裴宏偉，王彥芳，沈彥俊，馬宏，Bridget R. Scanlon， 劉昌明

（1. 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050021；2. 河北省社會(huì)科學(xué)院河北省生態(tài)環(huán)境建設(shè)研究中心，河北 石家莊 050051；3. 河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；4. Bureau of Economic Geology，Jackson School of Geosciences， the University of Texas at Austin， Austin， Texas， USA 78758；5. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

美國(guó)高平原農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)地下水資源的影響及啟示

裴宏偉1，5，王彥芳2，沈彥俊1*，馬宏3，Bridget R. Scanlon4， 劉昌明1

（1. 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050021；2. 河北省社會(huì)科學(xué)院河北省生態(tài)環(huán)境建設(shè)研究中心，河北 石家莊 050051；3. 河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；4. Bureau of Economic Geology，Jackson School of Geosciences， the University of Texas at Austin， Austin， Texas， USA 78758；5. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

全球范圍內(nèi)的高強(qiáng)度灌溉農(nóng)業(yè)已經(jīng)造成了嚴(yán)重的地下水危機(jī)，威脅農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)運(yùn)行。在中國(guó)北方農(nóng)耕區(qū)，依靠地下水支撐的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)正面臨嚴(yán)重的水資源問(wèn)題，其中以華北平原最為嚴(yán)重。美國(guó)高平原在近60年中依靠消耗地下水支撐農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，小麥、玉米的生產(chǎn)總量分別增加了2倍和10倍，這些農(nóng)業(yè)上的成就卻以累積消耗地下水約3 360億 m3為代價(jià)，并降低了農(nóng)業(yè)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)極端干旱事件的能力。1980年以后，高平原北部地區(qū)依靠良好的地下水補(bǔ)給條件并通過(guò)地下水的禁采限采、推廣噴灌技術(shù)等措施降低了地下水的消耗速率。然而由于高平原中、南部地下水采補(bǔ)依然失衡而導(dǎo)致地下水資源持續(xù)減少；北部地區(qū)在地下水保護(hù)的同時(shí)卻未能有效減少農(nóng)田的氮肥施用水平，導(dǎo)致地下水淺埋區(qū)比較嚴(yán)重的地下水污染。因此，在當(dāng)下華北平原及我國(guó)北方地下水灌溉區(qū)大力治理地下水超采問(wèn)題的實(shí)踐中，必須與農(nóng)業(yè)面源污染的控制和治理相向而行、質(zhì)量兼顧、綜合統(tǒng)籌。

灌溉；地下水超采；地下水污染；可持續(xù)發(fā)展；華北平原

裴宏偉， 王彥芳， 沈彥俊， 馬宏， Bridget R. Scanlon， 劉昌明. 美國(guó)高平原農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)地下水資源的影響及啟示［J］. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究， 2016， 37（1）: 166-173.

Pei H W， Wang Y F， Shen Y J， Ma H， Scanlon B R， Liu C M. The impacts and enlightenments of irrigated agriculture on groundwater resources in the U.S. High Plains［J］. Research of Agricultural Modernization， 2016， 37（1）: 166-173.

全球灌溉農(nóng)田以17%的耕地面積生產(chǎn)了40%的糧食，成為保障世界糧食生產(chǎn)、解決饑餓問(wèn)題的重要依托［1］。21世紀(jì)初，全球的灌溉面積平均約為301×106hm2/a，所消耗的灌溉水資源量約為12 770億m3/a，其中38%的灌溉面積（112.9×106hm2）依賴于地下水，灌溉所消耗的地下水約合5 450億m3/a，約為灌溉總消耗量的42%［2-3］。在世界上諸多的半干旱—半濕潤(rùn)地區(qū)，如美國(guó)的高平原［4-6］、中國(guó)的華北平原等地區(qū)［7-8］，過(guò)度利用地下水導(dǎo)致含水層迅速疏干和生態(tài)環(huán)境退化，同時(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也對(duì)地下水的補(bǔ)給量和地下水水質(zhì)造成影響［9-10］。美國(guó)高平原是全球關(guān)注的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)發(fā)展和地下水超采的熱點(diǎn)地區(qū)［11-12］。在國(guó)家層面，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局先后實(shí)施了數(shù)10項(xiàng)以高平原為專(zhuān)門(mén)研究對(duì)象的調(diào)查項(xiàng)目［4，13-15］，對(duì)不同時(shí)期高平原地下水水質(zhì)、水量進(jìn)行了詳盡的調(diào)查。在州政府層面，Nebraska州（http://dnrdata.dnr.ne.gov/Clearinghouse/）、Colorado州（https://erams.com/co_groundwater）、Texas州（https://www. twdb.texas.gov/）等州組織了很多針對(duì)含水層水質(zhì)和水位的調(diào)查項(xiàng)目，這些地方層面的調(diào)查項(xiàng)目與國(guó)家層面的調(diào)查項(xiàng)目共同為開(kāi)展相關(guān)科學(xué)研究提供了寶貴的資料。本文以上述數(shù)據(jù)庫(kù)資料為基礎(chǔ)，分析近60年來(lái)美國(guó)高平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)變化特征及其對(duì)區(qū)域地下水資源的影響，進(jìn)而探討在半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)依賴地下水發(fā)展農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性策略，這將對(duì)解決當(dāng)前包括華北平原在內(nèi)的全球性農(nóng)業(yè)—地下水危機(jī)大有裨益。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然條件

美國(guó)高平原（U.S. High Plains，USHP，31.8°-43.7°N，96.3°-105.9°W，以下稱“高平原”）是美國(guó)大平原（U.S. Great Plains）的一部分（圖1）。高平原西起落基山脈東麓，東至密西西比大平原的西側(cè)，海拔高度從590 m到2 400 m不等，整體地勢(shì)由西向東傾斜，其下部是美國(guó)主要的地下水含水層之一：Ogallala含水層。高平原土地面積約45.4萬(wàn)km2，在行政區(qū)上分別位于South Dakota（SD，12 800 km2），Wyoming（WY，22 200 km2），Nebraska（NE，167 300 km2），Colorado（CO，34 500 km2），Kansas（KS，80 300 km2），Oklahoma（OK，19 900 km2），New Mexico（NM，24 500 km2）和Texas（TX，92 700 km2）。高平原屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季溫暖濕潤(rùn)，冬季寒冷干燥。高平原的氣溫由南向北遞減，多年平均日均溫6-17 ℃，1950-2012年平均日均溫為11.4 ℃；多年年平均降水量為493 mm，呈現(xiàn)由東向西遞減規(guī)律，東部較濕潤(rùn)的地區(qū)年降水量可以達(dá)到600-800 mm，西北較為干旱，年降水量在400 mm左右［16］。

圖1 高平原的位置Fig. 1 Location of the USHP

1.2 農(nóng)業(yè)發(fā)展歷程

高平原的原住居民是印第安人，以狩獵北美野牛為生，長(zhǎng)期以來(lái)畜牧業(yè)是最主要的產(chǎn)業(yè)類(lèi)型［15］。高平原大規(guī)模的農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)始于19世紀(jì)初期，到19世紀(jì)末，農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為這里的主要產(chǎn)業(yè)。在20世紀(jì)40年代以前，限制高平原灌溉規(guī)模的主要因素是地下水位的埋藏條件和地面的起伏程度，灌溉的范圍主要集中在地下水埋深比較淺的地區(qū)和北部高平原（Northern High Plains，NHP）幾條大的河流沿岸，如Platte River，Arkansas River等河流兩岸沿線地區(qū)地勢(shì)平坦、地表水源充足，地表水灌溉比較普遍（http://ne.water.usgs.gov/ogw/hpwlms/physsett.html），人們利用風(fēng)車(chē)提取地表水和淺層地下水進(jìn)行灌溉。20世紀(jì)60年代后，隨著新的灌溉技術(shù)（主要是深井潛水泵技術(shù)和大型中央噴灌機(jī)）的推廣，人們利用地下水的能力大大的提高，進(jìn)而迅速地拓展了灌溉農(nóng)業(yè)的適用地域。另外，戰(zhàn)后急劇增加的人口對(duì)糧食等食物的需求和政府對(duì)開(kāi)發(fā)中西部地區(qū)的鼓勵(lì)政策也促進(jìn)了高平原的農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)進(jìn)程。而同期推廣的中央噴灌機(jī)技術(shù)又可以適應(yīng)并不太平坦的地面，這使得人們可以擺脫地表河流的限制和地形不平整的限制。高平原的灌溉農(nóng)業(yè)從業(yè)者通過(guò)抽取Ogallala含水層的地下水資源用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，從而使高平原地下水開(kāi)采和農(nóng)業(yè)發(fā)展迎來(lái)新的歷史時(shí)期。

2 高平原農(nóng)業(yè)發(fā)展及地下水環(huán)境演變分析

2.1 高平原近60年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模及生產(chǎn)能力變化

小麥和玉米是高平原目前最主要的糧食作物（2002-2011年），分別占糧食總播種面積的37%和41%；由于玉米的單產(chǎn)水平較高，玉米的總產(chǎn)量占全部糧食產(chǎn)量的74%，而小麥僅占10%［17］。20世紀(jì)50年代中期以后，小麥和玉米的單產(chǎn)水平開(kāi)始快速增加，其中玉米產(chǎn)量的增長(zhǎng)趨勢(shì)較為穩(wěn)定，而小麥產(chǎn)量的年際變化非常大（圖2）。主要原因是高平原的玉米絕大多數(shù)可以灌溉，而小麥則基本為雨養(yǎng)，加上高平原并不穩(wěn)定的降水，遇到干旱年份，小麥的產(chǎn)量水平即不能保證。在極端干旱的年份地下水不能充分供給時(shí)，玉米也會(huì)遇到減產(chǎn)，如2002年、2011年和2012年的干旱就曾導(dǎo)致高平原的玉米大幅減產(chǎn)。從空間分布上看（2011年），高平原小麥的高產(chǎn)區(qū)主要分布在高平原北部的Nebraska州、Kansas州和Colorado州三州交界處，全區(qū)平均單產(chǎn)僅為2.6 t/hm2；玉米的高產(chǎn)區(qū)則主要分布在Nebraska州的東部，其他州的分布較為零散（圖3），全區(qū)平均產(chǎn)量11.4 t/hm2，遠(yuǎn)高于小麥的單產(chǎn)水平。

圖2 高平原近60年小麥玉米生產(chǎn)的變化特征Fig. 2 Temporal variations for the wheat and corn productions in the USHP during the past 60 years

圖3 高平原小麥玉米單產(chǎn)的空間變化特征Fig. 3 Spatial variations for the wheat and corn yields in the USHP

過(guò)去60年內(nèi)，高平原地下水系統(tǒng)在支持農(nóng)業(yè)系統(tǒng)抵御干旱風(fēng)險(xiǎn)的能力在減弱。根據(jù)PRISM（Parameter-elevation Relationships on Independent Slopes Model，http://prism.oregonstate.edu）的降水?dāng)?shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)盡管1980年以來(lái)高平原的干旱年份發(fā)生頻率并沒(méi)有1980年以前頻繁（1950-1980年降水量低于多年平均降水量的年份為478 mm，而1981-2012年降水量低于多年平均降水量的年份為513 mm），同時(shí)降水保證率P＞75%的干旱年份在1981-2012時(shí)段發(fā)生的頻率（5次）也遠(yuǎn)不及1950-1980時(shí)段干旱發(fā)生的頻率（11次），但是玉米產(chǎn)量在1980年以后有8次明顯的下跌，而之前則僅有1975年有較明顯的下降（1975年極端干旱年份，降水量389 mm，保證率P=92%）。這說(shuō)明在地下水大規(guī)模開(kāi)發(fā)前期，由于地下水資源量還比較豐富，水位較淺，灌溉農(nóng)業(yè)在遭遇干旱年份的時(shí)候具有較大的緩沖空間，可以應(yīng)對(duì)干旱年份農(nóng)業(yè)對(duì)水資源的巨大消耗。但是在地下水資源不斷被消耗、地下水埋深越來(lái)越深的情況下，農(nóng)業(yè)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)極端干旱的能力則會(huì)下降。尤其是2012年整個(gè)高平原地區(qū)都發(fā)生了極為嚴(yán)重的干旱，北部高平原的降水量?jī)H為287 mm，為1894年以來(lái)的最低值，中部高平原（Central High Plains，CHP）和南部高平原（Southern High Plains，SHP）的降水保證率均達(dá)到95%的極端干旱年份，玉米產(chǎn)量幾乎跌至1980年前后的單產(chǎn)水平。

2.2 高平原近60年農(nóng)業(yè)灌溉變化特征

1950年以來(lái)，高平原的農(nóng)業(yè)灌溉以1980年為節(jié)點(diǎn)，經(jīng)歷了兩個(gè)階段：第一階段是灌溉農(nóng)業(yè)快速發(fā)展階段，第二階段是灌溉總量有所減少并維持穩(wěn)定水平的階段。Texas的灌溉開(kāi)采量在第一階段由1949年的32億m3/a迅速增加至1974年的93億m3/a，在第二階段有所回落，1995-2010年時(shí)段維持在約70億m3/a的開(kāi)采強(qiáng)度（圖4）。Kansas灌溉開(kāi)采量由1949年的2 億m3/a迅速增加至1985年的54 億m3/a，第二階段的灌溉開(kāi)采量有所回落并呈現(xiàn)出連續(xù)下降的趨勢(shì)。Nebraska的灌溉開(kāi)采量由1949年的7 億m3/a快速增長(zhǎng)，到1980年已經(jīng)達(dá)到79億m3/a的開(kāi)采強(qiáng)度，之后經(jīng)歷了小幅波動(dòng)在2000-2010年趨于平穩(wěn)，維持在97 億m3/a的開(kāi)采水平。

圖4 高平原灌溉面積、灌溉開(kāi)采量和灌溉方式的年際變化Fig. 4 Temporal variations of irrigation area， pumpage and methods in the USHP

高平原的灌溉面積變化過(guò)程與地下水開(kāi)采量的變化過(guò)程類(lèi)似（圖4），但是高平原整體的灌溉深度（單位灌溉面積的灌溉水深）卻呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)，灌溉量從1949年的大約550 mm/a減少到2010年的320 mm/a左右，這主要得益于高平原1980年以后逐步推廣大型的中央噴灌機(jī)技術(shù)，使得漫灌面積得以大幅壓縮，從而大大地減少了灌溉耗水。從1985-1995年的10年內(nèi)，中央噴灌機(jī)的普及程度超過(guò)了漫灌由39%升至54%，而后2000-2010年的10年內(nèi)，利用中央噴灌機(jī)灌溉的農(nóng)田面積占灌溉農(nóng)田總面積的比重由63%升至75%并趨于穩(wěn)定［18-19］（圖4）。灌溉技術(shù)的改進(jìn)對(duì)高平原的節(jié)水灌溉進(jìn)程起到了關(guān)鍵的作用：灌溉面積的增加的同時(shí)灌溉耗水量趨于減小，自1950年以來(lái)的灌溉凈水深平均每10年減少36 mm（圖4）。高平原通過(guò)推廣節(jié)水灌溉（主要是中央噴灌機(jī)技術(shù)）在支撐糧食產(chǎn)量穩(wěn)步增加的同時(shí)也大大的壓縮了灌溉耗水，這表明以適度規(guī)模經(jīng)營(yíng)為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)節(jié)水措施可以有效的增加水資源的利用效率。而當(dāng)前正在農(nóng)村開(kāi)展的土地使用權(quán)流轉(zhuǎn)政策和家庭農(nóng)場(chǎng)的興起，無(wú)疑給華北平原的節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)遇。

2.3 高平原農(nóng)用化肥消耗狀況的多年變化

化肥是農(nóng)業(yè)強(qiáng)化過(guò)程中繼灌溉之后的第二大投入要素，其中氮肥是高平原小麥和玉米施用化肥的主要肥料。從小麥和玉米所施用的氮磷肥多年變化特征看［20］（圖5），高平原小麥和玉米的化肥施用強(qiáng)度在1969年以前增長(zhǎng)快速，其中玉米的氮肥施用量由1964年的89 kgN/hm2迅速增加至1968年的167 kgN/hm2；相應(yīng)的，小麥的氮肥施用量也由1964年的29 kgN/hm2迅速增加至1969年的56 kgN/hm2。隨后的40多年中（1970-2011年），高平原小麥和玉米的氮肥施用量整體維持在穩(wěn)定水平，玉米氮肥施用強(qiáng)度約為157 kgN/hm2，小麥的氮肥施用強(qiáng)度約為62 kgN/hm2。與小麥和玉米在氮肥施用量上的顯著差異不同，二者在磷肥施用量上差距較小，其中玉米略高于小麥。小麥和玉米的磷肥施用量在時(shí)間變化特征上與氮肥施用量的變化趨勢(shì)相似：1972年以前增長(zhǎng)快速，但是1972年以后小麥的磷肥施用量一直呈現(xiàn)下降的態(tài)勢(shì)，玉米的磷肥施用量在1972-1998年間也表現(xiàn)出下降的態(tài)勢(shì)，之后一直處于平穩(wěn)增長(zhǎng)的狀態(tài)。1972-2011年期間，玉米的磷肥施用量平均為42 kgP2O5/hm2，小麥的磷肥施用量平均為37 kgP2O5/hm2。

圖5 高平原小麥玉米氮肥磷肥施用量的多年變化特征（1964-2011）Fig. 5 Temporal variations of wheat and corn fertilizer applications（N and P2O5）in the USHP（1964-2011）

2.4 高平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)區(qū)域地下水的消耗

高平原的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致了地下水資源的過(guò)度消耗。在過(guò)去的60年中（1950-2011年），高平原累積消耗地下水約3 360億m3（圖6），約合671 mm的凈水深度，并在區(qū)域上造成了平均約4.9 m的地下水位降幅。特別是2002-2003年的極端干旱年份，整個(gè)高平原的地下水消耗速率明顯加快。過(guò)去60年，北部Nebraska州的地下水消耗比較平穩(wěn)，而中南部的Kansas州和Texas 州地下水消耗的速率則相對(duì)較快。究其原因，一方面是由于北部Nebraska州的氣溫低，陸面蒸散發(fā)較弱；另一方面原因是Nebraska州有兩條徑流量較大的河流，對(duì)地下水的補(bǔ)給效果明顯；此外，北部地區(qū)的Sand Hills地區(qū)基本是天然植被且擁有良好的地下水補(bǔ)給通道，成為良好的水源涵養(yǎng)區(qū)；這些因素使得該地區(qū)的地下水消耗和補(bǔ)給基本上可以達(dá)到平衡。特別是20世紀(jì)80年代以后高平原北部采取了一系列針對(duì)地下水資源的保護(hù)措施：如限制地下水開(kāi)采、實(shí)施保護(hù)性耕作等有力地緩解了農(nóng)業(yè)系統(tǒng)對(duì)地下水資源的超采壓力［12］。

圖6 高平原地下水累積消耗量多年變化特征Fig. 6 Multi-year accumulated groundwater depletion in the USHP

從高平原各個(gè)子區(qū)域的地下水消耗強(qiáng)度看（表1），高平原的北部NHP地區(qū)的地下水消耗總量最少，為4.2億m3/a，折合約2 mm/a的凈水深度。高平原中部和南部地區(qū)的地下水消耗最為劇烈（圖7），地下水位的年均降幅分別達(dá)到0.14 m/a和0.18 m/a，是北部地區(qū)的數(shù)10倍，每年地下水的消耗量分別達(dá)到26.6億m3/a和20.7億m3/a。在CHP和SHP兩個(gè)地區(qū)，由于過(guò)度的開(kāi)采地下水資源，一些地方的地下水埋深達(dá)100 m之多，部分地區(qū)的地下水水位下降速率在1 m/a左右，與華北平原山前平原中段的地下水嚴(yán)重超采區(qū)的水位降幅相當(dāng)。NHP地區(qū)則恰好相反，由于水資源補(bǔ)給條件較好、自然蒸發(fā)較弱以及對(duì)應(yīng)的地下水保護(hù)措施，位于NHP地區(qū)的Sand Hills地區(qū)和Republican 河流沿岸的部分地區(qū)則在過(guò)去數(shù)10年內(nèi)都保持地下水位不降（圖7）。

表1 高平原地下水超采的區(qū)域特征（1950s-2011）Table1 Spatial characters of groundwater depletion in the USHP（1950s-2011）

圖7 高平原地下水累積消耗量的空間分布特征（1950s-2011）Fig. 7 Spatial distribution for the accumulated groundwater depletion in the USHP（1950s-2011）

2.5 高平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)區(qū)域地下水水質(zhì)的影響

高平原的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)給地區(qū)地下水資源帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅，除了前文述及的地下水超采以外，還表現(xiàn)在地下水水質(zhì)的惡化方面。根據(jù)USGS公布的地下水硝態(tài)氮濃度數(shù)據(jù)可以看到（圖8），高平原的地下水硝態(tài)氮含量在1970年以前均比較平穩(wěn)，1971-1990年地下水硝態(tài)氮濃度上升最快。1971-1975年超過(guò)本地區(qū)環(huán)境本底值（4 mgNO-N/L）的地下水樣本占調(diào)查樣本總數(shù)的13.1%，而到了1986-1990年，這一比重增加至28.2%。與此同時(shí)，1971-1975年超過(guò)世界衛(wèi)生組織（WHO）規(guī)定的飲用水健康標(biāo)準(zhǔn)（10 mgNO-N/L）的地下水樣本數(shù)占調(diào)查樣本總數(shù)的比例為2.5%， 而1986-1990年增加至22.7%。

圖8 近60年美國(guó)高平原地下水硝態(tài)氮濃度的變化Fig. 8 Temporal variation for the NO-N concentration of groundwater in the USHP during the past 60 years

特別是在北部和南部地下水埋深比較淺、土壤沙粒含量較多、地下水補(bǔ)給量大而農(nóng)業(yè)活動(dòng)又比較強(qiáng)烈的地區(qū)，地下水硝態(tài)氮的濃度多數(shù)超過(guò)本地區(qū)環(huán)境本底值4 mgNO-N/L（圖9），如Nebraska的Platte河和Republican河兩岸地區(qū)和高平原的東南端的地下水硝態(tài)氮濃度絕大多數(shù)已經(jīng)超過(guò)WHO規(guī)定的飲用水健康標(biāo)準(zhǔn)。1990年以后，高平原的地下水污染程度有所下降，2006-2010年時(shí)段內(nèi)高平原地下水硝態(tài)氮濃度超過(guò)WHO飲用水標(biāo)準(zhǔn)的樣點(diǎn)數(shù)比例已經(jīng)降至16.0%，表明高平原采取的地下水保護(hù)措施總體上起到了積極的效果，但是在局部地區(qū)地下水硝態(tài)氮污染依然比較嚴(yán)重（圖9）。

3 討論

他山之石可以攻玉，高平原在氣候條件、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要性、主要作物類(lèi)型與地下水超采問(wèn)題等方面與華北平原具有極大的相似性。盡管二者在農(nóng)田管理方式上和農(nóng)戶種植規(guī)模上具有較大的差異，但這正是高平原以較高的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展水平和發(fā)展階段，能夠?yàn)槿A北平原的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展和資源環(huán)境保護(hù)提供借鑒和參考的價(jià)值所在。

面對(duì)地下水超采和污染風(fēng)險(xiǎn)，高平原北部地區(qū)采取了限制地下水開(kāi)采、進(jìn)行保護(hù)性耕作、推廣噴灌機(jī)技術(shù)以減少對(duì)地下水的過(guò)度消耗，加上當(dāng)?shù)剌^為冷涼的氣候和良好的地下水補(bǔ)給條件，地下水資源得到了有效的保護(hù)，并且支撐了較高的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平［12］。與此同時(shí)，在中、南部高平原卻依然面臨持續(xù)的地下水消耗困境，這與中南部地區(qū)較為炎熱的氣候和較強(qiáng)烈的陸面蒸發(fā)，以及較差的地下水補(bǔ)給條件有關(guān)，進(jìn)而使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)付出了極大的資源和環(huán)境代價(jià)。高平原的農(nóng)業(yè)灌溉面積盡管增速減緩，但是總量依然很大，加上化肥的投入未能有效減少，從而導(dǎo)致北部高平原和部分中南部地區(qū)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的地下水污染，部分地區(qū)甚至地下水超采和污染兩方面問(wèn)題疊加，威脅農(nóng)業(yè)和地下水系統(tǒng)的可持續(xù)運(yùn)行。

圖9 高平原地下水硝態(tài)氮含量＞10 mgNO-N/L的概率分布圖Fig. 9 Probability for the NO-N concentration of groundwater exceeding 10 mgNO-N/L in the USHP

另外，高平原的肥料投入在1970年以前有較快速的增加，之后則一直保持穩(wěn)定水平，而玉米等糧食作物的產(chǎn)量卻保持增長(zhǎng)的趨勢(shì)。這對(duì)于依靠大量化肥投入來(lái)維持糧食作物高產(chǎn)的華北平原來(lái)講，無(wú)疑具有很大的借鑒意義：通過(guò)減少化肥施用強(qiáng)度、提高化肥的利用率、推廣節(jié)水灌溉，在獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)還能夠降低農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)環(huán)境的干擾和破壞。通過(guò)高平原的研究發(fā)現(xiàn)，地下水的過(guò)度開(kāi)采削弱了農(nóng)業(yè)應(yīng)對(duì)未來(lái)極端干旱事件的能力，這一點(diǎn)對(duì)于華北平原未來(lái)的糧食安全尤為重要。盡管目前華北平原可以依靠地下水來(lái)支持糧食的持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，但是這種不可持續(xù)的地下水超采嚴(yán)重削弱了農(nóng)業(yè)系統(tǒng)面對(duì)未來(lái)氣候變化和極端氣候事件時(shí)的抵御能力。

機(jī)遇孕育于挑戰(zhàn)之中，華北平原盡管在農(nóng)業(yè)發(fā)展和地下水資源利用上面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，但同時(shí)也迎來(lái)了新的機(jī)遇。首先，華北平原的地下水超采問(wèn)題已經(jīng)受到中央政府和全社會(huì)各界的關(guān)注，已經(jīng)從國(guó)家層面出臺(tái)了相應(yīng)的政策。地方政府也在逐步推進(jìn)限制、禁止地下水開(kāi)采的工作。越來(lái)越多的研究人員提出調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)［21-22］，減少高耗水林果［23］及冬小麥的種植面積［24-26］以壓縮地下水開(kāi)采。其次，南水北調(diào)的客水會(huì)對(duì)華北平原的水資源平衡有所調(diào)節(jié)。盡管由于總量有限、水價(jià)較高、地表渠系不配套等原因，對(duì)于農(nóng)業(yè)灌溉的直接作用還比較有限。但是，南水投入使用后可以間接地置換之前城市生活用水和工業(yè)用水占用的水資源，從而釋放一部分水資源給地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境修復(fù)［17］。再次，當(dāng)前正在進(jìn)行的農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)和家庭農(nóng)場(chǎng)的興起，為農(nóng)業(yè)的適度規(guī)模經(jīng)營(yíng)和節(jié)水灌溉技術(shù)、化肥控釋技術(shù)等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了機(jī)遇。另外，中國(guó)人口城鄉(xiāng)結(jié)構(gòu)和農(nóng)業(yè)人口年齡結(jié)構(gòu)的變化也正在成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的助推力量，而中國(guó)目前的工業(yè)化水平已經(jīng)完全可以支持農(nóng)業(yè)快速實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化進(jìn)程。可以預(yù)見(jiàn)，美國(guó)高平原目前的農(nóng)業(yè)發(fā)展階段就是華北平原的農(nóng)業(yè)發(fā)展的下一個(gè)階段。

當(dāng)前，正是華北平原農(nóng)業(yè)從依靠資源投入和環(huán)境破壞的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式，向依靠技術(shù)進(jìn)步和科學(xué)管理的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式轉(zhuǎn)變之際。結(jié)合高平原的前車(chē)之鑒和華北平原目前的實(shí)際情況，需要特別指出的是地下水污染的防治必須要和限采禁采措施同時(shí)進(jìn)行，不能片面關(guān)注地下水超采的問(wèn)題而忽視農(nóng)業(yè)面源污染的巨大風(fēng)險(xiǎn)［27］。否則，在地下水淺埋區(qū)以及補(bǔ)給條件較好的深埋區(qū)，限采禁采措施會(huì)導(dǎo)致水位上升，之后積累在包氣帶內(nèi)的農(nóng)業(yè)面源污染物隨即溶入地下水，從而形成嚴(yán)重的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。這種風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)在美國(guó)高平原北部地區(qū)和東南部地區(qū)成為現(xiàn)實(shí)，因此在華北平原的地下水超采治理中需要引起足夠的重視。

致謝：感謝國(guó)家自然科學(xué)基金（41471027）、河北省社會(huì)科學(xué)發(fā)展研究課題（2015040222）和河北省社會(huì)科學(xué)院研究課題（2015B004）對(duì)本研究的資助。Colorado State University的Erik Wardle教授為本研究提供了尚未公開(kāi)的Colorado州地下水硝酸鹽數(shù)據(jù)；Bureau of Economic Geology，the University of Texas at Austin為本研究的開(kāi)展提供了工作環(huán)境上的便利，謹(jǐn)致謝忱。三位匿名審稿專(zhuān)家和編輯老師對(duì)本文的修改完善提出了許多寶貴的建議和意見(jiàn)，在此一并表示感謝！

［1］ FAO. Improving irrigated production［R］. http://www.fao.org/ docrep/005/y3918e/y3918e10.htm， 2002.

［2］ Siebert S， Burke J， Fauers J M， et al. Groundwater use for irrigation—A global inventory［J］. Hydrology and Earth System Sciences， 2010， 14（10）: 1863-1880.

［3］ Doll P， Hoffmann-Dobrev H， Portmann F T， et al. Impact of water withdrawals from groundwater and surface water on continental water storage variations［J］. Journal of Geodynamics， 2012， 59/60: 143-156.

［4］ USGS. High plains water-level monitoring study （Groundwater Resources Program）［R］. http://ne.water.usgs.gov/ogw/hpwlms/ physsett.html， 2014.

［5］ Gleeson T， Alley W M， Allen D M， et al. Towards sustainable groundwater use: Setting long-term goals， backcasting， and managing adaptively［J］. Ground Water， 2012， 50（1）: 19-26.

［6］ Scanlon B R， Reedy R C， Gates J B， et al. Impact of agroecosystems on groundwater resources in the Central High Plains， USA［J］. Agriculture Ecosystems & Environment， 2010， 139（4）: 700-713.

［7］ Aeschbach-Hertig W， Gleeson T. Regional strategies for the accelerating global problem of groundwater depletion［J］. Nature Geoscience， 2012， 5（12）: 853-861.

［8］ Cao G L， Zheng C M， Scanlon B R， et al. Use of flow modeling to assess sustainability of groundwater resources in the North China Plain［J］. Water Resources Research， 2013， 49（1）: 159-175.

［9］ Global-Water-Partnership. Groundwater resources and irrigated agriculture-making a beneficial relation more sustainable［R］. http://www.gwp.org/Global/The%20Challenge/Resource%20material/ Perspectives%20Paper_Groundwater_web.pdf， 2012.

［10］ Perry C， Steduto P， Allen R G， et al. Increasing productivity in irrigated agriculture: Agronomic constraints and hydrological realities［J］. Agricultural Water Management， 2009， 96（11）: 1517-1524.

［11］ D?ll P， Schmied H M， Schuh C， et al. Global-scale assessment of groundwater depletion and related groundwater abstractions: Combining hydrological modeling with information from well observations and GRACE satellites［J］. Water Resources Research，2014， 50（7）: 5698-5720.

［12］ Scanlon B R， Faunt C C， Longuevergne L， et al. Groundwater depletion and sustainability of irrigation in the US High Plains and Central Valley［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2012， 109（24）: 9320-9325.

［13］ McGuire V L. Water-level and storage changes in the High Plains Aquifer， predevelopment to 2011 and 2009-2011［R］. U.S. Geological Survey scientific investigations report 2012-5291， http://pubs.usgs.gov/sir/2012/5291/， 2013.

［14］ Gurdak J J， McMahon P B， Dennehy K F， et al. Water quality in the high plains aquifer， Colorado， Kansas， Nebraska， New Mexico，Oklahoma， South Dakota， Texas， and Wyoming， 1999-2004，National Water-Quality Assessment Program［R］. U.S. Geological Survey Circular 1337， http://pubs.usgs.gov/circ/1337/， 2009.

［15］ Gutentag E D， Hermes F J， Krothe N C， et al. Geohydrology of the high plains aquifer in parts of Colorado， Kansas， Nebraska， New Mexico， Oklahoma， South Dakota， Texas， and Wyoming［R］. U.S. Geological Survey Professional Paper: 1400-B， http://pubs.er.usgs. gov/publication/pp1400B， 1984.

［16］ PRISM Climate Group. Oregon State University［R］. http://prism. oregonstate.edu， 2013.

［17］ Pei H W， Scanlon B R， Shen Y J， et al. Impacts of varying agricultural intensification on crop yield and groundwater resources: comparison of the North China Plain and US High Plains［J］. Environmental Research Letters， 2015， 10（4）: 044013.

［18］ Kenny J F， Barber N L， Hutson S S， et al. Estimated use of water in the United States in 2005［R］. U.S. Geological Survey Circular 1344，http://pubs.usgs.gov/circ/1344/， 2009.

［19］ Maupin M A， Kenny J F， Hutson S S， et al. Estimated use of water in the United States in 2010［R］. U.S. Geological Survey Circular 1405，http://dx.doi.org/10.3133/cir1405， 2014.

［20］ USDA. Fertilizer use and price［R］. http://www.ers.usda.gov/dataproducts/fertilizer-use-and-price.aspx， 2013.

［21］ Shen Y J， Zhang Y C， Scanlon B R， et al. Energy/water budgets and productivity of the typical croplands irrigated with groundwater and surface water in the North China Plain［J］. Agricultural and Forest Meteorology， 2013， 181: 133-142.

［22］ Guo Y， Shen Y J. Quantifying water and energy budgets and the impacts of climatic and human factors in the Haihe River Basin，China: 2. Trends and implications to water resources［J］. Journal of Hydrology， 2015， 527: 251-261.

［23］ Zhang Y C， Shen Y J， Xu X L， et al. Characteristics of the waterenergy-carbon fluxes of irrigated pear （Pyrus bretschneideri Rehd） orchards in the North China Plain［J］. Agricultural Water Management， 2013， 128: 140-148.

［24］ Yuan Z J， Shen Y J. Estimation of agricultural water consumption from meteorological and yield data: A case study of Hebei， North China［J］. Plos One， 2013， 8（3）: e58685.

［25］ 張光輝， 費(fèi)宇紅， 劉春華， 等. 華北平原區(qū)域水資源特征與作物布局結(jié)構(gòu)適應(yīng)性研究［J］. 地球?qū)W報(bào)， 2010， 17（1）: 17-22.

Zhang G H， Fei Y H， Liu C H， et al. The relationship between the distribution of irrigated crops and the supply capability of regional water resources in North China Plain［J］. Acta Geoscientica Sinica，2010， 17（1）: 17-22.

［26］ 張光輝， 劉中培， 費(fèi)宇紅， 等. 華北淲滏平原地下水位下降與灌溉農(nóng)業(yè)關(guān)系［J］. 水科學(xué)進(jìn)展， 2013， 24（2）: 228-234.

Zhang G H， Liu Z P， Fei Y H， et al. Relationship between decline of shallow groundwater levels and irrigated agriculture on Hufu Plain of North China［J］. Advances in Water Science， 2013， 24（2）: 228-234.

［27］ 裴宏偉， 沈彥俊， 劉昌明. 華北平原典型農(nóng)田氮素與水分循環(huán)［J］. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)， 2015， 26（1）: 283-296.

Pei H W， Shen Y J， Liu C M. Nitrogen and water cycling of typical cropland in the North China Plain［J］. Chinese Journal of Applied Ecology， 2015， 26（1）: 283-296.

（責(zé)任編輯：童成立）

The impacts and enlightenments of irrigated agriculture on groundwater resources in the U.S. High Plains

PEI Hong-wei1，5， WANG Yan-fang2， SHEN Yan-jun1， Ma Hong3， Bridget R. Scanlon4， LIU Chang-ming1
（1. Key Laboratory of Agricultural Water Resources， Center for Agriculture Resources Research， Institute of Genetics and Development Biology， the Chinese Academy of Sciences， Shijiazhuang， Hebei 050021， China； 2. Research Center for Hebei Ecological Environmental Construction， Hebei Academy of Social Sciences， Shijiazhuang， Hebei 050051， China；3. Hebei University of Architecture， Zhangjiakou， Hebei 075000， China； 4. Bureau of Economic Geology， Jackson School of Geosciences， the University of Texas at Austin， Austin 78758， Texas， USA； 5. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049， China）

Intensive irrigated agriculture has resulted into serious groundwater crisis， which threatens the sustainability of ecosystem and society， globally. There were also serious water resource problems in the semi-arid North China， especially the North China Plain， where the agro-systems mostly depend on limited groundwater resources. The U.S. High Plains，where wheat and corn production have increased by 2 folds and 10 folds during the past 60 years， respectively. These progresses in agriculture also depleted 3 360×108m3groundwater at the same time， which reduced the agro-system’s ability to resist the serious drought. After 1980s， the northern U.S. High Plains recovered the groundwater depletion by reducing groundwater pumping， extending the area which applied Center Pivot Sprinkler system and also the natural considerable groundwater recharge. Meanwhile， the groundwater deficit in the central and southern U.S. High Plains still leaded to continued groundwater depletion in some local regions. At the same time， groundwater pollution became popular in the northern U.S. High Plains， which resulted by the huge fertilizer application and shallow groundwater depth. Therefore， we should consider both the groundwater depletion and pollution， in the practice of groundwater protection in the North China Plain， and other groundwater depended regions in the semi-arid North China.

irrigation； groundwater depletion； groundwater pollution； sustainable development； the North China Plain

National Natural Science Foundation of China (41471027); the Hebei Federation of Social Science Circles (2015040222); the Hebei Academy of Social Sciences (2015B004).

SHEN Yan-jun, E-mail: yjshen@sjziam.ac.cn.

12 October, 2015; Accepted 15 November, 2015

X322

A

1000-0275（2016）01-0166-08

10.13872/j.1000-0275.2015.0162

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41471027）；2015年度河北省社會(huì)科學(xué)發(fā)展研究課題（2015040222）；2015年河北省社會(huì)科學(xué)院研究課題（2015B004）。

裴宏偉（1987-），男，河北張家口人，博士研究生，主要從事農(nóng)田水文過(guò)程和區(qū)域地下水管理研究，E-mail: phw1987@126.com；通訊作者，沈彥?。?971-），男，河北張家口人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)水文與水資源研究，E-mail: yjshen@sjziam.ac.cn。

2015-10-12，接受日期：2015-11-15