北方农牧交错带中心支轴式灌溉模式对水土资源的影响

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00204

摘要/Abstract

摘要：

北方农牧交错带（NCAPE）作为中国生态安全屏障与农牧生产核心区，面临水资源短缺、粮食安全与土地退化等多重压力。本研究跟踪2000年以来NCAPE半干旱沙地天然草原（NG）向典型农牧种植系统的转型过程，对中心支轴式灌溉（CPI）模式下的常规喷灌面（SIA）和潜在沙漠化喷灌面（DL）进行调查，揭示CPI模式驱动的土地利用变化对区域水土资源的深层影响。结果表明：（1）CPI规模化推广显著提升植被生产力（NDVI年增0.011），但加剧地下水超采风险，其中地下水深埋深组（>20 m）年均水位净降幅（ΔGD=0.67±0.05 m），显著高于浅埋深（GD≤10 m）和中埋深组（10 m<GD≤20 m）。（2）CPI系统驱动土地资源利用强度提升。燕麦喷灌区生物量碳（206.2 g·m^-2）、氮（14.7 g·m^-2）、磷（2 092.8 mg·m^-2）含量显著高于NG，且1 m土层深度的氮密度显著增加。（3）DL土壤有机碳和全氮含量、有机碳密度显著低于NG。未来农业集约化须协同“水沙”双约束，通过种植结构优化、灌溉制度精准调控，构建与区域“水沙”平衡相匹配的现代化农牧体系，保障NCAPE生态屏障功能与粮食安全协同发展。

关键词: 人工草地, 地下水埋深, 灌溉, 土地利用, 半干旱沙地

Abstract:

The Northern China Agro-Pastoral Ecotone （NCAPE）， a critical zone for ecological security and agro-pastoral production， faces multiple pressures including water scarcity， food security challenges， and land degradation. This study investigates the profound impacts of land-use changes driven by center-pivot irrigation （CPI） systems on regional soil and water resources， focusing on the transition from natural grasslands （NG） to cultivated pastures in semi-arid sandy areas. Results include：（1） Groundwater depletion： large-scale CPI adoption significantly enhanced vegetation productivity （NDVI yearly growth rate： 0.011， P<0.05） but exacerbated groundwater over-extraction. Deep groundwater levels （>20 m depth） exhibited an annual net decline （ΔGD=0.67±0.05 m）， significantly greater than in shallow （≤10 m） and intermediate （10-20 m） aquifers （P<0.05）. （2） Enhanced land productivity： CPI systems intensified land resource utilization. Oat-irrigated plots showed significantly higher biomass carbon （206.2 g·m⁻²）， nitrogen （14.7 g·m⁻²）， and phosphorus （2 092.8 mg·m⁻²） densities compared to NG. Nitrogen density in the 1-m soil profile also increased markedly （P<0.05）. （3） Desertification risks： potentially desertified CPI plots （DL） had significantly lower soil organic carbon， total nitrogen content， and organic carbon density than NG （P<0.05）， even under fertilization. Future agricultural intensification must address dual constraints of water and sand dynamics through optimized crop structures and precision irrigation management. Building a modern agro-pastoral system aligned with regional water-sand equilibrium is essential to harmonize ecological security and food production in the NCAPE.

Key words: cultivated grassland, groundwater depth, irrigation, land use, semi-arid sandy land

中图分类号:

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图/表 8

图1 研究区位置注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2020）4619号）制作，底图边界无修改

Fig.1 The location of the study area

表1 不同年份中心支轴式灌溉系统的新建数目

Table 1 Development process of center-pivot irrigation system

年份	新井数量	占比/%	累计数目	年份	新井数量	占比/%	累计数目
2005	8	0.5	8	2017	573	34.5	1 468
2006	14	0.8	22	2018	41	2.5	1 509
2008	11	0.7	33	2019	54	3.2	1 563
2010	15	0.9	48	2020	49	2.9	1 612
2013	539	32.4	587	2022	17	1.0	1 629
2015	308	18.5	895	2024	33	2.0	1 662

图2 中心支轴式灌溉区2000—2024年归一化植被指数（NDVI）变化趋势注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2020）4619号）制作，底图边界无修改

Fig.2 Trend of Normalized Difference Vegetation Index in center-pivot irrigation zone from 2000 to 2024

图3 2022—2025年地下水埋深动态变化（ΔGD）注：不同小写字母表示差异显著，P<0.05

Fig.3 Groundwater depth dynamics from 2022 to 2025

图4 地上生物量和生物量碳、氮、磷密度（置信水平α= 0.05）注：不同小写字母表示差异显著，P<0.05

Fig.4 Aboveground biomass and biomass densities of carbon， nitrogen and phosphorus

图5 不同灌溉年限与土地利用方式下的土壤物理性质变化（置信水平α= 0.05）注：NG，天然草地；SIA，支轴式灌溉；DL，潜在沙漠化喷灌面。不同小写字母表示差异显著，P<0.05

Fig.5 Change in soil physical properties under different irrigation durations and land use types

图6 不同灌溉年限与土地利用方式下土壤化学性质及碳氮磷密度变化（置信水平α= 0.05）注：NG，天然草地；SIA，支轴式灌溉；DL，潜在沙漠化喷灌面。不同小写字母表示差异显著，P<0.05

Fig.6 Change in soil chemical properties and carbon-nitrogen-phosphorus densities under different irrigation durations and land use types

图7 中心支轴式灌溉区水资源可利用性（WA）的变化趋势（α=0.05）注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2020）4619号）制作，底图边界无修改

Fig.7 Trend of Water Availability in center-pivot irrigation zone since 2000

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