張子凡， 張海燕， 劉曉煌， 吳浩然， 劉淑亮， 柳曉丹

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地理與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101； 3.中國地質(zhì)調(diào)查局綜合調(diào)查指揮中心，北京 100055;4.中國地質(zhì)調(diào)查局煙臺海岸帶地質(zhì)調(diào)查中心，山東 煙臺 264004;5.自然資源要素耦合過程與效應(yīng)重點實驗室，北京 100055)

0 引言

華北地區(qū)是中國七大地理分區(qū)之一，包括北京、天津、河北、山西和內(nèi)蒙古等眾多省份，同時包括黃土高原、華北平原和內(nèi)蒙古草原等眾多區(qū)域，有著豐富且復(fù)雜的自然資源。華北平原是我國的糧食主產(chǎn)區(qū)之一，華北地區(qū)的京津冀也是我國經(jīng)濟(jì)最有活力的地區(qū)，華北地區(qū)各類自然資源的合理開發(fā)利用對中國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[1-2]。

區(qū)劃是對自然資源科學(xué)認(rèn)識評價和合理優(yōu)化管理的關(guān)鍵[3]，對于華北地區(qū)的自然區(qū)劃，1958年黃秉維在《中國綜合自然區(qū)劃草案》[4]中提出其服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，將華北地區(qū)主要劃分為溫帶濕潤地區(qū)和溫帶半濕潤地區(qū)。1983年趙松喬提出的《中國綜合自然地理區(qū)劃的一個新方案》[5]中將華北地區(qū)的區(qū)劃命名為華北濕潤半濕潤暖溫帶地區(qū)，同時該區(qū)域被分為4個自然區(qū)。但這些區(qū)劃方式限制于時代背景，主要服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，沒有兼顧到各個自然資源間相互聯(lián)系和自然生態(tài)的平衡。2019年刁興良[6]利用GIS技術(shù)采用多元網(wǎng)格化數(shù)據(jù)并通過聚類分析算法來對華北平原種植區(qū)進(jìn)行區(qū)劃以便提高資源利用效率，但是僅僅區(qū)劃的是種植耕地區(qū)域，沒有兼顧各類自然資源之間的關(guān)系，比如林耕資源和水耕資源間的關(guān)系。自新中國成立以來比較成熟的區(qū)劃有生態(tài)[7]、氣候[8]、地理[9-10]等區(qū)劃和森林[10-11]、草地[12]、中國海岸帶[13]等單項自然資源區(qū)劃。這些區(qū)劃存在空間分區(qū)疊置、年代較為陳舊等問題，不能滿足新時代自然資源觀測與研究需求，同時單一資源的區(qū)劃和傳統(tǒng)地理區(qū)劃不符合新時代山水林田湖草是生命共同體的理念[14]。所以進(jìn)行自然資源綜合區(qū)劃既是對當(dāng)前單一自然資源區(qū)劃和傳統(tǒng)自然地理區(qū)劃的有益補(bǔ)充，也是對自然資源家底認(rèn)知和新時代經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的迫切需求[14-15]。張海燕等[16]按照主體性、整體性、多尺度、等級性和發(fā)展性五大原則，嘗試并提出了自然資源綜合區(qū)劃的技術(shù)方案，并初步完成對全國自然資源的一級劃定，將全國共分為7個一級自然資源大區(qū)(其中華北地區(qū)主要劃分和命名為華北草耕自然資源大區(qū))，在使用方法上有很大的突破，奠定了自然資源綜合區(qū)劃的基礎(chǔ)，但是只進(jìn)行了一級區(qū)劃，沒有進(jìn)一步劃分。華北草耕自然資源大區(qū)大部分位于華北地區(qū)，同時包含了幾乎整個華北地區(qū)，包括北部畜牧業(yè)區(qū)和南部的農(nóng)耕區(qū),是我國重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域。同時該大區(qū)南北自然資源分布情況有顯著差異，對這個大區(qū)開展進(jìn)一步的區(qū)劃能更清晰地了解華北地區(qū)自然資源分布情況，也是自然資源精細(xì)化管理的需求，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃和自然資源綜合管理具有重要的意義。

本文通過已有的研究結(jié)果，對《中國自然資源綜合區(qū)劃理論研究與技術(shù)方案》[16]中的一級區(qū)劃劃分出的華北草耕自然資源大區(qū)，基于華北地區(qū)的區(qū)域狀況選取各類指標(biāo)和權(quán)重，進(jìn)一步進(jìn)行二級和三級區(qū)劃，有助于實現(xiàn)對華北地區(qū)自然資源更科學(xué)的認(rèn)識和更合理的管理； 同時對華北地區(qū)各個區(qū)域的資源類型占比以及1990—2018年陸表資源類型變化進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域是張海燕等《中國自然資源綜合區(qū)劃理論研究與技術(shù)方案》[16]中劃分出的華北草耕自然資源大區(qū)(圖1)。華北草耕自然資源大區(qū)地理范圍主要包括河北省、山東省、北京市、天津市以及內(nèi)蒙古東部、河南、安徽和江蘇省北部地區(qū)，同時包含北京市松山、天津市八仙山、河南省黃河濕地等多個自然保護(hù)區(qū)。該大區(qū)面積約118.47×104km2，占全國陸地總面積的12.50%。該大區(qū)地形以平原為主，植被以暖溫帶落葉闊葉林、暖溫帶森林草原為主，耕地資源豐富，是我國冬小麥的主要產(chǎn)區(qū)。大區(qū)北部及西部地區(qū)為高原和山地，植被類型以草原為主，2018年的全區(qū)草原資源面積為42.33×104km2，占該大區(qū)總面積的38.5%。南部地區(qū)為大面積平原，平原多沼澤、低洼地，平原主要的農(nóng)作物為小麥、玉米、高粱、水稻、谷子等，經(jīng)濟(jì)作物為花生、棉花、大豆和芝麻等，大區(qū)日照充足，光資源豐富，農(nóng)作物大多兩年三熟，最南端地區(qū)可達(dá)一年兩熟，2018年，全區(qū)耕地資源面積為39.57×104km2，占該大區(qū)總面積的33.4%。

圖1 研究區(qū)地理位置及土地類型

2 自然資源綜合區(qū)劃方案

2.1 數(shù)據(jù)源

自然資源綜合區(qū)劃是多指標(biāo)的空間區(qū)劃，數(shù)據(jù)來源眾多，本文根據(jù)主要自然資源特點，建立包含地形地貌、氣候條件、植被狀況、流域要素、土壤要素和基礎(chǔ)地理等指示環(huán)境自然屬性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，以及耕地、森林、草原、水體與濕地、建設(shè)用地和荒漠等7大類資源空間分布的專題數(shù)據(jù)庫來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)、歸一化差分植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)、流域和陸地生態(tài)系統(tǒng)空間分布等數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心； 植被凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Producty, NPP)是根據(jù)NDVI采用光能利用率模型(Carnegie Ames Stanford Approach, CASA)模擬出的數(shù)據(jù)； 氣象數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)注冊與出版系統(tǒng)。

2.2 區(qū)劃技術(shù)方法

自然資源綜合區(qū)劃不同于以往直接以行政區(qū)劃作為基本單元的區(qū)劃方法，基于所獲取的數(shù)據(jù)精度，綜合考慮自然環(huán)境、地域差異、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等客觀條件，采用網(wǎng)格法平均劃分華北草耕自然資源大區(qū)，然后對各個單元進(jìn)行空間劃分，以像元尺度為區(qū)劃最小單元進(jìn)行區(qū)域劃分。本文區(qū)劃采用基于歐氏距離的K平均聚類算法對自然資源綜合指數(shù)進(jìn)行空間聚類劃分。具體方法流程分4部分。

(1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。對不同數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，采用模糊線性分類函數(shù)將各個指數(shù)線性的轉(zhuǎn)化為0～1的范圍內(nèi)。

(2)計算各指標(biāo)權(quán)重。本文結(jié)合各個指標(biāo)的空間分布和其對自然資源的相對重要性，利用主成分分析法與層次分析法確定各指標(biāo)的相對權(quán)重(表1)。

(3)空間聚類分析。將標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)乘以各自權(quán)重生成指標(biāo)加權(quán)圖，用于做聚類分析，利用ArcGIS軟件，基于歐氏距離的K平均聚類算法將中國自然資源進(jìn)行聚類，為區(qū)劃提供有力的數(shù)據(jù)。

(4)調(diào)整區(qū)劃界限。根據(jù)不同的聚類方案結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)類型和行政區(qū)域、地形地勢結(jié)構(gòu)，并以土地利用覆蓋分布格局為主導(dǎo)，劃分自然資源二級和三級區(qū)劃(圖2)。

表1 華北草耕自然資源大區(qū)區(qū)劃要素權(quán)重系數(shù)

圖2 自然資源綜合區(qū)劃流程

2.3 區(qū)劃結(jié)果

根據(jù)上述的方法，通過1990—2018年的各種要素數(shù)據(jù)，得出平均區(qū)劃結(jié)果，將華北草耕自然資源大區(qū)劃分為11個二級區(qū)域，在劃分的11個二級區(qū)域基礎(chǔ)上進(jìn)一步劃分為18個三級區(qū)域。二級區(qū)劃命名規(guī)則為“自然地理位置+地貌形態(tài)的組合特征+溫濕情況/氣候類型+自然資源一級類型+亞區(qū)”； 三級區(qū)劃命名規(guī)則為“具體自然地理位置+地貌形態(tài)的組合特征+自然資源二級類型+地區(qū)”[4]。劃分的11個自然資源亞區(qū)和18個自然資源地區(qū)及其命名如圖3所示。自然資源亞區(qū)和地區(qū)劃分以1990和2018年陸表資源分布以及1990—2018年陸表資源空間變化為底圖來劃分。

(a) 1990年 (b) 2018年 (c) 1990—2018年資源變化空間分布圖

3 區(qū)劃特征分析

3.1 華北草耕自然資源大區(qū)自然資源特征分析

華北草耕自然資源大區(qū)自然資源以草原和耕地為主。在自然資源空間分布上，該大區(qū)北部自然資源以草原為主，南部以耕地為主，中西部地區(qū)主要是草耕，中東部地區(qū)是森林(圖3)。在資源變化上該大區(qū)主要變化的自然資源是耕地、草原和建設(shè)用地(圖4)。1990—2018年該大區(qū)主要的自然資源變化是耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，約有6.21×104km2的耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，而建設(shè)用地轉(zhuǎn)換為耕地的面積只有約3.47×104km2，位于該大區(qū)南部。其他類型自然資源變化較大的是草原，約有2.97×104km2的草原面積減少，主要的變化是草原轉(zhuǎn)換為森林和耕地，凈轉(zhuǎn)換值分別約為1.11×104km2和0.82×104km2。其中草原轉(zhuǎn)換為森林的區(qū)域主要在內(nèi)蒙古自治區(qū)東，草原轉(zhuǎn)換為耕地的區(qū)域主要在內(nèi)蒙古自治區(qū)南(表3)。

圖4 華北草耕自然資源大區(qū)資源面積占比變化

表3 1990—2018年華北草耕自然資源大區(qū)自然資源動態(tài)變化轉(zhuǎn)移矩陣

3.2 二級區(qū)劃特征分析

華北草耕自然資源大區(qū)分為11個亞區(qū)，各資源配比變化如圖3和表4所示。以草原為主導(dǎo)資源的亞區(qū)有呼倫貝爾高原溫帶草原亞區(qū)、錫林郭勒盟高原東部溫帶草原亞區(qū)、大興安嶺南部溫帶林草亞區(qū)、烏蘭察布高原西部溫帶草原亞區(qū)、鄂爾多斯高原溫帶荒漠亞區(qū)和河套平原溫帶草耕亞區(qū)，位于該大區(qū)北部。以草耕為主導(dǎo)資源的亞區(qū)有內(nèi)蒙古高原東部溫帶草耕亞區(qū)，位于該大區(qū)中部，以耕地為主導(dǎo)資源的亞區(qū)有華北平原暖溫帶耕地亞區(qū)、魯東山地暖溫帶林耕亞區(qū)和魯中山地溫暖帶林耕亞區(qū)，位于該大區(qū)南部。以森林為主導(dǎo)資源的有華北山地丘陵暖溫帶林草亞區(qū)，位于該大區(qū)東部。另外水體與濕地資源主要分布在呼倫貝爾高原溫帶草原亞區(qū)，建設(shè)用地主要在華北平原暖溫帶耕地亞區(qū)和魯東山地暖溫帶亞區(qū)。荒漠面積較大的亞區(qū)主要有錫林郭勒盟高原東部溫帶草原亞區(qū)和河套平原溫帶草耕亞區(qū)。

各個亞區(qū)中1990—2018年土地利用類型空間變化如圖3(c)所示。由表3和圖4可知，該大區(qū)有大量耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，同時草原面積大幅度減少。其中耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地的區(qū)域主要位于華北平原暖溫帶耕地亞區(qū)(圖3(c))，該亞區(qū)耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地凈轉(zhuǎn)換值約為1.99×104km2，占整個大區(qū)耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地面積凈轉(zhuǎn)換值的72%; 在草原大面積減少的情況方面，草原主要轉(zhuǎn)換為了森林和耕地。草原轉(zhuǎn)換為森林的區(qū)域主要位于大興安嶺南部溫帶林草亞區(qū)，約占整個草原轉(zhuǎn)換為耕地面積的50%，草原轉(zhuǎn)換為耕地的區(qū)域主要位于呼倫貝爾高原溫帶草原亞區(qū)，凈轉(zhuǎn)換的面積約為0.10×104km2。在整體上草原與荒漠之間的變化處于動態(tài)平衡。但在河套平原溫帶草耕亞區(qū)北部有大片的草原轉(zhuǎn)換為了荒漠，可知各個亞區(qū)的各種資源占比、資源變化都有獨特的特點，也證明了區(qū)劃的合理性。同時區(qū)劃為典型地區(qū)自然資源認(rèn)識和管理提供了幫助。

表4 華北草耕自然資源大區(qū)二級分區(qū)概況

3.3 三級區(qū)劃特征分析

在二級劃分的基礎(chǔ)上進(jìn)行了三級區(qū)劃，1990—2018年各個自然資源地區(qū)資源空間分布和變化如圖3所示。由圖3可知，各個亞區(qū)劃分的不同自然資源地區(qū)主要資源占比不同，體現(xiàn)在第二主導(dǎo)資源上。較為顯著的有呼倫貝爾高原溫帶草原亞區(qū)劃分的呼倫貝爾高原高覆蓋草原地區(qū)、呼倫貝爾高原中覆蓋草原地區(qū)和呼倫貝爾高原灌木林高覆蓋草原地區(qū)第二主導(dǎo)資源分別是耕地、水體與濕地和森林。另外華北山地丘陵暖溫帶林草亞區(qū)劃分的華北山地丘陵有林地旱地地區(qū)和華北山地丘陵高覆蓋草地旱地地區(qū)主導(dǎo)資源不一樣，分別是森林和草原； 在資源變化上各個自然資源地區(qū)也有很大區(qū)別，呼倫貝爾高原中覆蓋草原地區(qū)有大量的耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，而呼倫貝爾高原灌木林高覆蓋草原地區(qū)大量的森林轉(zhuǎn)換為了耕地。同時該大區(qū)主要的資源變化是在華北平原暖溫帶耕地亞區(qū)，而華北平原暖溫帶耕地亞區(qū)中耕地資源轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地的主要地區(qū)是華北平原北部旱地地區(qū)，凈轉(zhuǎn)換值為1.22×104km2，約占整個亞區(qū)轉(zhuǎn)換值的65%。在河套平原草耕亞區(qū)中總體而言陸表資源變化不顯著，但分出的河套平原旱地地區(qū)中約有0.24×104km2的草原轉(zhuǎn)換為了荒漠，約占該地區(qū)總面積的12%。綜上所述，各個亞區(qū)劃分的不同地區(qū)中資源占比和資源變化都有差異，進(jìn)行三級區(qū)劃可以反映出各個地區(qū)的資源變化特征，有利于進(jìn)行精細(xì)化管理。

5 結(jié)論

(1)基于已經(jīng)完成的一級區(qū)劃劃分，按照相同的原則進(jìn)一步將華北草耕自然資源大區(qū)分為了11個自然資源亞區(qū)，并在此基礎(chǔ)上又分為了18個自然資源地區(qū)，為華北地區(qū)自然資源更細(xì)化地綜合管理提供幫助。

(2)在上述區(qū)劃的基礎(chǔ)上，完成了該區(qū)域內(nèi)自然資源空間分布特征以及自然資源動態(tài)變化特征的分析，得出該大區(qū)北部各個亞區(qū)主導(dǎo)資源主要是草地，南部是耕地，東部的華北山地丘陵暖溫帶林草亞區(qū)主導(dǎo)資源是森林。在資源變化上，1990—2018年該大區(qū)主要的資源變化是耕地和草原的變化，其中大量耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，變化的主要亞區(qū)是華北平原暖溫帶耕地亞區(qū)，約占整個大區(qū)變化的72%，同時亞區(qū)分出的華北平原北部旱地地區(qū)約占整個亞區(qū)變化值的65%。另外草原面積有大幅度減少的情況，主要變化是草地轉(zhuǎn)換為森林，主要位于大興安嶺南部溫帶林草亞區(qū)，資源變化占整個大區(qū)的50%； 同時草原和荒漠之間整體上變化不明顯，但在河套平原草耕亞區(qū)分出的河套平原旱地地區(qū)北部的典型區(qū)域中有大量的草原轉(zhuǎn)換為了荒漠，約占該地區(qū)的12%。

本文的區(qū)劃有利于對華北草耕自然資源大區(qū)進(jìn)行更好地認(rèn)識和管理，但是只進(jìn)行到了第三級區(qū)劃，有待更細(xì)致的研究和完善。另外，對三級區(qū)劃的自然資源特征分析只精確到了自然資源一級類型，沒有更進(jìn)一步的劃分，因此，自然資源二級類型的分布狀況和變化特征有待進(jìn)一步研究。