耦合水文—生态分区与VOR框架的塔里木河流域生态系统健康时空格局及多尺度驱动力

《Ecological Indicators》：The ecosystem health of Tarim river basin: Spatiotemporal patterns and driving forces

　　

为弥补上述空白，研究人员选择塔里木河流域作为研究对象，并在径流生成区—径流消耗区—荒漠区水文—生态分区框架内，基于活力—组织—韧性（Vigor–Organization–Resilience, VOR）模型系统评估2000—2023年生态系统健康的时空演变。研究人员进一步利用Theil–Sen斜率估计、Mann–Kendall检验、变异系数（Coefficient of Variation, CV）和Hurst指数刻画生态系统健康的趋势、稳定性与统计持续性，并采用地理探测器（GeoDetector）方法在流域尺度和子区尺度识别主导驱动因子及其交互效应。此外，空间显式评估正日益转化为空间规划实践；在Türkiye，经济价值供给型生态系统服务的热点分析被用于在空间规划层级中优先划定区域。这种评估—规划联系进一步推动本研究通过其水文—生态分区框架和差异化治理建议实施基于分区的治理。研究目标是为塔里木河流域分区生态保护与适应性治理提供科学依据，并为类似干旱区内陆河流域的生态系统恢复与可持续发展提供理论参考。

论文解读

生态系统健康是生态系统稳定性与可持续性的重要指示，既包括系统结构与功能的完整性，也包括对外部胁迫的恢复力及支撑人类福祉的能力。干旱区生态系统受降水稀缺、蒸发强烈、植被稀疏和土壤肥力低等自然条件限制，通常高度脆弱、恢复缓慢，对人类活动与气候变化极为敏感。塔里木河流域是典型干旱区内陆河系统，在维持区域生物多样性、供水安全与碳固持方面具有不可替代作用，但其生态系统长期承受人类活动与气候变化复合压力。流域径流消耗区灌溉耕地显著扩张，由20世纪70年代约491 km²增至2020年1382 km²；棉花等高耗水作物占主导，农业用水占流域总用水90%以上，挤占下游自然生态系统生态需水。草地退化、冰川退缩和河道干涸等问题突出。已有研究存在三方面不足：一是长期评估多截至2020年或更早，缺乏覆盖2000—2023年的多十年评估；二是空间分异分析多按行政单元或山地—绿洲—荒漠单元，较少采用径流生成区—径流消耗区—荒漠区水文过程分区框架；三是驱动力归因多关注单因子，对热液与人类活动因子交互效应及其分区、分时变化定量不足。因此，研究人员开展本研究，旨在揭示流域生态系统健康时空演变与驱动机制，为分区生态保护与适应性治理提供依据，并为类似干旱区内陆河流域恢复与可持续发展提供参考。

在方法上，研究人员基于VOR框架构建生态系统健康指数（Ecosystem Health Index, EHI），以植被覆盖度（Fractional Vegetation Cover, FVC）表征活力，以香农多样性指数（Shannon Diversity Index, SHDI）、面积加权平均斑块分形维数（Area–Weighted Mean Patch Fractal Dimension Index, AWMPFD）、蔓延度指数（Contagion Index, CONTAG）和景观分割度指数（Landscape Division Index, DIVISION）表征组织力，以土地利用类型面积加权韧性指数表征恢复力，并取三者几何均值。趋势与稳定性采用Theil–Sen、Mann–Kendall、CV和Hurst指数；驱动力采用GeoDetector单因子与交互探测，指标包括高程、坡度、坡向、年均温、年降水、年蒸发、人口密度和夜间灯光。数据来自国家青藏高原科学数据中心、中国土地覆盖数据集（CLCD）、中国科学院资源环境科学数据中心、地理空间数据云等；塔里木河流域边界来自National Qinghai–Xizang Plateau Scientific Data Center。该研究无传统样本队列，主要使用多源栅格与土地利用数据。

研究结果如下。3.1 生态系统健康时空演变（Spatiotemporal evolution of ecosystem health）。3.1.1 生态系统健康空间格局（Spatial pattern of ecosystem health）：基于VOR评估，2000—2023年EHI空间分布与土地利用高度一致，高值区主要位于径流生成区和径流消耗区中部，低值区广泛分布于荒漠区，EHI一般低于0.246；高海拔山地也有低值。趋势分析表明，流域整体EHI基本稳定但局部波动，slope范围为?0.113至0.085，仅约4.7%区域通过0.05显著性检验；上升区占13.89%，下降区占86.11%。显著变化区占15.98%（p<0.1），其中下降占13.76%，上升占2.22%。绿洲带和部分山前边缘呈显著增加，荒漠腹地、干河床和废弃河道边缘及高海拔源头区呈下降。统计汇总显示，流域多年平均EHI为0.245，标准差约0.15，呈早期略升、中期下降、后期相对稳定的三阶段；径流生成区均值多高于0.3，径流消耗区在0.25—0.35波动，荒漠区低于0.25。3.1.2 生态系统健康时空动态（Spatiotemporal dynamics of ecosystem health）：按非等距阈值分为Poor、Relatively poor、Average、Good、Excellent五级。径流生成区以Poor和Relatively poor为主，但Average以上比例略升；径流消耗区Average以上稳定在20%—25%；荒漠区超过95%区域持续为Poor。等级转移以相邻等级渐变为主，跨级跳较少。2000—2005年总体改善，2005—2010年逆转，2010—2015年稳定波动，2015—2020年恢复改善，2020—2023年趋于稳定。径流消耗区等级变化最活跃，45.78%面积发生转移；径流生成区以正向演替为主；荒漠区少于3%像素变级且以下降为主。跨级剧变仅占1.60%，多数变化为相邻等级渐变。3.1.3 生态系统健康空间稳定性与潜在未来趋势（Spatial stability and potential future tendencies of ecosystem health）：CV显示中等稳定区占40.57%，较高稳定区占33.38%，较低稳定区占24.48%，高稳定区占1.57%。Hurst指数显示强持续区占88.09%，弱持续区占10.14%，反持续区不足2%。趋势—持续性耦合分析表明，持续严重退化区占72.26%，持续改善区占13.52%；在假设历史条件持续时，约78.34%区域呈潜在持续退化，18.43%呈潜在持续改善，3.23%基本稳定。研究人员强调，Hurst结果反映统计持续性，并非确定性预测，水利干预可改变未来轨迹。

3.2 生态系统健康驱动力分析（Driving force analysis of ecosystem health）。3.2.1 单因子探测（Single–factor detection analysis）：GeoDetector结果具有尺度效应和年际变化。流域尺度上，2000年年均温X₄解释力最强（q=0.083）；随后年降水X₅和年蒸发X₆交替最强，q分别升至0.177和0.146；高程X₁保持中等解释力（q=0.023—0.119）；人口密度X₇在2000—2020年低于0.02，2023年升至0.049；夜间灯光X₈始终低于0.005。子区上，径流生成区由地形主导转向气候主导，2010年后X₆主导，X₇在2023年升至0.050；径流消耗区X₅与X₆最强并交替第一；荒漠区X₆绝对主导，q持续高于0.38。3.2.2 交互探测（Interaction detection analysis）：所有双因子交互q均高于单因子，主要为双因子增强和非线性增强。流域尺度上，热液交互增强；2023年X₇∩X₈升至0.049。径流生成区早期X₁∩X₄最高，后转为X₆∩X₅和X₆∩X₄；径流消耗区X₆∩X₅最突出，X₅∩X₇上升；荒漠区X₆相关交互持续主导，2000年X₆∩X₅=0.679、X₆∩X₄=0.670、X₆∩X₁=0.663，均为非线性增强。总体呈现三类交互：早期热液—地形耦合、径流消耗区热液耦合增强、荒漠区蒸发中心交互主导。

讨论部分认为，塔里木河流域EHI以中低水平为主、高值集中于绿洲斑块、低值集中于荒漠，这与西北干旱内陆河流域VOR评估结果一致。与石羊河、乌梁素海等相比，塔里木河流域主导因子更偏水相关而非纯热力：年降水X₅和年蒸发X₆交替最强，蒸发中心交互在荒漠区和径流消耗区最突出。机制上，山区冰雪融水与地形降水维持高值，但4000 m以上低温与稀疏植被限制活力；径流消耗区供水支持绿洲农业与河岸植被，形成最高EHI；荒漠区极端干旱限制活力、组织力和恢复力。绿洲改善与生态输水、灌溉维护有关，荒漠退化与径流减少、地下水位下降和蒸发增强有关。生态输水工程自2000年代初累计向下游输送约8.79 billion m³，抬升地下水并恢复胡杨林，但受益局限于狭窄河岸走廊。政策上，径流生成区应保护脆弱改善系统，限制放牧开垦、保护冰川水源，高海拔>4000 m区域作为维持型区域；径流消耗区应管理蒸发面与耗水，采用渠道衬砌、滴灌、覆膜和排水排盐，控制地下水埋深，稳定绿洲面积与用水配额；荒漠区应以遏制和风险控制为主，围封保护残存植被、防止地下水下降、沙障仅用于保护绿洲或通道，生态输水限于下游窄河岸走廊。监测应分区、基于指标开展。局限包括：活力仅用FVC，未纳入净初级生产力（Net Primary Productivity, NPP）、水分利用效率（Water Use Efficiency, WUE）或日光诱导叶绿素荧光（Solar–Induced Chlorophyll Fluorescence, SIF）；GeoDetector识别空间关联而非因果；1 km分辨率可能平均掉细尺度过程；分级阈值和Hurst持续性具有不确定性；未纳入径流、地下水、生态输水、灌溉取水、冰川融水等直接水文变量；三分区可能掩盖内部异质性。论文作者为Zixiang Ma、Yu He、Changjiang Zhang、Tiancheng Wang和Weipeng Chao。

研究结论部分翻译如下：(1) 塔里木河流域生态系统健康空间分布呈显著集聚，表现为“西部山区高值、东部腹地低值、绿洲斑块散布、荒漠连片广布”。高值区集中在径流生成区及其绿洲带，中值区散布于径流消耗区近高原处，低值区分布于荒漠区和径流生成区高原区。时间上，流域平均EHI仅呈轻微年际波动，全流域无明显长期上升趋势。(2) 生态系统健康等级组成总体稳定，低值等级Poor和Relatively poor占主导，高值等级Good和Excellent仅占小部分。部分Poor和Relatively poor逐渐转为Average和Good，反映局部生态恢复而非全流域退化逆转。三类水文—生态单元等级转换差异明显：径流消耗区转换最活跃、局部改善最强，径流生成区总体正向但相对稳定，荒漠区高度稳定且无明显改善迹象。总体上，塔里木河流域呈退化导向的总体格局，并伴随局部生态恢复。(3) 生态系统健康空间分异与多个地理因子相关，关联强度具有明显时空和分区异质性。年蒸发、年降水、高程、年均温和人口密度是关联最强因子，但其q统计量随时间和水文—生态单元变化。径流生成区主导关联因子由高程转向气候变量；径流消耗区与降水、蒸发和人类用水联合相关；荒漠区蒸发关联最强。交互探测确认因子对组合关联强于单因子关联，热液组合和蒸发中心组合在三个区均最强。