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2025 , Vol. 42 >Issue 7: 1313 - 1322

DOI: https://doi.org/10.13866/j.azr.2025.07.14

Ecology and Environment

Ecological management zoning in the Ili River Valley based on supply and demand of water supply services

  • HU Jiran , 1 ,
  • YAO Juan , 1 ,
  • XIONG Changjiang 2
Expand
  • 1. School of Economics and Business, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, Xinjiang, China
  • 2. College of Agricultural and Rural Development, Henan University of Finance and Economics and Law, Zhengzhou 450016, Henan, China

Received date: 2024-11-13

  Revised date: 2025-04-23

  Online published: 2025-08-13

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Abstract

Water supply services sustain the survival and development of human society and are key to promoting the construction of China’s ecological civilization and the high-quality development of river basins. As a significant component of ecosystem services, it is central to ensuring the stability of watershed ecosystems and promoting the construction of ecological civilization in arid and semi-arid regions. This study focuses on the Ili River Valley in Xinjiang, analyzing the equilibrium characteristics of water supply and demand from 2005 to 2020. Using statistical yearbook and remote-sensing data, we apply models of water supply services, the water resources security index (FSI), and supply-demand matching analysis. The results indicate: (1) The FSI of the Ili River Valley fluctuates from “rising to falling,” and the supply-demand balance exhibits a three-stage evolution from “general deficit to general surplus to deficit persistence.” The spatial difference is significant: five counties and cities continue to deficit (i.e., Yining City, Yining County, Huocheng County, Qapqal Xibe Autonomous County, and Xinyuan County), while three counties and one city (i.e., Nilek County, Tekes County, Zhaosu County, and the city of Horgos [2020]) maintain the surplus that appeared in 2010 during the surplus inflection point. (2) The match between water supply and demand presents three dominant types: “low supply-high demand,” “low supply-low demand,” and “high supply-low demand.” The spatial distribution of supply-demand matching types is differentiated by gradients in the east, middle, and west. Counties and cities with the same matching types display spatial agglomeration and industrial convergence. They are significantly driven by the regional economic structure, which manifests in the following ways: the livestock areas with superior ecological fundamentals maintain a high supply capacity, while the arable land-intensive agricultural areas continue to face high demand pressure. To support regional sustainable development, this study analyzes county-level water supply-demand matching in the Ili River Valley, considering socioeconomic and natural geographic factors. Based on the analysis, ecological management zones—conservation, control, and improvement—are defined to promote integrated development, ecosystem sustainability, and efficient water resource use.

Key words： water supply services; supply-demand relationship; ecological zoning; Ili River Valley

Cite this article

HU Jiran , YAO Juan , XIONG Changjiang . Ecological management zoning in the Ili River Valley based on supply and demand of water supply services[J]. Arid Zone Research, 2025 , 42(7) : 1313 -1322 . DOI: 10.13866/j.azr.2025.07.14

21世纪“水”已然成为全世界共同关注的焦点，清洁饮水已被列入联合国2030年可持续发展目标之中[1]。水供给服务作为生态系统服务的主要构成部分，在保障我国干旱半干旱地区流域生态系统稳定与推进生态文明建设进程中扮演着举足轻重的角色[2]。伊犁河谷地区作为中哈跨境的内陆河流域区域，也是丝绸之路经济带生态保护的重点区域，其水资源安全不仅对社会经济发展和“一带一路”生态环境建设具有重要战略价值，还在抵御洪水、调节径流、蓄洪防旱等方面起到关键作用。其作为新疆南北疆地区的重要集水区[3]，涵养水源和水质净化功能是全疆各族人民赖以生存和发展的资源与环境基础[4]，保障其生产、生活和生态用水安全成为首要任务。然而，随着该地农业耕地面积的扩张，灌溉用水量的大幅增加挤占了生态、生活用水空间，而低效的水资源开发利用又使得水资源结构性短缺[5]，造成生态系统水供给服务供需严重失衡[6]。与此同时，气候变化、人类活动更加剧了流域生态风险，引发了地下水位下降、水土流失、生物多样性减少等生态环境问题[7-9]，继而削弱了流域生态系统的水供给服务能力[10]，严重阻碍了社会、经济、生态整体利益的协同发展。显然，水资源低效利用及生态环境破坏等一系列问题的产生并非凭借水供给服务的供给端或需求端的“一己之力”，而是供需双方共同作用的结果。因此，全面剖析伊犁河谷水供给服务的供需关系是协调好水资源开发与利用之间矛盾，推动水资源优化配置和高效利用的基本前提，也是进行流域水生态系统管理的有力依据。
生态系统服务供需量化评估与空间制图是生态系统服务研究领域的前沿和热点[11]。国外学者主要依靠土地利用估计[12]、生态过程模拟[13]、数据空间叠置[14]、专家经验判别[15]、InVEST模型[16]、ARIES模型[17]等方法来评估全球或区域尺度不同生态系统服务的供需水平。近年来，国内学者关于生态系统服务供需关系的实证研究也取得了较为丰富的成果，尤其在水供给服务供需研究方面，学者们多以包括遥感数据、气象观测、土地利用等在内的多源数据为基础，选取西南喀斯特地区[18]、云南小江流域[19]、湟水流域[20]、太行山区[21]、黄土高原[22]、泾河流域[23]等地为研究区域，采用RUSLE、CASA、SWAT和Z-score指数模型等多种方法，探究水供给服务的供需时空匹配特征[24]与流动规律[25]；亦或是借助系统动力学模型[26]、水资源供需双侧调控[27]、供需比等模型[28]分析流域水资源的供需平衡状况[29]。相关研究证明，水供给服务供需是维系其水资源系统良性循环的重要保障[30]，也是预估水资源短缺风险的基础要素[31]，对水资源具有强烈的控制与引导作用[32]。适当调整引水量，推广节水理念和技术，是全面提高水资源配置效率的途径[33]。
综上所述，学者们已尝试采用不同方法对水供给服务供需问题展开了多尺度研究。然而现有研究仍存在以下不足：（1） 多数研究集中在供给侧或需求侧，缺乏对供需两侧关系的系统研究；（2） 生物物理模型方法对高精度数据要求较高，难以精准识别空间尺度差异下的供需矛盾；（3） 已有的水供给服务供需研究多与其他生态系统服务一同讨论，缺乏针对性，难以精准识别水供给服务的供需矛盾。因此，本文以伊犁河谷为研究区，采用多源数据和多种模型相结合的方法，构建水供给服务实际供给和实际需求系统，全面地评估其供需关系。聚焦于伊犁河谷水供给服务的供需时空匹配特征、不同空间尺度下的供需匹配差异及其优化措施，旨在为保障水资源安全，推进流域高质量发展提供理论借鉴。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

伊犁河谷（80°09′~84°56′E，42°14′~44°50′N）地处天山山脉西段（图1），流域面积5.64×104 km2，海拔560~1400 m。受三面环山、西向开口的喇叭状地形影响，西风带水汽在此抬升形成区域性降水，年均降水量215~800 mm[34]，年均最高气温10.9 ℃[35]，日照时数2870 h，构成新疆独特的湿润小气候区，素有“西域湿岛”之称。地貌垂直分异显著：低山带为春秋牧场，中山带分布云杉林，高山带为夏季牧场。生态系统保存第四纪冰川孑遗植物，现存野果林集中分布于巩留县、新源县等地，流域内天然草场逾2000×104 hm2，种子植物达3000余种。水文系统以伊犁河为主体，其径流源于永久性冰川补给，特克斯河、巩乃斯河及喀什河三大支流均发源于高海拔山地。行政区划涵盖伊宁、霍尔果斯两市及伊宁县等八县。该流域水供给服务以地表水为主导，呈现典型山地-流域耦合特征，其完整的生态系统结构维系着农牧林业生产系统的稳定性，该地区种植玉米、小麦、水稻等作物，是新疆重要的粮食生产基地[36]。
图1 伊犁河谷地区示意图

注：底图采用国家地理信息公共服务平台标准地图制作，审图号为GS(2024)0650号，对底图边界无修改。图(b)中的空白处为可克达拉市，因该市成立不久，相关数据缺少，不在本研究范围内。下同。

Fig. 1 Schematic diagram of the location of the Ili River Valley

1.2 数据来源

1.2.1 遥感数据

本文所使用的气象数据包括研究区逐日的气压、相对湿度、太阳辐射、风速、日照时数、最高温度和最低温度，来自中国气象数据共享网（http://data.cma.cn/），采用专业的气象差值软件ANUSPLIN批量插值，得到研究区日尺度的分辨率为1 km的气候栅格数据，主要用来计算潜在蒸散发和年降水数据。NDVI下载于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/），采用最大合成法提取每年12月中的NDVI最大值，从而合成逐年NDVI数据。NPP采用CASA模型计算，通过植物的光合有效辐射和实际光能利用率两个因子来表示，得到空间分辨率1 km的NPP数据。土地利用数据、土壤数据水系数据和数字高程模型（DEM）等均下载于资源环境科学与数字中心（http://www.resdc.cn/），其中土地利用数据包括2005年、2010年、2015年和2020年共四期数据，空间分辨率为1 km。

1.2.2 统计年鉴数据

文中使用的人口、GDP、第一产业用水、第二产业用水、第三产业用水及生活用水等相关数据均来自《新疆统计年鉴》（2006—2021）、《伊犁哈萨克自治州统计年鉴》（2006—2021）、2020年《新疆维吾尔自治区统计公报》以及《新疆水资源统计公报》。其中，霍尔果斯市统计数据始于2018年，2005—2015年水供给服务需求数据尚未被年鉴统计，因此，只计算霍尔果斯市2020年的水资源安全指数。

1.3 研究方法

1.3.1 水供给服务供给与需求量化

水供给服务供给量化利用InVEST模型产水模块，根据水量平衡原理[37]，基于气候、地形和土地利用/土地覆被，利用降水量减去实际蒸散量计算每个栅格的径流量。涉及的植被蒸散系数、Zhang系数、植被有效可利用水量、根系深度、最大土壤厚度等参数参考相关研究的经验值[38-39]。公式如下：
Y x j = 1 - A E T x j P x P x
式中： Y x j为植被覆盖类型j上栅格单元x的年均产水量（mm）； P x为栅格单元x的年均降水量（mm）； A E T x j为土地利用/土地覆被类型j上栅格单元x的年均实际蒸散发量（mm）。水供给服务需求量计算参考欧维新等[40]量化太湖流域水供给服务需求的方法。主要包括人类从事生产及生活的水资源消耗量，不包括植被吸收、河流下渗等其他过程消耗的水资源。由于生态用水量占比最少，在此忽略不计。水供给服务需求模型主要包括四大类：第一产业用水、第二产业用水、第三产业用水和居民生活用水。

1.3.2 水资源安全指数模型

采用水资源安全指数刻画伊犁河谷水供给服务的“供-需”平衡关系[41]，即对供需比求常用对数，增加供需矛盾差异在空间上的可视性与比较性，以揭示2005—2020年伊犁河谷水供给服务的盈余或赤字情况。参考Li等[42]学者的研究，计算公式如下：
F S I i = l g S i D i
式中：i表示河谷内的县/市； S i表示第i个县/市水供给服务的供给量； D i表示第i个县/市的水供给服务的需求量。当FSI>0时，水供给服务盈余；当FSI<0时，水供给服务短缺；当FSI=0时，水供给服务供需平衡。在借鉴陈登帅等[41]把水资源安全指数划分为4类的基础上，本文将供需比阈值划分为7类，以更加清晰量化水供给服务的供需平衡状况，如表1所示。
表1 水供给服务“供-需”平衡状况分级标准

Tab. 1 Classification criteria for the “supply-demand” balance of water supply services

分类等级 高赤字 较高赤字 一般赤字 平衡 一般盈余 较高盈余 高盈余
供需比 （-3,-2） （-2,-1） （-1,0） 0 （0,1） （1,2） （2,3）

1.3.3 生态系统服务供需匹配模型

应用Z-score标准化方法探究水供给服务的“供-需”空间分异特征[43]。根据标准化结果划分象限，进行供需匹配[44]。x轴表示标准化后的供给量，y轴表示标准化后的需求量，并划分出四个象限：第一象限——高供给高需求；第二象限——低供给高需求；第三象限——低供给低需求；第四象限——高供给低需求。公式如下：
x = x i - x - s
x - = 1 n ∑ i = 1 n x i
s = 1 n ∑ i = 1 n x i - x -
式中：x为标准化后的水供给服务的供给量和需求量； x i为第i个县/市水供给服务的供给量和需求量； x -为全流域平均值；s为全流域标准差；n为评价县/市的个数。

2 结果与分析

2.1 伊犁河谷水供给服务“供-需”平衡关系的时空特征

2.1.1 伊犁河谷水供给服务“供-需”平衡的时间特征

由图2可知，2005—2020年伊犁河谷水资源安全指数（FSI）呈现“先升后降”的趋势，2005—2010年上升，2015—2020年下降，2020年达到最低值。其中2005年、2015年和2020年的FSI<0，表明水资源供不应求，处于赤字状态；2010年的FSI>0，表明水资源供大于求，处于盈余状态。
图2 2005—2020年伊犁河谷水供给服务“供-需”平衡关系的演变趋势

Fig. 2 Evolution trend of the supply-demand balance relationship of water supply services in the Ili River Valley from 2005 to 2020

从阶段变化来看，2005—2020年伊犁河谷的供需平衡整体呈现赤字状态，并向更高赤字水平转变，演化路径为：一般赤字-一般盈余-一般赤字-一般赤字。这表明在供给不足和需求增加的双重作用下，伊犁河谷水供给服务整体处于短缺状态。

2.1.2 伊犁河谷水供给服务“供-需”平衡的空间特征

如图3所示，从空间上看，2005—2020年伊宁市、伊宁县、霍城县、察布查尔锡伯自治县和新源县的水供给服务供需平衡关系始终处于赤字状态；尼勒克县、特克斯县、昭苏县和霍尔果斯市（2020年）始终处于盈余状态；巩留县仅在2015年为盈余状态，其余年份为赤字状态。
图3 2005—2020年伊犁河谷地区各县市的水供给服务“供-需”平衡状况

注：霍尔果斯市统计数据始于2018年，2005—2015年水供给服务需求数据尚未被年鉴统计。

Fig. 3 Supply-demand balance of water supply services in counties and cities in the Ili River Valley from 2005 to 2020

2005—2020年伊宁市水供给服务供需平衡关系经历了“高赤字-较高赤字-一般赤字-高赤字”的变化，整体处于短缺状态且在2020年加剧。由于城市人口密度高（1119人·km-2），生活用水需求大，城市设施完善和道路硬化率提高，导致城市生态系统水资源供给能力减弱。
伊宁县“供需”平衡关系变化：“较高赤字-一般赤字-较高赤字-较高赤字”；霍城县“供需”平衡变化：“较高赤字-一般赤字-一般赤字-较高赤字”。察布查尔锡伯自治县“供需”关系平衡变化：“较高赤字-一般赤字-一般赤字-一般赤字”，呈现好转趋势。伊宁县和察布查尔锡伯自治县作为伊犁河谷的主要农作物产地，农作物总播种面积分别为9.18×104 hm2和8.498×104 hm2，居第一、二位，农业灌溉用水量相对其他县市较大。察布查尔锡伯自治县和霍城县均位于伊犁河中游位置，距离三大主支源头较远，水供给服务供给量相对较少。新源县水供给服务的供需平衡状态最为稳定，2005—2020年均表现为“一般赤字”水平。
昭苏县、尼勒克县和特克斯县的供需平衡关系处于一般盈余状态，0<FSI<1。其中2005年昭苏县更是处于较高盈余状态，由于这三个县市地处伊犁河上游，水资源较为丰富。巩留县供需平衡关系变化为：“一般赤字-一般赤字-一般盈余-一般赤字”，且在2015年由“供不应求”转变为“供大于求”，水资源开始略有盈余，与昭苏县、特克斯县、尼勒克县共同处于一般盈余状态。

2.2 伊犁河谷水供给服务“供-需”匹配关系的类型特征

如图4所示，2005—2020年伊犁河谷水供给服务存在4种供需匹配类型，各县市主要分布在“低供给-高需求”“低供给-低需求”和“高供给-低需求”三个象限内，而分布在“高供给-高需求”象限内的县市较少。其中尼勒克县（2005年和2010年）、昭苏县和特克斯县属于“高供给-低需求”型；2005—2020年伊宁县、察布查尔锡伯自治县、霍城县和新源县属于“低供给-高需求”型；2005—2015年伊宁市和巩留县属于“低供给-低需求”型；伊宁市（2020年）属于“低供给-高需求”型；尼勒克县（2015年和2020年）属于“高供给-高需求”型。
图4 2005—2020年伊犁河谷水供给服务“供-需”匹配特征

Fig. 4 Matching characteristics of water supply services in the Ili River Valley from 2005 to 2020

2.3 伊犁河谷生态管理分区

伊犁河谷水供给服务“供-需”状况空间异质性，供给区和需求区差异分布。为实现区域可持续发展目标，基于县域尺度水供给服务供需匹配关系的类型特征分析，并结合《伊犁州直生态环境保护总体规划（2014—2030）》及伊犁河谷社会经济和自然地理条件，从区域统筹发展与生态管理角度对该地区进行生态管理分区，共分为三大区域：生态涵养区、生态调控区及生态改良区。

2.3.1 划定生态涵养区

伊犁河谷西南部和东部地区，即昭苏县、特克斯县及尼勒克县区域的山地、林地和草原是“高供给-低需求”的生态涵养区，作为伊犁河的源头，发挥着“水塔”功能。对此应采取措施降低生态压力，提升生态系统涵养水源的能力。昭苏县、特克斯县、尼勒克县应继续推行退耕还林政策，加大人工林种植面积，增加森林覆盖率；实施严格的草畜平衡制度，实施草场划区休牧、阶段性禁牧和季节性轮牧，恢复草原涵养水源功能；加强草原防火、灭鼠灭蝗防治，维持生态平衡。

2.3.2 划定生态调控区

伊犁河谷中部和西部的农业灌区，即伊宁县、察布查尔锡伯自治县、霍城县、新源县及伊宁市区域是“低供给-高需求”的生态调控区域。伊宁县、察布查尔锡伯自治县、霍城县、新源县作为水供给服务的最大消耗区，应以实现水供给服务的高效利用为主。通过平整地形、降低地面坡度、土壤培肥、水土保持等生物工程措施，改善土地坡度，增强土壤肥力、土壤质地等可调控指标，提升生态系统服务质量。推广高效节水的喷灌、管灌等节水农业种植技术，推进水肥一体化建设，减少农业生产用水量；适当调整优化农业种植结构和规模，优化水资源和作物种植结构的匹配度。

2.3.3 划定生态改良区

伊犁河谷中部，即巩留县是以“低供给-低需求”为主的生态改良区域，重点在于改善生态系统功能。需要充分利用生态系统的自我修复能力，在确保现有植被不受破坏的前提下，通过实施人工种草、植树造林、建设农田防护林等一系列措施，迅速提升县域植被覆盖率。在用水结构上，严格控制灌溉面积，调整用水比例，保障生态用水，提升植被成活率。

3 讨论

水供给服务作为维持人类福祉最基本的生态系统服务，其协调的供需关系对于促进自然生态系统与社会经济系统之间的良性互动及实现水生态安全和流域高质量发展具有重要意义。然而，研究结果证实伊犁河谷水供给服务存在供需失衡和错配，且由供需不匹配带来的流动性，在一定程度上印证了水供给服务的生成与消费过程并不是静态的，而是具有方向性的流动过程[45]。处于流域不同地理位置各县市的供需平衡和匹配类型存在明显差异，其中尼勒克县（2005年和2010年）、昭苏县、特克斯县位于伊犁河流域上游的西南部和东部山林草原区，地处喀什河、巩乃斯河和特克斯河三大支流流经带，水供给呈一般盈余，属于“高供给-低需求”型。依据《新疆维吾尔自治区生态环境状况公报》，三县动植物资源较为丰富，分布雪豹、北山羊等国家级保护物种，草原及森林生态系统良好。区域产业结构以草原畜牧业与旅游业为主导，夏季融雪期河流径流量大，可充分保障农牧业及旅游业用水需求。受产业特征影响，水资源利用效率较高而需求相对偏低。2005—2020年伊宁县、察布查尔锡伯自治县、霍城县及新源县水供给持续赤字，属“低供给-高需求”型。据《新疆水资源公报》数据显示，四县地处流域中游，年均降水量200~400 mm，不足上游山区降水量的50%，地表水资源量仅为上游县市的30%~50%。而区域内耕地占比40%~60%，灌溉农业超80%，高耗水农业模式加剧需求压力，导致水资源供需矛盾显著。2020年伊宁市属“低供给-高需求”型，其地表水资源量仅占流域上游县市的20%~30%。受经济总量与人口规模双重驱动，全市年均用水量达2.8×108 m3，较2015年增加25%，其中工业用水占比升至50%，生活用水占比增至25%。水资源需求结构转变与供给能力不足，导致供需失衡加剧。整体上来看，伊犁河谷水供给服务呈现空间异质性特征，上游“高供给-低需求”型县域通过流域水文循环，持续向下游“低供给-高需求”型区域输送水源，形成跨区域水供给服务供给区和受益区空间分布格局。未来研究应关注水供给服务的空间流动特性，建立水供给服务生成与消费的时空联系，刻画水供给服务空间流动的路径[46]，量化水供给服务流的流量和流速，精准识别供给区和受益区范围。此外，水供给服务供需空间的异质性引起的水资源在空间上分配的不公平问题同样值得深究[47]。以水供给服务的全部生态价值作为生态补偿额度的参考标准，容易造成补偿区域与额度不合实际，若从水供给服务流视角讨论流域生态补偿机制，更有助于客观划分补偿区域，科学核算补偿标准。

4 结论

本文基于2005—2020年遥感数据和统计数据，运用水资源安全指数模型、供需匹配模型等方法，从平衡、匹配两个方面刻画伊犁河谷水供给服务的供需关系，并据此进行了生态管理分区。主要研究结论如下：
（1） 2005—2020年伊犁河谷水资源安全指数总体上呈“先上升后下降”趋势，其中2005年、2015年、2020年的水供给服务供需平衡关系处于赤字状态；2010年水供给服务供需平衡关系处于盈余状态。供需平衡关系呈现出：“一般赤字-一般盈余-一般赤字-一般赤字”的阶段变化特征。伊宁市、伊宁县、霍城县、察布查尔锡伯自治县以及新源县的水供给服务供需平衡关系始终处于赤字状态，尼勒克县、特克斯县、昭苏县和霍尔果斯市（2020年）的水供给服务供需平衡关系始终处于盈余状态。
（2） 伊犁河谷水供给服务供需匹配主要以“低供给-高需求”“低供给-低需求”和“高供给-低需求”三种类型为主。不同县市水供给服务供需匹配类型存在空间异质性和时间变异性，水供给服务的供需匹配类型呈现出东、西、中的空间差异，相同供需匹配类型的县市在空间上存在“邻近效应”，生产结构具有相似性。草原畜牧区以“高供给-低需求”匹配类型为主；而农业灌溉区则以“低供给-高需求”匹配类型为主。
（3） 基于水供给服务供需量、供需平衡及供需匹配的关系，划分生态涵养区、生态调控区及生态改良区等三种生态管理分区，并提出了差异化的生态保护策略。

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