中国北方农牧交错带水资源问题荟萃分析

裴宏伟 王飞枭 张红娟* 杨 佳

(1.河北建筑工程学院 市政与环境工程系，河北 张家口 075000；2.河北省水质工程与水资源综合利用重点实验室，河北 张家口 075000)

0 引 言

全球气候变化的持续演变对生态脆弱区以及生态交错带的影响最为深远[1-2].中国北方农牧交错带作为中国北方种植业文明与畜牧业文明的生态交错带，近几十年发生了深刻的水热条件演变，并给本地区的生态—社会可持续发展带来了明显的影响[3].中国北方农牧交错带沿“东北—西南”方向横贯中国北方(图1)，是阻挡浑善达克沙地和科尔沁沙地南侵华北以及东北南部的重要生态屏障[4、5]，是海河、滦河、辽河和锡林郭勒河等河流的发源地，还是首都地区重要的水源涵养区[6].此外，该地区社会经济长期发展滞后并导致大面积的深度贫困区，成为我国实现全面协调发展的关键攻坚地区.生态屏障、水源涵养与发展滞后是中国北方农牧交错带的三大阶段性历史特征.

在中国北方农牧交错带上，由于各种环境因子、生物种群均处于相变的临界状态[7-8]，使得生态交错带不论是对于自然的气候变化还是人类的干扰均具有极端的敏感性，是生物多样性研究、全球环境变化研究与可持续发展研究重点关注的地区[9、10、11].中国北方农牧交错带的边界处在动态变化中，一般认为其面积约在60～70万km2左右[12、13、14]，既是中国面积最大的生态交错带，也是世界四大农牧交错带之一[15、16].长期以来，中国北方农牧交错带农牧结构失衡、水资源过度开发，资源环境压力越来越大，发展不可持续的问题越来越突出，是当前推进农业结构调整的重点难点[17]，也是我国生态问题最为严重的地区之一[18].赵松乔于1953年[19]考察察哈尔省和锡林郭勒盟的经济地理情况时，提出并明确了农牧交错带的概念、界限、范围和基本特征[20].近几十年，程序[21]、赵哈林[15]、吴贵蜀[22]等陆续从植被特征、经济形态、文化特征等不同方面指出了中国北方农牧交错带内基本植被、经济结构和农耕游牧文化的过渡特征[23].本研究中所指“中国北方农牧交错带”，如无特别说明，均为中国农业部农计发[2016]96号文件中所列县区[17]，分为长城沿线沙化退化地区(武川县等77个县)、黄土丘陵沟壑地区(河曲县等44个县)和京津冀水源涵养地区(承德县等25个县).

图1 中国北方农牧交错带位置图[17]

1 主要水资源问题及水资源演变

1.1 暖干化持续发展

中国北方农牧交错带是对全球变化反应十分敏感的生态系统过渡带[24].在全球变暖的气候背景下，中国北方农牧交错带持续暖干化现象突出，干旱灾害频发，极端气候事件增多[25].气温方面，农牧交错带近50年增暖现象显著(表1)，不仅增暖幅度大于中国陆地与全球陆地增暖的平均水平，且其年均温的增加主要来自于冬季增温的贡献，与中国和全球陆地温度变化的形势一致[25].范锦龙等[26]曾指出农牧交错带的中部区域增温显著，但增温幅度存在季节差异；董满宇等[27]、李敏敏和延军平[28]分析华北段农牧交错带的温度变化特征时，发现气温在1987年发生了由冷到暖的突变.降水方面，农牧交错带降水稳定性差[29]，同时，降水在年代际尺度上波动减少的特征被国内外大部分学者认同并证实(表1).闫冠华等[30]指出农牧交错带年降水量近50年略有减少，李栋梁和吕兰芝[31]认为农牧交错带持续暖干化的特征，目前尚无转湿迹象.刘瞳等[32]预测农牧交错带少水期的持续时间可能达10年以上.

表1 近60年中国北方农牧交错带气温降水变化趋势

1.2 农业用水激增，水资源过快消耗

水是中国北方农牧交错带最关键的生态因子[38]，但人类不合理的农业垦殖会导致自然系统原有的水平衡被打破，进而引发生态系统的退化[39].尤其是20世纪90年年代以后，凭借冷凉的气候和对地下水的超采，集约化错季蔬菜被作为区域特色优势产业[40]，在中国北方农牧交错带中东部地区迅速发展(主要集中于赤峰、通辽、乌兰察布和张家口坝上等地)[41-42].在一些地下水开采条件较好、地势平坦、土壤较肥沃的地区，以春小麦、莜麦为主的传统雨养农业逐渐被集约蔬菜替代.不可否认，这种高水高肥的集约蔬菜种植模式在特定的历史时期有力促进了本地区农民的增收致富，但是中国北方农牧交错带多年平均年降水量只有300～450 mm，且年际、年内分布高度不均[43]，因此需要大量超采地下水才能维持蔬菜作物生长，如大白菜的年灌溉用水量可达900 mm[44]，随之而来的是日趋严重的地下水超采问题[45-46].

据统计，内蒙古赤峰、通辽、乌兰察布3盟市1990-2013年蔬菜播种面积和总产量分别增加了336%和547%，蔬菜占农作物总播面比重也由1.5%增至6.1%[47-48]，并在蔬菜种植区引发了严重的地下水超采[45].在河北坝上(康保、张北、尚义和沽源四县)，1990年以前蔬菜产量比较稳定，之后随着反季节蔬菜的兴起，有效灌溉面积和蔬菜产量快速增加：1990～2016年蔬菜播种面积和产量分别增加了206%和597%(图2，数据源自1991～2017年河北农村统计年鉴、张家口经济年鉴2015/2017)，蔬菜占农作物总播面的比重也由3.7%增至15.4%[49-50].近三十年，河北省坝上地区地下水开采强度由0.26万m3·km-2增加至3.26万m3·km-2[34]，区域整体的地下水开采率达60%[51]，个别蔬菜种植区地下水位平均降速达0.9 m·a-1[52]，堪比地下水超采极为严重的太行山山前平原[53].此外，中国北方农牧交错带作为我国中东部重要的生态屏障和水源涵养区，但是目前这一重要的生态服务功能也因地下水超采所致的防护林死亡、湖泊萎缩干涸等生态问题而受到直接的威胁[54].另外，根据GRACE重力卫星的地下水储量动态结果(2003～2016年，https://ccar.colorado.edu/grace/gsfc.html)，中国境内除华北平原、新疆天山南北和喜马拉雅山脉沿线存在快速的地下水超采以外，中国北方农牧交错带这一条带状区域的地下水消耗速率也有十分明显，大部分地区的年均地下水位消耗速率在2～4 cm·a-1(图3).地下水位快速下降继而引发的安固里淖等湖泊的干涸、三北防护林的大面积死亡等生态问题[52]，已成为中国北方农牧交错带生态保护与建设的当务之急.

图2 北方农牧交错带河北坝上近60年灌溉面积及蔬菜产量变化

注：图中灰色细线为区内单个重力卫星象元的地下水等效水深变化，共30个象元

1.3 农业面源污染导致整体水环境污染风险加大

20世纪90年代以后在中国北方农牧交错带兴起的集约化蔬菜业，严重依赖水肥投入并导致地下水污染.据统计，1990～2013年内蒙古蔬菜产量前三位的赤峰、通辽、乌兰察布三盟市化肥施用总量增加了715%[47-48]；同期，河北坝上农用化肥施用总量增加了302%[49-50]，而这些化肥大多用于集约蔬菜种植区.高强度的化肥投入与灌溉，共同构成对地下水的巨大污染风险.尽管目前关于中国北方农牧交错带集约蔬菜种植污染地下水的研究还鲜见报道，但是作者在河北坝上张北县和康保县的调查结果显示：随机调查的蔬菜种植区浅层地下水样品中(18个采样点,地下水位埋深20—40 m，调查覆盖范围约20 km2)，硝酸盐超过10 mg NO3--N·L-1的比例达到80%以上，地下水污染形势极为严峻，需尽早绸缪.

1.4 水生态退化导致水源涵养功能弱化

土地利用变化伴随中国北方农牧交错带的整个开发过程.本地区最早的农业文明可以上溯至公元前8000～7000年的兴隆洼文化时期[55].历史上，中国北方农牧交错带内种植文明与游牧文明彼此交融，草地、耕地此消彼长，整体上保持了一定的稳定性.新中国成立以来，地处中国北方农牧交错带中部核心区的冀北高原(坝上地区)耕地面积占比先升后降，一度占到国土面积的43%[56]，多年平均自产地表水资源量约为2.34亿m3.1980年以来特别是1990年以后，区内相当一部分地区为了片面追求眼前的经济利益，大面积种植反季节蔬菜，大量抽提地下水用于灌溉，特别是张北县，近20年地下水位的下降速率最快可达0.33 m·a-1，灌溉过程中还伴随着大量的化肥投入，土地资源和水资源的不合理开发利用，给区域的环境健康和生态平衡带来了严重的威胁.而另一方面，由于天然林保护工程、退耕还林还草工程等生态治理工程的实施，部分地区的植被又得以恢复和发展.由于上述两个方面的原因，区内水资源环境状况以土地利用变化为表现形式，发生了复杂而深刻的变化.刘军会和高吉喜[57]对中国北方农牧交错带的植被覆盖度研究后发现，1986～2000年间高盖度面积减少而低盖度面积增加，并且与气温降水变异密切相关.孔萌等[8]以我国中国北方农牧交错带中段乌兰察布市为例，1990～2010年耕地总面积先增加后减少趋势，主要是受农业开垦和国家退耕还林还草政策的影响.Qi等[58]利用遥感手段分析了陕北农牧交错带土地退化的时空特征，指出1986—2003年该地区土地退化范围有所扩大，但退化的严重性有所下降.陈云浩[12]分析了1989～1999年土地利用格局的变化，结果显示耕地与镇建设用地持续增加，草地和水体面积持续减少，林地则在整体增加的趋势下表现为先升后降.土地利用类型的这种变化加大了水土流失风险，退耕还林还草政策虽然发挥着积极作用，但是整体上土地退化问题仍然存在，区域内的水源涵养能力依然很弱.最近Wei等[59]的研究则发现耕地面积继续增加，林地、草地先升后降，水体面积持续增加.这些研究共同表明中国北方农牧交错带水资源量对人类活动和气候变化的影响十分敏感，但不一定成正相关关系.

2 水资源演变的主要驱动力

2.1 然驱动力

自然驱动因子是中国北方农牧交错带水资源演变的物质基础.由于地质、地貌、土壤等自然驱动因子在短时期内不会有太大变化，因此气候往往成为自然因素中影响域内水资源演变的主要因素[60].而气候因素中，又以气温和降水为主要影响因子，是水资源形成、演变及迁移的重要条件.根据中国气象数据共享网的资料统计，近70年(1951～2017年)来，中国北方农牧交错带年均气温持续升高，域内94%的站点增势显著(达0.01显著性水平)，平均增速约0.32℃·10a-1.而在降水方面，大部分地区(71%)降水呈减少趋势，年均降水变率大多约20%～25%[61].在中国北方农牧交错带仅东段水势条件相对较好，并且大部分地区的水资源来自降水，而区域内蒸发量大降水量少，使得自然水循环过程的水量补给亏缺，自产水资源量不足.在气候暖干化影响下，中国北方农牧交错带的气候界线向东南移动[62]，域内界线变幅在西北地区最小，东北地区最大，气候贡献在西北段约为1.1%～16.8%[13].这种水资源与气候分界变化分布的重叠，可能会加大区域内水资源时空分布的差异.于此同时，气候变化不仅构成了水资源、土地利用和覆被等变化的环境背景[53]，并进一步导致人类活动驱动下水—经济—生态关系的恶性循环[63]，使得中国北方农牧交错带的水资源和生态系统内部结构不稳定以及外部胁迫下的生态功能降低，如湿地因缺水严重而退化，草原盐碱化、沙化等土地退化现象的普遍出现.

2.2 人类活动驱动力

环境因子间的交互作用及其动力过程是地球表层演变的主要驱动力，但是农业活动、城市建设等人类活动加剧了这种动力过程.近几十年，由于人口压力增加、耕作方式变化以及农业开发政策等因素，中国北方农牧交错带的农业生产活动不断向西北移动.与此同时，受气候变化[64-66]特别是人类活动影响，中国北方农牧交错带的生态系统服务价值在空间上呈现由东南向西北递减分布[62].伴随科学技术的进步，域内生产方式由单一牧业向较复杂的农牧交错系统转变，土地利用呈现过渡性、波动性特征，不稳定的人类活动方式对水资源等生态要素造成了明显的冲击与破坏[67].以内蒙古自治区为例，该区2004～2014年耕地面积增加212万hm2，2005年有效灌溉面积约244.1万hm2，相比1996年增加了61.4%.在必然的经济社会发展背景下，用水需求持续加大，内蒙古自治区2015年总用水量达185.8亿m3，占全国总用水量的3.04%[68]；同时，由于全区的经济发展存在区域性，并且区域间的水源结构不同，区域用水差异大，出现用水量与水资源分布的错位，造成区域水资源的供需矛盾加剧.中国北方农牧交错带水资源贫乏，时空分布不均匀，大部分地区水资源来源于降水，但因蒸发多降水量少使其难以形成地表径流以及补给地下水.王静爱等[69]研究指出20世纪90年代中国北方农牧交错带的土地人口负荷相比20世纪50年代增加了1倍，人口密度在100～300人·km-2的旗县个数增加迅速(约4倍).在水资源禀赋不足及区域差异大的自然背景下，中国农牧交错带人口的过快增加与生活水平的逐渐提高，使对水资源的需求迅速膨胀，特别是对河流上、中游水资源量的过度消耗[63]，致使下游径流量减少，农牧交错带河湖萎缩，湿地严重退化.农牧交错带恶劣的自然条件决定了其水资源系统潜在的脆弱性，不合理且强烈的人为活动干扰与破坏则将这一潜在威胁显化甚至加深.

3 结 语

中国北方农牧交错带是草地农业和耕地农业相交错的重要的农业发展空间，也是是中东部地区特别是首都地区重要的生态安全屏障和水源涵养带，在国家整体的生态文明建设和生态安全保障中具有不可替代的重要战略地位.然而，正如农业部《关于中国北方农牧交错带农业结构调整的指导意见》中指出的那样“长期以来，中国北方农牧交错带农牧结构失衡、水资源过度开发，发展不可持续的问题越来越突出，资源环境压力越来越大，尤其是水资源开发强度已近极限”.本文在综述大量研究文献后，认为中国北方农牧交错带农牧业的可持续发展需要以水资源等自然资源条件为依据，重点弥补以下不足：

(1)加强机制性、系统性的生态水文过程研究.中国北方农牧交错带在生态系统和农业经济上的独特性历来受到学术界的重视，被认为是研究群落界面作用、物种多样性和对全球变化响应的理想地带[70].水资源演变研究涉及生态学、自然地理学、环境科学与资源利用等众多学科，内容广泛.由于水资源演变过程复杂多样，水环境治理困难，加上前期论证和规划的不足以及域内自然条件特殊，因此在今后的地区建设中，要因地制宜，以各地区水资源、土地资源、气候资源和生物资源为基础资源限制条件，集成已有的理论基础及相关学科成果，开展多学科联合研究，详细阐明林—草—田等不同生态系统耗水过程，阐释生物多样性的维持机制，科学评估生态系统生态服务价值，以及明确关键环境因子对生态系统演变的影响机制等科学问题，为全面提升中国北方农牧交错带的生态服务功能提供坚实的科学支撑.

(2)以水资源为限定条件，对山、水、林、田、湖、草、沙进行科学规划和统筹配置.中国北方农牧交错带是中东部地区重要的生态安全屏障和京津冀地区重要的水源涵养带，具有巨大的生态价值.然而目前由于高强度的农业开发，对水资源、土地资源形成了掠夺式的利用，已经使得生态系统服务难以继续维持.长期以来，植树造林被作为生态建设的主要措施，特别是在一些水分条件较差地区，需要通过人工灌溉保证苗木的存活，浪费了大量宝贵的水资源.因此，本地区生态建设的内涵需要廓清，植树造林的综合生态效应亟待系统评价，应当停止在水分限制区盲目扩大植树造林面积的做法，应当按照水资源等自然资源条件，以自然修复为主，对山、水、林、田、湖、草、沙进行统筹配置.

(3)开展生态—经济—社会综合治理，实现生态保育与经济社会的协同发展.中国北方农牧交错带土壤贫瘠、气候波动，加上经济基础薄弱，产业结构落后，经济活动多为掠夺式，人的发展需求与自然资源禀赋的不足形成了激烈的冲突，使该地成为世界瞩目的深度贫困地区.基于自然环境条件及人类社会经济可持续发展的考虑，该地区应通过建立国家生态补偿机制，有效缩减农业生产强度，将发展重心转移到于维护“山水林田湖草沙综合体”的生态平衡上.在此基础上，以特色、高附加值种植业和畜牧业发展为主导，引进现代农业科技技术，形成低环境影响、高经济价值的新型产业结构，实现经济效益、社会效益和生态效益的共赢，以获得更高的社会综合效益，最终实现水资源可持续利用与社会经济全面协调可持续发展.