北方农牧交错带人地系统耦合协调的时空特征及障碍因子

崔潇，王永生*，施琳娜

（1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；2.中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049）

人地关系及其变化研究是地理学研究的核心内容[1]，自20 世纪90 年代人地关系地域系统理论提出以来[2]，人地关系相关理论研究及实践应用不断丰富与深化。进入21 世纪，现代人类活动愈加强烈，深刻影响着地球表层人地系统，地球已进入“人类世”阶段[3]，产生了全球变化、土地退化、环境污染、区域贫困[4-8]等一系列资源环境问题。随着工业化、城镇化和全球化快速推进，我国乡村产业模式、地域结构、空间格局等发生了显著变化[9]，乡村人地关系问题与矛盾日益凸显。在城市化进程加快、全球环境变化、社会经济不断发展的背景下，人地和谐共生成为现代人地关系的核心内涵[10]，逐步发展形成了现代人地系统理论，并与可持续性的研究相结合[11]，探索发展面向全球变化及国家重大战略的现代人地系统科学[12]。人地系统协调是实现可持续发展的重要前提，人地协调理论及其实践应用研究，对有效缓解人地矛盾，促进区域协调、可持续发展具有重要意义[13]。

典型区域人地系统与可持续发展的时空规律研究是人地关系研究的重要范式[14]。北方农牧交错带是农牧结合的特色区域，是重要的水源涵养带和生态安全屏障，特色资源丰富，发展潜力巨大。但北方农牧交错带也是生态脆弱区、人地矛盾区，面临着水资源短缺、土地退化、草场退化等生态环境问题[15-16]，以及稳定粮食安全、巩固拓展脱贫成果与乡村振兴有效衔接等经济社会发展问题[17-18]。同时，北方农牧交错带也是国家退耕还林还草、“三北”防护林、京津风沙源治理等生态工程，以及西部大开发、精准扶贫、乡村振兴等战略的重点实施区域，生态治理与经济发展取得了显著成效。目前，对于北方农牧交错带区域范围划定[19]、荒漠化防治、农业措施管理、生态系统修复、土地利用等[20-23]生态环境问题的研究较多，但北方农牧交错带人地关系变化剧烈、人地矛盾突出、人地系统三产发展问题凸显[24]，基于人地系统视角的研究相对较少。

新时代城乡发展转型、生态文明建设、国土空间治理背景下，人地系统研究重在推进城乡融合、促进乡村人地系统协调和可持续发展。北方农牧交错带是战略政策的重点实施区域，以人地关系地域系统理论为基石[14]，着眼于城乡一体化系统，人地系统可细分为农牧业、村庄、乡域、城镇等4 个子系统。各子系统于不同递进层级以人地交互作用方式形成，分别构成农牧业生产与土地关系、人与村庄用地关系、农牧民居住与就业关系、产业化与城镇化关系[25]，进而相互作用、相互依存形成人地系统类型结构（HESTS）[12]。子系统的耦合协调发展是农牧区人地系统可持续发展的基础，有利于促进农牧区城乡融合体系的构建。北方农牧交错带人地系统时空格局、演化过程、耦合协调与可持续发展研究，对协调人地矛盾、促进乡村振兴与城乡融合发展具有重要的理论指导和实践意义。因此，本研究以北方农牧交错带的县域为基本单元，基于人地系统类型结构构建人地系统综合评价指标体系，开展退耕还林还草工程、西部大开发等国家战略措施实施以来（2000—2020 年）农牧业、村庄、乡域和城镇等子系统的发展水平测度及时空演变特征分析，进一步研究人地系统耦合协调度及地域分布规律，并探明人地系统协调发展的障碍因素，揭示区域不同类型人地系统的时空演化格局、耦合协调特征及障碍因子，为科学认知和有效协调区域人地关系、促进农牧业可持续发展、提升地域功能、推进区域乡村振兴及城乡融合发展提供政策建议。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

依据2016 年农业部《关于北方农牧交错带农业结构调整的指导意见》，本研究中的北方农牧交错带共涉及7 省（区）、23 市、146 个县（市、区），总面积约46.17 万km2（图1）。该区域年均气温2～8 ℃，年降水量300～450 mm，高原与丘陵交错分布，部分地区为沙地、山地和平原。由于多年的过度开垦、超载放牧，该区域动植物种类和数量不断减少，生态环境退化，甚至出现严重的荒漠化问题。北方农牧交错带区域差异明显，长城沿线沙化退化地区涉及77 个县级行政区划单元，干旱少雨，优质饲草料种植面积不足，草原退化、耕地沙化问题突出；黄土丘陵沟壑地区涉及44个县级行政区划单元，大部分为黄土高原，水土流失严重、植被覆盖率低，干旱频发；京津冀水源涵养地区涉及25 个县级行政区划单元，是京津冀地区重要的饮用水源涵养地，年降水量由东南向西北递减。

图1 研究区位置Figure 1 Location of the study area

1.2 指标体系

基于人地关系地域系统理论，在推进城乡融合、促进乡村人地系统协调和可持续发展的背景下，人地系统的农业、村庄、乡域、城镇类型划分[12]应充分考虑不同层级普遍意义的人地关系，子系统层级递进、相互促进，其耦合协调能够推进区域人地系统可持续发展及城乡融合体系构建。本研究在此划分基础上，充分借鉴乡村地域系统相关研究[26-27]，并结合北方农牧交错带区域人地系统要素结构特点及数据可得性，遵循指标的科学性、代表性和可操作性原则，构建了北方农牧交错带人地系统综合评价指标体系（表1）。北方农牧交错带是农牧契合带，农业和畜牧业生产方式并存，农牧业系统主要选取体现农牧业生产能力的指标，乡村人均粮食产量、乡村人均肉产量、人均农牧业机械总动力能够反映乡村生产能力和生产效率；选取农用化肥施用强度作为负向指标，反映农牧区农业面源污染问题。村庄系统主要体现生产、生活、生态用地情况，耕地、草地和农村居民点用地是农牧系统基本的土地利用方式，选取人均耕地面积及人均草地面积反映农牧民生产用地情况；近年来，由于农村劳动力大规模转移，乡村空心化和宅基地空废等问题凸显，选取乡村人均居民点用地作为负向指标来反映土地集约利用情况；选取植被覆盖度（NDVI）指标反映生态环境状况。乡域系统关注系统中农牧民的主体性，乡村从业人员占比和乡村非农就业占比越大，说明乡村人口就业机会越多，从而有效减缓乡村地区人口流失，农牧民人均纯收入越高说明居民生活水平越高。城镇系统关注系统经济发展能力，城镇化率、二三产业产值占比以及人均GDP 越高，说明地区发展水平越高，有利于推动区域实现乡村振兴，促进城乡融合发展。

表1 北方农牧交错带人地系统综合评价指标体系Table 1 Comprehensive evaluation index system of human-land system in farming-pastoral ecotone of northern China

1.3 数据来源

本研究所用数据主要包括人口数据、社会经济统计数据和地理信息数据。人口数据主要来自人口普查公报、《中国人口普查分县资料》、《中国县域统计年鉴（乡镇卷）》。社会经济统计数据主要来自各省市统计年鉴、《中国县域统计年鉴》、《中国区域经济统计年鉴》、县域国民经济和社会发展统计公报等。土地利用数据、植被覆盖度（NDVI）来自中国科学院资源环境科学与数据中心（https：//www.resdc.cn/）。行政边界数据来源于国家科技基础条件平台——国家地球系统科学数据中心（http：//www.geodata.cn），时间节点为2015 年。由于行政区划调整、统计口径不一致、数据缺失等，部分年份研究数据不包括红寺堡区、双滦区、双桥区、御道口牧场。对于其他个别缺失和错误数据，采用相邻年份数据或用其上一级行政单元的平均值替代。最终得到北方农牧交错带有效县域单元为2000年142个、2010年143个、2020年145个。

1.4 研究方法

1.4.1 改进熵权法

本研究在采取极值标准化法消除指标量纲、数量级及正负取向影响的基础上，采用熵权法确定各指标权重，根据指标熵权判断不同指标对整个系统的影响程度，通过信息熵理论确定权重，避免主观赋权。借鉴杨丽等[28]的研究成果，对传统熵权法计算公式进行改进，加入时间变量，确定各指标权重。计算公式如下：

式中：Qθij为θ年i县的j指标标准化值；Pθij为θ年i县的j指标值；Pmax、Pmin分别为j指标中的最大值和最小值；Sθij为指标占比；Ej为信息熵值；Dj为信息效用值；Wj为指标权重。

1.4.2 耦合协调度模型

耦合度是指各子系统相互作用、彼此影响的强度[29]，协调度是指系统演变过程中内部各要素相互和谐一致的程度[30]。本研究基于物理学中的耦合度模型分析北方农牧交错带人地系统中农牧业、村庄、乡域、城镇4个子系统的相互关系。计算公式如下：

式中：U1、U2、U3、U4分别为农牧业、村庄、乡域、城镇系统的评价指数；C为耦合度，C∈[0，1]，越趋近于1，耦合度越好，表明两者趋向新的有序结构，反之，向无序发展；T为综合评价指数；β1、β2、β3、β4为待定系数，根据4 个子系统的重要程度，令β1=β2=β3=β4=0.25；D为协调度，D∈[0，1]，协调度数值越大，则子系统发展水平越高，且相互促进。通常，耦合度可分为6 种类型[31]（表2），协调度可分为10种类型[32]（表3）。

表2 耦合度等级划分标准Table 2 The classification standard of coupling degree

表3 协调度等级划分标准Table 3 The classification standard of coordination degree

1.4.3 障碍度模型

本研究运用障碍度模型[33]诊断北方农牧交错带农牧业、村庄、乡域、城镇子系统协调发展的主要影响因素。计算公式如下：

式中：Vij为指标偏离度；mij为指标障碍度；Mij为子系统障碍度；n为子系统中的指标数量。

2 结果与分析

2.1 人地系统发展水平时空特征

北方农牧交错带人地系统发展水平呈现上升性。农牧业、村庄、乡域、城镇子系统发展水平均表现为递增态势，指数均值分别由2000 年的0.08、0.14、0.13、0.10 增至2020 年的0.25、0.22、0.57、0.31（表4）；农牧业、村庄子系统发展水平相对滞后，且村庄子系统发展速度缓慢，乡域子系统发展水平增幅明显。从不同区域来看，长城沿线沙化退化地区各子系统发展水平相对较好，农牧业、乡域及城镇子系统发展水平增幅较大；黄土丘陵沟壑地区各子系统发展水平相对滞后，农牧业子系统发展尤为落后，乡域子系统增幅明显；京津冀水源涵养地区乡域子系统发展水平相对较高且增幅明显，村庄及城镇子系统发展较为落后。

表4 2000—2020年北方农牧交错带人地系统发展水平时序变化Table 4 Temporal variation of human-land system development in farming-pastoral ecotone of northern China from 2000 to 2020

北方农牧交错带人地系统发展水平呈现空间非均衡性。农牧业、村庄、乡域、城镇子系统发展水平分异程度均为增大趋势，标准差分别由2000 年的0.03、0.05、0.04、0.05 增至2020 年的0.14、0.10、0.11、0.12，采用自然间断点分级法（Jenks）得到县域尺度各子系统发展水平时空格局变化（图2）。2000 年，西南部的陕甘宁地区农牧业系统发展水平极低，中部及东部发展水平相对较高；2010 年，沿西南-东北方向形成带状低值区；2020 年，低值带向西南移动，北部、东部地区农牧业系统发展持续向好，总体形成由东北向西南递减的空间格局。村庄系统发展水平在2000 年整体表现为由西北向东南递减，南侧形成带状低值区；2010 年北侧高值区范围扩大，区域分异增大；2020 年整体分布格局变化不大。乡域系统发展水平空间格局在2000 年整体为中部高、东西低，陕甘宁地区以及内蒙古东部出现块状低值区；2010 年空间格局发生显著变化，陕北以及内蒙古东部、辽宁地区发展迅速，成为新的高值区；2020 年整体分布格局变化不大。2000 年，城镇系统发展水平高值区较少，陕北和晋北地区相对较好；2010 年陕北及内蒙古中部地区发展水平相对较好，形成高值区；2020 年城镇系统发展水平整体空间格局变化不大，低值区较多，高值区较少。

图2 2000—2020年北方农牧交错带各子系统发展水平时空变化Figure 2 Temporal and spatial variation of subsystem development in farming-pastoral ecotone of northern China from 2000 to 2020

2.2 人地系统耦合协调度时空特征

2.2.1 耦合度时空特征

北方农牧交错带人地系统农牧业、村庄、乡域、城镇4个子系统间的耦合度较高。2000—2020年，北方农牧交错带及三大分区耦合度均值始终处于0.8～1的高水平耦合阶段，呈现出先升高后降低的趋势。各县域人地系统的耦合度值均大于0.50，处于磨合阶段或高水平耦合阶段（图3），2000 年人地系统耦合度呈现明显的组团状分布格局，陕甘宁及内蒙古地区耦合度相对较低；2010 年耦合度区域分异变小，陕北及辽宁少数县域耦合度较低，大部分地区耦合度较高；2020 年耦合度区域分异增大，南部县域单元耦合度略有降低，呈现由西北向东南递减的空间格局。

图3 2000—2020年北方农牧交错带人地系统耦合度时空变化Figure 3 Temporal and spatial variation of coupling degree of human-land system in farming-pastoral ecotone of northern China from 2000 to 2020

2.2.2 协调度时空特征

北方农牧交错带人地系统农牧业、村庄、乡域、城镇4 个子系统间的协调度不断提高，协调度均值由2000 年的0.32 增加至2020 年的0.54，整体由轻度失调衰退向勉强协调发展转变，协调度空间分异程度有增大趋势，标准差由2000 年的0.04 增加至2020 年的0.07。北方农牧交错带人地系统耦合协调度稳步上升，但当前协调发展水平仍然较低（图4）。2000 年各县（市、区）处于中度失调衰退的有39 个，处于轻度失调衰退的有103 个，均属于失调衰退类，总体协调发展水平较差，尤其是西部陕甘宁地区；2010 年处于轻度失调衰退的县域单元有38 个，处于濒临失调衰退的有85个，处于勉强协调发展的有20个，整体从以轻度失调衰退为主，转变为以濒临失调衰退为主，协调发展水平有了稳步提升，但总体发展水平仍不高，西部甘肃、宁夏地区及中部晋北地区发展缓慢；2020 年处于濒临失调衰退的县域单元有38 个，处于勉强协调发展的有78个，处于初级协调发展的有27个，处于中级协调发展的有2 个，整体转变为以勉强协调发展为主，形成由西北向东南递减的空间格局（表5）。

图4 2000—2020年北方农牧交错带人地系统协调度时空变化Figure 4 Temporal and spatial variation of coordination degree of human-land system in farming-pastoral ecotone of northern China from 2000 to 2020

从不同分区来看，长城沿线沙化退化地区2000年有83.12%的县域单元处于轻度失调衰退；2010年，51.95%处于濒临失调衰退，集中在中部的内蒙古及东部的辽宁、内蒙古地区，25.97%处于轻度失调衰退，主要分布于晋北地区，22.08%处于勉强协调发展，主要分布于北部的陕北、内蒙古地区；2020 年，42.86%处于勉强协调发展，28.57%处于濒临失调衰退，主要分布于晋北及辽宁地区，25.97%处于初级协调发展，集中在北部的内蒙古及陕北一带，长城沿线沙化退化地区人地系统由失调衰退向协调发展稳步转变，内蒙古及陕北地区发展较快，晋北地区发展相对较慢。黄土丘陵沟壑地区在2000 年时，60.47%的县域单元处于中度失调衰退，主要分布于西部的甘肃、宁夏地区，39.53%处于轻度失调衰退，分布于东部的陕北地区；2010 年，56.82%处于濒临失调衰退，主要分布于中部和东部的甘肃、陕北地区，36.36%处于轻度失调衰退，集中在西部甘肃、宁夏地区；2020年，56.82%的县域单元处于勉强协调发展，34.09%的县域仍处于濒临失调衰退，黄土丘陵沟壑地区人地系统由失调衰退向过度类转变，陕北地区发展较快，甘肃、宁夏地区发展相对较慢。京津冀水源涵养地区在2000 年时，所有县域单元均处于轻度失调衰退；2010年，90.91%的县域单元处于濒临失调衰退；2020 年，83.33%的县域单元处于勉强协调发展，在区域内均布，京津冀水源涵养地区人地系统由失调衰退向过度类转变，持续稳步发展（表5）。

表5 2000—2020年北方农牧交错带人地系统协调等级占比及分布Table 5 Proportion and distribution of human-land system coordination level in farming-pastoral ecotone of northern China from 2000 to 2020

2.3 人地系统协调的障碍度测算

采用障碍度大于3%作为识别明显障碍因子的原则，2000—2020 年，阻碍北方农牧交错带人地系统协调水平提升的主要障碍指标为乡村人均草地面积、人均GDP、乡村人均肉产量，且乡村人均草地面积的障碍度增幅明显；农牧民人均纯收入障碍程度不断下降，尤其是在2010—2020 年间，下降程度明显。从分区来看，除主要障碍指标外，长城沿线沙化退化地区的乡村人均耕地面积障碍度也不断增加，黄土丘陵沟壑地区及京津冀水源涵养地区的乡村人均粮食产量、乡村人均耕地面积障碍度不断增加（表6）。

表6 2000—2020年北方农牧交错带人地系统协调主要障碍指标及障碍度排序Table 6 The major obstacle indexes and the rank of obstacle degrees of human-land system coordination in farming-pastoral ecotone of northern China from 2000 to 2020

2000—2020年，各子系统障碍度排序始终为农牧业＞村庄＞城镇＞乡域，农牧业、村庄子系统的障碍作用尤为突出且障碍度不断增强，乡域子系统的障碍作用明显减弱。长城沿线沙化退化地区村庄子系统障碍度相对较大，农业、城镇子系统障碍度有所增加，乡域子系统障碍度减小；黄土丘陵沟壑地区农牧业子系统障碍程度突出，村庄子系统障碍度有所增加，乡域、城镇子系统障碍度减小；京津冀水源涵养地区城镇子系统障碍度相对较大，农牧业、村庄子系统障碍度有所增加，乡域子系统障碍度明显减弱（表7）。

表7 2000—2020年北方农牧交错带人地系统协调障碍子系统及障碍度（%）Table 7 The obstacle subsystems and the obstacle degrees of human-land system coordination in farming-pastoral ecotone of northern China from 2000 to 2020（%）

3 讨论

北方农牧交错带人地系统耦合度始终处于高水平耦合阶段，而当前协调发展水平仍较低，且空间分异程度有增大趋势，不利于农牧区可持续发展。其中，农牧业子系统障碍作用最强，乡村人均肉产量、乡村人均粮食产量均为阻碍人地系统协调水平提升的主要障碍因素，表明北方农牧交错带亟需解决农牧业可持续发展问题。高树琴等[34]研究发现，北方农牧交错带存在农牧结构失衡、生态草牧业不完善等问题，制约人地系统的耦合协调发展。北方农牧交错带作为农牧契合带，在保障国家大粮食安全中地位特殊，应予以足够重视，特别是黄土丘陵沟壑地区，由于历史时期陡坡耕地大面积开垦，土地肥力衰退，水土流失严重，粮食安全和生态环境的耦合问题应得到充分重视[35]。北方农牧交错带村庄子系统障碍度不断增强，乡村人均草地面积、乡村人均耕地面积障碍程度大，存在土地退化、缺地少粮等问题，长城沿线沙化退化地区土地沙化问题突出、生态环境脆弱，粮食产量相对较低，且优质饲草料种植面积不足[36]，京津冀水源涵养地区由于退耕还林、京津风沙源治理等生态工程实施，大量坡耕地退还为林地、草地，或面临粮食安全保障压力[37]。乡域子系统发展水平增幅显著，2010—2020年，农村居民人均纯收入的障碍度明显减小，表明国家扶贫政策在北方农牧交错带脱贫过程中发挥了重要作用[38]，尤其是贫困程度较高的地区发展迅速，农牧民收入大幅提升，为实现贫困地区乡村转型与可持续发展奠定了基础[39]。城镇子系统发展相对滞后，人均GDP 是阻碍人地系统协调水平提升的主要障碍因素，且障碍度不断增强，产业化与城镇化发展较为落后，陕北及晋北地区的资源型城市面临发展转型等问题[40]。

为进一步推进乡村振兴及区域可持续发展，北方农牧交错带应继续推进农牧结构调整，发挥区域农牧系统耦合的优势，发展种养生态循环模式，探索粮草种植模式，促进农牧业与生态环境协调发展；加快城镇化步伐，发展乡村二三产业，加快县域内城乡融合发展。在长城沿线沙化退化地区，应提高优质饲草料种植，适度扩大草食畜牧业规模；加快全域土地综合整治，改良沙化土地；注重陕北、晋北地区等资源型城市创新发展，推动绿色发展。在黄土丘陵沟壑地区，应继续推进退耕还林还草，发展特色牛羊产业；推进治沟造地等土地整治工程实施，增加优质耕地，减少侵蚀灾害，保障粮食安全；坚持增加耕地和保护环境并重，促进生态产业化；甘肃、宁夏及晋北地区做好防止返贫动态监测，建立帮扶长效机制。在京津冀水源涵养地区，应推动传统农区城镇化建设与产业化融合发展，促进乡村产业由单一农业向三产融合发展转型；建设生态循环农业，发挥水源涵养地的重要作用，使耕地、粮食、人口、生态协调发展。

4 结论

（1）2000—2020 年，北方农牧交错带农牧业、村庄、乡域、城镇子系统发展水平不断提高，乡域子系统发展水平增幅明显；长城沿线沙化退化地区各子系统发展水平较高，黄土丘陵沟壑地区各子系统发展水平相对滞后，农牧业发展尤为落后，京津冀水源涵养地区乡域子系统发展水平相对较高且增幅明显，村庄及城镇子系统发展较为落后。

（2）2000—2020 年，北方农牧交错带及三大分区人地系统耦合度始终处于高水平耦合阶段，协调度稳步上升，由轻度失调衰退向勉强协调发展转变，但当前协调发展水平仍然较低，空间分异程度有增大趋势。长城沿线沙化退化地区及京津冀水源涵养地区协调度相对较高，黄土丘陵沟壑地区一直为最低，内蒙古及陕北地区发展较快，山西、甘肃、宁夏地区发展相对较慢。

（3）2000—2020 年，阻碍北方农牧交错带人地系统协调水平提升的主要障碍因子为乡村人均草地面积、人均GDP、乡村人均肉产量，且乡村人均草地面积的障碍度明显增大，2010—2020 年农牧民人均纯收入的障碍度明显减小；农牧业、村庄子系统的障碍作用尤为突出且障碍度不断增强，乡域子系统的障碍作用明显减弱，针对性分区治理对实现区域农牧业可持续发展、乡村振兴及城乡融合具有重要意义。