北方農(nóng)牧交錯帶生態(tài)空間潛力研究
——以神池縣為例

李茹夢，王曉軍，張 鸞，王亞文

（1.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西太原030006；2.山西大學(xué)黃土高原研究所，山西太原030006）

北方農(nóng)牧交錯帶生態(tài)空間潛力研究
——以神池縣為例

李茹夢1，王曉軍1，張 鸞2，王亞文2

（1.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西太原030006；2.山西大學(xué)黃土高原研究所，山西太原030006）

北方農(nóng)牧交錯帶生態(tài)環(huán)境脆弱，由人類活動造成的土地利用結(jié)構(gòu)不合理、生態(tài)空間不足等問題日益突出。基于景觀生態(tài)學(xué)原理，以山西省神池縣為例，分析該地的土地利用狀況，從宏觀尺度對其開展生態(tài)空間潛力研究。結(jié)果表明，從歷史和現(xiàn)實條件看，神池縣未來的生態(tài)發(fā)展應(yīng)建立以森林為主的生態(tài)系統(tǒng)；從景觀生態(tài)現(xiàn)狀分析，該地區(qū)主要土地利用景觀類型為耕地、林地（人工林和天然林）、草地，而耕地分布廣泛且效益低下、林地數(shù)量少且質(zhì)量低劣、草地生態(tài)服務(wù)功能差等問題限制了生態(tài)發(fā)展空間，據(jù)生態(tài)空間潛力計算，約有13.66%的低效草地、4.99%的撂荒耕地以及0.13%的其他未被利用土地可為恢復(fù)森林生態(tài)系統(tǒng)留出空間，未來林地用地面積可達總面積的42.70%，生態(tài)空間潛力巨大?；跐摿Ψ治鼋Y(jié)果，文章提出了實現(xiàn)恢復(fù)森林生態(tài)系統(tǒng)目標(biāo)的途徑與階段，以期為北方農(nóng)牧交錯帶偏農(nóng)區(qū)的土地規(guī)劃和生態(tài)發(fā)展提供指導(dǎo)性意見。

北方農(nóng)牧交錯帶；生態(tài)空間潛力；土地利用；案例研究

山西省神池縣是北方農(nóng)牧交錯帶偏農(nóng)區(qū)的典型區(qū)域[9]，目前面臨農(nóng)耕、放牧和資源過度開發(fā)等生態(tài)壓力，同時作為國家級限制開發(fā)的重點生態(tài)試點示范縣，生態(tài)建設(shè)成為該地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的核心。本試驗以神池縣為研究區(qū)，從宏觀尺度進行生態(tài)空間潛力研究，旨在探索今后適宜神池縣的土地利用景觀格局與生態(tài)發(fā)展途徑，為北方農(nóng)牧交錯帶偏農(nóng)區(qū)的經(jīng)濟、社會、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展提供借鑒。

1 歷史與現(xiàn)實條件下的生態(tài)定位

北方農(nóng)牧交錯帶地域廣闊，各地歷史和現(xiàn)實條件極其不同。從現(xiàn)實條件看，北方農(nóng)牧交錯帶南側(cè)被定位為暖溫帶落葉闊葉林地帶與溫帶荒漠草原之間過渡的溫帶草原亞地帶，自然植被稀少，天然林木破壞殆盡[10]。雖然近10多年神池縣進行了大規(guī)模的生態(tài)建設(shè)，如退耕還林、京津風(fēng)沙源治理工程等[11]，使得人工林有一定數(shù)量的增加，但以純林為主，質(zhì)量低劣。同時，在空間上，為了經(jīng)濟發(fā)展，開發(fā)宜林地為可耕地，盲目地擴大耕地和草地規(guī)模，林地發(fā)展空間不斷縮小，造成農(nóng)—林—牧間發(fā)展不協(xié)調(diào)，使社會、經(jīng)濟和生態(tài)系統(tǒng)之間沖突越來越大。

從歷史條件看，該區(qū)自新石器時代一直到先秦的數(shù)千年中，極少數(shù)人口在本地活動，也基本不深入到山區(qū)，該地在那時是一片茫茫林海[12]。從秦漢開始，隨著該地人口逐漸增加，人為干擾增多，森林面積不斷減少，其從北朝末年的80%左右，在遼金時期迅速降到40%左右，尤其是明朝高強度的軍事活動，長城沿線連年大量燒荒，對森林破壞嚴重；到清朝后期，森林覆蓋率低于10%[13]；據(jù)1975年森林資源清查，新中國成立后神池縣天然林只有163hm2，森林覆蓋率不足3%[14]。雖然北方農(nóng)牧交錯帶歷史成因以氣候條件對土地利用方式的制約性為基礎(chǔ)，疊加了人為因素影響[15]，但從神池縣生態(tài)史看，這里的生態(tài)退化，自然氣候因素可忽略不計[16]，而人類對森林無節(jié)制的破壞，引起生境的退化，森林環(huán)境喪失，氣候條件也發(fā)生改變，是造成生態(tài)嚴重破壞的根本原因。

從現(xiàn)實和歷史的視角分析，人類對森林的砍伐與清理極大地改變了歷史時期與全球范圍的植被[17]，導(dǎo)致現(xiàn)實生態(tài)環(huán)境退化；而一些人往往習(xí)慣按現(xiàn)實的自然景觀和資源稟賦推斷今后生態(tài)建設(shè)的目標(biāo)，易將草地作為生態(tài)發(fā)展的定位[18]，忽略該區(qū)域歷史上是茂密森林地帶的史實，簡單地認為該地區(qū)的恢復(fù)目標(biāo)為草原是不合理的。并且已有學(xué)者對北方農(nóng)牧交錯帶未來的土地利用進行了預(yù)測，通過模型模擬得出，在生態(tài)經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)發(fā)展情境下，未來的草地面積應(yīng)減少最多[19]，同時按照林地比例升高的趨勢，利于未來北方農(nóng)牧交錯帶土地利用格局的穩(wěn)定[20]。因此，本研究認為，該地區(qū)的生態(tài)發(fā)展只能是森林而非草地，未來的生態(tài)定位應(yīng)是建立以森林為主體的生態(tài)系統(tǒng)，與社會和經(jīng)濟系統(tǒng)相互耦合[21]，才能實現(xiàn)區(qū)域的生態(tài)文明和可持續(xù)發(fā)展。

2 研究區(qū)域與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

北方農(nóng)牧交錯帶位于我國內(nèi)蒙古高原東南部及黃土高原北部，是農(nóng)區(qū)和牧區(qū)的過渡帶[22]。神池縣位于其南側(cè)（圖1），地處山西北部長城以內(nèi)，屬于偏農(nóng)區(qū)，地貌以黃土丘陵為主。東、南與北部為土石山區(qū)，中部為小型山間盆地，大部分地區(qū)海拔在1 300～1 600 m，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫4.7℃，年均降水量487 mm，有“十年九旱，風(fēng)大沙多”的說法。植被類型為溫帶森林草原地帶[23]。

2.2 研究方法

本研究借助ArcGIS和Erdas Imagine軟件，首先，通過非監(jiān)督分類和目視解譯進行遙感影像解譯，獲得土地利用數(shù)據(jù)，包括耕地、林地、草地、居民交通用地、工礦用地、水域、鹽堿地和裸地共8類；其次，在土地利用數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合1 m精度的森林起源數(shù)據(jù)進行人工林與天然林分布區(qū)域認定和疊加，形成包含9種地類的神池縣土地利用空間分布現(xiàn)狀圖，并以景觀生態(tài)學(xué)基本原理為指導(dǎo)，從宏觀上進行景觀生態(tài)現(xiàn)狀分析，同時指出主要問題；最后，基于建立以森林生態(tài)系統(tǒng)為主體的生態(tài)定位，結(jié)合實地調(diào)查，劃定效益極低的耕地、草地等土地類型進行生態(tài)空間潛力計算，并收集神池縣相關(guān)行政圖、交通圖、水系圖等，形成未來神池縣生態(tài)空間格局。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀生態(tài)現(xiàn)狀

從土地利用空間分布現(xiàn)狀圖來看，神池縣主要土地利用景觀類型為耕地、林地（人工林和天然林）、草地，其占研究區(qū)總面積的98%；居民交通用地占1.62%；其他用地類型面積不足1%（表1）。耕地分布最廣泛，是土地利用景觀的基質(zhì)，該縣人均耕地面積為0.77 hm2。林地作為土地利用景觀的主要斑塊，分布分散，其中，人工林分布較為分散，主要分布在山區(qū)；天然林僅占總面積的4.00%，分布范圍較小，主要分布在縣域南部管涔山。草地占總面積的17.72%，但斑塊均較小，呈零星分散狀態(tài)，主要夾雜分布在耕地和林地斑塊中。居民交通用地，除神池縣城斑塊較大外，其他居民地以小斑塊散布（圖2）?？梢钥闯觯癯乜h各土地利用景觀類型呈隨機型分布，尤其是大量草地零散分布，使景觀破碎度[24]增加。高度破碎化土地利用景觀格局，導(dǎo)致難以實現(xiàn)土地的規(guī)模利用，呈現(xiàn)土地利用結(jié)構(gòu)不合理的現(xiàn)狀，同時，高度碎化的景觀格局是對生物多樣性的最大威脅[25]，進而使整個生態(tài)系統(tǒng)受到影響。

表1 各土地利用類型生態(tài)空間潛力分析

3.2 問題分析

3.2.1 耕地效益低下 該地區(qū)自然條件先天不足，適宜生長的農(nóng)作物比較少且生長期短[26]，主要有莜麥、馬鈴薯、豆類、谷子、糜黍等，不是山西省糧食主產(chǎn)區(qū)；再加上土地宜農(nóng)宜牧的特點，撂荒式耕作粗放經(jīng)營，且冬天土地完全裸露[27]，土地生產(chǎn)力水平低下，生產(chǎn)潛力急劇下降。近幾年，神池縣盲目開發(fā)宜林草地為可耕地，盲目地擴大種植業(yè)規(guī)模，1984—2004年間，全縣耕地面積增加近6萬hm2，耕地面積盲目擴大，卻廣種薄收，限制了林地的發(fā)展空間。

3.2.2 林地數(shù)量少且質(zhì)量低劣 2009年神池縣森林調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，林地面積僅約為356 km2，人工林分布分散，不僅起不到林地的景觀生態(tài)功能，反而增加了土地利用景觀的破碎度，且樹種較單一，純林面積比例大，以油松、樟子松、落葉松為主，抗干擾能力低，難以與周邊環(huán)境連接演替為自我更新的生態(tài)系統(tǒng)。同時，天然林面積嚴重不足，大部分為建立國營林場后恢復(fù)的天然次生林地，主要為云杉等針葉樹種，受人類活動干擾較大。

3.2.3 草地生態(tài)服務(wù)功能差 與晉北其他縣的情況類似，近20 a來，農(nóng)民為增加收入，神池縣大牲畜以及羊的數(shù)量在迅速增加，遠遠超過了其土地承載力。據(jù)統(tǒng)計，神池縣羊存欄量從1985年的4.03萬只猛增到2015年的65.38萬只，且?guī)缀跞珵樽杂煞拍?；因過度放牧，造成草地嚴重超載，無序利用，集體的公共草地空間供養(yǎng)著大量的私人羊群，導(dǎo)致大面積草地生態(tài)服務(wù)價值不高，喬、灌等植物難以自然恢復(fù)[28]，對生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)產(chǎn)生了一定的影響和破壞。

3.3 生態(tài)空間潛力分析

3.3.1 可能存在的生態(tài)發(fā)展空間分析 基于上文分析可知，神池縣亟待調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)、擴展生態(tài)空間，尤其是低效耕地和草地的生態(tài)化，從而優(yōu)化土地利用景觀格局。本研究在土地利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合2016年以來對神池縣開展的生態(tài)調(diào)查，劃定出效益極低、利用不合理的耕地和草地以及其他未利用土地（鹽堿地和裸地）作為可能存在的生態(tài)發(fā)展空間，并計算相應(yīng)的生態(tài)空間潛力（表1）。

由表1可知，約有4.99%的撂荒耕地、13.66%的低效草地以及0.13%的未利用土地可為生態(tài)發(fā)展提供空間。同時，考慮到未來神池縣經(jīng)濟社會發(fā)展需求，少量空間（約0.73%）發(fā)展為居民交通用地、工礦用地和水域，其余大量空間均發(fā)展為林地。結(jié)果表明，在1 444 km2左右的國土總面積中，未來林業(yè)用地面積可達總面積的42.70%，生態(tài)發(fā)展空間潛力巨大。其中，草地面積減少最多，其次為耕地，它們是主要生態(tài)空間潛力來源。

3.3.2 生態(tài)空間潛力發(fā)展途徑 神池縣擁有巨大的生態(tài)空間潛力，當(dāng)前不合理的土地利用空間結(jié)構(gòu)，可以通過調(diào)整，使得在未來大面積低效草地、耕地以及鹽堿地和裸地逐漸轉(zhuǎn)向其他用地類型，尤其是人工林和天然林空間的擴大。為最優(yōu)地利用這些生態(tài)空間，本研究提出如下發(fā)展途徑。通過以下途徑，擴大人工林和天然林的面積與規(guī)模，并豐富植被類型，促使形成集中較大的林地斑塊，有助于擴大林地的景觀生態(tài)功能。生態(tài)廊道、農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)以及生態(tài)跳板的建立不僅起到保護斑塊內(nèi)部的作用，同時加強連通性，還能夠促使逐漸形成穩(wěn)定的土地利用景觀格局，建立高效的景觀生態(tài)系統(tǒng)（圖 3）。

3.3.2.1 擴大和提升森林發(fā)展空間 森林沒有發(fā)展的空間和時間，森林生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)便無從談起。因此，首先，要保護現(xiàn)有天然次生林，對一些已形成的森林生態(tài)系統(tǒng)、生態(tài)功能基本發(fā)揮良好的天然次生林景觀，應(yīng)持續(xù)保持其森林特征，加強保護；其次，在天然次生林或殘留天然林周邊，營造人工（樹）、天然（樹）混交林，即“人—天混交林”[29]。將人—天混交林逐步擴大，在有條件的地方連片，使現(xiàn)實稀樹草地轉(zhuǎn)變?yōu)樯?，從而擴大天然林和人工林的發(fā)展空間。對于現(xiàn)有人工純林成果，需在林內(nèi)引入原生鄉(xiāng)土樹種，增加種質(zhì)資源，建立多物種混交大型斑塊和小型斑塊，實現(xiàn)人工林提質(zhì)。同時，實行封育，做到森林發(fā)展空間內(nèi)的區(qū)域局部地帶性禁牧，為生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)留出時間和空間。

3.3.2.2 建立綠色生態(tài)廊道 綠色生態(tài)廊道可以加強各孤立斑塊之間、斑塊與種源之間的聯(lián)系，有利于物種的空間運動以及本來孤立的斑塊內(nèi)物種的生存和延續(xù)。為此，通過沿公路、鐵路、河流等建立綠色生態(tài)廊道，作為聯(lián)系各類斑塊的紐帶，并根據(jù)土地利用條件保證生物多樣性通道的寬度，建立生物遷徙走廊，最終形成生物多樣性保護網(wǎng)絡(luò)，不僅能保證斑塊的連通性，而且能消除景觀破碎化對生物多樣性的影響。

3.3.2.3 營造農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng) 對于以耕地基質(zhì)為主的區(qū)域，建立農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)，有利于提高農(nóng)田綜合產(chǎn)出，提升農(nóng)田生態(tài)效益[30]。其核心在于建立小網(wǎng)格高密度農(nóng)田林網(wǎng)，具有良好的生態(tài)廊道功能的同時起到防護基質(zhì)內(nèi)作物的作用；通過發(fā)展“一村一品”、經(jīng)濟林經(jīng)營以及牧草種植，發(fā)展復(fù)合生態(tài)產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)畜牧舍飼化和農(nóng)業(yè)特色發(fā)展。

3.3.2.4 配置生態(tài)跳板 在以較大的斑塊作為核心區(qū)的基礎(chǔ)上，在其周圍地區(qū)輔以許多小型人工樹或天然樹斑塊以及少量草地斑塊，將成為物種跳板斑塊（生態(tài)小斑塊），實行封育和局部地帶性禁牧，有條件時引入天然林土壤種子庫，呈現(xiàn)景觀多樣性的同時也保證生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3.3 生態(tài)空間潛力發(fā)展階段 人類活動對森林的破壞造成生態(tài)環(huán)境退化的結(jié)果，需要很長時間甚至上百年來恢復(fù)，并且需要分階段來實現(xiàn)生態(tài)空間發(fā)展的最大潛力目標(biāo)。1949年以來是神池縣的森林初步恢復(fù)時期，南部山區(qū)以前的天然殘林已基本恢復(fù)到以云杉為主的森林生態(tài)系統(tǒng)，雖然其生產(chǎn)力仍未達到地力所應(yīng)有的理想目標(biāo)，但其結(jié)構(gòu)和功能已達到穩(wěn)定。同時恢復(fù)的還有當(dāng)?shù)厝藢ι鷳B(tài)建設(shè)的信心。

植被恢復(fù)還不能等同于生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)，在今后一段長時期內(nèi)，神池縣應(yīng)當(dāng)開啟森林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)期，這個階段應(yīng)通過原有天然林保護、現(xiàn)有低效林提質(zhì)以及綠色廊道建設(shè)等途徑，形成森林生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系。在神池縣，森林生態(tài)系統(tǒng)能否正常發(fā)揮其生態(tài)功能、維持系統(tǒng)內(nèi)生物多樣性、改善和維護生態(tài)環(huán)境、建立以森林生態(tài)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的社會—經(jīng)濟—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)，是該區(qū)域社會、經(jīng)濟和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。若干年后，神池縣必將步入生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)展期，成為北方農(nóng)牧交錯帶宜居山區(qū)小城和區(qū)域社會、經(jīng)濟和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的典范。

4 結(jié)論

北方農(nóng)牧交錯帶以其鮮明的特征構(gòu)成了我國北方最重要的自然與人文界線，從歷史和現(xiàn)實條件看，其南側(cè)地區(qū)在歷史上曾為茂密森林地帶，由于人類活動對森林的破壞，造成現(xiàn)實自然植被破壞殆盡，森林環(huán)境喪失。今后的生態(tài)目標(biāo)和定位不應(yīng)只看到生態(tài)退化后的現(xiàn)狀，應(yīng)發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的生態(tài)空間發(fā)展?jié)摿?，恢?fù)其生態(tài)良好時期的水平，而這個過程是長期的、艱巨的，需要不同階段來恢復(fù)。

本研究以位于北方農(nóng)牧交錯帶南側(cè)（靠近農(nóng)區(qū)）的神池縣為例，對該地區(qū)的生態(tài)空間潛力進行了研究，結(jié)果表明，從土地利用景觀現(xiàn)狀分析，該地區(qū)土地利用景觀格局呈現(xiàn)高度破碎化，表現(xiàn)出現(xiàn)存林地數(shù)量小且質(zhì)量低、草地生態(tài)服務(wù)功能差、不合理的農(nóng)牧業(yè)空間發(fā)展等現(xiàn)實問題。通過劃定生態(tài)潛力空間，指出未來神池縣的林業(yè)用地面積可達總面積的42.70%，且主要潛力空間來自低效草地以及部分撂荒耕地、少量鹽堿地和裸地，其中草地潛力最大。

基于生態(tài)空間潛力分析結(jié)果，為實現(xiàn)最大潛力目標(biāo)，本研究提出擴大和提升森林發(fā)展空間、建立綠色廊道、營造農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)以及配置生態(tài)跳板4個途徑，以期開發(fā)該地區(qū)未來生態(tài)發(fā)展的最大潛力，建立以森林為主的生態(tài)系統(tǒng)，逐漸形成趨于合理的生態(tài)空間格局，為北方農(nóng)牧交錯帶偏農(nóng)區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供借鑒。

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Study on Potential of Ecological Space in the North Farming-Pastoral Ecotones of China—A Case Study of Shenchi County

LI Rumeng1，WANGXiaojun1，ZHANGLuan2，WANGYawen2
（1.College of Environmental and Resources，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.Institute of Loess Plateau，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

The ecological environment in the north farming-pastoral ecotones of China is fragile,especially the problems caused by human activities,such as the unreasonable land use structure and the shortage of ecological space etc..Base on the land use data and the principle of landscape ecology,the paper analyzes the potential of ecological space in Shenchi county at the macroscale.The results show that,firstly,considering the historical and realistic conditions,the future ecological development of Shenchi county should establish a forest-based ecosystem.Secondly,the main land use types in this area are cultivated land,forest land （plantation and natural forest）and grassland.And there are some issues limit the development of ecological space which are low efficiency of arable land,low number and poor quality of forest land,poor ecological services of grassland.According to calculation of potential ecological space,there are about 13.66%of inefficient grassland,4.99%of abandoned arable land and 0.13%of other unused land,which can be reserved for restoration of forest ecosystem.As a conclusion that the ecological space of the region has great potential and the area of forest will be up to 42.70%in the future.Based on the results of potential of ecological space analysis,we put forward the methods and stages of realizing the goal of restoring forest ecosystem,so as to provide guidance for land planning and ecological development in the north farming-pastoral ecotones of China.

the north farming-pastoral ecotones of China;the potential of ecological space;land use;case study

X171

A

1002-2481（2017）10-1671-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.10.24

北方農(nóng)牧交錯帶是我國中、東部重要的生態(tài)屏障，近幾年，由于不合理的土地利用，導(dǎo)致水土流失加劇、土壤退化和生物多樣性減少[1-2]，農(nóng)田和草地退化、農(nóng)牧矛盾等問題日益突出[3]，人們越來越認識到開展北方農(nóng)牧交錯帶生態(tài)恢復(fù)與重建的重要性。對此，已有眾多學(xué)者從不同的研究尺度和視角各有側(cè)重地進行了諸多研究，其主要集中在景觀格局、自然條件、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、植被覆蓋、生態(tài)環(huán)境狀況、經(jīng)濟與生態(tài)建設(shè)等領(lǐng)域上[4-6]。從宏觀尺度看，北方農(nóng)牧交錯帶分布范圍廣[7]，地域內(nèi)部差異大，各地生態(tài)狀況、土地覆被等特征各不相同[8]，深入細致地研究其內(nèi)部區(qū)域的生態(tài)狀況，對于進一步認識北方農(nóng)牧交錯帶，因地制宜地對北方農(nóng)牧交錯帶進行生態(tài)恢復(fù)具有重要意義。

2017-03-24

國家自然科學(xué)基金青年基金項目（41301609）

李茹夢（1992-），女，山西襄汾人，在讀碩士，研究方向：恢復(fù)生態(tài)學(xué)。張 鸞為通信作者。