西北干旱区生态系统演化趋势及其机制的研究是涉及国家生态安全的重大科学问题，对西北各级地方政府生态保护与建设目标及措施的制订也具有重要的指导意义。 论文以系统科学思想为指导，基于生态系统时空关系和尺度效应的分析，提出了利用较短时间内的植被格局资料提取生态系统大时间尺度上演化趋势的方法。利用这种方法，选取中国西北干旱区典型内陆河一黑河流域下游额济纳盆地作为研究区，对该区生态系统不同时间尺度上的演化过程进行了分离；然后分别分析了大时间尺度和中、短时间尺度上生态系统演化的特点、驱动机制及其景观学表现；最后，对研究区生态系统的演化趋势及荒漠在未来的分布格局进行了推演。 1．生态系统演化的时空关系及尺度效应分析 以系统科学思想为指导，结合分形理论和等级系统理论，对系统有序度和形态、状态、功能间的关系，植被空间格局计盒维数的生态学意义，生态系统多重分形结构与系统等级间的对应关系，生态系统时空尺度间的对易关系进行了理论探讨，得出如下结论： (1)在资料有限的情况下，可用时空对易的处理方法，即不依赖于时间长度而是靠扩大空间尺度来提取生态系统大时间尺度上的演化趋势。 (2)植被格局计盒维数不仅仅具有表征植被形态复杂性和空间占据能力的几何学意义，而且揭示着将系统组织起来形成特定形态的规则，可用于刻画生态系统的组织程度(即有序度)。植被格局计盒维数增大，表明生态系统的有序度增高，系统的演化方向为进化，其组织程度、生物多样性和抗干扰能力增强；反之，系统的演化方向为退化。 (3)任何一个生态系统都从属于更大的生态系统。随着等级的增大，系统的“从属”特点逐渐凸显，它所从属的更大系统对其自组织过程的影响增大，系统的组织规则将有所改变，表现出多重分形的特点，即存在多个无标度区，不同无标度区内的分维数不同。 (4)生态系统的等级划分应以系统组织规则在不同尺度域内的差别为依据，这种划分方法对于揭示生态系统结构组建及演化的更深层次的机制具有重要意义。植被格局的多重分形结构反映了不同尺度域内生态系统组织规则的差异，可作为等级划分的手段。 2．额济纳盆地生态系统长程作用及其效应的提取 基于生态系统演化的时空关系及尺度效应的分析，提出提取生态系统长程作用及其效应的思路。①对植被格局进行多重分形分析，并寻找出尺度转换点；②用尺度较大的无标度区内的植被格局分维值来标度大空间尺度上生态系统的组织规则，即生态系统的长程作用；③用空间尺度大于尺度转换点的景观格局表征生态系统的长程效应。 在这一思路指导下，对研究区生态系统的长程和中、短程作用及其效应进行了分离。①对1977、1993、2001 和2005 年四个时段的遥感数据进行解译分类，提取不同时期植被一裸地空间分布格局图；②采用粗视化方法，进行不同时期植被、裸地空间分布格局计盒维数的计算，通过分段回归进行多重分形分析，求得各时期生态系统的尺度转换点、无标度区间、大尺度与中、小尺度上的植被分维值，实现了长程作用和中、短程作用的分离：③计算低空间分辨率下(2kmx2km～30kmx30km)各时期植被、裸地的景观指数，用以表征生态系统的长程效应：④对四个时期的遥感数据进一步分类，提取出乔、灌、草、戈壁、沙地等具体景观类型，计算高空间分辨率下(60mx60m～2kmx2km)各时期植被、裸地及各具体景观类型的景观指数，用于生态系统演化的中、短程效应的分析。 研究发现，在60mx60m～30kmx30km这一空间分辨率范围内，额济纳盆地生态系统具有双重分形结构。这表明研究区生态系统在大尺度上(约2km～30km)和中、小尺度上(60m～约2km)的组织规则有所差异，存在着长程作用和中、短程作用的分异。生态系统的结构是由长程作用和中、短程作用共同决定的，其中长程作用决定着系统的宏观结构，中、短程作用塑造着系统的细部结构。 3．额济纳盆地生态系统演化的长程效应分析 通过1977、1993、2001和2005年额济纳盆地大尺度上植被格局计盒维数的对比，发现生态系统长程作用的变化具有如下特点：①生态系统大尺度上的有序度在持续减少，系统的宏观演化趋势是持续退化；②由于荒漠化正反馈机制的强化和历史时期环境变化的滞后与延迟效应，生态系统大尺度上有序度的减小速率逐渐增大，系统的宏观退化有加速的趋势：③动力学机制的不同使植被和裸地的计盒维数值不具有互补关系及加和不变性，前者的减小幅度比后者的增大幅度高出一个数量级，说明有序度是对系统内部组织规则的描述，不能将其简单等同于系统形态(如面积)的直观测度结果。 研究区生态系统演化的长程效应表现为：①低空间分辨率下绿洲主体区不断退缩和分解；②过渡性生境类型大量消失，植物的生境趋于简单化；③植被分区由温带森林草原和温带草原向温带荒漠转化，生物多样性降低：④系统的抗干扰能力下降，荒漠化进程加剧。 结合大时间尺度上环境变化的相关证据，发现青藏高原隆升导致的气候持续干旱化、水资源不断减少、土壤日趋贫瘠、盐分不断积聚、风蚀作用逐渐加强等是研究区生态系统长程作用变化的外部驱动力，而生态系统结构的简单化和整体白组织能力的降低则是长程作用变化的内因。从根本上讲，额济纳盆地生态系统长程作用的变化是青藏高原隆升所产生的水文、气候、土壤和生物效应共同作用的结果。 4.额济纳盆地生态系统演化的中、短程效应分析 通过1977、1993、2001和2005年额济纳盆地中、小尺度上植被格局计盒维数的对比分析，发现研究区生态系统中、短程作用的变化具有如下特点：①中、小尺度上生态系统的有序度总体上呈减小趋势，表明生态系统的长程作用对中、短程作用具有制约作用，无论中、短程作用的波动怎样频繁，都脱不出长程作用所规定的“边界”和总体演化方向；②由于局域性生态因子的频繁波动及系统局域自组织过程的非线性特点，生态系统的中、短程作用具有波动变化的特点。 较高空间分辨率(中、小空间尺度)下植被空间格局的演化过程是生态系统演化的长程和中、短程效应相叠加的结果，其中的波动变化表征的是生态系统演化的中、短程效应。通过1977-2005年间高空间分辨率下植被、裸地和各具体景观类型的空间格局的对比分析，发现在植被-裸地这一组织水平上，生态系统演化的中、短程效应表现为植被和裸地的空间分布、面积及斑块景观指数的波动变化；在更低的组织水平上，系统演化的中、短效应更为凸显，主要表现为乔、灌、草、戈壁、沙地、水域和干湖盆等景观类型的面积、空间分布、斑块特征的波动变化及相互间的复杂转化。 从局域性生态因子的波动和系统局域自组织能力的变化两方面，分析了中、短程作用的变化机制，得出如下结论：研究区生态系统中、短程作用变化的外界驱动力不是任何一个单独的环境要素，而是气温、降水、蒸发、风蚀、黑河输水量、采伐、放牧等局域性环境要素的协同作用；研究区生态系统局域自组织能力的变化主要表现为正反馈机制的加强。 结合乔、灌、草的生理生活习性，分析了乔木林、灌木林和草地三种植物群落类型的演变机制。①草本植物群落对外界环境的变化反应敏感，环境要素的波动变化对其影响最为显著，研究区生态系统演化的中、短程效应主要体现在草地的演变上。②研究区乔木林一直处于退化之中，与生态系统中、小尺度上有序度的波动变化不一致。这是因为乔木群落的结构不合理，抗风蚀能力较低，易形成植被斑块退化的正反馈过程；而乔木群落的弹性较低，一旦退化，即使外界环境有所改善，也很难恢复到原有水平。③研究区灌木的物种多样性较高。1977-1993年间黑河输水量的减少主要造成中生灌木的消亡；剩余的灌木多为旱生或超旱生物种，对地境中水分含量的降低反应不敏感，因此1993-2001年间黑河输水量的持续减少对其影响较小，灌木林保持相对稳定；2001年后灌木林进一步退化的原因是风蚀活动的加剧。 5.额济纳盆地生态系统长程作用变化趋势的推演 根据青藏高原隆升的环境效应及中国西北地区气候长期变化趋势的相关研究成果，推断除非发生气候突变，否则在未来相当长的时间内，额济纳盆地生态系统大尺度上的有序度仍将持续降低，生态系统的宏观退化趋势仍将发展，荒漠化将进一步加剧。生态保护与建设只能造成生态系统细部结构的调整，改善局域生态环境质量，在一定程度上减缓生态系统退化的速度，但无法从根本上逆转其退化趋势。研究区的生态保护与建设应尊重这一客观规律。 通过1977-2005年间研究区植被和裸地计盒维数值变化幅度的对比，发现干旱区荒漠化过程遵循着“役使原理”，即快速变化的植被组织规则被迫跟随缓慢变化的裸地组织规则，裸地组织规则的变化决定着荒漠化的未来走向。 基于时空对易原理和荒漠化的“役使原理”，通过裸地“生长”过程的模拟，推演了研究区荒漠的未来格局。推演结果表明，如果生态系统的宏观退化趋势一直持续下去，黑河沿岸绿洲将逐步分解和消亡，东、中、西戈壁可能相互连通：绿洲主体区外围的零星植被小斑块将进一步消亡；绿洲将以地下水汇区为吸引子继续收缩；古日乃湿地内部和北部的植被将大面积消亡，巴丹吉林沙漠与东戈壁上的沙丘在盆地北部连通。