我国北方农牧交错带的气候界线及其变迁*

郑圆圆，郭思彤，苏 筠

(1.北京师范大学地理学与遥感科学学院，北京 100875;2.安徽省安庆市第一中学，安庆 246000;3.北京师范大学教育学部，北京 100875)

农牧交错带是中国传统农业区与畜牧业区相交汇和过渡的地带，其土地利用方式有农有牧、时农时牧，也称为农牧过渡带、农牧交错区、半农半牧区或生态脆弱带［1］。我国的农牧交错带分布较为广泛，北方农牧交错带、西南半干旱过渡带、西北干旱区绿洲荒漠过渡带等均具有农牧交错带的特征。其中，北方农牧交错带的面积最大、空间跨度最长、农牧交错特征最为典型。

中国北方农牧交错带处于东部湿润区与西北干旱区之间的过渡地带，处于亚洲季风的尾闾，降水年际变化较大，促使农牧界线多次进退，并导致土地利用方式的转变［2］。而该区在我国生态环境保护中具有重要的战略地位，是遏制荒漠化、沙化东移及南下的生态屏障，也是风蚀沙漠化较严重的地区之一［3］。伴随着水土流失、土壤养分丧失以及生物多样性减少［4］，交错带的变迁会影响到土地利用、农业生产、生态环境改善［5］。同时，由于农牧交错带生态系统的结构、功能及生态过程复杂，对于气候变化和人类干扰均极端敏感［6］。生态交错带作为外界干扰信号的放大器，是研究全球变化重要的预警区［7］。

在相关研究中，交错带范围界定作为重要的基础性研究，有来自不同专业 (自然地理［8］、全球变化［9］等)的学者，从不同的角度 (农业经济地理［10］、生态学［11-14］、农业气候［15］等)，根据不同的研究目的 (气候［16-17］、区划［18］、土地利用模式优化［19］、土地覆盖变化的生态环境响应［20-21］、游牧文化［22］等)对北方农牧交错带的空间位置进行了界定。由于划分的指标 (农业气候要素［23］、土地利用空间分布特征)、标准、方法不一致，导致划分的农牧交错带在空间上存在差异，但不同学者的划分存在共同区，即北方农牧交错带的主体部分为内蒙古高原东南缘和黄土高原北部。

其中，气候要素是农牧交错带范围的主要界定指标之一。多数研究选取了年降水量［8，11-15］、年湿润度指数、年降水量变化率［8，12，24］、大风日数［8，23］和干燥度指数［13］等作为划分指标，其阈值也有所差异，但大致与北方400mm降水等值线走向基本一致。由气候要素界定的范围主要受气候变化的影响，其界线可称为气候界线。有学者指出我国北方农牧交错带的气候边界大体向东南移动，而土地使用边界向西北移动，呈现出相反的方向变化，将给我国生态环境带来重要影响，并且由于经济发展水平和人类活动强度的不同，地区之间存在巨大差异［25］。因此，进一步研究农牧交错带气候界线及其变迁，有助于理解该区对于气候变化的响应及区域差异。

文章根据李世奎提出的气候指标及标准［23］和1980～2009年气象数据，界定同期北方农牧交错带的气候界线，并通过不同时期交错带范围的对比，分析交错带变化区的气候成因。

1 资料来源与研究方法

1.1 气候指标与标准的选取

一定的气候状况对农业用地起到限制作用，因此气候指标可以作为农牧交错带划分的指标。一般来说，年降水量250～400mm为灌溉农业，400～600mm为旱作农业，600～1000mm为雨养农业，大于1000mm为湿作农业。当降水量＜400mm时，自然降水量已不能满足农作物正常生长和稳产的要求，需要依靠灌溉来补充作物生长需要的水分。因此在这些区域，除了耕种，牧业也是很重要的一种生产方式，从而气候限制了该区域的农业适宜耕作和牧草生长的空间范围。

文章选择的北方农牧交错带气候界线指标为李世奎 (20世纪80年代)［17］提出:(1)主导指标为年降水量≥400mm出现频率为20%～50%;(2)辅助指标为日平均风速≥5m/s的年日数为20～80d。降水量指标主要是考虑到旱作的稳定性。由于北方农牧交错带的主要降水特点是年降水量已低至旱作农业对水分的基本要求，气候界线的主要决定因素即为降水量。气象要素风速主要考虑到风力是导致沙化的潜在自然动力因素，作为辅助指标。

1.2 气象数据来源及预处理

气象数据来源于中国地面气候资料日值数据集，为中国气象局国家气象信息中心提供，经过较严格的质量检验。该数据集包括中国752个基本、基准地面气象观测站及自动站1951年以来日值数据，选用其中1980～2009年共30年的日降水量、平均风速数据进行统计分析。气象站点主要选择11个省、市、自治区 (内蒙古、黑、吉、辽、冀、晋、陕、甘、宁、京、青)的236个气象站点，见图1。

图1 研究区气象站点分布

依据气候指标，通过整理计算出每个站点的年降水量及日平均风速≥5m/s年日数，然后分别计算出1980～2009年以及1980～1989年、1990～1999年、2000～2009年不同年际的年降水量≥400mm出现频率及日平均风速≥5m/s年日数的平均值。

1.3 气候界线的确定及表达

基于各站点的上述气象指标统计数据，采用普通克里金插值法来确定气候要素的空间分布。首先对气候因子面域化，即根据研究区内每个气象站点的气候数据，建立观测数据的点状数据库;然后对点状数据进行空间插值分析，得到空间趋势面栅格图形数据。

随着夜越来越深，被窝里的一点温暖，也渐渐散尽。脚上起的燎泡已经破了，很疼，她不敢用热水袋了。现在的两只脚，已冷到失去了知觉，她把脚翘起来，左手捏着右脚，右手捏着左脚，想给它们一点温暖，可脚太冰了，冰凉得真像一块冰，手上的一点儿温度很快被吸干净了，可还是冷。

一般利用气象站点的数据进行空间插值，如果指标数据中包括气温指标，则需要通过海拔高度进行修正。研究中气象指标包括降水和风速，无气温指标;且在中国北方地区的大范围区域中，降水、风速与海拔高度的关系尚无相应修正公式。因此，可直接进行空间差值。

对于普通克里金方法的变异函数模型选取，主要选取平均值 (Mean)最接近0，均方根标准误差(Root-mean-square standardized)最接近1的模型。依据均方根误差作为精度检验标准，见表1。

表1 气象数据变异模型选取及精度

在空间插值的基础上，采用基于栅格数据的空间叠加分析 (spatial overlay analysis)来确定各阶段的交错带界线 (同时满足两个条件)及范围。所有数据均在统一参考系统条件下，采用同一投影类型和参数设置成图。

农牧交错带分布界限的变迁研究，从两个角度入手。①分析20世纪80年代前与近30年来的界限变迁。李世奎早期 (20世纪80年代)所确定的北方农牧交错带分布［23］，反映了此前期的气候界限，北方农牧交错带分布为内蒙古高原东南缘、东北西部半干旱地区和黄土高原北部。在ArcGIS9.3的支持下，经过配准 (与上述新生成图件采用同一投影类型和参数设置)、数字化等操作处理 (图2)，可通过与1980～2009年新生成的叠加分析。②分别做出1980～1989年、1990～1999年、2000～2009年每10年的分期分布图，并将它们进行叠加分析。

2 气候界线确定及变迁分析

2.1 北方农牧交错带现今分布范围

依据上述气象指标所确定的现今北方农牧交错带(图2)，大致位于103°E ～126°E，35°N ～52°N，以带状分布，从东北向西南延伸。北起内蒙古呼伦贝尔高原，沿着大兴安岭向南，经过吉林省西部，沿内蒙古中南部河北北部、山西北部、陕西北部向西南延伸，经过宁夏中南部，甘肃中部，延伸到青海省东北角止。东北带较宽，向西南推移，带宽变窄。

北方农牧交错带总面积约53.81万km2(表2)。其中，内蒙古自治区分布最广，面积达35.86万km2，占北方农牧交错带总面积的66.6%;黑龙江省分布最少，分布面积仅为0.11万km2，仅占北方农牧交错带总面积的0.2%。

图2 1980～2009年与早期［17］北方农牧交错带对比

2.2 现今与早期北方农牧交错带对比分析

根据图2，现今 (1980～2009年)与早期北方农牧交错带的比较，分布范围大体是一致的。在东北地区，大致形状相近，仅在在呼伦贝尔高原地区，现今农牧交错带范围向东西两侧扩大。在华北地区，现今的农牧交错带变宽。在西北地区，现今农牧交错带变宽，且沿甘肃省向西北延伸。

表2 现今与早期各省区农牧交错带分布面积

早期气候指标所界定的农牧交错带的范围为41.97万km2(表2)，现今农牧交错带与早期相比大体趋势一致，但范围整体有所扩张。各省所占的北方农牧交错带面积均有变化;范围最大、变化较大的省份为内蒙古自治区;另外青海省在早期北方农牧交错带没有分布，但在1980～2009年农牧交错带有分布;陕西省、黑龙江省农牧交错带面积减小;甘肃省、河北省农牧交错带面积有所增大。

2.3 气候界线变迁过程

统计1980～2009年内不同时段的农牧交错带面积 (表3)，20世纪80年代范围最大，之后面积呈逐渐降低的趋势;且分布地区呈现出先向西、再逐渐向东的变迁过程。

图3 不同年际的农牧交错带界线变迁

表3 不同年际各省农牧交错带分布面积 万km2

由图3可见，气候界线来回波动，整体上是向东变迁，但变迁幅度存在显著的区域差异。变迁幅度大的区域集中于东北段 (包括黑、吉、辽的西部和内蒙古东北部)，而华北段 (包括冀、晋北部和内蒙古中部)变化幅度不是很大，南北有微小波动;西北段 (包括内蒙古西北部、陕西北部、甘、宁的中南部和青海的东北部)的变迁主要是由陕西省向西北部甘肃等地延伸。但各区域变化的气候成因不同，具体分析如下。

2.3.1 东北段变迁特征

东北段的界线变化幅度在全区最大，大体上呈南北走向，整体向东、东北移动，范围扩张。其界线波动情况较为复杂，上界从20世纪80年代到90年代一直向西移动，后又向东移。与20世纪80年代相比，下界各时段在90年代和21世纪初偏东，偏离幅度21世纪初大于90年代。可见，近30a来，上界的波动没有明显的规律，而下界则一直向东移动。总的来说，农牧交错带东北区范围在80年代和90年代较大，在21世纪初较小。将东北段发生变迁的区域分为6个部分 (图4)，仅有区域6是3个时段共同的交错带区，区域1、4的变化特点是前期位于交错带内、后期不属于交错带，区域2、3、5则相反，前期不属于交错带、后期属于交错带。分别统计各区域内代表站点的气象数据 (表4)，可以看出由于降水的减少，使得交错带整体东移:偏西部的区域1、4退出交错带范围，降水条件仅能满足牧业生产需要;而偏东部的区域2、3、5则由以农为主扩展为农牧交错带。

图4 东北段北方农牧交错带气候界线变迁

表4 北方农牧交错带东北段变迁区代表气象站点降水量 (mm)变化

2.3.2 华北段变迁特征

华北段主要分布于内蒙古中部和京冀地区，3个年代界线变迁幅度不大，整体略向东南移动。20世纪90年代的下界与21世纪初的上界大致在同一位置，20世纪80年代的下界与21世纪初下界大致相同。这一地区90年代上界相对于80年代向北移，表明这一时期湿润程度有增加。21世纪初南移幅度较大，最大处将近400km，表明21世纪初气候有变干的趋势。在山西等北部地区，20世纪80年代和21世纪初范围相当，而交错带上界在90年代最北。表明该地区90年代气候稍有湿润，21世纪初又有干旱趋势。以上表明，30年来上界的波动幅度较大，具有明显的年代际特征，下界波动幅度较小。

2.3.3 西北段变迁特征

图5 西北段北方农牧交错带气候界线变迁

西北段的界线变迁，主要沿甘肃省向西北方向延伸。由于1980～1989年、1990～1999年和2000～2009年农牧交错带范围较相似，因此通过对比1980～2009年农牧交错带和早期范围，找出气候界限变迁的主要原因。将西北段发生变迁的区域分为3个部分 (图5)，取在每个区域的气象站点降水量及降水变率数据 (表5)。区域1中降水量增加，且降水变率基本一致，因此使得交错带向西迁移。区域2可以分析现今与早期交错带的差异，在这两个时段各个站点降水量均有增加也有减少，并不统一，但总体趋势是减小，且各个站点的降水变率数据减少，降水量减少和变率的减少是这两个时段气候界线变迁的主要原因。西北段北方农牧交错带气候界线的变迁与降水量有一定的关系。

表5 北方农牧交错带西北端变迁区代表气象站点降水量 (mm)和降水变率 (%)变化

3 结论与讨论

该文通过对各站点的气候数据进行空间差值，绘制了现今 (1980～2009年)农牧交错带分布范围，并通过与早期 (20世纪80年代以前)范围进行对比，来分析空间分布变动情况;进一步依据10年际变化趋势找出各地区农牧交错带变动原因。

根据现今 (1980～2009年)资料确定北方农牧交错带气候界线，其范围 (总面积)约为53.81万km2，分布呈现出从东北至西南的带状格局，内蒙古自治区所占的面积比例最大。与早期 (20世纪80年代以前)范围相比，呈扩展趋势，呼伦贝尔高原地区的现今农牧交错带范围向东西两侧扩大，内蒙古中东部和华北地区向西扩展并展宽，西北地区沿甘肃省向西北方向延伸。

从现今农牧交错带的10年际变化情况可以看出，其范围在20世纪80年代最为扩展，之后呈减少趋势，气候界线变迁来回波动，但整体上是向东变迁。气候界线变迁幅度的区域差异显著，变化幅度大的地区主要和该区域降水量的变化相关。变迁幅度大的区域集中在东北区，由于该区降水量减少、其界线向东变迁;华北区的东部变化幅度较大，而其西部则变化幅度小;西北东部区则显得相对比较稳定，往西由于降水量增加而向陕西省西北延伸。

北方农牧交错带具有生态的敏感性，使得农牧交错带的气候界线随着气候变化而变迁，农牧交错带的气候界线变迁也反过来反映了气候变化。从不同10年际的变化与平均状况相比，20世纪80年代西北东部和华北西部气候接近平均状况，华北中东部地区较平均状况干旱，东北地区比平均状况湿润。20世纪90年代青海地区气候比平均状况干旱，华北和东北地区较平均状况湿润，华北中部地区以西，气候状况变化较小，与平均状况接近。21世纪初期华北东部地区气候较平均状况干旱程度较大，东北地区也趋于干旱。

需要说明的是，由于缺乏降水、风速与海拔高度的修正关系，研究直接利用各站点的气象数据进行空间插值，没有考虑海拔高度的影响。但是，经统计可知，研究气象站点中有约17%的站点分布在海拔大于2 000m的地区，虽然数量相对较少，但对结果的精准度会有所影响。

此外，交错带气候界线的变化，说明降水量及其保证率发生了变化，会进一步影响其他地理要素的分布，如种植业结构的调整，土地利用结构的改变［26］等。在我国的干旱半干旱区，限制农业种植和粮食产量的主要因子是水分，低于某一界限的降水量，农业便不可保收，但一般天然牧草需水比作物低，西北干旱地区春小麦的基本需水量为400～450mm。天然乔木林分布界线与降水量的关系也极为明显，凡有天然乔木林生长的地区，其年雨量大都在400～450mm以上［17］。因此，当降水量发生变化时，为适应气候变化，而改变种植业的结构，可能会导致种植边界的移动，农、林、牧的布局及土地利用的结构也会随着降水量的改变而发生适应性的变化。但是，该区是否及时采取响应及适应措施，不同区域采取的措施差异又如何，是值得进一步探讨的问题。

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