高惠君, 劉金銅

灌溉因素訂正的北方農(nóng)牧交錯帶界定*

高惠君1,2, 劉金銅1**

(1. 中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心 石家莊 050022; 2. 中國科學院大學 北京 100049)

我國北方農(nóng)牧交錯帶為典型生態(tài)脆弱帶, 對其科學合理的界定對基于資源利用的區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。北方農(nóng)牧交錯帶界定的最基本條件是水分條件, 但是前人的界定均以降水作為水分條件, 均沒考慮灌溉對農(nóng)牧交錯帶形成的影響。本研究在傳統(tǒng)界定方法的基礎(chǔ)上, 增加了灌溉條件訂正, 以訂正后的水分條件作為界定指標, 并結(jié)合水分變率和干燥度指標, 運用模糊綜合評判法, 對北方農(nóng)牧交錯帶進行界定, 并進一步結(jié)合行政邊界進行農(nóng)牧交錯帶縣域的劃分。結(jié)果顯示, 我國北方農(nóng)牧交錯帶呈東北—西南走向的帶狀分布, 總面積65.90萬km2; 北方農(nóng)牧交錯帶縣(市、旗)共有123個, 總面積66.08萬km2, 分布于北方的9個省(自治區(qū)), 農(nóng)牧交錯帶縣數(shù)量以內(nèi)蒙古自治區(qū)、山西省和青海省居多, 農(nóng)牧交錯帶縣總面積以內(nèi)蒙最大。本研究的界定結(jié)果在位置上比農(nóng)業(yè)部指定范圍略向西北方向偏移, 范圍上分別向東北和西南擴展, 增加了黑龍江、吉林、青海3個省份, 去掉了遼寧省; 在縣域總數(shù)上有所減少, 黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古、青海的農(nóng)牧交錯帶縣域(市、旗)總數(shù)有所增加, 而河北、山西、陜西、甘肅、寧夏的農(nóng)牧交錯帶縣域(市)總數(shù)有所減少; 部分位于內(nèi)蒙河套灌區(qū)和寧夏河套灌區(qū)的縣域被劃入。由對農(nóng)牧交錯帶水熱條件的分析可知, 農(nóng)牧交錯帶大部分地區(qū)的年積溫為2000~3500 ℃, 空間上呈中間高, 東北、西南低的趨勢; 大部分地區(qū)的水分條件(降水和灌溉)為300~450 mm, 空間上沿東南—西北方向遞減; 大部分地區(qū)的表層土壤有機碳含量為0~1%, 空間上呈中間低, 東北、西南高的趨勢。本研究將灌溉指標納入農(nóng)牧交錯帶的界定指標系統(tǒng), 彌補了傳統(tǒng)氣候界定方法的缺陷, 是對農(nóng)牧交錯帶界定工作的科學補充和發(fā)展, 得到的縣域尺度的農(nóng)牧交錯帶結(jié)合農(nóng)牧交錯帶水熱條件分布研究, 可為農(nóng)牧交錯帶區(qū)域農(nóng)牧結(jié)構(gòu)調(diào)整和精準可持續(xù)發(fā)展提供科學借鑒。

中國北方; 農(nóng)牧交錯帶; 界定; 灌溉訂正; 水分條件; 河套灌區(qū)

北方農(nóng)牧交錯帶是我國農(nóng)業(yè)種植區(qū)與草原畜牧區(qū)相連接的過渡地帶, 為典型的生態(tài)脆弱帶。1953年, 趙松喬[1]首次提出“農(nóng)牧過渡地帶”的概念, 主要指當時的察北、察盟和錫盟。農(nóng)牧交錯帶作為連接我國種植業(yè)和畜牧業(yè)兩大食物生產(chǎn)系統(tǒng)的界面, 蘊含著巨大的生產(chǎn)潛力[2], 卻也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件相對苛刻[3]、對氣候變化和人類干擾非常敏感的地區(qū)[4]。近年來, 由于不合理的人為活動對農(nóng)牧交錯帶的干擾加劇, 農(nóng)牧交錯帶出現(xiàn)了土地沙化、草原退化和生態(tài)功能弱化等一系列生態(tài)問題[5-9], 生態(tài)脆弱性的特質(zhì)逐漸凸顯。為實現(xiàn)農(nóng)牧交錯帶的可持續(xù)發(fā)展, 在保護生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上對其進行充分合理的利用至關(guān)重要。為此, 需要在明確農(nóng)牧交錯帶范圍的基礎(chǔ)上, 通過分析其自身的農(nóng)業(yè)資源條件, 揚長避短、因地制宜地發(fā)展農(nóng)業(yè), 避免資源過度開發(fā)和環(huán)境破壞現(xiàn)象的發(fā)生。而對農(nóng)牧交錯帶進行科學合理界定, 是實現(xiàn)其資源利用最大化和生態(tài)保護的關(guān)鍵一步。

自北方農(nóng)牧交錯帶概念提出后, 不同學者基于不同目的從不同學科角度提出了相應的界定范圍, 按界定方法主要歸為以下幾類: 基于農(nóng)業(yè)氣候指標的理論界定[10-16], 多以年降水量、降水變率、大風日數(shù)以及干燥度為主要界定指標; 基于土地利用方式的實測界定[17-20], 多以耕地、草地、林地的面積比例為主要界定指標, 同時兼顧降水量等水分指標; 基于人文地理的宏觀界定[21-23,6], 如以胡煥庸人口分布界限、長城為參考進行界定; 基于農(nóng)業(yè)調(diào)查的統(tǒng)計界定[24], 如以各縣草地面積指數(shù)和畜牧業(yè)產(chǎn)值指數(shù)等為主要考察指標。此外, 還有基于生態(tài)脆弱性的生態(tài)學界定[5]以及基于牧草生長適宜度的模型界定[25]等。

盡管來自各個專業(yè)的專家學者就農(nóng)牧交錯帶的界定問題做了大量研究, 界定方法不斷改進完善并日趨科學合理, 界定結(jié)果也更加精確和定量化, 但是目前為止對于農(nóng)牧交錯帶邊界的認識還未達成共識[26]。

總體來看, 大多數(shù)學者選擇氣候指標尤其是水分指標作為農(nóng)牧交錯帶的基本核心界定指標, 這是因為農(nóng)牧交錯帶地處亞洲季風氣候區(qū)的尾閭, 其形成和變遷深受氣候變化和季風進退等自然因素的影響[27], 水分條件對農(nóng)牧交錯帶的形成和變遷起著關(guān)鍵性的作用。因此將水分條件作為農(nóng)牧交錯帶劃分的依據(jù)具有一定的合理性。

但是, 前人均是以降水作為水分條件, 均沒有考慮灌溉條件對農(nóng)牧交錯帶形成的影響。寧夏和內(nèi)蒙西部的黃河兩岸, 特別是河套平原, 降水量通常在300 mm以下, 因此很多對北方農(nóng)牧交錯帶的界定研究都把這一區(qū)域排除在外。但是河套平原具有悠久的灌溉歷史, 灌溉使得該區(qū)域由一片干旱之地變?yōu)槟軌蜷_墾種植的良田沃土[28], 也使河套平原成為著名的河套灌區(qū)。盡管河套平原實現(xiàn)了大面積灌溉, 但是由于灌水量和灌溉制度的限制, 這一地區(qū)并不能完全達到農(nóng)區(qū)的水分條件, 大多數(shù)還相當于農(nóng)牧交錯帶的范圍。由此可以看出, 灌溉作為一項重要的人類活動, 在農(nóng)牧交錯帶的格局形成過程中也起到了不可忽視的作用。所以, 不考慮灌溉的北方農(nóng)牧交錯帶界定結(jié)果可能是不精確的, 有必要將灌溉因素納入農(nóng)牧交錯帶的界定指標體系中, 以得到更加精確的界定結(jié)果。

因此, 本文在前人水分指標界定方法的基礎(chǔ)上, 通過灌溉條件訂正, 以訂正后的水分條件作為界定指標之一, 并結(jié)合水分變率和干燥度, 運用模糊綜合評判法, 對北方農(nóng)牧交錯帶進行界定, 并進一步結(jié)合行政邊界進行農(nóng)牧交錯帶縣域的劃分, 以期對農(nóng)牧交錯帶界定工作進行科學補充和發(fā)展, 為農(nóng)牧交錯帶區(qū)域農(nóng)牧結(jié)構(gòu)調(diào)整和精準可持續(xù)發(fā)展提供科學借鑒。

1 研究方法與模型計算

1.1 研究方法

基于水分指標的北方農(nóng)牧交錯帶邊界判定方法,是當前各學科專家學者應用最多且較為合理的界定方法[10-16]。本研究以中國北方12個省(市、自治區(qū))為研究區(qū)域, 利用研究區(qū)內(nèi)613個氣象站臺1981—2010年近30年的氣象數(shù)據(jù), 首先對內(nèi)蒙河套灌區(qū)和寧夏河套灌區(qū)兩個具有良好黃河水灌溉條件的地區(qū)的平均年降水量進行灌溉訂正, 將灌溉后的水分條件作為農(nóng)牧交錯帶劃分的指標之一; 結(jié)合水分變率和干燥度指標, 運用模糊綜合評判法, 對北方農(nóng)牧交錯帶進行界定, 并進一步結(jié)合行政邊界進行農(nóng)牧交錯帶縣域的劃分。

其中, 綜合前人諸多文獻與專家經(jīng)驗, 重點依據(jù)趙哈林等[16]的界定標準, 將灌溉訂正后水分條件為300~450 mm、水分變率為15%~30%、干燥度為1.25~2.00作為劃分農(nóng)牧交錯帶的標準閾值范圍, 進行農(nóng)牧交錯帶的劃分, 使農(nóng)牧交錯帶的劃分建立在其形成氣候因素條件的基礎(chǔ)上, 更具科學性和合理性。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用的613個臺站1981—2010年的年均降水量、水分變率、干燥度數(shù)據(jù)來自國家氣象信息中心網(wǎng)站, 行政區(qū)域邊界數(shù)據(jù)來自中國科學院地理科學與資源研究所, 內(nèi)蒙河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉總量、排水量、實際耕地灌溉總面積為實地調(diào)研總結(jié)所得, 內(nèi)蒙古田間水面蒸發(fā)量與下滲量為田間試驗數(shù)據(jù)獲取, 寧夏各縣農(nóng)業(yè)灌溉量和實際耕地灌溉面積數(shù)據(jù)來自寧夏統(tǒng)計局《2016年寧夏水利統(tǒng)計公報》, 寧夏各縣的水稻種植面積數(shù)據(jù)來自《2018年寧夏統(tǒng)計年鑒》, 寧夏水稻年灌水量為調(diào)研和部分試驗數(shù)據(jù)綜合確定, 寧夏田間水面蒸發(fā)量與下滲量由試驗數(shù)據(jù)和調(diào)研綜合獲取。

1.3 數(shù)據(jù)處理

水分條件的灌溉訂正以氣象站點為單位進行, 將該氣象站點的實際降水量(), 加上該氣象站點所在縣域的平均實際有效灌溉量(r), 作為訂正后的水分條件()。由于河套灌區(qū)的灌溉多是以春秋兩季泡田的方式進行, 在此過程中, 灌溉用水長時間停留在地表, 有大量的水分以水面蒸發(fā)以及下滲的方式損失掉, 這部分水分在灌溉過程中是無效的, 因此, 縣域的平均實際有效灌溉量(r)為平均灌溉水量(V)扣除蒸發(fā)損失(e)與下滲損失(k)后的結(jié)果。即:

=+r(1)

r=v?e?k(2)

由于河套灌區(qū)的內(nèi)蒙古灌區(qū)和寧夏灌區(qū)灌水方式和灌溉制度有一定差別, 因此縣域的平均實際有效灌溉量(r)采用不同方法計算。計算的過程中, 將數(shù)據(jù)單位統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為毫米, 以實現(xiàn)加減運算。

內(nèi)蒙古灌區(qū)(以灌區(qū)整體的所有縣域為單位進行計算):

r=[(灌溉總量?排水量)′灌溉水利用系數(shù)′1000]/(灌溉總面積′667)?e?k(3)

寧夏灌區(qū): 由于寧夏河套灌區(qū)中的部分縣域種植水稻, 水稻的耗水量較大, 而每個水稻種植縣的水稻種植面積均在實際耕地灌溉面積的40%以下, 因此將水稻面積扣除后計算剩余灌溉耕地的有效灌溉量。具體計算公式如下(按縣域分別計算):

r=(灌溉總量?水稻種植面積′水稻單位面積灌水量)′灌溉水利用系數(shù)′1000/[(灌溉總面積?水稻種植面積)′667]?e?k(4)

其中, 灌溉水利用系數(shù)根據(jù)專家建議確定為0.524。

1.4 模型計算

1.4.1 基于層次分析法的界定指標權(quán)重確立

1)判斷矩陣的構(gòu)建。邀請相關(guān)專家學者, 采用1~9標度法對本研究的3個界定指標的重要性進行兩兩比較, 得到如下判斷矩陣(表1):

表1 用于確定北方農(nóng)牧交錯帶界定指標權(quán)重的判斷矩陣

表中數(shù)據(jù), 1表示兩個元素具有同等重要性; 3表示兩個元素相比, 前者比后者稍重要; 5表示兩個元素相比, 前者比后者明顯重要; 7表示兩個元素相比, 前者比后者極其重要; 9表示兩個元素相比, 前者比后者強烈重要; 2、4、6、8表示上述相鄰判斷的中間值; 倒數(shù)則表示相反的結(jié)果。In the table, “1” means equally important of the two elements; “3” means slightly more important of the former element than the latter one; “5” means obviously more important of the former element than the latter one; “7” means strongly more important of the former element than the latter one; “9” means extremely more important of the former element than the latter one; “2”, “4”, “6”, “8” represent the intermediate values of the above adjacent judgment. The reciprocal means inverse importance between two elements.

2)指標權(quán)重的計算與一致性檢驗。通過計算, 得到水分條件、水分變率和干燥度3個界定指標的權(quán)重集為={0.75, 0.17, 0.08},max=3.07, CR=0.06＜0.10, 通過一致性檢驗, 此矩陣為有效矩陣。

1.4.2 基于模糊綜合評判模型建立

1)確定因素集。因素集為農(nóng)牧交錯帶界定指標的集合, 即={水分條件1, 水分變率2, 干燥度3}。

2)確定評定集。評定集為評定等級的集合, 在本研究中={農(nóng)業(yè)區(qū)1, 農(nóng)牧交錯區(qū)2, 牧業(yè)區(qū)3,荒漠區(qū)4}。

3)構(gòu)建隸屬度函數(shù)與隸屬度矩陣。隸屬度指的是某個評價對象在u方面屬于v等級的可能性程度, 值的范圍為0~1, 越接近1, 隸屬于這一級別的程度越大。通過構(gòu)建合理的隸屬度函數(shù)進行隸屬度的計算, 把農(nóng)牧交錯帶界定指標的實測原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為0.1~1.0之間的值, 并形成隸屬度矩陣。以下為本研究構(gòu)建的隸屬度函數(shù):

水分條件指標的1~4級隸屬度函數(shù)如式(5)~(8)所示, 其中()為1~4級隸屬度,為水分條件原始數(shù)據(jù), 各臨界值為4<3<2<1:

水分變率、干燥度指標的1~4級隸屬度函數(shù)如式(9)~(12)所示, 其中()為1~4級隸屬度,為水分變率、干燥度原始數(shù)據(jù), 各臨界值為4<3<2<1:

根據(jù)相關(guān)專家意見, 各界定指標的臨界值1-4取值如表2所示。

表2 用于計算隸屬度的北方農(nóng)牧交錯帶界定指標臨界值

4)計算綜合隸屬度。

=?(13)

式中:為權(quán)重集;為隸屬度矩陣; ?為算子符號, 有多種算法, 此處取較為簡易的普通矩陣乘法。

5)綜合隸屬度的處理。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過以上處理, 得到綜合隸屬度={1,2,3,4}, 采用最大隸屬度原則對綜合隸屬度進行處理, 得到確定的界定結(jié)果。

1.5 北方農(nóng)牧交錯帶劃分

1.5.1 北方農(nóng)牧交錯帶區(qū)域界定

在確定了農(nóng)牧交錯帶界定的氣候指標并對降水量進行灌溉訂正之后, 在ArcGIS支持下, 通過對613個氣象站點(圖1a)的氣象數(shù)據(jù)進行反距離插值, 得到3個界定指標在12個省(市、自治區(qū))的空間分布(圖1b, c, d), 作為進行農(nóng)牧交錯帶界定的原始數(shù)據(jù)。然后以1 km′1 km柵格為最小研究單位, 借助ArcGIS強大的數(shù)據(jù)處理、分析和輸出功能, 采用模糊綜合評判法進行農(nóng)牧交錯帶的劃分。提取界定結(jié)果為農(nóng)牧交錯區(qū)2的柵格, 即得到北方農(nóng)牧交錯帶。

1.5.2 北方農(nóng)牧交錯帶縣域的劃分

將所得分區(qū)結(jié)果與12個省(市、自治區(qū))的縣域圖層進行疊加, 以縣域為單位統(tǒng)計4類柵格的數(shù)目, 以柵格數(shù)量最多的類型確定縣域的性質(zhì), 將縣域分為農(nóng)業(yè)縣、農(nóng)牧交錯帶縣、牧業(yè)縣和荒漠縣4類。選出性質(zhì)為農(nóng)牧交錯帶縣的縣域, 即得到北方農(nóng)牧交錯帶縣域分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 北方農(nóng)牧交錯帶范圍

根據(jù)以上方法界定的北方農(nóng)牧交錯帶以及北方農(nóng)牧交錯帶縣(市、旗)如圖2所示。北方農(nóng)牧交錯帶(圖2a)的走向趨勢與前人研究結(jié)果一致, 呈東北—西南走向的帶狀分布, 不同學者劃分的共同核心區(qū)——內(nèi)蒙古高原東南緣和黃土高原北部[29], 也在本研究的界定結(jié)果范圍內(nèi), 這是因為界定的基本條件基本一致。農(nóng)牧交錯帶總面積65.90萬km2, 也在前人界定面積范圍5~85萬km2之內(nèi)。

界定的北方農(nóng)牧交錯帶縣(市、旗)(圖2b)共有123個, 總面積66.08萬km2, 分布于北方的9個省(自治區(qū)), 以內(nèi)蒙古自治區(qū)、山西省和青海省居多, 約占70%(表3, 圖3); 農(nóng)牧交錯帶縣總面積以內(nèi)蒙古最多, 約占58%(圖3)。北方農(nóng)牧交錯帶縣(市、旗)分布在黑龍江的西南部, 吉林和河北的西北部, 內(nèi)蒙古的東北部、南界沿線及中部, 山西的北部和中部, 陜西的北部, 甘肅、青海的東部, 寧夏的中部。

2.2 與其他界定結(jié)果的差別

本文界定結(jié)果與產(chǎn)業(yè)部門指定范圍有一定差別。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求對北方農(nóng)牧交錯帶的指定范圍如圖4a所示, 共146個縣市[30]。本文界定的結(jié)果與其相比(圖4b)在走向上一致; 在整體位置上向西北方向略偏移; 在范圍上分別向東北和西南擴展, 增加了黑龍江、吉林、青海3個省份, 去掉了遼寧省; 在縣域總數(shù)上有所減少。從東北段來看, 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部的指定范圍偏西南, 本研究的結(jié)果向東部和北部擴展更多, 增加了黑龍江和吉林的部分縣域, 減少了遼寧的縣域; 在西北段, 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部的指定范圍偏東北, 本研究的界定結(jié)果向西部和南部擴展了更多, 增加了青海省的部分縣域; 而華北段, 除在東北和西南的部分縣域存在差異外, 兩劃分結(jié)果大致相同。

本研究劃分結(jié)果相對于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部指定范圍的詳細調(diào)整情況如表4所示?？梢钥闯? 黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古、青海的農(nóng)牧交錯帶縣域(市、旗)總數(shù)有所增加, 而遼寧、河北、山西、陜西、甘肅、寧夏的農(nóng)牧交錯帶縣域(市)總數(shù)有所減少。同時, 調(diào)整最大的是內(nèi)蒙古, 在縣域(市、旗)總數(shù)上增加了22個, 其次為陜西省, 在縣域(市)總數(shù)上減少了18個; 調(diào)整最小的為黑龍江省, 在縣域總數(shù)上僅增加了1個, 其次為寧夏回族自治區(qū), 在縣域(市)總數(shù)上減少了5個。此外, 剔除了遼寧省的全部縣域(市), 并新增了黑龍江省、吉林省、青海省3個省份的縣域(市)。

在本研究的界定結(jié)果中, 內(nèi)蒙河套灌區(qū)和寧夏河套灌區(qū)的部分區(qū)域被劃入農(nóng)牧交錯帶范圍。農(nóng)牧交錯帶縣的界定結(jié)果中, 有更多位于河套灌區(qū)的縣域被劃入, 內(nèi)蒙河套灌區(qū)的五原縣、臨河區(qū)和磴口縣以及寧夏河套灌區(qū)的青銅峽市和中衛(wèi)市等都被界定為農(nóng)牧交錯帶縣(市)。

2.3 北方農(nóng)牧交錯帶的水熱條件

對本研究界定的我國北方農(nóng)牧交錯帶水熱條件的分析可知, 北方農(nóng)牧交錯帶的年積溫(≥10 ℃)為776~3891 ℃(圖5a), 大多數(shù)地區(qū)的積溫為2000~3500 ℃。在空間上總體呈現(xiàn)中間高, 東北、西南低的趨勢, 青海省中部縣域的積溫較低, 熱量資源稍差, 其他省份縣域的積溫較高, 熱量條件較好。3500 ℃以上的積溫主要分布在陜西省北部的部分縣域、山西省中部的縣域以及寧夏中部的部分縣域, 適宜發(fā)展糧食作物; 2000~3500 ℃的積溫主要分布在青海東部、甘肅、寧夏中部、內(nèi)蒙、陜西北部、山西北部、河北、吉林、黑龍江的各縣域, 適宜合理分配種植糧食和飼料作物; 2000 ℃以下的積溫主要分布在青海省中部的各縣域, 只能滿足牧草生長需求。

表3 各省(自治區(qū))內(nèi)北方農(nóng)牧交錯帶縣(市、旗)分布情況

北方農(nóng)牧交錯帶灌溉訂正后的水分條件范圍為175~650 mm(圖5b), 大多數(shù)地區(qū)的水分條件在300~450 mm, 在空間上沿東南—西北方向遞減。450 mm以上區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙東北部和寧夏中部少數(shù)縣域, 所占面積極少; 300 mm以下的低水分區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙中部和青海中部少數(shù)縣域的少數(shù)地區(qū), 所占面積也極少; 除這些地區(qū)之外的農(nóng)牧交錯帶的大多數(shù)縣域水分條件都在300~450 mm, 可以滿足大多數(shù)飼用作物的生長需求。

北方農(nóng)牧交錯帶的土壤肥力(表層土壤有機碳含量)范圍為0~39%(圖5c), 大多數(shù)地區(qū)的土壤肥力為0~1%; 呈現(xiàn)中間低, 東北、西南高的分布趨勢, 青海東部和內(nèi)蒙東北部的部分縣域表層土壤有機碳含量較高, 土壤質(zhì)量較好, 其余省份各縣域表層土壤有機碳含量較低, 土壤質(zhì)量較差; 1%以上肥力的土壤主要分布在青海東部、內(nèi)蒙東北部的部分縣域以及內(nèi)蒙南緣部分縣域的少數(shù)地區(qū), 其余地區(qū)基本在1%以下。

表4 本研究劃分結(jié)果相對于農(nóng)業(yè)部指定范圍的調(diào)整

續(xù)表4

3 討論與結(jié)論

本研究界定的北方農(nóng)牧交錯帶的走向趨勢與前人研究結(jié)果一致, 總面積也在前人研究的界定范圍之內(nèi), 并與前人的研究結(jié)果有共同的核心區(qū), 這是因為本研究仍將水分條件作為界定的基本核心條件。氣候干濕對我國北方農(nóng)牧交錯帶的形成具有深刻影響[31], 因此將水分作為界定的基本核心條件具有一定的科學性與合理性。

與前人的研究相比, 本研究的界定結(jié)果將內(nèi)蒙河套灌區(qū)和寧夏河套灌區(qū)的部分區(qū)域劃入農(nóng)牧交錯帶范圍, 這與大多數(shù)的前人研究有所不同。造成這一區(qū)別的主要原因在于: 前人所采用的水分指標均只考慮了降水量而沒有考慮灌溉[10-16], 而本研究在降水量的基礎(chǔ)上加上有效灌溉量, 將訂正后的水分條件作為農(nóng)牧交錯帶劃分的依據(jù)之一。縱觀河套灌區(qū)的發(fā)展實況, 由于有良好的黃河水灌溉條件,以及受灌水量和灌溉制度的影響, 河套灌區(qū)內(nèi)的部分地區(qū)確實存在著時農(nóng)時牧的農(nóng)牧交錯帶特征, 因此將灌溉指標納入農(nóng)牧交錯帶的界定指標系統(tǒng), 具有一定的合理性, 彌補了傳統(tǒng)氣候界定方法的缺陷, 可認為是對農(nóng)牧交錯帶界定工作的科學補充和發(fā)展。

基于氣候基礎(chǔ)的農(nóng)牧交錯帶劃分結(jié)果, 是理論上的界定, 可能與當前已有的農(nóng)牧交錯帶分布格局有部分偏差[32], 但是該結(jié)果可以作為農(nóng)牧交錯帶農(nóng)牧結(jié)構(gòu)調(diào)整以及環(huán)境治理的依據(jù), 對由于人類活動引起的農(nóng)牧交錯帶錯位即偏離氣候影響的地區(qū)進行調(diào)整, 對于改善農(nóng)牧交錯帶的草原退化、土地荒漠化、沙塵暴等生態(tài)問題以及農(nóng)牧交錯帶生態(tài)系統(tǒng)的修復重建具有重要意義。

除了連續(xù)的農(nóng)牧交錯帶分布結(jié)果, 本研究還在縣域尺度上進行了界定?？h域尺度上的劃分結(jié)果, 可為政府部門劃分和調(diào)整農(nóng)牧交錯帶縣域的范圍和數(shù)量提供參考, 從而為農(nóng)牧交錯帶的農(nóng)牧結(jié)構(gòu)調(diào)整和精準可持續(xù)發(fā)展提供指導。農(nóng)牧交錯帶縣域的科學劃分, 有利于行政部門根據(jù)縣域的農(nóng)牧交錯帶屬性進行精準科學管理, 一方面通過結(jié)合農(nóng)牧交錯帶生態(tài)脆弱、不宜大面積發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等特點, 可適當減少部分縣域的農(nóng)作物面積, 避免開展大規(guī)模的農(nóng)業(yè)建設, 從而有效緩解農(nóng)牧交錯帶目前面臨的巨大環(huán)境資源壓力; 另一方面通過結(jié)合農(nóng)牧交錯帶水熱條件分布情況, 可在農(nóng)牧交錯帶開展飼草適宜性等研究, 從而實現(xiàn)對農(nóng)牧交錯帶縣域發(fā)展的精確定位, 為改糧增飼、提高農(nóng)牧交錯帶的資源利用效率和生產(chǎn)潛力提供指導, 在保護農(nóng)牧交錯帶生態(tài)環(huán)境的同時充分合理、因地制宜地利用農(nóng)牧交錯帶的優(yōu)勢資源, 實現(xiàn)農(nóng)牧交錯帶縣域的精準可持續(xù)發(fā)展。

北方農(nóng)牧交錯帶是我國典型的生態(tài)脆弱帶, 對其進行科學合理的界定, 有利于在保護其生態(tài)環(huán)境的同時對其進行充分合理的利用, 從而實現(xiàn)農(nóng)牧交錯帶的可持續(xù)發(fā)展。對農(nóng)牧交錯帶邊界的認識, 目前并未達成共識, 且大多數(shù)學者以降水作為界定的水分條件, 忽略了灌溉對農(nóng)牧交錯帶形成的影響。本研究在考慮降水的基礎(chǔ)上, 將灌溉因素納入農(nóng)牧交錯帶的界定指標體系, 進行了更加精確的界定, 并結(jié)合行政邊界進行了農(nóng)牧交錯帶縣域的劃分。結(jié)果顯示, 我國北方農(nóng)牧交錯帶呈東北—西南走向的帶狀分布, 總面積65.90萬km2; 北方農(nóng)牧交錯帶縣(市、旗)共有123個, 總面積66.08萬km2, 分布于北方的9個省(自治區(qū))。本研究的界定結(jié)果在位置上比傳統(tǒng)界定結(jié)果略向西北方向偏移, 范圍上分別向東北和西南擴展, 在縣域總數(shù)上有所減少, 部分位于內(nèi)蒙河套灌區(qū)和寧夏河套灌區(qū)的縣域被劃入。由對農(nóng)牧交錯帶水熱條件的分析可知, 農(nóng)牧交錯帶大部分地區(qū)的年積溫為2000~3500 ℃, 空間上呈中間高, 東北、西南低的趨勢; 大部分地區(qū)的水分條件(降水和灌溉)為300~450 mm, 空間上沿東南—西北方向遞減; 大部分地區(qū)的表層土壤有機碳含量為0~1%, 空間上呈中間低, 東北、西南高的趨勢。

與傳統(tǒng)研究相比, 本研究將灌溉指標作為農(nóng)牧交錯帶界定的指標之一, 彌補了傳統(tǒng)氣候界定方法的缺陷, 實現(xiàn)了農(nóng)牧交錯帶更加精確的界定, 是對農(nóng)牧交錯帶界定工作的科學補充和發(fā)展。同時, 得到的縣域尺度的農(nóng)牧交錯帶, 結(jié)合農(nóng)牧交錯帶水熱條件分布研究, 可為農(nóng)牧交錯帶區(qū)域農(nóng)牧結(jié)構(gòu)調(diào)整和精準可持續(xù)發(fā)展提供科學借鑒。

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Definition of agro-pastoral ecotone in North China based on irrigation corrections*

GAO Huijun1,2, LIU Jintong1**

(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The agro-pastoral ecotone in North China is a typical ecologically fragile zone. Scientific and reasonable definitions are important for the sustainable development of regions based on resource utilization. The water conditions are the most basic conditions to define the agro-pastoral ecotone in North China. Previous studies used precipitation as the water condition and did not consider the impact of irrigation. Based on the traditional method, this study incorporated irrigation corrections and used the corrected water condition, combined with the water variability and dryness indicators and with support of the fuzzy comprehensive evaluation method, to define the agro-pastoral ecotone in North China. Subsequently, this study also combined the administrative boundaries to divide the counties in the agro-pastoral ecotone. The results show that the agro-pastoral ecotone in North China presents a banded distribution in the northeast-southwest direction, with a total area of 659 000 km2. There are 123 counties (cities, banners) in the agro-pastoral ecotone, with a total area of 660 800 km2, distributed across nine provinces (autonomous regions) in North China. The number of counties is highest in the Inner Mongolia Autonomous Region, Shanxi Province, and Qinghai Province, and the total area of the counties is the largest in the Inner Mongolia Autonomous Region. The results of this study shift slightly northwest of the range designated by the Ministry of Agriculture and extend northeast and southwest, respectively, in scope. Three provinces, Heilongjiang, Jilin, and Qinghai, were added, while Liaoning Province was removed. There has been a decrease in the total number of counties. The total number of counties (cities, banners) in the agro-pastoral ecotone in Heilongjiang, Jilin, Inner Mongolia, and Qinghai increased, while the total number of counties (cities) in the agro-pastoral ecotone in Hebei, Shanxi, Shaanxi, Gansu, and Ningxia decreased. Some counties in the Inner Mongolia Hetao Irrigation District and Ningxia Hetao Irrigation District were included. Analysis of the hydrothermal conditions in the agro-pastoral ecotone show that the annual accumulated temperature in most areas is between 2000?3500 ℃, with high temperatures in the middle and low temperatures in the northeast and southwest. The water conditions (precipitation and irrigation) in most areas of the agro-pastoral ecotone are in the range of 300–450 mm, decreasing in the southeast-northwest direction. The content of topsoil organic carbon in most areas is between 0 and 1%, with low values in the middle and high values in the northeast and southwest. This study incorporates irrigation indicators into the definition index system of the agro-pastoral ecotone, which compensates for the shortcomings of the traditional climate definition method and is a scientific supplement to the definition of the agro-pastoral ecotone. The obtained county-scale agro-pastoral ecotone can provide a scientific reference to adjust the agricultural-pastoral structure for precise sustainable development of the agro-pastoral ecotone if combined with the hydrothermal conditions.

North China; Agro-pastoral ecotone; Definition; Irrigation corrections; Water condition; Hetao Irrigation District

10.13930/j.cnki.cjea.200470

高惠君, 劉金銅. 灌溉因素訂正的北方農(nóng)牧交錯帶界定[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報(中英文), 2021, 29(4): 613-624

GAO H J, LIU J T. Definition of agro-pastoral ecotone in North China based on irrigation corrections[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021, 29(4): 613-624

S17

* 國家重點研發(fā)計劃課題(2016YFC0501308)與地方課題“特色糧飼兼用作物抗鹽高產(chǎn)種植技術(shù)集成與示范”資助

劉金銅, 主要研究方向為生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)管理與生態(tài)工程。E-mail: jtliu@sjziam.ac.cn

高惠君, 主要研究方向為脆弱區(qū)生態(tài)工程。E-mail: 18205482441@163.com

2020-06-19

2020-10-09

* This study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2016YFC0501308) and the Local Research Project “Technology Integration and Demonstration of Salt-tolerant and High-yielding Cultivation of Characteristic Dual-purpose Crops”.

, E-mail: jtliu@sjziam.ac.cn

Jun. 19, 2020;

Oct. 9, 2020