0 引言
在干旱区，山地-绿洲-荒漠构成了独特的自然景观系统。山地是绿洲水资源的来源地、林牧业的承载区，更蕴藏了干旱区主要的矿产、生物与文化资源［5-6］。然而，长期以来针对山地生态安全内在机制的研究不足，导致对水热平衡与生态格局、生态规模与水文效应、生态功能与生产功能、资源保护与开发等关系的认识仍较模糊，科学研究滞后于生态治理实践，陷入“一放就乱、一管就死”的困境［7-8］。历史时期森林砍伐、草地过牧、无序采矿与大规模开垦等，严重削弱了山地生态屏障功能；而后续全面封禁措施，也在一定程度上影响了生态系统服务功能的发挥［9-11］。因此，深入解析生态过程与水循环的耦合机制，明确气候变化与人类活动的影响，揭示不同生态-水文单元的水热配置格局与生态安全机理，是践行“绿水青山就是金山银山”理念、构建区域生态屏障的关键科学基础［12-13］。
绿洲是干旱区人类生产生活的主要空间，其稳定发展长期受水资源约束，提升水资源利用效率是绿洲可持续发展的核心课题［14］。当前，中国已在绿洲水土资源高效利用方面形成多项技术模式，但在水资源短缺与生态退化双重压力下，实现生产力提升、资源高效利用、生态保护与系统稳定等多目标协同仍面临挑战［15-16］。例如，膜下滴灌技术虽可实现节水增产，但也带来土壤盐分累积与次生盐渍化风险；玉米、棉花连作虽保障短期收益，却加剧土壤微生物区系失衡与耕地退化。此外，下游尾闾湖区因水资源过度开发，出现河道断流、湖泊萎缩、地下水位下降等问题，引发荒漠河岸林退化、生物多样性丧失和沙漠化加剧，已成为区域生态治理的难点。因此，通过产业结构调整、产业链延伸与生态产业发展，创新绿洲发展模式、提高居民收入，既是绿洲可持续发展的必然方向，也是实现干旱区内陆河流域系统调控的重要路径［17］。
综上，推动山地-绿洲-荒漠系统协调发展，是干旱区落实“美丽中国”战略的关键议题。依托国家重点研发计划和中国科学院战略性先导科技专项课题，本研究团队聚焦流域水资源优化配置、绿洲发展模式创新及生态保育与修复技术研发，系统构建了山地-绿洲-荒漠协同发展模式，为干旱区内陆河流域的可持续发展提供了坚实的科学支撑。
1 山地生态修复与管理
1.1 山地受损生态系统快速修复与重建技术
针对祁连山露天开采矿区的高陡边坡土壤和植被修复难度大、成本高、周期长、系统稳定性差等瓶颈问题，研发形成了5项适用于寒区高陡边坡土壤和植被快速修复技术：①高陡边坡土壤快速修复技术。通过坑穴或营养钵方式进行局部修复，坑穴内填充客土与边坡基质土，并联合施用微生物菌剂与改良剂，以提高土壤酶活性与微生物群落多样性，改善土壤结构与肥力，促进土壤-微生物-根际-植物的良性循环，从而消除植被恢复障碍，为植物定植创造有利条件［18］。②缓坡灌草植被重建技术（坡度<40°）。基于边坡生境调查，以恢复近自然群落为目标，筛选耐寒、耐旱、耐贫瘠的适生植物。灌木适宜种沙棘、金露梅、四翅滨藜等；草本适宜种马蔺、冰草、早熟禾、披碱草、芨芨草等根系发达的多年生品种，构建灌草结合的稳定群落。③陡峭岩质开挖面生态修复技术（坡度>40°）。采用灌草+营养钵+穴栽模式，在装有土壤基质的营养钵（长45 cm、直径25 cm）内培育幼龄灌木，并配合施用根际益生菌与长效保水剂；根际益生菌施入土壤后能快速增殖形成优势种群，通过代谢活动促进植物养分吸收，同时增强植物的抗逆能力。④滑坡体边坡生态修复技术。集成暗管排水+工程护坡+土工格室客土栽培。首先通过暗管导出边坡内壤中流；坡底以石块构筑护坡地基（厚度与宽度比约1∶3）；土工格室内填充基质土，并施加根际益生菌与保水剂；格室内可选栽沙棘、金露梅等灌木，或搭配马蔺、冰草等多年生草本（图1）。⑤高陡边坡暗渠排水+灌溉技术。将排水与灌溉系统相结合，既可减少水土流失、维护坡体稳定，又能为边坡植被提供灌溉水源，显著降低管护成本，有效解决矿坑积水与植被修复缺水的矛盾。
图1
图1
滑坡体边坡生态修复结构及方法
Fig.1
Ecological restoration structure and methods for landslide slopes
1.2 青海云杉人工林建设与抚育管理技术
基于激光雷达和土地利用数据提取了青海云杉林斑块的空间分布特征。结果表明森林斑块主要分布于N、NE和NW 3个坡向，占森林斑块总面积75.4%；在坡度上，森林斑块主要分布在15°~45°，占森林总面积81.4%；在海拔上，森林斑块主要分布在海拔2 700~3 300 m，占森林总面积97.5%［19-20］。上述结果揭示了青海云杉天然林空间分布与地形参数的关系，也为近自然人工林建设空间布局提供了阈值范围。另外，坡向以NE、NW为主的半阴坡，天然林斑块面积占整个坡面面积的45%~80%，平均值为64%。这表明在半阴坡进行人工林建设时，应根据坡面面积布设64%左右的人工林斑块，而不宜大面积连片覆盖整个坡面。
1.3 草地退化程度判别及休牧管理技术
传粉是陆地生态系统中至关重要的动植物互作环节，直接调控着植物种群动态［24-25］。在高寒草地生态系统中，植物、传粉昆虫与土壤动物之间的相互作用深刻影响着群落的生物量与多样性，因而可作为表征草地退化程度的关键指标［26-27］。我们提出了一种基于传粉昆虫与土壤节肢动物数量动态、指导退化草地实施间歇休牧的方法。研究表明，当以狼毒为代表的毒杂草优势度达到一定水平（D为3~5）后，传粉昆虫多度急剧下降；与此同时，土壤节肢动物数量也开始减少（D=5时数量最大，每收集器为137只）。因此，将毒杂草优势度D=5定为植物与生物组分互作关系的转折点，此时草地地上生物量降至最低，可作为草地退化的阈值。当毒杂草优势度达到D=5时，建议在盛花期实施休牧15 d。此举有助于维持传粉昆虫多样性，促进虫媒授粉，支持土壤动物与植物多样性恢复，并逐步提升地上生物量。盛花期随海拔变化而调整，例如低海拔区集中于7月中上旬，高海拔区则相应推迟约1周。休牧时间需结合实际物候观测予以确定。
2 绿洲水土资源高效利用
2.1 绿洲扩张及其驱动机制
西北干旱区人工绿洲面积自1955年的2.5×10⁴ km²持续增长，至2020年已达14.8×10⁴ km²［28］。其中耕地面积增长最为显著，由1960年的4.5×10⁴ km²扩大至2020年的13.0×10⁴ km²。绿洲扩张与不同时期的政策导向密切相关：1955—1960年，新疆生产建设兵团垦荒推动绿洲面积增加3.3×10⁴ km²。1990—2005年，在市场经济快速发展的驱动下，绿洲面积共增加3.1×10⁴ km²，其中1990—2000年扩张尤为显著；2000—2005年，在退耕还林政策背景下，受西部移民及耕地向西北、东北转移的影响，绿洲面积继续增加。2015—2020年，绿洲面积进一步增长1.2×10⁴ km²，主要源于城市、交通及光伏用地扩展。30余年来，该区域绿洲已从1985年的7.5×10⁴ km²扩展至2020年的14.8×10⁴ km²。然而，新垦绿洲普遍存在防护体系薄弱、土壤贫瘠、沙化与盐渍化等问题，制约了绿洲的稳定性与可持续发展。
2.2 绿洲地力提升技术
在厘清新垦绿洲稳定性提升的关键制约因素的基础上，以培肥地力提高水效益、融合天然植被和人工植被构建防护体系为理念，研发形成了3项技术：①集生物炭利用和秸秆快速腐解还田提升土壤持水力、凹凸棒缓释控失肥平衡施用降低水肥淋失、地表水地下水时空联合调配优化水资源配置等为一体的水肥高效利用技术，使水生产力提高了10%~15%［29］。②集农田废弃物和生物菌肥应用促进沙地土壤团聚体形成、芽孢杆菌菌肥应用消减棉花连作障碍等为主要措施的盐沙复合型贫瘠土地地力提升技术，实现了地力提升1~2个等级［30-31］。③利用农林剩余物木屑经高温热解后得到的木醋液、棉秆炭、稻壳炭均匀混合的炭肥，研发形成了木醋液改良盐渍化土地技术，显著降低了土壤全盐含量（0.24~1.46 g·kg-1），增加了土壤有机质含量（12.71%~17.87%）［32］。
2.3 优化绿洲农业空间布局，提高农业水资源的利用效率
绿洲尺度，结合水土资源禀赋及空间分异特征，构建了高值农业+循环农业+生态农业绿洲农业布局模式（图2）。在河流、渠系周边土地肥沃、灌溉便利的绿洲核心区，农业布局以高产值经济作物的“高值农业”为主体，通过发展立体种植、多熟种植、间作复种等模式提高单位面积土地产出，并结合现代化高效灌溉体系建设提高单方水的产值［33］。在土壤肥力瘠薄的绿洲边缘区，农业布局以粮-饲种植结构为主并结合一定规模畜牧业的“循环农业”，通过粮改饲、草田轮作等模式的推广支持畜牧业发展，缩减一定比例的种植业，减少绿洲边缘区地下水的开采，并通过改良地力、培肥土壤降低边缘区沙质土壤对水资源的损耗。在绿洲外围防护区，农业布局以农-林-牧复合的“生态农业”为主体，通过发展林草、林果、林药间作以及林下养殖等农业模式提升绿洲防护体系效益产出，促进农业与第三产业融合，通过创造额外经济价值来提高防护区生态建设用水效益。
图2
图2
高值农业+循环农业+生态农业的绿洲农业布局
Fig.2
Oasis agriculture layout integrating high-value agriculture， circular agriculture， and eco-agriculture
3 荒漠生态保育与防护体系优化
3.1 荒漠绿洲过渡带人工固沙梭梭林地土壤演变过程
固沙梭梭种植后，随着梭梭生长发育以及对流沙的固定、降尘的截获、地表凋落物的积累以及根系的周转，会导致表层土壤黏粉粒含量增加、结皮层形成、土壤有机碳和氮、磷养分随种植年限的逐渐积累，特别是在林下表现出明显的养分富集［34-35］。40年梭梭林地0~10 cm土层黏、粉粒含量较相邻流动沙地分别提高6.75%和7.03%，10~20 cm土层分别提高5.28%和5.19%。随梭梭生长年限的增加，土壤剖面中盐分逐渐积累，6、9、16年和40年梭梭林0~100 cm土层平均含盐量分别是未造林流动沙地的1.28、1.66、5.40、6.50倍［36］。随着梭梭生长，土壤盐分的积累速率远超养分的积累，这种植物与土壤的相互作用有正反馈效应，如养分的积累；也存在负反馈效应，如盐分的过度积累，影响其他植物种的生长发育［37］。因此固沙梭梭林在经历40年后仍未能形成由草本和灌木组成稳定的多层次植被生态系统。固沙植被建植40年后，土壤从干旱砂质新成土向干旱正常新成土发育，随着盐分的进一步积累和干旱区钙化过程，最终可能演变为钙积正常干旱土。
3.2 天然植被与人工植被融合建植技术
基于对河西走廊中段荒漠-绿洲过渡带植被建设的研究与实践，综合考虑天然植被分布格局、不同灌木水分利用来源、繁殖扩展特性及种间相互作用，提出适用于年降水量低于120 mm干旱区绿洲外围的人工固沙植被与天然植被融合建植技术体系［38-40］。技术要点包括：过渡带天然植被与人工植被的配置格局设计；梭梭与沙拐枣、梭梭与泡泡刺等人工与天然植被的融合建植；绿洲外围前沿阻沙带中泡泡刺与草本植物沙蒿的复合配置。该技术体系在最大限度保护天然植被的基础上，构建出梭梭-泡泡刺、沙拐枣-梭梭、泡泡刺-沙拐枣-梭梭、泡泡刺-沙蒿等人工与天然植被有机融合的群落结构，形成了梭梭（株高>2 m）、沙拐枣（0.5~1.5 m）、泡泡刺与沙蒿（0.1~0.5 m）的多层次冠层（图3），有效增强了防风固沙功能。
图3
图3
梭梭与泡泡刺融合建植技术示范
Fig.3
Demonstration of integrated planting techniques for Haloxylon ammodendron and Nitraria sphaerocarpa
3.3 坚持“以水定植被”原则，注重荒漠生态系统保育
水资源是干旱区经济发展和生态建设的命脉，而干旱区荒漠戈壁的面积非常广阔，若不坚持“以水定植被”的生态建设原则，将有限水资源投入到广阔地域的生态建设中，不仅生态系统难以为继、有违科学规律，也会制约干旱区经济社会的可持续发展。干旱区植树造林的重点区域应是人类居住区域（城区、村镇周边）、绿洲防护体系、风沙侵袭危害严重及具有重大国防、经济及生态建设意义的区域。绿洲边缘造林应以耐旱的“雨养植被”为主，而不是速生的柳树、杨树等高耗水树种［41］。在此基础上，优先保护天然植被，融合天然植被和人工植被，降低防护体系耗水量，提升防护效益。对远离绿洲、人烟稀少的荒漠戈壁应以自然植被生长为主，尽量减少人工干预。
4 山地-绿洲-荒漠协同发展模式
4.1 内陆河流域山地-绿洲-荒漠系统耦合关系
西北干旱区内陆河流域的景观组分主要包括山地、荒漠、绿洲、水系与道路五大类型。其中，荒漠景观作为基底，分布最广，反映了长期自然演化的结果；山地与绿洲以斑块形式镶嵌其中，而水系与道路作为廊道，沟通不同景观单元，成为物质循环、能量转化和信息交换的重要界面［42］。山地、绿洲与荒漠以水为纽带，通过直接或间接的耦合，构成了独特的山地-绿洲-荒漠复合生态系统。山地与荒漠、荒漠与绿洲之间直接耦合，而山地与绿洲间的相互作用则需要借助水系和道路的媒介。这些界面的物质、能量及信息过程，深刻影响着内陆河流域的结构与功能［42］。人类活动的介入，使得该系统进一步演变为复杂的人地系统［43］。在该复合系统中，山地-荒漠、荒漠-绿洲间的耦合关系是维系系统健康与生态安全的关键所在。
4.2 山地-绿洲-荒漠协同发展模式
内陆河流域山地的“湿岛效应”，支撑着供给水资源的水文功能和生物多样性保护功能。例如位于青藏高原北缘的祁连山，每年约有70亿m3的出山径流，灌溉了近10万km2的农田、林地和草场，保障了500多万人的生产生活用水。干旱区广袤的荒漠及点缀在荒漠中的绿洲占内陆河流域面积60%以上，降水量一般不超过200 mm。其中占荒漠面积不到10%的绿洲不仅是干旱区人类生存的主要空间，也是干旱区主要的物质财富聚集之地。如果荒漠不能够稳定，不仅会威胁绿洲的安全，而且动摇山地周边的生态安全基础。因此，在内陆河流域应合理配置水-生态-经济格局，实现山地-绿洲-荒漠的协同发展（图4），走向生态保护与经济发展的双赢之路，需要实现以下几个方面的协同。
图4
图4
内陆河流域山地-绿洲-荒漠协同关系
Fig.4
Synergistic relationships among mountains， oases， and deserts in an inland river basin
4.2.1 生态系统结构与功能的协同
水是内陆河流域的纽带，就整个内陆河流域而言，水主要来源于山区，在山前绿洲利用后消失在尾闾湖区。因此，维持山区生态系统的完整性和原真性不仅是保护山区生物多样性的需要，也是维持山地水文水资源效应、保障荒漠生态系统稳定和绿洲可持续发展的需要。冰川、冻土是内陆河山地的固体水源，冰川一般占出山径流10%~40%［44］。长期观测表明，在降水量400 mm的条件下森林蒸发量与降水量基本一致，森林植被形成的径流量十分有限，高寒草甸和高寒灌丛是小流域内径流的主要贡献者［45］。山前草原带虽然不会产生大量的径流，但大面积开垦为农田，也会影响径流的形成。据初步估算，山丹军马场在山前冷凉地区的4万hm2耕地使得每年下泄的径流减少2 000万m3左右［46］。在浅山区过度营造人工林、冷凉地区发展种植业为主的农业生产将会减少出山径流量。高寒草甸过度放牧，会引起冻融区荒漠化，同样会改变水循环格局，影响径流的形成［47］。
在荒漠绿洲区域，应优先保护原生植被群落结构，减少人为扰动，并依据实地水分条件，在适宜区域建立以梭梭、沙拐枣等为主体的低耗水荒漠河岸植被带。多年监测数据显示，在年降水量低于120 mm的区域，梭梭与沙拐枣混合栽植可使植被覆盖度提高15%~25%，土壤风蚀量降低30%以上。针对环巴丹吉林沙漠边缘，综合生态保护与治理需求，建议在原有荒漠植被保护基础上，构建以梭梭、沙拐枣、柽柳、泡泡刺等乡土植物为核心，辅以草方格沙障固沙的雨养型人工植被带。调查表明，该配置模式下，3年生梭梭与沙拐枣混交林冠层高1.5~2.2 m，风沙流强度显著降低，且无需灌溉即可维持正常生长，符合干旱区低干扰生态修复导向［17］。因此，在内陆河流域生态建设中，应基于实地观测与数据支撑，科学选择树种与配置模式，在维持生态系统原真性的前提下，实现结构稳定与功能协同的区域生态安全目标。
4.2.2 生态用水与生产用水的协同
生态需水量是指维系特定区域内天然及防护性人工生态系统所需的水量。研究表明，内陆河流域水资源中生态用水比例宜保持在30%~40%，生产用水不宜超过60%。受生态系统地下水依赖性与干旱适应能力差异的影响，生态需水量存在一定弹性，波动幅度可达20%。浅层地下水对干旱区植被生存至关重要，但其有效性受埋深制约。当地下水埋深超出植物根系吸收范围且无补给时，植被将面临死亡风险，此即“临界生态地下水位”［48］。值得注意的是，依赖地下水的植被仍与地表水文过程密切相关。例如，荒漠河岸林主要树种胡杨虽可利用地下水维持生长与无性繁殖，但其有性繁殖须在洪水过程后才能完成。因此，内陆河流域应推动生态与生产用水的协同配置，既要在总量上协调，也要根据生态系统需水规律实施“错峰”供水，即农作物生育期水资源优先保障生产，非生育期则侧重生态用水。绿洲建设与生态保护应遵循以下原则：以生态用水为约束，确定人工补充灌溉植被的规模；依据局地降水再分配特征，确定雨养天然植被的抚育与补植强度。例如，在70%水资源开发利用条件下，河西走廊绿洲规模宜控制在1.50×10⁴ km²，有效灌溉耕地面积上限为0.64×10⁴ km²［17］。
4.2.3 水-生态-经济系统的协同
内陆河流域人水矛盾日益突出。例如，塔里木河流域人均水资源量为4 700 m³，疏勒河为2 100 m³，黑河为1 300 m³，而石羊河仅为800 m³。以黑河中游绿洲为例，开垦1 hm2耕地需水约7 500 m³，其中近30%用于防护林及相关生态用水。尽管“以水定绿洲、以水定发展”已成为共识，但目前绿洲农业用水占比仍普遍超过80%，在石羊河、黑河等人水矛盾突出的区域，这一模式难以持续。近年受气候变化影响，出山径流有所增加，加上地下水利用强度上升，短期缓解了用水压力，但长远仍需推动绿洲发展模式转型。荒漠区现有灌溉林业虽能改善局部环境，却加剧了水资源短缺，因此应转向以保护原生植被为主，仅在有固沙需求的区域适度发展雨养型人工植被。种植结构调整同样关键：压缩高耗水、低效益作物，转向高附加值特色种植与配套深加工，并在绿洲内部或绿洲-山地间推动农牧耦合体系，提升水资源利用效率。绿洲边缘荒漠区可适度发展设施农业以提升效益，但必须遵循国土空间规划。水是刚性约束，生态是基础，经济是可持续目标。实现水-生态-经济系统协同管理，是内陆河流域可持续发展的根本方向。
4.2.4 流域上中下游间水资源配置的协同
为了实现流域内上、中、下游的协同，需合理分配上、中、下游用水总量，将绿洲水资源的20%~30%作为生态用水。例如，参考河西走廊石羊河、黑河和疏勒河等流域历史自然属性，根据自然保护区、生物栖息、农业生产、工业生产、生态环境维护等重点功能区划分，考虑不同流域阶段的空间关系、周边开发强度和用地功能，分析流域内水系的社会服务功能需求，各流域上游地区以保持水源涵养能力为主，水资源利用量不超过10%；中游地区以实现区域社会经济服务功能为主，维持生态系统稳定为辅，水资源利用量控制在30%~40%；下游地区以保障生态系统稳定和区域生态安全为主，生产生活用水为辅，水资源利用量控制在20%~30%；剩余20%~40%的水资源量作为机动用水量。绿洲尺度上生态用水应该保证在20%~30%，用水区域重点布局在流域中下游地区。在绿洲生态用水总量约束下，优化绿洲系统林田湖草沙体系用水分配，将河西走廊每公顷绿洲用水量维持在6 000~9 000 m3，以此确定绿洲防护体系的规模、结构和空间配置，实现有限水资源条件绿洲稳定和农业可持续的目标。
5 结论
山地应优先发挥水文调节与生物多样性保护功能，在不破坏生态系统原真性的前提下，适度开展旅游、科普与合理放牧，实现“以用促保”。绿洲则应以生产与人居为核心功能，通过科学配置水土资源，协同生产与生态用水、地表水与地下水管理、上下游水资源分配，保障系统可持续发展。荒漠作为内陆河流域主体，须坚持以保护为主导，重点维持合理地下水位，保护荒漠植被的稳定水文环境。生态建设应以绿洲、交通线及重点设施的防护为目标，优先发展雨养耐旱型固沙植被，严格控制灌溉林业规模。在流域尺度上，应以水资源为主线，合理控制绿洲规模，通过压缩农田用水、提升社会经济发展多样性等方式提高水效益。同时，借鉴适应性管理理念，统筹短期调控与长期策略，对水资源实施科学动态管理，最终实现全流域水-生态-经济系统的协同发展。
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