基于绿洲稳定性的张掖盆地适宜灌溉规模阈值研究

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00191

基于绿洲稳定性的张掖盆地适宜灌溉规模阈值研究

贺王含^,¹^,², 杨林山^,¹, 邹星怡¹^,², 王婧茹¹^,², 卢调雪¹^,², 夏鸿华¹^,²

1.中国科学院西北生态环境资源研究院干旱区生态安全与可持续发展全国重点实验室，甘肃兰州 730000

2.中国科学院大学，北京 100049

Threshold of suitable irrigation scale in Zhangye Basin based on oasis stability evaluation

He Wanghan^,¹^,², Yang Linshan^,¹, Zou Xingyi¹^,², Wang Jingru¹^,², Lu Tiaoxue¹^,², Xia Honghua¹^,²

1.State Key Laboratory of Ecological Safety and Sustainable Development in Arid Lands，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

通讯作者: 杨林山（E-mail： yanglsh08@lzb.ac.cn）

收稿日期: 2025-05-21 修回日期: 2025-07-08

基金资助:

甘肃省科技计划项目.  24JRRA079
国家自然科学基金项目.  52522901
国家自然科学基金项目.  52379030
中国科学院B类先导项目.  XDB0720202
中国科学院青年创新促进会会员项目.  2022435

Received: 2025-05-21 Revised: 2025-07-08

作者简介 About authors

贺王含（2002—），女，山西临汾人，硕士研究生，主要从事干旱区生态水文研究E-mail：hewanghan24@mails.ucas.ac.cn , E-mail：hewanghan24@mails.ucas.ac.cn

摘要

张掖盆地作为干旱区典型灌溉绿洲，其稳定性与适宜灌溉规模对区域生态安全至关重要。本研究基于2000—2020年多源下垫面资料、水文气象数据及社会经济数据，采用修正水热平衡模型与多情景分析，定量评估张掖盆地绿洲稳定性并优化灌溉规模。结果表明：（1）研究期间张掖绿洲面积扩张452.8 km²，土地利用类型转化以未利用地向耕地和建设用地的转化为主；（2）修正的绿洲稳定性评价模型较传统模型考虑了植被实际蒸散耗水，评价结果更符合实际，张掖绿洲总体处于亚稳定至稳定状态（0.736），现状灌溉规模远超绿洲适宜灌溉规模，超载面积虽持续缩减，但用水压力依然突出；（3）多情景设置表明，社会经济需求会挤占农业用水，生态保护对用水要求更严格，平衡节水效率与发展强度可在保证绿洲灌溉规模的基础上优化绿洲稳定性。研究“以水定地”，为干旱区绿洲水资源高效配置提供了科学依据，对促进干旱区经济发展、社会稳定及生态环境良性循环有重要意义。

关键词： 绿洲稳定性 ; 水热平衡 ; 适宜灌溉规模 ; 节水灌溉

Abstract

As a typical irrigated oasis in the arid regions， the stability and suitable irrigation scale of Zhangye Basin are critical to regional ecological security. Based on multi-source underlying surface data， hydrometeorological records， and socioeconomic statistics from 2000 to 2020， this study quantitatively evaluated oasis stability and optimized irrigation scale using a modified water-heat balance model and multi-scenario analysis. The results indicate：（1） During the study period， the oasis area expanded by 452.8 km² during the study period， primarily due to the conversion of unused land to cropland and construction land. （2） The modified oasis stability evaluation model considers the actual evapotranspiration consumption of vegetation more than the traditional model， and the evaluation results are more in line with reality. The overall stability of the Zhangye oasis generally exhibited sub-stable to stable （0.736）， the current irrigation scale significantly exceeded the suitable irrigation scale of the oasis. Although the overloaded area has continuously decreased， the water stress remains prominent. （3） The multi-scenario setting indicates that social and economic demands will occupy agricultural water use， while ecological conservation imposes stricter water requirements. Balancing water-saving efficiency and development intensity can optimize the oasis stability of the oasis while maintaining irrigation capacity. This study demonstrates that "determining land use based on water availability" provides scientific support for efficient water allocation in arid oasis regions， with significant implications for promoting economic development， social stability， and eco-environmental sustainability.

Keywords： oasis stability ; water-heat balance ; suitable irrigation scale ; water-saving irrigation

PDF (5154KB) 元数据多维度评价相关文章导出 EndNote| Ris| Bibtex 收藏本文

本文引用格式

贺王含, 杨林山, 邹星怡, 王婧茹, 卢调雪, 夏鸿华. 基于绿洲稳定性的张掖盆地适宜灌溉规模阈值研究. 中国沙漠[J], 2026, 46(1): 83-94 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00191

He Wanghan, Yang Linshan, Zou Xingyi, Wang Jingru, Lu Tiaoxue, Xia Honghua. Threshold of suitable irrigation scale in Zhangye Basin based on oasis stability evaluation. Journal of Desert Research[J], 2026, 46(1): 83-94 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00191

0 引言

绿洲是指荒漠中依赖有限水资源（自然降水或灌溉）维持高植被覆盖度与生产力的区域^［1］，是干旱区特有的自然与人工相结合的综合体，也是干旱区最为精华的部分^［2］。中国西北地区绿洲仅占区域总面积的5%，却集中了区域90%的人口并贡献了超过95%的地区生产总值^［3-5］，其稳定性直接关系到区域生态平衡与社会可持续发展^［6］。水资源作为绿洲系统赖以生存的命脉，其开发利用模式深刻影响着绿洲的景观结构、生态功能及演变趋势，尤其是作为干旱区社会经济用水主体的灌溉用水，是承载绿洲规模、维系绿洲稳定的关键因子^［7-9］。然而，在人口增长、经济发展与生态保护的多重压力下，绿洲规模的扩张与有限水资源供给之间的矛盾日益凸显，给绿洲稳定带来了极大的挑战^［10-11］。科学探明绿洲稳定性并确定兼顾生态安全与经济发展的绿洲适宜灌溉规模已成为协调绿洲水土资源开发与干旱区可持续发展的核心课题。

围绕干旱区内陆河流域绿洲稳定性评价与适宜耕地规模确定，学者展开了大量研究，主要是关于绿洲景观生态风险评价^［12-14］、水土资源平衡^［15-17］、生态需水量估算^［18-19］、灌溉需水量与灌溉效率优化^［20-21］等。理论方法层面，主要是利用水量平衡原理及水热平衡原理建立水资源与耕地之间的平衡关系，进而计算耕地的适宜规模。赵新风等^［22］根据水量平衡原理计算塔里木河流域不同水平年的最大灌溉面积；李婧昕等^［23］结合作物水热需求特征，以水资源为约束量化新疆昌吉绿洲不同时期耕地适宜规模及超载情况；Ye等^［24］则用水量平衡法和水热平衡法分别测算了额济纳绿洲不同来水情况下绿洲稳定性与适宜灌溉规模之间的关系。技术应用层面，随着对绿洲适宜灌溉规模与水资源量及开发利用水平之间关系的进一步认识，遥感解译、复杂网络模型等被逐步引入。柯映明等^［25］基于遥感解译的LUCC数据计算了渭干河流域的生态耗水量，在此基础上建立了适宜耕地规模评价体系；Zhang等^［26］构建了复杂网络模型分析绿洲变化的具体过程，采用水热平衡法评价了绿洲适宜规模；董义阳等^［27］构建了绿洲水循环模型，对宁夏引黄灌溉绿洲农业节水-水平衡效应生态响应的全过程进行了系统研究，揭示了农业节水灌溉变化对绿洲生态的影响。研究内容方面，不再局限于对历史时期及现状条件下的绿洲适宜规模评估，更多地聚焦于“以水定地”，通过合理的水资源配置对绿洲的未来发展做出规划指导。薛联青等^［28］综合了多层神经网络模型与水热平衡模型，基于地表径流量变化对未来绿洲适宜规模做出预测；王静等^［29］将未来不同气候情景对绿洲适宜规模的影响纳入考虑范围，进一步丰富了绿洲适宜发展规模的估算方法；邓建伟等^［17］则以农业灌溉用水量最小、粮食作物产量最大、作物经济效益最大为目标，建立了不同灌溉情景下的农业水土资源多目标优化模型，对河西走廊绿洲区灌溉水量和灌溉面积进行了联合优化配置。

尽管相关的研究方法与理论体系不断完善，但仍有两个亟待解决的关键问题。一是，实际植被耗水和参考作物蒸散对绿洲稳定性的水热影响存在差异，现有基于水热平衡的绿洲稳定性评价模型未能充分考虑，限制了气候变化背景下对绿洲稳定性的精准评价；二是，绿洲适宜灌溉规模的确定不单受自然条件的约束，人类活动的影响不可忽视。近年来，人类活动对用水结构和绿洲稳定性的扰动不断增强，但生态保护、粮食安全与经济发展的多目标权衡却存在不足，制约着绿洲水资源配置和适宜灌溉规模的优化，影响绿洲高效农业及社会可持续发展。

张掖盆地地处河西走廊，是黑河流域重要的灌溉绿洲^［30］，自2000年黑河流域管理局依据《黑河流域近期治理规划》实施生态输水工程之后，张掖盆地土地利用格局与水资源开发利用程度发生显著变化^［31］，绿洲稳定性也面临新的挑战：一方面生态输水改善了区域用水格局，另一方面农业生产用水对灌溉规模的约束加剧，亟需量化二者的协同平衡阈值。作为国家西部生态安全屏障的重要组成部分，张掖盆地肩负着农业生产与生态保护的双重功能^［32］。深入探究张掖盆地绿洲系统的稳定性，确定适宜的灌溉规模具有重要的理论和实践意义。本研究基于2000—2020年多源下垫面资料、水文气象数据及社会经济数据，以修正的水热平衡模型和多情景分析为基础，评价张掖盆地绿洲的稳定性，通过设置不同发展情景，确定兼顾生态安全、粮食产能与经济发展的适宜灌溉规模，为西北干旱区绿洲水资源优化管理和区域可持续发展提供支撑。

1 数据与方法

1.1　研究区概况

张掖盆地位于河西走廊中部，南北分别以祁连山和合黎山、龙首山为界，东南地势高，西北地势低，东接武威，西邻酒泉，北连巴丹吉林沙漠（图1）。盆地总面积约5 854 km²，涵盖甘州区、临泽县和高台县^［30］，是黑河水系冲积形成的走廊平原，也是连接古丝绸之路与亚欧大陆桥的核心枢纽。其独特的地理位置使其成为国家西部生态安全屏障的重要组成部分^［33］。作为该地区经济的骨干，张掖盆地农牧业始于汉代，唐代发展为丝绸之路重要商贸中心，明清时期成为西北军事重镇。作为古丝绸之路上的“河西第一城”，张掖以“金张掖”闻名^［34］，丹霞地貌与绿洲农耕景观构成其自然文化双重特色^［35］。盆地属于温带大陆性干旱气候，年均温7.6 ℃，年均降水量120 mm，集中于7—9月，年均蒸发量2 390 mm。研究区水资源主要依赖黑河径流，年均径流量15.8亿m³，农业用水占比高达85%。根据《张掖统计年鉴》，到2022年，研究区常住人口75.44万，农业人口占比47%，劳动力集中于种植业与畜牧业，畜牧业规模显著，大牲畜存栏76.4万头，羊存栏375.9万只。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1 张掖盆地范围及绿洲空间分布

Fig.1 The extent of Zhangye Basin and the spatial distribution of oases

1.2　数据来源及处理

本研究数据主要包括站点监测数据、遥感影像数据及再分析产品数据。其中，蒸散发数据来源于国家青藏高原科学数据中心（https：//data.tpdc.ac.cn），时间分辨率为月，空间分辨率为1 km；降水数据选取中国气象科学数据共享服务网提供的（http：//data.cma.cn）研究区内及周边气象站点观测数据；土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（https：//www.resdc.cn），空间分辨率为30 m，根据中国土地利用/土地覆盖数据的三级分类系统将研究区内土地利用类型划分为6类：耕地、林地、草地、水域、建设用地及未利用土地；DEM数据来源于国家冰川冻土沙漠科学数据中心（https：//www.ncdc.ac.cn），空间分辨率为30 m；径流数据来源于莺落峡、正义峡水文站径流实测数据；地下水资源量数据、农田灌溉亩均用水量数据、水资源开发利用率等数据等来源于2000—2020年《甘肃省水资源公报》；研究区的社会经济和人口数据来源于《张掖统计年鉴》，选取甘州区、临泽县和高台县2000—2020年的城乡居民人口数量、主要牲畜存栏数量、工业增加值等数据，用于计算研究区的非植被用水量。

1.3　研究方法

1.3.1　土地利用变化分析

为揭示研究区土地利用时空演变规律，采用土地利用转移矩阵。土地利用转移矩阵作为一种定量分析工具，可反映同一地理区域从研究初期到研究末期不同土地利用类型之间相互转化的动态过程，基于中国土地利用/土地覆盖数据的三级分类系统，利用ArcGIS软件提取研究区不同时期空间分辨率为30 m的土地利用数据，将土地利用类型划分为6类——耕地、林地、草地、水域、建设用地及未利用地，再将不同时段数据进行叠置，输出土地利用转移矩阵，在展现土地利用类型年际变化量的同时，揭示土地类型转变的方向及整个区域土地利用结构的演变过程。

1.3.2　绿洲稳定性评价指标

绿洲是干旱区内部地域分异的产物，是内陆干旱区三大地理系统山地、荒漠、绿洲之一，也是干旱区最为精华的部分^［36］。结合陈曦等^［37］对干旱区绿洲的研究，根据中国土地资源分类系统的二级分类系统标准及绿洲的发生机制，将各地类中具有较高植被盖度、人工建设与生产区域作为绿洲区域^［38-39］。

$H_{0}$ 是绿洲在一定水资源保障下的“绿度”，是反映绿洲水资源量对绿洲尺度变化的影响程度，可以作为判断绿洲是否稳定的指标。 $H_{0}$ 值越大，水分对绿洲生态的压力越小，绿洲越稳定。参照学者提出的绿洲稳定性分级标准（表1），对张掖盆地绿洲的稳定性进行评价^［40］：

表1 绿洲稳定性划分

Table 1 Classification of oasis stability

评价	H₀	绿洲规模评价	可正常维持的生态景观
超稳定	>1.00	绿洲面积可以扩大	湖泊、大面积湿地和森林
稳定	0.75~1.00	绿洲面积在有可靠措施时可谨慎扩大	森林草原或草原
亚稳定	0.50~0.75	绿洲需要较高的投入才能保持稳定	干草原和疏树草原
不稳定	<0.50	必须缩小绿洲规模以保持局部稳定	干草原

新窗口打开| 下载CSV

H_{0} = \frac{W - W^{'} + A \times r}{E T_{0} \cdot A}

（1）

式中：W为流域可利用水资源总量；W'为非植被用水量，即研究区内工业用水、畜牧用水、生活用水及生态环境用水量的总和；A为绿洲面积，包含人工绿洲和天然绿洲；r为流域年降水量； $E T_{0}$ 为按彭曼公式计算的参考作物蒸散发量，取1 143.24 mm^［41-42］。

上述公式中， $E T_{0}$ 为理想条件下的蒸散发量（水分充足、参考作物），但实际研究中，干旱区绿洲植被常处于水分胁迫状态，实际绿洲植被也不同于参考作物，因此，实际蒸散发量往往低于参考作物蒸散发量，绿洲的稳定性取决于实际水分消耗。为了消除蒸散发量误差给绿洲稳定性指标计算带来的不准确，选取实际蒸散发量 $E T$ 对公式进行进一步修正：

H_{0}^{'} = \frac{W - W^{'} + A \times r}{E T \times A}

（2）

1.3.3　适宜灌溉面积计算

在干旱区生态系统中，农业灌溉活动在绿洲耗水结构中的占比显著高于自然植被耗水量，人类活动对绿洲空间格局的调控机制主要体现在对灌溉面积的时空配置上^［8］。因此，将灌溉面积作为核心指标，量化绿洲客水资源量与灌溉需水量之间的动态关系，得到张掖盆地的适宜灌溉面积 $A_{s}$ 为：

A_{s} = \frac{W - W^{'}}{H_{0}^{*} \times E T - r}

（3）

式中： $H_{0}^{*}$ 为在绿洲生态系统保持平衡的前提下可维持的绿洲稳定程度，根据研究区的实际生态景观，将 $H_{0}^{*}$ 初步定为0.85，据此计算得到张掖盆地适宜灌溉面积 $A_{s}$ 。

1.3.4　非植被用水量分析

在绿洲稳定性指标的计算过程中，非植被用水量 $W^{'}$ 对植被生长无直接贡献，在计算中应该减去。为了精准量化非植被用水量，采用计算方法如下：

工业用水（ $W_{I}$ ）

W_{I} = V \cdot W_{V}

（4）

式中： $V$ 为工业增加值（单位：万元）； $W_{V}$ 为万元工业增加值用水量。

畜牧用水（ $W_{U}$ ）包括研究区内主要牲畜猪、牛、羊用水，根据《甘肃省水资源公报》，每头猪的饲养用水定额为35 L·d^-1，每头牛的饲养用水定额为60 L·d^-1，每只羊的饲养用水定额为9 L·d^-1，畜牧用水量计算公式为：

W_{U} = N_{A} \cdot W_{A}

（5）

式中： $N_{A}$ 为牲畜数量； $W_{A}$ 为牲畜饲养用水定额。

生活用水（ $W_{L}$ ）包括城市居民生活用水、农村居民生活用水及城市公共用水。根据《甘肃省水资源公报》，城镇居民人均生活用水定额为115 L·d^-1，农村居民生活人均用水定额为80 L·d^-1，生活用水量计算公式为：

W_{L} = N_{H} \cdot W_{H}

（6）

式中： $N_{H}$ 为城乡居民人口数量； $W_{H}$ 为城乡居民生活用水定额。

生态用水（ $W_{E}$ ）

W_{E} = W \cdot p

（7）

式中： $W$ 为可利用水资源量； $p$ 为生态用水量比例。

1.3.5　水资源开发利用情景构建

张掖盆地是黑河中游典型的农业和人口集中区，城市化发展对水量需求较大，同时随着生态保护意识的加强，用水结构也在不断变化。本研究以张掖盆地多年平均可利用水量为基础，人为设置水资源开发利用的3种情景（表2），进一步探讨不同发展模式下用水情况对绿洲稳定性及适宜灌溉规模的影响^［43］。

表2 用水情景设置 (10⁸ m³)

Table 2 Water usage scenario setting

用水情景	水资源总量	畜牧用水量	生活用水量	工业用水量	生态用水量	降雨量	植被用水量
经济发展优先情景	12.813	0.174	0.618	1.522	0.276	4.168	14.391
生态发展优先情景	12.813	0.174	0.618	1.268	0.331	4.168	14.590
经济发展兼顾生态保护情景	12.813	0.174	0.618	1.395	0.303	4.168	14.491

新窗口打开| 下载CSV

经济发展优先情景：在水资源总量不变的基础上，将工业用水量提高20%，以保证经济优先发展；生态保护优先情景：通过将生态用水量提高20%，同时严格控制工业开发强度不变，测算生态约束下的用水情况；经济发展兼顾生态保护情景：将工业用水与生态用水分别提高10%，以实现经济发展与生态系统保护的动态均衡。

2 结果与分析

2.1　土地利用时空演变特征

张掖盆地土地利用类型的空间分布差异显著（图2），低海拔河谷地区以耕地、建设用地为主，高海拔地区以草地、未利用地为主，水域自东向西贯穿全域。根据5期土地利用空间分布变化，2000—2020年研究区土地利用类型的分布格局变化不显著，未利用地始终为主导类型（表3），占总面积的40.71%~48.44%；耕地次之，占31.11%~37.29%；草地占总面积的11.77%~12.79%；水域、建设用地和林地的面积占比较小，均小于5%。2000—2020年，面积变化显著的地类为未利用地、耕地和建设用地，分别减少452.4 km²、增加361.5 km²及增加85.3 km²。建设用地的土地利用动态度最高，为2.58%，耕地和未利用地的土地利用动态度分别为0.99%和-0.80%。土地利用转移以未利用地向耕地与建设用地的转化、耕地向建设用地的转化以及草地与其他地类的局部转化为主。

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2 土地利用分布格局及时空演变

Fig.2 Land use distribution pattern and temporal and spatial evolution

表3 张掖盆地土地利用类型面积

Table 3 Statistics analysis of the area for the land use types in Zhangye Basin

土地利用类型	2000年		2005年		2010年		2015年		2020年
土地利用类型	面积/km²	比例/%	面积/km²	比例/%	面积/km²	比例/%	面积/km²	比例/%	面积/km²	比例/%
耕地	1 821.2	31.11	1 974.1	33.72	2 105.7	35.97	2 148.0	36.69	2 182.7	37.29
林地	107.4	1.83	92.9	1.59	81.2	1.39	79.6	1.36	79.8	1.36
草地	740.5	12.65	722.8	12.35	700.0	11.96	688.9	11.77	748.9	12.79
水域	184.6	3.15	188.9	3.23	189.2	3.23	195.5	3.34	209.9	3.59
建设用地	165.1	2.82	173.6	2.96	183.6	3.14	209.0	3.57	250.4	4.28
未利用地	2 835.6	48.44	2 702.2	46.16	2 594.5	44.32	2 533.5	43.28	2 383.2	40.71

新窗口打开| 下载CSV

2.2　绿洲稳定性

2.2.1　绿洲可利用水资源变化过程

2000—2020年，张掖盆地多年平均降雨量为4.168×10⁸ m³，年际变化较大，但总体上升缓慢，最低值出现在2004年，最高值出现在2007年（图3）。多年平均地下水资源量为1.720×10⁸ m³，在2002—2004年与2008—2016年持续下降，2016年到达最低值，之后开始回升。张掖盆地多年平均地表水资源量为11.093×10⁸ m³，总体呈上升趋势，但年际波动较大。多年平均可利用水资源总量为12.813×10⁸ m³，变化趋势与地表水资源基本一致，说明地表水主导可利用水资源量的变化。

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3 2000—2020年张掖盆地降雨量与水资源量变化

Fig.3 Rainfall and water resources changes in the Zhangye Basin from 2000 to 2020

2.2.2　用水量变化过程

张掖盆地植被用水为主导用水，多年均值为14.645×10⁸ m³，最高值出现在2007年，最低值出现在2004年（图4）。非植被用水多年均值为2.336×10⁸ m³，其中，工业用水占比最高（54.28%），其变化与非植被用水总量高度耦合，均在2013年达峰（3.049×10⁸ m³）后显著下降；畜牧用水占比最低，多年平均值为0.174×10⁸ m³，以2013年为界呈先增后减趋势；生活用水量在2010—2013年增速达到峰值，2018年起开始回落；生态环境用水量在研究时段内持续增长，2013年后增速显著提升，展现出对生态环境用水需求的高度重视。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4 2000—2020年张掖盆地用水量变化

Fig.4 Water consumption changes in Zhangye Basin from 2000 to 2020

2.2.3　绿洲稳定性评价

基于参考作物蒸发蒸腾量计算的绿洲稳定性指标 $H_{0}$ 在研究期内均值为0.219（图5），表明绿洲处于不稳定状态。然而，结合实际观测数据和现场调研，过去20年张掖绿洲面积并未显著缩减，表明绿洲稳定性未受到影响，证实利用参考作物蒸发蒸腾量计算所得的绿洲稳定性指标 $H_{0}$ 偏低。经公式修正后，研究区绿洲稳定性指标 $H_{0}^{'}$ 为0.570~0.874，平均0.736，年际变化较大。2000—2004年，绿洲稳定性持续降低，随后升高，2007年达到最高值，之后波动下降，至2011年，绿洲稳定性指标 $H_{0}^{'}$ 达到最低值，随后开始缓慢回升。绿洲稳定性指标 $H_{0}^{'}$ 的波动情况与可利用水资源量的变化大体一致，说明水资源是影响绿洲稳定的关键因子。评估结果表明，研究区绿洲介于亚稳定状态与稳定状态之间。

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5 2000—2020年张掖盆地绿洲稳定性指标变化

Fig.5 Oasis stability index changes of Zhangye Basin from 2000 to 2020

2.3　不同情景下的绿洲适宜灌溉面积

考虑到张掖盆地绿洲干旱特征及生态脆弱性，最终确定维持绿洲生态平衡的 $H_{0}^{*}$ 阈值为0.85。张掖盆地绿洲适宜灌溉面积呈波动增长，从2000年的1 317.2 km²逐步提升至2020年的1 330.6 km²（图6）。2010年之前，绿洲适宜灌溉面积波动较大，2010年后，随着水资源利用效率的不断优化，灌溉面积增长逐步稳定。同期超载灌溉面积呈现波动下降趋势，极值出现在2007年（169.3 km²）和2011年（1 450.8 km²），进一步验证了图5绿洲稳定性评价结果。研究表明水热条件对绿洲稳定性有正向调节作用，水热条件趋于平衡时，绿洲更稳定，可承载的适宜灌溉面积越大。

图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6 2000—2020年张掖盆地灌溉面积超载情况

Fig.6 Analysis of irrigation area overload in Zhangye Basin from 2000 to 2020

灌溉用水是绿洲稳定的核心调控因子，其合理配置对保障区域灌溉用水，调控绿洲适宜灌溉面积有重要意义。本文通过构建3种用水情景，结合节水效率探讨绿洲适宜灌溉面积与水资源的关系（图7）。图7A显示，水资源总量为适宜灌溉面积的核心约束因子，但提升节水效率可降低单位面积灌溉用水量，从而扩大适宜灌溉面积。图7B~D对比不同情景绿洲适宜灌溉面积与 $H_{0}^{*}$ 的关系：生态保护优先情景下需大幅减少绿洲灌溉面积以维持绿洲稳定性指数 $H_{0}^{*}$ 在0.75~1.00，此外，可承载适宜灌溉面积随着节水强度的提高而增大，这是因为较高的节水强度意味着更严格的用水限制，提高了水资源对绿洲灌溉面积扩张的限制；经济发展优先情景中，绿洲实际灌溉面积与适宜面积之间的差距小于生态保护优先情景，表明经济发展的用水需求低于生态保护，适度放宽用水限制可确保经济活动的可持续性；协调发展情景通过提高节水效率和平衡水资源配置，可在灌溉规模稳定前提下确保绿洲稳定，有效协调绿洲生态保护与经济发展的空间需求。

图7

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图7 不同情景下绿洲适宜灌溉面积分析

注：节水系数0.9、0.8、0.7、0.6指节水后的灌溉用水量，分别是实际灌溉用水量的90%、80%、70%、60%。

Fig.7 Analysis of appropriate irrigation areas for oasis in different scenarios

现状灌溉面积显著超出绿洲适宜灌溉规模，威胁绿洲稳定（图8）。相较于用水情景差异，节水技术对绿洲适宜灌溉规模的调控更显著，但过高的节水系数可能抑制作物生理生态过程。因此，基于多情景模型，建议采用适度节水系数优化用水效率与灌溉需求，以维持绿洲灌溉面积与稳定性之间的动态平衡，确保研究区绿洲可持续发展。

图8

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图8 不同情景下节水灌溉系数对灌溉面积的影响分析

Fig.8 Analysis of the impact of water-saving irrigation coefficient on irrigation area in different scenarios

3 讨论

张掖盆地是黑河流域主要的经济区和用水区^［32］，是实现“一带一路”倡议的关键保障，也是保障西北地区生态安全的重要屏障^［44］。本研究基于多源下垫面资料、水文气象数据及社会经济数据，构建了绿洲稳定性综合评价体系，系统揭示2000—2020年绿洲水土资源演变特征及驱动机制。结果表明，张掖盆地绿洲规模持续扩大，耕地与建设用地扩张，未利用土地缩减。从研究区内部土地利用类型转化来看，城镇化进程中人口集聚与产业扩张促使建设用地以2.58%的高动态度向外蔓延^［45］。国家耕地保护政策与后备耕地资源开发战略则直接推动了未利用地向耕地的转化。同时，伴随黑河水域灌溉系统优化，耕地向边缘未利用土地或草地扩展，面积持续扩大。这种扩张一定程度上保障了粮食安全和经济发展，但也加剧了区域水资源压力，易造成小流域土壤侵蚀、荒漠化和土地退化，并对生态系统构成潜在威胁^［46］。水资源演变方面，研究区水资源总量受地表水主导且波动显著^［47］，多年平均地表水资源11.093×10⁸ m³，主要受气候要素引起的上游来水量变化影响^［48-49］。地下水呈现阶段性显著衰减，2002—2004年与2008—2016年降幅较大，这可能是由于同期农业灌溉用水量增加导致地下水开采强度升高^［50-53］，工业用水作为非植被用水的主导用水类型（54.28%），在2013年后显著下降，有力印证了《甘肃省实行最严格水资源管理制度考核办法》的政策效力，表明严格的用水控制可推动节水事业的发展。此外，生态环境用水的阶梯式增长则暗示着水资源配置向生态-经济协同模式转型的积极趋势，这种转变与黑河流域生态调度工程的实施密切相关，体现了对生态环境保护的重视和投入的增加^［54-56］。

“以水定地”确定绿洲适宜灌溉规模是干旱区经济发展、社会稳定及生态环境良性循环的基础^［57］。传统研究基于参考作物蒸散发量计算所得的绿洲稳定性指标低估了水资源对绿洲生态系统的支撑能力，这与程玉菲等^［58］关于黑河中游平原区陆面蒸散发的研究结论一致。本研究通过引入实际植被蒸散发，弥补了传统模型中热量估算不准确的缺陷，使稳定性均值从0.219提升至0.736，更客观地反映了绿洲水资源对生态系统的实际支撑能力，证实了实际蒸散发数据在干旱区生态水文评估中的重要性。

通过构建多情景模拟体系，本研究揭示了不同调控策略下绿洲灌溉规模动态平衡机制：在生态优先情景下，维持H₀为0.85，需在节水系数为0.7的情况下压缩灌溉面积至实际值的84.6%，短期内对农业生产和社会经济冲击巨大，意味着张掖盆地生态恢复面临严峻的空间压缩代价。经济优先情景下，维持H₀≥0.85，绿洲灌溉面积仍需要压缩7.2%，凸显出经济增长与资源约束的深层矛盾^［59］。协调发展情景下，通过平衡节水效率与开发强度，可在灌溉规模稳定的前提下有效确保绿洲稳定性^［60］，与倡导的水-粮-生态协同模式具有可比性^［55］。根据图8，相较于用水情景差异，节水技术对绿洲适宜灌溉规模的调控效应更显著，表明灌溉效率的提高可有效提升农业水土资源匹配程度^［61］。基于以上研究结果，结合多情景模拟体系，对绿洲稳定性提高与灌溉规模优化给出建议如下：①严控用水格局：以水资源承载能力为刚性约束，通过明晰保障绿洲稳定和可持续发展的生产生态用水量，强化地下水开采管控等措施，科学调控用水结构与规模，保障水资源可持续利用^［19］。②推广节水技术：调整灌溉制度，加强节水灌溉理论与技术研究，缓解张掖盆地农业用水压力，同时需警惕过度节水导致农业收益下降引发的社会风险^［62-63］。③优化种植结构：根据不同作物在不同生长期的需水情况调整农业种植结构，以提高农业用水效率，保障绿洲稳定和可持续发展^［64-65］。

本研究虽然优化了绿洲稳定性评价体系，但仍存在一些局限性：①多情景模拟仅考虑历史数据，未纳入未来情景预测，难以探讨气候变化对水资源量的长期演变规律及其调控机制。②在非植被用水量核算方面，非植被用水量的核算精度有待提高，未来可结合遥感动态监测等技术提升数据时空分辨率与准确性，有助于更科学地进行水资源管理。③当前模型侧重水土资源平衡与生态稳定性耦合，未来应耦合粮食安全阈值、经济效益、社会公平等社会经济指标，构建多目标优化模型，实现生态-生产-生活系统的协同演进，为绿洲的综合管理和可持续发展提供更全面的决策支持。

4 结论

张掖盆地作为河西走廊典型的绿洲农业区，其生态稳定性对区域可持续发展至关重要。本研究通过分析2000—2020年水土资源利用过程及绿洲稳定性指标，旨在揭示绿洲演变特征与驱动机制，提出灌溉规模优化策略。

2000—2020年，张掖盆地土地利用类型以未利用地、耕地为主，建设用地扩张显著，动态度达2.58%，未利用地减少452.4 km²，耕地增加361.5 km²，政策驱动的未利用地开垦与城镇化发展是主要驱动力。

修正模型考虑了植被实际蒸散耗水，评价显示绿洲介于亚稳定与稳定状态，现状灌溉规模远超适宜规模阈值，亟需优化水资源配置以缓解生态压力。

多情景设置揭示社会经济需求会挤占农业用水，生态保护对用水要求更严格，为实现绿洲稳定需进一步平衡节水效率与灌溉规模。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

Liu

， Sun

， Zhao

，et al.

Physicochemical properties of surface sediments in the Taklimakan Desert，northwestern China，and their relationship with oasis-desert evolution

［J］.Catena，2022，208：105751.