 5 连
1#,136 团 6 连 3#,121 团 19 连 2#当年 8 月水管所的监测资料)(图 6);另外,长期大规模种植单一作物,造成
6452 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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土地的质量下降,流域农区的土壤出现板结、盐渍化;多年大量施用化肥、农药、地膜造成农田白色污染、病虫
害逐年增加。 适当的调整种植业结构,增加粮食和饲草作物,减少棉花种植面积,已经被提上日程。
表 6摇 2006 年玛纳斯河流域灌溉面积及耗水量
Table 6摇 The irrigated areas and water consumption in Manas River basin 2006 year
作物类型 Agrotype 灌溉面积 The irrigated areas / 104hm2 灌溉用水量 Water consumption / 104m3
粮食 Alimentary crops 3. 69 40986. 39
棉花 Cotton 20. 97 149872. 42
其它经济作物 Other economic crops 2. 97 32986. 28
复播绿肥 Seeds repeat and green manure 1. 02 4835. 17
果林 Fruit鄄bearing forest 2. 44 18536. 46
牧草 Pasture 0. 48 3126. 78
合计 Total 31. 57 250343. 5
图 5摇 近 20a棉花种植面积占耕地面积的比例
摇 Fig. 5摇 The acerage under cotton percent of agland of farm over
past 20 years
3摇 结论与讨论
(1)本文对玛纳斯河流域过去 30a 的生态安全格
局变化进行了分析。 考虑到流域不同空间地域的生态
类型差异显著,生态安全问题不尽相同,首先进行了各
个生态类型区的生态安全评价,即分别针对各个生态类
型区构建相适宜的评价指标体系并且进行了相关评价;
在此基础上,从生态健康的角度出发,采用前人修正的
Costanza 模型,进行了流域整体的生态安全状况分析。
分析认为:过去 30a 间,除中游绿洲城市区外,上游山
区、中下游绿洲农区、下游荒漠区的生态安全状况均有
所降低,中下游绿洲农区的生态环境退化最为严重。 流
域整体的生态健康度则由健康状态转为一般状态,且已
接近不健康状态,表明过去 30a 间,玛纳斯河流域的生
图 6摇 过去 30a地下水埋深变化
摇 Fig. 6 摇 The change of groundwater depth of farm over past
30 years
态环境退化明显。
(2)玛纳斯河流域的农业生产力在过去 30a 间得
到了极大的提高。 农业生产力的提高是以大规模开发
水资源和破坏生态环境为代价而进行的,生态环境在局
部地区有所改善,整体上则在退化[19,32鄄33]。 流域的水资
源开发已经接近极限,前人的研究表明干旱区绿洲生态
安全的维持和演化直接受制于可利用的水资源量,水资
源是制约干旱区农业生态系统生产力水平的瓶
颈[34鄄35];另外,以提高初级生产力为目的(作物最高产
量)、对原有农田的生态系统实施高干预措施为特征的
集水农业,忽略了第二性生产(如森林、草原对生产力
的贡献),也破坏了原有农田生态平衡(如农田开荒会
大大降低了土壤有机质储量,农田大量施用农药、化肥、
地膜会对土地造成污染等[36鄄38] )。 从生态学上来讲,这
是不可持续的。 构建流域生态安全格局,实现农业生产
力与生态安全的协同发展是今后干旱区农业要走的必经之路。
(3)过去 30a 间,玛纳斯河流域的生态安全水平持续降低,农业的表观生产力有所提高了,而潜在的生产
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力下降了,表明生态安全格局与农业生产力的演变具有同向性。 今后,对玛纳斯河流域的经济开发建设要以
水资源的合理利用为核心,严格控制绿洲的开发规模,尤其是控制沙漠边缘的耕地开荒活动。 玛纳斯河流域
是干旱区内陆河流域的典型区域,其生态安全研究涉及诸多科学问题。 如生态安全评价指标的合理选取及其
阈值、合理的生态需水量、绿洲开发的适宜性面积、生态安全格局和农业生产力演变的时空耦合关系等将是今
后研究的重点。
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9452摇 9 期 摇 摇 摇 王月健摇 等:过去 30a玛纳斯河流域生态安全格局与农业生产力演变 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 31,No. 9 May,2011(Semimonthly)
CONTENTS
Guest Editorial from EAM Workshop———Sustainability of agricultural ecosystems in arid regions in response to climate change
LI Fengmin, Kadambot H. M Siddique, Neil C Turner, et al ( 玉 )
……
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Overview on the 2nd international workshop on ecosystem assessment and management (EAM)
LI Pufang, ZHAO Xuzhe,CHENG Zhengguo, et al (2349)
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Arid agricultural ecology in response to global change: Overview on Young Scholar Forum of the 2nd International Workshop on
EAM ZHAO Xuzhe, LI Pufang, Kadambot H. M Siddique, et al (2356)…………………………………………………………
The effects of micro鄄rainwater harvesting pattern and rainfall variability onwater ecological stoichiometry in oat (Avena sativa L. )
field QIANG Shengcai, ZHANG Hengjia, MO Fei, et al (2365)…………………………………………………………………
Spatial variation of water requirement for spring wheat in the middle reaches of Heihe River basin
WANG Yao, ZHAO Chuanyan, TIAN Fengxia, et al (2374)
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Model鄄based estimation of the canopy transpiration of Qinghai spruce (Picea crassifolia) forest in the Qilian Mountains
TIAN Fengxia, ZHAO Chuanyan, FENG Zhaodong (2383)
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Litter amount and its nutrient storage and water holding characteristics under different coniferous forest types in Xiaolong Mountain,
Gansu Province CHANG Yajun,CHEN Qi,CAO Jing,et al (2392)………………………………………………………………
Effect of irrigationfrequency on life history strategy and yield formation in Jerusalem artichoke(Helianthus tuberosus. L) in oasis
of Hexi Corridor ZHANG Hengjia, HUANG Gaobao, YANG Bin (2401)…………………………………………………………
The evaluation method of water resources sustainable utilization in Manas River Basin
YANG Guang, HE Xinlin, LI Junfeng, et al (2407)
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Correlation of topographic factors with precipitation and surface temperature in arid and cold region of Northwest China: a case
study in Gansu Province YANG Sen, SUN Guojun, HE Wenying, et al (2414)…………………………………………………
The relationship between riparian vegetation and environmental factors in Heihe River Basin
XU Shasha, SUN Guojun, LIU Huiming, et al (2421)
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Effects of drought stress on the photosynthesis of Salix paraqplesia and Hippophae rhamnoides seedlings
CAI Haixia, WU Fuzhong, YANG Wanqin (2430)
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The comparation of drought resistance between Caragana species (Caragana arborescens, C. korshinskii, C. microphylla) and two
chickpea (Cicer arietinum L. ) cultivars FANG Xiangwen,LI Fengmin, ZHANG Haina, et al (2437)……………………………
Response of chlorophyll fluorescence characteristics of Populus euphratica heteromorphic Leaves to high temperature
WANG Haizhen, HAN Lu, XU Yali,et al (2444)
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Free amino acid content in different tissues of Caragana korshinskii following all shoot removal
ZHANG Haina, FANG Xiangwen, JIANG Zhirong, et al (2454)
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“Fertile Island冶 features of soil available nutrients around Halostachys caspica shrub in the alluvial fan area of Manas River watershed
TU Jinna, XIONG Youcai, ZHANG Xia, et al (2461)
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Analysis of the activities of protective enzymes in Bidens pilosa L. inoculated with Glomus mosseae under drought stress
SONG Huixing, ZHONG Zhangcheng, YANG Wanqin,et al (2471)
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Evaluation and selectionon drought鄄resistance of germplasm resources of Avena species with different types of ploidy
PENG Yuanying, YAN Honghai,GUO Laichun, et al (2478)
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Ecophysiological mechanism of photoperiod affecting phenological period and spike differentiation in oat (Avena nuda L. )
ZHAO Baoping, ZHANG Na, REN Changzhong, et al (2492)
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Effects of water and fertilization on relationship between competitive ability and seed yield of modern and old spring wheat varieties
DU Jingqi, WEI Panpan, YUAN Ziqiang, et al (2501)
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Inhibitory effect of biogas slurry from swine farm on some vegetable pathogen
SHANG Bin, CHEN Yongxing,TAO Xiuping, et al (2509)
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Effects of different summer catch crops planting on soil inorganic N residue and leaching in greenhouse vegetable cropping system
WANG Zhiyi, GUO Ruiying, LI Fengmin (2516)
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Photosyntheticcharacterization and yield of summer corn (Zea mays L. ) during grain filling stage under different planting pattern
and population densities WEI Li, XIONG Youcai, Baoluo Ma, et al (2524)……………………………………………………
Effects of desulfurization waste treatment on calcium distribution and calcium ATPase activity in oil鄄sunflower seedlings under
alkaline stress MAO Guilian, XU Xing, ZHENG Guoqi, et al (2532)……………………………………………………………
The evolution between ecological security pattern and agricultural productive force in Manas River Basin for the past 30 years
WANG Yuejian, XU Hailiang, WANG Cheng, et al (2539)
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Spatio鄄temporal analysis of ecological carrying capacity in Jinghe Watershed based on Remote Sensing and Transfer Matrix
YUE Dongxia, DU Jun, LIU Junyan, et al (2550)
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The coupling relationship and emergy analysis of farming and grazing ecosystems in Mu Us sandland
HU Binghui, LIAO Yuncheng (2559)
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Dynamic analysis of farmland ecosystem service value and multiple regression analysis of the influence factors in Minqin Oasis
YUE Dongxia,DU Jun,GONG Jie,et al (2567)
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Environment purification service value of urban green space ecosystem in Qingdao City
ZHANG Xuliang, XU Zongjun, ZHANG Zhaohui, et al (2576)
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The spatial relationship analysis of rural per capital revenue based on GIS in Zulihe River basin, Gansu Province
XU Baoquan,SHI Weiqun (2585)
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Review and Monograph
The key issues on plant phenology under global change MO Fei, ZHAO Hong, WANG Jianyong, et al (2593)………………………
Recent advances on regional climate change by statistical downscaling methods
ZHU Hongwei, YANG Sen, ZHAO Xuzhe, et al (2602)
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Current progress in eco鄄physiology of root鄄sourced chemical signal in plant under drought stress
LI Jinan, LI Pufang, KONG Haiyan, et al (2610)
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ODAP biosynthesis: recent developments and its response to plant stress in grass pea (Lathyrus sativus L. )
ZHANG Dawei, XING Gengmei, XIONG Youcai, et al (2621)
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Currentprogress in plant ideotype research of dryland wheat (Triticum aestivum L. )
LI Pufang, CHENG Zhengguo, ZHAO Hong, et al (2631)
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Recent advances in research on drought鄄induced proteins and the related genes in wheat (Triticum aestivu L. )
ZHANG Xiaofeng, KONG Haiyan, LI Pufang, et al (2641)
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2654 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
2009 年度生物学科总被引频次和影响因子前 10 名期刊绎
(源于 2010 年版 CSTPCD数据库)
排序
Order
期刊
Journal
总被引频次
Total citation
排序
Order
期刊
Journal
影响因子
Impact factor
1 生态学报 11764
2 应用生态学报 9430
3 植物生态学报 4384
4 西北植物学报 4177
5 生态学杂志 4048
6 植物生理学通讯 3362
7
JOURNAL OF INTEGRATIVE
PLANT BIOLOGY
3327
8 MOLECULAR PLANT 1788
9 水生生物学报 1773
10 遗传学报 1667
1 生态学报 1. 812
2 植物生态学报 1. 771
3 应用生态学报 1. 733
4 生物多样性 1. 553
5 生态学杂志 1. 396
6 西北植物学报 0. 986
7 兽类学报 0. 894
8 CELL RESEARCH 0. 873
9 植物学报 0. 841
10 植物研究 0. 809
摇 绎《生态学报》 2009 年在核心版的 1964 种科技期刊排序中总被引频次 11764 次,全国排名第 1; 影响因
子 1郾 812,全国排名第 14;第 1—9 届连续 9 年入围中国百种杰出学术期刊; 中国精品科技期刊
摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
摇 摇 客座编辑 Guest Editors摇 LI Fengmin摇 XIONG Youcai摇 Neil Turner摇 Kadambot Siddique
生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 31 卷摇 第 9 期摇 (2011 年 5 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
摇
(Semimonthly,Started in 1981)
摇
Vol郾 31摇 No郾 9摇 2011
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