国家历史文化名城地区农业与水文地质的关系

  中国历史上大概经历过4 次人口增长的高峰期[1]：两汉时期，两宋时期，清乾、嘉、道时期以及新中国成立以后，而近300 多年是我国人口发展最为迅速的时期。与人口发展相对应，我国历史时期的土地开发大概也经历了4 个阶段[2]：西周时期我国土地开发主要是在黄河中下游地区；西汉时期土地开发扩展到整个中原、华北地区以及西北的绿洲地带；在之后的隋唐至元明时期，长江以南以及四川盆地等地区也先后被开发；而在清代以后，我国的土地开发更是拓展到包括东北平原以及北方农牧交错带在内的广大地区。目前，我国已经拥有国家历史文化名城近120 座（图1、表1）。这些国家历史文化名城广泛分布于全国主要的农业地带。我国历史时期土地开发的过程实际上也是国家历史文化名城地区空间演变的过程，其空间载体记录了华夏农耕文明更多的生活经验，因此，本文选取这些国家历史文化名城地区为研究对象。

 

  水是生命之源，历史上的四大文明古国大都源始于河川台地，今天，这些流域的城市地区依然是人类赖以生活的场所，如尼罗河流域的城市埃及开罗、两河流域的城市伊拉克巴格达、恒河流域的城市印度瓦拉纳西以及黄河流域的城市中国西安等，农业活动对于这些城市的产生、发展并延续至今至关重要。因此，本文选取国家历史文化名城地区水与农业活动的关系为研究视角，具体选取的水文要素为水文地质，国内外相关的研究较多关注水文地质与农作物生长机理之间的关系，如早期关于水文地质环境与绿洲农业生态的关系研究[3]；农业活动对水文地质的影响，如以三工河流域为例关于绿洲浅层地下水位与水质变化对人为驱动LUCC的响应研究[4]；水文地质与农业土地利用之间的关系，如通过遥感和地理信息系统确定农业地下水开采量的研究；农业活动中的水文地质要素管理，如关于农业灌区三维概念化的水文地质环境管理途径研究[6]等。总的来说，关于水文地质与农业活动的关系研究开展较早，但相关研究所关注的尺度较多在区域层面，涉及的研究对象也一般为单一实体，而在全国尺度，选取某类具有典型特征的群体进行空间关系的量化研究并不多见。本文选取国家历史文化名城地区为研究对象，这些城市的起源大多可追溯至农业时期，研究通过对这些城市地区水文地质与农业活动的空间关系量化，可以从换位思考的视角，为后续城乡规划尤其是新的城市建设用地选择提供参考和依据。

 

  1 研究对象与数据来源

 

  本次研究将具体探讨国家历史文化名城地区水文地质分布与农业土地覆盖之间的空间关系，水文地质是关于地下水的数量、质量随空间和时间变化的规律，国内涉及国家历史文化名城地区的相关研究如银川平原地下水补给及水质分布综合研究[7]、天津及邻近地区水文地质条件的研究[8]以及喀什市城区扩建布局中的水文地质要素研究[9]等。本次研究主要的数据来源包括：国家历史文化名城空间分布数据，数据根据国家基础地理信息系统网站以及Google Earth 等资料整理而成，涉及到的110 个城市分布如图1、表1 所示；土地覆盖数据，研究采用欧洲航天局（ESA） 全球覆盖计划所提供的土地覆盖数据，其反映了21 世纪初（2004 年12 月至2006 年6 月） 全球地表覆盖的状况，空间分辨率为300 m；水文地质数据，研究对1979 年版《中华人民共和国水文地质图集》进行数字化作为数据来源，不同省份的空间分辨率有所差异，但基本能满足本次研究要求。

 

  2 研究方法与结果讨论

 

  总体而言，在全国尺度，选取某类典型群体进行空间关系的统计量化研究是本文研究方法的主要探索，在之前的相关研究中发现40~60 km地域半径是国家历史文化名城地区明显的地域阈值所在，研究所涉110 个国家历史文化名城地区的地域阈值在0～100km区间，接近于正态分布，故本次地域研究范围半径的取值最终确定为100 km。研究具体从两个层次展开：基于外部的国家历史文化名城地区与全国水文地质情况比较和基于内部的国家历史文化名城地区水文地质与农业活动空间关系量化研究，前者将110 个国家历史文化名城地区作为一个整体，后者将110个国家历史文化名城地区作为单列个体。

 

  2.1 国家历史文化名城地区与全国水文地质情况的比较研究首先整体提取出上述110 个国家历史文化名城地区100 km半径地域研究范围内的水文地质数据，并与全国水文地质情况进行比较，结果如图2 所示，从两者的比较中可见：富水极弱的松散岩类孔隙含水岩组(UNC-1)、富水较弱的碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组(CLA-2)以及富水较弱的侵入岩浆岩类孔隙裂隙含水岩组(MAG-I-2)等是国家历史文化名城地区明显高于全国平均水平的水文地质类型，上述三类水文地质都为孔隙裂隙含水岩组类型，研究结果进一步阐释了国家历史文化名城地区的典型性。

 

  2.2 国家历史文化名城地区水文地质与农业活动空间关系量化在此基础之上，研究将对国家历史文化名城地区水文地质与农业活动的空间关系进行量化，研究提取出各国家历史文化名城地区与农业土地覆盖相对应的水文地质情况，并提出“水文地质适宜度”的概念，对于农业土地覆盖而言，具体表示如下：

 

  农业水文地质适宜度= 某类型水文地质在研究地域与农业土地覆盖相对应的范围内所占比重/该类型水文地质在整个研究地域范围内所占比重农业水文地质适宜度反映了某类水文地质与农业土地利用相适宜的程度，这里以桂林城市地区为例稍作阐述，如图3 所示。

 

  同时，研究整理出桂林城市地区地域研究范围内农业土地覆盖情况及与农业土地覆盖相对应的水文地质情况。

 

  按照上述公式，研究整理出桂林城市地区100 km半径地域研究范围内的农业水文地质适宜度分布，如图5 所示，可见：桂林城市地区农业水文地质适宜度最高的类型包括富水较弱的碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组(CAR-2)、富水中等的碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组(CAR-3)、富水较强的碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组(CAR-4)以及富水中等的碳酸盐岩夹碎屑岩类岩溶裂隙含水岩组(CAR-CLA-3)等。

 

  总体而言，本文定义的农业水文地质适宜度指标计算简便，也能够较为直观地反映所在城市地区各类水文地质的农业适宜性。本次研究首先整理出110 个国家历史文化名城地区100 km半径地域研究范围内的水文地质分布情况。

 

  在此基础之上，研究整理出110 个国家历史文化名城地区100 km半径地域研究范围内与农业土地覆盖相对应的水文地质分布情况，如图7 所示。

 

  最后，研究整理所有110 个国家历史文化名城地区的农业水文地质适宜度如表2 所示，这里仅列出了部分城市地区的情况。

 

  上述110 个国家历史文化名城地区各类型农业水文地质适宜度分布情况的相关统计量如表3 所示。

 

  农业水文地质适宜性的置信度与其涉及到的国家历史文化名城地区样本数量有关，本次研究中各类水文地质涉及到的国家历史文化名城地区数目如图8 所示，这里将样本数的最小阈值设置为30，即暂定样本数高于红线30的水文地质类型其统计结果为可信。

 

  研究将国家历史文化名城地区农业水文地质适宜度的算术平均值转绘为更为直观的柱状图，它们集中反映了上述110 个国家历史文化名城地区水文地质与农业活动空间关系的统计量化情况，其中：高于该参考线1.0 的水文地质类型农业适宜性相对更强，而低于该参考线的水文地质类型农业适宜性相对较弱。从国家历史文化名城地区内部的比较来看，在上述涉及样本数大于30 个，即本次研究认为可信的水文地质类型中，富水极弱的松散岩类孔隙含水岩组(UNC-1)、富水较弱的松散岩类孔隙含水岩组(UNC-2)以及富水较强的松散岩类孔隙含水岩组(UNC-4)是农业适宜性较强的水文地质类型；富水中等的碎屑岩夹碳酸盐岩类孔隙裂隙含水岩组(CLA-CAR-3)以及富水较强的碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组(CAR-4)等水文地质类型的农业适宜性也较高；而富水较弱的侵入岩浆岩类孔隙裂隙含水岩组(MAG-I-2)、富水较弱的喷出岩浆岩类孔隙裂隙含水岩组(MAG-S-2)以及富水较弱的变质岩类裂隙含水岩组(MET-2)则是农业适宜性较弱的水文地质类型。根据统计结果，国家历史文化名城地区松散岩类孔隙含水岩组的农业水文地质适宜度大致是岩浆岩类含水岩组以及变质岩类含水岩组的2~3 倍，而其他各类水文地质类型的农业适宜度也能通过数字的形式得到直观反映。

 

  同时，研究整理出各类农业水文地质适宜性的箱图如图10 所示，可以发现，上述富水极弱的松散岩类孔隙含水岩组(UNC-1)、富水较弱的松散岩类孔隙含水岩组(UNC-2)、富水较强的松散岩类孔隙含水岩组(UNC-4)以及富水中等的碎屑岩夹碳酸盐岩类孔隙裂隙含水岩组(CLA-CAR-3)等类型水文地质的四位分布都相对比较集中，可以认为上述水文地质类型较高的农业适宜度具备典型性。

 

  3 结论

 

  我们知道：每一次工业革命都有着不同的驱动力及其典型的产业形式和具有代表性的产品，在第一次工业革命时，影响生产函数中技术参数的关键因素是蒸汽机的改进和广泛使用；第二次工业革命时是电力和铁路交通；第三次工业革命时，则主要是ICT（Information, Communication and Technology） 产品与技术[12]。对于城市地区而言，各历史时期的驱动因素与物质空间的变迁密切相关，在农业时期，由于农业活动、供水、交通、水力等因素的制约，城市更多依赖河流水系和所在地区良好的水文地质条件而发展；在蒸汽时代，蒸汽机的使用使得生产活动开始摆脱水力的约束而更多接近原材料产地进行布局，但产品运输对于河流水系的依赖依然重要；在电气时代，铁路和电力基础设施的大规模建成，交通上的便利使得生产活动开始摆脱河流水系，在交通发达的节点往往形成较大的城市；在信息时代，知识与信息的集聚成为大城市形成的重要方面，如世界城市体系的形成。纵观近代工业文明，城市地区的发展大多是建立在人类中心主义基础之上，逐渐远离“自然做功”的过程，对于我国而言，长期以来的城乡二元结构又使得城市研究和规划实践对其所在地区的考量有所欠缺，尤其是近30 多年的快速城市化进程，城市扩张尤其是大量新城和工业园区的建设占用了较多的农业适宜用地。

 

  事实上，我国传统哲学中就有“因借自然”的生态观，因此，本文选取国家历史文化名城地区为研究对象，对这些城市地区水文地质与农业活动的空间关系进行量化。从国家历史文化名城地区与全国水文地质情况的比较来看，前者孔隙裂隙含水岩组类型水文地质的比例要明显高于后者，这阐释了国家历史文化名城地区的典型性，而从国家历史文化名城地区内部水文地质与农业活动空间关系的研究结果来看：各富水程度的松散岩类孔隙含水岩组是农业适宜性较强的水文地质类型，其岩性为砂砾卵石，在城市地区，这些水文地质类型多分布于平原或河谷地带，地下水补给主要为降水、河流补给，适宜于农业生产；此外，碳酸盐岩类含水岩组的农业适宜性也较强；而岩浆岩类含水岩组以及变质岩类含水岩组等则是农业适宜性较弱的水文地质类型，在城市地区，这些水文地质类型多分布于山地、丘陵地带，地下水补给主要为侧向补给，不太适宜于农业活动。总的来说，上述研究的结果与常规认识是基本一致的，后续研究需要继续深入探讨的地方包括：国家历史文化名城地区是否是最为合适的样本群体？某些水文地质类型因为涉及样本数不够，其统计结果的可信度有限如何解决？更为深入的各类水文地质与农业活动关系的机理如何探索？我国耕地资源极为有限，如何在城市快速扩张时期尽可能保护有限的农业用地资源成为当务之急，城市发展要尽可能地占用农业适宜性较低的土地，因此，本次研究通过换位思考，也为城乡规划尤其是城市扩张中建设用地的选择提供参考和依据。