内蒙古宜耕沙地作物适宜性评价与节水灌溉方式配置

范豫川，闫旭东，张宏飞，逄好胜，刘利宁，王天舒，李淑娟，俞杨浏，左 强，石建初※



内蒙古宜耕沙地作物适宜性评价与节水灌溉方式配置

范豫川1，闫旭东2，张宏飞2，逄好胜1，刘利宁1，王天舒1，李淑娟1，俞杨浏3，左 强1，石建初1※

（1. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2. 内蒙古自治区土地整治中心，呼和浩特 010020； 3. 浦东新区农业服务中心，上海 201200）

内蒙古自治区拥有大量宜耕沙地，但普遍都面临干旱缺水、土壤漏水漏肥、地表高温、微地形复杂等问题，经营管理不善不仅会进一步加剧水资源危机，而且还会因土地生产力水平低下而导致土地撂荒与沙化。为了在作物种植结构优化与灌溉方式选配方面给当地农户提供参考依据，该研究从内蒙古宜耕沙地可持续利用过程中所遇到的共性问题出发，以内蒙古自治区近5 a产量和种植面积都居前的7种农作物（春玉米、春小麦、谷子、大豆、油菜、水稻、马铃薯）为评价对象，从需水量、有效积温、土壤pH值、增温响应、经济效益、耐旱性能等6方面对其适宜性进行分析与比较。同时，又以该地区近10 a种植面积居前的8种牧草（冰草属牧草、沙蒿、柠条锦鸡儿、批碱草属牧草、羊草、紫花苜蓿、沙打旺、无芒雀麦）和1种近年来得到广泛关注的牧草（青贮玉米）为评价对象，从降水量、气温、土壤pH值、营养价值等四方面对其适宜性进行了分析与比较。然后，针对各种作物的种植模式，结合各种灌溉方式的自身特点以及内蒙古宜耕沙地主要的土壤、气候、地形地貌特征，以提高水分与养分利用效率为主要目标，为各种作物选配了适宜的节水灌溉方式。结果表明适宜在内蒙古宜耕沙地上种植的农作物依次为春玉米、春小麦、谷子、大豆、油菜、水稻、马铃薯，牧草依次为冰草属牧草、沙蒿、青贮玉米、柠条锦鸡儿、批碱草属牧草、羊草、紫花苜蓿/沙打旺、无芒雀麦。在条件许可的情况下建议玉米、水稻、大豆、马铃薯等疏植作物选用滴灌甚至膜下滴灌，其他密植作物（包括牧草）选用喷灌。因该研究在对作物适宜性进行评价时所采纳的数据均来自于公开发表的文献资料，试验条件存在较大差异，并且所采纳的评价指标以及权重因子在一定程度上仍存在主观性，导致评价方法仍有待进一步改进与完善，但相关结果仍可为内蒙古宜耕沙地可持续高效利用提供借鉴。

土壤；灌溉；农作物；牧草；宜耕沙地；适宜性评价

0 引 言

随着经济社会的发展、人口的增长以及人民生活水平的提高，中国对农畜产品的需求日益增大，但耕地面积逐年递减，耕地质量不断下降，粮食安全正面临巨大挑战[1]。因此，在资源承载力许可范围内，提高现有土地资源的利用效率是保障我国粮食安全的必经之路。

作为中国北方生态安全屏障，内蒙古自治区不仅畜牧业非常发达，同时还是重要的粮食生产基地[2]。自治区土地辽阔，总面积为11 830万hm2，占全国总土地面积的12.3%，但水资源却显得尤为稀缺，多年平均水资源总量仅为509.2亿m3，约占全国多年平均水资源总量的1.9%[3]。显然，水资源短缺已成为自治区农牧业可持续发展过程中的最大障碍。2014年统计年鉴显示，自治区现有耕地面积912.2万hm2，仅占全区总土地面积的7.7%，其中大约1/3为旱地[4]，并且每年都有大量耕地因干旱缺水而退化，然后在风沙作用下迅速被沙化。近年来，自治区沙化土地面积逐年递增，截止到2014年底，荒漠化土地面积达6 092万hm2，占全区总土地面积的51.5%；沙化土地面积达4 078万hm2，占全区总土地面积的34.5%；有明显沙化趋势的土地面积达1 740万hm2，占全区总土地面积的14.7%（各类型土地之间有少量重合）[5]。一般情况下，现有耕地与外围中度沙化土地之间的过渡地带属轻度沙化土地，沙化时间较短，其中绝大部分依靠自然条件或在采取一定人工措施（如补充灌溉）的情形下便可满足作物生长需求，常被称为宜耕沙地。通常情况下，除干旱缺水外，内蒙古宜耕沙地还会面临土壤漏水漏肥、地表高温、微地形复杂等问题，但农户往往都无法采取有效措施加以应对而只能凭借主观经验进行简单操作甚至盲目操作，主要表现在作物种植结构优化与灌溉方式选配等方面，从而导致水分与养分资源浪费严重，土地生产力水平低下，甚至导致撂荒。可见，在水资源承载范围内，对内蒙古宜耕沙地进行合理利用就显得尤为必要，不仅能为保障国家粮食安全助一臂之力，同时有助于防止土地进一步沙化、退化从而保护生态环境。

对于内蒙古自治区广泛分布的宜耕沙地而言，除了可以考虑种植农作物外，同样还需考虑种植部分牧草，这不仅关系到国家生态安全，同时也是自治区畜牧业可持续发展的基础。然而，无论种植农作物还是牧草，都不得不面对干旱缺水、土壤保水保肥性能差、近地表气温相对较高、微地形复杂等因素的限制[6]。因此，有针对性地为内蒙古宜耕沙地筛选适应性更强的作物并在灌溉条件许可的情况下为其配置高效的灌溉方式就显得尤为重要。虽然少量学者通过生态经济适应性指标在全区范围内对5种粮食作物（小麦、玉米、马铃薯、莜麦、大豆）进行了评价，但筛选范围较小并且针对性不强，很难直接供宜耕沙地借鉴[7]。为了尽可能减少障碍因素对内蒙古宜耕沙地可持续高效利用所带来的影响，在充分考虑现有主要作物种植面积和产量的基础上，通过综合考虑土壤与气候条件、作物生理属性和经济效益等因素，对农作物与牧草的适宜性进行综合评价，在一定程度上为优化宜耕沙地种植结构提供参考依据，同时，在有灌溉条件的地区，结合种植模式与各种灌溉方式的自身特点以及宜耕沙地主要的土壤、气候、地形地貌特征，为各种作物推荐高效的节水灌溉方式。

1 材料与方法

1.1 内蒙古自治区概况

内蒙古自治区位于中国北部边疆，由东北向西南倾斜，呈狭长形，地处37°30¢～53°20¢N、97°10¢～126°02¢E之间。南北最宽处约1 700 km，东西长达2 400 km[8]，平均海拔约1 000 m。自治区多年平均气温4.8 ℃，多年平均降水量271 mm，无霜期130～170 d[9]。自治区降水主要集中在6—9月，约占全年降水量的68%，具有明显的雨热同期特点，有利于作物生长，但空间分布高度不均，从东部呼伦贝尔（约450 mm）向西部阿拉善（约50 mm）逐渐递减[10]。总体而言，自治区土地资源非常丰富，在全国各省中排名第3位，但水资源非常短缺，仅排名第16位，导致现有耕地沙化、退化现象非常严重[4]。由于宜耕沙地相关概念新建立不久，尚未对内蒙古宜耕沙地开展大规模分析与调查，仅由张玉伟[11]以鄂尔多斯杭锦旗为例对宜耕沙地的面积及其分布进行了相关研究。

1.2 评价与筛选思路

调整作物种植结构或为作物制定灌溉制度以及建设农田灌溉设施时，应充分考虑水文年型与灌溉设计保证率从而体现降雨与灌水抗旱要求对农田灌溉以及农业生产的影响。作为灌溉制度的主体对象，对某一作物在某一特定地区的适宜性进行评价时理应考虑水文年与灌溉设计保证率，但需以大量基础资料与数据作为保障。内蒙古宜耕沙地所涉区域非常广，气候条件差异很大，并且本研究所涉待评作物较多，在没有开展全面试验研究的基础上很难获得所需详细资料或数据。通常情况下，某种作物在某一地区的播种面积与产量尤其是其在所有作物中的排名是该作物长期适应该地区土壤、气候、水文地质、地形地貌、农业与经济发展水平等自然条件以及社会条件的必然结果。因此，本研究没有专门考虑水文年型与灌溉设计保证率的影响，而是以播种面积和产量为依据，将内蒙古最主要的几种作物作为评价对象，然后再进行横向比较，此时考虑的主要因素有作物需水量、有效积温、土壤pH值、增温响应、经济效益、耐旱性能、营养价值等因素，最终进行综合排序。由于内蒙古干旱缺水，对于宜耕沙地而言，水资源短缺问题更为严峻，因此需水量少、抗旱性能强的作物适应自然条件的能力相对更强，这两个因素在评价过程中所占的权重较大。另外，农业生产过程中，农民的积极性也至关重要，因此经济效益也被重点强调。而对于灌溉方式的选配，则应充分考虑土壤、作物、气候以及地形等条件进行综合考虑，尽可能提高灌溉水的利用效率。具体思路如图1所示。

图1 内蒙古宜耕沙地作物适宜性评价与节水灌溉方式配置思路

1.3 资料搜集与数据分析

1）农作物需水量与牧草适宜降水量

对于农作物，先以“＊＊需水量（＊＊为待评作物，如春玉米、春小麦等，下同）”为关键词，通过知网、万方等数据库共搜集到60多篇相关论文以及3本书籍，然后以“蒙古自治区作物需水量”为依据筛选出相关论文4篇[12-15]。对于牧草，以《中国主要栽培牧草适宜性区划》为主要依据，从中搜集到各待评牧草的适宜降水量并进行整理与分析。

2）农作物生长所需有效积温与牧草适宜年均温度

对于农作物，以“＊＊生长所需有效积温”为关键词，在知网、万方等数据库中共搜集到50多篇相关论文。因作物生长所需有效积温受地区位置的影响较大，因此只选择所涉地区在内蒙古以及周边相近地区的文献资料，最终筛选出相关论文5篇[2,16-19]。对于牧草，以《中国主要栽培牧草适宜性区划》为依据，从中搜集到各待评牧草的适宜年均温度并进行整理与分析。

3）农作物单产对生育期平均温度变化的响应

通过2014年内蒙古统计年鉴搜集到1980—2013年期间自治区47个气象站点的日平均气温以及待评农作物的单产数据。利用Matlab（R2014a）软件计算获得1980—2013年期间作物主要生育期（4—10月）的平均温度，然后再利用Excel软件分析各农作物单产对生育期平均温度变化的响应程度。

4）农作物经济效益与牧草营养价值分析

对于农作物，以“＊＊经济效益”、“作物投产比”等为关键词，通过知网、万方等数据库共收集了60多篇相关文献。然后将文献资料所涉地区与内蒙古作物主要生育期（4—10月）内的平均温度进行比较，将相差5 ℃以上的地区剔除，最终筛选出15篇相关文献[20-34]。由于各文献中所涉及的作物种类、所采纳的经济效益评价指标、农产品价格、生产成本、农业生产条件等都不尽相同，即使指标统一但算法也不一定完全相同。因此，本研究先对各文献内部所涉作物的经济效益进行排序，然后再以不同文献中共同涉及的作物为参照进行类比排序。对于牧草，以《主要优良饲草》、《中国北方草产品》为依据，从中搜集到各待评牧草的营养价值指标并进行整理与分析，如粗蛋白含量、无氮浸出物以及粗灰分含量等。

5）农作物耐旱性评价

在知网、万方等数据库中搜集与各待评农作物种子萌发抗旱以及幼苗生理抗旱相关的文献共78篇，从中获得各农作物与相对发芽率、相对发芽势、萌发抗旱指数、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）与过氧化物酶（peroxidase，POD）活性以及丙二醛（malondialdehyde，MDA）与游离脯氨酸（free proline）含量等生理指标相关的资料，并通过隶属函数或反隶属函数对其进行对比分析。由于各文献中所涉及的农作物种类以及所采纳的耐旱性评价指标都不尽相同，即使指标统一但试验条件也不一定相同。因此，本研究先对各文献中各种农作物的耐旱性能进行排序，然后再以文献中共有的农作物为参照进行类比排序。

隶属函数[35]：

反隶属函数[35]：

式中x为指标测定值，min和max为所供试材料某一指标的最小值与最大值。

6）作物生长适宜土壤pH值

对于待评农作物，主要以《十四国现代农业科学技术进步》为依据，从中搜集到各待评农作物的适宜土壤pH值，并对数据进行整理。另外，在读秀数据库中以“＊＊适宜土壤pH”为关键词，搜集到相关文献15篇，从而对上述资料进行补充与完善。对于牧草，主要以《主要优良饲草》、《中国主要栽培牧草适宜性区划》为依据，从中搜集到各待评牧草的适宜土壤pH值并进行整理与分析。

7）农作物灌溉水分生产率

在待评农作物中，以适宜性最强的农作物为例，以“灌溉方式”、“灌溉水分生产效率”为关键词，在万方、知网等数据库中搜集相关文献，并进一步筛选出与内蒙古自治区土壤、气候条件都比较相似的文献，进而从文献中直接引用或间接计算该作物在各种灌溉方式下的灌溉水分生产率（单位灌水量所生产的作物产量），进而进行对比分析。

2 结果与分析

2.1 内蒙古宜耕沙地农作物适宜性评价

2.1.1 确定待评农作物

为了筛选出更适宜在内蒙古宜耕沙地上种植的农作物，本研究依据“就地原则” 缩小评价范围，即以内蒙古近5 a农作物播种面积和产量为基础，从中选取了两者都靠前的7种农作物作为评价对象，分别为春玉米、马铃薯、春小麦、大豆、水稻、油菜和谷子，其中这7种作物2013年的播种面积与产量及其在自治区农作物总播种面积和总产量中所占比例与排名情况如表1所示。

表1 2013年内蒙古自治区待评农作物的产量与播种面积及其在自治区所占比例和排名[4]

2.1.2 待评农作物需水量比较

所搜集到的内蒙古待评农作物的需水量如表2所示，其中围绕平均值上下波动的幅度是由不同地区不同土壤、气候、品种、管理水平等试验条件所造成的。从表2可以看出，待评农作物的平均需水量主要都在500 mm左右，只有水稻的平均需水量达到了672.5 mm，而谷子的平均需水量仅为366.9 mm。在干旱缺水条件下，需水量越小，通常情况下都表明该作物的适应性越强[36]。因此，这7种待评农作物对内蒙古宜耕沙地干旱条件的适应性从高到低依次：谷子（7）>大豆（6）>春玉米（5）>油菜（4）>春小麦（3）>马铃薯（2）>水稻（1），其中括号中的数值代表该作物在该单项评价中所获得的分值（下同）。

表2 内蒙古待评农作物需水量统计

2.1.3 待评农作物所需有效积温比较

通过收集内蒙古全区47个气象站点的监测数据，基于每种待评农作物的有效积温下限（其中春玉米[16]、水稻[37]、马铃薯[17]的有效积温下限取为10 ℃；春小麦[18]取为8.5 ℃；大豆[19]取为3 ℃；油菜[38]取为3.3 ℃；谷子[39]取为5.4 ℃），计算获得2003—2013年期间各待评农作物主要生育期（4—10月）内的有效积温，其波动幅度是由各年份间的气温差异所造成的。另外，还通过查阅大量文献获得了各种待评农作物正常生长所需的有效积温，其波动幅度是由不同的作物品种与资料来源所导致的。通过对比发现，内蒙古各待评农作物主要生育期（4—10月）内的有效积温普遍都低于作物正常生长所需的有效积温，两者之间差距越小，表明该作物越能适宜内蒙古的积温条件，反之适应能力越差（图2）。从图2可以看出，7种待评农作物对内蒙古积温条件的适应性从高到低依次为：春玉米（7）>春小麦（6）>油菜（5）>马铃薯（4）>大豆（3）>谷子（2）>水稻（1）。

图2 待评农作物正常生长所需有效积温与内蒙古主要生长季（4-10月）内有效积温之间的对比[2,37,40-42]

2.1.4 待评农作物适宜土壤pH值比较

海龙等[43]对内蒙古三大沙区（科尔沁沙地、浑善达克沙地和库布齐沙漠）土壤的理化性质做了详细调查，研究结果表明土壤pH值比较接近，为8.3±0.8，呈碱性。然而，大量文献资料表明，除马铃薯与水稻比较适宜在酸性土壤中生长外，其他待评农作物都适合在中性土壤中生长，适宜土壤pH值一般都介于6～7之间（图3）。当作物适宜土壤pH值越接近于内蒙古主要沙地的pH值时，表明该作物的适宜性更强。由图3可知[44-45]，这7种待评农作物对内蒙古宜耕沙地pH值的适宜性从高到低依次为：谷子（7）>大豆（6）>春小麦（5）>春玉米 （3.5）= 油菜（3.5）>水稻（2）>马铃薯（1）。

2.1.5 待评农作物单产对主要生育期内平均温度变化的响应

对内蒙古全区47个气象站点1980—2013年的气温数据进行统计分析后发现，内蒙古气温以平均每年0.07 ℃的速度上升，这与全球气候变暖的大趋势基本吻合。气温上升通常都会提高作物的有效积温，从而促进作物生长并提高产量[46]。在内蒙古自治区，因纬度较高，全生育期有效积温一般都不能满足待评作物正常生长所需（图2），因此气温上升可能会更大程度地促进待评作物的生长，并最终导致增产，但各种作物的响应程度也会有所不同[47]。总体而言，1980—2013年期间，内蒙古各待评农作物平均单产都随着生育期（4—10月）平均温度的升高而线性增高，但增长速率（反映作物单产对增温的敏感程度）存在较大差异，增产幅度从高到低依次为（图4）：水稻（7）＞春玉米（6）＞春小麦（5）>马铃薯（4）>油菜（3）>谷子（2）>大豆（1）。

图3 待评农作物适宜土壤pH值与内蒙古主要沙地 pH值之间的对比[44-45]

图4 内蒙古待评农作物单产与生育期内平均温度之间的关系

2.1.6 待评农作物经济效益比较

农作物经济效益受农产品产量与质量、农业生产成本、市场价格等众多因素的综合影响，年际间波动较大。经济效益是农业生产者最为关心的指标，直接影响其收益与农业生产积极性，因此农户往往都优先种植经济效益好的作物。因本研究所涉及的待评作物较多，在无法开展相关试验研究的基础上选择从文献资料中搜集相关数据进行经济效益评价。由于数据来源不同，各文献中所涉及的作物种类、所采纳的经济效益评价指标、农产品价格、生产成本、农业生产条件等都不尽相同，即使指标统一但算法也不一定完全相同。因此，本研究先对各文献中涉及的待评作物经济效益进行排序，然后再以不同文献中共同涉及的作物为参考进行类比排序并进行打分。表3为内蒙古以及相似地区相关待评农作物经济效益排序汇总表，通过两两比较、综合分析得到的待评农作物经济效益从高到低依次为：春玉米（7）＞谷子（6）＞春小麦（5）＞大豆（3）= 油菜（3）= 水稻（3）＞马铃薯（1）。

表3 待评农作物经济效益对比分析

2.1.7 待评农作物耐旱性能比较

干旱胁迫是作物经常可能遭受的逆境胁迫，也是限制作物生长并影响产量的关键因素。干旱胁迫可以阻碍种子萌发，打破细胞渗透调节平衡[51]，破坏光合电子传递链，降低作物抗氧化酶活性，造成细胞内活性氧积累，如果长时间不能及时清除，会对细胞产生毒害作用，表现为光合速率下降，光合产物积累减少，产量降低[52]。作物在遇到干旱胁迫时将通过积累游离态脯氨酸、可溶性蛋白质等物质来降低水势，使细胞维持一定的膨压，同时，脯氨酸还对清除细胞内的活性氧具有促进作用。超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）是生物体内普遍存在的两种抗氧化酶，作物受到干旱胁迫时，会提高这两种抗氧化酶的活性来快速清除体内所积累的活性氧，从而降低其毒害作用。丙二醛（MDA）是细胞脂质氧化的最终产物，MDA含量越高，代表细胞膜损伤越严重，其含量的高低与作物的抗旱性呈负相关。除此之外，通过种子萌发抗旱试验也可从一定程度上反映作物的抗旱特性。在对来自不同文献资料中的耐旱指标数据进行对比分析以评价作物的抗旱性能时，将各指标进行相对化（式（1）与（2））以便避免不同作物遗传特性与生长环境所带来的影响。因此，本文共选取相对发芽势、相对发芽率、萌发抗旱指数、MDA相对含量、脯氨酸相对含量、SOD相对活性和POD相对活性共7个指标来对农作物进行耐旱性评价。表4中各指标所对应的相对值越大，代表其耐旱性越强。因针对各待评农作物所搜集到的指标种类与数量都不尽相同，在对某两种作物进行比较时，只比较其共有指标的平均值。通过两两相互比较，待评作物抗旱性能从高到低依次为：春小麦（7）＞春玉米（6）＞谷子（5）＞水稻（4）＞大豆（3）＞油菜（2）＞马铃薯（1）。

表4 待评农作物在萌发与幼苗时期各耐旱指标的隶属或反隶属函数值及其耐旱性能评价结果

2.1.8 农作物适宜性综合评价

依据“1.2 评价与筛选思路”中所确立的原则与思路，将作物需水量、有效积温、土壤pH值、增温响应、经济效益、耐旱性能等6个单项评价指标权重依次取为0.2、0.15、0.1、0.15、0.2、0.2，然后再根据各单项指标得分计算获得各待评作物的加权得分，最后再进行综合排名，如表5所示。由表5可知，在待评的7种农作物中，最适宜在内蒙古宜耕沙地上种植的为春玉米，其不仅耐高温、抗干旱、需水量少，而且经济效益也相对最高。目前玉米是内蒙古自治区产量最高、种植面积最广的粮食作物[48]，占全区农作物总产量的43.3%，占全区农作物总播种面积的44.0%[4]（表1），这也间接表明春玉米在内蒙古地区的适宜程度最高。在待评的7种农作物中，最不适宜在内蒙古宜耕沙地上种植的农作物为马铃薯，其余5种农作物按适宜性从高到低排列依次为春小麦、谷子、大豆、油菜和水稻（表5）。

表5 农作物适宜性综合评价结果

2.2 内蒙古宜耕沙地牧草适宜性评价

2.2.1 确定待评牧草

内蒙古草原有各类植物2 351种，分属于128科691属[62]。本研究从种类最为丰富的三大科（禾本科、豆科、菊科）中筛选出2001—2011年种植面积最大的8种牧草（图5），分别为柠条锦鸡儿、披碱草属牧草、沙蒿、羊草、无芒雀麦、冰草属牧草、紫花苜蓿、沙打旺。虽然中国至今都没有将青贮玉米种植面积和产量纳入统计范围[63]，但众多研究结果业已表明，青贮玉米也是一种非常重要的牧草，并且近年来受到了广泛关注[64]。因此，本研究将青贮玉米也列为适宜性评价对象。

2.2.2 待评牧草适宜降水量比较

2001—2011年期间，内蒙古全区年平均降水量仅为300 mm，被认为是制约该区草地生产力的主要气候因子[5]。因此，应为内蒙古宜耕沙地优先选择对降水量要求较低的牧草。图6表明，除沙蒿与柠条锦鸡儿外，其他7种待评牧草的适宜降水量远高于内蒙古多年平均降水量，表明其对干旱条件的适应性较差。对内蒙古干旱条件的适应性从高到低依次为：沙蒿（9）＞柠条锦鸡儿（8）＞冰草属牧草（7）＞羊草（6）＞青贮玉米（5）＞披碱草属牧草（3.5）= 沙打旺（3.5）＞无芒雀麦（2）＞紫花苜蓿（1）。

2.2.3 待评牧草适宜温度比较

内蒙古自治区2001—2011年年平均温度与待评牧草适宜年均温度之间的对比关系如图7所示，两者之间的差距越小，说明该牧草越能适应内蒙古的气温条件。由图7可知，待评牧草对内蒙古气温条件适应性从高到低依次为：柠条锦鸡儿（9）>青贮玉米（8）>沙蒿（7）>冰草属牧草（6）>紫花苜蓿（5）>无芒雀麦（3.5）= 披碱草属牧草（3.5）>羊草（2）>沙打旺（1）。

图5 2001—2011年内蒙古自治区待评牧草的种植面积[2]

图6 内蒙古自治区2001—2011年平均降水量与待评牧草适宜降水量对比[2, 65-66]

图7 内蒙古自治区2001—2011年年平均温度与待评牧草适宜温度比较[2]

2.2.4 待评牧草适宜土壤pH值比较

与农作物评价方式相同，由图8可知，9种待评牧草对内蒙古宜耕沙地pH值的适宜性从高到低依次为：冰草属牧草（9）>柠条锦鸡儿（8）>沙蒿（7）>无芒雀麦（5.5）= 披碱草属牧草（5.5）> 紫花苜蓿（4）> 羊草（3）> 沙打旺（2）> 青贮玉米（1）。

图8 待评牧草适宜土壤pH值与内蒙古主要沙地pH值之间的对比[2,67-68]

2.2.5 待评牧草营养成分比较分析

草产品营养成分分析大多是通过实验室的化学反应及抽提而确定，分析的主要指标有水分、粗纤维、粗脂肪、粗灰分、粗蛋白、无氮浸出物等[67]。9种待评牧草在最佳刈割期的营养成分如图9所示。通常情况下，水分过高不便于储存，尤其高于16%～18%时，会发霉变质影响饲草质量。所有牧草水分含量皆达标，因此不构成筛选限制条件。因传统粗纤维分析法不能全面反映草产品纤维的实际含量[67]，本研究不考虑将其作为牧草质量评价指标。粗灰分是控制饲料质量的一个指标，是饲草中所有有机物质全部氧化后剩余的残渣，过高则表明饲料品质较差，因此将其纳入评价指标。另外无氮浸出物是非常复杂的一组物质，以淀粉为主，青饲料中以戊聚糖最多，此两种成分易被各类动物消化吸收，故也是评价牧草优劣的标准之一。此外，氮是维持草食家畜正常生产所必需的，因此测定草产品中的总氮即粗蛋白就显得尤为重要，是饲草最重要的评价标准之一[67]。基于以上分析，为了便于比较，本文对粗蛋白含量、无氮浸出物以及粗灰分含量这3个营养指标进行打分，分别按权重0.5、0.3、0.2得到一个综合评价分数来评判各待评牧草的营养价值，并根据此综合评价的高低进一步排序打分。从图9可以看出，待评牧草的营养价值由高至低依次为：青贮玉米（9）>披碱草属牧草（8）>冰草属牧草（7）>羊草（6）>紫花苜蓿（4）= 沙打旺（4）= 沙蒿（4）>无芒雀麦（2）>柠条锦鸡儿（1）。

图9 待评牧草营养价值对比[68-69]

2.2.6 牧草适宜性综合评价

依据“1.2 评价与筛选思路”中所确立的原则与思路，将适宜降水量、适宜温度、适宜土壤pH值、营养价值等4个单项评价指标权重依次分别取为0.4、0.2、0.1、0.3，然后再根据各单项指标得分计算获得各待评牧草的加权得分，最后再进行综合排名，如表6所示。由表6可知，在待评的9种牧草中，最适宜在内蒙古宜耕沙地上种植的牧草为冰草属牧草。待评牧草中适宜性从高到低依次为：冰草属牧草 > 沙蒿 > 青贮玉米 > 柠条锦鸡儿 > 批碱草属牧草 > 羊草 > 紫花苜蓿 = 沙打旺 > 无芒雀麦。

2.3 高效灌溉方式配置

总体而言，内蒙古宜耕沙地水资源非常短缺，应充分利用天然降水，在有灌溉条件的地区可以考虑补充灌溉，但应尽可能提高灌溉水的利用效率。灌溉方式是影响灌溉水利用效率的重要因素，所以，需因地制宜地为内蒙古宜耕沙地选用高效的灌溉方式。灌溉分为全面灌溉和局部灌溉两大类，其中全面灌溉以湿润整个农田根系活动层内土壤为主要特点，主要包括畦灌、沟灌、淹灌、漫灌等地面灌溉和喷灌，而局部灌溉只湿润作物根系周围土壤，主要包括渗灌、滴灌、微喷灌等。局部灌溉与喷灌的水分利用率普遍较高，对干旱缺水地区更为适合，对地形与土壤要求较低；除喷灌以外的其他全面灌溉水分利用率普遍较低，更适宜在水源充足区应用，并且对地形与土壤要求较高。由于沙地土壤透水性能非常强，微地形复杂，因此不宜选用畦灌、沟灌、淹灌、漫灌与渗灌等地面灌溉方式。而对于大田农作物与牧草，也不宜选用微喷灌，应着重考虑喷灌或滴灌。综上所述，对于牧草、春小麦、油菜、谷子等密植型大田作物，建议选用喷灌，但应尽量避免风的影响；而对于春玉米、马铃薯、大豆等疏植型作物，建议选用滴灌。由于内蒙古自治区有效积温普遍较低（图2），因此在条件许可情况下，强烈推荐选用具有明显增温效应且节水效果更好的膜下滴灌技术。近年来，膜下滴灌已在中国西北、华北、东北等地区得到了大范围推广应用，节水增产效果非常显著[70]。另外，大量研究结果业已表明，除传统淹水种植外，水稻还可以旱作[71]。因此，在内蒙古宜耕沙地上，强烈建议水稻旱作，并且由于水稻也属于疏植型作物，建议选用滴灌甚至膜下滴灌。

表6 牧草适宜性综合评价

为了对所配置的灌溉方式进行验证，本研究从内蒙古及其周边地区搜集了大量相关文献资料，直接引用或间接计算获得玉米在各种灌溉方式下的灌溉水分生产率并进行对比分析，如表7所示。由于灌溉水分生产率受气候、土壤、管理水平甚至计算方法等众多因素的综合影响，因此各文献之间无法进行比较分析。然而，通过两两相互比较可知灌溉水分生产率从高到低依次是：覆膜滴灌>不覆膜滴灌>喷灌>浸灌，渗灌，沟灌。故可以看出，在绝大多数地区，滴灌尤其膜下滴灌条件下玉米的灌溉水分生产率远高于其他灌溉方式，这主要归功于该灌溉方式下显著降低的地表蒸发与深层渗漏以及相对更好的土壤温度与通气条件[72]，该结果对于马铃薯等其他疏植作物也同样成立[73-75]。而对于密植作物，喷灌是更为理想的选择。刘学军等[76]在宁夏灌区的试验结果表明，当喷灌苜蓿的年灌水量为4 500~5 700 m3/hm2时产量可达到15 300~15 750 kg/hm2，较地面灌溉节水32%~40%，极大地提高了灌溉水利用效率。

表7 各地区不同灌溉方式下玉米的灌溉水分生产率对比

3 结 论

将内蒙古自治区近5 a种植面积和产量都靠前的7种农作物作为评价对象，并从作物需水量、有效积温、土壤pH值、增温响应、经济效益、耐旱性能等6方面对其适宜性进行了分析与比较。结果表明更适宜在内蒙古宜耕沙地上种植的农作物依次为：春玉米、春小麦、谷子、大豆、油菜、水稻、马铃薯。

将内蒙古自治区近10 a播种面积靠前的8种牧草和1种得到广泛关注的牧草作为评价对象，并从降水量、气温、土壤pH值、营养价值等4方面对其适宜性进行了分析与比较。结果表明更适宜在内蒙古宜耕沙地上种植的牧草依次为：冰草属牧草、沙蒿、青贮玉米、柠条锦鸡儿、批碱草属牧草、羊草、紫花苜蓿/沙打旺、无芒雀麦。

因水资源非常短缺，土壤透水性很强并且微地形很复杂，为提高灌溉水的利用效率，建议在内蒙古宜耕沙地上进行补充灌溉时尽量采用节水灌溉方式，玉米、大豆、马铃薯、水稻等疏植作物采用滴灌甚至膜下滴灌，油菜、小麦、谷子以及牧草等密植作物采用喷灌。

因本研究在对作物适宜性进行评价时所采纳的数据均来自于公开发表的文献资料，试验条件存在较大差异，并且所采纳的评价指标以及权重因子在一定程度上仍存在主观性，导致评价方法仍有待进一步改进与完善，但相关结果仍可为内蒙古宜耕沙地可持续高效利用提供借鉴。

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Suitable evaluation for crops and water-saving irrigation methods for arable sandy land in Inner Mongolia

Fan Yuchuan1, Yan Xudong2, Zhang Hongfei2, Pang Haosheng1, Liu Lining1, Wang Tianshu1, Li Shujuan1, Yu Yangliu3, Zuo Qiang1, Shi Jianchu1※

(1.100193,; 2.010020,; 3.201200,)

As the ecological security barrier in the north of China, Inner Mongolia is also the important agricultural and animal husbandry production base, and about one third of this region belongs to sandy land. Some sandy land is arable since plant growth requirements can be satisfied under natural conditions or when some artificial measures are used. Usually, some problems such as water shortage, water and nutrition leakage, high temperature on soil surface, and complex topography, exist for arable sandy land, but farmers cannot take effective measures to deal with these problems except make some simple management according to their experiences. The difficulties in optimizing crop planting structure and choosing irrigation methods usually lead to substantial waste of water and nutrient resources, lowing land productivity level, and even un-cultivation land. In order to provide references for local farmers to sustainably use arable sandy land by overcoming these limitation factors, seven farm crops (spring maize (), spring wheat (), millet (), soybean (), rapeseed (), rice () and potato ()), which had large planting areas and higher grain yields in the last five years in Inner Mongolia, were evaluated according to their water requirement, effective accumulated temperature, soil pH value, response to increased temperature, economic benefit, and drought resistance, respectively. Meanwhile, eight forage grasses (,,Kom,Turcz,Tzvel.cv,L,Pall., andLeyss.cv.) with large planting areas in the last 10 years and one another popular forage grass (L.cv.) in Inner Mongolia were also evaluated according to precipitation, temperature, soil pH value, nutrient value, respectively. Based on crop planting models, the specific characteristics of various irrigation methods, as well as specific soil and climate conditions and topography characteristics for arable sandy land in Inner Mongolia, appropriate water saving irrigation method was chosen for each crop. The results indicated that the rank of comprehensive suitability for farm crops in arable sandy land was: spring maize, spring wheat, millet, soybean, rape seed, rice and potato. For forage grass, the rank of comprehensive suitability in arable sandy land was:,L.cv.,Kom,Turcz,,L.,Pall. andLeyss.cv. These loosely planted (wide seeding/row spacing) crops such as maize, rice, soybean and potato were suggested to be drip-irrigated and even under mulch film, while those closely planted (narrow seeding/row spacing) crops such as forage grass were suggested to be irrigated through sprinklers. When crop suitability was evaluated, we used data from various published papers with different experimental conditions. In addition, when evaluating indicators were chosen and their weight factors were determined, subjectivity might really exist. Therefore, the evaluating method adopted in this study can be further improved. However, the results are still reliable and valuable for application and can provide reference for utilizing arable sandy land in Inner Mongolia sustainably and efficiently.

soils; irrigation; crops; forage grass; arable sandy land; suitability evaluation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.21.014

S275；S28

A

1002-6819(2017)-21-0115-13

2016-11-20

2017-10-13

国家公益性行业科研专项经费项目（201411009）

范豫川，四川成都人，主要从事土壤物理及作物模型研究。 Email：1249213755@qq.com

※通信作者：石建初，湖南新邵人，博士生导师，副教授，主要从事土壤物理与节水农业机理研究。Email：shijianchu@cau.edu.cn