农牧交错带生态与生产用地时空转换及其驱动因素分析——以张家口坝上地区为例

秦彦杰，武爱彬，赵艳霞，唐守普，刘 欣，沈会涛，张胜海

（1.河北省科学院地理科学研究所，河北 石家庄 050011；2.河北省地理信息开发应用技术创新中心，河北石家庄 050011；3.河北省国土整治中心，河北 石家庄 050011）

中国北方农牧交错带是半湿润农耕区和干旱、半干旱草原牧区的过渡地带。在气温、降水等自然条件和政策、经济发展、人口增长等人文因素的共同影响下，该区域草地、林地和耕地相互转换频繁，交互作用使地类界面不断变化，导致农牧交错带土地利用具有明显的过渡性和波动性，生态环境脆弱。当地以农牧业为主的经济发展方式对土地资源利用存在着竞争关系，要实现农牧交错带的可持续发展，应当深入研究该地带的土地利用转换规律和协调对策，合理配置农牧业用地比例，找到生态与经济双赢的措施和方法。党的十九届四中全会明确提出“促进生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”的指导思想，以生态、生产和生活视角出发探究区域可持续发展的研究成为众多学者所关注的热点，学者们探索了生态用地、生产用地和生活用地（简称“三生用地”）的数量、空间变化以及特征［1］，多关注“三生用地”在长时间序列内发生的变化特征，然而对农牧业用地空间转换及驱动因素的关注较少。

农牧交错带这一术语在1953—1959 年由赵松乔提出并完善［2］，之后以农牧交错带为研究对象，开展了农牧交错带的资源调查［3］、界线变迁［4］、景观和土地利用变化［5-7］、生态系统服务价值［8-9］、人地关系及区域发展［10-11］、草原利用［12-14］、草地退化与土地沙化和荒漠化［15-16］、耕地变化［17-19］、农牧用地及相互关系［20-22］等大量的研究工作，摸清了区域内土地利用变化规律、农牧业发展模式等问题，已有研究成果为农牧交错带“三生”用地转换规律和协调发展提供了基础。张家口坝上地区位于北方农牧交错带中段，具有典型的农牧交错带特征，草地、林地等生态用地和作为农业生产用地的耕地是张家口坝上地区主要的土地利用类型，其二者合计面积占比95%以上。历史上该区域水草丰美，以游牧文明为主，明清以来由于汉人的居住，农耕文明的传入导致大量的草原被开垦为耕地作为农业生产用地，开始了农牧交错发展的时代，当出现大规模的沙尘暴和土地沙化后，人们意识到在坝上地区大规模开发耕地的危害性，开始了实施生态建设，该区域承担的生态功能越来越强［23］。2019 年，《张家口首都水源涵养功能区和生态环境支撑区建设规划（2019—2035 年）》的印发，明确了该区域“首都水源涵养功能区和生态环境支撑区”的发展定位，生态优先必将产生生态用地的扩张需求。因此，探讨该区域生态用地与生产用地相互转换规律，提出生产用地与生态用地的协调发展对策，实现耕地在保障粮食综合生产能力的同时又提升生态服务功能，来缓解区域生态空间和生产空间冲突的问题，对协调区域发展用地具有现实意义。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

本研究的张家口坝上地区包括张北县、康保县、沽源县和尚义县4 县，位于河北西北部，土地总面积1.38×104km2，占河北省总面积的7.30%。区域地势较为开阔，典型的波状高原，海拔在1300～1800 m，呈南高北低格局。土壤以栗钙土分布最为广泛，易受人为干扰且较难恢复，土壤有机质含量较低。气候系大陆性季风气候，自然条件恶劣，表现为寒冷、多风、干旱等特征，年均气温3.4 ℃，年降水量400 mm 左右。张家口坝上地区生态用地与生产用地镶嵌交错分区，生态用地以草地和林地为主，生产用地以耕地为主，质量较差，耕地质量等级在11～14 之间，生态与生产用地之间变化较为频繁，时常有相互转换，典型的农牧交错带土地利用格局。

1.2 数据来源

本研究所使用社会经济数据来自《河北经济年鉴》（2001—2021 年）、《张家口经济年鉴》（2001—2021年）、《河北农村统计年鉴》（2001—2021年）、中国县（市）社会经济统计年鉴等资料。历史资料主要来自于张家口市地方志、土地志、农业志和林业志等。土地覆被数据来源于自然资源部和国家基础地理信息中心提供的Globe Land 30 数据（2000年、2010 年和2020 年）（http://www.globallandcover.com/home.html?type= data）。部分土地利用数据来自于自然资源行政主管部门统计数据。根据已有研究基础［24-25］，基于土地覆被数据进行归并与分类而获得生态用地与生产用地，生态用地是指具有重要生态功能，以提供生态产品和生态服务为主要功能的土地，包含土地覆被数据的林地、草地、灌木地、湿地、水体、裸地等6个类别；生产用地主要指农业生产空间用地，即土地覆被数据中的耕地。地理空间数据包括行政区划、自然因子（地形、地貌、土壤、河流等）、交通、旅游等数据主要来源于河北省地理信息开发应用技术创新中心，通过研究区裁剪和格式转换，统一制作成SHP 格式、GRID 格式两种格式数据。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用转移矩阵和地类保留率 利用Arc⁃GIS 软件，将研究区2000 年、2010 年和2020 年土地覆被数据进行空间叠加分析，得出土地利用类型转移矩阵，进而获取生态用地与生产用地相互转换数据。土地利用转移矩阵是研究不同土地利用类型转移方向和数量变化的经典方法［6］，可以直观展现各地类的类型演化过程。其数学表达式为：

式中：Aij为研究期初第i种土地利用类型在研究期末转换成第j种土地利用类型的土地面积；i（i=1,2, …,n）、j（j=1, 2, …,n）分别表示研究期初和研究期末的地类；n代表土地利用类型数。

各土地利用类型保持自身面积不变的比例即保留率，可比较分析不同土地利用类型在研究时段内的稳定性情况，某一土地利用类型保留率越大，其空间稳定性也越大，在区域尺度上更有利于景观自身功能和过程的正常运行与多样性的维持。

1.3.2 地理集中度 利用GIS空间分析功能，提取生态用地与生产用地转换地块，分别选择气象、地形地貌、位置、土壤、水资源和耕地质量6个方面13个空间数据与其进行叠加，利用地理集中度来统计分析各个转移地块的自然地理特征［26］。该指标反映不同自然因素下生态用地和生产用地之间的转换概率，数值越大说明越容易发生转换，计算公式如下所示：

式中：CR为某一自然地理因素的地理集中度（%）；Sk为某一自然地理因素在第k分级标准下发生生态用地和生产用地转换的面积（hm2）；n为某一自然地理因素的分级数量。

1.3.3 地理探测器模型 利用地理探测器模型对农牧交错带生态用地与生产用地相互转换的影响机理分析。地理探测器模型是由王劲峰等［27］开发的一种空间分析模型，可以探测某地理属性与其解释因子之间的关系。该方法基于空间分异理论，假设地理事物总是存在于特定的空间位置，影响其变化的环境因子在空间上具有差异性，若某环境因子与地理事物的变化在空间上具有显著一致性，则说明该环境因子对地理事物的发生与发展具有决定意义，并结合GIS空间分析技术和集合论，以“因子力”作为度量指标，探测地理事物属性y 与其解释因子之间的关系，从而有效地识别因子变量与结果变量间的相关关系［28-29］。地理探测器模型如下：

式中：PD,U为生态用地与生产用地相互转换的影响因素探测力指标；σ2U为整个区域生态用地与生产用地转换数量的方差；σ2UD,i为次一级区域的方差；n为整个区域的样本数；nD,i为次一级区域的样本数；m为次级区域个数，即对影响进行自然聚类分级分区的个数。假设σ2UD,i≠0，模型成立，PD,U的取值区间为［0,1］，PD,U值越大，说明影响因素对生态用地与生产用地转换的影响越大。气候因素选择年均降雨量（X1）指标，地形因素选择地貌类型（X2）、坡度（X3）、高程（X4）3 个指标，土壤因素选择土壤类型（X5）、土壤有机质（X6）指标，区位因素选择距乡镇距离（X7）、路网密度（X8）、距离旅游景点远近（X9）、距水系距离（X10）、距湖泊水库距离（X11）指标，社会经济因素选择农民人均收入（X12）、人口密度（X13）、人均耕地面积（X14），共14 个指标（表1），探测农牧交错带生态用地与生产用地相互转换的影响因素。

表1 地理影响因素指标及分级标准Tab.1 Indicators and grading standards of geographical impact factors

2 结果与分析

2.1 生产用地与生态用地时空变化

分别统计2000 年、2010 年和2020 年张家口坝上地区的生态用地与生产用地面积，分析其时空变化特征。生产用地受地形地貌的影响，在农牧交错带与生态用地呈镶嵌交错分布，2000年和2020年生产用地空间分别为85.82×104hm2、76.33×104hm2，研究期内缩小了9.49×104hm2，其比例由62.29%降低为55.40%，其中2000—2010 年和2010—2020 年分别减少15.37×104hm2和增加5.89×104hm2，表现为先减少后增加的变化趋势。2000 年和2020 年生态用地空间分别为49.58×104hm2、57.03×104hm2，研究期内扩大了7.45×104hm2，其比例由35.99%增加到41.40%，其中2000—2010 年和2010—2020 年分别增加14.39×104hm2和减少6.94×104hm2，其内部构成地类也发生改变，其中草地比例由89.62%提高为91.38%，林地比例由6.52%降低为6.14%，湿地、水体等其他地类所占比例由3.86%降低为2.48%。

2.2 生产用地与生态用地转换及其自然地理特征

提取生态用地与生产用地转换地块，叠加分析各地块的自然地理特征，随着时间的推移，张家口坝上地区生态用地与生产用地相互转换较为频繁，但转换的程度和广度有所降低，未发生变化地类的保留率由82.72%提升到了86.12%（表2）。

表2 2000—2020年张家口坝上地区“三生用地”转移面积统计Tab.2 Statistics of the transfer area of land for“three purposes”in the Bashang region of Zhangjiakou from 2000 to 2020

2.2.1 生产用地转生态用地 2000—2020年生产用

地向生态用地转换21.23×104hm2。其中，2000—2010 年生产用地转换为生态用地17.12×104hm2，占总面积的12.43%，主要分布在康保县、张北县和沽源县，成为主要的地类转换类型，主要因为在该时期实施了退耕还林还草工程等政策；2010—2020年，生产用地转换为生态用地4.11×104hm2（表2），占总面积的2.98%，主要分布在尚义县和张北县（图1）。分析2000—2010 年和2010—2020 年两个时段内转移地块特征（表3），生产用地转为生态用地具有明显的发生规律。2000—2010 年转移地块主要集中在降雨量400 mm 以下的区域，2010 年后逐渐转移到降雨量400 mm 以上的区域。海拔从高往低转移，2000—2010 年集中在1400～1500 m，2010—2020 年集中在900～1400 m。坡度从高向低转移，2000—2010年集中在坡度在6°～15°的耕地上，2010年后转移到0°～6°。地块距离乡镇驻地一般都较远，优先在距离乡镇驻点较远的地块转移。在河流两侧2 km内发生转移的概率为21.72%～47.98%，影响较为明显。旅游景点对地块转移有一定的影响，在旅游景点5 km 内发生转移的概率为5.88%～13.72%，影响不明显。转移地的土壤类型以栗钙土为主，土壤质地为沙质，土壤有机质多在0.041～0.060ppm。湖泊对发生转移的影响较小，湖泊2 km内发生概率仅为0.33%～0.96%。发生转移的耕地质量多在13 等级和14 等级，地貌单元和路网密度对生态用地与生产用地的相互转换影响不明显。

图1 2000—2020年张家口坝上地区生产用地转为生态用地空间分布Fig.1 Spatial distribution of production land converted to ecological land in Bashang region of Zhangjiakou from 2000 to 2020

表3 2000—2020年生态用地和生产用地转移地块自然地理驱动特征Tab.3 Natural geographical driving characteristics of ecological land and production land transfer plots from 2000 to 2020

2.2.2 生态用地转生产用地 2000—2020年生态用地向生产用地转换12.47×104hm2。其中，2000—2010 年生态用地向生产用地转换2.35×104hm2（表2），占总面积的1.71%，在区域内呈零散状分布。2010—2020 年，生态用地转换为生产用地10.12×104hm2，占7.34%，在区域内零散分布（图2）。分析2000—2010 年和2010—2020 年两个时段内转移地块特征（表3），生态用地转为生产用地具有明显的发生规律。2000—2010 年转移地块主要集中在降雨量400 mm 以上的区域，2010 年后逐渐转移到降雨量400 mm以下的区域，与生产用地转生态用地相反。海拔从低往高转移，2000—2010 年集中在1200～1400 m，2010—2020 年集中在1400～1500 m。坡度多发生在2°～6°区域。地块距离乡镇驻地一般都较远，优先在距离乡镇驻点较远的地块转移。在河流两侧2 km 内发生转移的概率为24.86%～37.64%，影响较为明显。旅游景点对地块转移有一定的影响，在旅游景点5 km 内发生转移的概率为3.52%～12.89%，影响不明显。转移地的土壤类型以栗钙土为主，土壤质地为沙质，土壤有机质多在0.041～0.060ppm。湖泊对发生转移的影响较小，湖泊2 km 内发生概率仅为0.38%～0.94%。地貌单元和路网密度对生态用地与生产用地的影响不明显。

图2 2000—2020年张家口坝上地区生态用转为地生产用地空间分布Fig.2 Spatial distribution of ecological land converted to land for production in Bashang region of Zhangjiakou from 2000 to 2020

2.3 驱动因素分析

由表4 可知，各因素对张家口坝上地区生态用地与生产用地转换都有不同程度的影响，同一因素对生态用地和生产用地之间相互转换的解释力也有差异。2000—2020年，生产用地转生态用地影响因素的解释力从大到小依次为：土壤有机质、人均耕地面积、坡度、年均降雨量、距乡镇距离。其中解释力最强的为土壤有机质，q值达到0.426，表明土壤有机质是决定生产用地转变为生态用地的主导因子，农户根据生产用地的土壤有机质含量高低，选择土壤贫瘠的生产用地优先转变为生态用地；排在第二位的影响因素是人均耕地面积（0.325），人均耕地面积较多的区域更容易发生生产用地转换为生态用地；排名第三的影响因素是坡度（0.314），多选择坡度在6°～15°的区域发生生产用地转换为生态用地；其次是年均降雨量和距乡镇距离两个影响因素，解释力也较强，分别为0.242 和0.126；距离乡镇距离、旅游景点距离、路网密度、水源地距离等其他影响因素的解释力均小于0.1，对生产用地转换为生态用地的影响程度低。交互作用探测结果表明，各因子间交互作用对生产用地转换为生态用地的影响远大于单个因素，多以双因子增强为主。其中土壤有机质∩人均耕地面积（0.692）为双因子增强，为交互作用影响因素中解释力最强，其次是土壤有机质∩年均降雨量（0.536）为双因子增强，排名第三的影响因素为土壤有机质∩坡度（0.515）。通过风险探测器的定量分析，结合前文转换地块的地理特征分析，可以得出土壤有机质含量低、人均耕地面积多、坡度6°～15°和年均降雨量低于400 mm 的地区容易发生生产用地向生态用地转变。

表4 农牧交错带生态用地和生产用地的转换影响因素地理探测结果Tab.4 Geographical detection results of factors affecting the conversion of ecological land and productive land in the farming-pastoral ecotone

反过来，生态用地转生产用地影响因素的解释力从大到小依次为：坡度、年均降雨量和人均耕地面积。其中，坡度（0.451）对生态用地转生产用地的解释力最强，在坡度2°～6°地区多发生；其次为年均降雨量（0.261），多在年均降雨量大于400 mm 的地区发生；排名第三的是人均耕地面积（0.1415）；所选的其他影响因素对生态用地转生产用地的解释力较低。可以看出坡度、年均降雨量和人均耕地面积3个影响因素对生态用地和生产用地的互相转换都有着重要的决定性作用，土壤有机质含量仅对生产用地转换为生态用地有着重要影响力。交互作用探测结果表明，各因子间交互作用对生产用地转换为生态用地的影响远大于单个因素，多以双因子增强为主。其中，坡度∩地貌类型（0.547）为双因子增强，为交互作用影响因素中解释力最强，其次为坡度∩年均降雨量（0.342）为双因子增强，排名第三的影响因素为人均耕地面积∩农民人均收入（0.239）。通过风险探测器的定量分析，结合前文转换地块的地理特征分析，可以得出在坡度2°～6°较缓区、年均降雨量大于400 mm、人均耕地面积少的地区容易发生生态用地向生产用地转变。

3 讨论

本研究基于对张家口坝上地区近20 a来生态用地和生产用地转换地块的地理特征总结与驱动因素分析，得出张家口坝上地区生态用地与生产用地转换仍较为频繁，近年来出现大量的生态用地转为生产用地，李超等［30］在研究科尔沁左翼后旗的耕地变化时也发现该现象。在实地调研中还发现大面积集中连片的生态用地转为生产用地种植蔬菜等农作物，农业利用强度较大，此变化势必会加剧该区域脆弱生态环境的恶化，加重生产用地与生态用地的竞争关系，使原本有限的生态用地扩张空间更加紧张。这与张家口作为国家重点生态功能区和首都“两区”的功能定位不相符，与未来该区域以提升生态功能，扩大生态用地空间的发展方向不协调，加剧了生态用地与生产用地之间的竞争关系。基于此，提出如下对策建议：（1）开展生态用地和耕地转换的专项调查。为进一步全面掌握坝上地区生态用地和生产用地相互转换特征，针对近年来耕地增加的趋势，建议由自然资源、农业、林草等主管部门联合开展2000 年以来生态用地和生产用地转换的专项调查。（2）细化张家口坝上地区土地用途管制规则。坝上地区作为典型的农牧交错带，具有独特的土地利用特点，应研究制定针对张家口坝上地区特殊的土地用途管制规则，逐步引导土地使用者合理正确的开发利用土地。（3）以功能提升代替规模扩张作为未来发展思路。张家口坝上地区不仅承担着国家重要生态功能的任务，而且还承担着区域粮食生产任务。在目前严峻的粮食安全形势下，实现生态保护和粮食生产共赢的唯一出路就是提升用地功能。

本研究在驱动因素分析方面仍存在以下不足，农牧交错带生态用地和生产用地的转移受自然因素和社会经济因素共同影响［31］，其中自然因素影响着发生转移的可能性和空间位置，社会经济因素中对发生转移起着促进作用。2000 年以后退耕还林还草、京津风沙源治理、天然林保护等一系列国家生态建设工程相继启动，促使生产用地转为生态用地转变的一个重要原因；同时，2000 年国家在张家口坝上地区实施土地后备资源开发使大量的生态用地转为生产用地。农户土地利用行为从微观上驱动着张家口坝上地区生态用地与生产用地之间的相互转换，一般情况下利用生产用地相对于生态用地的经济收益较高，在土地利用的经济利益驱使下往往会向着收益较高的土地利用方式转变，使一些农户自行开发生态用地为生产用地。本研究选取的驱动因素更偏重于自然地理因素，对社会经济因素未进行深入分析。下一步的研究中考虑政策调控和土地利用的经济利用驱动等人为因素影响，更加全面的分析各方面因素对生态用地和生产用地的转换影响，为农牧交错带国土空间优化和利用提供更加科学的建议，为首都“两区”建设提供更加科学的依据。

4 结论

（1）2000—2020 年，张家口坝上地区土地利用程度有所降低，生态用地空间扩张了5.41%，表现为先增后减的变化趋势，生产用地空间缩减了6.89%，表现为先减后增的变化趋势。

（2）生态用地和生产用地之间相互转换频繁，其中，生产用地转生态用地21.23×104hm2，2010 年后转换数量逐渐减少，发生转移的地块表现为降雨量从少到多，海拔从高到低，坡度从高到低的特征；生态用地转生产用地为12.47×104hm2，2010 年后转换数量逐渐增加，发生转移的地块开始逐渐向生态条件恶劣地区转移。

（3）土壤有机质、人均耕地面积、坡度等因素是生产用地向生态用地转换的主要影响因素；土壤有机质与人均耕地面积的交互作用解释力最大，表明应注重人均耕地资源少的地区的优质耕地建设；土壤有机质含量低、人均耕地面积多、坡度6°～15°和年均降雨量低于400 mm 的地区容易发生生产用地向生态用地转变，今后应加强该区域的生产用地管护，或者作为退耕还林还草的优选区域。生态用地向生产用地转变的主要影响因素是坡度、年均降雨量和人均耕地面积；坡度与地貌类型的交互作用解释力最大，表明应注重2°～6°的缓坡区域的生态用地保护；在坡度2°～6°较缓区、年均降雨量大于400 mm、人均耕地面积少的地区容易发生生态用地向生产用地转变，应引起重视。