國家歷史文化名城地區農業(yè)與水文地質(zhì)的關(guān)系

  中國歷史上大概經(jīng)歷過(guò)4 次人口增長(cháng)的高峰期[1]：兩漢時(shí)期，兩宋時(shí)期，清乾、嘉、道時(shí)期以及新中國成立以后，而近300 多年是我國人口發(fā)展最為迅速的時(shí)期。與人口發(fā)展相對應，我國歷史時(shí)期的土地開(kāi)發(fā)大概也經(jīng)歷了4 個(gè)階段[2]：西周時(shí)期我國土地開(kāi)發(fā)主要是在黃河中下游地區；西漢時(shí)期土地開(kāi)發(fā)擴展到整個(gè)中原、華北地區以及西北的綠洲地帶；在之后的隋唐至元明時(shí)期，長(cháng)江以南以及四川盆地等地區也先后被開(kāi)發(fā)；而在清代以后，我國的土地開(kāi)發(fā)更是拓展到包括東北平原以及北方農牧交錯帶在內的廣大地區。目前，我國已經(jīng)擁有國家歷史文化名城近120 座（圖1、表1）。這些國家歷史文化名城廣泛分布于全國主要的農業(yè)地帶。我國歷史時(shí)期土地開(kāi)發(fā)的過(guò)程實(shí)際上也是國家歷史文化名城地區空間演變的過(guò)程，其空間載體記錄了華夏農耕文明更多的生活經(jīng)驗，因此，本文選取這些國家歷史文化名城地區為研究對象。

 

  水是生命之源，歷史上的四大文明古國大都源始于河川臺地，今天，這些流域的城市地區依然是人類(lèi)賴(lài)以生活的場(chǎng)所，如尼羅河流域的城市埃及開(kāi)羅、兩河流域的城市伊拉克巴格達、恒河流域的城市印度瓦拉納西以及黃河流域的城市中國西安等，農業(yè)活動(dòng)對于這些城市的產(chǎn)生、發(fā)展并延續至今至關(guān)重要。因此，本文選取國家歷史文化名城地區水與農業(yè)活動(dòng)的關(guān)系為研究視角，具體選取的水文要素為水文地質(zhì)，國內外相關(guān)的研究較多關(guān)注水文地質(zhì)與農作物生長(cháng)機理之間的關(guān)系，如早期關(guān)于水文地質(zhì)環(huán)境與綠洲農業(yè)生態(tài)的關(guān)系研究[3]；農業(yè)活動(dòng)對水文地質(zhì)的影響，如以三工河流域為例關(guān)于綠洲淺層地下水位與水質(zhì)變化對人為驅動(dòng)LUCC的響應研究[4]；水文地質(zhì)與農業(yè)土地利用之間的關(guān)系，如通過(guò)遙感和地理信息系統確定農業(yè)地下水開(kāi)采量的研究；農業(yè)活動(dòng)中的水文地質(zhì)要素管理，如關(guān)于農業(yè)灌區三維概念化的水文地質(zhì)環(huán)境管理途徑研究[6]等?？偟膩?lái)說(shuō)，關(guān)于水文地質(zhì)與農業(yè)活動(dòng)的關(guān)系研究開(kāi)展較早，但相關(guān)研究所關(guān)注的尺度較多在區域層面，涉及的研究對象也一般為單一實(shí)體，而在全國尺度，選取某類(lèi)具有典型特征的群體進(jìn)行空間關(guān)系的量化研究并不多見(jiàn)。本文選取國家歷史文化名城地區為研究對象，這些城市的起源大多可追溯至農業(yè)時(shí)期，研究通過(guò)對這些城市地區水文地質(zhì)與農業(yè)活動(dòng)的空間關(guān)系量化，可以從換位思考的視角，為后續城鄉規劃尤其是新的城市建設用地選擇提供參考和依據。

 

  1 研究對象與數據來(lái)源

 

  本次研究將具體探討國家歷史文化名城地區水文地質(zhì)分布與農業(yè)土地覆蓋之間的空間關(guān)系，水文地質(zhì)是關(guān)于地下水的數量、質(zhì)量隨空間和時(shí)間變化的規律，國內涉及國家歷史文化名城地區的相關(guān)研究如銀川平原地下水補給及水質(zhì)分布綜合研究[7]、天津及鄰近地區水文地質(zhì)條件的研究[8]以及喀什市城區擴建布局中的水文地質(zhì)要素研究[9]等。本次研究主要的數據來(lái)源包括：國家歷史文化名城空間分布數據，數據根據國家基礎地理信息系統網(wǎng)站以及Google Earth 等資料整理而成，涉及到的110 個(gè)城市分布如圖1、表1 所示；土地覆蓋數據，研究采用歐洲航天局（ESA） 全球覆蓋計劃所提供的土地覆蓋數據，其反映了21 世紀初（2004 年12 月至2006 年6 月） 全球地表覆蓋的狀況，空間分辨率為300 m；水文地質(zhì)數據，研究對1979 年版《中華人民共和國水文地質(zhì)圖集》進(jìn)行數字化作為數據來(lái)源，不同省份的空間分辨率有所差異，但基本能滿(mǎn)足本次研究要求。

 

  2 研究方法與結果討論

 

  總體而言，在全國尺度，選取某類(lèi)典型群體進(jìn)行空間關(guān)系的統計量化研究是本文研究方法的主要探索，在之前的相關(guān)研究中發(fā)現40~60 km地域半徑是國家歷史文化名城地區明顯的地域閾值所在，研究所涉110 個(gè)國家歷史文化名城地區的地域閾值在0～100km區間，接近于正態(tài)分布，故本次地域研究范圍半徑的取值最終確定為100 km。研究具體從兩個(gè)層次展開(kāi)：基于外部的國家歷史文化名城地區與全國水文地質(zhì)情況比較和基于內部的國家歷史文化名城地區水文地質(zhì)與農業(yè)活動(dòng)空間關(guān)系量化研究，前者將110 個(gè)國家歷史文化名城地區作為一個(gè)整體，后者將110個(gè)國家歷史文化名城地區作為單列個(gè)體。

 

  2.1 國家歷史文化名城地區與全國水文地質(zhì)情況的比較研究首先整體提取出上述110 個(gè)國家歷史文化名城地區100 km半徑地域研究范圍內的水文地質(zhì)數據，并與全國水文地質(zhì)情況進(jìn)行比較，結果如圖2 所示，從兩者的比較中可見(jiàn)：富水極弱的松散巖類(lèi)孔隙含水巖組(UNC-1)、富水較弱的碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙含水巖組(CLA-2)以及富水較弱的侵入巖漿巖類(lèi)孔隙裂隙含水巖組(MAG-I-2)等是國家歷史文化名城地區明顯高于全國平均水平的水文地質(zhì)類(lèi)型，上述三類(lèi)水文地質(zhì)都為孔隙裂隙含水巖組類(lèi)型，研究結果進(jìn)一步闡釋了國家歷史文化名城地區的典型性。

 

  2.2 國家歷史文化名城地區水文地質(zhì)與農業(yè)活動(dòng)空間關(guān)系量化在此基礎之上，研究將對國家歷史文化名城地區水文地質(zhì)與農業(yè)活動(dòng)的空間關(guān)系進(jìn)行量化，研究提取出各國家歷史文化名城地區與農業(yè)土地覆蓋相對應的水文地質(zhì)情況，并提出“水文地質(zhì)適宜度”的概念，對于農業(yè)土地覆蓋而言，具體表示如下：

 

  農業(yè)水文地質(zhì)適宜度= 某類(lèi)型水文地質(zhì)在研究地域與農業(yè)土地覆蓋相對應的范圍內所占比重/該類(lèi)型水文地質(zhì)在整個(gè)研究地域范圍內所占比重農業(yè)水文地質(zhì)適宜度反映了某類(lèi)水文地質(zhì)與農業(yè)土地利用相適宜的程度，這里以桂林城市地區為例稍作闡述，如圖3 所示。

 

  同時(shí)，研究整理出桂林城市地區地域研究范圍內農業(yè)土地覆蓋情況及與農業(yè)土地覆蓋相對應的水文地質(zhì)情況。

 

  按照上述公式，研究整理出桂林城市地區100 km半徑地域研究范圍內的農業(yè)水文地質(zhì)適宜度分布，如圖5 所示，可見(jiàn)：桂林城市地區農業(yè)水文地質(zhì)適宜度最高的類(lèi)型包括富水較弱的碳酸鹽巖類(lèi)巖溶裂隙含水巖組(CAR-2)、富水中等的碳酸鹽巖類(lèi)巖溶裂隙含水巖組(CAR-3)、富水較強的碳酸鹽巖類(lèi)巖溶裂隙含水巖組(CAR-4)以及富水中等的碳酸鹽巖夾碎屑巖類(lèi)巖溶裂隙含水巖組(CAR-CLA-3)等。

 

  總體而言，本文定義的農業(yè)水文地質(zhì)適宜度指標計算簡(jiǎn)便，也能夠較為直觀(guān)地反映所在城市地區各類(lèi)水文地質(zhì)的農業(yè)適宜性。本次研究首先整理出110 個(gè)國家歷史文化名城地區100 km半徑地域研究范圍內的水文地質(zhì)分布情況。

 

  在此基礎之上，研究整理出110 個(gè)國家歷史文化名城地區100 km半徑地域研究范圍內與農業(yè)土地覆蓋相對應的水文地質(zhì)分布情況，如圖7 所示。

 

  最后，研究整理所有110 個(gè)國家歷史文化名城地區的農業(yè)水文地質(zhì)適宜度如表2 所示，這里僅列出了部分城市地區的情況。

 

  上述110 個(gè)國家歷史文化名城地區各類(lèi)型農業(yè)水文地質(zhì)適宜度分布情況的相關(guān)統計量如表3 所示。

 

  農業(yè)水文地質(zhì)適宜性的置信度與其涉及到的國家歷史文化名城地區樣本數量有關(guān)，本次研究中各類(lèi)水文地質(zhì)涉及到的國家歷史文化名城地區數目如圖8 所示，這里將樣本數的最小閾值設置為30，即暫定樣本數高于紅線(xiàn)30的水文地質(zhì)類(lèi)型其統計結果為可信。

 

  研究將國家歷史文化名城地區農業(yè)水文地質(zhì)適宜度的算術(shù)平均值轉繪為更為直觀(guān)的柱狀圖，它們集中反映了上述110 個(gè)國家歷史文化名城地區水文地質(zhì)與農業(yè)活動(dòng)空間關(guān)系的統計量化情況，其中：高于該參考線(xiàn)1.0 的水文地質(zhì)類(lèi)型農業(yè)適宜性相對更強，而低于該參考線(xiàn)的水文地質(zhì)類(lèi)型農業(yè)適宜性相對較弱。從國家歷史文化名城地區內部的比較來(lái)看，在上述涉及樣本數大于30 個(gè)，即本次研究認為可信的水文地質(zhì)類(lèi)型中，富水極弱的松散巖類(lèi)孔隙含水巖組(UNC-1)、富水較弱的松散巖類(lèi)孔隙含水巖組(UNC-2)以及富水較強的松散巖類(lèi)孔隙含水巖組(UNC-4)是農業(yè)適宜性較強的水文地質(zhì)類(lèi)型；富水中等的碎屑巖夾碳酸鹽巖類(lèi)孔隙裂隙含水巖組(CLA-CAR-3)以及富水較強的碳酸鹽巖類(lèi)巖溶裂隙含水巖組(CAR-4)等水文地質(zhì)類(lèi)型的農業(yè)適宜性也較高；而富水較弱的侵入巖漿巖類(lèi)孔隙裂隙含水巖組(MAG-I-2)、富水較弱的噴出巖漿巖類(lèi)孔隙裂隙含水巖組(MAG-S-2)以及富水較弱的變質(zhì)巖類(lèi)裂隙含水巖組(MET-2)則是農業(yè)適宜性較弱的水文地質(zhì)類(lèi)型。根據統計結果，國家歷史文化名城地區松散巖類(lèi)孔隙含水巖組的農業(yè)水文地質(zhì)適宜度大致是巖漿巖類(lèi)含水巖組以及變質(zhì)巖類(lèi)含水巖組的2~3 倍，而其他各類(lèi)水文地質(zhì)類(lèi)型的農業(yè)適宜度也能通過(guò)數字的形式得到直觀(guān)反映。

 

  同時(shí)，研究整理出各類(lèi)農業(yè)水文地質(zhì)適宜性的箱圖如圖10 所示，可以發(fā)現，上述富水極弱的松散巖類(lèi)孔隙含水巖組(UNC-1)、富水較弱的松散巖類(lèi)孔隙含水巖組(UNC-2)、富水較強的松散巖類(lèi)孔隙含水巖組(UNC-4)以及富水中等的碎屑巖夾碳酸鹽巖類(lèi)孔隙裂隙含水巖組(CLA-CAR-3)等類(lèi)型水文地質(zhì)的四位分布都相對比較集中，可以認為上述水文地質(zhì)類(lèi)型較高的農業(yè)適宜度具備典型性。

 

  3 結論

 

  我們知道：每一次工業(yè)革命都有著(zhù)不同的驅動(dòng)力及其典型的產(chǎn)業(yè)形式和具有代表性的產(chǎn)品，在第一次工業(yè)革命時(shí)，影響生產(chǎn)函數中技術(shù)參數的關(guān)鍵因素是蒸汽機的改進(jìn)和廣泛使用；第二次工業(yè)革命時(shí)是電力和鐵路交通；第三次工業(yè)革命時(shí)，則主要是ICT（Information, Communication and Technology） 產(chǎn)品與技術(shù)[12]。對于城市地區而言，各歷史時(shí)期的驅動(dòng)因素與物質(zhì)空間的變遷密切相關(guān)，在農業(yè)時(shí)期，由于農業(yè)活動(dòng)、供水、交通、水力等因素的制約，城市更多依賴(lài)河流水系和所在地區良好的水文地質(zhì)條件而發(fā)展；在蒸汽時(shí)代，蒸汽機的使用使得生產(chǎn)活動(dòng)開(kāi)始擺脫水力的約束而更多接近原材料產(chǎn)地進(jìn)行布局，但產(chǎn)品運輸對于河流水系的依賴(lài)依然重要；在電氣時(shí)代，鐵路和電力基礎設施的大規模建成，交通上的便利使得生產(chǎn)活動(dòng)開(kāi)始擺脫河流水系，在交通發(fā)達的節點(diǎn)往往形成較大的城市；在信息時(shí)代，知識與信息的集聚成為大城市形成的重要方面，如世界城市體系的形成?？v觀(guān)近代工業(yè)文明，城市地區的發(fā)展大多是建立在人類(lèi)中心主義基礎之上，逐漸遠離“自然做功”的過(guò)程，對于我國而言，長(cháng)期以來(lái)的城鄉二元結構又使得城市研究和規劃實(shí)踐對其所在地區的考量有所欠缺，尤其是近30 多年的快速城市化進(jìn)程，城市擴張尤其是大量新城和工業(yè)園區的建設占用了較多的農業(yè)適宜用地。

 

  事實(shí)上，我國傳統哲學(xué)中就有“因借自然”的生態(tài)觀(guān)，因此，本文選取國家歷史文化名城地區為研究對象，對這些城市地區水文地質(zhì)與農業(yè)活動(dòng)的空間關(guān)系進(jìn)行量化。從國家歷史文化名城地區與全國水文地質(zhì)情況的比較來(lái)看，前者孔隙裂隙含水巖組類(lèi)型水文地質(zhì)的比例要明顯高于后者，這闡釋了國家歷史文化名城地區的典型性，而從國家歷史文化名城地區內部水文地質(zhì)與農業(yè)活動(dòng)空間關(guān)系的研究結果來(lái)看：各富水程度的松散巖類(lèi)孔隙含水巖組是農業(yè)適宜性較強的水文地質(zhì)類(lèi)型，其巖性為砂礫卵石，在城市地區，這些水文地質(zhì)類(lèi)型多分布于平原或河谷地帶，地下水補給主要為降水、河流補給，適宜于農業(yè)生產(chǎn)；此外，碳酸鹽巖類(lèi)含水巖組的農業(yè)適宜性也較強；而巖漿巖類(lèi)含水巖組以及變質(zhì)巖類(lèi)含水巖組等則是農業(yè)適宜性較弱的水文地質(zhì)類(lèi)型，在城市地區，這些水文地質(zhì)類(lèi)型多分布于山地、丘陵地帶，地下水補給主要為側向補給，不太適宜于農業(yè)活動(dòng)?？偟膩?lái)說(shuō)，上述研究的結果與常規認識是基本一致的，后續研究需要繼續深入探討的地方包括：國家歷史文化名城地區是否是最為合適的樣本群體？某些水文地質(zhì)類(lèi)型因為涉及樣本數不夠，其統計結果的可信度有限如何解決？更為深入的各類(lèi)水文地質(zhì)與農業(yè)活動(dòng)關(guān)系的機理如何探索？我國耕地資源極為有限，如何在城市快速擴張時(shí)期盡可能保護有限的農業(yè)用地資源成為當務(wù)之急，城市發(fā)展要盡可能地占用農業(yè)適宜性較低的土地，因此，本次研究通過(guò)換位思考，也為城鄉規劃尤其是城市擴張中建設用地的選擇提供參考和依據。