天山北麓绿洲演化规律研究

天山北麓绿洲演化规律研究

1农业地质条件绿洲是干旱地区的一个重要生态经济系统，以植物为主体，明显高于环境的第一生产力，与外源性天然水源有关。新疆天山北麓平原年平均气温5～6℃,无霜期150～170天,大于10℃年积温3200～3500℃。山前平原年降水量150～200mm,40%为固态降水;沙漠边缘年降水量100mm。山地降水垂直递增明显,海拔1500m以上一般超过400mm。山区降水和冰雪融水是山麓绿洲带的主要水源之一,山地植被垂直带谱明显北麓绿洲经济带位于天山山脉博格达山、依连哈比尔尕山和婆罗科努山分水岭以北地区,西起精河县,东至木垒县,行政区包括15个县市(博乐、温泉属准噶尔西部山地范畴,没有列入天山北麓)(图1),总面积为13.65×104km2,占新疆的8.22%。北麓绿洲位于天山垂直带谱的中温带荒漠地带,是山地和荒漠两大生态系统之间因天然或人为利用水资源发展起来的绿洲生态系统,张新时院士把新疆干旱区生态环境概括为“山盆系统”,将由山地植被和荒漠盆地的同心环形地貌地带所构成的天山北部的山盆系统划分为“三圈九带”。农业绿洲带单独成为一个带,大致呈东～西走向展布于山前洪积冲积扇上,其中精河属于湖滨平原绿洲。北麓绿洲经济带是“八五”与“九五”期间我国国土综合开发的19个重点片区之一,是开发大西北的重点地区。50年来,绿洲经济带发生了巨大变化,绿洲面积急剧扩大,人口迅速增长,经济腾飞,已具有独特的支柱产业。2000年北麓地区人口479.43×104,全疆为1,791.55×104,占26.76%;国内生产总值北麓为636.59×108RMB,全疆为1,407.21×108RMB,占45.24%;耕地面积为0.96×104km2,全疆为3.42×104km2,占28.24%;粮食产量为157.31×104t,全疆为808.6×104t,占19.46%;牲畜存栏数为737.35×104头,全疆为4,524.67×104头,占16.30%(表1)。北麓面积只占全疆的8.22%,但国内生产总值将近占全疆的一半,人口和耕地面积超过全疆的25%,粮食产量和牲口存栏数也超过了10%。未来北麓如何发展,不同行业的科学家们都勾画出了诸多发展蓝图。本文研究天山北麓50年来的绿洲扩张、经济发展和主导产业布局,旨在为绿洲经济带的发展规划提供依据。220世纪50年代，空间扩展概述2.1我国50年—绿洲分布图编制地学信息图谱是把空间格局的“图”和演化过程的“谱”结合起来的一种方法,天山北麓绿洲扩张图谱研究是该方法的具体体现。本文编图技术系统采用地理信息系统ARC/INFO,以国家1:100,000地形图为图象配准基础,坐标系为Albers投影的直角坐标体系,投影为正轴等面积双标准纬线割圆锥投影。图2是利用前人研究成果和遥感资料编制的50年来北麓4期绿洲分布图。其背景信息是1:25,000DEM表示的垂直带谱。图2a的绿洲分布图信息取自中国科学院新疆综合考察队1956～1959年考察成果《新疆维吾尔自治区1:400000植被类型图》灌溉绿洲与耕地信息,可以粗略地代表1956年～1959年绿洲分布状况,本文定义为1960年前。图2b的绿洲分布图信息取自《1:1,000,000中国土地利用图》。《1:1,000,000中国土地利用图》以1972年～1978年美国陆地卫星LandsatMSS假彩色影像为主要信息源,图2b可以代表1972年～1978年绿洲分布状况,本文定义为1978年。LandsatMSS原始数据分辨率79m×79m,由于精度较低,在编图过程中只划定了绿洲边界。图2c和图2d的绿洲分布图信息分别取自全国土地利用图形数据和属性数据库1990年和2000年数据,信息源是LandsatTM/ETM影像。LandsatTM/ETM原始数据分辨率为30m×30m。在编图过程中,把因土壤盐碱化过重而弃耕或轮耕的土地归并为耕地(表2)。2.2地质情况和改革对地质条件的影响1949年新疆绿洲面积为1.7×104km2,北麓绿洲面积为0.18×104km2。2000年天山北麓绿洲面积扩张到1.629×104km2,是1949年前的9.05倍,其中城镇和居民地占绿洲面积的9.33%,耕地和园林地90.67%(表2)、说明50年来绿洲空间开发主要是农业开发。新疆生产建设兵团在呼图壁河、玛纳斯河和奎屯河流域等中下游地区大规模开荒,莫索湾垦区、下野地垦区、芳草湖垦区、五家渠垦区等在开发前基本为荒漠。兵团1950年进入石河子、奎屯,1952年进入乌鲁木齐五家渠,据初步统计,1959年兵团在天山北麓造田已超过400万亩(约0.27×104km2),1956年136团入小拐,1958年在莫索湾建148、149、150团,1953年建103团,均伸入荒漠区下缘和沙漠地带,另外,克拉玛依油田在1954年已开始开发,50年代末已有一定规模。图2a来源于1:400000植被图,由于小比例尺制图的缘故,图中没有标明克拉玛依、石河子、奎屯和独山子等绿洲,故图2a绿洲数量少,根据该图图斑计算机统计,绿洲面积为0.4×104km2。基本分布在大河沿岸,如乌鲁木齐、玛纳斯、奇台、木垒等,绿洲之间基本都被荒漠隔开,同时绿洲多数分布在石河子以东。到1978年绿洲分布发生了巨大变化,绿洲面积是1949年的8.57倍。比较图2a和图2b可以看出,绿洲分布不仅沿东西向发展,部分地区已基本相连,而且向沙漠内部和山区发展(利用山区河水开发少量旱地,1978年MSS影像上判读出低山区旱地面积为0.071×104km2)。同时原来规模较大的绿洲也向四周扩张,例如乌鲁木齐市,此时绿洲外围轮廓基本形成(图2)。1978～2000年绿洲面积仅增加0.086×104km2,增长5.57%,其中耕地和园林地面积减少0.024×104km2,绿洲外围已不再扩张(除呼图壁河下游沙漠地区),变化基本表现为绿洲内部的作物结构调整,盐碱地和撂荒地面积逐渐增多。1967年是北麓耕地面积最大的时期,1949～1967年绿洲大规模扩张的原因,-一是充分利用水资源,变荒漠为绿洲的结果。例如,位于玛纳斯河中下游的下野地、莫索湾垦区原来为稀疏灌丛(梭梭和红柳)荒漠,经过开垦建设,变成了稳产高产的农田,石河子垦区是利用水资源开垦荒漠变绿洲的典范,同时该垦区成为节水灌溉的示范地。二是在“大跃进”时期,凡是能开垦的平原区荒漠和低山带的黄土坡地、起伏开阔的台子地及丘间槽子地,短时间内都变成了水浇地和旱田,故1967年耕地面积达最大。1967年后耕地停止扩张的原因,一是受“文化大革命”的影响,二是1976年以后工农业结构调整。自80年代以来粮食单产大幅度提高,农产品可以自给自足,如玛纳斯县1990年粮食亩产307kg/亩,而2000年亩产增加到446kg/亩,同时棉花、西红柿、葡萄、甜菜等经济作物占种植作物的比重越来越大;改革开放以后,城市化和市场经济提供了其他劳动市场。北麓城镇和其他建筑用地面积增加0.112×104km2,增长266.67%。说明1978年～2000年绿洲发展中城市化占主导地位(图2c、2d)。如TM/ETM影像判读表明,玛纳斯县1990年城镇和其他建筑用地面积87km2,其中县城面积3.83km2,2000年城镇和其他建筑用地面积98km2,其中县城面积6.49km2。3北北方城市发展分析新中国成立后,新疆人口从1949年的433.34×104增至2000年的1791.55×104,50年增加人口1,358.21×104,是1949年的4.13倍,2000年天山北麓人口为479.43×104,乌鲁木齐市区人口超过150×104,克拉玛依、奎屯、石河子市区人口也达15×104以上,乌鲁木齐、克拉玛依、奎屯等城市已成为北麓经济发展的中心,乌苏、奎屯、独山子被誉为北麓的“金三角”。绿洲经济带北界达沙漠边缘,南临低山带(图3),这里土壤肥沃,水量充沛,曾是“古丝绸之路”北路的交通要道。按发展历史和功能,北麓城市可分为3大类:(1)综合性行政经济中心,包括首府、地州驻地和多数县城,可分为三亚类:高度综合性政治、经济和文化中心,如乌鲁木齐,既是全疆的行政管理中心,又是全疆的工业、商业、交通和文化教育中心,在经济构成上,工业生产有较大比重;兼有综合性政治、经济中心和垦区中心,如昌吉,既是州的行政中心,又是农6师垦区经济中心,工业主要以农产品为原料;一般政治中心自然形成的综合性城市,大多数县城属于这一类,工业、商业、手工业生产都有,但不突出。(2)工矿业中心,如克拉玛依和独山子等是靠石油发展起来的新型城市。(3)兼有轻工业的垦区中心,如石河子既是农8师垦区的行政中心,又是利用垦区原料发展起来的轻纺工业城市。奎屯是农7师垦区行政中心,也是北麓的交通枢纽。按人口分布、相互间距离,从东到西可以把北麓的城市分为6个“城市群”:即木垒、奇台和吉木萨尔城市群;阜康、米泉、乌鲁木齐、昌吉和呼图壁城市群;玛纳斯、石河子和沙湾城市群;奎屯、乌苏和独山子城市群;精河、博乐和温泉城市群;克拉玛依。比较北麓国内生产值,可以得出农业与粮食产量大县/市为乌苏县、沙湾县、玛纳斯县、呼图壁县、昌吉市等,工业大县/市为克拉玛依市和乌鲁木齐市,畜牧业大县/市为乌苏县、沙湾县、奇台县和木垒县等。每个城市的发展都与水、土地和矿产等资源的分布与利用密切相关。克拉玛依的石油、经济带上的棉花、西红柿成为北麓经济发展的优势,特别是玛纳斯河流域紫泥泉牧场是世界上有名的细羊毛出产地,最近在玛纳斯河中下游莫索湾垦区发现了石油,将对北麓的经济发展产生深远的影响。位于阜康市的天池自然保护区,以及玛纳斯河流域上游的南山牧场将为旅游业的发展起到积极作用。4水、资源量和草场干旱区绿洲扩张过程就是水资源被利用过程。北麓共有大小河流125条,水资源总量为92.16×108m3,其中地表水资源量75.4×108m3;地下水资源量48.57×108m3,可开采量为37.53×108m3。大规模开发前,河流引水和蓄水设施较少,引水率仅为30～50%。1958年前后,建设兵团修建了引、蓄、输、配水工程,使引水率提高到65～80%;在河道上以及泉水溢出带处修建平原水库共计145座,蓄水10.6×108m3,约占河泉水年径流量的1/8;同时在河道引水口和水库泄水口以下至田间,修建渠道总长度约5.26×104km,其中防渗9600km(占总长18%);同时共打机井1.01×104万眼,年提水为12×108m3,再加上泉水11×108m3,合计引用地下水23×108m3,约占可开采量的60%。这些工程建设都为绿洲发展奠定了基础。水资源量是限制耕地扩大的主要因素。人口的增加以及水资源利用不当,导致部分平原水浇地因没有充足的水资源成为撂荒地,山区旱地由于土壤肥力不足也成为撂荒地。山前平原潜水溢出带由于平原水库的修建抬高了水位,加上溢出带以北灌区内灌溉排水不畅,导致地下水位接近地表,盐分长期积累,盐碱化面积越来越大,遥感影像上解译出盐碱化土地面积为:1978年0.452×104km2;1990年0.484×104km2;2000年增加到0.514×104km2,因盐碱化而弃耕地面积约绿洲总面积的29.28%。牲畜数量的持续增加,统计年鉴上1949年仅92.01万头,1955年173.14万头,1978年341.37万头,1990年522.07万头,2000年增至737.35万头,基本呈直线递增,通过拟合得出年递增率为11.965万头。草场面积在逐年下降,遥感影像上解译出草地面积,1978年为6.376×104km2,1990年为5.294×104km2,而2000年下降到5.198×104km2,过渡放牧也导致草场严重退化。由于大面积的开荒以及过渡放牧使沙漠边缘的生态交错带逐渐变窄,导致盆地外缘处于固定或半固定状态的部分沙丘开始活化,遥感影像解译出,北麓灌木林1978年为0.208×104km2,1990年下降到0.084×104km2,到2000年只有0.01×104km2。疏林地由1978年的0.126×104km2下降到2000年的0.065×104km2,2000年ETM影像判读沙漠面积为2.334×104km2,占北麓总面积的17.1%,仅莫索湾和下野地垦区受沙漠化威胁的农田约0.02×104km2。艾比湖解放初湖面1,310km2,储水量30×108m3,短短50年里,湖面只剩下550km2,湖周围分布着大片沙漠,严重威胁着绿洲发展。分析水资源和土地资源,北麓发展具有一定的潜力,如玛纳斯河流域仍有11.33×104ha质量较好的可开垦荒地未能开发,未来绿洲发展需要合理地利用资源,特别是提高水资源的利用率,将是未来保护生态环境的唯一出路。北麓现有渠道有效利用系数多为0.3-0.35,如石河子垦区防渗后可将渠系利用系数提高到0.75左右,按当前引水53×108m3,可节约田间净水量1,553×108m3,说明北麓水资源利用仍具有潜力可挖。5人地比城市面积扩张速度减缓,土地利用率高通过以上分析可得出如下结论:(1)1949年以后建立了新绿洲石河子、克拉玛依、奎屯等;(2)北麓人口呈直线上升,从1949年的39.11×104增加到2000年的479.43×104,年均增长8.63×104人;(3)耕地面积由1949年前的0.18×104km2扩张到1978年的1.501×104km2,年扩张速率0.045×104km2。据文献,耕地