灌溉因素订正的北方农牧交错带界定*

高惠君, 刘金铜

灌溉因素订正的北方农牧交错带界定*

高惠君1,2, 刘金铜1**

(1. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 石家庄 050022; 2. 中国科学院大学 北京 100049)

我国北方农牧交错带为典型生态脆弱带, 对其科学合理的界定对基于资源利用的区域可持续发展具有重要意义。北方农牧交错带界定的最基本条件是水分条件, 但是前人的界定均以降水作为水分条件, 均没考虑灌溉对农牧交错带形成的影响。本研究在传统界定方法的基础上, 增加了灌溉条件订正, 以订正后的水分条件作为界定指标, 并结合水分变率和干燥度指标, 运用模糊综合评判法, 对北方农牧交错带进行界定, 并进一步结合行政边界进行农牧交错带县域的划分。结果显示, 我国北方农牧交错带呈东北—西南走向的带状分布, 总面积65.90万km2; 北方农牧交错带县(市、旗)共有123个, 总面积66.08万km2, 分布于北方的9个省(自治区), 农牧交错带县数量以内蒙古自治区、山西省和青海省居多, 农牧交错带县总面积以内蒙最大。本研究的界定结果在位置上比农业部指定范围略向西北方向偏移, 范围上分别向东北和西南扩展, 增加了黑龙江、吉林、青海3个省份, 去掉了辽宁省; 在县域总数上有所减少, 黑龙江、吉林、内蒙古、青海的农牧交错带县域(市、旗)总数有所增加, 而河北、山西、陕西、甘肃、宁夏的农牧交错带县域(市)总数有所减少; 部分位于内蒙河套灌区和宁夏河套灌区的县域被划入。由对农牧交错带水热条件的分析可知, 农牧交错带大部分地区的年积温为2000~3500 ℃, 空间上呈中间高, 东北、西南低的趋势; 大部分地区的水分条件(降水和灌溉)为300~450 mm, 空间上沿东南—西北方向递减; 大部分地区的表层土壤有机碳含量为0~1%, 空间上呈中间低, 东北、西南高的趋势。本研究将灌溉指标纳入农牧交错带的界定指标系统, 弥补了传统气候界定方法的缺陷, 是对农牧交错带界定工作的科学补充和发展, 得到的县域尺度的农牧交错带结合农牧交错带水热条件分布研究, 可为农牧交错带区域农牧结构调整和精准可持续发展提供科学借鉴。

中国北方; 农牧交错带; 界定; 灌溉订正; 水分条件; 河套灌区

北方农牧交错带是我国农业种植区与草原畜牧区相连接的过渡地带, 为典型的生态脆弱带。1953年, 赵松乔[1]首次提出“农牧过渡地带”的概念, 主要指当时的察北、察盟和锡盟。农牧交错带作为连接我国种植业和畜牧业两大食物生产系统的界面, 蕴含着巨大的生产潜力[2], 却也是农业生产条件相对苛刻[3]、对气候变化和人类干扰非常敏感的地区[4]。近年来, 由于不合理的人为活动对农牧交错带的干扰加剧, 农牧交错带出现了土地沙化、草原退化和生态功能弱化等一系列生态问题[5-9], 生态脆弱性的特质逐渐凸显。为实现农牧交错带的可持续发展, 在保护生态环境的基础上对其进行充分合理的利用至关重要。为此, 需要在明确农牧交错带范围的基础上, 通过分析其自身的农业资源条件, 扬长避短、因地制宜地发展农业, 避免资源过度开发和环境破坏现象的发生。而对农牧交错带进行科学合理界定, 是实现其资源利用最大化和生态保护的关键一步。

自北方农牧交错带概念提出后, 不同学者基于不同目的从不同学科角度提出了相应的界定范围, 按界定方法主要归为以下几类: 基于农业气候指标的理论界定[10-16], 多以年降水量、降水变率、大风日数以及干燥度为主要界定指标; 基于土地利用方式的实测界定[17-20], 多以耕地、草地、林地的面积比例为主要界定指标, 同时兼顾降水量等水分指标; 基于人文地理的宏观界定[21-23,6], 如以胡焕庸人口分布界限、长城为参考进行界定; 基于农业调查的统计界定[24], 如以各县草地面积指数和畜牧业产值指数等为主要考察指标。此外, 还有基于生态脆弱性的生态学界定[5]以及基于牧草生长适宜度的模型界定[25]等。

尽管来自各个专业的专家学者就农牧交错带的界定问题做了大量研究, 界定方法不断改进完善并日趋科学合理, 界定结果也更加精确和定量化, 但是目前为止对于农牧交错带边界的认识还未达成共识[26]。

总体来看, 大多数学者选择气候指标尤其是水分指标作为农牧交错带的基本核心界定指标, 这是因为农牧交错带地处亚洲季风气候区的尾闾, 其形成和变迁深受气候变化和季风进退等自然因素的影响[27], 水分条件对农牧交错带的形成和变迁起着关键性的作用。因此将水分条件作为农牧交错带划分的依据具有一定的合理性。

但是, 前人均是以降水作为水分条件, 均没有考虑灌溉条件对农牧交错带形成的影响。宁夏和内蒙西部的黄河两岸, 特别是河套平原, 降水量通常在300 mm以下, 因此很多对北方农牧交错带的界定研究都把这一区域排除在外。但是河套平原具有悠久的灌溉历史, 灌溉使得该区域由一片干旱之地变为能够开垦种植的良田沃土[28], 也使河套平原成为著名的河套灌区。尽管河套平原实现了大面积灌溉, 但是由于灌水量和灌溉制度的限制, 这一地区并不能完全达到农区的水分条件, 大多数还相当于农牧交错带的范围。由此可以看出, 灌溉作为一项重要的人类活动, 在农牧交错带的格局形成过程中也起到了不可忽视的作用。所以, 不考虑灌溉的北方农牧交错带界定结果可能是不精确的, 有必要将灌溉因素纳入农牧交错带的界定指标体系中, 以得到更加精确的界定结果。

因此, 本文在前人水分指标界定方法的基础上, 通过灌溉条件订正, 以订正后的水分条件作为界定指标之一, 并结合水分变率和干燥度, 运用模糊综合评判法, 对北方农牧交错带进行界定, 并进一步结合行政边界进行农牧交错带县域的划分, 以期对农牧交错带界定工作进行科学补充和发展, 为农牧交错带区域农牧结构调整和精准可持续发展提供科学借鉴。

1 研究方法与模型计算

1.1 研究方法

基于水分指标的北方农牧交错带边界判定方法,是当前各学科专家学者应用最多且较为合理的界定方法[10-16]。本研究以中国北方12个省(市、自治区)为研究区域, 利用研究区内613个气象站台1981—2010年近30年的气象数据, 首先对内蒙河套灌区和宁夏河套灌区两个具有良好黄河水灌溉条件的地区的平均年降水量进行灌溉订正, 将灌溉后的水分条件作为农牧交错带划分的指标之一; 结合水分变率和干燥度指标, 运用模糊综合评判法, 对北方农牧交错带进行界定, 并进一步结合行政边界进行农牧交错带县域的划分。

其中, 综合前人诸多文献与专家经验, 重点依据赵哈林等[16]的界定标准, 将灌溉订正后水分条件为300~450 mm、水分变率为15%~30%、干燥度为1.25~2.00作为划分农牧交错带的标准阈值范围, 进行农牧交错带的划分, 使农牧交错带的划分建立在其形成气候因素条件的基础上, 更具科学性和合理性。

1.2 数据来源

本研究所用的613个台站1981—2010年的年均降水量、水分变率、干燥度数据来自国家气象信息中心网站, 行政区域边界数据来自中国科学院地理科学与资源研究所, 内蒙河套灌区农业灌溉总量、排水量、实际耕地灌溉总面积为实地调研总结所得, 内蒙古田间水面蒸发量与下渗量为田间试验数据获取, 宁夏各县农业灌溉量和实际耕地灌溉面积数据来自宁夏统计局《2016年宁夏水利统计公报》, 宁夏各县的水稻种植面积数据来自《2018年宁夏统计年鉴》, 宁夏水稻年灌水量为调研和部分试验数据综合确定, 宁夏田间水面蒸发量与下渗量由试验数据和调研综合获取。

1.3 数据处理

水分条件的灌溉订正以气象站点为单位进行, 将该气象站点的实际降水量(), 加上该气象站点所在县域的平均实际有效灌溉量(r), 作为订正后的水分条件()。由于河套灌区的灌溉多是以春秋两季泡田的方式进行, 在此过程中, 灌溉用水长时间停留在地表, 有大量的水分以水面蒸发以及下渗的方式损失掉, 这部分水分在灌溉过程中是无效的, 因此, 县域的平均实际有效灌溉量(r)为平均灌溉水量(V)扣除蒸发损失(e)与下渗损失(k)后的结果。即:

=+r(1)

r=v−e−k(2)

由于河套灌区的内蒙古灌区和宁夏灌区灌水方式和灌溉制度有一定差别, 因此县域的平均实际有效灌溉量(r)采用不同方法计算。计算的过程中, 将数据单位统一转化为毫米, 以实现加减运算。

内蒙古灌区(以灌区整体的所有县域为单位进行计算):

r=[(灌溉总量−排水量)´灌溉水利用系数´1000]/(灌溉总面积´667)−e−k(3)

宁夏灌区: 由于宁夏河套灌区中的部分县域种植水稻, 水稻的耗水量较大, 而每个水稻种植县的水稻种植面积均在实际耕地灌溉面积的40%以下, 因此将水稻面积扣除后计算剩余灌溉耕地的有效灌溉量。具体计算公式如下(按县域分别计算):

r=(灌溉总量−水稻种植面积´水稻单位面积灌水量)´灌溉水利用系数´1000/[(灌溉总面积−水稻种植面积)´667]−e−k(4)

其中, 灌溉水利用系数根据专家建议确定为0.524。

1.4 模型计算

1.4.1 基于层次分析法的界定指标权重确立

1)判断矩阵的构建。邀请相关专家学者, 采用1~9标度法对本研究的3个界定指标的重要性进行两两比较, 得到如下判断矩阵(表1):

表1 用于确定北方农牧交错带界定指标权重的判断矩阵

表中数据, 1表示两个元素具有同等重要性; 3表示两个元素相比, 前者比后者稍重要; 5表示两个元素相比, 前者比后者明显重要; 7表示两个元素相比, 前者比后者极其重要; 9表示两个元素相比, 前者比后者强烈重要; 2、4、6、8表示上述相邻判断的中间值; 倒数则表示相反的结果。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)指标权重的计算与一致性检验。通过计算, 得到水分条件、水分变率和干燥度3个界定指标的权重集为={0.75, 0.17, 0.08},max=3.07, CR=0.06＜0.10, 通过一致性检验, 此矩阵为有效矩阵。

1.4.2 基于模糊综合评判模型建立

1)确定因素集。因素集为农牧交错带界定指标的集合, 即={水分条件1, 水分变率2, 干燥度3}。

2)确定评定集。评定集为评定等级的集合, 在本研究中={农业区1, 农牧交错区2, 牧业区3,荒漠区4}。

3)构建隶属度函数与隶属度矩阵。隶属度指的是某个评价对象在u方面属于v等级的可能性程度, 值的范围为0~1, 越接近1, 隶属于这一级别的程度越大。通过构建合理的隶属度函数进行隶属度的计算, 把农牧交错带界定指标的实测原始数据转换为0.1~1.0之间的值, 并形成隶属度矩阵。以下为本研究构建的隶属度函数:

水分条件指标的1~4级隶属度函数如式(5)~(8)所示, 其中()为1~4级隶属度,为水分条件原始数据, 各临界值为4<3<2<1:

水分变率、干燥度指标的1~4级隶属度函数如式(9)~(12)所示, 其中()为1~4级隶属度,为水分变率、干燥度原始数据, 各临界值为4<3<2<1:

根据相关专家意见, 各界定指标的临界值1-4取值如表2所示。

表2 用于计算隶属度的北方农牧交错带界定指标临界值

4)计算综合隶属度。

=•(13)

式中:为权重集;为隶属度矩阵; •为算子符号, 有多种算法, 此处取较为简易的普通矩阵乘法。

5)综合隶属度的处理。原始数据经过以上处理, 得到综合隶属度={1,2,3,4}, 采用最大隶属度原则对综合隶属度进行处理, 得到确定的界定结果。

1.5 北方农牧交错带划分

1.5.1 北方农牧交错带区域界定

在确定了农牧交错带界定的气候指标并对降水量进行灌溉订正之后, 在ArcGIS支持下, 通过对613个气象站点(图1a)的气象数据进行反距离插值, 得到3个界定指标在12个省(市、自治区)的空间分布(图1b, c, d), 作为进行农牧交错带界定的原始数据。然后以1 km´1 km栅格为最小研究单位, 借助ArcGIS强大的数据处理、分析和输出功能, 采用模糊综合评判法进行农牧交错带的划分。提取界定结果为农牧交错区2的栅格, 即得到北方农牧交错带。

1.5.2 北方农牧交错带县域的划分

将所得分区结果与12个省(市、自治区)的县域图层进行叠加, 以县域为单位统计4类栅格的数目, 以栅格数量最多的类型确定县域的性质, 将县域分为农业县、农牧交错带县、牧业县和荒漠县4类。选出性质为农牧交错带县的县域, 即得到北方农牧交错带县域分布图。

2 结果与分析

2.1 北方农牧交错带范围

根据以上方法界定的北方农牧交错带以及北方农牧交错带县(市、旗)如图2所示。北方农牧交错带(图2a)的走向趋势与前人研究结果一致, 呈东北—西南走向的带状分布, 不同学者划分的共同核心区——内蒙古高原东南缘和黄土高原北部[29], 也在本研究的界定结果范围内, 这是因为界定的基本条件基本一致。农牧交错带总面积65.90万km2, 也在前人界定面积范围5~85万km2之内。

界定的北方农牧交错带县(市、旗)(图2b)共有123个, 总面积66.08万km2, 分布于北方的9个省(自治区), 以内蒙古自治区、山西省和青海省居多, 约占70%(表3, 图3); 农牧交错带县总面积以内蒙古最多, 约占58%(图3)。北方农牧交错带县(市、旗)分布在黑龙江的西南部, 吉林和河北的西北部, 内蒙古的东北部、南界沿线及中部, 山西的北部和中部, 陕西的北部, 甘肃、青海的东部, 宁夏的中部。

2.2 与其他界定结果的差别

本文界定结果与产业部门指定范围有一定差别。农业农村部根据产业发展需求对北方农牧交错带的指定范围如图4a所示, 共146个县市[30]。本文界定的结果与其相比(图4b)在走向上一致; 在整体位置上向西北方向略偏移; 在范围上分别向东北和西南扩展, 增加了黑龙江、吉林、青海3个省份, 去掉了辽宁省; 在县域总数上有所减少。从东北段来看, 农业农村部的指定范围偏西南, 本研究的结果向东部和北部扩展更多, 增加了黑龙江和吉林的部分县域, 减少了辽宁的县域; 在西北段, 农业农村部的指定范围偏东北, 本研究的界定结果向西部和南部扩展了更多, 增加了青海省的部分县域; 而华北段, 除在东北和西南的部分县域存在差异外, 两划分结果大致相同。

本研究划分结果相对于农业农村部指定范围的详细调整情况如表4所示。可以看出, 黑龙江、吉林、内蒙古、青海的农牧交错带县域(市、旗)总数有所增加, 而辽宁、河北、山西、陕西、甘肃、宁夏的农牧交错带县域(市)总数有所减少。同时, 调整最大的是内蒙古, 在县域(市、旗)总数上增加了22个, 其次为陕西省, 在县域(市)总数上减少了18个; 调整最小的为黑龙江省, 在县域总数上仅增加了1个, 其次为宁夏回族自治区, 在县域(市)总数上减少了5个。此外, 剔除了辽宁省的全部县域(市), 并新增了黑龙江省、吉林省、青海省3个省份的县域(市)。

在本研究的界定结果中, 内蒙河套灌区和宁夏河套灌区的部分区域被划入农牧交错带范围。农牧交错带县的界定结果中, 有更多位于河套灌区的县域被划入, 内蒙河套灌区的五原县、临河区和磴口县以及宁夏河套灌区的青铜峡市和中卫市等都被界定为农牧交错带县(市)。

2.3 北方农牧交错带的水热条件

对本研究界定的我国北方农牧交错带水热条件的分析可知, 北方农牧交错带的年积温(≥10 ℃)为776~3891 ℃(图5a), 大多数地区的积温为2000~3500 ℃。在空间上总体呈现中间高, 东北、西南低的趋势, 青海省中部县域的积温较低, 热量资源稍差, 其他省份县域的积温较高, 热量条件较好。3500 ℃以上的积温主要分布在陕西省北部的部分县域、山西省中部的县域以及宁夏中部的部分县域, 适宜发展粮食作物; 2000~3500 ℃的积温主要分布在青海东部、甘肃、宁夏中部、内蒙、陕西北部、山西北部、河北、吉林、黑龙江的各县域, 适宜合理分配种植粮食和饲料作物; 2000 ℃以下的积温主要分布在青海省中部的各县域, 只能满足牧草生长需求。

表3 各省(自治区)内北方农牧交错带县(市、旗)分布情况

北方农牧交错带灌溉订正后的水分条件范围为175~650 mm(图5b), 大多数地区的水分条件在300~450 mm, 在空间上沿东南—西北方向递减。450 mm以上区域主要分布在内蒙东北部和宁夏中部少数县域, 所占面积极少; 300 mm以下的低水分区域主要分布在内蒙中部和青海中部少数县域的少数地区, 所占面积也极少; 除这些地区之外的农牧交错带的大多数县域水分条件都在300~450 mm, 可以满足大多数饲用作物的生长需求。

北方农牧交错带的土壤肥力(表层土壤有机碳含量)范围为0~39%(图5c), 大多数地区的土壤肥力为0~1%; 呈现中间低, 东北、西南高的分布趋势, 青海东部和内蒙东北部的部分县域表层土壤有机碳含量较高, 土壤质量较好, 其余省份各县域表层土壤有机碳含量较低, 土壤质量较差; 1%以上肥力的土壤主要分布在青海东部、内蒙东北部的部分县域以及内蒙南缘部分县域的少数地区, 其余地区基本在1%以下。

表4 本研究划分结果相对于农业部指定范围的调整

续表4

3 讨论与结论

本研究界定的北方农牧交错带的走向趋势与前人研究结果一致, 总面积也在前人研究的界定范围之内, 并与前人的研究结果有共同的核心区, 这是因为本研究仍将水分条件作为界定的基本核心条件。气候干湿对我国北方农牧交错带的形成具有深刻影响[31], 因此将水分作为界定的基本核心条件具有一定的科学性与合理性。

与前人的研究相比, 本研究的界定结果将内蒙河套灌区和宁夏河套灌区的部分区域划入农牧交错带范围, 这与大多数的前人研究有所不同。造成这一区别的主要原因在于: 前人所采用的水分指标均只考虑了降水量而没有考虑灌溉[10-16], 而本研究在降水量的基础上加上有效灌溉量, 将订正后的水分条件作为农牧交错带划分的依据之一。纵观河套灌区的发展实况, 由于有良好的黄河水灌溉条件,以及受灌水量和灌溉制度的影响, 河套灌区内的部分地区确实存在着时农时牧的农牧交错带特征, 因此将灌溉指标纳入农牧交错带的界定指标系统, 具有一定的合理性, 弥补了传统气候界定方法的缺陷, 可认为是对农牧交错带界定工作的科学补充和发展。

基于气候基础的农牧交错带划分结果, 是理论上的界定, 可能与当前已有的农牧交错带分布格局有部分偏差[32], 但是该结果可以作为农牧交错带农牧结构调整以及环境治理的依据, 对由于人类活动引起的农牧交错带错位即偏离气候影响的地区进行调整, 对于改善农牧交错带的草原退化、土地荒漠化、沙尘暴等生态问题以及农牧交错带生态系统的修复重建具有重要意义。

除了连续的农牧交错带分布结果, 本研究还在县域尺度上进行了界定。县域尺度上的划分结果, 可为政府部门划分和调整农牧交错带县域的范围和数量提供参考, 从而为农牧交错带的农牧结构调整和精准可持续发展提供指导。农牧交错带县域的科学划分, 有利于行政部门根据县域的农牧交错带属性进行精准科学管理, 一方面通过结合农牧交错带生态脆弱、不宜大面积发展农业生产等特点, 可适当减少部分县域的农作物面积, 避免开展大规模的农业建设, 从而有效缓解农牧交错带目前面临的巨大环境资源压力; 另一方面通过结合农牧交错带水热条件分布情况, 可在农牧交错带开展饲草适宜性等研究, 从而实现对农牧交错带县域发展的精确定位, 为改粮增饲、提高农牧交错带的资源利用效率和生产潜力提供指导, 在保护农牧交错带生态环境的同时充分合理、因地制宜地利用农牧交错带的优势资源, 实现农牧交错带县域的精准可持续发展。

北方农牧交错带是我国典型的生态脆弱带, 对其进行科学合理的界定, 有利于在保护其生态环境的同时对其进行充分合理的利用, 从而实现农牧交错带的可持续发展。对农牧交错带边界的认识, 目前并未达成共识, 且大多数学者以降水作为界定的水分条件, 忽略了灌溉对农牧交错带形成的影响。本研究在考虑降水的基础上, 将灌溉因素纳入农牧交错带的界定指标体系, 进行了更加精确的界定, 并结合行政边界进行了农牧交错带县域的划分。结果显示, 我国北方农牧交错带呈东北—西南走向的带状分布, 总面积65.90万km2; 北方农牧交错带县(市、旗)共有123个, 总面积66.08万km2, 分布于北方的9个省(自治区)。本研究的界定结果在位置上比传统界定结果略向西北方向偏移, 范围上分别向东北和西南扩展, 在县域总数上有所减少, 部分位于内蒙河套灌区和宁夏河套灌区的县域被划入。由对农牧交错带水热条件的分析可知, 农牧交错带大部分地区的年积温为2000~3500 ℃, 空间上呈中间高, 东北、西南低的趋势; 大部分地区的水分条件(降水和灌溉)为300~450 mm, 空间上沿东南—西北方向递减; 大部分地区的表层土壤有机碳含量为0~1%, 空间上呈中间低, 东北、西南高的趋势。

与传统研究相比, 本研究将灌溉指标作为农牧交错带界定的指标之一, 弥补了传统气候界定方法的缺陷, 实现了农牧交错带更加精确的界定, 是对农牧交错带界定工作的科学补充和发展。同时, 得到的县域尺度的农牧交错带, 结合农牧交错带水热条件分布研究, 可为农牧交错带区域农牧结构调整和精准可持续发展提供科学借鉴。

[1] 赵松乔. 察北、察盟及锡盟——一个农牧过渡地区的经济地理调查[J]. 地理学报, 1953, 19(1): 43−60 ZHAO S Q. Chabei, Chameng and Ximeng: An economic geographical investigation of the transitional area of agriculture and animal husbandry[J]. Acta Geographica Sinica, 1953, 19(1): 43−60

[2] 赵军, 李霞. 中国农牧交错带研究进展[J]. 草业科学, 2009, 26(1): 94−99ZHAO J, LI X. Research progress on the farming-pastoral ecotone in China[J]. Pratacultural Science, 2009, 26(1): 94−99

[3] 李世奎, 侯光良, 欧阳海, 等. 中国农业气候资源和农业气候区划[M]. 北京: 科学出版社, 1988 LI S K, HOU G L, OUYANG H, et al. China’s Agroclimatic Resources and Agroclimatic Regionalization[M]. Beijing: Science Press, 1988

[4] 朱震达, 刘恕, 杨有林. 试论中国北方农牧交错地区沙漠化土地整治的可能性和现实性[J]. 地理科学, 1984, 4(3): 197−206 ZHU Z D, LIU S, YANG Y L. The possibilities and realities on re-management of desertified lands in the inter-distributing areas for agricultural and graziery practices in Northern China[J]. Scientia Geographica Sinica, 1984, 4(3): 197−206

[5] 王静爱, 徐霞, 刘培芳. 中国北方农牧交错带土地利用与人口负荷研究[J]. 资源科学, 1999, 21(5): 19−24 WANG J A, XU X, LIU P F. Landuse and land carrying capacity in ecotone between agriculture and animal husbandry in northern China[J]. Resources Science, 1999, 21(5): 19−24

[6] 周道纬, 卢文喜, 夏丽华, 等. 北方农牧交错带东段草地退化与水土流失[J]. 资源科学, 1999, 21(5): 57−61 ZHOU D W, LU W X, XIA L H, et al. Grassland degradation and soil erosion in the eastern ecotone between agriculture and animal husbandry in Northern China[J]. Resources Science, 1999, 21(5): 57−61

[7] 赵哈林, 周瑞莲, 张铜会, 等. 我国北方农牧交错带的草地植被类型、特征及其生态问题[J]. 中国草地, 2003, 25(3): 1−8 ZHAO H L, ZHOU R L, ZHANG T H, et al. Range vegetation, and its characteristics, ecological-problems in the northern agri-pastoral transition zone, China[J]. Grassland of China, 2003, 25(3): 1−8

[8] 战金艳, 邓祥征, 岳天祥, 等. 内蒙古农牧交错带土地利用变化及其环境效应[J]. 资源科学, 2004, 26(5): 80−88 ZHAN J Y, DENG X Z, YUE T X, et al. Land use change and its environmental effects in the farming-pasturing interlocked areas of Inner Mongolia[J]. Resources Science, 2004, 26(5): 80−88

[9] 杨微, 徐艳. 基于沙漠化和适宜性的农牧交错带土地利用优化研究——以内蒙古科尔沁左翼后旗为例[J]. 中国农业大学学报, 2018, 23(3): 95−105 YANG W, XU Y. Optimization of land-use structure in the farming-grazing transitional zone based on desertification status and land adaptability: A case study of Horqin Left Wing Rear Banner, Inner Mongolia[J]. Journal of China Agricultural University, 2018, 23(3): 95−105

[10] 周立三, 孙颔, 沈煜青, 等. 中国综合农业区划[M]. 北京: 农业出版社, 1981 ZHOU L S, SUN H, SHEN Y Q, et al. Comprehensive Agricultural Regionalization in China[M]. Beijing: Agriculture Press, 1981

[11] 朱震达, 刘恕. 中国北方地区的沙漠化过程及其治理区划[M]. 北京: 中国林业出版社, 1981 ZHU Z D, LIU S. Process of Desertification in Northern China and its Control Zoning[M]. Beijing: China Forestry Press, 1981

[12] 中国自然资源研究会. 中国干旱半干旱地区自然资源研究[M]. 北京: 科学出版社, 1988 Natural Resources Research Association of China. Research on Natural Resources in Arid and Semi-arid Areas of China[M]. Beijing: Science Press, 1988

[13] 全国农业区划委员会. 中国农业自然资源和农业区划[M]. 北京: 农业出版社, 1991: 58−59 National Agricultrual Zoning Commission in China. Agricultural Natural Resources and Agricultural Regionalization in China[M]. Beijing: Agriculture Press, 1991: 58−59

[14] 张丕远. 中国历史气候变化[M]. 济南: 山东科学技术出版社, 1996 ZHANG P Y. China’s Climate Historical Change[M]. Jinan: Shandong Science and Technology Press, 1996

[15] 苏桂武, 张林源. 中国北方季风边缘区自然灾害环境和成灾过程的特征[J]. 中国沙漠, 1998, 18(1): 1−9 SU G W, ZHANG L Y. Some features about the disaster engendering conditions and the disaster forming process in the monsoon marginal zone in North China[J]. Journal of Desert Research, 1998, 18(1): 1−9

[16] 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 ZHAO H L, ZHAO X Y, ZHANG T H, et al. Boundary line on agro-pasture zigzag zone in North China and its problems on eco-environment[J]. Advance in Earth Sciences, 2002, 17(5): 739−747

[17] 吴传钧, 郭焕成. 中国土地利用[M]. 北京: 科学出版社, 1994 WU C J, GUO H C. Land Use in China[M]. Beijing: Science Press, 1994

[18] 邹亚荣, 张增祥, 周全斌, 等. 农牧交错带土地利用的土壤侵蚀状况分析[J]. 水土保持通报, 2004, 24(5): 35−38 ZOU Y R, ZHANG Z X, ZHOU Q B, et al. Soil erosion status in an ecotone between agriculture and animal husbandry under different land uses[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2004, 24(5): 35−38

[19] YU L X, ZHANG S E, LIU T X, et al. Spatio-temporal pattern and spatial heterogeneity of ecotones based on land use types of Southeastern Da Hinggan Mountains in China[J]. Chinese Geographical Science, 2015, 25(2): 184−197

[20] SHI W J, LIU Y T, SHI X L. Development of quantitative methods for detecting climate contributions to boundary shifts in farming-pastoral ecotone of Northern China[J]. Journal of Geographical Sciences, 2017, 27(9): 1059−1071

[21] 王铮, 张丕远, 刘啸雷, 等. 中国生态环境过渡的一个重要地带[J]. 生态学报, 1995, 15(3): 319−326 WANG Z, ZHANG P Y, LIU X L, et al. On the ecological sensitive zone in China[J]. Acta Ecologica Sinica, 1995, 15(3): 319−326

[22] 田广金, 史培军. 中国北方长城地带环境考古学的初步研究[J]. 内蒙古文物考古, 1997, (2): 44−51 TIAN G J, SHI P J. A preliminary study of environmental archaeology in the Great Wall of North China[J]. Steppe Cultural Rellcs, 1997, (2): 44−51

[23] 史德宽. 农牧交错带在持续发展战略中的特殊地位[J]. 草地学报, 1999, 7(1): 17−21 SHI D K. The special role of the borders between farming and ranging regions in the sustainable development strategies[J]. Acta Agrestia Sinica, 1999, 7(1): 17−21

[24] 韩颖, 侯向阳. 农牧交错带的变迁、划分及管理机制的探讨[J]. 中国农业资源与区划, 2011, 32(5): 31−35 HAN Y, HOU X Y. Change, classification and management of agro-pastoral ecotone in North China[J]. Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning, 2011, 32(5): 31−35

[25] 陈全功, 张剑, 杨丽娜. 基于GIS的中国农牧交错带的计算和模拟[J]. 兰州大学学报: 自然科学版, 2007, 43(5): 24−28 CHEN Q G, ZHANG J, YANG L N. GIS description of the Chinese ecotone between farming and animal husbandry[J]. Journal of Lanzhou University: Natural Sciences, 2007, 43(5): 24−28

[26] 刘庆. 青藏高原东部(川西)生态脆弱带恢复与重建研究进展[J]. 资源科学, 1999, 21(5): 81−86 LIU Q. Advances in research on restoration and rehabilitation of ecotone in eastern Qinghai-Tibetan Plateau (Western Sichuan)[J]. Resources Science, 1999, 21(5): 81−86

[27] 袁宏霞, 乌兰图雅, 郝强. 北方农牧交错带界定的研究进展[J]. 内蒙古林业科技, 2014, 40(2): 38−43 YUAN H X, WULAN T Y, HAO Q. Research progress of definition of farming-pastoral zone in Northern China[J]. Journal of Inner Mongolia Forestry Science and Technology, 2014, 40(2): 38−43

[28] 安玉洁, 赵麦换, 苏柳, 等. 人民治理黄河70年灌溉效益分析[J]. 人民黄河, 2016, 38(12): 24−27AN Y J, ZHAO M H, SU L, et al. Analysis of irrigation benefits of the Yellow River management in recent 70 Years[J]. Yellow River, 2016, 38(12): 24−27

[29] 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, 35(3): 6−13 ZHENG Y Y, GUO S T, SU Y. The climate boundary and its change in farming-pastoral ecotone of Northern China[J]. Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning, 2014, 35(3): 6−13

[30] 农业部. 农业部《关于北方农牧交错带农业结构调整的指导意见》[J]. 中国食品, 2016, (24): 141−144 Ministry of Agriculture. “Guiding Opinions on the Adjustment of Agricultural Structure in Agro-pastoral Ecotone in North China” of the Ministry of Agriculture[J]. China Food, 2016, (24): 141−144

[31] 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 SU Z Z, MA Y J, LIU M. Study on the formation of transitional belt between agriculture and animal husbandry in Northern China[J]. Journal of Shanxi University: Natural Science Edition, 2003, 26(3): 269−273

[32] 肖鲁湘, 张增祥. 农牧交错带边界判定方法的研究进展[J]. 地理科学进展, 2008, 27(2): 104−111 XIAO L X, ZHANG Z X. Processes on the boundary definition of agro-pastoral zone in China[J]. Progress in Geography, 2008, 27(2): 104−111

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, 刘金铜. 灌溉因素订正的北方农牧交错带界定[J]. 中国生态农业学报(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

* 国家重点研发计划课题(2016YFC0501308)与地方课题“特色粮饲兼用作物抗盐高产种植技术集成与示范”资助

刘金铜, 主要研究方向为生态系统可持续管理与生态工程。E-mail: jtliu@sjziam.ac.cn

高惠君, 主要研究方向为脆弱区生态工程。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