农牧交错带生态脆弱的原因（北方农牧交错带界线的变迁及其驱动力研究进展）

摘 要：在气候变化与人类活动的影响下, 北方农牧交错带界线不断变迁。定量辨识气候变化和人类活动对北方农牧交错带界线变迁的贡献程度, 是当今气候变化领域的热点问题。该文基于国内外相关研究, 概括了不同视角下北方农牧交错带的定义方法, 分析了气候变化与人类活动对北方农牧交错带界线变迁的驱动作用, 总结了定量分析驱动力贡献程度的方法及主要结果。同时指出目前研究还存在定义、数据、方法和解释方面的问题。针对以上问题, 提出了多要素综合定义、驱动力定量分析、高时空分辨率数据的收集以及深层次因果关系的解释等解决方法。该文可为敏感区域土地利用的合理规划和气候变化的减缓与适应措施的制定提供科学依据。

0 引言

中国北方农牧交错带地处温带季风气候与温带大陆性气候、干旱与湿润、东北平原与内蒙古高原、农业与牧业的复合过渡区, 是人类与气候相互作用最激烈的地区之一, 对全球变化较为敏感[1]。近几十年来, 在降水变率增加、温度上升等气候变化和超载放牧、过度开垦等人类活动的影响下, 北方农牧交错带的界线频繁改变, 界线变迁区的土地利用处于持续变化中, 给当地的生态环境和经济发展带来了不良影响, 使其成为中国生态问题最为严重的区域[2]。研究北方农牧交错带界线变迁的驱动力及其定量贡献, 对剖析气候变化影响下的敏感区域生态环境响应特征及指导区域土地利用政策具有重要的理论和现实意义。

温度是影响农牧生产的另一重要因素[22,34]。Ye等依据年均温大于1℃或≥0℃积温大于2 500~2 700℃, 降水大于350 mm的标准, 推断农牧交错带可能的耕地界线[34]。农牧交错带类型会因气候、地貌、植被等特征的不同而有差异, 选择的主导因子也应因地制宜。如余优森等将水分因子 (年均降水400 mm及其80%和20%保证率) 和温度因子 (≥0℃积温1 800℃及其80%和20%保证率) 分别作为划分甘肃省半干旱地区和高寒湿润地区农牧交错带的主导因子[35]。

除水分、温度外, 风力、土壤、海拔等也可作为辅助指标来定义北方农牧交错带[23,36]。李世奎等增加了全年日平均风速≥5 m/s的天数作为辅助指标[23]。这一定义同时考虑了旱作农业的稳定性和土地沙化的潜在动力, 并因地制宜地确定了指标的相应数值, 因此被广泛采用[37,38,39]。朱震达等认为除年降水量、降水变率和风力状况外, 北方农牧交错带还应符合地面沙物质厚度为80~170 cm这一条件[24]。陈全功等在气候要素的基础上增加了海拔来模拟北方农牧交错带的范围[40]。

气候要素具备空间连贯性和时间完整性, 可以打破行政区划限制。基于气候要素对北方农牧交错带进行定义, 可方便分析各种时空尺度上的界线变迁, 因此被许多学者采用。但是, 气候条件只是客观提供农牧业利用的可能和适宜度, 现实情况下农牧业是否按照气候提供的分布则不得而知[7]。基于气候要素定义的界线忽略了人类活动的影响, 对没有太多人类活动干预的地区而言直接且准确, 但对于复杂耦合的自然-人类生态系统不够全面。

Fig.1 Scope of farming-pastoral ecotone (FPE) based on different definitions

1.4基于土地利用要素的定义

基于土地利用要素的定义是指根据实际土地利用模式, 以农牧用地的数量比例与空间结构对北方农牧交错带的范围及界线进行界定[7,25,41], 又称为土地利用界线。吴传钧等定义北方农牧交错带内耕、林、草的面积之比为1∶0.5∶1.5[25] (表1, 图1e) 。Yu等将北方农牧交错带定义为农、牧业用地在网格内的比例均为≥10%且≤80%, 且林业用地比例≤10%[7]。Shi等认为北方农牧交错带为1 km2网格内耕地与草地的比例各≥15%的连片区域[8]。

基于土地利用方式的空间结构, 从现实应用的角度确定北方农牧交错带的范围较为合理, 地理信息系统和遥感技术的发展也为高时空分辨率土地利用信息的提取提供了技术支持。但是, 20世纪70年代及以前的土地利用空间分布的资料有限。而且, 土地利用决策的复杂性使得界线会随着经济、人口等一些社会因素发生频繁的改变, 不易捕捉。

1.5基于综合指标的定义

基于综合指标的定义是指根据气候、土地利用、景观、植被以及经济、行政区划等综合界定北方农牧交错带。大部分研究将气候与土地利用指标相结合, 如王静爱等根据湿润系数 (0.35~0.60) 和土地利用数量特征 (农业用地占15%~35%, 牧业用地占35%~75%) , 确定了内蒙古农牧交错带的分布范围[10] (表1, 图1f) 。随后, 又在年降水量 (250~500 mm) 和降水变率 (25%~50%) 基础上, 结合土地利用结构, 划定了北方农牧交错带的范围[32]。Liu等[4]以年降水量400 mm等值线为中心, 结合耕地密度 (10%~40%) 和草地密度 (25%~70%) 界定了北方农牧交错带范围。也有研究考虑了经济和行政区划因素。例如, Gao等[42]认为除土地类型比例、降水和干旱指数外, 北方农牧交错带的种植业需占农业经济的60%以上。Ping等和Zhang等分别根据居民生计方式和行政区划中的旗-县界线来定义北方农牧交错带[26,27]。

选择综合指标对北方农牧交错带的范围进行定义, 符合北方农牧交错带的形成原理与变迁规律。但是, 在指标选取之前需进行相关关系检验, 以免联系紧密的指标同时进行定义。除此之外, 各指标定义时的数量范围还需在调查基础上进行详细的讨论研究。

2 北方农牧交错带界线变迁的驱动力

由于生态系统交错分布的独特性和生态环境的脆弱性, 北方农牧交错带界线变迁的驱动力较为复杂。目前的研究认为气候变化和人类活动是导致北方农牧交错带界线变迁的主要原因, 但对两者之间相对作用的定量研究还较为缺乏。

2.1 气候变化

2.1.1 历史时期气候变化对北方农牧交错带界线的影响

在生产力低下的历史时期, 气候变化经常左右着北方农牧交错带的迁移[43] (表2, 图2a) 。学者们基于代用证据复原北方农牧交错带的范围[13], 采用回归校准、多项式拟合等方法重建历史时期气候变化, 采用小波分析、多窗谱分析等识别冷暖期与降水周期, 通过气候长期变化重建结果与北方农牧交错带范围变化的对比和相关分析, 研究两者的互动关系[6]。

气候寒暖变化会造成历史时期北方农牧交错带的推移[3], 温暖时期界线北移, 反之亦然。秦汉以来七个时期北方农牧交错带界线的偏北程度与同期中东部地区温暖程度的变化幅度与速率一致[6]。9-13世纪的中世纪暖期, 农耕区向北扩展至现今蒙古境内的漠北地区[6]。15世纪初, 北部气候转寒致农耕区北界内徙至长城以内;18世纪气候转暖, 北方农牧交错带东段显著向北推移[3]。

气候干湿波动也与北方农牧交错带农牧业兴衰息息相关。干燥期牧业扩张, 界线南移;湿润期农业扩张, 界线北推[44,45]。若降水较多年平均降水量减少100 mm, 北方农区北界将向东南退缩100 km以上[44]。全新世湿润期, 北方农牧交错带西界较20世纪90年代西移90 km左右, 干燥期东移180 km左右[45]。

许多学者将水热条件综合起来考虑气候变化对北方农牧交错带波动的影响[46,47]。张兰生等、杨志荣等基于内陆封闭湖泊孢粉与残留动植物的分析, 发现全新世暖湿期对应农业文化, 暖期结束时农业向牧业转换, 冷干期对应农牧交错文化[46,47]。自公元前1500年至公元前4世纪, 气候冷干化导致北方农牧交错带向南移动了2~5个纬度[48]。历史上春秋战国、汉、晋、唐、辽金、清代中叶及现代等时期气候暖湿, 农业文化兴盛, 农业北界北扩[49]。

以上多数研究能够给出历史时期气候变化的基本特征与界线迁移方向的对应关系, 即暖湿期界线北移, 冷干期界线南扩;部分研究也给出了界线推移的定量范围。但对气候变化的描述还停留在冷暖干湿特征上, 没有给出具体温度水分变化与界线推移范围的定量因果关系。

2.1.2 20世纪以来及未来气候变化对北方农牧交错带界线的影响

北方农牧交错带界线随气候的冷暖干湿发生进退交替的现象一直延续至今。1950-1990年, 30%的年份北方农牧交错带界线出现整体摆动, 20%的年份出现东西相异摆动[15]。

关于20世纪以来北方农牧交错带界线的波动, 大部分学者认为降水变化是主要原因[20,38,39]。1961-2000年, 干旱年界线东南移, 极端干旱年份, 北界 (200 mm等降水量线) 正好与多年平均状态下的南界 (400 mm等降水量线) 相吻合, 多雨年向西北移动[21]。Liu等和杨建平等发现1961—2005年, 区域干旱化导致气候界线整体上向东、南、东南方向变迁[4,50]。不同区域变迁范围有所差异, 东北段气候界线向东移动, 其东南界和西北界移动的最大距离分别为259.7 km和220.5 km;华北段与西北段界线均向东南移动, 其东南界、西北界移动的最大距离分别为126.5 km、96.4 km和118.9 km、98.1 km[4,42]。以上研究发现, 随着近几十年降水量的减少, 北方农牧交错带的气候界线整体向东南移动较为明显[4,41,42] (图2b) 。

也有学者同时考虑气温和降水对北方农牧交错带界线的影响。Ye等分别以温度和降水作为南北与东西界线的限制, 发现相对于1951-2008年而言, 20世纪早期的冷期东北地区耕地北界平均南移75 km, 1990 s的温暖期平均北移100 km。西界和东界干旱期向东北迁移了250和125 km, 湿润期西界和东界分别向西南迁移了125和200 km[34]。

未来气候变化对北方农牧交错带格局的影响, 多基于气候界线的定义, 根据未来气候变化情景进行预测[45,51,52]。周廷儒等预测未来百年内相对湿润期北方农牧交错带西界在丘陵区和沙区较20世纪90年代分别西移35和80 km, 相对干燥期则相应分别东移45 km和80 km[45]。以1961-1995年的气候条件为基准, 温度增加2℃、降水不变的情况下, 北方农牧交错带将向东南移, 移动最大处可达200 km[52];降水增加10%时, 北方农牧交错带的位置基本上与现在一致[52] (图2c) 。

20世纪以来及未来时期气候变化对北方农牧交错带界线的驱动作用大都以气候界线为基础。由于两者本身存在的原生因果关系, 基于气候界线分析气候变化的驱动作用, 严格来说是不科学的。因此, 北方农牧交错带界线波动的气候驱动作用的研究还需借助土地利用界线。

Fig.2 Boundary shift of farming-pastoral ecotone

2.2人类活动

处于生态环境过渡带的北方农牧交错带, 对人类干扰 (政策、人口、经济以及宗教等) 也十分敏感[53] (表2) 。

秦和西汉的“戍边屯垦和移民富边”, 唐代的“屯田戍边”, 东汉、晋、五代、宋辽、西夏时期游牧民族的南下, 明、清朝大规模地兴修长城, “军屯”“民屯”的实施, 清朝康熙、咸丰年间的“边禁”及“关禁”以及清末明初直到新中国成立时的垦荒政策, 是影响北方农牧交错带格局的主要驱动因子[30]。在政策和移民的驱动下, 1916—2000年北方农牧交错带东北段耕地界线持续向西北方向移动。1916—1940年, 东北地区耕地界线质心分别向西、向北移动了15′44″和58′49″[5,54]。

人口增加造成了人类对更多耕地资源的需求, 促使了垦殖政策的实施, 影响着北方农牧交错带界线的变迁。以东北三省为例, 1851—1949年, 人口由312.5万人增加至3 664.8万人, 增加了10.72倍;与此同时, 耕地由1851年的12.12 km2增加至1949年的144.29 km2, 扩张了10.91倍[55]。近100年, 东北耕地的垦殖率由约10%增至20%以上[56]。1949-2000年, 东北三省的人口达到了1 0655万人[57], 增加了1.91倍。1940—1980年, 耕地界线质心分别向西、北移动了56′4″和3′40″;1980—2000年, 耕地界线质心分别向西、北移动了48′15″和16′53″[5]。1986—2000年, 农牧交错带东北段东南界、西北界均向西变迁, 两者变迁的最大距离分别为78.8和206.5 km[4];至2008年, 东北三省人口增至10874万人[58], 由于人口增长的压力, 1975—2008年大兴安岭东南缘的农牧交错带被持续向西向南扩张的农业所侵占, 移向更加干旱的地方[7]。

除人口外, 经济发展水平、土地开发强度、宗教传播以及饮食结构的变化也会影响农牧交错带的变迁[27]。由于经济水平和土地开发强度较高, 华北段界线变迁明显大于西北段。华北段西北界北移最大距离为93.7 km, 东南界显著向西北方向移动, 最大距离为144.3 km[4,42]。18世纪中叶开始, 天主教传教士把当地居民转化为教徒的同时还提供土地、房屋和农具的出租。到1952年, 天主教促使农业活动越过长城进入牧区, 察哈尔地区农牧交错带界线也因此向北向西移动[27]。1991年之后, 阿尔巴尼亚南部地区城市居民饮食结构发生变化, 肉、奶需求量增加, 导致该区农牧交错带牧业扩张[59]。

2.3气候变化与人类活动的综合作用

北方农牧交错带界线是过去几千年劳动人民根据气候、土壤等自然因素, 同时受到政治、军事、民族习惯等人为活动影响而形成的界线 (表2) , 气候变化和人类活动共同促进了北方农牧交错带空间格局的形成与变化[5,10,60]。近300年来, 北方农牧交错带出现两次明显北移过程, 乾隆年间北移近100 km, 清末“移民实边”东段和西段分别北移了300和50 km, 自然、区位、战争、政策和人口是驱动北方农牧交错带从明长城向西向北推进的主要动力[3,14]。曾早早等对过去300年吉林土地开垦界线的研究也得出相似结论[60]。

一种观点认为, 全新世暖期结束的气候变化事件是北方农牧交错带形成的主要原因[4,49]。气候变化提供着作物耕作的客观范围, 人类活动在气候因素基础上对此地带的形成和分布格局起着加速作用。亚洲季风在中国大陆的进退、停留时间、范围和强度时空上的波动造成降水的波动, 诱发了人们垦殖的侥幸心理, 再加上鼓励垦殖的政策造成北方农牧交错带垦殖界线向西北扩张[61]。人类通过调整自己的行为来减缓气候变化带来的不利影响, 尤其是极端气候事件发生后的政策与移民的响应, 对东北农牧交错带的界线有着不可忽视的贡献[11,62,63]。Ye等发现东北地区移民开垦的七次高峰对应着华北地区气候灾害的发生, 而每一次土地和移民政策的变化则是东北地区对极端气候事件的响应[63]。

另一种观点认为, 历史时期北方农牧交错带的形成是各民族势力消长导致的农耕文化与畜牧文化空间上推移和交融的结果[30], 人类活动比气候变化的作用更大[37,50]。程序认为北方农牧交错带的形成是在自然条件不宜农耕的基础上, 因人为活动干扰而形成的社会-生态-经济系统, 人文因素是其主要原因[37]。杨建平等通过分析近五十年亚洲季风与北方农牧交错带界线关系得出类似结论[50]。需要指出的是, 人类活动对界线变迁的影响取决于当时所处的社会、经济、政策和地区生态环境脆弱程度等综合影响的人类适应能力[43,48]。随着科技的进步, 气候变化对北方农牧交错带的影响日趋减小。例如明清时期“小冰期”的寒冷气候下, 北方农牧交错带并未出现明显南退[6]。气候变化对坦桑尼亚中北部农牧交错带的影响研究也证实了这一观点, 当地农户的适应能力直接影响着农牧交错带界线的稳定性[64]。

世界上其他农牧交错带也是气候变化与人类活动共同作用的结果。例如, 基于孢粉记录推断, 俄罗斯泰梅尔半岛农牧交错带的形成受到农业活动、海侵和气候变化的共同影响[65]。随着环境、社会经济和政策的变化, 许多农牧交错带都出现了牧业系统的收缩, 其主要原因有干旱、城市化、自然资源的退化、农业技术的发展以及接近市场与服务的欲望[66,67,68]。例如, 过去三十年, 干旱、野火以及土地覆被变化 (由于棉花种植导致的农业扩张) 导致西非马里农牧交错带北部地区多年生草本植物被毁, 牧业活动南移[66]。基于多阶段采样技术对埃塞俄比亚南部博洛南农牧交错带的农户进行问卷调查, 发现, 在降水少、病虫害增加、市场可达性差和投入资本缺乏的情况下, 当地牧民为了提高生计水平, 转换为农业经营的意愿非常强烈[67]。埃塞俄比亚东部农牧交错带的问卷调查也有同样结论, 干旱和土地使用权的变更是造成农牧界线变迁的主要原因[68]。

许多学者能够认识到北方农牧交错带土地利用界线的波动是气候变化和人类活动共同驱动的结果, 但关于两者相对作用的大小多从定性角度进行分析, 较少定量区分气候变化和人类活动对北方农牧交错带界线变迁的贡献程度。

表2 北方农牧交错带界线变迁驱动力Table 2 Driving forces of boundary shift of farming-pastoral ecotone in northern China

2.4 气候变化与人类活动的定量贡献

为解决以上问题, 学者们试图定量识别气候变化和人类活动对北方农牧交错带界线变迁的贡献。

2.4.1 研究方法

常用的方法有相关分析、回归分析、格兰杰因果检验、小波分析、方差分解及冗余分析等[8,9,16]。如Shi等通过垂直和水平方向变动探测方法 (FishNet) 和界线变迁方向变动探测方法 (digital shoreline analysis system, DSAS) 对土地利用界线和气候界线进行探测, 基于两者的相关分析, 分别从垂直、水平和界线变迁方向对气候贡献率进行计算[8,69]。相关分析与回归分析操作性强, 易于理解, 其结果表征二者之间的依存关系, 但并不一定表示两者之间必然的因果关系。为克服以上局限性, 有人选择格兰杰检验和小波分析来分析气候变化与人类活动对农牧交错带界线变迁的贡献率。例如Zhang等基于格兰杰因果检验及小波分析发现, 历史时期北方农牧交错带界线变迁与降水波动和人类活动关系密切[16]。格兰杰因果检验与小波分析能够证实气候变化和人类活动与界线变迁的因果关系, 但对贡献程度的计算具有一定的限制性。方差分解和冗余分析能够给出各因素对某对象影响的贡献程度, 可以用做气候变化与人类活动对农牧交错带界线变迁的贡献率的量化。Li等使用方差分解和冗余分析, 定量分析历史时期气候变化驱动北方农牧交错带变化的相对作用[9]。

就目前的研究方法而言, 多集中于统计分析, 该类方法操作简单, 数据易获取, 但是, 在北方农牧交错带界线对气候变化和人类活动的响应机理的理解方面, 还缺乏理论的全面支撑。

2.4.2 研究结果

关于气候变化与人类活动对北方农牧交错带的贡献程度。有研究认为自然因素的贡献率超过了人类活动, 如Yang等[70]以土地利用的变化轨迹中是否有因人类干扰而发生变化的区域作为区分自然和人类活动因素的指标, 从空间上识别出1954—2007年东北农牧交错带镇赉县的土地变化中自然因素的贡献率 (37.28%) 超过了人类活动的贡献率 (26.89%) 。

也有研究认为, 气候变化与人类活动的相对贡献率的大小随时间、位置、方向的不同而有所差异, 例如, Shi等在1 km2尺度上从多阶段、多区域、多方向上定量区分了气候变化对不同区域农牧交错带界线变迁的相对作用, 发现1970s—2010年, 气候贡献率最大的地区集中在大兴安岭东南缘以及内蒙古高原东南缘的西北段, 在水平方向和垂直方向上分别达10.7%~44.4%和4.7%~55.9%;在界线变迁方向上为1.1%~16.8%[8]。过去2300年, 北方农牧交错带界线变迁在几百年尺度上受长期降水波动影响, 短期尺度上与人类活动有关[16]。以上研究将气候变化与人类活动作为一个整体来考虑, 并未进一步区分气候变化或人类活动各具体要素的贡献率。Li等[9]认为, 在过去2200年里, 降水对驱动北方农牧交错带界线变迁、游牧民族南下、沙尘暴天气等17个历史现象的作用 (67.4%) 大于温度的驱动作用 (32.5%) 。但是关于人类活动对界线变迁的贡献率, 只能通过气候变化贡献率间接推测, 未做明确的量化分析。另外研究将总体宏观尺度的农业生态、地理政治以及生态移动等17个指标作为一个整体来考虑, 没有单独区分气候变化对北方农牧交错带界线变迁这一单独结果的贡献。

关于气候变化与人类活动对北方农牧交错带界线变迁的贡献程度的衡量, 应当在分别分析气候变化和人类活动的整体作用之后, 再具体考虑气候变化或人类活动各具体要素的具体贡献, 以识别驱动界线变迁的主要因子。但是目前还缺乏驱动力的整体与部分的递进研究。

3 北方农牧交错带界线变迁研究存在问题

3.1 定义不统一

自从赵松乔先生提出北方农牧交错带以来, 历时60余年, 不同背景的学者基于不同用途给出北方农牧交错带的定义, 使用的指标大致包括代用证据、野外调查、气候、土地利用、植被、生计方式等方面。由于定义视角、指标选择、指标标准的差别, 关于北方农牧交错带的定义并不统一。除此之外, 基于多要素的北方农牧交错带综合定义的研究还十分有限。在进行北方农牧交错带定义时, 应当选择哪些指标, 如何区分主要指标与辅助指标, 各指标的相对权重如何, 都是值得思考的具体问题。作为量化气候变化和人类活动对北方农牧交错带界线变迁的贡献程度的基础, 准确、合理且综合的定义亟待解决。

3.2 方法问题

北方农牧交错带是中国北方一条重要的生态脆弱和敏感带, 其变迁同时受到气候变化和人类活动的影响。但是, 目前关于北方农牧交错带变迁的驱动力分析中, 以定性研究为主, 有限的定量化研究集中在气候变化对界线变迁的贡献上, 方法停留在相关分析、回归分析等统计阶段, 统计分析简便易行, 可操作性强, 但是研究基于驱动力-界线变迁关系的各种简化假设, 关于界线变迁对驱动力响应机理的理解不够全面透彻, 很难判断驱动力与界线变迁之间的必然因果关系。格兰杰检验与小波分析能够进一步证明两者之间的统计学意义上的因果关系, 但不能判断两者之间的内在机制, 而且对贡献率的定量化不够有说服力。另外, 目前研究对不同时期不同区域气候变化的具体要素 (气温、降水等) 、人类活动的具体要素 (社会、经济、人口等) 以及气候变化和人类活动整体的影响差异还不能定量区分, 因此, 为因地制宜地采取气候变化应对措施的支持有限。

3.3 数据问题

尽管中国拥有丰富的历史文献记载和自然证据 (树轮、冰芯、湖芯、石笋和珊瑚样本等) , 可以实现历史时期气候变化重建和北方农牧交错带界线的提取。但是, 与观测数据相比, 代用数据分布零散、缺乏系统性和时间连续性, 只能大致反演历史时期气候变化, 依据代用证据勾勒的北方农牧交错带的界线变迁粗糙且不连续, 这些都限制着历史时期气候变化和人类活动对北方农牧交错带界线变迁的贡献程度的定量化发展。对近现代而言, 人口、经济、城市化等人类活动要素大都基于行政单元, 其时空分辨率难与自然要素一致。除此之外, 政策、技术、文化等人类活动要素的指标选取及其空间展示具有一定的局限性[9], 也影响了人类活动对北方农牧交错带界线变迁的相对作用的定量辨识。

3.4 机制解释欠全面

土地利用是一个非常复杂的决策行为, 不同时空尺度上气候变化和人类活动对土地利用的贡献程度不同, 同样的驱动力在不同地区、不同时期的驱动作用也会不同, 尤其在气候频繁多变、生态脆弱、经济不够发达的北方农牧交错带地区。目前关于驱动力-界线变迁的因果机制的研究, 大都集中在时间尺度, 对于空间尺度和参与者尺度的分析还比较欠缺, 而且缺乏不同尺度上驱动力的差异分析。从大时空尺度而言, 气候控制着农作物与牧草的生长范围;从小时空尺度而言, 北方农牧交错带的土地利用决策因时、因地、因人而异, 目前研究对气候变化-界线变迁的因果机制, 通过分析作物和牧草的生长来实现;但是对人类活动-界线变迁的因果机制解释不够全面, 既没有数据定量显示, 也没有合适案例说明。因此, 关于气候变化和人类活动与界线变迁的因果关系还需深入研究。

4 研究展望

1) 多要素的综合定义

北方农牧交错带展示出从自然到人类活动的过渡特征, 是气候、土壤、海拔等自然因素空间过渡和社会、经济、人口等人类活动空间响应的综合体现。因此, 北方农牧交错带的定义应当在综合考虑自然因素与人类活动影响的基础上, 因地制宜地选择合适变量, 结合地理信息系统、遥感、模型模拟等方法, 根据变量在时空尺度上呈现的结构、数量与空间梯度, 确定北方农牧交错带的合理范围。

严格而言, 北方农牧交错带的界线并非一条将农、牧业截然分开的线, 而是具有一定宽度的过渡带, 因此北方农牧交错带界线划分可以将缓冲区的概念纳入考虑。在充分考虑了理论基础后, 界线划分时尽量让机器遵循数据驱动规则, 避免人为主观判断的影响。

2) 驱动力研究的定量化

为全面了解北方农牧交错带界线波动的机制, 应进行北方农牧交错带界线变迁驱动力的定量分析, 探究农牧用地变化的内在机理[8,16]。以气候变化和人类活动对北方农牧交错带界线驱动的因果关系为理论基础, 借鉴差值比较法的思路[53], 采用模型分析, 结合当地植被生长参数, 以农业气候资源能够满足农牧用地的潜在分布为依据, 模拟不考虑人类活动影响, 只考虑气候变化的北方农牧交错带的潜在适宜界线, 以其变迁表征表示气候变化对北方农牧交错带界线变迁的贡献率, 潜在适宜界线与实际界线波动的方向与强度的差别则代表着人类活动对界线变迁的贡献率。在得出气候变化与人类活动对北方农牧交错带界线变迁的整体贡献程度的基础上, 结合格兰杰检验, 确定气候变化与人类活动各具体要素与界线变迁因果关系, 从机理驱动过程出发, 借助机理模型分析与统计模型分析相结合, 进一步探讨各具体要素的贡献率。

3) 高时空分辨率数据的搜集

继续补充历史时期代用证据, 完善数值模拟、校准与验证的方法, 提高数据的时空分辨率, 为气候变化和人类活动的驱动作用的定量化提供支持。对北方农牧交错带界线波动的近现代过程而言, 收集多源数据, 诸如遥感、统计、问卷调查和地块试验数据等, 尤其注意补充一手数据, 以方便分析农牧业转变与生物-地理-自然属性、农户经济特征的关系, 从不同角度理解人类活动对土地利用的过程。除此之外, 继续完善人类活动数据空间化的合理方法。

4) 深层次的因果关系解释

气候-人类-土地利用之间的相互作用具备复杂的非线性响应特征, 气候变化与人类活动对北方农牧交错带界线变迁的驱动, 是对这一复杂过程的表象体现。定性描述对应现象的互动关系虽对适应气候变化、恢复生态平衡有一定的启示作用, 但不能展现驱动力与结果之间的黑箱或灰箱内容, 尚不足从机制的角度为人类调整自身行为提供借鉴[12]。深层次的因果关系的解释需要建立在深入了解驱动力-界线变迁因果理论的基础上, 剖析不同时期、不同区域的合适案例, 调查和分析利益相关者 (政策制定者、土地利用决策者等) 个体与群体对气候变化、社会、经济、技术等因素影响的认知和响应, 结合其心理过程, 深入解释气候变化和人类活动对界线变迁的相互作用过程, 而不是单纯地就模型或统计的结果给出脱离实际地理意义的片面解释。

5 结 论

中国北方农牧交错带处于多要素复合过渡区, 气候变化与人类活动共同驱动着其界线的变迁。基于国内外相关研究, 总结了不同视角下北方农牧交错带的定义方法, 主要基于代用证据、野外调查、气候要素、土地利用要素和综合指标。就北方农牧交错带界线变迁的驱动力而言, 气温、降水是导致北方农牧交错带界线变迁的主要气候变化要素, 表现为暖湿期界线北移, 冷干期界线南扩;政策、人口、经济、宗教、饮食结构等是影响北方农牧交错带界线变迁的主要人类活动要素。气候变化与人类活动对界线变迁的定量贡献的研究方法主要有相关分析、回归分析、格兰杰因果检验、小波分析、方差分解及冗余分析等。目前研究还存在定义不统一、方法、数据以及机制解释欠全面等问题。未来还需从多要素的综合定义, 驱动力研究的定量化, 高时空分辨率数据的搜集以及深层次的因果关系解释等方面进行研究。

作者：石晓丽 史文娇

来源：农业工程学报2018年20期

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