中国沙漠
img

官方微信

高级检索
作者投稿 专家审稿 编辑办公

中国沙漠, 2025, 45(4): 85-95 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00204

北方农牧交错带中心支轴式灌溉模式对水土资源的影响

连杰,1,2, 冯静1,2, 苏娜,1,2, 刘尚华4, 张雷5, 王新源2,3, 张蕊1,2, 吴明润2,3

1.中国科学院西北生态环境资源研究院，干旱区生态安全与可持续发展全国重点实验室，甘肃 兰州 730000

2.中国科学院西北生态环境资源研究院，奈曼沙漠化研究站，甘肃 兰州 730000

3.中国科学院大学，北京 100049

4.鄂尔多斯市林业和草原科学研究所，内蒙古 鄂尔多斯 017010

5.内蒙古自治区林业科学研究院 荒漠化研究所，内蒙古 呼和浩特 010010

Effects of center-pivot irrigation on soil and water resources in the agro-pastoral ecotone of Northern China

Lian Jie,1,2, Feng Jing1,2, Su Na,1,2, Liu Shanghua4, Zhang Lei5, Wang Xinyuan2,3, Zhang Rui1,2, Wu Mingrun2,3

1.State Key Laboratory of Ecological Safety and Sustainable Development in Arid Lands /, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

2.Naiman Desertification Research Station, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

3.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

4.Research Institute of Forestry and Grassland in Ordos，Ordos 017010，Inner Mongolia，China

5.Institute of Deseritification Research，Inner Mongolia Academy of Forestry Sciences，Hohhot 010010，China

通讯作者: 苏娜（E-mail： suna@nieer.ac.cn）

收稿日期: 2025-05-29   修回日期: 2025-07-04  

基金资助: 内蒙古自治区揭榜挂帅项目.  2024JBGS0020
国家自然科学基金项目.  41807525
国家自然科学基金项目.  42207538

Received: 2025-05-29   Revised: 2025-07-04  

作者简介 About authors

连杰（1985—），男，甘肃张掖人，副研究员，研究方向为恢复生态学E-mail：lianjie@lzb.ac.cn , E-mail：lianjie@lzb.ac.cn

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.

Keywords： cultivated grassland ; groundwater depth ; irrigation ; land use ; semi-arid sandy land

PDF (3906KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

连杰, 冯静, 苏娜, 刘尚华, 张雷, 王新源, 张蕊, 吴明润. 北方农牧交错带中心支轴式灌溉模式对水土资源的影响. 中国沙漠[J], 2025, 45(4): 85-95 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00204

Lian Jie, Feng Jing, Su Na, Liu Shanghua, Zhang Lei, Wang Xinyuan, Zhang Rui, Wu Mingrun. Effects of center-pivot irrigation on soil and water resources in the agro-pastoral ecotone of Northern China. Journal of Desert Research[J], 2025, 45(4): 85-95 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00204

0 引言

北方农牧交错带（Northern China Agro-pastoral Ecotone， NCAPE）是中国“三区四带”生态安全战略格局中“黄河重点生态区”和“北方防沙带”的重要组成部分［1］，其地理原型可追溯至黑河-腾冲人口地理分界线［2-3］，与300~450 mm降水等值线、蒙古高原南缘和长城沿线形成空间耦合带［4］。作为半干旱向半湿润气候过渡的典型生态脆弱区，NCAPE呈现农田与草原生态系统镶嵌分布的地理景观［5］，兼具国家粮食安全［6］与北方生态安全屏障的双重战略属性［7-8］。然而，中国人均水土资源禀赋在数量与质量层面均显著低于全球平均水平［9］，资源匮乏导致农业生产要素向NCAPE高强度集聚，驱动全球变化背景下剧烈的土地利用转型。众多研究显示，20世纪末期该区域滥垦、滥牧、滥樵三大人为干扰曾导致区域沙漠化面积以年均8%~9%的速度扩张［10］，在毛乌素、科尔沁等典型农牧交错区尤为突出［11-12］，致使水土资源利用强度突破交错区生态系统弹性的阈值［13-14］。

进入21世纪，中国稳步推进生态建设与农牧业结构调整两大战略：一方面通过“退耕还林还草”、“京津风沙源治理”和“山水林田湖草沙一体化保护和修复工程”等标志性生态工程构建多尺度防护体系［15］，另一方面实施禁牧或轮牧制度，促进NCAPE“减粮增饲”产业结构优化和升级［16］。尽管如此，区域水土资源配置仍面临“地多水少”的结构性失衡困境，土地资源丰度与水资源禀赋在空间上呈负向关联格局［17］。在此背景下，以高效节水与规模化生产为导向的灌溉技术快速普及，其中，中心支轴式灌溉（Center-Pivot Irrigation，CPI）为代表的大型机械化喷灌系统，凭借其水肥一体化程度高、地形适应性强［18］、物联网深度融合等优势，成为毛乌素与科尔沁沙地优质牧草（苜蓿、燕麦）规模化种植与灌溉的主导模式［19］。全球流域模拟研究显示，喷灌或滴灌技术替代传统漫灌后，可在维持作物产量稳定的前提下分别减少54%和76%的无效耗水量［20］；但在实践中，经济收益会激励农户行为调整，引发“灌溉效率悖论”现象，节水技术反而刺激灌溉面积扩张与高耗水作物种植［21］，叠加节水设施的相对高投入，进一步加剧水资源供需的结构性失衡，尤其在生态脆弱区可能诱发土地退化风险。本研究旨在：①解析北方农牧交错带中心支轴式灌溉区的水资源可利用性（Water Availability， WA）与地下水埋深（Groundwater Depth， GD）动态关系；②揭示天然草原土地利用转型过程及不同灌溉年限土壤理化性质的演变，从而阐明人类活动对水土资源的长期影响，为区域生态修复与资源可持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1　研究区概况

研究区位于中国北方农牧交错带中东段的内蒙古自治区赤峰市阿鲁科尔沁旗的典型灌区，地处大兴安岭南段东麓与松辽平原的过渡地带。该区属温带大陆性半干旱季风气候，年均气温5.5 ℃，降水集中在6—9月（占全年75%），年均降水量368 mm［22］，潜在蒸散发量1 200~1 500 mm［23］，海拔259~367 m［24］。依据世界土壤资源参比基础分类体系［25］，原生地带性土壤因风蚀荒漠化（沙漠化）作用，从栗钙土和黑钙土退化为风沙土。

该灌区位于西辽河支流西拉木伦河下游与乌力吉木仁河之间，约1 000 km2的区域（图1），原有土地覆被类型以科尔沁天然草原为主，优势物种有虎尾草（Chloris virgata）、小画眉草（Eragrostis minor）、兴安胡枝子（Lespedeza davurica）和九顶草（Enneapogon borealis）等，仅靠降水就能维持天然植被，地下水资源较丰富。随着2000年以来人工种植系统不断扩张，灌溉需求量逐年增高且完全依赖地下水资源。近十余年依托CPI技术实现草业集约化发展，根据喷灌臂的长度，形成4.5~75 hm2的圆形或扇形喷灌面，主要轮作或混作苜蓿（Medicago sativa）和燕麦（Avena species）两类优质牧草［19］。截止2024年，整个灌区累计架设超过1 600个CPI系统，被誉为“中国草都”。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

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


1.2　数据来源

1.2.1　地下水埋深调查

研究区属于燕山褶皱带与大兴安岭东麓复合水文地质单元，主要含水层为第四纪风积砂层孔隙潜水系统［26］。地下水埋深（GD）监测采用钢尺水位计，由50 m量程刻度钢尺、不锈钢探头（长10 cm，配重≥500 g）及声光报警系统组成。测量时通过匀速缓慢释放钢尺直至触发持续蜂鸣信号，依据井口固定基准点的钢尺刻度读取GD，单次测量误差控制在±0.5 cm。受CPI井管结构限制（井管—抽水管环形间隙过窄），探头仅能进入个别井管接触水面。因此，本研究采用抽样筛选42眼可观测井管，构建空间表征网络，其中90%以上为CPI井，个别为传统灌溉井。针对灌溉扰动引起的地下水埋深变化滞后效应，采用双时相水位差值法（ΔGD）解析地下水动态，将年度观测窗口设定为灌溉起始前（4月上旬）和结束后（10月中旬），公式如下所示：

ΔGD排泄=GDt2–GDt1 
ΔGD补给=GDt3–GDt2

式中：ΔGD>0表征灌溉期地下水排泄（水位降深），ΔGD<0表征非灌溉期自然补给；t1和t2表示某一年灌溉的起始和结束时间，t3表示下一年灌溉的起始时间。因此，t1~t2为地下水排泄期，t2~t3为地下水补给期。42（n）眼观测井基于初始GD划分为3类：浅埋深组（n1=9），≤10 m；中埋深组（n2=19），>10 m且≤20 m；深埋深组（n3=14），>20 m（n1、n2和n3依次代表对应地下水埋深组观测井的数量）。

1.2.2　空间数据产品

MODIS归一化植被指数（NDVI）产品（MOD13Q1 v061），具备16天时间分辨率和250 m空间分辨率［27］，通过最大值合成法（Maximum Value Composition）生成年度NDVI时间序列，有效消除云、气溶胶及太阳高度角干扰。

MOD16A3数据集蒸散发（ET）产品［23］，空间分辨率500 m。

降水（PP）数据采用全国地面2 400多个气象站点的降水监测数据，通过ANUSPLIN 4.4空间插值模型生成中国降水数据集，空间分辨率为1 km。

由于PP与种植强度直接影响灌溉抽水量，利用年降水量与实际蒸散量的差值即可代表水资源可利用性（WA）。当WA > 0，代表盈余状态；反之代表亏缺状态。

1.3　研究方法
1.3.1　灌溉强度

研究区作为CPI系统的典型聚集区，自走式喷灌设施高度统一，其灌溉强度可通过灌溉井密度与种植强度协同表征［28］。基于我们之前的研究［19］，采用7—8月的Landsat 5 TM（2000、2004、2005、2006、2008、2010年）、Landsat 8 OLI（2013、2015、2017、2019、2020、2024年）和2018年GF-1影像，已通过核密度估计（Kernel density estimation）方法［29］揭示了CPI系统的空间扩张过程。

1.3.2　样地设置和样品采集

基于Landsat系列卫星影像构建CPI系统的发展时序。起始于2005年，2013、2015、2017年为发展高峰期［19］，选取不同灌溉年限的常规圆形喷灌面（Sprinkler irrigation area，SIA）作为样地（SIA 2006、SIA 2013、SIA 2015、SIA 2017各设置10个重复样方），其中2006年开垦的喷灌区虽数量较少，但土地利用类型稳定为农业用地，开垦后持续种植玉米（Zea mays）或马铃薯（Solanum tuberosum）；同时设置潜在沙漠化喷灌面（DL）与原始景观类型天然草原（NG）各10个重复作为对照样地。

地上生物量采用乂割法收集。每个样地重复随机布设3个1 m×1 m样方，按0~10、10~20、20~40、40~60、60~100 cm垂直分层取土样，同深度土样经四分法混合后形成复合样品，同时使用100 cm3环刀在对应点位采集原状土芯。植物样品带回实验室105°烘干、称重和粉碎，土壤样品经自然风干后过2 mm筛以测定理化性质。

1.3.3　样品理化性质测定

土壤有机碳（SOC）含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定［30］，生物量碳（TC）与植物/土壤全氮（TN）含量采用ECS 4010 元素分析仪-燃烧法测定［31］，土壤全磷（TP）含量测定采用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）［32-33］。土壤容重（Bd）采用环刀法测定；土壤机械组成测定采用湿筛法，分为三级：中粗沙（0.1~2 mm）、极细沙（0.05~0.1 mm）和黏粉粒（<0.05 mm）；pH用Sartorius PB-21酸度计（德国）测定（水土比为2.5∶1）；土壤电导率（EC）用Multiline F/SET-3电导率仪（德国）测定［34］。

1.3.4　有机碳、氮与磷的密度计算

1 m2内地上生物量中的碳（氮、磷）储量即地上生物量碳（氮、磷）密度D（g·m-2）。

1 m2内土壤剖面的有机碳（氮、磷）储量即土壤有机碳（氮、磷）密度D（g·m-2）。本研究土壤样品皆不含直径大于2 mm的砾石［35］，土壤碳氮磷密度采用逐层累加的形式［36］。

D=∑i=1nHi×Bi×Ci×10

式中：Hi 为第i层土壤厚度（cm）；Bi 为第i层土壤容重（g·cm-3）；Ci 为第i层土壤碳（氮、磷）含量（g·kg-1）；1≤i≤n。

1.3.5　统计分析方法

时序数据趋势分析采用Theil-Sen斜率估计法［37］，结合 Mann-Kendall显著性检验（置信水平α=0.05）判断趋势稳定性。其他统计分析分别通过Shapiro-Wilk检验（n≤50）与Levene检验（P>0.05）验证独立样本的正态性和方差齐性，对非正态分布数据（Shapiro-Wilk检验P<0.05）进行自然对数（ln）变换；单因素方差分析（One-Way ANOVA）采用Duncan法；相关分析采用Pearson法；所有数值采用平均值±标准误的形式。

2 结果与分析

2.1　中心支轴式灌溉系统的扩张过程

基于Landsat卫星影像的解译信息，研究区CPI系统的扩张呈现三阶段特征（表1）。2005—2010年为初始探索期，区域景观类型以天然草原为主，占比>85%，CPI于2005年引入。截至2010年，共布设CPI系统仅48套，年均新增不足10套。2013—2017年出现爆发增长期，CPI系统数量激增1 420套，占累计总数的85.4%，其中2013年（539套）与2017年（573套）为峰值年份。2018—2024年为平缓调整期，CPI系统新增速率放缓至年均38套。

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
200580.58201757334.51 468
2006140.8222018412.51 509
2008110.7332019543.21 563
2010150.9482020492.91 612
201353932.45872022171.01 629
201530818.58952024332.01 662

新窗口打开| 下载CSV


2000—2024年研究区NDVI整体呈显著上升趋势（P<0.001），多年均值为0.6315（图2），表明天然草原向人工草地的转换显著提升了地表植被覆盖度。分阶段分析显示：第一阶段NDVI年际变化总体平稳，仅2000年（NDVI=0.41）和2009年（NDVI=0.33）因降水异常偏少出现极小值；第二阶段NDVI增速加快，与同期CPI系统的爆发性扩张具有较强的时空耦合性。由于大规模CPI系统引入导致研究区灌溉强度急剧增加，NDVI年增速为0.007~0.043，显著高于区域背景值（约0.003，P<0.05）。

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

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


2.2　地下水位动态过程

图3显示2022—2025年研究区不同组别地下水埋深（GD）变化量（ΔGD）的动态特征。灌溉抽水期水位降深量ΔGD随GD增加而显著增加（P<0.05），浅（GL≤10 m）、中（10 m < GL≤20 m）、深埋深组（GL>20 m）平均降深量分别为0.70±0.12、1.01±0.05 m和1.28±0.12 m，单年ΔGD分别与2022年（453 mm）、2023年（212 mm）和2024年（588 mm）的降水量梯度高度一致，其中2023年极旱条件下深水位降深量达1.64±0.20 m，约为2024年对应深度的1.8倍。自然补给期水位回升量同样随GD增加显著升高（P<0.05），浅、中、深埋深组的平均回升量分别为0.39±0.07、0.61±0.03 m和0.71±0.07 m，其中2024—2025年无差异（P>0.05）。完整灌溉-补给周期（10月至次年10月）的ΔGD均值显示，深埋深组净降深最大（0.67±0.05 m），中（0.48±0.03 m）和浅埋深组（0.51±0.08 m）无差异（P>0.05）。

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

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


2.3　土地资源响应与沙漠化效应

2.3.1　地上生物量碳氮磷密度

CPI条件下，天然草原（NG）向紫花苜蓿（Medicago sativa）和燕麦（Avena species）人工草地的转换显著提高了地上生物量（P<0.001，图4）。燕麦喷灌区地上生物量达到天然草原的2.8倍，且为紫花苜蓿喷灌区的1.8倍，其生物量碳、氮、磷密度最高（P<0.05），分别为206.2±20.6、14.7±2.1、2 092.8±162.0 mg·m-2；紫花苜蓿区次之，其中氮密度12.2±0.3 g·m-2。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

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


2.3.2　土壤容重、电导率和机械组成

图5展示了不同土地利用方式与CPI年限对土壤物理性质的影响。NG在10~20 cm土层容重最低（1.39±0.02 g·cm⁻3），显著低于SIA样地，且在20—40 cm土层差异仍显著（P<0.05）。潜在沙漠化喷灌面（DL）各土层容重均显著高于NG（P<0.05），但不同灌溉年限间无差异。NG土壤电导率显著低于所有喷灌面，土壤黏粉粒和中粗砂占比在NG与喷灌面间无差异（P>0.05）。

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

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


2.3.3　土壤化学性质及碳氮磷密度

土壤有机碳含量在相同土层深度下NG和DL存在显著差异（P<0.05，图6），而全氮含量在NG转为人工喷灌区后，特定灌溉年限（如SIA 2015）的0~20 cm土层显著升高，但DL显著低于其他样地。土壤全磷含量和pH值的组间差异呈现分层特征，0~10 cm土层NG的全磷含量最低（0.18±0.02 g·kg-1），而长期农业用地SIA 2006的pH均值最高（8.19±0.19），显著大于DL样地（7.65±0.18）。有效磷含量虽整体较低（0~40 cm土层均值仅10.76 mg·kg⁻¹），但0~10 cm表层土壤中NG（5.02±0.84 mg·kg-1）显著低于SIA 2006（27.81±4.73 mg·kg-1）和DL（39.54±9.26 mg·kg-1）。碳氮磷密度分析表明，CPI措施并未显著降低1 m深度内土壤碳密度和磷密度，但显著提高了氮密度，而潜在沙漠化显著降低了碳密度（P<0.05，图6）。

图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

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


3 讨论

3.1　CPI模式扩张的地下水资源效应

近40年NCAPE中东部气候暖干化趋势显著［38-39］，导致水资源可利用性（WA）持续衰减；极端降水事件频率的增加［40］使实际水资源可利用量进一步减少。以研究区所在的西辽河段为例，赤峰市境内老哈河和西拉木伦河2000年后径流量持续处于历史低位［41-42］，流域内不断有湖泊水库干涸［43］，地表径流衰减甚至中下游断流超过20年［14］。降水与地表水资源作为地下水重要的补给来源，其长期持续的匮缺限制了水分在土层中有效入渗，不利于地下水埋深的稳定与维持［44］。与此同时，CPI模式的大规模推广标志着区域地下水开发进入高强度阶段。

研究区2000年以来的WA出现系统性下降，年均亏缺6 mm以上的区域占比达83.7%，显著亏缺趋势的像元与高密度CPI区的空间耦合度极高（图7），这一方面源于灌溉扩张对地下水的大量消耗，地下水埋深增加幅度受CPI布设密度的直接调控［19］；另一方面归因于区域内紫花苜蓿、燕麦等作物的高耗水生理性状，一定程度上阻碍了灌溉水的渗漏回归［45］。深层地下水由于抽水井密度高、低渗透性和补给滞后性等综合影响，对抽水的敏感性显著高于浅层和中层地下水；其中，4眼观测井因GD>25 m被废弃，说明深层GD增加已显著提高开采成本，预示连片CPI系统面临不可持续风险。当地水资源管理者亟需通过限制CPI密度、调整抽水时序及优化作物结构（如减少紫花苜蓿、燕麦等高耗水作物或主动降低生产力预期）缓解压力，避免区域地下水资源系统突破不可持续临界点。

图7

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

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


3.2　土地利用方式与灌溉的耦合效应

CPI系统显著改善牧草地的水分约束，为植株的生长发育创造了有利的微环境［46］，增加净初级生产力。施肥是农业用地区别于自然系统的关键干预措施，水分和外源养分输入通过激活土壤酶活性，促进微生物驱动的氮磷周转，显著提升优质牧草的光合效率与养分积累，体现了水-肥-微生物的协同增益机制［47-50］。固氮植物紫花苜蓿的深根系特性，在多年生、沙质土壤及适度干旱的组合条件下表现尤为突出，是促进半干旱沙地水氮协同效应的理想作物［51］，相较天然草地植物群落，可提升土壤养分的积累速率。

然而，潜在沙漠化喷灌区初步呈现土地资源退化特征。土壤质地呈现轻度粗质化，土壤有机碳和全氮含量显著下降。燕麦收割后地表裸露超过180天，在冬春季节频发大风加持下易吹蚀土壤中细颗粒物，显著提高土地沙漠化风险等级［52］。值得注意的是，土壤有效磷含量和电导率在NG和喷灌区之间存在显著差异，这与施肥管理密切相关［53］。此外，水肥耦合也可能改变土壤的酸碱平衡［54］。

3.3　农牧交错带灌溉规模化的潜在风险

灌溉是应对干旱最直接有效的措施。中国北方地区占国土面积的50%以上，但水资源总量仅占全国的19%，“水缺”问题较“地少”更为严峻［55］。在400 mm降水等值线波动区，水资源禀赋先天不足与农业长期低效用水的叠加效应使土地资源利用严重受限于水资源。NCAPE种植作物主要依赖雨养和地表水灌溉［43］，地下水灌溉井的普及始于21世纪，如通辽和赤峰市灌溉井数量由1980年的0.62万眼和0.13万眼激增至2017年的12.25万眼和5.60万眼［6］，这与本研究CPI系统规模化发展趋势高度吻合。CPI系统的节水增效技术通过降低无效蒸发和沙地渗漏损失，显著提升灌溉水利用系数［20］，理论上极大缓解了区域地下水的农业供水压力，在半干旱沙地展现出独特的适应性。

然而，大型节水灌溉设施的规模化应用需严格遵循生态承载力阈值，当前对区域农业用水结构、灌溉面积动态及地下水埋深的系统性监测仍显不足。首先，CPI系统普及推动NCAPE种植业重心加速向降水更稀少的西北部迁移，密集灌溉井导致草原区地下水超采面积不断扩大。其次，群落稳定的天然草原向物种单一的多年生牧草（如苜蓿）转变后，进一步转向一年两茬燕麦等水资源密集型作物，不断推高作物结构高耗水化，背离节水增效初衷。第三，以CPI为代表的节水技术并未增加生态回补水量，反而因灌溉面积扩张加速地下水消耗。最后，人工草地收获需维持地表留茬高度以覆盖裸露土壤，减少冬春季大风带来的细颗粒物流失风险。

4 结论

CPI规模化推广显著提升植被生产力，但加剧地下水超采风险。深埋深组（>20 m）年均水位净降幅显著高于浅埋深组和中埋深组。CPI系统驱动土地资源利用强度提升。燕麦喷灌区生物量碳、氮、磷含量显著高于NG，且1 m土层深度的氮密度显著增加。潜在沙漠化喷灌区（DL）在施肥情况下的土壤有机碳和全氮含量、有机碳密度显著低于NG。总体来看，CPI系统对作物生产力与土壤质量带来积极效应同时导致地下水资源过度耗损，存在一定的生态安全隐患。因此，如何做好科学决策，在提高或维持相关福祉的同时降低或规避生态风险，成为今后研究的核心问题。

参考文献

中华人民共和国.

全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划（2021-2035年）

［R］.2020.

[本文引用: 1]

胡焕庸.

中国人口之分布：附统计表与密度图

［J］.地理学报，1935，2（2）：33-74.

[本文引用: 1]

陈明星，李扬，龚颖华，等.

胡焕庸线两侧的人口分布与城镇化格局趋势：尝试回答李克强总理之问

［J］.地理学报，2016（2）：179-193.

[本文引用: 1]

赵哈林，赵学勇，张铜会，等.

北方农牧交错带的地理界定及其生态问题

［J］.地球科学进展，2002，17（5）：739-747.

[本文引用: 1]

中华人民共和国环境保护部.

全国生态脆弱区保护规划纲要

［Z］.2008.

[本文引用: 1]

周泰来，王梦瑶，张淑宁.

西辽河”水粮矛盾“难解

［J］.财新周刊，2023（28）：2.

[本文引用: 2]

中华人民共和国环境保护部，中国科学院.

全国生态功能区划

［Z］.2015.

[本文引用: 1]

王涛，宋翔，颜长珍，等.

近35 a来中国北方土地沙漠化趋势的遥感分析

［J］.中国沙漠，2011，31（6）：1351-1356.

[本文引用: 1]

刘彦随，吴传钧.

中国水土资源态势与可持续食物安全

［J］.自然资源学报，2002，17（3）：270-275.

[本文引用: 1]

王涛，吴薇，王熙章.

沙质荒漠化的遥感监测与评估：以中国北方沙质荒漠化区内的实践为例

［J］.第四纪研究，1998（2）：108-118.

[本文引用: 1]

徐志伟，鹿化煜.

毛乌素沙地风沙环境变化研究的理论和新认识

［J］.地理学报，2021，76（9）：21-29.

[本文引用: 1]

赵哈林，赵学勇，张铜会.科尔沁沙地沙漠化过程及其恢复机理［M］.北京：海洋出版社，2003.

[本文引用: 1]

Vörösmarty C J， Green P， Salisbury J，et al.

Global water resources：vulnerability from climate change and population growth

［J］.Science，2000，289（5477）：284-288.

[本文引用: 1]

赵学勇，张春民，左小安，等.

科尔沁沙地沙漠化土地恢复面临的挑战

［J］.应用生态学报，2009，20（7）：1559-1564.

[本文引用: 2]

Wang X， Ge Q， Geng X，et al.

Unintended consequences of combating desertification in China

［J］.Nature Communications，2023，14（1）：1139.

[本文引用: 1]

中华人民共和国农业农村部.

关于北方农牧交错带农业结构调整的指导意见

［R］. 2016.北京.http：//www.moa.gov.cn/nybgb/2016/shierqi/201711/t20171125_5919525.htm.

[本文引用: 1]

中华人民共和国水利部.

2023年中国水资源公报

［R］.2024.北京.http：//www.mwr.gov.cn/sj/tjgb/szygb/202406/t20240614_1713318.html.

[本文引用: 1]

Shaughnessy S A O， Rush C.

Precision Agriculture：Irrigation

［M］//Van Alfen N K.Encyclopedia of Agriculture and Food Systems.Oxford，UK：Academic Press，2014：521-535.

[本文引用: 1]

Lian J， Li Y， Li Y，et al.

Effect of center-pivot irrigation intensity on groundwater level dynamics in the agro-pastoral ecotone of Northern China

［J］.Frontiers in Environmental Science，2022，10：1-15.

[本文引用: 5]

Jägermeyr J， Gerten D， Heinke J，et al.

Water savings potentials of irrigation systems：global simulation of processes and linkages

［J］.Hydrology and Earth System Sciences，2015，19（7）：3073-3091.

[本文引用: 2]

Bessah E， Raji A O， Taiwo O J，et al.

Hydrological responses to climate and land use changes：the paradox of regional and local climate effect in the Pra River Basin of Ghana

［J］.Journal of Hydrology：Regional Studies，2020，27：100654.

[本文引用: 1]

Qu L， Zhu Q， Zhu C，et al.

Monthly precipitation data set with 1 km resolution in China from 1960 to 2020

［EB/OL］.Science Data Bank，2022，10.11922/sciencedb.01607.

[本文引用: 1]

Running S， Mu Q， Zhao M.

MODIS/Terra Net Evapotranspiration 8-Day L4 Global 500m SIN Grid V061

［EB/OL］.NASA EOSDIS Land Processes Distributed Active Archive Center，2021.10.5067/MODIS/MOD16A2.061.

[本文引用: 2]

Jarvis A， Reuter H I， Nelson A，et al.

Hole-filled seamless SRTM data

［EB/OL］.2008..

[本文引用: 1]

IUSS Working Group WRB.World Reference Base for Soil Resources 2006：A Framework for International Classification，Correlation and Communication［Z］.Rome，Italy：Food and Agriculture Organization of the United Nations，2006.

[本文引用: 1]

裘善文.

试论科尔沁沙地的形成与演变

［J］.地理科学，1989（4）：317-328.

[本文引用: 1]

Didan K.

MODIS/Terra Vegetation Indices 16-Day L3 Global 250m SIN Grid V061

［EB/OL］.NASA EOSDIS Land Processes Distributed Active Archive Center，2015，10.5067/MODIS/MOD13Q1.061.

[本文引用: 1]

Duarte A C， Mateos L.

How changes in cropping intensity affect water usage in an irrigated Mediterranean catchment

［J］.Agricultural Water Management，2022，260：107274.

[本文引用: 1]

Wglarczyk S.

Kernel density estimation and its application

［J］.ITM Web of Conferences，2018，23（2）：37.

[本文引用: 1]

Nelson D W， Sommers L E.

Total carbon，organic carbon and organic matter

［M］//Sparks D L，Page A L，Helmke P A，et al.Methods of Soil Analysis Part 3：Chemical Methods.Madison：American Society of Agronomy & Soil Science Society of America，1996：961-1010.

[本文引用: 1]

Burke D J， Smemo K A， López-Gutiérrez J C，et al.

Soil fungi influence the distribution of microbial functional groups that mediate forest greenhouse gas emissions

［J］.Soil Biology & Biochemistry，2012，53：112-119.

[本文引用: 1]

何莲，陈云飞，吴越，等.

一种微波消解icp-aes法测定土壤和沉积物中总磷的方法

：201410459504.X［P］.2014.

[本文引用: 1]

单孝全，王铁邦，倪哲明.

高频电感耦合等离子体发射光谱同时测定生物、环境和地质样品中的磷、硫和硼

［J］.分析化学，1987（3）：38-42.

[本文引用: 1]

中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析［M］.上海：上海科学技术出版社，1978.

[本文引用: 1]

Pouyat R， Groffman P， Yesilonis I，et al.

Soil carbon pools and fluxes in urban ecosystems

［J］.Environmental Pollution，2002，116（）：S107-S118.

[本文引用: 1]

Li Y， Brandle J， Awada T，et al.

Accumulation of carbon and nitrogen in the plant：soil system after afforestation of active sand dunes in China's Horqin Sandy Land

［J］.Agriculture Ecosystems & Environment，2013，177：75-84.

[本文引用: 1]

Sen P K.

Estimates of the regression coefficient based on Kendall's Tau

［J］.Journal of the American Statistical Association，1968，63（324）：1379-1389.

[本文引用: 1]

陈雪萍，赵学勇，王瑞雄，等.

气候变化与土地利用/覆被变化对中国北方农牧交错带水资源影响研究进展

［J］.中国沙漠，2022，42（3）：170-177.

[本文引用: 1]

张强，黄建平，杨金虎，等.

中国干旱、半干旱区气候变化及影响研究百年进展

［J］.气象学报，2025，83（3）：1-18.

[本文引用: 1]

张存杰，张思齐，宁惠芳.

近60a中国极端天气气候事件变化趋势及2023年特征分析

［J］.干旱气象，2024，42（4）：536-552.

[本文引用: 1]

李亚光，孙卫东，杨绍峰，等.

赤峰市老哈河流域实测降雨量实测径流量变化趋势浅析

［J］.内蒙古水利，2020（9）：12-14.

[本文引用: 1]

安娜，于明洋，吴建华，等.

西拉木伦河流域气候与径流关系

［J］.北方农业学报，2016，44（4）：85-89.

[本文引用: 1]

Lian J， Zhao X， Zuo X，et al.

Land cover changes and the effects of cultivation on soil properties in Shelihu wetland，Horqin Sandy Land，Northern China

［J］.Journal of Arid Land，2013，5（1）：71-79.

[本文引用: 2]

付玉娟，张玉清，何俊仕，等.

西辽河农灌区降雨及农业灌溉对地下水埋深的影响演变分析

［J］.沈阳农业大学学报，2016，47（3）：327-333.

[本文引用: 1]

苗向阳.

阴山北麓农牧交错带地下水灌溉用水效率分析及最优灌水策略研究

［D］.呼和浩特：内蒙古农业大学，2022.

[本文引用: 1]

Wang A， Chang Q， Chen C，et al.

Degradation characteristics of biodegradable film and its effects on soil nutrients in tillage layer，growth and development of taro and yield formation

［J］.AMB Express，2022，12（1）：81.

[本文引用: 1]

Wang Y， Zhang Q， Gao K，et al.

Deficit irrigation provides a trade-off between water use and alfalfa quality

［J］.Agronomy，2025，15：1-20.

[本文引用: 1]

Calderón F J， Nielsen D， Acosta-Martínez V，et al.

Cover crop and irrigation effects on soil microbial communities and enzymes in semiarid agroecosystems of the Central Great Plains of North America

［J］.Pedosphere，2016，26（2）：192-205.

Liang Q， Gao R， Xi B，et al.

Long-term effects of irrigation using water from the river receiving treated industrial wastewater on soil organic carbon fractions and enzyme activities

［J］.Agricultural Water Management，2014，135：100-108.

Gomez E J， Delgado J A， Gonzalez J M.

Environmental factors affect the response of microbial extracellular enzyme activity in soils when determined as a function of water availability and temperature

［J］.Ecology and Evolution，2020，10（18）：10105-10115.

[本文引用: 1]

马煜，汪精海，王晨，等.

水肥调控对紫花苜蓿产量品质及水氮利用效率的影响

［J］.水利规划与设计，2023（7）：88-95.

[本文引用: 1]

Zhao H L， He Y H， Zhou R L，et al.

Effects of desertification on soil organic C and N content in sandy farmland and grassland of Inner Mongolia

［J］.Catena，2009，3（77）：187-191.

[本文引用: 1]

Karaş E.

Sustainable soil and water management in arid climates in the Mediterranean Climate Zone

［M］//Bucur D G.Beyond Rain-The Future of Irrigation in a Changing Climate.Rijeka，Croatia：IntechOpen，2025.

[本文引用: 1]

Kadyampakeni D M， Anderson R G， Schmidt M P.

Advancing salinity and nutrient management for irrigation science

［J］.Irrigation Science，2025，43（3）：321-327.

[本文引用: 1]

康绍忠.

中国农业节水十年：成就、挑战及对策

［J］.中国水利，2024（10）：1-9.

[本文引用: 1]

/

〈 〉

©2018中国沙漠 编辑部

地址: 兰州市天水中路8号 (730000)

电话：0931-8267545

Email：caiedit@lzb.ac.cn;desert@lzb.ac.cn

甘公网安备 62010202000688号      陇ICP备2021001824号-9
访问总数:    当日访问:    当前在线: