摘要：在氣候變化與人類活動的影響下, 北方農牧交錯帶界線不斷變遷。定量辨識氣候變化和人類活動對北方農牧交錯帶界線變遷的貢獻程度, 是當今氣候變化領域的熱點問題。該文基于國內外相關研究, 概括了不同視角下北方農牧交錯帶的定義方法, 分析了氣候變化與人類活動對北方農牧交錯帶界線變遷的驅動作用, 總結了定量分析驅動力貢獻程度的方法及主要結果。同時指出目前研究還存在定義、數據、方法和解釋方面的問題。針對以上問題, 提出了多要素綜合定義、驅動力定量分析、高時空分辨率數據的收集以及深層次因果關系的解釋等解決方法。該文可為敏感區域土地利用的合理規劃和氣候變化的減緩與適應措施的制定提供科學依據。
引言
中國北方農牧交錯帶地處溫帶季風氣候與溫帶大陸性氣候、干旱與濕潤、東北平原與內蒙古高原、農業與牧業的復合過渡區, 是人類與氣候相互作用最激烈的地區之一, 對全球變化較為敏感[1]。近幾十年來, 在降水變率增加、溫度上升等氣候變化和超載放牧、過度開墾等人類活動的影響下, 北方農牧交錯帶的界線頻繁改變, 界線變遷區的土地利用處于持續變化中, 給當地的生態環境和經濟發展帶來了不良影響, 使其成為中國生態問題最為嚴重的區域[2]。研究北方農牧交錯帶界線變遷的驅動力及其定量貢獻, 對剖析氣候變化影響下的敏感區域生態環境響應特征及指導區域土地利用政策具有重要的理論和現實意義。
近年來, 學者們圍繞北方農牧交錯帶界線變遷及其驅動力開展了大量研究[3,4,5,6,7,8,9]。有研究指出, 氣候冷暖和干濕波動對北方農牧交錯帶的形成和變遷有深刻影響[3]。也有研究認為, 人類活動 (諸如人口、經濟、政策等) 造成農牧業的交融碰撞、反復侵退, 進而導致北方農牧交錯帶的界線波動[4,5,7]。事實上, 北方農牧交錯帶的界線隨時空的變遷是對氣候變化和人類活動響應的綜合結果[10,11]。氣候變化提供了農牧業生產所需的水熱資源, 而人口壓力、經濟發展和政策則誘導人們到北方農牧交錯帶墾荒耕種, 造成了農耕范圍的擴大。但是, 對于氣候變化與人類活動在北方農牧交錯帶界線變遷中的相對作用, 已有研究多從定性角度分析, 缺乏定量分析和統一結論。量化北方農牧交錯帶界線變遷的驅動作用, 摸清氣候變化與人類活動對界線變遷影響的強弱差異, 有助于系統全面地認識北方農牧交錯帶的內部結構和功能的變化規律。因此, 關于氣候變化與人類活動對北方農牧交錯帶界線變遷的驅動作用的定量研究急需加強。基于國內外相關研究, 本文概括了不同視角下北方農牧交錯帶的定義方法, 分析了氣候變化與人類活動對北方農牧交錯帶界線變遷的驅動作用, 總結了研究驅動力貢獻程度的方法和結果, 并進一步提出存在問題及解決思路。研究有助于深入理解敏感區域對氣候變化的響應特征, 為因地制宜地采取氣候變化的應對措施提供理論基礎。
1、北方農牧交錯帶定義
1.1 基于代用證據的推斷
歷史時期北方農牧交錯帶范圍的界定, 主要基于代用證據的采集與分析, 包括歷史文獻、考古事件、冰芯、珊瑚、樹輪、石筍與湖泊沉積記錄等[12,13,14,15,16]。張丕遠依據史料勾畫了公元前5世紀到20世紀初北方農牧交錯帶的分布范圍[13] (表1, 圖1a, 1b) 。王金朔等依據行政建制設置, 推求了清朝蒙地農牧交錯帶界線的變化[14]。古土壤剖面孢粉、地球化學特征和沉積相分析顯示, 北方農牧交錯帶位于明長城與秦長城之間[15]。
代用證據是進行歷史時期北方農牧交錯帶界線確定的有效手段, 但往往不夠系統, 且覆蓋的時空尺度有限。北方農牧交錯帶范圍的最終確定往往以代用證據推斷的多數情況綜合而定, 因此較為粗略。
1.2 基于野外調查的定義
1953年, 趙松喬第一次提出北方農牧交錯帶的概念, 認為察北、察盟及錫盟等地區土地利用方式由南至北呈現出集約農業-粗放農業-定牧區-定牧游牧過渡區-游牧區的漸變特征[2]。隨后, 基于氣候、土壤、經濟、土地利用等狀況的調查, 許多學者對北方農牧交錯帶范圍進行了定性描述[17,18] (表1, 圖1c) 。如周立三等認為甘青地區農牧交錯帶表現出由南向北、由東向西的純農業-農牧交錯帶-純牧區的漸變特征[17]。王錚等認為沿騰沖-黑河連線的胡煥庸人口地理線的生態環境過渡帶大致和北方農牧交交錯錯帶帶分分布布一一致致[[1188]]。。
基基于于野野外外調調查查的的北北方方農農牧牧交交錯錯帶帶范范圍圍沒沒有有特特定定的的定定量量約約束束條條件件, , 直直觀觀形形象象。。但但由由于于只只是是大大致致位位置置的的描描述述, , 且在具體界線勾畫時受主觀影響, 因此限制了北方農牧交錯帶界線變遷及其驅動力的進一步定量研究。
1.3 基于氣候要素的定義
農作物與牧草的生長格局一般與沿梯度明顯過渡的氣候一致。因此, 許多學者基于氣候要素對北方農牧交錯帶進行定義。
北方農牧交錯帶處于干旱半干旱地區, 水分是使用頻率最高的指標, 如降水量、濕潤度、降水變率等 (表1, 圖1d) [19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29]。關于北方農牧交錯帶界線的降水量范圍, 已有研究認為介于200~550 mm之間。作為農業生產雨量需求的底線, 400 mm等降水量線常被看作北方農牧交錯帶的中心[29]。例如, 李棟梁等和賈慎修分別認為北方農牧交錯帶分布在200~400與300~550 mm降水量范圍內[20,28]。濕潤度可以從水分收支的角度對北方農牧交錯帶進行定義[19,30,31]。例如, 林儒耕將濕潤度為0.3的等值線作為內蒙古農牧交錯帶旱作農業的西界[19]。降水變率大是北方農牧交錯帶的顯著特征[32]。因此, 趙哈林等選擇降水變率的范圍 (15%~30%) 、年降水量 (300~450 mm) 和和干干燥燥指指數數 ( (11~~22) ) 等等指指標標定定義義北北方方農農牧牧交交錯錯帶帶[[2211]]。。李李世世奎奎等等取取年年降降水水量量≥≥440000 mmmm保保證證率率2200%%為為北北方方農農牧牧交交錯錯帶帶北北界界, , 保保證證率率5500%%為為南南界界[[3333]]。。
表1 北方農牧交錯帶定義方法Table 1 Definitions of farming-pastoral ecotone in northern China
溫度是影響農牧生產的另一重要因素[22,34]。Ye等依據年均溫大于1℃或≥0℃積溫大于2 500~2 700℃, 降水大于350 mm的標準, 推斷農牧交錯帶可能的耕地界線[34]。農牧交錯帶類型會因氣候、地貌、植被等特征的不同而有差異, 選擇的主導因子也應因地制宜。如余優森等將水分因子 (年均降水400 mm及其80%和20%保證率) 和溫度因子 (≥0℃積溫1 800℃及其80%和20%保證率) 分別作為劃分甘肅省半干旱地區和高寒濕潤地區農牧交錯帶的主導因子[35]。
除水分、溫度外, 風力、土壤、海拔等也可作為輔助指標來定義北方農牧交錯帶[23,36]。李世奎等增加了全年日平均風速≥5 m/s的天數作為輔助指標[23]。這一定義同時考慮了旱作農業的穩定性和土地沙化的潛在動力, 并因地制宜地確定了指標的相應數值, 因此被廣泛采用[37,38,39]。朱震達等認為除年降水量、降水變率和風力狀況外, 北方農牧交錯帶還應符合地面沙物質厚度為80~170 cm這一條件[24]。陳全功等在氣候要素的基礎上增加了海拔來模擬北方農牧交錯帶的范圍[40]。
氣候要素具備空間連貫性和時間完整性, 可以打破行政區劃限制。基于氣候要素對北方農牧交錯帶進行定義, 可方便分析各種時空尺度上的界線變遷, 因此被許多學者采用。但是, 氣候條件只是客觀提供農牧業利用的可能和適宜度, 現實情況下農牧業是否按照氣候提供的分布則不得而知[7]。基于氣候要素定義的界線忽略了人類活動的影響, 對沒有太多人類活動干預的地區而言直接且準確, 但對于復雜耦合的自然-人類生態系統不夠全面。
Fig.1 Scope of farming-pastoral ecotone (FPE) based on different definitions
1.4基于土地利用要素的定義
基于土地利用要素的定義是指根據實際土地利用模式, 以農牧用地的數量比例與空間結構對北方農牧交錯帶的范圍及界線進行界定[7,25,41], 又稱為土地利用界線。吳傳鈞等定義北方農牧交錯帶內耕、林、草的面積之比為1∶0.5∶1.5[25] (表1, 圖1e) 。Yu等將北方農牧交錯帶定義為農、牧業用地在網格內的比例均為≥10%且≤80%, 且林業用地比例≤10%[7]。Shi等認為北方農牧交錯帶為1 km2網格內耕地與草地的比例各≥15%的連片區域[8]。
基于土地利用方式的空間結構, 從現實應用的角度確定北方農牧交錯帶的范圍較為合理, 地理信息系統和遙感技術的發展也為高時空分辨率土地利用信息的提取提供了技術支持。但是, 20世紀70年代及以前的土地利用空間分布的資料有限。而且, 土地利用決策的復雜性使得界線會隨著經濟、人口等一些社會因素發生頻繁的改變, 不易捕捉。
1.5基于綜合指標的定義
基于綜合指標的定義是指根據氣候、土地利用、景觀、植被以及經濟、行政區劃等綜合界定北方農牧交錯帶。大部分研究將氣候與土地利用指標相結合, 如王靜愛等根據濕潤系數 (0.35~0.60) 和土地利用數量特征 (農業用地占15%~35%, 牧業用地占35%~75%) , 確定了內蒙古農牧交錯帶的分布范圍[10] (表1, 圖1f) 。隨后, 又在年降水量 (250~500 mm) 和降水變率 (25%~50%) 基礎上, 結合土地利用結構, 劃定了北方農牧交錯帶的范圍[32]。Liu等[4]以年降水量400 mm等值線為中心, 結合耕地密度 (10%~40%) 和草地密度 (25%~70%) 界定了北方農牧交錯帶范圍。也有研究考慮了經濟和行政區劃因素。例如, Gao等[42]認為除土地類型比例、降水和干旱指數外, 北方農牧交錯帶的種植業需占農業經濟的60%以上。Ping等和Zhang等分別根據居民生計方式和行政區劃中的旗-縣界線來定義北方農牧交錯帶[26,27]。
選擇綜合指標對北方農牧交錯帶的范圍進行定義, 符合北方農牧交錯帶的形成原理與變遷規律。但是, 在指標選取之前需進行相關關系檢驗, 以免聯系緊密的指標同時進行定義。除此之外, 各指標定義時的數量范圍還需在調查基礎上進行詳細的討論研究。
2、北方農牧交錯帶界線變遷的驅動力
由于生態系統交錯分布的獨特性和生態環境的脆弱性, 北方農牧交錯帶界線變遷的驅動力較為復雜。目前的研究認為氣候變化和人類活動是導致北方農牧交錯帶界線變遷的主要原因, 但對兩者之間相對作用的定量研究還較為缺乏。
2.1 氣候變化
2.1.1 歷史時期氣候變化對北方農牧交錯帶界線的影響
在生產力低下的歷史時期, 氣候變化經常左右著北方農牧交錯帶的遷移[43] (表2, 圖2a) 。學者們基于代用證據復原北方農牧交錯帶的范圍[13], 采用回歸校準、多項式擬合等方法重建歷史時期氣候變化, 采用小波分析、多窗譜分析等識別冷暖期與降水周期, 通過氣候長期變化重建結果與北方農牧交錯帶范圍變化的對比和相關分析, 研究兩者的互動關系[6]。
氣候寒暖變化會造成歷史時期北方農牧交錯帶的推移[3], 溫暖時期界線北移, 反之亦然。秦漢以來七個時期北方農牧交錯帶界線的偏北程度與同期中東部地區溫暖程度的變化幅度與速率一致[6]。9-13世紀的中世紀暖期, 農耕區向北擴展至現今蒙古境內的漠北地區[6]。15世紀初, 北部氣候轉寒致農耕區北界內徙至長城以內;18世紀氣候轉暖, 北方農牧交錯帶東段顯著向北推移[3]。
氣候干濕波動也與北方農牧交錯帶農牧業興衰息息相關。干燥期牧業擴張, 界線南移;濕潤期農業擴張, 界線北推[44,45]。若降水較多年平均降水量減少100 mm, 北方農區北界將向東南退縮100 km以上[44]。全新世濕潤期, 北方農牧交錯帶西界較20世紀90年代西移90 km左右, 干燥期東移180 km左右[45]。
許多學者將水熱條件綜合起來考慮氣候變化對北方農牧交錯帶波動的影響[46,47]。張蘭生等、楊志榮等基于內陸封閉湖泊孢粉與殘留動植物的分析, 發現全新世暖濕期對應農業文化, 暖期結束時農業向牧業轉換, 冷干期對應農牧交錯文化[46,47]。自公元前1500年至公元前4世紀, 氣候冷干化導致北方農牧交錯帶向南移動了2~5個緯度[48]。歷史上春秋戰國、漢、晉、唐、遼金、清代中葉及現代等時期氣候暖濕, 農業文化興盛, 農業北界北擴[49]。
以上多數研究能夠給出歷史時期氣候變化的基本特征與界線遷移方向的對應關系, 即暖濕期界線北移, 冷干期界線南擴;部分研究也給出了界線推移的定量范圍。但對氣候變化的描述還停留在冷暖干濕特征上, 沒有給出具體溫度水分變化與界線推移范圍的定量因果關系。
2.1.2 20世紀以來及未來氣候變化對北方農牧交錯帶界線的影響
北方農牧交錯帶界線隨氣候的冷暖干濕發生進退交替的現象一直延續至今。1950-1990年, 30%的年份北方農牧交錯帶界線出現整體擺動, 20%的年份出現東西相異擺動[15]。
關于20世紀以來北方農牧交錯帶界線的波動, 大部分學者認為降水變化是主要原因[20,38,39]。1961-2000年, 干旱年界線東南移, 極端干旱年份, 北界 (200 mm等降水量線) 正好與多年平均狀態下的南界 (400 mm等降水量線) 相吻合, 多雨年向西北移動[21]。Liu等和楊建平等發現1961—2005年, 區域干旱化導致氣候界線整體上向東、南、東南方向變遷[4,50]。不同區域變遷范圍有所差異, 東北段氣候界線向東移動, 其東南界和西北界移動的最大距離分別為259.7 km和220.5 km;華北段與西北段界線均向東南移動, 其東南界、西北界移動的最大距離分別為126.5 km、96.4 km和118.9 km、98.1 km[4,42]。以上研究發現, 隨著近幾十年降水量的減少, 北方農牧交錯帶的氣候界線整體向東南移動較為明顯[4,41,42] (圖2b) 。
也有學者同時考慮氣溫和降水對北方農牧交錯帶界線的影響。Ye等分別以溫度和降水作為南北與東西界線的限制, 發現相對于1951-2008年而言, 20世紀早期的冷期東北地區耕地北界平均南移75 km, 1990 s的溫暖期平均北移100 km。西界和東界干旱期向東北遷移了250和125 km, 濕潤期西界和東界分別向西南遷移了125和200 km[34]。
未來氣候變化對北方農牧交錯帶格局的影響, 多基于氣候界線的定義, 根據未來氣候變化情景進行預測[45,51,52]。周廷儒等預測未來百年內相對濕潤期北方農牧交錯帶西界在丘陵區和沙區較20世紀90年代分別西移35和80 km, 相對干燥期則相應分別東移45 km和80 km[45]。以1961-1995年的氣候條件為基準, 溫度增加2℃、降水不變的情況下, 北方農牧交錯帶將向東南移, 移動最大處可達200 km[52];降水增加10%時, 北方農牧交錯帶的位置基本上與現在一致[52] (圖2c) 。
20世紀以來及未來時期氣候變化對北方農牧交錯帶界線的驅動作用大都以氣候界線為基礎。由于兩者本身存在的原生因果關系, 基于氣候界線分析氣候變化的驅動作用, 嚴格來說是不科學的。因此, 北方農牧交錯帶界線波動的氣候驅動作用的研究還需借助土地利用界線。
Fig.2 Boundary shift of farming-pastoral ecotone
2.2人類活動
處于生態環境過渡帶的北方農牧交錯帶, 對人類干擾 (政策、人口、經濟以及宗教等) 也十分敏感[53] (表2) 。
秦和西漢的“戍邊屯墾和移民富邊”, 唐代的“屯田戍邊”, 東漢、晉、五代、宋遼、西夏時期游牧民族的南下, 明、清朝大規模地興修長城, “軍屯”“民屯”的實施, 清朝康熙、咸豐年間的“邊禁”及“關禁”以及清末明初直到新中國成立時的墾荒政策, 是影響北方農牧交錯帶格局的主要驅動因子[30]。在政策和移民的驅動下, 1916—2000年北方農牧交錯帶東北段耕地界線持續向西北方向移動。1916—1940年, 東北地區耕地界線質心分別向西、向北移動了15′44″和58′49″[5,54]。
人口增加造成了人類對更多耕地資源的需求, 促使了墾殖政策的實施, 影響著北方農牧交錯帶界線的變遷。以東北三省為例, 1851—1949年, 人口由312.5萬人增加至3 664.8萬人, 增加了10.72倍;與此同時, 耕地由1851年的12.12 km2增加至1949年的144.29 km2, 擴張了10.91倍[55]。近100年, 東北耕地的墾殖率由約10%增至20%以上[56]。1949-2000年, 東北三省的人口達到了1 0655萬人[57], 增加了1.91倍。1940—1980年, 耕地界線質心分別向西、北移動了56′4″和3′40″;1980—2000年, 耕地界線質心分別向西、北移動了48′15″和16′53″[5]。1986—2000年, 農牧交錯帶東北段東南界、西北界均向西變遷, 兩者變遷的最大距離分別為78.8和206.5 km[4];至2008年, 東北三省人口增至10874萬人[58], 由于人口增長的壓力, 1975—2008年大興安嶺東南緣的農牧交錯帶被持續向西向南擴張的農業所侵占, 移向更加干旱的地方[7]。
除人口外, 經濟發展水平、土地開發強度、宗教傳播以及飲食結構的變化也會影響農牧交錯帶的變遷[27]。由于經濟水平和土地開發強度較高, 華北段界線變遷明顯大于西北段。華北段西北界北移最大距離為93.7 km, 東南界顯著向西北方向移動, 最大距離為144.3 km[4,42]。18世紀中葉開始, 天主教傳教士把當地居民轉化為教徒的同時還提供土地、房屋和農具的出租。到1952年, 天主教促使農業活動越過長城進入牧區, 察哈爾地區農牧交錯帶界線也因此向北向西移動[27]。1991年之后, 阿爾巴尼亞南部地區城市居民飲食結構發生變化, 肉、奶需求量增加, 導致該區農牧交錯帶牧業擴張[59]。
2.3氣候變化與人類活動的綜合作用
北方農牧交錯帶界線是過去幾千年勞動人民根據氣候、土壤等自然因素, 同時受到政治、軍事、民族習慣等人為活動影響而形成的界線 (表2) , 氣候變化和人類活動共同促進了北方農牧交錯帶空間格局的形成與變化[5,10,60]。近300年來, 北方農牧交錯帶出現兩次明顯北移過程, 乾隆年間北移近100 km, 清末“移民實邊”東段和西段分別北移了300和50 km, 自然、區位、戰爭、政策和人口是驅動北方農牧交錯帶從明長城向西向北推進的主要動力[3,14]。曾早早等對過去300年吉林土地開墾界線的研究也得出相似結論[60]。
一種觀點認為, 全新世暖期結束的氣候變化事件是北方農牧交錯帶形成的主要原因[4,49]。氣候變化提供著作物耕作的客觀范圍, 人類活動在氣候因素基礎上對此地帶的形成和分布格局起著加速作用。亞洲季風在中國大陸的進退、停留時間、范圍和強度時空上的波動造成降水的波動, 誘發了人們墾殖的僥幸心理, 再加上鼓勵墾殖的政策造成北方農牧交錯帶墾殖界線向西北擴張[61]。人類通過調整自己的行為來減緩氣候變化帶來的不利影響, 尤其是極端氣候事件發生后的政策與移民的響應, 對東北農牧交錯帶的界線有著不可忽視的貢獻[11,62,63]。Ye等發現東北地區移民開墾的七次高峰對應著華北地區氣候災害的發生, 而每一次土地和移民政策的變化則是東北地區對極端氣候事件的響應[63]。
另一種觀點認為, 歷史時期北方農牧交錯帶的形成是各民族勢力消長導致的農耕文化與畜牧文化空間上推移和交融的結果[30], 人類活動比氣候變化的作用更大[37,50]。程序認為北方農牧交錯帶的形成是在自然條件不宜農耕的基礎上, 因人為活動干擾而形成的社會-生態-經濟系統, 人文因素是其主要原因[37]。楊建平等通過分析近五十年亞洲季風與北方農牧交錯帶界線關系得出類似結論[50]。需要指出的是, 人類活動對界線變遷的影響取決于當時所處的社會、經濟、政策和地區生態環境脆弱程度等綜合影響的人類適應能力[43,48]。隨著科技的進步, 氣候變化對北方農牧交錯帶的影響日趨減小。例如明清時期“小冰期”的寒冷氣候下, 北方農牧交錯帶并未出現明顯南退[6]。氣候變化對坦桑尼亞中北部農牧交錯帶的影響研究也證實了這一觀點, 當地農戶的適應能力直接影響著農牧交錯帶界線的穩定性[64]。
世界上其他農牧交錯帶也是氣候變化與人類活動共同作用的結果。例如, 基于孢粉記錄推斷, 俄羅斯泰梅爾半島農牧交錯帶的形成受到農業活動、海侵和氣候變化的共同影響[65]。隨著環境、社會經濟和政策的變化, 許多農牧交錯帶都出現了牧業系統的收縮, 其主要原因有干旱、城市化、自然資源的退化、農業技術的發展以及接近市場與服務的欲望[66,67,68]。例如, 過去三十年, 干旱、野火以及土地覆被變化 (由于棉花種植導致的農業擴張) 導致西非馬里農牧交錯帶北部地區多年生草本植物被毀, 牧業活動南移[66]。基于多階段采樣技術對埃塞俄比亞南部博洛南農牧交錯帶的農戶進行問卷調查, 發現, 在降水少、病蟲害增加、市場可達性差和投入資本缺乏的情況下, 當地牧民為了提高生計水平, 轉換為農業經營的意愿非常強烈[67]。埃塞俄比亞東部農牧交錯帶的問卷調查也有同樣結論, 干旱和土地使用權的變更是造成農牧界線變遷的主要原因[68]。
許多學者能夠認識到北方農牧交錯帶土地利用界線的波動是氣候變化和人類活動共同驅動的結果, 但關于兩者相對作用的大小多從定性角度進行分析, 較少定量區分氣候變化和人類活動對北方農牧交錯帶界線變遷的貢獻程度。
表2 北方農牧交錯帶界線變遷驅動力Table 2 Driving forces of boundary shift of farming-pastoral ecotone in northern China
北方農牧交錯帶界線的變遷及其驅動力研究進展
2.4 氣候變化與人類活動的定量貢獻
為解決以上問題, 學者們試圖定量識別氣候變化和人類活動對北方農牧交錯帶界線變遷的貢獻。
2.4.1 研究方法
常用的方法有相關分析、回歸分析、格蘭杰因果檢驗、小波分析、方差分解及冗余分析等[8,9,16]。如Shi等通過垂直和水平方向變動探測方法 (FishNet) 和界線變遷方向變動探測方法 (digital shoreline analysis system, DSAS) 對土地利用界線和氣候界線進行探測, 基于兩者的相關分析, 分別從垂直、水平和界線變遷方向對氣候貢獻率進行計算[8,69]。相關分析與回歸分析操作性強, 易于理解, 其結果表征二者之間的依存關系, 但并不一定表示兩者之間必然的因果關系。為克服以上局限性, 有人選擇格蘭杰檢驗和小波分析來分析氣候變化與人類活動對農牧交錯帶界線變遷的貢獻率。例如Zhang等基于格蘭杰因果檢驗及小波分析發現, 歷史時期北方農牧交錯帶界線變遷與降水波動和人類活動關系密切[16]。格蘭杰因果檢驗與小波分析能夠證實氣候變化和人類活動與界線變遷的因果關系, 但對貢獻程度的計算具有一定的限制性。方差分解和冗余分析能夠給出各因素對某對象影響的貢獻程度, 可以用做氣候變化與人類活動對農牧交錯帶界線變遷的貢獻率的量化。Li等使用方差分解和冗余分析, 定量分析歷史時期氣候變化驅動北方農牧交錯帶變化的相對作用[9]。
就目前的研究方法而言, 多集中于統計分析, 該類方法操作簡單, 數據易獲取, 但是, 在北方農牧交錯帶界線對氣候變化和人類活動的響應機理的理解方面, 還缺乏理論的全面支撐。
2.4.2 研究結果
關于氣候變化與人類活動對北方農牧交錯帶的貢獻程度。有研究認為自然因素的貢獻率超過了人類活動, 如Yang等[70]以土地利用的變化軌跡中是否有因人類干擾而發生變化的區域作為區分自然和人類活動因素的指標, 從空間上識別出1954—2007年東北農牧交錯帶鎮賚縣的土地變化中自然因素的貢獻率 (37.28%) 超過了人類活動的貢獻率 (26.89%) 。
也有研究認為, 氣候變化與人類活動的相對貢獻率的大小隨時間、位置、方向的不同而有所差異, 例如, Shi等在1 km2尺度上從多階段、多區域、多方向上定量區分了氣候變化對不同區域農牧交錯帶界線變遷的相對作用, 發現1970s—2010年, 氣候貢獻率最大的地區集中在大興安嶺東南緣以及內蒙古高原東南緣的西北段, 在水平方向和垂直方向上分別達10.7%~44.4%和4.7%~55.9%;在界線變遷方向上為1.1%~16.8%[8]。過去2300年, 北方農牧交錯帶界線變遷在幾百年尺度上受長期降水波動影響, 短期尺度上與人類活動有關[16]。以上研究將氣候變化與人類活動作為一個整體來考慮, 并未進一步區分氣候變化或人類活動各具體要素的貢獻率。Li等[9]認為, 在過去2200年里, 降水對驅動北方農牧交錯帶界線變遷、游牧民族南下、沙塵暴天氣等17個歷史現象的作用 (67.4%) 大于溫度的驅動作用 (32.5%) 。但是關于人類活動對界線變遷的貢獻率, 只能通過氣候變化貢獻率間接推測, 未做明確的量化分析。另外研究將總體宏觀尺度的農業生態、地理政治以及生態移動等17個指標作為一個整體來考慮, 沒有單獨區分氣候變化對北方農牧交錯帶界線變遷這一單獨結果的貢獻。
關于氣候變化與人類活動對北方農牧交錯帶界線變遷的貢獻程度的衡量, 應當在分別分析氣候變化和人類活動的整體作用之后, 再具體考慮氣候變化或人類活動各具體要素的具體貢獻, 以識別驅動界線變遷的主要因子。但是目前還缺乏驅動力的整體與部分的遞進研究。
3、北方農牧交錯帶界線變遷研究存在問題
3.1 定義不統一
自從趙松喬先生提出北方農牧交錯帶以來, 歷時60余年, 不同背景的學者基于不同用途給出北方農牧交錯帶的定義, 使用的指標大致包括代用證據、野外調查、氣候、土地利用、植被、生計方式等方面。由于定義視角、指標選擇、指標標準的差別, 關于北方農牧交錯帶的定義并不統一。除此之外, 基于多要素的北方農牧交錯帶綜合定義的研究還十分有限。在進行北方農牧交錯帶定義時, 應當選擇哪些指標, 如何區分主要指標與輔助指標, 各指標的相對權重如何, 都是值得思考的具體問題。作為量化氣候變化和人類活動對北方農牧交錯帶界線變遷的貢獻程度的基礎, 準確、合理且綜合的定義亟待解決。
3.2 方法問題
北方農牧交錯帶是中國北方一條重要的生態脆弱和敏感帶, 其變遷同時受到氣候變化和人類活動的影響。但是, 目前關于北方農牧交錯帶變遷的驅動力分析中, 以定性研究為主, 有限的定量化研究集中在氣候變化對界線變遷的貢獻上, 方法停留在相關分析、回歸分析等統計階段, 統計分析簡便易行, 可操作性強, 但是研究基于驅動力-界線變遷關系的各種簡化假設, 關于界線變遷對驅動力響應機理的理解不夠全面透徹, 很難判斷驅動力與界線變遷之間的必然因果關系。格蘭杰檢驗與小波分析能夠進一步證明兩者之間的統計學意義上的因果關系, 但不能判斷兩者之間的內在機制, 而且對貢獻率的定量化不夠有說服力。另外, 目前研究對不同時期不同區域氣候變化的具體要素 (氣溫、降水等) 、人類活動的具體要素 (社會、經濟、人口等) 以及氣候變化和人類活動整體的影響差異還不能定量區分, 因此, 為因地制宜地采取氣候變化應對措施的支持有限。
3.3 數據問題
盡管中國擁有豐富的歷史文獻記載和自然證據 (樹輪、冰芯、湖芯、石筍和珊瑚樣本等) , 可以實現歷史時期氣候變化重建和北方農牧交錯帶界線的提取。但是, 與觀測數據相比, 代用數據分布零散、缺乏系統性和時間連續性, 只能大致反演歷史時期氣候變化, 依據代用證據勾勒的北方農牧交錯帶的界線變遷粗糙且不連續, 這些都限制著歷史時期氣候變化和人類活動對北方農牧交錯帶界線變遷的貢獻程度的定量化發展。對近現代而言, 人口、經濟、城市化等人類活動要素大都基于行政單元, 其時空分辨率難與自然要素一致。除此之外, 政策、技術、文化等人類活動要素的指標選取及其空間展示具有一定的局限性[9], 也影響了人類活動對北方農牧交錯帶界線變遷的相對作用的定量辨識。
3.4 機制解釋欠全面
土地利用是一個非常復雜的決策行為, 不同時空尺度上氣候變化和人類活動對土地利用的貢獻程度不同, 同樣的驅動力在不同地區、不同時期的驅動作用也會不同, 尤其在氣候頻繁多變、生態脆弱、經濟不夠發達的北方農牧交錯帶地區。目前關于驅動力-界線變遷的因果機制的研究, 大都集中在時間尺度, 對于空間尺度和參與者尺度的分析還比較欠缺, 而且缺乏不同尺度上驅動力的差異分析。從大時空尺度而言, 氣候控制著農作物與牧草的生長范圍;從小時空尺度而言, 北方農牧交錯帶的土地利用決策因時、因地、因人而異, 目前研究對氣候變化-界線變遷的因果機制, 通過分析作物和牧草的生長來實現;但是對人類活動-界線變遷的因果機制解釋不夠全面, 既沒有數據定量顯示, 也沒有合適案例說明。因此, 關于氣候變化和人類活動與界線變遷的因果關系還需深入研究。
4、研究展望
1) 多要素的綜合定義
北方農牧交錯帶展示出從自然到人類活動的過渡特征, 是氣候、土壤、海拔等自然因素空間過渡和社會、經濟、人口等人類活動空間響應的綜合體現。因此, 北方農牧交錯帶的定義應當在綜合考慮自然因素與人類活動影響的基礎上, 因地制宜地選擇合適變量, 結合地理信息系統、遙感、模型模擬等方法, 根據變量在時空尺度上呈現的結構、數量與空間梯度, 確定北方農牧交錯帶的合理范圍。
嚴格而言, 北方農牧交錯帶的界線并非一條將農、牧業截然分開的線, 而是具有一定寬度的過渡帶, 因此北方農牧交錯帶界線劃分可以將緩沖區的概念納入考慮。在充分考慮了理論基礎后, 界線劃分時盡量讓機器遵循數據驅動規則, 避免人為主觀判斷的影響。
2) 驅動力研究的定量化
為全面了解北方農牧交錯帶界線波動的機制, 應進行北方農牧交錯帶界線變遷驅動力的定量分析, 探究農牧用地變化的內在機理[8,16]。以氣候變化和人類活動對北方農牧交錯帶界線驅動的因果關系為理論基礎, 借鑒差值比較法的思路[53], 采用模型分析, 結合當地植被生長參數, 以農業氣候資源能夠滿足農牧用地的潛在分布為依據, 模擬不考慮人類活動影響, 只考慮氣候變化的北方農牧交錯帶的潛在適宜界線, 以其變遷表征表示氣候變化對北方農牧交錯帶界線變遷的貢獻率, 潛在適宜界線與實際界線波動的方向與強度的差別則代表著人類活動對界線變遷的貢獻率。在得出氣候變化與人類活動對北方農牧交錯帶界線變遷的整體貢獻程度的基礎上, 結合格蘭杰檢驗, 確定氣候變化與人類活動各具體要素與界線變遷因果關系, 從機理驅動過程出發, 借助機理模型分析與統計模型分析相結合, 進一步探討各具體要素的貢獻率。
3) 高時空分辨率數據的搜集
繼續補充歷史時期代用證據, 完善數值模擬、校準與驗證的方法, 提高數據的時空分辨率, 為氣候變化和人類活動的驅動作用的定量化提供支持。對北方農牧交錯帶界線波動的近現代過程而言, 收集多源數據, 諸如遙感、統計、問卷調查和地塊試驗數據等, 尤其注意補充一手數據, 以方便分析農牧業轉變與生物-地理-自然屬性、農戶經濟特征的關系, 從不同角度理解人類活動對土地利用的過程。除此之外, 繼續完善人類活動數據空間化的合理方法。
4) 深層次的因果關系解釋
氣候-人類-土地利用之間的相互作用具備復雜的非線性響應特征, 氣候變化與人類活動對北方農牧交錯帶界線變遷的驅動, 是對這一復雜過程的表象體現。定性描述對應現象的互動關系雖對適應氣候變化、恢復生態平衡有一定的啟示作用, 但不能展現驅動力與結果之間的黑箱或灰箱內容, 尚不足從機制的角度為人類調整自身行為提供借鑒[12]。深層次的因果關系的解釋需要建立在深入了解驅動力-界線變遷因果理論的基礎上, 剖析不同時期、不同區域的合適案例, 調查和分析利益相關者 (政策制定者、土地利用決策者等) 個體與群體對氣候變化、社會、經濟、技術等因素影響的認知和響應, 結合其心理過程, 深入解釋氣候變化和人類活動對界線變遷的相互作用過程, 而不是單純地就模型或統計的結果給出脫離實際地理意義的片面解釋。
5、結論
中國北方農牧交錯帶處于多要素復合過渡區, 氣候變化與人類活動共同驅動著其界線的變遷。基于國內外相關研究, 總結了不同視角下北方農牧交錯帶的定義方法, 主要基于代用證據、野外調查、氣候要素、土地利用要素和綜合指標。就北方農牧交錯帶界線變遷的驅動力而言, 氣溫、降水是導致北方農牧交錯帶界線變遷的主要氣候變化要素, 表現為暖濕期界線北移, 冷干期界線南擴;政策、人口、經濟、宗教、飲食結構等是影響北方農牧交錯帶界線變遷的主要人類活動要素。氣候變化與人類活動對界線變遷的定量貢獻的研究方法主要有相關分析、回歸分析、格蘭杰因果檢驗、小波分析、方差分解及冗余分析等。目前研究還存在定義不統一、方法、數據以及機制解釋欠全面等問題。未來還需從多要素的綜合定義, 驅動力研究的定量化, 高時空分辨率數據的搜集以及深層次的因果關系解釋等方面進行研究。
中國鄉村發現網轉自：農業工程學報2018年20期
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