美国高平原农业发展对地下水资源的影响及启示

裴宏伟，王彦芳，沈彦俊，马宏，Bridget R. Scanlon， 刘昌明

（1. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心农业水资源重点实验室，河北 石家庄 050021；2. 河北省社会科学院河北省生态环境建设研究中心，河北 石家庄 050051；3. 河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；4. Bureau of Economic Geology，Jackson School of Geosciences， the University of Texas at Austin， Austin， Texas， USA 78758；5. 中国科学院大学，北京 100049）

美国高平原农业发展对地下水资源的影响及启示

裴宏伟1，5，王彦芳2，沈彦俊1*，马宏3，Bridget R. Scanlon4， 刘昌明1

（1. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心农业水资源重点实验室，河北 石家庄 050021；2. 河北省社会科学院河北省生态环境建设研究中心，河北 石家庄 050051；3. 河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；4. Bureau of Economic Geology，Jackson School of Geosciences， the University of Texas at Austin， Austin， Texas， USA 78758；5. 中国科学院大学，北京 100049）

全球范围内的高强度灌溉农业已经造成了严重的地下水危机，威胁农业生态系统和经济社会的可持续运行。在中国北方农耕区，依靠地下水支撑的农业系统正面临严重的水资源问题，其中以华北平原最为严重。美国高平原在近60年中依靠消耗地下水支撑农业生产，小麦、玉米的生产总量分别增加了2倍和10倍，这些农业上的成就却以累积消耗地下水约3 360亿 m3为代价，并降低了农业系统应对极端干旱事件的能力。1980年以后，高平原北部地区依靠良好的地下水补给条件并通过地下水的禁采限采、推广喷灌技术等措施降低了地下水的消耗速率。然而由于高平原中、南部地下水采补依然失衡而导致地下水资源持续减少；北部地区在地下水保护的同时却未能有效减少农田的氮肥施用水平，导致地下水浅埋区比较严重的地下水污染。因此，在当下华北平原及我国北方地下水灌溉区大力治理地下水超采问题的实践中，必须与农业面源污染的控制和治理相向而行、质量兼顾、综合统筹。

灌溉；地下水超采；地下水污染；可持续发展；华北平原

裴宏伟， 王彦芳， 沈彦俊， 马宏， Bridget R. Scanlon， 刘昌明. 美国高平原农业发展对地下水资源的影响及启示［J］. 农业现代化研究， 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.

全球灌溉农田以17%的耕地面积生产了40%的粮食，成为保障世界粮食生产、解决饥饿问题的重要依托［1］。21世纪初，全球的灌溉面积平均约为301×106hm2/a，所消耗的灌溉水资源量约为12 770亿m3/a，其中38%的灌溉面积（112.9×106hm2）依赖于地下水，灌溉所消耗的地下水约合5 450亿m3/a，约为灌溉总消耗量的42%［2-3］。在世界上诸多的半干旱—半湿润地区，如美国的高平原［4-6］、中国的华北平原等地区［7-8］，过度利用地下水导致含水层迅速疏干和生态环境退化，同时农业生产也对地下水的补给量和地下水水质造成影响［9-10］。美国高平原是全球关注的农业系统发展和地下水超采的热点地区［11-12］。在国家层面，美国地质调查局先后实施了数10项以高平原为专门研究对象的调查项目［4，13-15］，对不同时期高平原地下水水质、水量进行了详尽的调查。在州政府层面，Nebraska州（http://dnrdata.dnr.ne.gov/Clearinghouse/）、Colorado州（https://erams.com/co_groundwater）、Texas州（https://www. twdb.texas.gov/）等州组织了很多针对含水层水质和水位的调查项目，这些地方层面的调查项目与国家层面的调查项目共同为开展相关科学研究提供了宝贵的资料。本文以上述数据库资料为基础，分析近60年来美国高平原农业生产变化特征及其对区域地下水资源的影响，进而探讨在半干旱半湿润地区依赖地下水发展农业的可持续性策略，这将对解决当前包括华北平原在内的全球性农业—地下水危机大有裨益。

1 研究区概况

1.1 自然条件

美国高平原（U.S. High Plains，USHP，31.8°-43.7°N，96.3°-105.9°W，以下称“高平原”）是美国大平原（U.S. Great Plains）的一部分（图1）。高平原西起落基山脉东麓，东至密西西比大平原的西侧，海拔高度从590 m到2 400 m不等，整体地势由西向东倾斜，其下部是美国主要的地下水含水层之一：Ogallala含水层。高平原土地面积约45.4万km2，在行政区上分别位于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）。高平原属于温带大陆性季风气候，夏季温暖湿润，冬季寒冷干燥。高平原的气温由南向北递减，多年平均日均温6-17 ℃，1950-2012年平均日均温为11.4 ℃；多年年平均降水量为493 mm，呈现由东向西递减规律，东部较湿润的地区年降水量可以达到600-800 mm，西北较为干旱，年降水量在400 mm左右［16］。

图1 高平原的位置Fig. 1 Location of the USHP

1.2 农业发展历程

高平原的原住居民是印第安人，以狩猎北美野牛为生，长期以来畜牧业是最主要的产业类型［15］。高平原大规模的农业开发始于19世纪初期，到19世纪末，农业已经成为这里的主要产业。在20世纪40年代以前，限制高平原灌溉规模的主要因素是地下水位的埋藏条件和地面的起伏程度，灌溉的范围主要集中在地下水埋深比较浅的地区和北部高平原（Northern High Plains，NHP）几条大的河流沿岸，如Platte River，Arkansas River等河流两岸沿线地区地势平坦、地表水源充足，地表水灌溉比较普遍（http://ne.water.usgs.gov/ogw/hpwlms/physsett.html），人们利用风车提取地表水和浅层地下水进行灌溉。20世纪60年代后，随着新的灌溉技术（主要是深井潜水泵技术和大型中央喷灌机）的推广，人们利用地下水的能力大大的提高，进而迅速地拓展了灌溉农业的适用地域。另外，战后急剧增加的人口对粮食等食物的需求和政府对开发中西部地区的鼓励政策也促进了高平原的农业开发进程。而同期推广的中央喷灌机技术又可以适应并不太平坦的地面，这使得人们可以摆脱地表河流的限制和地形不平整的限制。高平原的灌溉农业从业者通过抽取Ogallala含水层的地下水资源用于农业生产，从而使高平原地下水开采和农业发展迎来新的历史时期。

2 高平原农业发展及地下水环境演变分析

2.1 高平原近60年农业生产规模及生产能力变化

小麦和玉米是高平原目前最主要的粮食作物（2002-2011年），分别占粮食总播种面积的37%和41%；由于玉米的单产水平较高，玉米的总产量占全部粮食产量的74%，而小麦仅占10%［17］。20世纪50年代中期以后，小麦和玉米的单产水平开始快速增加，其中玉米产量的增长趋势较为稳定，而小麦产量的年际变化非常大（图2）。主要原因是高平原的玉米绝大多数可以灌溉，而小麦则基本为雨养，加上高平原并不稳定的降水，遇到干旱年份，小麦的产量水平即不能保证。在极端干旱的年份地下水不能充分供给时，玉米也会遇到减产，如2002年、2011年和2012年的干旱就曾导致高平原的玉米大幅减产。从空间分布上看（2011年），高平原小麦的高产区主要分布在高平原北部的Nebraska州、Kansas州和Colorado州三州交界处，全区平均单产仅为2.6 t/hm2；玉米的高产区则主要分布在Nebraska州的东部，其他州的分布较为零散（图3），全区平均产量11.4 t/hm2，远高于小麦的单产水平。

图2 高平原近60年小麦玉米生产的变化特征Fig. 2 Temporal variations for the wheat and corn productions in the USHP during the past 60 years

图3 高平原小麦玉米单产的空间变化特征Fig. 3 Spatial variations for the wheat and corn yields in the USHP

过去60年内，高平原地下水系统在支持农业系统抵御干旱风险的能力在减弱。根据PRISM（Parameter-elevation Relationships on Independent Slopes Model，http://prism.oregonstate.edu）的降水数据，研究发现尽管1980年以来高平原的干旱年份发生频率并没有1980年以前频繁（1950-1980年降水量低于多年平均降水量的年份为478 mm，而1981-2012年降水量低于多年平均降水量的年份为513 mm），同时降水保证率P＞75%的干旱年份在1981-2012时段发生的频率（5次）也远不及1950-1980时段干旱发生的频率（11次），但是玉米产量在1980年以后有8次明显的下跌，而之前则仅有1975年有较明显的下降（1975年极端干旱年份，降水量389 mm，保证率P=92%）。这说明在地下水大规模开发前期，由于地下水资源量还比较丰富，水位较浅，灌溉农业在遭遇干旱年份的时候具有较大的缓冲空间，可以应对干旱年份农业对水资源的巨大消耗。但是在地下水资源不断被消耗、地下水埋深越来越深的情况下，农业系统应对极端干旱的能力则会下降。尤其是2012年整个高平原地区都发生了极为严重的干旱，北部高平原的降水量仅为287 mm，为1894年以来的最低值，中部高平原（Central High Plains，CHP）和南部高平原（Southern High Plains，SHP）的降水保证率均达到95%的极端干旱年份，玉米产量几乎跌至1980年前后的单产水平。

2.2 高平原近60年农业灌溉变化特征

1950年以来，高平原的农业灌溉以1980年为节点，经历了两个阶段：第一阶段是灌溉农业快速发展阶段，第二阶段是灌溉总量有所减少并维持稳定水平的阶段。Texas的灌溉开采量在第一阶段由1949年的32亿m3/a迅速增加至1974年的93亿m3/a，在第二阶段有所回落，1995-2010年时段维持在约70亿m3/a的开采强度（图4）。Kansas灌溉开采量由1949年的2 亿m3/a迅速增加至1985年的54 亿m3/a，第二阶段的灌溉开采量有所回落并呈现出连续下降的趋势。Nebraska的灌溉开采量由1949年的7 亿m3/a快速增长，到1980年已经达到79亿m3/a的开采强度，之后经历了小幅波动在2000-2010年趋于平稳，维持在97 亿m3/a的开采水平。

图4 高平原灌溉面积、灌溉开采量和灌溉方式的年际变化Fig. 4 Temporal variations of irrigation area， pumpage and methods in the USHP

高平原的灌溉面积变化过程与地下水开采量的变化过程类似（图4），但是高平原整体的灌溉深度（单位灌溉面积的灌溉水深）却呈现逐年下降的趋势，灌溉量从1949年的大约550 mm/a减少到2010年的320 mm/a左右，这主要得益于高平原1980年以后逐步推广大型的中央喷灌机技术，使得漫灌面积得以大幅压缩，从而大大地减少了灌溉耗水。从1985-1995年的10年内，中央喷灌机的普及程度超过了漫灌由39%升至54%，而后2000-2010年的10年内，利用中央喷灌机灌溉的农田面积占灌溉农田总面积的比重由63%升至75%并趋于稳定［18-19］（图4）。灌溉技术的改进对高平原的节水灌溉进程起到了关键的作用：灌溉面积的增加的同时灌溉耗水量趋于减小，自1950年以来的灌溉净水深平均每10年减少36 mm（图4）。高平原通过推广节水灌溉（主要是中央喷灌机技术）在支撑粮食产量稳步增加的同时也大大的压缩了灌溉耗水，这表明以适度规模经营为基础的农业节水措施可以有效的增加水资源的利用效率。而当前正在农村开展的土地使用权流转政策和家庭农场的兴起，无疑给华北平原的节水农业发展带来新的机遇。

2.3 高平原农用化肥消耗状况的多年变化

化肥是农业强化过程中继灌溉之后的第二大投入要素，其中氮肥是高平原小麦和玉米施用化肥的主要肥料。从小麦和玉米所施用的氮磷肥多年变化特征看［20］（图5），高平原小麦和玉米的化肥施用强度在1969年以前增长快速，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；相应的，小麦的氮肥施用量也由1964年的29 kgN/hm2迅速增加至1969年的56 kgN/hm2。随后的40多年中（1970-2011年），高平原小麦和玉米的氮肥施用量整体维持在稳定水平，玉米氮肥施用强度约为157 kgN/hm2，小麦的氮肥施用强度约为62 kgN/hm2。与小麦和玉米在氮肥施用量上的显著差异不同，二者在磷肥施用量上差距较小，其中玉米略高于小麦。小麦和玉米的磷肥施用量在时间变化特征上与氮肥施用量的变化趋势相似：1972年以前增长快速，但是1972年以后小麦的磷肥施用量一直呈现下降的态势，玉米的磷肥施用量在1972-1998年间也表现出下降的态势，之后一直处于平稳增长的状态。1972-2011年期间，玉米的磷肥施用量平均为42 kgP2O5/hm2，小麦的磷肥施用量平均为37 kgP2O5/hm2。

图5 高平原小麦玉米氮肥磷肥施用量的多年变化特征（1964-2011）Fig. 5 Temporal variations of wheat and corn fertilizer applications（N and P2O5）in the USHP（1964-2011）

2.4 高平原农业生产对区域地下水的消耗

高平原的农业生产导致了地下水资源的过度消耗。在过去的60年中（1950-2011年），高平原累积消耗地下水约3 360亿m3（图6），约合671 mm的净水深度，并在区域上造成了平均约4.9 m的地下水位降幅。特别是2002-2003年的极端干旱年份，整个高平原的地下水消耗速率明显加快。过去60年，北部Nebraska州的地下水消耗比较平稳，而中南部的Kansas州和Texas 州地下水消耗的速率则相对较快。究其原因，一方面是由于北部Nebraska州的气温低，陆面蒸散发较弱；另一方面原因是Nebraska州有两条径流量较大的河流，对地下水的补给效果明显；此外，北部地区的Sand Hills地区基本是天然植被且拥有良好的地下水补给通道，成为良好的水源涵养区；这些因素使得该地区的地下水消耗和补给基本上可以达到平衡。特别是20世纪80年代以后高平原北部采取了一系列针对地下水资源的保护措施：如限制地下水开采、实施保护性耕作等有力地缓解了农业系统对地下水资源的超采压力［12］。

图6 高平原地下水累积消耗量多年变化特征Fig. 6 Multi-year accumulated groundwater depletion in the USHP

从高平原各个子区域的地下水消耗强度看（表1），高平原的北部NHP地区的地下水消耗总量最少，为4.2亿m3/a，折合约2 mm/a的净水深度。高平原中部和南部地区的地下水消耗最为剧烈（图7），地下水位的年均降幅分别达到0.14 m/a和0.18 m/a，是北部地区的数10倍，每年地下水的消耗量分别达到26.6亿m3/a和20.7亿m3/a。在CHP和SHP两个地区，由于过度的开采地下水资源，一些地方的地下水埋深达100 m之多，部分地区的地下水水位下降速率在1 m/a左右，与华北平原山前平原中段的地下水严重超采区的水位降幅相当。NHP地区则恰好相反，由于水资源补给条件较好、自然蒸发较弱以及对应的地下水保护措施，位于NHP地区的Sand Hills地区和Republican 河流沿岸的部分地区则在过去数10年内都保持地下水位不降（图7）。

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

图7 高平原地下水累积消耗量的空间分布特征（1950s-2011）Fig. 7 Spatial distribution for the accumulated groundwater depletion in the USHP（1950s-2011）

2.5 高平原农业生产对区域地下水水质的影响

高平原的农业生产给地区地下水资源带来了严重的威胁，除了前文述及的地下水超采以外，还表现在地下水水质的恶化方面。根据USGS公布的地下水硝态氮浓度数据可以看到（图8），高平原的地下水硝态氮含量在1970年以前均比较平稳，1971-1990年地下水硝态氮浓度上升最快。1971-1975年超过本地区环境本底值（4 mgNO-N/L）的地下水样本占调查样本总数的13.1%，而到了1986-1990年，这一比重增加至28.2%。与此同时，1971-1975年超过世界卫生组织（WHO）规定的饮用水健康标准（10 mgNO-N/L）的地下水样本数占调查样本总数的比例为2.5%， 而1986-1990年增加至22.7%。

图8 近60年美国高平原地下水硝态氮浓度的变化Fig. 8 Temporal variation for the NO-N concentration of groundwater in the USHP during the past 60 years

特别是在北部和南部地下水埋深比较浅、土壤沙粒含量较多、地下水补给量大而农业活动又比较强烈的地区，地下水硝态氮的浓度多数超过本地区环境本底值4 mgNO-N/L（图9），如Nebraska的Platte河和Republican河两岸地区和高平原的东南端的地下水硝态氮浓度绝大多数已经超过WHO规定的饮用水健康标准。1990年以后，高平原的地下水污染程度有所下降，2006-2010年时段内高平原地下水硝态氮浓度超过WHO饮用水标准的样点数比例已经降至16.0%，表明高平原采取的地下水保护措施总体上起到了积极的效果，但是在局部地区地下水硝态氮污染依然比较严重（图9）。

3 讨论

他山之石可以攻玉，高平原在气候条件、农业生产的重要性、主要作物类型与地下水超采问题等方面与华北平原具有极大的相似性。尽管二者在农田管理方式上和农户种植规模上具有较大的差异，但这正是高平原以较高的现代农业发展水平和发展阶段，能够为华北平原的现代农业发展和资源环境保护提供借鉴和参考的价值所在。

面对地下水超采和污染风险，高平原北部地区采取了限制地下水开采、进行保护性耕作、推广喷灌机技术以减少对地下水的过度消耗，加上当地较为冷凉的气候和良好的地下水补给条件，地下水资源得到了有效的保护，并且支撑了较高的农业生产水平［12］。与此同时，在中、南部高平原却依然面临持续的地下水消耗困境，这与中南部地区较为炎热的气候和较强烈的陆面蒸发，以及较差的地下水补给条件有关，进而使农业生产付出了极大的资源和环境代价。高平原的农业灌溉面积尽管增速减缓，但是总量依然很大，加上化肥的投入未能有效减少，从而导致北部高平原和部分中南部地区出现了较为严重的地下水污染，部分地区甚至地下水超采和污染两方面问题叠加，威胁农业和地下水系统的可持续运行。

图9 高平原地下水硝态氮含量＞10 mgNO-N/L的概率分布图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年以前有较快速的增加，之后则一直保持稳定水平，而玉米等粮食作物的产量却保持增长的趋势。这对于依靠大量化肥投入来维持粮食作物高产的华北平原来讲，无疑具有很大的借鉴意义：通过减少化肥施用强度、提高化肥的利用率、推广节水灌溉，在获得高产稳产的同时还能够降低农业活动对环境的干扰和破坏。通过高平原的研究发现，地下水的过度开采削弱了农业应对未来极端干旱事件的能力，这一点对于华北平原未来的粮食安全尤为重要。尽管目前华北平原可以依靠地下水来支持粮食的持续高产稳产，但是这种不可持续的地下水超采严重削弱了农业系统面对未来气候变化和极端气候事件时的抵御能力。

机遇孕育于挑战之中，华北平原尽管在农业发展和地下水资源利用上面临严峻挑战，但同时也迎来了新的机遇。首先，华北平原的地下水超采问题已经受到中央政府和全社会各界的关注，已经从国家层面出台了相应的政策。地方政府也在逐步推进限制、禁止地下水开采的工作。越来越多的研究人员提出调整农业种植结构［21-22］，减少高耗水林果［23］及冬小麦的种植面积［24-26］以压缩地下水开采。其次，南水北调的客水会对华北平原的水资源平衡有所调节。尽管由于总量有限、水价较高、地表渠系不配套等原因，对于农业灌溉的直接作用还比较有限。但是，南水投入使用后可以间接地置换之前城市生活用水和工业用水占用的水资源，从而释放一部分水资源给地区的农业生产和生态环境修复［17］。再次，当前正在进行的农村土地流转和家庭农场的兴起，为农业的适度规模经营和节水灌溉技术、化肥控释技术等现代农业技术的推广应用提供了机遇。另外，中国人口城乡结构和农业人口年龄结构的变化也正在成为现代农业发展的助推力量，而中国目前的工业化水平已经完全可以支持农业快速实现现代化进程。可以预见，美国高平原目前的农业发展阶段就是华北平原的农业发展的下一个阶段。

当前，正是华北平原农业从依靠资源投入和环境破坏的传统农业模式，向依靠技术进步和科学管理的现代农业模式转变之际。结合高平原的前车之鉴和华北平原目前的实际情况，需要特别指出的是地下水污染的防治必须要和限采禁采措施同时进行，不能片面关注地下水超采的问题而忽视农业面源污染的巨大风险［27］。否则，在地下水浅埋区以及补给条件较好的深埋区，限采禁采措施会导致水位上升，之后积累在包气带内的农业面源污染物随即溶入地下水，从而形成严重的环境风险。这种风险已经在美国高平原北部地区和东南部地区成为现实，因此在华北平原的地下水超采治理中需要引起足够的重视。

致谢：感谢国家自然科学基金（41471027）、河北省社会科学发展研究课题（2015040222）和河北省社会科学院研究课题（2015B004）对本研究的资助。Colorado State University的Erik Wardle教授为本研究提供了尚未公开的Colorado州地下水硝酸盐数据；Bureau of Economic Geology，the University of Texas at Austin为本研究的开展提供了工作环境上的便利，谨致谢忱。三位匿名审稿专家和编辑老师对本文的修改完善提出了许多宝贵的建议和意见，在此一并表示感谢！

［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］ Döll 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］ 张光辉， 费宇红， 刘春华， 等. 华北平原区域水资源特征与作物布局结构适应性研究［J］. 地球学报， 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］ 张光辉， 刘中培， 费宇红， 等. 华北淲滏平原地下水位下降与灌溉农业关系［J］. 水科学进展， 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］ 裴宏伟， 沈彦俊， 刘昌明. 华北平原典型农田氮素与水分循环［J］. 应用生态学报， 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.

（责任编辑：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

国家自然科学基金项目（41471027）；2015年度河北省社会科学发展研究课题（2015040222）；2015年河北省社会科学院研究课题（2015B004）。

裴宏伟（1987-），男，河北张家口人，博士研究生，主要从事农田水文过程和区域地下水管理研究，E-mail: phw1987@126.com；通讯作者，沈彦俊（1971-），男，河北张家口人，研究员，博士生导师，主要从事农业水文与水资源研究，E-mail: yjshen@sjziam.ac.cn。

2015-10-12，接受日期：2015-11-15