新疆乌恰康苏地区构造地貌与景观生态格局研究

王 磊方维萱鲁 佳刘增仁

1.有色金属矿产地质调查中心矿山生态环境资源创新实验室,北京 100012;

2.有色金属矿产地质调查中心新疆地质调查所,乌鲁木齐 830000

0 引言

景观是由不同土地类型的地理实体镶嵌组成,包含不同的生态系统,而不同的景观类型决定景观生态的格局。目前景观分类还没有统一的体系,Naveh and Lieberman(1993)根据土地利用及自然植被特征进行自然景观、乡村景观、农业景观等的划分;肖笃宁等(1998)从景观功能及人类干扰的视角,将景观分为自然景观、经营景观、人工景观。周华荣(1999)采用景观类型、景观系、景观组、景观型四级单位对新疆北疆地区进行景观生态类型划分。郭娜(2012)以植被景观分类的视角动态分析景观格局。师庆东等(2014)基于气候、地貌、生态系统的景观分析体系,建立了“景观带—景观区—景观类—景观型”的四级景观分类体系,并将新疆地区划分为3个景观带、4个景观区、2个景观类和11个景观型;宗召磊等(2015)采用景观区、景观类和景观型三级分类体系,构建了新疆灌木地景观分类系统。构造地貌方面多采用野外实地调查、遥感及雷达探测等方法技术进行研究。Burbank and Anderson(2001)将构造地貌作为景观类的划分依据;Lane et al.(2003)使用遥感方式评估了河流地貌景观区内的沉积及剥蚀量;Maurya et al.(2017)利用野外和探地雷达资料研究印度西部地震活跃的南瓦格德断层(SWF)的构造地貌和新构造环境。刘静等(2018)通过构造地貌学研究构造-气候-地表过程的相互作用。乌恰康苏地区地处西昆仑山与西南天山对冲作用形成的盆山耦合带,以干旱的大陆性气候、山盆相间的地貌格局在全球干旱区类型中独具特色,是研究景观生态格局的理想选区(师庆东等,2014;方维萱等,2018;方维萱,2018;王磊等,2019)。故文章从构造地貌的角度出发,以“3S”技术为基础进行构造地貌填图,来划分新疆乌恰康苏地区的景观类型,研究构造地貌对该区域景观生态格局的影响程度,为该区域生态资源环境协调可持续发展提供参考和支撑。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

新疆乌恰地区地处塔里木中—新生代沉积盆地的西部(东经74°36′～75°01′,北纬39°29′～39°43′),地理位置为乌恰县县城东侧——吾合沙鲁乡。地势南低北高,海拔为1623～4428 m,以克孜勒苏河为界,北部为南天山(西段)山脉,南部为帕米尔高原、昆仑山脉。地形切割等级较高,中高山区和极高山区面积占总面积的76%,河谷平川占24%。大地构造位置处于南天山造山带、西昆仑造山带以及塔里木盆地三大构造单元的交汇处,特殊的大地构造位置以及其所经历的漫长的地质演化历史,造就了区内复杂多样的构造地貌。研究区构造地貌类型分为冰川-溶蚀中高山地、剥蚀-侵蚀高中山及丘陵区、冲洪积倾斜平原区、河流阶地及侵蚀河谷。区内干旱少雨,属于典型的中温带大陆性干旱气候,日照率57%～70%,气温年际变化在-24～34.6℃,降水量变化在87.1～326.4 mm。

研究区处于西昆仑山与西南天山对冲作用形成的盆山耦合带(刘和甫,2011;方维萱等,2018),北侧为南天山山前逆冲带(III),南侧为帕米尔前缘逆冲带(II)。研究区受帕米尔前缘逆冲带向北东方向推覆和南天山山前逆冲带向南推覆的对冲式逆冲推覆作用,发育一系列逆冲-走滑断层、逆冲断层、走滑断层、鼻状构造和背斜构造(何登发和李洪辉,1998),山前形成克孜勒苏-托果乔尔套逆冲-走滑构造带(V),分布于F2(克孜勒苏断裂)与F3(吾合沙鲁断裂)-F4(乌拉根向斜北翼断裂)之间(图1)。南部帕米尔前缘逆冲带的拉姆洛依断裂(F10)西域运动之后至今(李涛等,2011),新构造活动仍然频繁,乌恰县于1985年、2008年、2012年分别发生了7.4级、6.8级和5.0级大地震即是表现。喜马拉雅晚期运动基本上奠定了西南天山地区现今的地形地貌格局。

1.2 研究方法

文章在地形地貌、构造特征、土地利用类型、植被覆盖等研究的基础上,以ArcGIS10.4为技术平台,对各类专题图件进行配准、镶嵌和叠加,最终建立研究区的景观类型图。此次高程数据采用谷歌地图下载的精度10m的DEM数据,通过Global Mapper处理后形成地形地貌图。按照《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017)标准规定的土地利用的类型和含义,采用2016年4月17日获取的SPOT6数据(影像分辨率为1.5m)和2013年6月26日获取的GF2数据(影像分辨率为0.61m),进行土地利用类型划分。

2 景观生态格局特征

景观是指大小和形状不一的景观斑块在空间上的配置(李保杰,2014),不同土地类型的空间分布及上覆物质组成,影响其格局的变化。物质组成除了上覆生物,还包括人类生活及生产形成的地物。景观生态格局特征、演变规律及稳定性与地球表层系统物质的组成、气候、土地类型、植被类型等密切相关(潘晓玲,2001;王朗等,2009;彭建等,2015;曹慧明等,2016;张月等,2016;李树志等,2019;郑国华等,2020;刘祥龙等,2021)。景观分类是景观生态学研究的重要内容之一(肖笃宁等,2003),文章根据师庆东等(2014)提出的四级分类体系对乌恰康苏地区的景观进行分类,通过研究区的垂直地貌(山地和平原)特征,划分了5个景观类;通过土地利用类、植被盖度等特征划分了6个景观型;结合自然生态系统和人工生态系统特征,划分了23个景观类型。

2.1 景观类

景观类的概念和分类在国内外并不完全一致,学者们通常将地形地貌作为景观类的划分依据(Burbank and Anderson, 2001; Maurya et al., 2017)。在已有研究的基础上,将构造、地形地貌结合按照垂向分带特征作为景观类的划分依据,研究区构造地貌具有显著的山地-平原分布格局特征,以2500 m为绿洲的上限,可划分为山地、中-低密度草地和农田。结合野外实地调查法和高分辨率卫星数据探测法,基于景观分类的三级指标(师庆东等,2014),对康苏地区的5个景观类进行了调查和分类(图2)。

图2 乌恰康苏地区景观类分布图Fig.2 Map showing the distribution of different landscape classes in the Kangsu area, Wuqia

(1)侵蚀性中高山地。分布于研究区北部,大多由古生代地层组成,海拔高度大于3700 m,最大标高4428 m,相对高差大于600 m,面积116.31 km2,占比7.33%。山顶尖棱状,常年积雪,冰川发育,沟谷深切,狭谷众多,河床落差较大,流水湍急,雪崩、滑坡、泥石流时有发生。

(2)剥蚀性高中山地。分布于研究区的南部和北部地区,发育古生界、中生界、新生界地层。山顶均呈浑圆状,海拔高度2500～3700 m,相对高差200～700 m不等,为典型的剥蚀构造地形,面积623.14 km2,占比39.26%。少见常年积雪,沟谷碎石覆盖,山顶基岩裸露,局部沟谷流水侵蚀作用强烈,“V”型谷为崩塌和泥石流易发区。

(3)倾斜冲洪积平原。分布于研究区中部、克孜勒苏河以南地区近山麓地带。海拔高度1800～2500 m,面积33.62 km2,占比2.12%。由上更新统冲洪积砂砾卵石组成,形态以冲洪积扇裙出现,扇间洼地潮湿,沿山麓方向地形波状起伏,坡度10°～15°,纵向沟谷发育,侵蚀切割强烈。

(4)河流阶地。分布于克孜勒苏河、康苏河等及其支流两岸。海拔高度1700～1800 m,面积667.89 km2,占比42.08%。由河水搬运堆积而成,形态上以阶地出现,共可分五或六级阶地。五、六级阶地一般呈孤立状,阶面多碎石,地表常形成砾幕;上更新统堆积物组成二至四级阶地,阶面平整,阶坎清晰;全新统堆积物分布于现代河床及低阶地上,组成河漫滩和一级阶地。

(5)侵蚀河谷平原。主要分布于克孜勒苏河的河漫滩,由克孜勒苏河携带的细粒物质堆积而成,形成细土平原区,发育一、二级阶地。海拔高度1623～1700 m,面积146.30 km2,占比9.22%。由于河床逐年被堆积垫高,使冲洪积的组成物质多元化。总体地形较平坦,发育大量的南北向冲沟,源头为两侧高中山地。

2.2 景观型

景观要素相同,特别是生物量或土地承载量相同的景观可联合称为景观型(周华荣,1999)。土地利用的景观格局是景观生态学和地理学领域长期关注的热点问题和难点问题(王朗等,2009;彭建等,2015;曹慧明等,2016;张月等,2016;李树志等,2019)。不同土地利用类型和土地覆被类型的空间组合对生态环境的影响是不同的,而景观格局特征可以直观反应不同景观异质性的景观性状(陈曦和罗格平,2008;贡璐等,2009)。此次以人为景观干扰和景观要素差异性作为景观型的划分依据,结合土地利用类型(图3),将该区划分为雪山、河流、草地、农田、村镇、工矿用地6个景观型。其中,雪山景观为土地利用类型中的永久积雪区(39.46 km2,2.49%),以研究区北侧中高山地区为主。河流景观为土地利用类型中河流水面(35.44 km2,2.23%),以康苏河、克孜勒苏河、膘尔托阔依河等为主。草地景观为土地利用类型中的中低密度-中密度-高密度草地,在研究区分布广泛。中低密度草地(1147.88 km2,72.32%),分布于高中山山坡、山麓及冲洪积扇的扇根等;中密度草地(247.61 km2,15.60%),分布于冲洪积扇扇中和扇缘、河流阶地等;高密度草地(24.22 km2,1.53%),分布于雪山周边以及山间洼地等;农田景观为土地利用类型中的水浇地(49.48 km2,3.11%),以黑孜苇农田、恰特农田和玛依喀克农田为主。村镇景观为土地利用类型中的村镇住宅用地(14.98 km2,0.94%),包括乌恰县城、康苏镇、黑孜苇乡及吾合沙鲁乡。工矿景观为土地利用类型中的采矿用地及工业用地(28.22 km2,1.78%),以乌拉根铅锌矿区、吾合沙鲁铜矿区和康苏工业园区等为主。整体显示,乌恰康苏地区位于高原气候带干旱区,以克孜勒苏河、康苏河、瞟尔托阔依河形成格子状的廊道,具有典型的自然和人工复合景观型特征。

图3 康苏地区景观型分布图Fig.3 Map showing the distribution of different landscape types in the Kangsu area, Wuqia

2.3 景观生态格局

景观的结构、功能、动态变化构成景观生态的三要素,此次根据景观生态格局的镶嵌性、空间异质性、生态效应结合地形地貌建立康苏地区景观生态格局。以构造地貌作为景观类的划分依据,以土地利用类型+植被覆盖作为景观型的划分依据,按照自然生态系统和人工生态系统两大类,将5个景观类和6个景观型进行叠加处理生成景观生态格局分布图,并以师庆东等(2014)提出的命名方式为主,划分了23个景观类型(图4),其中,典型的有以中高山雪山景观、高中山草地景观、倾斜冲洪积平原草地景观、河流阶地草地景观、侵蚀河谷平原河流景观5类为主的自然景观类型;以高中山工矿景观、倾斜冲洪积平原农田景观和倾斜冲洪积平原村镇景观3类为主的人工景观类型。

图4 乌恰康苏地区景观类型分布图Fig.4 Map showing different landscapes in the Kangsu area, Wuqia

(1)中高山雪山景观,多分布在3700 m以上,为主要水源涵养区和生态脆弱区(图5a),植被类型为高山绢蒿-荒漠镰芒针茅。

(2)高中山草地景观,一般分布在2000～3500 m范围内,为乌恰地区主要草场类型之一(图5b、5c),植被类型为骆驼刺-麻黄草-盐生草-盐生假木贼。这是研究区主要生态系统特征,局部与河流生态系统形成了明显过渡和交织镶嵌关系。

(3)倾斜冲洪积平原草地景观(图5d),分布在1000～2000 m左右,植被类型骆驼刺-麻黄草-盐生草-盐生假木贼,植被密度较高。

(4)河流阶地河流景观主要为康苏河(图5e)及支流流域,河谷植被类型为胡杨-红柳-沙冬青-麻黄草,主要为居民饮水源地和灌溉水源地,属于生态流、物质流、能量流的重要传输路径,也是本区生态系统主要支柱。

(5)侵蚀河谷平原河流景观主要分布于克孜勒苏河(图5f)南侧,含泥沙量较高的河水受季节变化影响形成河漫滩,植被类型为红柳-麻黄草-芨芨草。

人工景观类型的倾斜冲洪积平原农田景观(图5g)、高中山工矿景观(图5h)及倾斜冲洪积平原村镇景观(图5i),呈镶嵌结构分布于干旱荒漠生态景观中,局部又形成了复合型景观,如草地景观和工矿景观,城镇景观和农田景观。工矿景观是以矿山生产和相关区域为主,以资源开发为主导的资源经济产业区,主要有铜矿、铅锌矿、铁矿、锶矿、石油天然气、煤矿和石膏等矿产。目前以开采铜铅锌为主,主要为乌拉根大型砂砾岩型铅锌矿区和吾合沙鲁铜矿区。农田景观,在乌恰克孜勒苏群南岸(帕米尔高原山前冲积扇区)、康苏镇和乌恰县西侧山前冲积扇区等区域,主要分布在近水源区和地下水水位较低区域,与河流景观组成了相邻空间拓扑学结构。村镇景观是城市-乡镇发展基础的房屋建筑和其他设施,研究区以乌恰县城区和康苏镇为主。

图5 乌恰康苏地区典型景观类型照片Fig.5 Photos of typical landscapes in the Kangsu area,Wuqia(a) Landscape of snow mountains of Mid-alpine; (b) Grassland landscape of high-mid mountain; (c)Grassland landscape of highmid mountain; (d) Grassland landscape of blunt pluvia plain; (e)River landscape of river terrace (Kangsu River); (f) River landscape of eroded valley plain (Kizilsu River); (g)Farmland landscape of blunt pluvial plain (Heiziwei Township); (h)Industrial mine landscape of high-mid mountain (Ulagen lead-zinc mine); (i) Village landscape of blunt pluvia plain (Wuqia County)

3 讨论

3.1 景观生态分异性特征

(1)中高山雪山景观,主要位于康苏南北两侧山体顶部,小面积常年性冰雪覆盖,雪线高度一般为3700～4428 m。在雪线附近及其上部多为小型角峰、刃脊为主的冰蚀地貌带。而在夏季受气温上升的影响,部分积雪消融,雪线高度上升,在雪线下部形成小面积的冰川谷。在构造节理发育地段,侵蚀作用强烈,部分形成洼地。雪山融水沿山谷形成季节性河流汇入康苏河及克孜勒苏河,是康苏地区重要的固体水塔,并为山谷植被提供充足的水源。

(2)高中山草地景观,地层岩性主要为一套下侏罗统康苏组、中侏罗统杨叶组的含煤砂砾岩、砂岩、粉砂岩,地表植被为低密度草地。高中山草地景观主要位于克孜勒苏河南北两侧,主要为新生代地层。景观要素主要为中高山草地、山间洼地,山间洼地多呈北东向分布于沟谷中。南部帕米尔山脉地貌表现为由断块到褶皱的过渡型,一般干燥秃荒。季节性支流强烈切割西南天山和帕米尔构造,南部边界为北北东向、北向逆冲的吉勒格由特推覆体、托姆洛安推覆体,均属于帕米尔前缘逆冲推覆体的一部分(李涛等,2011)。北部为乌拉根背斜形成的高中山,乌拉根背斜及其南翼断层上盘阶地面上形成了多条弯滑断层,并发生了明显的反向掀斜,受后期构造、剥蚀等作用,形成了以地质运动+后期侵蚀为主的断块山、断块褶皱山、褶皱山,地势较为陡峭。同时围绕乌拉根背斜形成一系列的铜铅锌等金属矿产,形成以乌拉根铅锌矿为主的高中山工矿景观。整体呈盆-山的构造地貌格局,两侧剥蚀山地景观为景观生态格局中物质流-信息流-水能源汇系统中的源区。

(3)倾斜冲洪积平原草地景观,主要为一套风化剥蚀的砂砾。乌恰县为干旱荒漠区,风化作用强烈,高中山区岩石风化后在重力的作用下,大量碎屑物沿山坡下移。一部分上覆于山麓剥蚀面上,一部分受降雨的作用搬运到山麓带的前缘,形成山前冲积扇。山麓剥蚀面随着风化、重力作用扩大联合变成倾斜剥蚀平原。高中山区地层中的有机物、微量元素等随风化搬运作用在山麓剥蚀面及山前倾斜平原富集,为植被提供丰富的物质来源,形成中-高密度的草地景观。同时低缓的地形地貌也成为人类生活聚集的良好场所,分布有康苏镇工业区、黑孜苇农田区、乌恰县城区,形成人工景观。

(4)河流阶地草地景观,河谷两岸植被群落为研究区景观生态格局中的水网支撑系统,也是景观生态格局中重要的物质流-信息流-水能的传输汇聚网络廊道(文力等,2020)。受新构造运动的影响,克孜勒苏河两岸形成三级阶地,年龄约16 ka(李涛等,2011)。一级阶地高度为3～5 m,二级阶地高度为30～40 m,三级阶地>50 m,基质均为西域组砾岩,部分河流阶地也是植被茂密部位。康苏河形成五级阶地,一级阶地高度为1～3 m,二级阶地4～6 m,三级阶地14～16 m,四级阶地24～26 m,五级阶地>100 m,基质为第四系砾石、卵石、砂等,一级阶地植被多为红柳、沙棘,二至五级阶地多为盐生草、盐生假木贼、骆驼刺等。

(5)侵蚀河谷平原河流景观, 主要为克孜勒苏河、康苏河,侵蚀方式为侧方侵蚀。流域两侧主要为侵蚀性高中山草地景观,岩石相对松散,侵蚀切割强烈。丰水期的雪山融水及降水,造成水位上涨水流速增大,对河流的凹岸不断侵蚀,从而形成陡峭或近直立的河谷地貌。而在枯水期河水水位降低,从上游及两侧山体带来大量的泥沙堆积在凸岸上,形成浅滩平原地貌,常分布较多的胡杨。

3.2 构造地貌与景观分带

乌恰康苏地区山地属于荒漠地貌景观区,地势北高南低,中高山区常年积雪覆盖,高中山区基岩裸露,稀疏草地覆盖,倾斜平原区多为砂砾土中高植被覆盖。研究区主要以克孜勒苏河、康苏河、瞟尔托阔依河为廊道,形成以村镇景观、工矿景观、山地景观、平原景观等为主的斑块状景观生态格局(肖笃宁等,2003;陈曦和罗格平,2008;贡璐等,2009;王磊等,2020a,2020b)。地形地貌具有明显的垂直自然带谱:侵蚀性中高山、剥蚀性高中山、倾斜冲洪积平原、河流阶地、侵蚀河谷。景观类型则具有明显的景观分异的垂直地带性:侵蚀性中高山雪山-侵蚀性中高山草甸-剥蚀性高中山草地-倾斜冲洪积平原草地-倾斜冲洪积平原村镇-倾斜冲洪积平原农田-侵蚀河谷平原河流垂直分带特征(图6)。

图6 乌恰-康苏地区垂向构造地貌及景观类型图Fig.6 Diagram showing vertical structural geomorphology and landscapes in the Kansu area, Wuqia

研究区位于西南天山和帕米尔高原两大对冲构造系统的会聚带(李涛等,2011),主要是以西南天山山前逆冲带前缘的克孜勒苏断裂-吉勒格断裂,及帕米尔逆冲带前缘的托姆洛安断裂、别尔托阔依断裂为主。托姆洛安断裂在继承克孜勒苏先前断裂的基础上发生强烈隆升,并在先前断裂带基础上发生逆冲或逆冲走滑运动(朱天行,2019;秦宇龙等,2021),西南天山和帕米尔高原南北向对冲构造形成了玛依喀克山间盆地。在玛依喀克盆地南缘,清晰可见属于帕米尔构造带、向北或北北东逆冲的帕米尔前缘逆冲推覆体(PFT),向南逆冲的乌拉根背斜南翼断层(走向东西),在克孜勒苏河南岸和别尔托阔依河两岸河流阶地上形成了长约 12 km,坡向南的逆断坎和高阶地(光释光年龄～16 ka;李涛等,2011)。在克孜勒苏河南北两岸侧形成五种生态景观:靠近山体的冲积扇型麻黄草-盐生草-盐生假木贼草地生态景观(三级阶地);靠近克孜勒苏河的河流阶地型农田生态景观(二级阶地);克孜勒苏河南岸边由西向东形成冲积扇型矮沙冬青-麻黄草-盐生假木贼刁遗植物生态景观(三级—二级阶地);玛依卡克盆地农田生态景观(二级阶地);卡拉贝利小型山间盆地生态景观(一级阶地)。玛依喀克绿洲位于克孜勒苏河南岸戈壁滩上,面积87 km2,是乌恰县唯一水资源丰富、光照好、相对平坦的戈壁滩。建有戈壁温室大棚1000座,平整土地27 km2,人工种草13 km2,种植生态防风林175万余株。山间盆地谷底分布常年流水的克孜勒苏河,4A级景区卡拉贝利水利枢纽形成了新型工业景观(旅游)区,为玛依喀克提供丰富的水资源。总体来看,研究区具有典型的“两山一盆”构造地貌特征,西南天山与帕米尔高原为整个区域的物质来源,克孜勒苏河与康苏河为能量传输系统,玛依喀克盆地为人类活动聚集区,农田、村镇镶嵌在山地-平原景观中,形成复合的景观生态格局。“两山一盆”的构造地貌对景观生态格局具有重要控制作用。

4 结论

从构造地貌的角度出发,以“3S”技术为基础进行构造地貌填图,来划分新疆乌恰康苏地区景观类型,研究认为该区景观不但受地球表生系统影响,更受构造地貌、构造运动等多重因素耦合结构的影响。主要结论如下。

(1)按照构造、地形地貌结合垂向分带特征,康苏地区景观类分为侵蚀性中高山地、剥蚀性高中山地、倾斜冲洪积平原、河流阶地、侵蚀河谷平原5类。按照不同土地利用类型和土地覆被类型的空间组合,乌恰康苏地区景观型分为自然生态系统的雪山、草地、河流,人工生态系统的农田、村镇、工矿用地6类。将5个景观类和6个景观型叠加处理划分了23个景观类型。

(2)从土地利用现状、植被类型和垂向分布规律、生态环境资源和生态地质等综合角度,康苏地区由高到低形成中高山雪山景观→高中山草地景观→倾斜冲洪积平原草地景观→河流阶地草地景观→侵蚀河谷平原河流景观的景观生态格局。中高山雪山景观,面积39.46 km2;高中山草地景观、倾斜冲洪积平原草地景观、河流阶地草地景观,三者面积1419.71 km2;侵蚀河谷平原河流景观,面积35.44 km2。高中山工矿景观,面积28.22 km2,倾斜冲洪积平原农田景观,面积46.97 km2;倾斜冲洪积平原村镇景观,面积14.98 km2。河流阶地草地景观、侵蚀河谷平原河流景观中的克孜勒苏河、康苏河、瞟尔托阔依河是景观生态格局中重要的物质流-信息流-水能的传输汇聚网络廊道,而中高山雪山是康苏地区重要的固体水塔,为河流提供水源补给;高中山草地景观中的工矿用地、倾斜冲洪积平原草地景观中的村镇-农田为主要的人类活动聚集地,镶嵌于草地景观中形成复合景观。

(3)南天山山前逆冲带与帕米尔前缘逆冲断裂对冲形成了独有的盆-山-原镶嵌构造区,帕米尔逆冲带前缘的托姆洛安断裂、别尔托阔依断裂逆冲推覆引起的山脉-高原隆升,克孜勒苏河-康苏河-瞟尔托阔依河不断的侵蚀作用形成现今的玛依喀克山间盆地+农田景观,克孜勒苏河阶地+河流景观,冲积扇型断阶断坎+山地草地景观。西南天山与帕米尔高原两山提供物质来源,克孜勒苏河与康苏河提供能量传输,玛依喀克盆地为人类活动聚集区,“两山一盆”的构造地貌直接影响了康苏地区的景观生态格局。

谨将此文献给有色金属矿产地质调查中心成立20周年。