中國北方農牧交錯帶水資源問題薈萃分析

裴宏偉 王飛梟 張紅娟* 楊 佳

(1.河北建筑工程學院 市政與環境工程系，河北 張家口 075000；2.河北省水質工程與水資源綜合利用重點實驗室，河北 張家口 075000)

0 引 言

全球氣候變化的持續演變對生態脆弱區以及生態交錯帶的影響最為深遠[1-2].中國北方農牧交錯帶作為中國北方種植業文明與畜牧業文明的生態交錯帶，近幾十年發生了深刻的水熱條件演變，并給本地區的生態—社會可持續發展帶來了明顯的影響[3].中國北方農牧交錯帶沿“東北—西南”方向橫貫中國北方(圖1)，是阻擋渾善達克沙地和科爾沁沙地南侵華北以及東北南部的重要生態屏障[4、5]，是海河、灤河、遼河和錫林郭勒河等河流的發源地，還是首都地區重要的水源涵養區[6].此外，該地區社會經濟長期發展滯后并導致大面積的深度貧困區，成為我國實現全面協調發展的關鍵攻堅地區.生態屏障、水源涵養與發展滯后是中國北方農牧交錯帶的三大階段性歷史特征.

在中國北方農牧交錯帶上，由于各種環境因子、生物種群均處于相變的臨界狀態[7-8]，使得生態交錯帶不論是對于自然的氣候變化還是人類的干擾均具有極端的敏感性，是生物多樣性研究、全球環境變化研究與可持續發展研究重點關注的地區[9、10、11].中國北方農牧交錯帶的邊界處在動態變化中，一般認為其面積約在60～70萬km2左右[12、13、14]，既是中國面積最大的生態交錯帶，也是世界四大農牧交錯帶之一[15、16].長期以來，中國北方農牧交錯帶農牧結構失衡、水資源過度開發，資源環境壓力越來越大，發展不可持續的問題越來越突出，是當前推進農業結構調整的重點難點[17]，也是我國生態問題最為嚴重的地區之一[18].趙松喬于1953年[19]考察察哈爾省和錫林郭勒盟的經濟地理情況時，提出并明確了農牧交錯帶的概念、界限、范圍和基本特征[20].近幾十年，程序[21]、趙哈林[15]、吳貴蜀[22]等陸續從植被特征、經濟形態、文化特征等不同方面指出了中國北方農牧交錯帶內基本植被、經濟結構和農耕游牧文化的過渡特征[23].本研究中所指“中國北方農牧交錯帶”，如無特別說明，均為中國農業部農計發[2016]96號文件中所列縣區[17]，分為長城沿線沙化退化地區(武川縣等77個縣)、黃土丘陵溝壑地區(河曲縣等44個縣)和京津冀水源涵養地區(承德縣等25個縣).

圖1 中國北方農牧交錯帶位置圖[17]

1 主要水資源問題及水資源演變

1.1 暖干化持續發展

中國北方農牧交錯帶是對全球變化反應十分敏感的生態系統過渡帶[24].在全球變暖的氣候背景下，中國北方農牧交錯帶持續暖干化現象突出，干旱災害頻發，極端氣候事件增多[25].氣溫方面，農牧交錯帶近50年增暖現象顯著(表1)，不僅增暖幅度大于中國陸地與全球陸地增暖的平均水平，且其年均溫的增加主要來自于冬季增溫的貢獻，與中國和全球陸地溫度變化的形勢一致[25].范錦龍等[26]曾指出農牧交錯帶的中部區域增溫顯著，但增溫幅度存在季節差異；董滿宇等[27]、李敏敏和延軍平[28]分析華北段農牧交錯帶的溫度變化特征時，發現氣溫在1987年發生了由冷到暖的突變.降水方面，農牧交錯帶降水穩定性差[29]，同時，降水在年代際尺度上波動減少的特征被國內外大部分學者認同并證實(表1).閆冠華等[30]指出農牧交錯帶年降水量近50年略有減少，李棟梁和呂蘭芝[31]認為農牧交錯帶持續暖干化的特征，目前尚無轉濕跡象.劉瞳等[32]預測農牧交錯帶少水期的持續時間可能達10年以上.

表1 近60年中國北方農牧交錯帶氣溫降水變化趨勢

1.2 農業用水激增，水資源過快消耗

水是中國北方農牧交錯帶最關鍵的生態因子[38]，但人類不合理的農業墾殖會導致自然系統原有的水平衡被打破，進而引發生態系統的退化[39].尤其是20世紀90年年代以后，憑借冷涼的氣候和對地下水的超采，集約化錯季蔬菜被作為區域特色優勢產業[40]，在中國北方農牧交錯帶中東部地區迅速發展(主要集中于赤峰、通遼、烏蘭察布和張家口壩上等地)[41-42].在一些地下水開采條件較好、地勢平坦、土壤較肥沃的地區，以春小麥、莜麥為主的傳統雨養農業逐漸被集約蔬菜替代.不可否認，這種高水高肥的集約蔬菜種植模式在特定的歷史時期有力促進了本地區農民的增收致富，但是中國北方農牧交錯帶多年平均年降水量只有300～450 mm，且年際、年內分布高度不均[43]，因此需要大量超采地下水才能維持蔬菜作物生長，如大白菜的年灌溉用水量可達900 mm[44]，隨之而來的是日趨嚴重的地下水超采問題[45-46].

據統計，內蒙古赤峰、通遼、烏蘭察布3盟市1990-2013年蔬菜播種面積和總產量分別增加了336%和547%，蔬菜占農作物總播面比重也由1.5%增至6.1%[47-48]，并在蔬菜種植區引發了嚴重的地下水超采[45].在河北壩上(康保、張北、尚義和沽源四縣)，1990年以前蔬菜產量比較穩定，之后隨著反季節蔬菜的興起，有效灌溉面積和蔬菜產量快速增加：1990～2016年蔬菜播種面積和產量分別增加了206%和597%(圖2，數據源自1991～2017年河北農村統計年鑒、張家口經濟年鑒2015/2017)，蔬菜占農作物總播面的比重也由3.7%增至15.4%[49-50].近三十年，河北省壩上地區地下水開采強度由0.26萬m3·km-2增加至3.26萬m3·km-2[34]，區域整體的地下水開采率達60%[51]，個別蔬菜種植區地下水位平均降速達0.9 m·a-1[52]，堪比地下水超采極為嚴重的太行山山前平原[53].此外，中國北方農牧交錯帶作為我國中東部重要的生態屏障和水源涵養區，但是目前這一重要的生態服務功能也因地下水超采所致的防護林死亡、湖泊萎縮干涸等生態問題而受到直接的威脅[54].另外，根據GRACE重力衛星的地下水儲量動態結果(2003～2016年，https://ccar.colorado.edu/grace/gsfc.html)，中國境內除華北平原、新疆天山南北和喜馬拉雅山脈沿線存在快速的地下水超采以外，中國北方農牧交錯帶這一條帶狀區域的地下水消耗速率也有十分明顯，大部分地區的年均地下水位消耗速率在2～4 cm·a-1(圖3).地下水位快速下降繼而引發的安固里淖等湖泊的干涸、三北防護林的大面積死亡等生態問題[52]，已成為中國北方農牧交錯帶生態保護與建設的當務之急.

圖2 北方農牧交錯帶河北壩上近60年灌溉面積及蔬菜產量變化

注：圖中灰色細線為區內單個重力衛星象元的地下水等效水深變化，共30個象元

1.3 農業面源污染導致整體水環境污染風險加大

20世紀90年代以后在中國北方農牧交錯帶興起的集約化蔬菜業，嚴重依賴水肥投入并導致地下水污染.據統計，1990～2013年內蒙古蔬菜產量前三位的赤峰、通遼、烏蘭察布三盟市化肥施用總量增加了715%[47-48]；同期，河北壩上農用化肥施用總量增加了302%[49-50]，而這些化肥大多用于集約蔬菜種植區.高強度的化肥投入與灌溉，共同構成對地下水的巨大污染風險.盡管目前關于中國北方農牧交錯帶集約蔬菜種植污染地下水的研究還鮮見報道，但是作者在河北壩上張北縣和康保縣的調查結果顯示：隨機調查的蔬菜種植區淺層地下水樣品中(18個采樣點,地下水位埋深20—40 m，調查覆蓋范圍約20 km2)，硝酸鹽超過10 mg NO3--N·L-1的比例達到80%以上，地下水污染形勢極為嚴峻，需盡早綢繆.

1.4 水生態退化導致水源涵養功能弱化

土地利用變化伴隨中國北方農牧交錯帶的整個開發過程.本地區最早的農業文明可以上溯至公元前8000～7000年的興隆洼文化時期[55].歷史上，中國北方農牧交錯帶內種植文明與游牧文明彼此交融，草地、耕地此消彼長，整體上保持了一定的穩定性.新中國成立以來，地處中國北方農牧交錯帶中部核心區的冀北高原(壩上地區)耕地面積占比先升后降，一度占到國土面積的43%[56]，多年平均自產地表水資源量約為2.34億m3.1980年以來特別是1990年以后，區內相當一部分地區為了片面追求眼前的經濟利益，大面積種植反季節蔬菜，大量抽提地下水用于灌溉，特別是張北縣，近20年地下水位的下降速率最快可達0.33 m·a-1，灌溉過程中還伴隨著大量的化肥投入，土地資源和水資源的不合理開發利用，給區域的環境健康和生態平衡帶來了嚴重的威脅.而另一方面，由于天然林保護工程、退耕還林還草工程等生態治理工程的實施，部分地區的植被又得以恢復和發展.由于上述兩個方面的原因，區內水資源環境狀況以土地利用變化為表現形式，發生了復雜而深刻的變化.劉軍會和高吉喜[57]對中國北方農牧交錯帶的植被覆蓋度研究后發現，1986～2000年間高蓋度面積減少而低蓋度面積增加，并且與氣溫降水變異密切相關.孔萌等[8]以我國中國北方農牧交錯帶中段烏蘭察布市為例，1990～2010年耕地總面積先增加后減少趨勢，主要是受農業開墾和國家退耕還林還草政策的影響.Qi等[58]利用遙感手段分析了陜北農牧交錯帶土地退化的時空特征，指出1986—2003年該地區土地退化范圍有所擴大，但退化的嚴重性有所下降.陳云浩[12]分析了1989～1999年土地利用格局的變化，結果顯示耕地與鎮建設用地持續增加，草地和水體面積持續減少，林地則在整體增加的趨勢下表現為先升后降.土地利用類型的這種變化加大了水土流失風險，退耕還林還草政策雖然發揮著積極作用，但是整體上土地退化問題仍然存在，區域內的水源涵養能力依然很弱.最近Wei等[59]的研究則發現耕地面積繼續增加，林地、草地先升后降，水體面積持續增加.這些研究共同表明中國北方農牧交錯帶水資源量對人類活動和氣候變化的影響十分敏感，但不一定成正相關關系.

2 水資源演變的主要驅動力

2.1 然驅動力

自然驅動因子是中國北方農牧交錯帶水資源演變的物質基礎.由于地質、地貌、土壤等自然驅動因子在短時期內不會有太大變化，因此氣候往往成為自然因素中影響域內水資源演變的主要因素[60].而氣候因素中，又以氣溫和降水為主要影響因子，是水資源形成、演變及遷移的重要條件.根據中國氣象數據共享網的資料統計，近70年(1951～2017年)來，中國北方農牧交錯帶年均氣溫持續升高，域內94%的站點增勢顯著(達0.01顯著性水平)，平均增速約0.32℃·10a-1.而在降水方面，大部分地區(71%)降水呈減少趨勢，年均降水變率大多約20%～25%[61].在中國北方農牧交錯帶僅東段水勢條件相對較好，并且大部分地區的水資源來自降水，而區域內蒸發量大降水量少，使得自然水循環過程的水量補給虧缺，自產水資源量不足.在氣候暖干化影響下，中國北方農牧交錯帶的氣候界線向東南移動[62]，域內界線變幅在西北地區最小，東北地區最大，氣候貢獻在西北段約為1.1%～16.8%[13].這種水資源與氣候分界變化分布的重疊，可能會加大區域內水資源時空分布的差異.于此同時，氣候變化不僅構成了水資源、土地利用和覆被等變化的環境背景[53]，并進一步導致人類活動驅動下水—經濟—生態關系的惡性循環[63]，使得中國北方農牧交錯帶的水資源和生態系統內部結構不穩定以及外部脅迫下的生態功能降低，如濕地因缺水嚴重而退化，草原鹽堿化、沙化等土地退化現象的普遍出現.

2.2 人類活動驅動力

環境因子間的交互作用及其動力過程是地球表層演變的主要驅動力，但是農業活動、城市建設等人類活動加劇了這種動力過程.近幾十年，由于人口壓力增加、耕作方式變化以及農業開發政策等因素，中國北方農牧交錯帶的農業生產活動不斷向西北移動.與此同時，受氣候變化[64-66]特別是人類活動影響，中國北方農牧交錯帶的生態系統服務價值在空間上呈現由東南向西北遞減分布[62].伴隨科學技術的進步，域內生產方式由單一牧業向較復雜的農牧交錯系統轉變，土地利用呈現過渡性、波動性特征，不穩定的人類活動方式對水資源等生態要素造成了明顯的沖擊與破壞[67].以內蒙古自治區為例，該區2004～2014年耕地面積增加212萬hm2，2005年有效灌溉面積約244.1萬hm2，相比1996年增加了61.4%.在必然的經濟社會發展背景下，用水需求持續加大，內蒙古自治區2015年總用水量達185.8億m3，占全國總用水量的3.04%[68]；同時，由于全區的經濟發展存在區域性，并且區域間的水源結構不同，區域用水差異大，出現用水量與水資源分布的錯位，造成區域水資源的供需矛盾加劇.中國北方農牧交錯帶水資源貧乏，時空分布不均勻，大部分地區水資源來源于降水，但因蒸發多降水量少使其難以形成地表徑流以及補給地下水.王靜愛等[69]研究指出20世紀90年代中國北方農牧交錯帶的土地人口負荷相比20世紀50年代增加了1倍，人口密度在100～300人·km-2的旗縣個數增加迅速(約4倍).在水資源稟賦不足及區域差異大的自然背景下，中國農牧交錯帶人口的過快增加與生活水平的逐漸提高，使對水資源的需求迅速膨脹，特別是對河流上、中游水資源量的過度消耗[63]，致使下游徑流量減少，農牧交錯帶河湖萎縮，濕地嚴重退化.農牧交錯帶惡劣的自然條件決定了其水資源系統潛在的脆弱性，不合理且強烈的人為活動干擾與破壞則將這一潛在威脅顯化甚至加深.

3 結 語

中國北方農牧交錯帶是草地農業和耕地農業相交錯的重要的農業發展空間，也是是中東部地區特別是首都地區重要的生態安全屏障和水源涵養帶，在國家整體的生態文明建設和生態安全保障中具有不可替代的重要戰略地位.然而，正如農業部《關于中國北方農牧交錯帶農業結構調整的指導意見》中指出的那樣“長期以來，中國北方農牧交錯帶農牧結構失衡、水資源過度開發，發展不可持續的問題越來越突出，資源環境壓力越來越大，尤其是水資源開發強度已近極限”.本文在綜述大量研究文獻后，認為中國北方農牧交錯帶農牧業的可持續發展需要以水資源等自然資源條件為依據，重點彌補以下不足：

(1)加強機制性、系統性的生態水文過程研究.中國北方農牧交錯帶在生態系統和農業經濟上的獨特性歷來受到學術界的重視，被認為是研究群落界面作用、物種多樣性和對全球變化響應的理想地帶[70].水資源演變研究涉及生態學、自然地理學、環境科學與資源利用等眾多學科，內容廣泛.由于水資源演變過程復雜多樣，水環境治理困難，加上前期論證和規劃的不足以及域內自然條件特殊，因此在今后的地區建設中，要因地制宜，以各地區水資源、土地資源、氣候資源和生物資源為基礎資源限制條件，集成已有的理論基礎及相關學科成果，開展多學科聯合研究，詳細闡明林—草—田等不同生態系統耗水過程，闡釋生物多樣性的維持機制，科學評估生態系統生態服務價值，以及明確關鍵環境因子對生態系統演變的影響機制等科學問題，為全面提升中國北方農牧交錯帶的生態服務功能提供堅實的科學支撐.

(2)以水資源為限定條件，對山、水、林、田、湖、草、沙進行科學規劃和統籌配置.中國北方農牧交錯帶是中東部地區重要的生態安全屏障和京津冀地區重要的水源涵養帶，具有巨大的生態價值.然而目前由于高強度的農業開發，對水資源、土地資源形成了掠奪式的利用，已經使得生態系統服務難以繼續維持.長期以來，植樹造林被作為生態建設的主要措施，特別是在一些水分條件較差地區，需要通過人工灌溉保證苗木的存活，浪費了大量寶貴的水資源.因此，本地區生態建設的內涵需要廓清，植樹造林的綜合生態效應亟待系統評價，應當停止在水分限制區盲目擴大植樹造林面積的做法，應當按照水資源等自然資源條件，以自然修復為主，對山、水、林、田、湖、草、沙進行統籌配置.

(3)開展生態—經濟—社會綜合治理，實現生態保育與經濟社會的協同發展.中國北方農牧交錯帶土壤貧瘠、氣候波動，加上經濟基礎薄弱，產業結構落后，經濟活動多為掠奪式，人的發展需求與自然資源稟賦的不足形成了激烈的沖突，使該地成為世界矚目的深度貧困地區.基于自然環境條件及人類社會經濟可持續發展的考慮，該地區應通過建立國家生態補償機制，有效縮減農業生產強度，將發展重心轉移到于維護“山水林田湖草沙綜合體”的生態平衡上.在此基礎上，以特色、高附加值種植業和畜牧業發展為主導，引進現代農業科技技術，形成低環境影響、高經濟價值的新型產業結構，實現經濟效益、社會效益和生態效益的共贏，以獲得更高的社會綜合效益，最終實現水資源可持續利用與社會經濟全面協調可持續發展.