指针式灌溉对半干旱区草地景观多功能性的影响

Landscape multifunctionality of grassland plays an important role in evaluating the comprehensive ability of ecosystem services provision and ecological security in semi-arid area in China. Due to the urgent demand for highly-efficient use of water resource, Central Pivot Irrigation (CPI) system became one of the main drivers of the booming prataculture in Norther China. CPI has rapidly increased structure fragmentation of landscape mosaic in natural/semi nature grassland, particularly in water shortage region in semi-arid area. However, the effect of pattern-process on landscape multifunctionality of grassland is not yet clear. It is strongly associated with the synergy of sustainability between the nature landscape and human society. Tracking the development of CPI grassland in the semi-arid Horqin region, based on the means of sample-plot survey, the technology of remote sensing and unmanned aerial vehicle, and spatial simulation, it studies the dynamics of landscape indicators in distribution area of CPI from 2005 to 2020, and analyzes the effect of CPI grassland on regional biological and environmental factors and the landscape functions. We aim to reveal spatio-temporal changes of the landscape pattern in CPI grassland, clarify trade-offs and synergies between landscape functions of grassland, and quantitatively evaluate the landscape multifunctionality of CPI grassland. The goal is to provide a data and theoretical foundation for optimizing land management, enhancing landscape functions and achieving a sustainable development of regional landscapes in semi-arid areas.

草地景观多功能性在我国半干旱区的生态系统服务综合能力和生态安全评价方面扮演极其重要的角色。鉴于水资源高效利用在半干旱区的迫切性，指针式灌溉系统已经成为我国北方草业发展的主要推动力之一。这种模式加剧了半干旱区自然/半自然草地景观镶嵌体结构的破碎化，其格局—过程变化对草地景观多功能性的影响尚不明确，关系到自然景观与人类社会的协同可持续。本项目以指针式灌溉在阿鲁科尔沁旗草业基地的发展为主线，通过样地调查、遥感和无人机技术、空间模拟等手段，研究2005-2020年指针式灌溉分布区景观指数的动态，分析不同年限指针式灌溉对草地生物和环境因子及区域景观功能的影响，揭示指针式灌溉草地景观格局的时空变化规律，阐明草地景观功能间的权衡与协同关系，定量评价指针式灌溉对草地景观多功能性的影响，为优化半干旱区土地管理与增强景观功能，以及实现区域景观可持续发展提供数据基础和科学依据。

水资源高效合理利用是我国干旱半干旱区迫切需要解决的可持续发展问题。指针式灌溉系统是目前北方草业发展的主要模式之一，抽取地下水灌溉是对持续干旱的有效缓冲。然而，指针式灌溉无计划的密集发展模式不可避免加剧了水资源可利用性的减小和自然/半自然草地景观镶嵌体结构的破碎化，其格局—过程变化对草地景观多功能性的影响尚不明确。本项目以阿鲁科尔沁旗草业基地指针式灌溉的发展为主线，通过样地调查、遥感和无人机技术、空间模拟等手段,分析研究区（约1000 km2）自2000年以来的草地景观格局变化过程，揭示不同年限指针式灌溉对草地生物和环境因子及区域景观功能的影响。研究结果表明：从2005年开始，天然草地逐步向人工草地转化。人工草地斑块（灌溉井）的密度随着时间缓慢增加，在2013-2017年爆发式增长，土地利用方式依赖地下水灌溉的程度显著加深。指针式灌溉系统的蓬勃发展，标志着科尔沁地区草地景观变化的新起点和新驱动力。从天然草地发展成为高密度、大规模的指针式灌溉系统草业景观，是农牧交错带种植业重心不断向西北移动（降水较少）的贡献因素之一。灌溉后NDVISY显著高于灌溉前NDVIBSY，增幅为30.6-59.2%。灌溉影响下的人工草地NDVI变化趋势皆为正且增幅较大，变化范围为0.0108-0.0224/年，而没有实施灌溉的区域多表现为较小的负向趋势，在NDVI空间变化率格局上有明显区分。天然草地的地上生物量以及生物量碳、氮、磷储量，显著小于两种人工草地（紫苜蓿Medicago sativa，燕麦属物种Avena species）（p <0.05）。不同年限人工草地的土壤全碳、有机碳、全氮、全磷储量无显著差异，仅有效磷随开垦年限表现出增加趋势，可能与施肥量的增加有关。根据常水位将观测井分为浅水位（GL < 10 m）、中水位（10 m < GL < 20 m）和深水位（GL < 20 m）3类。研究区目标井观测的GL埋深在4 -28 m之间。排水期ΔGL随着常水位的深度增加不断增大，灌溉井密度增大使深层地下水对灌溉更为敏感。本研究的结果为我国北方农牧交错带人工草地景观的计划性节水灌溉和景观功能的稳定维持提供了理论和数据基础。