北方农牧交错带生态空间潜力研究——以神池县为例

李茹梦，王晓军，张 鸾，王亚文

（1.山西大学环境与资源学院，山西太原030006；2.山西大学黄土高原研究所，山西太原030006）

北方农牧交错带生态空间潜力研究
——以神池县为例

李茹梦1，王晓军1，张 鸾2，王亚文2

（1.山西大学环境与资源学院，山西太原030006；2.山西大学黄土高原研究所，山西太原030006）

北方农牧交错带生态环境脆弱，由人类活动造成的土地利用结构不合理、生态空间不足等问题日益突出。基于景观生态学原理，以山西省神池县为例，分析该地的土地利用状况，从宏观尺度对其开展生态空间潜力研究。结果表明，从历史和现实条件看，神池县未来的生态发展应建立以森林为主的生态系统；从景观生态现状分析，该地区主要土地利用景观类型为耕地、林地（人工林和天然林）、草地，而耕地分布广泛且效益低下、林地数量少且质量低劣、草地生态服务功能差等问题限制了生态发展空间，据生态空间潜力计算，约有13.66%的低效草地、4.99%的撂荒耕地以及0.13%的其他未被利用土地可为恢复森林生态系统留出空间，未来林地用地面积可达总面积的42.70%，生态空间潜力巨大。基于潜力分析结果，文章提出了实现恢复森林生态系统目标的途径与阶段，以期为北方农牧交错带偏农区的土地规划和生态发展提供指导性意见。

北方农牧交错带；生态空间潜力；土地利用；案例研究

山西省神池县是北方农牧交错带偏农区的典型区域[9]，目前面临农耕、放牧和资源过度开发等生态压力，同时作为国家级限制开发的重点生态试点示范县，生态建设成为该地区可持续发展的核心。本试验以神池县为研究区，从宏观尺度进行生态空间潜力研究，旨在探索今后适宜神池县的土地利用景观格局与生态发展途径，为北方农牧交错带偏农区的经济、社会、环境协调发展提供借鉴。

1 历史与现实条件下的生态定位

北方农牧交错带地域广阔，各地历史和现实条件极其不同。从现实条件看，北方农牧交错带南侧被定位为暖温带落叶阔叶林地带与温带荒漠草原之间过渡的温带草原亚地带，自然植被稀少，天然林木破坏殆尽[10]。虽然近10多年神池县进行了大规模的生态建设，如退耕还林、京津风沙源治理工程等[11]，使得人工林有一定数量的增加，但以纯林为主，质量低劣。同时，在空间上，为了经济发展，开发宜林地为可耕地，盲目地扩大耕地和草地规模，林地发展空间不断缩小，造成农—林—牧间发展不协调，使社会、经济和生态系统之间冲突越来越大。

从历史条件看，该区自新石器时代一直到先秦的数千年中，极少数人口在本地活动，也基本不深入到山区，该地在那时是一片茫茫林海[12]。从秦汉开始，随着该地人口逐渐增加，人为干扰增多，森林面积不断减少，其从北朝末年的80%左右，在辽金时期迅速降到40%左右，尤其是明朝高强度的军事活动，长城沿线连年大量烧荒，对森林破坏严重；到清朝后期，森林覆盖率低于10%[13]；据1975年森林资源清查，新中国成立后神池县天然林只有163hm2，森林覆盖率不足3%[14]。虽然北方农牧交错带历史成因以气候条件对土地利用方式的制约性为基础，叠加了人为因素影响[15]，但从神池县生态史看，这里的生态退化，自然气候因素可忽略不计[16]，而人类对森林无节制的破坏，引起生境的退化，森林环境丧失，气候条件也发生改变，是造成生态严重破坏的根本原因。

从现实和历史的视角分析，人类对森林的砍伐与清理极大地改变了历史时期与全球范围的植被[17]，导致现实生态环境退化；而一些人往往习惯按现实的自然景观和资源禀赋推断今后生态建设的目标，易将草地作为生态发展的定位[18]，忽略该区域历史上是茂密森林地带的史实，简单地认为该地区的恢复目标为草原是不合理的。并且已有学者对北方农牧交错带未来的土地利用进行了预测，通过模型模拟得出，在生态经济社会协调发展情境下，未来的草地面积应减少最多[19]，同时按照林地比例升高的趋势，利于未来北方农牧交错带土地利用格局的稳定[20]。因此，本研究认为，该地区的生态发展只能是森林而非草地，未来的生态定位应是建立以森林为主体的生态系统，与社会和经济系统相互耦合[21]，才能实现区域的生态文明和可持续发展。

2 研究区域与研究方法

2.1 研究区概况

北方农牧交错带位于我国内蒙古高原东南部及黄土高原北部，是农区和牧区的过渡带[22]。神池县位于其南侧（图1），地处山西北部长城以内，属于偏农区，地貌以黄土丘陵为主。东、南与北部为土石山区，中部为小型山间盆地，大部分地区海拔在1 300～1 600 m，属温带大陆性季风气候，年平均气温4.7℃，年均降水量487 mm，有“十年九旱，风大沙多”的说法。植被类型为温带森林草原地带[23]。

2.2 研究方法

本研究借助ArcGIS和Erdas Imagine软件，首先，通过非监督分类和目视解译进行遥感影像解译，获得土地利用数据，包括耕地、林地、草地、居民交通用地、工矿用地、水域、盐碱地和裸地共8类；其次，在土地利用数据的基础上，结合1 m精度的森林起源数据进行人工林与天然林分布区域认定和叠加，形成包含9种地类的神池县土地利用空间分布现状图，并以景观生态学基本原理为指导，从宏观上进行景观生态现状分析，同时指出主要问题；最后，基于建立以森林生态系统为主体的生态定位，结合实地调查，划定效益极低的耕地、草地等土地类型进行生态空间潜力计算，并收集神池县相关行政图、交通图、水系图等，形成未来神池县生态空间格局。

3 结果与分析

3.1 景观生态现状

从土地利用空间分布现状图来看，神池县主要土地利用景观类型为耕地、林地（人工林和天然林）、草地，其占研究区总面积的98%；居民交通用地占1.62%；其他用地类型面积不足1%（表1）。耕地分布最广泛，是土地利用景观的基质，该县人均耕地面积为0.77 hm2。林地作为土地利用景观的主要斑块，分布分散，其中，人工林分布较为分散，主要分布在山区；天然林仅占总面积的4.00%，分布范围较小，主要分布在县域南部管涔山。草地占总面积的17.72%，但斑块均较小，呈零星分散状态，主要夹杂分布在耕地和林地斑块中。居民交通用地，除神池县城斑块较大外，其他居民地以小斑块散布（图2）。可以看出，神池县各土地利用景观类型呈随机型分布，尤其是大量草地零散分布，使景观破碎度[24]增加。高度破碎化土地利用景观格局，导致难以实现土地的规模利用，呈现土地利用结构不合理的现状，同时，高度碎化的景观格局是对生物多样性的最大威胁[25]，进而使整个生态系统受到影响。

表1 各土地利用类型生态空间潜力分析

3.2 问题分析

3.2.1 耕地效益低下 该地区自然条件先天不足，适宜生长的农作物比较少且生长期短[26]，主要有莜麦、马铃薯、豆类、谷子、糜黍等，不是山西省粮食主产区；再加上土地宜农宜牧的特点，撂荒式耕作粗放经营，且冬天土地完全裸露[27]，土地生产力水平低下，生产潜力急剧下降。近几年，神池县盲目开发宜林草地为可耕地，盲目地扩大种植业规模，1984—2004年间，全县耕地面积增加近6万hm2，耕地面积盲目扩大，却广种薄收，限制了林地的发展空间。

3.2.2 林地数量少且质量低劣 2009年神池县森林调查数据显示，林地面积仅约为356 km2，人工林分布分散，不仅起不到林地的景观生态功能，反而增加了土地利用景观的破碎度，且树种较单一，纯林面积比例大，以油松、樟子松、落叶松为主，抗干扰能力低，难以与周边环境连接演替为自我更新的生态系统。同时，天然林面积严重不足，大部分为建立国营林场后恢复的天然次生林地，主要为云杉等针叶树种，受人类活动干扰较大。

3.2.3 草地生态服务功能差 与晋北其他县的情况类似，近20 a来，农民为增加收入，神池县大牲畜以及羊的数量在迅速增加，远远超过了其土地承载力。据统计，神池县羊存栏量从1985年的4.03万只猛增到2015年的65.38万只，且几乎全为自由放牧；因过度放牧，造成草地严重超载，无序利用，集体的公共草地空间供养着大量的私人羊群，导致大面积草地生态服务价值不高，乔、灌等植物难以自然恢复[28]，对生态系统的恢复产生了一定的影响和破坏。

3.3 生态空间潜力分析

3.3.1 可能存在的生态发展空间分析 基于上文分析可知，神池县亟待调整土地利用结构、扩展生态空间，尤其是低效耕地和草地的生态化，从而优化土地利用景观格局。本研究在土地利用现状的基础上，结合2016年以来对神池县开展的生态调查，划定出效益极低、利用不合理的耕地和草地以及其他未利用土地（盐碱地和裸地）作为可能存在的生态发展空间，并计算相应的生态空间潜力（表1）。

由表1可知，约有4.99%的撂荒耕地、13.66%的低效草地以及0.13%的未利用土地可为生态发展提供空间。同时，考虑到未来神池县经济社会发展需求，少量空间（约0.73%）发展为居民交通用地、工矿用地和水域，其余大量空间均发展为林地。结果表明，在1 444 km2左右的国土总面积中，未来林业用地面积可达总面积的42.70%，生态发展空间潜力巨大。其中，草地面积减少最多，其次为耕地，它们是主要生态空间潜力来源。

3.3.2 生态空间潜力发展途径 神池县拥有巨大的生态空间潜力，当前不合理的土地利用空间结构，可以通过调整，使得在未来大面积低效草地、耕地以及盐碱地和裸地逐渐转向其他用地类型，尤其是人工林和天然林空间的扩大。为最优地利用这些生态空间，本研究提出如下发展途径。通过以下途径，扩大人工林和天然林的面积与规模，并丰富植被类型，促使形成集中较大的林地斑块，有助于扩大林地的景观生态功能。生态廊道、农林复合经营系统以及生态跳板的建立不仅起到保护斑块内部的作用，同时加强连通性，还能够促使逐渐形成稳定的土地利用景观格局，建立高效的景观生态系统（图 3）。

3.3.2.1 扩大和提升森林发展空间 森林没有发展的空间和时间，森林生态系统建设便无从谈起。因此，首先，要保护现有天然次生林，对一些已形成的森林生态系统、生态功能基本发挥良好的天然次生林景观，应持续保持其森林特征，加强保护；其次，在天然次生林或残留天然林周边，营造人工（树）、天然（树）混交林，即“人—天混交林”[29]。将人—天混交林逐步扩大，在有条件的地方连片，使现实稀树草地转变为森林，从而扩大天然林和人工林的发展空间。对于现有人工纯林成果，需在林内引入原生乡土树种，增加种质资源，建立多物种混交大型斑块和小型斑块，实现人工林提质。同时，实行封育，做到森林发展空间内的区域局部地带性禁牧，为生态系统恢复留出时间和空间。

3.3.2.2 建立绿色生态廊道 绿色生态廊道可以加强各孤立斑块之间、斑块与种源之间的联系，有利于物种的空间运动以及本来孤立的斑块内物种的生存和延续。为此，通过沿公路、铁路、河流等建立绿色生态廊道，作为联系各类斑块的纽带，并根据土地利用条件保证生物多样性通道的宽度，建立生物迁徙走廊，最终形成生物多样性保护网络，不仅能保证斑块的连通性，而且能消除景观破碎化对生物多样性的影响。

3.3.2.3 营造农林复合经营系统 对于以耕地基质为主的区域，建立农林复合经营系统，有利于提高农田综合产出，提升农田生态效益[30]。其核心在于建立小网格高密度农田林网，具有良好的生态廊道功能的同时起到防护基质内作物的作用；通过发展“一村一品”、经济林经营以及牧草种植，发展复合生态产业，实现畜牧舍饲化和农业特色发展。

3.3.2.4 配置生态跳板 在以较大的斑块作为核心区的基础上，在其周围地区辅以许多小型人工树或天然树斑块以及少量草地斑块，将成为物种跳板斑块（生态小斑块），实行封育和局部地带性禁牧，有条件时引入天然林土壤种子库，呈现景观多样性的同时也保证生态系统的稳定性。

3.3.3 生态空间潜力发展阶段 人类活动对森林的破坏造成生态环境退化的结果，需要很长时间甚至上百年来恢复，并且需要分阶段来实现生态空间发展的最大潜力目标。1949年以来是神池县的森林初步恢复时期，南部山区以前的天然残林已基本恢复到以云杉为主的森林生态系统，虽然其生产力仍未达到地力所应有的理想目标，但其结构和功能已达到稳定。同时恢复的还有当地人对生态建设的信心。

植被恢复还不能等同于生态系统恢复，在今后一段长时期内，神池县应当开启森林生态系统恢复期，这个阶段应通过原有天然林保护、现有低效林提质以及绿色廊道建设等途径，形成森林生态系统网络体系。在神池县，森林生态系统能否正常发挥其生态功能、维持系统内生物多样性、改善和维护生态环境、建立以森林生态系统为基础的社会—经济—生态复合系统，是该区域社会、经济和生态可持续发展的关键。若干年后，神池县必将步入生态系统稳定发展期，成为北方农牧交错带宜居山区小城和区域社会、经济和生态可持续发展的典范。

4 结论

北方农牧交错带以其鲜明的特征构成了我国北方最重要的自然与人文界线，从历史和现实条件看，其南侧地区在历史上曾为茂密森林地带，由于人类活动对森林的破坏，造成现实自然植被破坏殆尽，森林环境丧失。今后的生态目标和定位不应只看到生态退化后的现状，应发现该地区的生态空间发展潜力，恢复其生态良好时期的水平，而这个过程是长期的、艰巨的，需要不同阶段来恢复。

本研究以位于北方农牧交错带南侧（靠近农区）的神池县为例，对该地区的生态空间潜力进行了研究，结果表明，从土地利用景观现状分析，该地区土地利用景观格局呈现高度破碎化，表现出现存林地数量小且质量低、草地生态服务功能差、不合理的农牧业空间发展等现实问题。通过划定生态潜力空间，指出未来神池县的林业用地面积可达总面积的42.70%，且主要潜力空间来自低效草地以及部分撂荒耕地、少量盐碱地和裸地，其中草地潜力最大。

基于生态空间潜力分析结果，为实现最大潜力目标，本研究提出扩大和提升森林发展空间、建立绿色廊道、营造农林复合经营系统以及配置生态跳板4个途径，以期开发该地区未来生态发展的最大潜力，建立以森林为主的生态系统，逐渐形成趋于合理的生态空间格局，为北方农牧交错带偏农区的可持续发展提供借鉴。

［1］ HUANG D，WANG K，WU W L.Dynamics of soil physical and chemical properties and vegetation succession characteristics during grassland desertification under sheep grazing in an agro-pastoral transition zone in Northern China[J].Journal of Arid Environments，2007，70（1）：120-136.

［2］张健，高中贵，濮励杰，等.经济快速增长区城市用地空间扩展对生态安全的影响[J].生态学报，2008，28（6）：2799-2810.

［3］刘洪来，王艺萌，窦潇，等.农牧交错带研究进展[J].生态学报，2009，29（8）：4420-4425.

［4］赵军，李霞.中国农牧交错带研究进展 [J].草业科学，2009，26（1）：94-99.

［5］何立环，董贵华，王伟民，等.中国北方农牧交错带2000—2010年生态环境状况分析[J].中国环境监测，2014，30（5）：63-68.

［6］蒋力，徐霞，刘颖慧，等.基于土地利用—生态系统耦合模型的生态系统服务价值评估：以中国北方农牧交错带为例[J].天津农业科学，2014，20（1）：74-81.

［7］郑圆圆，郭思彤，苏筠.我国北方农牧交错带的气候界线及其变迁[J].中国农业资源与区划，2014（3）：6-13.

［8］赵哈林，赵学勇，张铜会，等.北方农牧交错带的地理界定及其生态问题[J].地球科学进展，2002，17（5）：739-747.

［9］刘军会，高吉喜.北方农牧交错带界线变迁区的土地利用与景观格局变化[J].农业工程学报，2008，24（11）：76-82.

［10］山西省林业科学研究院.山西树木志[M].北京：中国林业出版社，2001.

［11］李艳红，焦晓燕，苏志珠，等.2000—2008年晋西北地区土地利用 /覆被变化研究[J].山西农业科学，2015，43（4）：439-443.

［12］翟旺，米文精.山西森林与生态史[M].北京：中国林业出版社，2009.

［13］翟旺，张士权，赵汉儒.雁北森林与生态史[M].北京：中央文献出版社，2004：131-167.

［14］翟旺，杨丕文.管涔山林区森林与生态变迁史[M].太原：山西高校联合出版社，1994：8-170.

［15］张兰生，方修琦，任国玉，等.我国北方农牧交错带的环境演变[J].地学前缘，1997（Z1）：127-136.

［16］苏志珠，马义娟，刘梅.中国北方农牧交错带形成之探讨[J].山西大学学报（自然科学版），2003，26（3）：269-273.

［17］GOUDIE A.The human impact on the natural environment[M].4th ed.USA：MITPress，1994：833-838.

［18］刘正恩，葛剑平.北方农牧交错带生态恢复与重建的原则及对策[J].干旱区研究，2004，21（3）：299-303.

［19］XU X，DU Z，ZHANG H.Integrating the system dynamic and cellular automata models to predict land use and land cover change[J].International Journal of Applied Earth Observation&Geoinformation，2016，52：568-579.

［20］高廷，王静爱，李睿，等.中国北方农牧交错带土地利用变化及预测分析[J].干旱区资源与环境，2011，25（10）：52-57.

［21］CHEN J，LIU Y.Coupled natural and human systems：a landscape ecology perspective [J].Landscape Ecology，2014，29 （10）：1641-1644.

［22］李世奎.我国北部农牧过渡带沙漠化发生的气候原因及其防治对策[J].农业现代化研究，1987，8（1）：24-26.

［23］马子清.山西植被[M].北京：中国科学技术出版社，2001.

［24］高利峰，张磊，赵先贵.基于RS和GIS的内蒙古自治区土地利用及景观格局变化[J].山西农业科学，2016，44（2）：255-259.

［25］王云才.景观生态规划原理[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.

［26］郭祎天.农牧一体化与农牧民增收研究：以北方农牧交错带为例[J].现代农业，2014（10）：66-69.

［27］赵举，郑大玮，潘志华，等.农牧交错带粮草带状间作防风蚀保土效应的研究[J].华北农学报，2005，20（Z1）：5-9.

［28］郑敬刚，何明珠，苏云，等.放牧和围封对干旱区草地生态系统的影响[J].河南农业科学，2011，40（12）：80-83.

［29］王国祥.山西省天然林经营技术研究[M].太原：山西科技出版社，2016.

［30］郭妙玲，王晓军，王兵.基于微地形的黄土侵蚀沟壑农林复合经营系统模式研究[J].山西农业科学，2017，45（2）：242-246.

Study on Potential of Ecological Space in the North Farming-Pastoral Ecotones of China—A Case Study of Shenchi County

LI Rumeng1，WANGXiaojun1，ZHANGLuan2，WANGYawen2
（1.College of Environmental and Resources，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.Institute of Loess Plateau，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

The ecological environment in the north farming-pastoral ecotones of China is fragile,especially the problems caused by human activities,such as the unreasonable land use structure and the shortage of ecological space etc..Base on the land use data and the principle of landscape ecology,the paper analyzes the potential of ecological space in Shenchi county at the macroscale.The results show that,firstly,considering the historical and realistic conditions,the future ecological development of Shenchi county should establish a forest-based ecosystem.Secondly,the main land use types in this area are cultivated land,forest land （plantation and natural forest）and grassland.And there are some issues limit the development of ecological space which are low efficiency of arable land,low number and poor quality of forest land,poor ecological services of grassland.According to calculation of potential ecological space,there are about 13.66%of inefficient grassland,4.99%of abandoned arable land and 0.13%of other unused land,which can be reserved for restoration of forest ecosystem.As a conclusion that the ecological space of the region has great potential and the area of forest will be up to 42.70%in the future.Based on the results of potential of ecological space analysis,we put forward the methods and stages of realizing the goal of restoring forest ecosystem,so as to provide guidance for land planning and ecological development in the north farming-pastoral ecotones of China.

the north farming-pastoral ecotones of China;the potential of ecological space;land use;case study

X171

A

1002-2481（2017）10-1671-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.10.24

北方农牧交错带是我国中、东部重要的生态屏障，近几年，由于不合理的土地利用，导致水土流失加剧、土壤退化和生物多样性减少[1-2]，农田和草地退化、农牧矛盾等问题日益突出[3]，人们越来越认识到开展北方农牧交错带生态恢复与重建的重要性。对此，已有众多学者从不同的研究尺度和视角各有侧重地进行了诸多研究，其主要集中在景观格局、自然条件、生态系统服务、植被覆盖、生态环境状况、经济与生态建设等领域上[4-6]。从宏观尺度看，北方农牧交错带分布范围广[7]，地域内部差异大，各地生态状况、土地覆被等特征各不相同[8]，深入细致地研究其内部区域的生态状况，对于进一步认识北方农牧交错带，因地制宜地对北方农牧交错带进行生态恢复具有重要意义。

2017-03-24

国家自然科学基金青年基金项目（41301609）

李茹梦（1992-），女，山西襄汾人，在读硕士，研究方向：恢复生态学。张 鸾为通信作者。