黑河流域歷史時期土地利用變化及其驅(qū)動機制研究進(jìn)展

唐 霞，馮 起

（1.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，蘭州730000；2.中國科學(xué)院 蘭州文獻(xiàn)情報中心／中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)信息中心，蘭州730000；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

聯(lián)合國在“21世紀(jì)議程”中明確提出將加強LUCC研究作為21世紀(jì)工作重點［1］，而歷史時期的土地利用變化是其重要組成部分。2000年3月，LUCC和過去全球變化（PAGES）兩個國際研究計劃聯(lián)合發(fā)起B(yǎng)IOME300項目，旨在重建過去300年全球歷史土地覆蓋數(shù)據(jù)庫［2］。歷史時期的LUCC研究有助于正確認(rèn)識歷史進(jìn)程中人地關(guān)系的實質(zhì)和人與環(huán)境和諧發(fā)展的機理［3］。世界歷史上多個古國文明起源于生態(tài)較為脆弱的干旱、半干旱區(qū)，而人類長期不合理利用土地資源，導(dǎo)致干旱、荒漠化、塵暴、水土流失等，成為困擾該區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展的嚴(yán)重問題［4］。

位于祁連山和河西走廊中段的黑河流域是我國第二大內(nèi)陸河，流域生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)歷了荒漠變綠洲的輝煌，也面臨著沙漠化和沙塵暴的尷尬［5］，歷史時期開發(fā)的大片綠洲已經(jīng)被沙漠吞噬。流域內(nèi)土地利用的劇烈變化，已造成生態(tài)環(huán)境的惡化，因此亟待開展黑河流域歷史時期土地利用變化的研究。合理的土地利用對流域的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟建設(shè)都具有重要的作用，分析研究土地利用變化的驅(qū)動因素，對調(diào)整優(yōu)化流域的土地利用結(jié)構(gòu)，促進(jìn)區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)安全具有重要意義。為此，本文利用歷史地理學(xué)與環(huán)境演變研究方面已有成果和歷史文獻(xiàn)資料，論述歷史時期土地利用變化的時空演變過程，并探索其驅(qū)動機制。

1 研究區(qū)概況

黑河發(fā)源于青海省祁連山區(qū)的冰川和積雪帶，主要位于祁連山和河西走廊中段（37°45′—42°40′N，96°42′—102°04′E），流域面積約13萬km2。黑河流域共計大小河流41條，多年平均地表水資源為37.28億m3，折合徑流深29.1mm［5］。該區(qū)域處于歐亞大陸腹地，屬于典型的大陸性季風(fēng)氣候，降水集中在5—9月，占降水量的75.9%～97.2%。上游山區(qū)年降水量大于300mm，年均溫－3.1～3.6℃；中游平原區(qū)年降水量80～130mm，下游阿拉善荒漠帶降水量40～50mm，年均溫7～8.2℃［5－6］。據(jù)統(tǒng)計2010年，流域人口約為197.3萬人，耕地面積是32.09萬hm2，中游的張掖、酒泉金塔是全國商品糧、商品蔬菜基地之一。目前，維系荒漠地區(qū)生態(tài)平衡的森林、綠洲、水體3類景觀僅占土地總面積的16.2%，自然生態(tài)條件非常脆弱［7］。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

本研究主要結(jié)合《張掖市志》、《張掖地區(qū)水利志》等文獻(xiàn)資料和已有的研究成果，收集黑河流域近2000年的人口、耕地面積、灌渠數(shù)量、城鎮(zhèn)變化、荒漠化等相關(guān)數(shù)據(jù)，通過樹木年輪、湖泊沉積、冰芯記錄和歷史文獻(xiàn)等不同類型的資料分析，參考?xì)v史地理研究的理論和方法，提取數(shù)千年來流域土地利用演化歷史過程中氣候、水文變化和人類活動信息，揭示歷史時期黑河流域土地利用變化的驅(qū)動機制。

3 黑河流域土地利用變化的歷史軌跡

黑河流域開發(fā)歷史悠久，由于游牧民族和農(nóng)耕民族在生活和生產(chǎn)方式的差異，導(dǎo)致土地利用歷經(jīng)多次農(nóng)牧轉(zhuǎn)換［6］。歷史時期土地利用方式的轉(zhuǎn)變具體表現(xiàn)在城池聚落變遷、綠洲興廢、水系變遷等方面。歷代王朝為了鞏固邊防，土地的開發(fā)利用多以屯墾（田）方式進(jìn)行，但是對于流域內(nèi)草地、林地等天然植被的變化情況記載很少。所以只能從耕地、城鎮(zhèn)居民地為代表的人工綠洲及土地荒漠化的時空演變?nèi)胧?，以便開展歷史時期土地利用變化的研究。

3.1 綠洲格局演變

綠洲是干旱、半干旱區(qū)人類繁衍生息的場所，充足穩(wěn)定的水資源供給是綠洲存在的基本條件。黑河流域綠洲系統(tǒng)在地質(zhì)歷史時期和現(xiàn)代發(fā)生了明顯的變化，古綠洲除張掖“黑水國”分布于黑河中游綠洲腹地外，均分布在河流尾閭干三角洲上［8］；古綠洲面積呈現(xiàn)由北向南遞減［9］。從黑河流域古綠洲和現(xiàn)代綠洲分布格局看，流域綠洲的演變形式為：在河流下游尾閭?cè)侵扌纬晒啪G洲，然后溯源上遷穩(wěn)定于中上游的沖積洪積扇，并不斷向四周擴展［10］。

3.1.1 歷史時期耕地面積的變化 西漢之前，居住在黑河流域的少數(shù)民族處于“逐水草而居”的游牧狀態(tài)。自漢武帝起開始了大規(guī)模的興置屯田，采取徙民實邊、屯田管理組織、大興水利等措施，耕地面積迅速擴大；據(jù)衛(wèi)星照片和實地踏勘測算，當(dāng)時居延屯田面積達(dá)4萬hm2以上［11］。進(jìn)入隋唐時期，農(nóng)業(yè)開發(fā)在前代的基礎(chǔ)上獲得較大的發(fā)展。明清時期是河西綠洲歷史上第三次大規(guī)模開發(fā)時期［5］。

對耕地面積進(jìn)行重建，不同學(xué)者的研究結(jié)果存在較大差異（表1），主要因為黑河流域作為西北邊陲，相關(guān)文獻(xiàn)記載極其有限且多為定性描述，而各時期整個流域的人口數(shù)量、人均占有原糧、糧食單產(chǎn)等數(shù)據(jù)的估算存在一定誤差。其中，程弘毅［12］估算了河西整個地區(qū)的耕地規(guī)模并用“以人定地”的方法獲得流域內(nèi)的耕地面積，但結(jié)果因小于沙漠化耕地面積而不合理；頡耀文［13］通過人均耕地面積和糧食產(chǎn)量兩種途徑重建了明代以前耕地面積，進(jìn)行對比認(rèn)為以人口為基礎(chǔ)的重建結(jié)果具有一定可靠性。但仍需深入考證各時期軍屯規(guī)模與人口變化，在今后的研究中有待進(jìn)一步提高耕地面積的重建工作。

表1 黑河流域重建耕地面積的不同研究結(jié)果［12－13］

3.1.2 城鎮(zhèn)聚落演變規(guī)律 黑河流域現(xiàn)有60多座城鎮(zhèn)，絕大多數(shù)城鎮(zhèn)集中分布在綠洲上，城鎮(zhèn)—綠洲在流域各單元中高度耦合。通過歷代行政沿革的梳理［6，14］，對各時期設(shè)置的郡縣數(shù)量進(jìn)行對比分析，可以看出城鎮(zhèn)演變呈波浪型曲線向前發(fā)展：兩漢時期的奠基期、魏晉時期的發(fā)展期、南北朝時期的衰落期、隋唐時期的逐漸恢復(fù)期、中唐—元朝的再次衰落期、明清以后的復(fù)蘇期、建國后的快速發(fā)展期（圖1）。該變化過程也反映出在特定地理環(huán)境和民族分布格局下，對優(yōu)勢生存空間的爭奪［14］。

從空間分布來看，城鎮(zhèn)聚落圍繞著綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)依次分布。因為水資源是干旱區(qū)內(nèi)陸河流域的生命線，農(nóng)業(yè)開發(fā)最早主要分布在下游三角洲地區(qū)、中游沖積平原和洪積扇緣地帶。通過綠洲的溯源遷移和下游綠洲古城的興衰關(guān)系分析證明，由于中游綠洲面積的擴大和人類活動的加劇，打破了天然水資源條件下的荒漠—綠洲動態(tài)平衡關(guān)系和空間格局［15］，城鎮(zhèn)由于失去了最基本的生態(tài)屏障和經(jīng)濟基礎(chǔ)而逐漸衰退，伴隨著綠洲的溯源遷移，城鎮(zhèn)分布的重心也從下位綠洲向上位綠洲遷移［14］。黑河流域古城分布情況見表2。

圖1 黑河流域歷代城鎮(zhèn)發(fā)展演變

表2 黑河流域古城分布情況［16］

3.1.3 下游水域面積的變化 在黑河綠洲的長期土地開發(fā)中，人類活動強烈地干預(yù)了自然綠洲的水文循環(huán)過程，造成許多湖泊的逐漸萎縮干涸和河流的改道遷徙［8］。其中，黑河下游水系和尾閭湖泊變遷有以下過程：唐代以前，水系以東河、哨馬營—古日乃古河道為主，古居延澤為主要終端湖；西夏時期水系分為東、西兩支，蘇古、嘎順淖爾兩湖連為一體，古居延澤萎縮；元朝河水重新注入古居延澤，蘇古、嘎順淖爾兩湖分離并縮小；元末明初以后，西河成為主要過水河道，東河下游注入古居延澤的河道干涸，以向北流入蘇古淖爾的河道為主，古居延澤逐漸萎縮干涸，蘇古、嘎順淖爾成為主要終端湖［17］。

額濟納地區(qū)歷史時期的水系存在從東向西的遷移和萎縮過程［18］。據(jù)記載，額濟納旗的古居延海是西北最大的湖泊之一。秦漢時期，居延澤湖面積達(dá)到726km2［19］，1927—1934年和1944—1949年間西居延海（嘎順淖爾）湖面積分別為350，276km2，1951—1960年降至180km2，1961年干涸；東居延海（蘇古淖爾）湖面積分別從1927—1934年的150km2縮減至1961—1970年的35.5km2，在1963—1983年曾干涸過5次，最后1983年也完全干涸［20－21］。從2000年7月開始，實施了黑河下游應(yīng)急生態(tài)輸水工程，水流于2002年7月17日流進(jìn)黑河尾閭端的東、西居延海［22］。

3.2 土地荒漠化過程

黑河下游北部的漢代墾區(qū)沙漠化早于位于南部的唐代、西夏、元代墾區(qū)，沙漠化發(fā)展的程度更深［23］，自三角洲下部向中上部推進(jìn)，黑城地區(qū)的沙漠化發(fā)生在明中葉以后［24］；沙漠化的主要作用方式有就地起沙、風(fēng)蝕綠洲、流沙入侵、洪積物掩埋綠洲4種［16，25］。從空間來看，歷史時期沙漠化土地大多位于河流的下游。程弘毅［12］通過沙漠古城的廢棄時代推測出河西地區(qū)3次沙漠化過程主要集中在魏晉南北朝、唐末五代、明清兩朝，沙化面積分別是：南北朝1 030km2，唐末五代1 000km2，明清4 075km2，共計6 105km2，主要沙漠化區(qū)域見表3。這幾次明顯的沙漠化過程恰好與本地區(qū)歷史時期大規(guī)模的土地開發(fā)活動相吻合，說明土地利用的開發(fā)強度越大，在沒有充足的人力物力以及水資源量維系農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時，綠洲廢棄的可能性也就越高。

縱觀黑河流域土地利用變化的歷史軌跡，可以看出，由于各民族之間對綠洲生存空間的爭奪和大規(guī)模的屯墾，原始地帶性森林或森林灌叢草地遭到了徹底破壞，即原始植被的動態(tài)消長直至逐步被人工的灌溉農(nóng)業(yè)所取代是歷史時期土地利用變化的總體特征。

4 黑河流域土地利用變化驅(qū)動機制研究

土地利用／覆被變化是各種驅(qū)動因素的綜合結(jié)果，包括氣候、土壤、水文等自然系統(tǒng)驅(qū)動因素和人口變化、貧富狀況、技術(shù)進(jìn)步、經(jīng)濟增長等社會系統(tǒng)中驅(qū)動力［26－27］。在農(nóng)耕時代，氣候、水、土和生物等自然環(huán)境條件是人們開發(fā)利用土地資源時所考慮的主要因素。

表3 黑河流域主要的沙漠化區(qū)域［12］

4.1 自然環(huán)境的變化是土地利用演變的客觀因素

自然環(huán)境的變化主要表現(xiàn)在氣候變化和出山口徑流量。姚檀棟等［28］通過對比分析古里雅冰芯和祁連山樹輪高分辨率氣候變化記錄，結(jié)果表明樹輪和冰芯均明顯地記錄了小冰期的3次冷期，其出現(xiàn)的時間基本上一致。張振克等［29］根據(jù)黑河尾閭額濟納旗東居延海2 700a來的湖泊沉積記錄的環(huán)境變化，分析發(fā)現(xiàn)冷濕→暖濕、冷干→暖干→冷濕的規(guī)律。在對比古城廢棄的年代與氣候波動的變化時，發(fā)現(xiàn)流域古城廢棄的時期都是氣候明顯偏干冷的時期［14］。

近2 000a以來，該地區(qū)耕地總體呈現(xiàn)不斷增加趨勢，歷史時期黑河流域3次大規(guī)模的農(nóng)業(yè)開發(fā)（兩漢時期、隋至盛唐、明清時期）都發(fā)生在出山口徑流量較大的時期［30］。根據(jù)樹輪重建的自公元680年以來黑河出山口年徑流量不同水平年統(tǒng)計表明，唐代（統(tǒng)計自680—907年）的豐水年份為98a，占整個統(tǒng)計時段的43.2%；明、清兩代分別為66a，23.9%和82a，30.7%［31］。所以說，水資源的豐枯是黑河流域農(nóng)業(yè)開發(fā)的基礎(chǔ)和保障。

4.2 政策演變與人口變化是土地利用演變的主導(dǎo)因素

歷代中央王朝及若干地方割據(jù)政權(quán)都十分重視河西走廊的開發(fā)和經(jīng)營，采取了各種恢復(fù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的措施，鼓勵內(nèi)地移民不斷涌入內(nèi)陸河流域開荒種地。從屯田制—占田制—均田制，以及府兵制與均田制的結(jié)合，都說明了政策的優(yōu)化組合極大地提高了人們墾荒種植的積極性。歷史時期人口的周期性動蕩（圖2），反映出戰(zhàn)亂、自然災(zāi)害的侵襲，也導(dǎo)致土地利用強度和廣度在各時段上的明顯差異，但更重要的是突出了該地區(qū)嚴(yán)峻的土地生態(tài)承載能力問題。據(jù)《甘肅新通志》記載，清光緒三十二年（1906年）耕地面積為16.9萬hm2。隨著1978年農(nóng)村經(jīng)濟體制改革以來，人口急劇增加，到1995年中游的人口達(dá)到163.7萬［5］，掀起了新的一輪擴大耕地面積的熱潮，1995年土地變更調(diào)查耕地達(dá)37.1萬hm2［32］。目前，天然綠洲已基本演變?yōu)楣喔惹W(wǎng)、防護林網(wǎng)和農(nóng)田廣布的人工綠洲，綠洲內(nèi)道路網(wǎng)密布、建筑物林立，人口密度高達(dá)60人／km2左右［7］。

圖2 歷史時期黑河流域人口變化［5］

4.3 農(nóng)牧業(yè)交替發(fā)展與水資源開發(fā)利用是土地利用演變的動力

黑河流域作為西北地區(qū)重要產(chǎn)糧基地以及大規(guī)模綠洲農(nóng)業(yè)開發(fā)最早地區(qū)之一，由于戰(zhàn)亂、國家政策、民族矛盾等因素驅(qū)動的人類活動強度各異，耕地規(guī)模自古至今變化十分頻繁［13，33］。漢武帝以前、西晉至唐初、唐安史之亂后至元朝為畜牧業(yè)生產(chǎn)占優(yōu)勢的時期，西漢武帝至西晉、唐初至安史之亂、明清以來為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主的時期［34］。但是沿續(xù)了兩千多年的“屯田制”，農(nóng)業(yè)栽培作物大量取代了原始植被。自西漢、唐、明清3次大移民，祁連、合黎二山千里綠蔭變?yōu)榛囊?，祁連山森林面積縮減到約50萬hm2，覆蓋率僅為16.7%［35］。人類活動集中的流域中下游墾區(qū)與人工綠洲的土地沙漠化基本吻合，天然綠洲的土地沙化、退化主要與下游的河湖灘地相一致［36］。

河西地區(qū)的水、土資源決定了“有水即有地”的格局［5］。由于綠洲灌溉農(nóng)業(yè)的特點，水資源開發(fā)與利用程度是耕地面積增加的主要動力。西漢時期流域屯墾業(yè)非常發(fā)達(dá)，“千金渠”過郡二，行二千二百里；唐朝中期修建的水渠可灌田約3.1萬hm2；明清時期大規(guī)模開墾荒地，相繼開鑿了大量灌溉渠道，逐步形成內(nèi)陸河流灌區(qū)［37－38］。解放后，黑河流域建立了完整的農(nóng)田水利體系，并形成了黑河中游人工水文循環(huán)過程。據(jù)1944年甘肅省建設(shè)廳統(tǒng)計，黑河中游地區(qū)已有耕地16.5萬hm2，其中水澆地13.6萬hm2；20世紀(jì)90年代灌耕地面積達(dá)到了17.13萬hm2［39］。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié) 論

（1）黑河流域歷史時期的人口和土地墾殖數(shù)據(jù)存在諸多問題：①為了躲避納稅，在冊人口數(shù)據(jù)、土地墾殖數(shù)據(jù)和實際情況尚有差距；②明代之前耕地面積相對匱乏，人口數(shù)量和土地墾殖面積很難找到相重合的時段進(jìn)行比較；③流域內(nèi)草地、林地和城鎮(zhèn)用地的文獻(xiàn)記載稀少且為定性描述，對于這些類型的土地利用變化很難估算。

（2）隨著西漢、唐、明清、建國后4次大規(guī)模的移民拓荒高潮，城鎮(zhèn)規(guī)模和耕地面積急速擴展而草場、林地面積日益退縮，過墾、濫墾、戰(zhàn)爭等也加劇了土地退化、沙漠化的進(jìn)程。從時間上來說，黑河流域土地利用表現(xiàn)為不同尺度上自然因素與流域人類活動耦合作用的驅(qū)動機制，明清之前，自然因素占主導(dǎo)地位；現(xiàn)代流域的土地利用變化幾乎完全受到人為控制。

（3）經(jīng)過歷代農(nóng)田水利建設(shè)，灌溉農(nóng)田的面積不斷擴大導(dǎo)致上、中、下游天然水資源的空間分布格局改變。從而自然力起主導(dǎo)作用的天然綠洲格局在很大程度上被以灌溉農(nóng)業(yè)為中心并與草原畜牧相結(jié)合的人工綠洲所代替。在空間上，人工綠洲逐步向中上游遷移，使得流域下游水資源量迅速減少，荒漠化土地逐漸增加。

5.2 討 論

（1）土地利用變化受到自然、社會經(jīng)濟多因子綜合作用的復(fù)雜過程，利用歷史數(shù)據(jù)了解過去的土地變化很重要。如何將現(xiàn)代的遙感數(shù)據(jù)與其他信息源有機融合，開展多尺度下土地利用變化的時空過程及其自然與人文因素的驅(qū)動機制辨析。通過遙感技術(shù)識別特定歷史時期的人類活動古遺跡和地理環(huán)境狀況，對比分析歷史時期土地動態(tài)變化研究是未來的發(fā)展方向之一。

（2）上游地區(qū)的LUCC研究局限于行政區(qū)劃范圍并主要集中在近十幾年，其影響因子和驅(qū)動機制分析多處于定性描述階段，還缺乏定量甄別氣候變化和人類活動影響的研究成果。

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