清代河湟谷地農(nóng)業(yè)灌溉水渠的地理空間分布特征

羅仲朋，劉峰貴，陳 瓊，周 強(qiáng)，沈彥俊

(1.青海師范大學(xué)生命與地理科學(xué)學(xué)院，西寧 810008；2.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050022)

1 概 述

中國屬于典型東亞季風(fēng)氣候區(qū)，降水在季節(jié)分配上極不均勻，雨季從東南沿海向西北內(nèi)陸地區(qū)依次遞減，北方地區(qū)雨季開始晚、結(jié)束早，降雨量小，西北地區(qū)該趨勢尤為突出[1-4]。這種氣候特征決定了灌溉對于農(nóng)業(yè)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的重要性，尤其是在干旱、半干旱地區(qū)灌溉對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的作用顯得尤為突出[5-9]。

中國灌溉農(nóng)業(yè)的起源可追溯至新石器時(shí)代早期，在6 ka BP的長江下游古稻田遺址中就發(fā)現(xiàn)與古稻田配套的水坑、水溝、水井和水塘等原始灌溉水渠[10]。夏、商、周時(shí)期的灌溉井田溝洫體系制度較好地體現(xiàn)了中國早期農(nóng)業(yè)發(fā)展階段對旱能灌、澇能排的思想[11-14]；秦漢時(shí)期都江堰與成都平原的灌溉農(nóng)業(yè)以及鄭國渠與關(guān)中平原的灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展證明農(nóng)業(yè)灌溉工程的規(guī)模化已經(jīng)形成；三國至唐宋時(shí)期灌溉農(nóng)業(yè)擴(kuò)展至黃河、海河流域大部分區(qū)域，同時(shí)南方坡塘灌溉、東南沿海地區(qū)的拒咸蓄淡灌溉工程已基本形成；元、明、清時(shí)期畿輔地區(qū)的灌溉農(nóng)業(yè)以及邊遠(yuǎn)地區(qū)的灌溉農(nóng)業(yè)興起，內(nèi)蒙古、新疆、云南、廣西、海南島、臺(tái)灣等邊遠(yuǎn)地區(qū)均有較大發(fā)展[8,15-17]。

位于青藏高原東北緣的河湟谷地相對于青藏高原其他地區(qū)，海拔較低，氣候溫和，土地肥沃，適合農(nóng)業(yè)的發(fā)展。但由于深居內(nèi)陸而干旱少雨，雨熱同季，年降水量在250～550 mm，不能有效滿足農(nóng)作物的生長，故該區(qū)域是典型的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)[18,19]。自漢代屯田戍邊以來，灌渠就成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然選擇。由于青藏高原及其周邊地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度相對緩慢，區(qū)域開發(fā)強(qiáng)度較低，歷史時(shí)期的灌溉渠系破壞程度較小，因此，可以利用高分辨率遙感影像、野外水渠樣點(diǎn)實(shí)地調(diào)查和人工數(shù)字化識(shí)別技術(shù)重建歷史時(shí)期的農(nóng)業(yè)灌溉水渠；并可利用高分辨率遙感影像和地形圖，完成灌溉水渠的數(shù)字化制圖，對其空間格局進(jìn)行了分析，反映歷史時(shí)期人類活動(dòng)的強(qiáng)度和規(guī)模，同時(shí)也能揭示流域景觀結(jié)構(gòu)和土地利用方式以及區(qū)域環(huán)境變化[8,9]。河湟谷地是青藏高原最主要的農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)之一，因此，本文利用歷史文獻(xiàn)資料及其地面實(shí)證調(diào)查，在重建清代灌溉渠系的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析其灌溉農(nóng)業(yè)的分布及其空間格局，對理解清代河湟谷地人類活動(dòng)、農(nóng)業(yè)發(fā)展以及環(huán)境演變具有重要意義，也為重建歷史時(shí)期和河湟谷地人類活動(dòng)及其耕地規(guī)模奠定基礎(chǔ)(見圖1)。

圖1 研究區(qū)位置圖及河湟谷地灌渠分布圖Fig.1 The location of the study area and the distribution of irrigation canals in Hehuang valley

2 資料來源與研究方法

2.1 資料來源

歷史文獻(xiàn)資料主要來源于《青海方志資料類編》[20]，《西寧志》[21]、《西寧府新志》[22]、《西寧府續(xù)志》[23]、《甘肅通志》[24]、《甘肅通志稿》[25]、《碾伯所志》[26]、《循化志》[27]、《丹噶爾廳志》[28]、《青海經(jīng)濟(jì)史》(古代卷)[29]等。

2.2 研究方法

(1)資料整理、訂正與空間繪制。據(jù)史料記載清代河湟谷地主要行政建制由西寧縣、大通縣、碾伯縣、貴德縣、循化縣、丹噶爾廳、巴燕戎格廳構(gòu)成[30]，7個(gè)縣(廳)中丹噶爾廳設(shè)置最晚，設(shè)于道光九年(1829年)。本文參考譚其驤主編的《中國歷史地圖集》[31]以及牛漢平主編的《清代政區(qū)沿革綜表》[32]，以道光九年(1829年)河湟谷地縣域的行政界線劃分為準(zhǔn)[18]，并與1980年河湟谷地現(xiàn)代行政范圍加以比較，基本和現(xiàn)代的西寧市、湟中縣、平安縣、樂都縣、民和縣、湟源縣、大通縣、互助縣、門源縣、循化縣、尖扎縣、化隆縣、同仁縣以及貴德縣一致，故本文采用河湟谷地現(xiàn)代14個(gè)市縣轄區(qū)范圍界限。

《西寧府新志》等史料記的清朝灌溉水渠分西寧縣、大通縣、碾伯縣、貴德縣、循化縣、丹噶爾廳、巴燕戎格廳。記載中，清代河湟谷地灌溉水渠最短為一二里，最長不過二三十里，而河湟谷地7個(gè)縣(廳)轄區(qū)總面積約為3.3萬km2，在圖上無法用線狀數(shù)據(jù)很好地表達(dá)，因此在文中，僅以點(diǎn)的形式代替線狀灌溉水渠。再以史料記載各灌溉水渠的名稱市縣的相對位置，借助實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證，繪制出清朝河湟谷地灌溉水渠空間分布圖。因大通縣河?xùn)|渠、河西渠以及東峽渠為分段記載，巴燕戎格廳記錄部分缺失，據(jù)此，整理出清代各個(gè)地區(qū)的灌溉水渠264處，再結(jié)合《青海經(jīng)濟(jì)史》(古代卷)[29]整理其中重復(fù)記錄、缺失及記錄模糊不清部分，最終得到清朝西寧縣四大水渠136道水渠、大通縣4道水渠、碾伯縣三大水渠68道水渠、循化縣三大水渠8道水渠、貴德縣6道水渠、巴燕戎格廳11道水渠、丹噶爾廳26道水渠共計(jì)259道水渠的具體信息，實(shí)際調(diào)查獲得水渠數(shù)為252道。

(2)核密度估計(jì)法(Kernel Density Estimation, KDE)。核密度分析可以反映區(qū)域內(nèi)灌溉渠系的規(guī)模和程度，更進(jìn)一步揭示區(qū)域地理環(huán)境條件和耕地開墾強(qiáng)度。其分析模型如下：

(1)

式中：k[(x-xi)/h]為核密度函數(shù)；xi為各個(gè)點(diǎn)的核密度；x為網(wǎng)格中心處的核密度；h為閾值；n為閾值范圍內(nèi)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

其幾何意義為：點(diǎn)密集的區(qū)域事件發(fā)生的概率高，點(diǎn)稀疏的地方事件發(fā)生的概率低。在每個(gè)xi中心處的密度最高，向外擴(kuò)散時(shí)其密度不斷降低，當(dāng)距離中心達(dá)到一定閥值范圍密度為0，網(wǎng)格中心x處的核密度為閾值范圍內(nèi)的密度之和[33,34]。利用ArcGIS中Spatial Analyst工具集成的Kernel Density進(jìn)行核密度估計(jì)并對其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，生成河湟谷地灌溉水渠的核密度分布格局。

(3)地理集中指數(shù)E。用來衡量河湟谷地灌溉水渠在各市縣之間的集中程度即不同地區(qū)的不平衡程度。計(jì)算公式如下：

(2)

式中：E為地理集中指數(shù)；Pi為i縣(廳)內(nèi)灌溉水渠的個(gè)數(shù)；S為研究區(qū)灌溉水渠的總數(shù)；n為縣(廳)的個(gè)數(shù), 即n=7。

(3)

3 河湟谷地農(nóng)業(yè)灌溉發(fā)展史

中國歷史上的原始農(nóng)業(yè)始于黃河流域，主要通過水庫渠的修建以及灌溉而發(fā)展[10,14,15]。河湟谷地地區(qū)作為黃河上游重要的農(nóng)業(yè)區(qū)，其原始農(nóng)業(yè)大致可追溯到6.0 ka BP的馬家窯文化(與黃河中下游大汶口文化同期)，大約4.2 ka BP之后原始農(nóng)業(yè)萎縮，畜牧業(yè)興起，據(jù)記載此后一直處于羌人活動(dòng)的地區(qū)，至秦厲公時(shí)(公元前476年-前443年)“河湟間、少五谷、多禽獸、以狩獵為事”[36]，漢宣帝神爵元年(公元前60年)河湟地區(qū)開始實(shí)施屯田，其屯田區(qū)域集中在臨羌至浩門間的湟水沿岸，雖然此次屯田只做了修渠、整地、耕種等的鋪墊工作，后因漢、羌部族關(guān)系發(fā)生根本變化，趙充國上奏請罷屯兵而終止，并未完成一個(gè)完整的耕種收獲過程，但灌溉農(nóng)業(yè)在河湟谷地由此落戶；東漢時(shí)期，河湟地區(qū)屯田農(nóng)業(yè)發(fā)展成為3個(gè)中心，金城郡西南部的黃河沿岸地區(qū)、金城郡西部都尉府所在的龍耆(今民和縣古鄯鎮(zhèn))地區(qū)和湟中地區(qū)的臨羌(今湟源縣)[37]，此后因邊區(qū)戰(zhàn)亂等原因，河湟谷地的屯田活動(dòng)及灌溉農(nóng)耕事業(yè)停止發(fā)展；直到唐、宋時(shí)期灌溉農(nóng)業(yè)才得到恢復(fù)，特別是宋朝在河湟谷地地區(qū)的地方政權(quán)唃廝啰地方政權(quán)與宋王朝建立親密外交關(guān)系，并在河湟地區(qū)推行“寓兵于民”的屯田戍邊政策，劃撥土地、免稅耕種、興修水利、開渠引水等，使灌溉農(nóng)業(yè)得到發(fā)展[38]。明洪武二十二年(1389年)西寧衛(wèi)屯田地不斷向私有轉(zhuǎn)化，屯田數(shù)量持續(xù)增加但屯田制度遭受嚴(yán)重破壞[39]，到天啟崇禎時(shí)期(公元1621年-1644年)屯田土地已被官豪勢家強(qiáng)占或隱占，買賣殆盡，屯田制度最終完全廢止。清朝時(shí)期采取移民實(shí)邊，河湟地區(qū)實(shí)施大規(guī)模的農(nóng)業(yè)開發(fā)，在明朝基礎(chǔ)上興修水利、推廣先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)等措施，耕地?cái)?shù)量有了空前發(fā)展[40]。綜上所述，自屯田開始，除東漢時(shí)期黃河沿岸的貴德地區(qū)農(nóng)業(yè)有所發(fā)展外，歷朝歷代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重心都在湟水流域。是以處于湟水流域的，西寧縣、碾伯縣、丹噶爾廳農(nóng)業(yè)發(fā)展較快且具有規(guī)模性，灌溉水渠隨農(nóng)業(yè)的發(fā)展而發(fā)展，因此其亦呈現(xiàn)相同的分布態(tài)勢。本文基于清代歷史文獻(xiàn)的斷面數(shù)據(jù)，只對清代河湟谷地灌溉水渠加以分析和討論。

4 結(jié)果與討論

4.1 灌溉水渠空間分布格局

根據(jù)文本資料中詳細(xì)記載的灌溉水渠的名稱、與各縣廳的方位和距離、分渠數(shù)量、溉地段數(shù)以及下籽量，部分水渠記錄其起始點(diǎn)及長度等內(nèi)容，得到西寧縣、大通縣、碾伯縣、巴燕戎格廳、循化縣、丹噶爾廳、貴德縣各灌溉水渠或水渠的數(shù)量等信息。河湟谷地清代各縣域灌溉水渠分布狀況如圖2所示。

圖2 清代河湟谷地各個(gè)縣(廳)灌溉水渠數(shù)量Fig.2 The number of irrigation canals of county in Hehuang valley during the Qing dynasty

圖3 河湟谷地灌溉水渠分布核密度Fig.3 Kernel density of the irrigation canals in Hehuang valley

4.2 灌溉水渠與海拔高度的關(guān)系

河湟谷地最低海拔高度為1 689 m，最高海拔為5 218 m。根據(jù)灌溉水渠和河湟谷地地形疊加分析發(fā)現(xiàn)河湟谷地灌溉水渠集中分布在海拔3 km以下的區(qū)域，海拔3 km是河湟谷地灌溉農(nóng)業(yè)的上限。從圖4來看，海拔最低為碾伯縣的史納渠1 801 m，最高為碾伯縣的高店溝渠3 048 m。因此，將1 800～3 100 m的海拔高度以300 m為級差進(jìn)行等級劃分，得到不同海拔高度帶中灌溉水渠數(shù)與所占百分比。由表1可知，海拔高度在2 100～2 400 m范圍內(nèi)灌溉水渠數(shù)為110處，占整個(gè)研究區(qū)灌溉水渠總數(shù)的43.65%，在5個(gè)不同海拔高度帶中所占比例最大，灌溉水渠主要分布在西寧縣境內(nèi)，2 400～2 700 m海拔高度范圍內(nèi)灌溉水渠數(shù)72處，占全區(qū)的28.57%，位居第二，而海拔高度大于3 km的灌溉水渠數(shù)2處，僅占全區(qū)灌溉水渠總數(shù)的0.80%，主要分布在碾伯縣和丹噶爾廳。由此可見，河湟谷地海拔高度在2 100～2 700 m范圍內(nèi)灌溉水渠數(shù)為總數(shù)的72.22%，最適宜灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

圖4 不同海拔高度范圍內(nèi)的灌溉水渠分布圖Fig.4 Distribution of the irrigation canals in the range of different elevation

海拔高度/m灌溉水渠數(shù)/條所占百分比/%1800～21004417．462100～240011043．652400～27007228．572700～3000249．52>300020．80

4.3 灌溉水渠與地貌類型的關(guān)系

將河湟谷地灌溉水渠和地貌類型進(jìn)行疊加分析表明，清代河湟谷地灌溉水渠主要分布在四種類型的地貌單元上。第一類為中海拔沖、洪積平原上，主要分布在西寧縣中部、大通縣南部、碾伯縣中部以及巴燕戎格廳東南部的湟水干流及其支流的沖洪積平原地區(qū)；第二類是中、高海拔中起伏山地，主要分布在西寧縣、碾伯縣沖、洪積平原的外部周圍的低山丘陵地區(qū)；第三類是中、高海拔洪積平原，該地貌類型集中分布在丹噶爾廳地區(qū)；第四類則是中、高海拔黃土梁峁地區(qū)，這一區(qū)域主要分布在中海拔沖、洪積平原與中、高海拔中起伏山地之間的空白區(qū)域(見圖5)。由表2知，這4種地貌類型單元中的灌溉水渠數(shù)占研究區(qū)域灌溉水渠總數(shù)的94.84%，而中海拔沖、洪積平原的灌溉水渠數(shù)在這4種地貌類型單元中占60.25%，灌溉水渠在中、高海拔沖洪積平原、中、高海拔沖積臺(tái)地、中、高海拔洪積、湖積平原、中高海拔沖、洪積臺(tái)地以及高海拔大起伏山地有零星分布，相對數(shù)量較少，僅占總數(shù)的5.16%。說明河湟谷地中、低海拔沖洪積平原是灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要區(qū)域。

圖5 不同地貌類型的灌溉水渠分布圖Fig.5 Distribution of the irrigation canals in different physiognomy types

地貌類型主要所在地灌溉水渠數(shù)/條所占百分比/%中海拔沖擊洪積平原西寧縣、碾伯縣14457．14中高海拔中起伏山地碾伯縣、循化縣5421．43中高海拔黃土梁峁西寧縣228．73中高海拔洪積平原丹噶爾廳197．54中高海拔沖積臺(tái)地貴德縣41．59中高海拔洪積湖積平原貴德縣20．79中海拔沖積洪積臺(tái)地巴燕戎格廳20．79中高海拔沖積洪積平原循化縣10．40高海拔大起伏山地碾伯縣41．59

4.4 灌溉水渠與河流的關(guān)系

對河湟谷地灌溉水渠與最臨近河流的最近距離分析表明：與最臨近河流距離最遠(yuǎn)的是西寧縣東北部的薛家渠，其距離為4.67 km。由此可見，清朝時(shí)期河湟谷地灌溉水渠離河流不超過5 km，以此為依據(jù)，以5 km為上限，在ArcGIS中利用Buffer Wizard工具對河湟谷地1∶100萬河網(wǎng)圖分別做1、2、3、4、5 km的緩沖區(qū)并對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果由表3可知，0～2 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)灌溉水渠數(shù)占整個(gè)河湟谷地灌溉水渠總數(shù)的97.62%，而3～5 km緩沖區(qū)則只占有2.38%。數(shù)據(jù)表明，該時(shí)期灌溉水渠的修建與發(fā)展主要被限制在離河流2 km的范圍之內(nèi)。其可能主要原因如下：明朝時(shí)期河湟谷地農(nóng)田墾殖主要是沿著黃河及其最大支流湟水河的兩岸分布的居民點(diǎn)周圍進(jìn)行的，農(nóng)田大部分分布在川水地區(qū)，也即是沿河分布，灌溉水渠因此得到一定的發(fā)展[19]。清初，河湟谷地耕地墾殖主要為明代拋荒的以及驛站的土地，農(nóng)業(yè)區(qū)大部分布在河湟谷地的川水地區(qū)以及湟水河支流的城鎮(zhèn)、堡寨的周圍，也即是說耕地呈現(xiàn)出以居民點(diǎn)為中心向外擴(kuò)展的形態(tài)，依農(nóng)業(yè)而生的灌溉水渠也呈現(xiàn)同樣的發(fā)展趨勢。明清時(shí)期河湟地區(qū)的農(nóng)田墾殖規(guī)模雖然在此前的基礎(chǔ)上有所發(fā)展，但由于此時(shí)人們自給自足的觀念、生產(chǎn)工具的落后以及勞動(dòng)生產(chǎn)力低下導(dǎo)致該時(shí)期的農(nóng)田墾殖仍屬于典型的資源依賴型開發(fā)模式[13]，采用的仍是粗放型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，是以農(nóng)業(yè)發(fā)展受到極大的限制，灌溉水渠發(fā)展同樣受到限制，因此，其灌溉農(nóng)業(yè)主要被限制在沿河2 km緩沖區(qū)范圍之內(nèi)。

表3 河流緩沖區(qū)內(nèi)灌溉水渠數(shù)量統(tǒng)計(jì)Tab.3 The quantity statistic of irrigation canals in stream buffers

5 結(jié) 語

(1)根據(jù)歷史文獻(xiàn)可以重建灌溉渠系，以此反映當(dāng)時(shí)人類活動(dòng)的強(qiáng)度、耕地規(guī)模和農(nóng)業(yè)發(fā)展的軌跡，可更進(jìn)一步揭示歷史時(shí)期環(huán)境變化和人類響應(yīng)的互動(dòng)關(guān)系。

(2)通過重建河湟谷地清代灌溉渠系的空間格局，發(fā)現(xiàn)河湟谷地灌溉水渠總體呈現(xiàn)出不平衡且集中分布的格局，集中分布在湟水中游地區(qū)的西寧縣、碾伯縣以及丹噶爾廳地區(qū)，黃河流域分布數(shù)量少且分散。

(3)通過對灌溉渠系和海拔、地貌、距河流最臨近距離的分析表明：河湟谷地灌溉農(nóng)業(yè)的海拔高度上限為3 km，在海拔2 100～2 700 m之間占整個(gè)灌渠的72.22%，對地貌單元的分析也證明中海拔沖、洪積平原，中、高海拔中起伏山地，中、高海拔黃土梁峁，中、高海拔洪積平原是灌溉農(nóng)業(yè)的主要分布區(qū)；同時(shí)對主要干、支流的分析表明，清代灌溉渠系并不發(fā)達(dá)，主要集中在河流兩岸5 km的范圍內(nèi)，97.62%的灌渠分布在2 km的緩沖區(qū)內(nèi)，說明農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)模受河流的影響較大，對自然資源依賴性較強(qiáng)。

(4)對灌渠的分析方法仍待進(jìn)一步完善，遙感、歷史文獻(xiàn)、地面調(diào)查等多種手段綜合應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)歷史時(shí)期灌渠重建的主要途徑，同時(shí)對地貌、土壤、氣候類型、河流密度、水井等因素的全面分析才能客觀揭示灌溉農(nóng)業(yè)的規(guī)模及其概況，本文僅從宏觀角度對其進(jìn)行分析，對灌渠長度、灌溉面積以及微觀空間格局等方面有待進(jìn)一步深入分析。

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