近年来，敦煌盆地依赖地下水的生态环境问题日趋严重，突出表现为植被退化、湿地萎缩、沙漠化范围扩大及程度加剧等。对于依赖地下水的生态系统问题，不同学者多是从单一学科进行深入研究，学科交叉研究程度较低，难以全面掌握地下水动态变化的生态环境效应，更无法从水文地质学角度对研究区生态环境退化的原因给出科学解释和分析，也不能揭示研究区地下水变化的水文地质生态环境效应的关键所在。　　 以往研究依赖地下水的生态环境问题，均是直接将研究区植被参数与地下水参数建立相关关系。在干旱与半干旱地区，由于植被直接吸收利用的多是土壤水，而同样的潜水埋深下，不同的包气带岩性结构可能有着不同的土壤水分分布格局，进而影响植被的生长发育。因此，如果忽视包气带岩性结构对依赖地下水生态系统的影响，研究成果则缺乏明确的水文地质学意义，也缺乏对水资源调控与管理的实际指导意义。　　 天然植被是敦煌盆地最为关键的生态要素之一，天然植被的生长发育程度直接影响敦煌盆地的生态环境效应。敦煌盆地是一个复杂的依赖地下水的水文地质巨系统，需要结合系统科学理论进行深入解释和分析。前人的研究思路和确立的经验型模型是否合适？如果不合适，那么敦煌盆地的地下水—天然植被关系系统到底存在什么内在关系？这些问题的科学解释和结论，将是揭示研究区依赖地下水生态环境效应的关键所在。　　 在上述背景下，论文以研究区包气带岩性结构作为依赖地下水的生态系统基本单元，以系统科学理论为指导，遥感技术为主要手段，结合水文地质、环境地质等，初步开展了敦煌盆地依赖地下水的生态环境系统研究。首先，划分了研究区包气带岩性结构类型，并以包气带为生态系统基本单元，分析了研究区近35年来的土地覆盖类型及景观格局变化及过程，并详细阐述了研究区典型植被类型的景观格局表现，总结了依赖地下水的生态环境退化特征;其次，以遥感反演的植被覆盖度图像为基础，采用统计学方法和“像元”尺度方法，深入分析了典型包气带地下水对植被生长的控制作用，并深刻揭示了植被生长与地下水之间的系统性特征，为研究区水资源调控与管理，以及生态安全和环境保护提供支撑。　　 1、研究区近35年来不同包气带土地覆盖和景观格局变化过程分析及生态环境退化特征　　 (1)研究区包气带岩性结构的类型划分。根据研究区地貌特征及实际通行条件，在不同的地貌单元及植被梯度分异特征明显的地区，用开挖探坑的形式完成了65个点位的包气带岩性调查，并收集了1980年水文水文地质图及报告中描述的研究区包气带岩性钻孔剖面。根据这些钻孔数据，将敦煌盆地包气带岩性结构划分为5种不同的类型，分别是:①湖积盐壳—粘土型;②冲湖积/湖积盐壳—粉砂—粘土型;③冲湖积/冲积粉砂—砂质粘土型;④冲湖积/湖积粉砂—细中砂型;⑤冲积砾石—粗砂型。　　 (2)土地覆盖及景观格局变化过程信息获取。结合研究区概况及所采用遥感数据的空间分辨率，确定了研究区土地覆盖类型的遥感分类体系，共分为9种，分别为:天然植被，天然水域，裸地，盐碱滩，农田及人工林地，居民及建设用地，獐茅，沙化土地，人工水库。利用Landsat长时间序列数据和人工神经元网络算法，获取了1975、1990、2000、2010年度及1975-2010、1975-1990、1990-2000、2000-2010年等4个时间段的土地覆盖类型变化信息。此外，还获取了1990、2000、2010年等3个年度的典型植被物种的空间分布格局，这些典型植被物种分别为:红柳、胡杨、骆驼刺、芦苇、獐茅;选择斑块数量等11种有独立相关性和生态学意义的景观格局指数，计算了这5种植被的景观格局指数，并获取了变化信息。　　 (3)研究区生态环境退化特征及不同包气带结构间的差异性研究。通过对土地覆盖类型及植被物种景观格局演化过程的生态学分析，总结了研究区依赖地下水的生态环境退化特征及其变化程度的差异。主要结论如下:①天然植被退化严重;②湖泊湿地萎缩严重;③沙化土地等裸地面积增大;④土地沙漠化程度加剧。并从地下水动态变化角度初步分析了这些生态环境退化的原因。其次，以包气带岩性结构类型为生态系统基本单元，以土地覆盖类型变化幅度为指标，分析了不同包气带类型的土地退化程度的差异性，主要结论如下:①各包气带内植被均呈现不同程度的退化，但是盐壳—粘土型包气带植被面积退化幅度最大，相应地其裸地面积增幅最大;②作为研究区重要的湿地类型之一，盐壳-粘土型包气带和粉砂-砂质粘土型包气带的盐碱滩面积在减少，减少幅度最大的为粉砂-砂质粘土型包气带;③天然水域面积几乎都在不同程度地降低;④有獐茅生存发育的包气带内，其面积也在不同程度地降低，这从侧面说明了湖泊湿地面积在不断地萎缩;⑤在所有包气带类型中，盐壳—粉砂—粘土型的沙化土地增加幅度最大。　　 2、地下水对植被生长控制作用的遥感统计学研究　　 (1)研究区植被覆盖度的遥感定量反演。以转换型土壤调节植被指数为基础，采用像元二分模型，基于RapidEye数据反演了研究区的植被覆盖度;用野外实地测量的植被覆盖度为参考数据，评价了遥感反演的植被覆盖度精度。结果表明，反演的和实地测量的植被覆盖度之间的相关系数达到0.98。该成果为后续依赖地下水的生态系统研究提供了联系纽带，并且为表征植被生长的植被密度、平均植被覆盖度等特征参量提供了最基本的数据支撑。　　 (2)地下水对植被生长控制作用的遥感研究。选择位于东湖自然保护区的冲湖积盐壳—粉砂—粘土型包气带为研究单元，以植被覆盖度、植被密度和平均植被覆盖度为植被特征参量，以地下水埋深、地下水矿化度和主要水化学特征离子为地下水特征参量，利用“阈值统计模式”，开展了依赖地下水的地下水—植被生长关系的遥感统计学研究。主要结论如下:　　 (1)当潜水埋深小于0.4m时，地下水矿化度相对较小，对植被的胁迫作用相对较轻，植被密度大于93.2％，植被生长状况较好;(2)当潜水埋深位于0.4-1m时，地下水矿化度较大，平均值为24.79g/L左右，植被密度从93.2％急剧减小到45.3％，说明此埋深区间地下水矿化度对植被生长的胁迫作用非常显著，潜水埋深对植被生长的影响则处于次要地位;(3)当潜水埋深位于1-2.2m时，植被生长受潜水埋深和矿化度的协同作用影响，且两者的排序发生了变化。具体地:①当潜水埋深位于1-1.8m时，植被密度随潜水埋深的增大而减小，地下水矿化度随潜水埋深的增大而减小，这表明植被发育受埋深和矿化度的共同作用，且盐分对植被生长的胁迫作用逐渐减弱，而水分胁迫作用逐渐变强;②当潜水埋深位于1.8-2.2m时，随着地下水矿化度的进一步降低，它对植被的盐分胁迫作用进一步减弱，已经让位于水分胁迫作用，而研究区2m左右的潜水埋深基本上还能供给植被生存所需的水分，所以植被密度又恢复到潜水埋深为1m时的水平。也就是说，植被生长特征参量对地下水潜水埋深和地下水矿化度特征参量的响应是非线性的，潜水埋深和地下水矿化度均能作为主导因素控制天然植被的生长发育。　　 3、基于“像元尺度模式”的干旱/半干旱区地下水—天然植被生长关系的系统研究同样选择上述包气带岩性结构，利用“像元尺度模式”，对植被特征参量和地下水特征参量的空间关系进行了系统分析。主要结论如下:　　 (1)该包气带岩性结构内，地下水控制植被生长的主要因素为潜水埋深、矿化度、SO42-、Cl-、Na+、Ca2+、Mg2+。　　 (2)植被生长对地下水潜水埋深和水化学特征变化的响应存在随机性、确定性和混沌特征。宏观上看，植被覆盖度随潜水埋深和地下水水化学特征的变化具有确定性，如随着潜水埋深和主要水化学离子浓度的不断增加，植被总体演化方向是确定的，即向着荒漠化方向发展。微观上看，植被生长对地下水潜水埋深和水化学离子变化的响应又是随机性的，不能由给定的潜水埋深或者水化学特征值确定出植被覆盖度;类似地，如果基于潜水埋深或者地下水水化学特征空间向量变化来推断植被的演化方向，也无法确定出唯一的演化方向，而会发现随地下水水化学特征浓度的增大，植被覆盖度的未来变化可能会沿着许多不同的路径进行，甚至会出现混沌现象。　　 (3)依赖地下水的地下水—天然植被系统具有非常显著的非线性特征。即潜水埋深或者地下水水化学特征参量的变化不一定造成植被覆盖度等植被生长特征参量的等比例变化。总体上，论文提出的“像元尺度模式”，能够打破地下水科学研究中长期以来一直存在的研究数据“尺度不匹配”的问题，能够获取依赖地下水的地下水—天然植被系统之间的系统性特征。该系统是由多个相互作用的要素构成的复杂非线性系统，具有高度的内在随机性，无法用数学模型进行定量描述。当该系统远离平衡态时，控制系统状态的并不是某单一要素，而是多种要素的组合，要素组合的微小涨落可能导致系统状态的较大差异，并且系统状态的变化不具有等比例变化特征。这也进一步体现了植被生长的复杂性，无法从简单的系统框架中得出确定性的结论。