新疆玛纳斯河流域绿洲耕地扩张差异与驱动力研究*

廖 娜,王月健,2**,徐海量,樊自立,张正勇,2,姚俊强,张青青,黄 燕

(1.石河子大学理学院 石河子 832000;2.绿洲城镇与山盆系统生态兵团重点实验室 石河子 832000;3.中国科学院新疆生态与地理研究所 乌鲁木齐 830011;4.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所 乌鲁木齐 830002;5.新疆农业大学草业与环境科学学院 乌鲁木齐 830052)

绿洲是干旱与半干旱区生态系统的核心,是人类及其社会经济活动的主要载体,也是结构最复杂、类型最丰富、生态最敏感的区域[1-2]。绿洲经历了由传统向现代的转变。从系统演替驱动力角度来看,人工力逐渐增大,由简单到复杂,并成为系统的主导力量,与生态生产力共同决定了现代人工绿洲的发展[3]。现代绿洲以“扩张”为主要特征,但在不同的发展阶段和社会经济体制下,其扩张的速度、规模和状态差异显著[4]。近60年来,在气候变化和人类活动的双重影响下,干旱区绿洲的土地利用/土地覆被变化(land-use and land-cover change,LUCC)剧烈。绿洲扩张的规模、驱动力和发展方向[5-7]、水土平衡与水盐运移规律[8]、承载力、稳定性与生态安全隐患[9-10]、尺度和冷热岛效应[11]等成为研究的热点问题,相关学者采用了试验观测、数值模拟、遥感和GIS技术等方法对不同的绿洲问题开展了具体的研究工作。目前有关绿洲扩张的相关研究多数集中于大尺度的绿洲,且侧重于绿洲向山地和荒漠外围的扩大化,而忽略了绿洲内部扩张的情形。有确切数据表明[12-13],在绿洲内部,众多分散的中、小绿洲,在人类活动的作用下,通过改造大量中、轻度的盐碱地、夹荒地等扩大绿洲面积的数量也是相当可观的[14]。绿洲的LUCC是一个复杂的过程,前人有关大尺度绿洲扩张研究的诸多结果不完全适用于中、小尺度绿洲,其结论存在较大的不确定性,甚至与实际不符,这对于全面认识和客观评估绿洲扩张的尺度效应是极为缺憾的。因此,在绿洲扩张分析研究中,要多尺度结合进行综合分析。

20世纪50年代起,位于西部干旱区的新疆,其特有的山-盆相间的地形地貌使许多以流域为单元的绿洲农业景观得以发展并逐步壮大,形成了大规模兵团农场耕作和小规模地方家庭承包两种典型的土地经营模式[15]。其中,兵团土地归国家所有,田块进行集中规模化经营,以团场为基本单元扩大生产经营规模;地方土地归集体所有,田块进行分散化经营,主要以村镇的形式扩展用地。经营模式的不同导致地方和兵团的绿洲扩张过程有着明显的差异,新疆绿洲现状是兵团农场和建制镇(简称团镇,下同)长期扩张、相互作用、共同推动的结果,团镇可以视为中、小尺度绿洲。耕地是绿洲扩张的主导地类,其面积的变化过程可以充分体现绿洲的演变过程,并对掌握绿洲的扩张过程及特点具有十分重要的意义。

玛纳斯河流域是北疆最大的人工绿洲,流域内的地方乡镇和兵团团场呈插花式的交错分布。20世纪50年代起,随着农业现代化、城镇化进程的加快和承包制调整等,绿洲规模迅速扩大,其中,中游地区团镇的LUCC过程最为显著。为此,本文首先以玛纳斯河流域中游的2个团镇为研究对象,采用土地利用动态变化度,分析了团镇绿洲耕地的扩张过程;进而利用多元逐步回归等方法,分析了兵团与地方(兵团第八师石河子垦区和玛纳斯县)不同时期绿洲扩张的驱动力;最后,从全流域绿洲扩张的角度出发,结合绿洲扩张模型,测算了绿洲耕地的适宜规模,并提出了未来绿洲的发展方向。研究旨在为流域水土资源的合理开发利用和社会经济的可持续发展提供理论指导和科学依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

玛纳斯河流域位于亚欧大陆腹地,新疆维吾尔自治区西北部,准噶尔盆地南缘,流域空间跨度84°42′～86°33′E,43°05′～45°58′N。属于典型的温带荒漠气候,降水少,蒸发强,气候日温差大。地势由西南向东北倾斜,西南部为高山峡谷区,中部为绿洲平原区,东北部为荒漠区,是典型的山-盆系统结构。流域包括兵团第八师石河子垦区、玛纳斯县和沙湾县。本文中现代绿洲是干旱区具有代表性的人工绿洲。其形成、发展的演变进程受水源、地貌格局等因素影响,同时社会经济因素也起着很大作用[16]。本研究根据资料的完整性,借鉴前人区划的研究成果[17],选取流域玛纳斯河中游地区兵团团场(石河子垦区144团)与地方乡镇(玛纳斯县兰州湾镇)两个不同的团镇进行对照比较。144团位于85°35′～85°52′E、44°24′～44°38′N,土地总面积为3.03×104hm2;以农业为主导,主要作物为棉花(Gossypiumspp.)、粮食作物、蔬菜和水果。其中,鲜食葡萄(Vitis vinifera)实现总产702 t。农业经营方式为职工家庭生产承包管理。兰州湾镇(86°07′～86°28′E、44°26′～44°52′N)距144团72 km,距离玛纳斯县城西北3.5 km,支柱产业包括棉花、番茄(Solanum lycopersicum)、玉米(Zea mays)、奶牛养殖,农村经济总收入达2.61亿元。农业经营方式为村民自主经营管理。

1.2 数据来源与处理

本文主要数据源包括:1)影像数据:1958年航片、1976年MSS影像、1987年TM影像、1998年TM影像、2006年CBERS影像和2018年Landsat OLI影像数据。对于1976年影像采用421假彩色波段合成,1987年、1998年、2006年的影像采用432假彩色波段合成,2018年影像543假彩色波段合成;考虑到1958年、1976年影像有限,需采用研究区1∶10万地形图的行政边界进行掩膜提取及修正。根据研究需要,在ERDAS 9.1及ArcGIS 10.6的支持下,对各年份的遥感影像进行目视解译、数字化及建立拓扑关系,并通过野外考察及Google Earth高空间分辨率对解译结果进行校正,获得土地利用图形及属性数据。2)流域行政边界、图等基础数据来自国家基础地理信息中心。3)社会经济数据来自石河子市、玛纳斯县农业、水利、国土等部门。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用变化特征

土地利用变化特征主要通过变化动态度、趋势和状态、变化幅度等来表征,这可以直观地反映出各研究时段内各种土地利用类型变化状况[18–20],各参数的计算公式如下:

式中:ΔUin指其他类型的土地转换为该类型土地的面积总和,ΔUout指该类型的土地转换为其他类型的土地面积之和,Ua指该类型土地的起始面积。

1.3.2 驱动力分析

通过对驱动因子进行典型相关性分析,构建指标体系,采用因子分析法和多元逐步回归分析探讨兵团与地方绿洲扩张的核心驱动因子[21]。

式中:rij是i、j的简单相关系数,pij是i、j的偏相关系数。

1.3.3 绿洲适宜扩张规模

考虑到绿洲的实际情况,并在水热平衡指数的基础上,构建了适合干旱和半干旱地区尺度的绿洲规模计算模型及绿洲适宜耕地面积模型[22]:

式中:A*是绿洲的适宜面积,Ws是地表水,Wg是地下水,Wi是非植被用水量,W1是城乡生活用水量,We是生态耗水量,是水热平衡指数,ET0是根据Penman公式确定的参考作物蒸发散,r是年降水量,Kpi是流域内植物的综合影响系数,是适宜耕地面积,Kc是耕地利用系数。

2 结果与分析

2.1 兵团团场和地方乡镇绿洲耕地扩张过程

2.1.1 兵团团场绿洲耕地扩张过程

1958—2018年,144团的耕地面积经历了显著变化,面积增加26 000 hm2,由边角区域不断外延扩张(图1,表1)。其中,1958—1976年,耕地由原本集中分布在西南角与西北角区域,不断向中部呈条带状扩张,年增加速率为100.92%,趋势与状态指数为0.9,主要以草地单向转入为主,面积为7557 hm2;1976—1987年,耕地在原有的基础上,继续向东北方向扩张,其年变化率为1.91%,趋势与状态指数达到1.00,表明耕地仍以草地单向转入为主,处于极端不平衡状态;1987—1998年,耕地在原有的基础上向外部扩张变得越来越规则,年变化率为179.94%,趋势与状态指数为0.63,表明耕地面积处于增加状态,主要以建设用地(597 hm2)与草地(689 hm2)的转入为主;1998—2006年,耕地呈现东北-西南向扩张,趋势与状态指数为0.29,年变化率为4.34%,耕地处于准平衡状态,以水域(892 hm2)的转入和转为草地(424 hm2)的双向转换为主;2006—2018年,耕地的分布越来越集中,趋势与状态指数为0.27,年变化率为6.02%,呈现双向转换,并处于准平衡状态。

2.1.2 地方乡镇绿洲耕地扩张过程

1958—2018年,兰州湾镇耕地迅速扩张,面积由2394 hm2增加到13 292 hm2(图1,表1)。其中,1958—1976年,耕地由镇北部、中部、南部的部分区域不断向中部延伸,趋势与状态指数为1.00,主要以单向草地转入为主,转入面积为8508 hm2;1976—1987年,耕地向北扩张,趋势与状态指数为0.29,处于准平衡状态,表明耕地以内部地类转换为主;1987—1998年,镇中部的大片草地转化为耕地,面积为2880 hm2,并向南部扩张,其变化幅度为530.88%,趋势与状态指数为0.97,表明耕地以单向转化为主;1998—2006年,耕地面积仍以草地转入为主,趋势与状态指数为1.00,年变化率为0.06%,耕地处于极度不平衡状态;2006—2018年,北部呈条带状的耕地整合成了连片的耕地,趋势与状态指数为0.08,年变化率为0.15%,处于平衡状态。

图1和表1综合分析表明,两种不同经营模式下不同时期土地利用过程表现出明显的差异性。近60年144团与兰州湾镇耕地变化的趋势与状态指数几乎在0.5～1.0间,表明耕地多处于不平衡与极度不平衡状态,大多由草地单向转换而来。其中,144团1958—1998年以外部扩张为主,而1998—2018年以内部转化为主,而兰州湾镇1976—1987年以内部转换为主,1998—2006年以单向转换为主,其余与兵团变化保持一致。上述中外部扩张主要是在原有耕地的外围进行开荒造田,而内部扩张则是对原有耕地进行整治,土壤进行改良,撂荒地进行收复。

表1 1958—2018年兵团团场(144团)和地方乡镇(兰州湾镇)土地利用变化特征Table 1 Characteristics of land use change in corps farm(Regiment 144)and local township(Lanzhouwan Town)from 1958 to 2018

2.2 绿洲耕地扩张的驱动力分析

人口数量、经济发展、水利设施、政策是影响玛纳斯河流域耕地扩张的主要因素,而政策因素难以量化。因此本文在借鉴前人研究基础上,结合研究区农业发展现状,从人口、经济、自然、科技水平等方面选取12个驱动因子进行驱动力分析[23-25](表2)。

表2 兵团团场(144团)和地方乡镇(兰州湾镇)绿洲扩张变化驱动因素的典型相关系数Table 2 Canonical correlation coefficients of driving factors for the oasis expansion in corps farm(Regiment 144)and local township(Lanzhouwan Town)

1)人口增长与经济发展。1976—2018年,石河子垦区人口由53.06万增至67.68万人,玛纳斯人口由8.90万增至24.71万人;石河子与玛纳斯人口与耕地面积之间的Pearson相关系数分别为0.816、0.854,呈高度正相关关系。经济增长是导致耕地扩张的另一重要因素,1976年以来,石河子人均GDP由0.14万元增长到7.61万元,玛纳斯县2000年开始人均GDP由1.06万元增长到6.95万元,两地人均GDP也呈现增长趋势,与耕地扩张的Pearson相关系数分别为0.815、0.965。由此可见耕地扩张与人口、经济有着密切关系,这是因为人口的快速增长会带来更大的粮食需求,流域以农业经济发展为主,经济增长得益于耕地不断向周边草地、林地、未利用地等地类扩张。

2)农地制度变革。1958—1976年兵团推行包、定、奖经济责任制,地方处于人民公社所有制阶段,实行“一大二公”,属于高度集中的农业生产方式与平均分配制度(表3)。1976—1987年兵团制度发生变革,职工自负盈亏,阻碍了职工生产积极性;地方农户可通过承包得到土地使用权与经营权,且1978年后流域处于零星开荒期,第一轮土地承包确权后,人均承包面积为0.4 hm2。1987—1998年土地的经营权归团场与职工家庭,承包人收入,实行工资加效益工资,职工人均承包面积为1.33 hm2,此时政府也鼓励个人和集体开垦荒地,兵团出现了开荒热,职工积极性大大提高[26];地方农户的土地承包期延长至30年不变,人均承包面积上升至0.53 hm2。1998—2006年兵团土地使用权可以有偿转让和调整,职工人均承包面积达1.67 hm2[27];地方农地流转规模加大,人均承包面积由1995年的0.67 hm2增长为0.8 hm2。2006—2018年兵团与地方耕地均为主导地类,政府更加重视土地内部整治,兵团职工人均承包面积由2010年的2.33 hm2增至10 hm2,而地方承包权归鉴定承包合同的农民,经营权归土地流转后负责经营的人,石河子与玛纳斯人均承包地面积与耕地扩张的Pearson相关系数分别为0.876、0.854,表明兵团与地方不同时期农地制度的变迁,会影响着土地的利用[28]。

表3 兵团与地方农地制度演变表Table 3 Evolution of corps and local farmland systems

3)水利设施变化的分析。水库和灌渠一定程度上会改变水资源的空间利用格局(表4)[28]。结合耕地的空间变化规律发现,1958—1976年,石河子库容达22 510×104m3,玛纳斯库容达11 630×104m3;水系长度增加595.68 km,灌溉方式为库渠相结合,流域兵团的水资源变得充足,因此该时期进行大规模的开垦耕地[29]。1976—1987年,石河子与玛纳斯库容量均有所增加,水系增长162.31 km,灌溉机井的大规模建设使用,水资源的使用不再局限于地表水,而是地表水与地下水相结合,灌溉方式转化为沟渠、水库与机井相结合,使得兵团与地方中游耕地向水库方向扩张。1987—1998年,安集海二库、夹河子等水库建成,水资源的灌溉管理也得到加强。1998—2018年,灌溉方式由喷灌演化为滴灌,水资源利用效率得到进一步优化,耕地面积有所扩张。水资源径流量与耕地扩张的Pearson相关性系数分别为0.771与0.818,呈现显著相关,因此耕地在空间上的扩张,一定程度上促进了水库、沟渠与机井的建立和灌溉方式的转变,因此不同时期耕地扩张与水利设施有很高的相关性。

表4 兵团与地方水利设施建成时间表Table 4 Construction schedule of water conservancy facilities in corp farm(Shihezi)and local county(Manas County)

4)管理水平的提升与科技应用。管理水平的提高和科技的进步能带动兵团与地方资源高效开发利用。管理水平方面,1989年至今玛纳斯县科研技术服务人员增加27 825名,石河子增加45 488名。团镇领导班子、机构不断健全,农田科技人员数量的增加、学历的提升,对耕地扩大、规模化经营有直接效应。科技方面,主要表现为农田地膜、节水技术和农业机械化的应用水平的提高。20世纪70年代我国引进塑料膜覆盖技术,并逐步向新疆推广,地膜的使用弥补了水热不足的缺陷,扩大耕作范围,提高作物产量[30]。1998年流域开始实行滴灌技术,并不断优化,如软管微灌技术、棉花渗灌技术,使得农业规模不断扩大。1998—2018年,玛纳斯县与石河子垦区的节水灌溉面积逐年增多,玛纳斯县增加了580.00 km2,石河子垦区则增加了2353.33 km2。通过兵团与地方节水灌溉面积与耕地扩张的Pearson相关性分析,系数分别0.959、0.958,具有显著相关性。大农机是新疆农业生产的特色。1987—2018年玛纳斯机械总动力增加了39.38×104kW,石河子2001—2017年机械总动力增加了39.80×104kW。石河子与玛纳斯机械总动力与耕地扩张的Pearson相关系数具有较高相关性,这为兵团与地方耕地扩张提供充足的动力支持。

综上所述,绿洲耕地的扩张与人口、经济有着必然联系;兵团与地方制度的变革一方面是为了适应不同阶段农业农村发展的需要,另一方面是为了保持绿洲的稳定性及合理有序发展[31];水资源利用方式变化在一定程度上影响着绿洲扩张方向,一定规模的水资源只能孕育出一定规模的绿洲[32-33];先进的科技与管理水平对绿洲扩张具有根本的推动作用。

2.3 兵团与地方耕地扩张模型构建

绿洲耕地的扩张与人口数量、经济发展、水利设施有着必然联系,利用石河子与玛纳斯县的统计年鉴等资料,通过SPSS统计分析软件,对标准化后的各驱动因子和绿洲耕地扩张的数据进行多元逐步回归分析,提取出核心驱动因子[34-35]。石河子的核心驱动因子为节水灌溉面积(X7)、水资源径流量(X6)、农牧业平均收入(X5)3个指标;玛纳斯县的核心驱动因子为人均GDP(X2)、农牧业平均收入(X5)、农业生产总值(X4)3个指标。

兵团绿洲扩张与其核心驱动因子的关系可以表达为:

地方绿洲扩张与其核心驱动因子的关系可以表达为:

兵团地区节水灌溉面积和水资源径流量主要体现在农村水利基础设施的不断完善,农牧业平均收入也体现出兵团地区经济迅速发展,居民生活水平有较大改善。人均GDP、农牧业平均收入、农业生产总值均能体现出地方的农业经济发展水平,由此可见政府重视地方农业经济发展,有助于促进地方绿洲扩张。

2.4 绿洲耕地扩张的阈值和方向

绿洲规模过小,不能充分利用土地资源,会限制人们生活与生产发展的需要,而规模过大,则会导致水土资源的过度利用,影响流域生态环境的稳定性[36]。黄领梅等[37]指出人工绿洲不宜超过整个绿洲的85%;刘金鹏等[38]认为人工与天然绿洲的适宜比例为1∶2;Yang等[22]提出玛纳斯河流域适宜的耕地规模占比应为30%～40%,即2018年流域适宜耕地规模不超过2970.54 km2,而实际的耕地规模已达7665.24 km2,已经远超适宜规模。如图2所示,1958—2018年,玛纳斯河流域团场与地方的耕地面积均呈增长态势,其中,兵团由352.67 km2增加到2532.42 km2;地方则由1219.68 km2增加到5132.82 km2,地方的耕地面积增加值远高于兵团。绿洲由于“无限无序”式外部扩张引发的生态安全隐患已经凸显,未来应积极发展绿洲生态农业,绿洲的扩张模式应以农地内部整合为主。

3 结论与政策建议

通过绿洲变化过程可以看出,玛纳斯河流域2个团镇耕地面积均有大幅增加,其中144团在1958—1976年快速增长,耕地逐步向中部扩张;兰州湾镇在1987—1998年为快速增长时期,耕地在研究区广泛分布。近60年兵团与地方扩张趋势与状态指数几乎在0.5～1.0,表明兵团与地方多处于不平衡与极度不平衡状态,以单向转换为主,耕地的扩张主要是由草地、林地转化而来,这是流域兵团地区与地方绿洲扩张共有的特点。

通过绿洲变化原因可以看出,人口数量、经济发展、水利设施、政策的改善和提升是影响绿洲扩张的重要原因。人类是影响土地利用结构及其空间演变规律的动力;绿洲以灌溉农业的外向式经济发展为主,GDP产值的增长和农户的增收客观上需要耕地规模的扩大化;兵团与地方农地制度的变革,维系着绿洲的稳定性及合理有序发展;水资源利用方式变化在很大程度上影响着绿洲扩张方向和规模;先进的科技与管理水平对绿洲扩张具有较强的推动作用。各驱动因素作用程度的强弱,导致兵团和地方在绿洲不同时期扩张的差异性和复杂性。通过多元逐步回归分析得出,兵团的核心驱动因子作用大小为节水灌溉面积＞水资源径流量＞农牧业平均收入,地方的核心驱动因子作用大小为人均GDP＞农牧业平均收入＞农业生产总值。

随着玛纳斯河流域耕地逐渐演化成为主要地类,林、草等地类不断减少,景观呈现单一化方向发展趋势,绿洲耕地由于“无限无序”式外部扩张引发的生态安全隐患已经凸显。所以该流域的兵团与地方政府应当处理好现存耕地利用效率低和随意扩张引发的生态环境脆弱问题,将破碎化的土地利用模式逐渐转化为集约、高效利用的模式,这也是促进流域农业可持续发展的必然要求。首先,流域的各级政府,要遵循“山水林田湖草生命共同体”的理念和建设要求,统筹推进流域的综合开发;其次,加快构建现代土地资源管理制度体系,严格审核各类土地开发项目,根据国土空间规划的用地布局要求,科学划定生态红线,严格限定绿洲的扩张规模,树立“兵地一盘棋”的思想,促进兵团与地方的土地利用结构优化;再次,坚持最严格水资源管理制度,“以水定地”,实现水资源高效利用,强化绿洲植被保护,防控沙漠化对绿洲的威胁;最后,应推行土壤退化治理与土地整治相结合,推进土地盐漠化综合治理,提高土地利用效率和潜力,从而实现绿洲耕地的数量、质量、生态三位一体保护。