农牧交错带重点生态功能区草地载畜压力演变特征

祝 萍，黄 麟，翟 俊，樊江文 2

（1. 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101；2. 中国科学院大学, 北京 100049；3. 生态环境部信息中心, 北京 100094）

农牧交错带是我国东部农区与西部草原牧区间的生态过渡带与经济纽带，是我国中、东部地区重要的生态屏障，具有防风固沙、涵养水源、保持水土等生态功能[1]。然而，由于地表物质结构、气候干旱多风、土壤侵蚀强烈等自然生态的脆弱性，以及土地利用不合理、草地过度放牧等不合理的人为活动，这一区域的生态系统退化严重[2]，出现了土地沙化、水土流失、沙尘暴等生态环境问题。生态环境恶化极大地影响了生产生活以及经济发展，使得农牧交错带成为我国生态问题最严重的地区之一[3-10]。

在农牧交错带，受气候变化和超载过牧等人类活动影响，可利用天然草地出现不同程度退化和服务功能弱化[11-12]，草地荒漠化形势愈加严峻。其中，气温、降水量、蒸发等气候因素的变化会影响草地的返青期和生长季[13-16]，从而影响草地植被生产力[17-18]，进而影响草地产草量。超载过牧等人类活动导致牧草供给不足、载畜压力增加，产生草畜矛盾，引起草地退化[19-22]。根据相关研究，大量草地实际牲畜数量均超过了天然草地的最大承载能力，我国内蒙古、青海、西藏均有不同程度的超载，其中内蒙古超载率高达102%[23]。草地建设是“山水林田湖草沙”系统的重要组成部分，而草地建设需要保持合理的载畜量以维持草地牧草供给和牲畜饲草需求之间的平衡。21 世纪以来，国家启动了退牧还草、京津风沙源治理、草原生态保护奖补等多项措施保护草地，使得草地退化有所减缓[24-25]。

重点生态功能区是我国“两屏三带”生态安全格局中北方防沙带的主体，依据生态脆弱性和生态重要性划定为防风固沙重要生态功能区，在构筑国家生态安全屏障的基础上，适当地发展以生态产品供给为主的可持续产业，也需要协同考虑生态环境保护与社会经济发展。农牧交错带具有农牧并存的特殊性，界定其合理载畜量对农牧交错带草地生态保护和牧业可持续发展至关重要[22,26]。对于农牧交错带重点生态功能区载畜的研究，有助于发现农牧交错带的牧业平衡问题，并为农牧交错带在农牧方面的发展提供借鉴意义。因此，本研究以位于我国北方农牧交错带的4 个国家重点生态功能区作为研究区，利用统计数据、遥感监测、模型模拟等手段，分析其2000-2019 年的草地退化与恢复状况、草地产草量时空变化，以及草地实际载畜量变化，评估区域草畜平衡状况，揭示草地载畜压力时空演化规律，为国家制定草原生态保护策略，农牧交错带重要生态功能区实行以草定畜措施、生态监管和考核等提供科学决策依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

阴山北麓草原生态功能区(简称阴山北麓)、浑善达克沙漠化防治生态功能区(简称浑善达克)、科尔沁草原生态功能区(简称科尔沁)、呼伦贝尔草原草甸生态功能区(简称呼伦贝尔) 4 个重点生态功能区共涉及34 个县域，均位于我国农牧交错带(图1)，作为位于我国第2 阶梯和第3 阶梯草地、林地、耕地等多种生态系统的过渡地带，是京津乃至整个华北地区的重要生态屏障[27-29]。土地总面积42.17 万km2。主要生态系统类型为草地，面积占比64.37%。

图1 农牧交错带重点生态功能区位置及生态系统分布图Figure 1 Spatial distribution of ecosystem in key ecological function area of the agro-pastoral zone

1.2 草地退化与恢复信息提取

根据像元二分模型理论[30-31]估算得到研究区植被覆盖度时空数据，即理论上认为一个像元的NDVI值是由绿色植被部分贡献的信息与无植被覆盖部分贡献的信息组合而成，利用NDVI 计算半月尺度的植被覆盖度，根据如下公式估算得到。

不同草地类型的生态学特性不同，黄麟等[33]参考在青藏高原、内蒙古、新疆等区域开展的草地退化与恢复研究[20,34-35]，依据《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标(GB 19377-2003)》[36]，建立基于植被覆盖度变化的草地退化与恢复分类体系。本研究参考该体系将植被覆盖度减少 ＞ 30%、30%～21%、20%～11%分别定义为重度退化、中度退化、轻度退化，增加 ＞ 30%、30%～21%、20%～11%分别定义为极显著好转、明显好转、轻微好转。

1.3 草地产草量计算

利用NPP 数据估算草地产草量，得到2000-2019年研究区草地生态系统产草量。草地产草量通过NPP与草地地下地上生物量比例推算得到，可表示为：

式中：Ym为单位面积草地产草量(kg·hm−2)，r为草地植被地下/地上生物量比例。t为生物量到生产力的转换系数，此处取值为0.45。其中NPP 数据为MODIS 的年NPP 产品MOD17A3HGF，空间分辨率为500 m，经过重投影等预处理后，计算得到产草量数据，然后利用各县域边界统计得到各县的年产草量。

采用最小二乘法计算2000-2009 年和2010-2019 年草地产草量的年际变化趋势，计算公式为：

式中：i为年序号，n为总的年份，slo为Fc的变化趋势，即年均变化量，若为正值，则说明产草量的变化趋势是增加，反之则是减少。

1.4 草地载畜压力评估

利用草地载畜压力指数评估草地载畜压力状况。基于生态模型的草地载畜压力指数算法[18]，结合草地季节放牧场空间数据、县域尺度家畜统计数据等，通过草地现实载畜量( Cs)和理论载畜量( Cl)之比模拟得到草地载畜压力指数( Ip)。

式中：现实载畜量(Cs)即单位面积草地实际承载的羊单位数量(标准羊单位·hm−2)；Cn为年末家畜存栏数量(标准羊单位)，大家畜按5 个标准羊单位计算；Ch为家畜出栏率，按30%计算；Gt为草地放牧时间。理论载畜量(Cl)即县域草地适宜承载的羊单位数量；Ut为牧草利用率；Co为草地可利用率；Ha为草地可食牧草比率，按80%计算；Sf为1 羊单位家畜的日食量，每羊单位按每日采食4 kg 鲜草计算；Df为牧草干重与鲜重比例，按1 ： 3 计算。

她没有察觉我的情绪，低着头、弓着腰，一下一下艰难地拖着。妈妈身体一直不太好，每天拎着水桶和拖布爬上爬下，只为了一千五百块的工资。她时常抱怨腰酸腿痛，我从未当回事，只说她那是缺钙应该多补钙，但从未去药店为她买过一次。而男友小健哪怕只是伤风感冒，我都恨不得把天下最好的感冒药双手呈到他面前。

如果Ip= 1，表明现实载畜量与理论载畜量相当，草地载畜量适宜；如果Ip＞ 1，说明草地超载；如果Ip＜ 1，说明草地仍有载畜潜力。根据草原特征、载畜状况及野外放牧的实际情况，将载畜压力小于等于0.8 定义为载畜不足，(0.8, 1.2]定义为载畜平衡，(1.2, 2]为轻度超载，(2, 5]为中度超载，(5, 8]为重度超载，8 以上为极重度超载。根据县域统计年鉴查找各生态功能区所涉及区县在2000 年、2010 年、2019 年的大牲畜数量、羊数量，并按照一个大牲畜等于5 羊单位，将所有牲畜数量换算成羊单位。

1.5 载畜压力变化的影响因素

草地载畜压力指数模型模拟时，假设气候条件不变，即草地产草量保持不变，得到平均气候条件下的草地载畜压力指数，此时的草地载畜压力指数变化可认为是人类活动即实际载畜量变化的作用(DGP)。实际情况下与平均气候条件下草地载畜压力指数的差值，与实际情况下草地载畜压力指数变化值之比，则被认为是气候变化的作用，可以表示为：

式中：Dcc为气候变化的作用占比(%)，Ipr为实际情况下的草地载畜压力指数，Ipc为平均气候条件下草地载畜压力指数，Ipv为实际情况下草地载畜压力指数变化。

2 结果与分析

2.1 草地退化与恢复情况

2000-2019 年，各功能区草地退化以轻度退化为主，草地恢复亦以轻微恢复为主。2010-2019 年与2000-2009 年相比，阴山北麓和科尔沁退化草地面积明显减少，恢复草地面积明显增加，浑善达克退化面积和恢复面积变化不明显，而呼伦贝尔退化草地面积增加，恢复草地面积减少(图2)。

图2 农牧交错带重点生态功能区草地退化与恢复空间分布Figure 2 Spatial distribution of grassland degradation and restoration in key ecological function area of the agro-pastoral zone

阴山北麓20 年间退化草地占该区草地面积的0.53%；恢复草地面积占8.39%，主要分布在四子王旗和达尔罕茂明安联合旗。2000-2009 年退化草地面积占6.78%，主要分布在察哈尔右翼中旗和察哈尔右翼后旗；恢复草地占3.25%，主要分布在乌拉特中旗。2010-2019 年，退化草地占0.41%；恢复草地占比高达22.87%，主要分布在四子王旗和达尔罕茂明安联合旗。

科尔沁20 年间退化草地占该区草地面积的7.90%，主要分布在巴林右旗；恢复草地面积占36.79%，主要分布在通榆县和奈曼旗。2000-2009 年退化草地面积占27.45%，主要分布在巴鲁右旗、阿鲁科尔沁旗和扎鲁特旗；恢复草地占4.64%，主要分布在奈曼旗。2010-2019 年，退化草地占8.76%，主要分布在东南部的科尔沁左翼后旗和库伦旗；恢复草地占比高达24.78%，主要分布在西北部的巴鲁右旗和阿鲁科尔沁旗。

浑善达克20 年间退化草地占该区草地面积的3.49%，主要分布在阿巴嘎旗的东北部，恢复草地面积占12.62%，主要分布在中部的多伦县和正蓝旗。2000-2009 年退化草地面积占11.6%，主要分布在正镶白旗；恢复草地占9.51%，主要分布在阿巴嘎旗的中部。2010-2019 年，退化草地占8.95%，主要分布在阿巴嘎旗的东北部；恢复草地占比高达8.45%，主要分布在中部的多伦县。

呼伦贝尔20 年间退化草地占该区草地面积的3.86%，主要分布在新巴尔虎左旗中部；恢复草地面积占34.73%，主要分布在新巴尔虎右旗。2000-2009年退化草地面积占4.81%，主要分布在新巴尔虎左旗东南部；恢复草地占41.59%，主要分布新巴尔虎右旗。2010-2019 年，退化草地占比高达36.01%，新巴尔虎左旗新巴尔虎右旗均有分布；恢复草地仅占2.71%。

2.2 草地产草量时空变化特征

2000-2019 年，各功能区产草量均呈不同程度增加，其中阴山北麓产草量增加的草地面积占比6.2%，科尔沁占比85.72%，浑善达克占比28.7%，呼伦贝尔占比84.66%。2010-2019 年与2000-2009 年相比，阴山北麓产草量减少的草地面积减少，产草量增加的草地面积增加，而科尔沁、浑善达克和呼伦贝尔产草量减少的草地面积增加，产草量增加的草地面积减少(图3)。

图3 农牧交错带重点生态功能区草地产草量变化Figure 3 Spatial distribution of variation of grass yield in key ecological function area of the agro-pastoral zone

阴山北麓20 年间产草量增加的草地主要分布在四子王旗和察哈尔右翼中旗。2010-2019 年与2000-2009 年相比，产草量减少的草地面积占比由5.15%减少为0.05%，产草量增加的草地面积占比由4.11%增加为29%。科尔沁20 年间产草量增加的草地广泛分布。2010-2019 年与2000-2009年相比，产草量减少的草地面积占比由0.64%增加为1.41%，产草量增加的草地面积占比由77.11%减少为50.1%。浑善达克20 年间产草量增加的草地主要分布在多伦县、正蓝旗和克什克腾旗。2010-2019 年和2000-2009 年相比，产草量减少的草地面积占比由2.83%增加为2.93%，产草量增加的草地面积占比由30.95%减少为25.59%。呼伦贝尔20 年间产草量增加的草地广泛分布。2010-2019年和2000-2009 年相比，产草量减少的草地面积占比由1.13%增加为14.53%，产草量增加的草地面积占比由65.78%减少为11.55%。

2.3 草地载畜压力变化分析

2.3.1 实际载畜量变化

2000-2019 年，农牧交错带各重点生态功能区实际载畜量(图4)表明，科尔沁的牲畜数量不断增加，阴山北麓、浑善达克、呼伦贝尔的先减少后增加，各功能区县域牲畜数空间分布如图5 所示。

图4 农牧交错带重点生态功能区实际载畜量变化Figure 4 Variation in actual livestock in key ecological function area of the agro-pastoral zone

图5 农牧交错带重点生态功能区实际载畜量的县域空间分布Figure 5 County distribution of actual livestock in key ecological function area of the agro-pastoral zone

科尔沁的牲畜数量由1 334.78 万羊单位增加到2 294.17 万羊单位，主要源于阿鲁科尔沁旗、巴林右旗、开鲁县、科尔沁右翼中旗、科尔沁左翼后旗、科尔沁左翼中旗、库伦旗、奈曼旗、通榆县、翁牛特旗、扎鲁特旗的不断增加。阴山北麓的牲畜数量先由520.54 万羊单位减少到458.1 万羊单位，后增加到537.62 万羊单位，前期的减少源于察哈尔右翼后旗、达尔罕茂明安联合旗、四子王旗、乌拉特后旗的减少，后期的增加源于察哈尔右翼后旗、达尔罕茂明安联合旗、四子王旗、乌拉特中旗的增加。浑善达克的牲畜数量先由913.99 万羊单位减少到734.51万羊单位，后增加到815.43 万羊单位，前期的减少源于阿巴嘎旗、克什克腾旗、尚义县、苏尼特右旗、苏尼特左旗、张北县、正蓝旗、正镶白旗、丰宁满族自治县、沽源县、镶黄旗的减少，后期的增加源于阿巴嘎旗、克什克腾旗、尚义县、苏尼特右旗、苏尼特左旗、张北县、正蓝旗、正镶白旗、多伦县、太仆寺旗、围场满族蒙古族自治县的增加。呼伦贝尔的牲畜数量先由259.94 万羊单位减少到246.43 万羊单位，后增加到335.02 万羊单位，前期的减少源于新巴尔虎右旗的减少，后期的增加源于新巴尔虎右旗和新巴尔虎左旗的增加。

2.3.2 草地载畜压力状况

2000-2019 年，农牧交错带各重点生态功能区载畜压力(图6)显示，阴山北麓和浑善达克载畜压力不断减少，浑善达克载畜状态由中度超载变为轻度超载，阴山北麓载畜状态虽为中度超载但明显减轻。科尔沁先增加后减少，但从20 年来看，改变不明显。呼伦贝尔一直呈现载畜平衡状态，载畜压力先减少后增加。各功能区县域载畜压力空间分布如图7 所示。

图6 农牧交错带重点生态功能区载畜压力分布Figure 6 Spatial distribution of stocking pressure in key ecological function area of the agro-pastoral zone

图7 农牧交错带重点生态功能区草地载畜压力的县域空间分布Figure 7 County distribution of stocking pressure in key ecological function area of the agro-pastoral zone

阴山北麓的载畜压力由4.62 减少到3.40，主要由于乌拉特后旗、达尔罕茂明安联合旗、四子王旗的减少。浑善达克的载畜压力由2.63 减少到1.48，主要由于张北县、丰宁满族自治县、尚义县、康保县、沽源县、镶黄旗、正镶白旗、阿巴嘎旗、苏尼特左旗、多伦县、克什克腾旗、苏尼特右旗、正蓝旗的减少。科尔沁的载畜压力先由3.20 增加至3.93，后减少到3.88。前期的增加源于巴林右旗、奈曼旗、翁牛特旗、库伦旗、开鲁县的增加，后期的减少源于通榆县、阿鲁科尔沁旗、巴林右旗、科尔沁右翼中旗、奈曼旗、翁牛特旗的减少。呼伦贝尔的载畜压力先由0.90 减少到0.66，后增加到0.82。

2.4 草地载畜压力变化的影响因素

2000-2019 年，阴山北麓、浑善达克、呼伦贝尔的载畜压力减少，其中阴山北麓和呼伦贝尔主要是是因为气候变化引起的产草量增加，而浑善达克主要是因为实际载畜量减少；科尔沁的载畜压力增加，原因是实际载畜量增加(表1)。

表1 农牧交错带重点生态功能区草地载畜压力变化的影响因素贡献率Table 1 Contribution of the impact factor to variation in stocking pressure in key ecological function area of the agro-pastoral zone

涉及的34 个县域中，阴山北麓的察哈尔右翼后旗、科尔沁的奈曼旗、翁牛特旗、科尔沁左翼中旗、库伦旗、开鲁县、浑善达克的太仆寺旗和呼伦贝尔的新巴尔虎左旗8 个旗的载畜压力增加，主要是因为实际载畜量增加，其余26 个县的载畜压力减少。其中阴山北麓的乌拉特中旗、察哈尔右翼中旗、科尔沁的阿鲁科尔沁旗、科尔沁右翼中旗、扎鲁特旗、浑善达克的围场满族蒙古族自治县6 个县域，虽然实际载畜量增加，但是产草量的增加使得载畜压力减小。其他20 个县的载畜压力减少因为产草量增加和载畜量减少共同导致的，但其中的阴山北麓的乌拉特后旗、达尔罕茂明安联合旗、科尔沁的通榆县、浑善达克的丰宁满族自治县、尚义县、沽源县、镶黄旗、正镶白旗、阿巴嘎旗、苏尼特左旗10 个县域载畜量的减少起主要作用。

3 讨论

20 年来，浑善达克载畜状态由中度超载变为轻度超载；阴山北麓载畜状态虽为中度超载但有明显减轻；科尔沁的载畜状态改变不明显，一直为中度超载；呼伦贝尔载畜平衡。在本研究中，实际载畜量来自统计年鉴，以县域为单位，无法具体化到空间位置，所以草地是否超载只能确定到县域，无法明确到具体位置。在呼伦贝尔，虽然载畜平衡，但有的区域草地退化严重。可能是受围栏封育影响，在未围封的区域，牛羊数量增加，草地退化加剧。今后在载畜压力的计算中，应考虑如何将以县域为单位统计的牲畜数量网格化。

县域载畜压力增加的主要原因是载畜量的增加，减少的原因是产草量增加和载畜量的减少。在讨论载畜压力变化的原因中，将载畜量的变化归结为人类活动，产草量的增加归结为气候变化。实际上，近年来对草地采取的围栏封育等保护措施有利于草地恢复、产草量增加。因此，产草量的增加可能是气候变化和积极的人类活动的共同作用。科尔沁载畜量增加导致载畜压力的增加，需要重点考虑畜牧业发展对生态保护的影响。阴山北麓的主要驱动因素为气候变化，需要在气候变化背景下平衡生态保护与牧业发展。浑善达克的减畜作用效果显著，应注意维持减畜结果，发展可持续的畜牧业。呼伦贝尔虽然载畜均衡，但在未围封的区域，草地出现退化之势，应注意控制牲畜数量以维持草地可持续发展。

4 结论

本研究通过分析阴山北麓、浑善达克、科尔沁、呼伦贝尔4 个农牧交错带重点生态功能区过去20 年的草地退化与恢复、草地产草量时空变化，评估了区域草畜平衡状况，揭示了草地载畜压力时空演化规律和各生态功能区载畜压力变化的主要影响因素。结果表明：各功能区草地退化以轻度退化为主，草地恢复亦以轻微恢复为主，各区草地产草量均呈不同程度增加。浑善达克载畜状态由中度超载变为轻度超载，阴山北麓载畜状态虽为中度超载但有明显减轻，科尔沁的载畜状态一直为中度超载，呼伦贝尔载畜平衡。载畜量增加导致8 个县载畜压力指数增加，产草量增加导致6 个县载畜压力指数减少，产草量增加和载畜量减少的共同作用导致20 个县域的载畜压力减少。20 年间，草地问题略有好转，但2010-2019 年与2000-2009 年相比，局部地区有先好转再恶化趋势，应注意沙化草地治理后的维护，通过重点生态功能区财政转移支付等多源途径，针对生态保护实施系列轮牧、休牧措施，防止返沙，以保证生态屏障功能的发挥。