SWAT模擬耕作方式與鹽分對(duì)區(qū)域土壤氮運(yùn)移及作物產(chǎn)量影響

王維剛，史海濱，李仙岳，孫亞楠，鄭 倩，張文聰，王國(guó)帥，周 慧，閆 妍，竇 旭

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018；2.高效節(jié)水技術(shù)裝備與水土環(huán)境效應(yīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)工程研究中心，呼和浩特 010018）

0 引 言

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是黃河中上游典型的鹽漬化特大型灌區(qū)，同時(shí)也是國(guó)家和自治區(qū)重要的商品糧、油生產(chǎn)基地，土壤鹽漬化一直困擾灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，并引起了科研工作者的極大關(guān)注。此外，灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為提高作物產(chǎn)量盲目過(guò)量施肥，肥料利用效率低下，導(dǎo)致肥料在土壤中積累并進(jìn)一步滲濾到地下水及排水溝中，對(duì)灌區(qū)農(nóng)田環(huán)境造成嚴(yán)重面源污染。因此，土壤鹽漬化與面源污染問(wèn)題已成為制約灌區(qū)糧食安全與環(huán)境安全的重要因素。

土壤鹽分脅迫和養(yǎng)分大量流失是造成干旱地區(qū)作物生產(chǎn)力下降和環(huán)境污染的主要原因。合理的耕作模式可為作物生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造適宜的生長(zhǎng)微環(huán)境，也可降低耕層土壤鹽分含量，一定程度上緩和土壤鹽堿化狀況。研究表明，土壤中鹽分濃度過(guò)高會(huì)抑制作物生長(zhǎng)，由于鹽分對(duì)作物生長(zhǎng)的抑制作用，作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用效率降低，從而增加了養(yǎng)分的潛在淋失量。Adams研究指出，鹽分脅迫會(huì)造成作物養(yǎng)分缺失。周慧等研究表明，鹽漬化土壤條件下隨著鹽分的增加，土壤氨揮發(fā)總量也增大，會(huì)加重環(huán)境的污染。此外，干旱地區(qū)耕作方式的轉(zhuǎn)變也會(huì)對(duì)土壤養(yǎng)分的流失及作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用產(chǎn)生較大影響。Wang等研究顯示，鑿犁耕作和免耕相比于常規(guī)耕作分別顯著（＜0.05）增加了0～100 cm土層中總氮積累量34.8和54.1 kg/(hm·a)（以N計(jì)，下同），并使總氮損失平均減少了7.4%和22.4%。Zhang等研究顯示，免耕和少耕的氮損失相比于常規(guī)耕作的氮損失分別少19.03和6.33 kg/hm，且保護(hù)性耕作比傳統(tǒng)耕作顯著減少了氮損失。同時(shí)，耕作方式對(duì)鹽漬化灌區(qū)土壤鹽分也會(huì)產(chǎn)生一定影響。Qi等研究表明，全膜覆蓋耕作相比于部分膜覆蓋耕作可更有效地阻止土壤鹽分向上運(yùn)動(dòng)。Ding等研究發(fā)現(xiàn)，相比于免耕和未施用改良劑的土壤，深耕與蚯蚓糞結(jié)合使土壤鹽分和堿度分別降低了37%和34%，可有效改良鹽堿土壤。盡管針對(duì)耕作方式的轉(zhuǎn)變對(duì)土壤鹽分和土壤養(yǎng)分的流失影響方面已有大量研究，但耕作方式、土壤鹽分和土壤養(yǎng)分流失三者間的交互關(guān)系還少有研究，合理的耕作方式對(duì)鹽漬土地區(qū)增加作物產(chǎn)量和減小農(nóng)田水土環(huán)境污染有著重要的作用，針對(duì)河套灌區(qū)典型鹽漬化土壤條件下不同耕作方式對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)物流失影響需進(jìn)一步探究。另外，遙感技術(shù)以其宏觀、動(dòng)態(tài)、信息豐富等特點(diǎn)，已成為鹽漬化灌區(qū)鹽分反演的重要手段。

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型作為流域普遍應(yīng)用的一種基于物理的半分布式水文模型，常用于預(yù)測(cè)土地管理措施對(duì)復(fù)雜、大型流域的水文、污染物和泥沙輸移的長(zhǎng)期影響。近些年，很多學(xué)者逐漸將SWAT模型應(yīng)用到鹽漬化灌區(qū)并進(jìn)行了改進(jìn)。Xiong等介紹了用于模擬淺水位農(nóng)業(yè)流域的改進(jìn)的SWAT-AG模型，提供了模擬土壤鹽分運(yùn)動(dòng)和鹽脅迫對(duì)作物生長(zhǎng)影響的功能。SWAT模型數(shù)據(jù)庫(kù)中包含了數(shù)十種不同的耕作方式可供選擇，是用于模擬耕作方式情景分析的有效管理工具。因此，利用SWAT模型模擬鹽漬化灌區(qū)不同鹽漬化土壤條件下耕作方式對(duì)養(yǎng)分流失的影響研究將對(duì)西北干旱-半干旱灌區(qū)污染物流失治理與防控提供一種方法。

因此，本文以土壤鹽分空間變異性復(fù)雜的河套灌區(qū)為研究區(qū)域，利用灌區(qū)多年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和驗(yàn)證SWAT模型對(duì)徑流、硝態(tài)氮和作物產(chǎn)量的模擬精度；并利用驗(yàn)證后的模型針對(duì)2種主要土壤類(lèi)型在4種鹽分水平下轉(zhuǎn)變耕作方式進(jìn)行模擬，探討耕作方式與土壤鹽漬化對(duì)灌區(qū)產(chǎn)水量、作物吸氮量、硝態(tài)氮淋溶量及運(yùn)移量、作物產(chǎn)量的影響，以期為調(diào)節(jié)鹽漬化土壤、促進(jìn)糧食增產(chǎn)、減小環(huán)境污染及促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，并針對(duì)在灌區(qū)不同鹽漬化土壤下合理耕作方式的實(shí)施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河套灌區(qū)位于內(nèi)蒙古西部黃河流域中間地帶，地理坐標(biāo)為40°15′～41°18′N(xiāo)、106°20′～109°19′E（圖1），平均海拔為1 024 m，屬于大陸性季風(fēng)氣候，年平均最低氣溫與最高氣溫分別為-10℃和23℃；年降水量?jī)H為145～216 mm，其中80%發(fā)生在6－8月，年內(nèi)潛在蒸發(fā)量達(dá)2 200～2 400 mm，是典型的干旱-半干旱地區(qū)。灌區(qū)東西長(zhǎng)約250 km，南北寬約50 km。灌區(qū)總土地面積1.19×10km，現(xiàn)引黃灌溉面積0.73×10km。插花種植結(jié)構(gòu)在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在，作物分布較為破碎散亂。據(jù)巴彥淖爾市2019年統(tǒng)計(jì)年鑒，當(dāng)年河套灌區(qū)化肥施用量達(dá)到127.07萬(wàn)t。灌區(qū)土壤類(lèi)型主要包括灌淤土和草甸鹽土，兩者分別占總土地面積的53.44%和43.71%，其中兩種土壤類(lèi)型0～30 cm土層基本物理性狀見(jiàn)表1。由于灌溉水利用效率不高，排水不暢，灌區(qū)內(nèi)存在不同程度的土壤次生鹽漬化問(wèn)題。由Landsat 8 OLI遙感數(shù)據(jù)反演得到的2019年灌區(qū)土壤鹽漬化程度主要為中度和輕度水平。

圖1 河套流域土壤鹽分等級(jí)及渠系分布Fig.1 Soil salinity grades and canal distribution in Hetao watershed

表1 兩種土壤類(lèi)型0～30 cm土層基本物理性狀Table 1 Basic physical properties of 0-30 cm soil layer of two soil types

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

ASTER 30 m分辨率DEM（Digital Elevation Model）數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/），2018年30 m分辨率土地利用圖來(lái)源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)（http://www.resdc.cn/），2018年30 m分辨率耕地種植結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來(lái)源于Land sat 8 OLI遙感數(shù)據(jù)裁剪獲得，土壤柵格數(shù)據(jù)與中國(guó)區(qū)域世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)（Harmonized World Soil Database，HWSD）來(lái)源于寒旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://bdc.casnw.net/yyzc/sj/），2008－2018年CMADS大氣數(shù)據(jù)集來(lái)源于中國(guó)氣象同化數(shù)據(jù)集（http://www.cmads.org/），用于制作SWAT模型氣象數(shù)據(jù)庫(kù)。2009－2018年灌區(qū)每月實(shí)測(cè)排水量、硝態(tài)氮排放數(shù)據(jù)來(lái)源于河套灌區(qū)水利發(fā)展中心供排水管理處，用于驗(yàn)證SWAT模型水文水質(zhì)模擬，其計(jì)算方法依照前期成果。2010－2017年灌區(qū)實(shí)測(cè)作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)源于巴彥淖爾市農(nóng)牧業(yè)局及當(dāng)?shù)亟y(tǒng)計(jì)年鑒，其中，以2010－2014年數(shù)據(jù)對(duì)SWAT模型作物產(chǎn)量模擬進(jìn)行率定，2015－2017年數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證?；贒EM數(shù)據(jù)與排水渠系，劃分得到35個(gè)子流域（圖1）。并進(jìn)一步根據(jù)研究區(qū)土地利用類(lèi)型、土壤類(lèi)型分布離散得到638個(gè)水文響應(yīng)單元（Hydrologic Response Unit，HRU）。利用SPAW 6.02.70軟件計(jì)算土壤數(shù)據(jù)庫(kù)各土壤類(lèi)型參數(shù)，其中初始土壤電導(dǎo)率（Electrical Conductivity，EC）參數(shù)（土壤本底鹽分?jǐn)?shù)據(jù)）由2019年Landsat 8 OLI遙感數(shù)據(jù)反演所得（圖1），灌區(qū)2種主要土壤類(lèi)型（灌淤土與草甸鹽土）的土壤電導(dǎo)率平均值分別為1.47和0.94 dS/m（表1）。添加氣象數(shù)據(jù)、灌水參數(shù)、施肥參數(shù)建立研究區(qū)的SWAT模型，詳細(xì)模型構(gòu)建過(guò)程及參數(shù)的選取依照前期成果。

1.3 研究方法

1.3.1 硝酸鹽及作物產(chǎn)量計(jì)算方法

SWAT模型模擬結(jié)果可得到流域內(nèi)各HRU上某一土壤類(lèi)型或土地覆蓋條件下總產(chǎn)水量、植物從土壤中吸收的氮量、硝酸鹽從土壤剖面向地下淋溶量、排向主河道的硝酸鹽運(yùn)移量及各作物產(chǎn)量，特定土壤類(lèi)型某一作物指標(biāo)多年平均含量按式（1）計(jì)算。

式中L表示某一特定土地覆蓋多年平均模擬變量值（作物產(chǎn)量模擬年數(shù)為7 a），mm或kg/hm；A表示模擬期內(nèi)某年某月對(duì)應(yīng)特定作物所在HRU的面積，hm；l表示模擬期內(nèi)某年某月對(duì)應(yīng)特定作物所在HRU的模擬變量值，mm或kg/hm；表示特定作物所在HRU的數(shù)量；表示年內(nèi)模擬月；表示模擬年。

1.3.2 耕作混合深度與混合效率計(jì)算方法

耕作混合深度指通過(guò)機(jī)械耕作對(duì)土壤進(jìn)行切削、翻轉(zhuǎn)、破碎、混合等一系列物理過(guò)程的土壤層深度?；旌闲手赣苫旌仙疃戎付ǖ恼麄€(gè)土壤深度范圍內(nèi)，均勻混合的土壤表面營(yíng)養(yǎng)物、秸稈等所占分?jǐn)?shù)，剩余部分留在原處（土壤表面或土層）。本研究耕作方式的選用包括混合深度與混合效率參數(shù)的取值均從SWAT模型耕作數(shù)據(jù)庫(kù)（Tillage database）獲取，其中模型耕作數(shù)據(jù)庫(kù)中機(jī)械工具的混合深度數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)農(nóng)業(yè)部（United States Department of Agriculture，USDA）經(jīng)濟(jì)研究中心的農(nóng)業(yè)器械數(shù)據(jù)庫(kù)，而混合效率數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家保護(hù)區(qū)協(xié)會(huì)（National Association of Conservation Districts，NACD）保護(hù)科技信息中心提供的“殘留物得分表”。

假設(shè)耕作器具混合深度為100 mm，將土壤剖面分為2層，分別為0～10 mm和＞10～100 mm，同時(shí)假設(shè)各土層均勻混合，以土壤剖面硝酸鹽為例。則耕作混合效率按下列公式計(jì)算，綜合式（2）～（5）得到式（6）。

式中表示耕作混合效率，mm；表示第1土層深度，mm；表示第2土層深度，mm；表示耕作混合深度，mm；NO表示混合深度范圍內(nèi)最終的硝酸鹽含量，kg/hm；NO表示第1土層未混合的硝酸鹽含量，kg/hm；NO表示第1土層混合硝酸鹽的再分配量，kg/hm；NO表示第1土層初始硝酸鹽含量，kg/hm；NO表示第2土層初始硝酸鹽含量，kg/hm；NO表示混合深度范圍內(nèi)混合的硝酸鹽總量，kg/hm。

1.3.3 SWAT模型校正及驗(yàn)證精度評(píng)價(jià)方法

將前期在河套灌區(qū)研究的8個(gè)徑流和7個(gè)硝態(tài)氮參數(shù)及取值用于本研究模擬驗(yàn)證，沒(méi)有再進(jìn)行參數(shù)率定及敏感性分析，并利用SWAT-CUP軟件中的SUFI 2（Sequential Uncertainty Fitting version 2）算法對(duì)徑流及硝態(tài)氮變量進(jìn)行精度評(píng)價(jià)（驗(yàn)證參數(shù)可行性）。同時(shí)采用河套灌區(qū)已有研究選擇了6個(gè)作物生長(zhǎng)參數(shù)（表2）。將驗(yàn)證后的徑流及硝態(tài)氮參數(shù)代入SWAT模型中率定作物生長(zhǎng)參數(shù)。由于在率定作物生長(zhǎng)參數(shù)時(shí)需要分別調(diào)整3種作物對(duì)應(yīng)的參數(shù)，因此采用手動(dòng)試錯(cuò)的率定方式。以2008年作為模型預(yù)熱期，利用研究區(qū)出口紅圪卜揚(yáng)水站2009－2018年徑流和硝態(tài)氮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模擬過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證。以2010－2014年3種作物實(shí)測(cè)產(chǎn)量數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定，確定作物生長(zhǎng)參數(shù)最優(yōu)取值后，利用2015－2017年數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。因模型在劃分流域邊界時(shí)主要包括杭錦后旗、臨河區(qū)和五原縣3個(gè)行政區(qū)，因此作物實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用這3個(gè)地方的加權(quán)平均值。選取相對(duì)誤差（Relative Error，RE）、決定系數(shù)（）和Nash-Sutcliffe效率系數(shù)（）來(lái)評(píng)估模擬效率。

表2 作物參數(shù)率定范圍與取值Table 2 Calibration range and value of crop parameters

1.3.4 耕作方式與土壤鹽漬化處理情景設(shè)計(jì)

研究應(yīng)用SWAT模型共進(jìn)行了10 a的模擬。根據(jù)河套灌區(qū)長(zhǎng)期耕作模式選用不耕作（對(duì)照組，CK）、免耕（T1）、少耕（T2）、常規(guī)春耕（T3）和模板犁耕作（T4）5種耕作處理。不同耕作處理間差異在于對(duì)土壤中養(yǎng)分再分配所需的混合深度與混合效率（表3）。其中，不耕作是指在管理措施中不添加耕作處理，作為研究的對(duì)照組（CK），其混合深度與混合效率的值均為0，這也是與免耕的區(qū)別所在。研究在2種土壤類(lèi)型（灌淤土與草甸鹽土）條件下分別設(shè)置4種鹽分水平，按照非鹽化土、輕度鹽化土、中度鹽化土和重度鹽化土等級(jí)劃分，分別取值為0.46、0.98、1.55、1.97 dS/m，依次記為S1、S2、S3、S4，土壤鹽漬化程度劃分標(biāo)準(zhǔn)參照文獻(xiàn)[30]。由于灌區(qū)土壤水肥運(yùn)移及作物養(yǎng)分吸收主要發(fā)生在土壤表層，因此本研究?jī)H調(diào)整0～30 cm土層土壤電導(dǎo)率參數(shù)，＞30～100 cm土層不做變動(dòng)。在設(shè)置土壤鹽分水平的同時(shí)，重新計(jì)算SWAT土壤數(shù)據(jù)庫(kù)各項(xiàng)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)土壤電導(dǎo)率是通過(guò)影響土壤凋萎系數(shù)而影響土壤層有效持水量（SOL_AWC）參數(shù)，而土壤層有效持水量直接影響了SWAT模型對(duì)水肥運(yùn)移的模擬，且不同土壤質(zhì)地SOL_AWC隨EC值變化特性不同，王瑾杰等的研究很好地表明該論點(diǎn)，2種土壤類(lèi)型的SOL_AWC參數(shù)隨4種鹽分水平變化取值見(jiàn)表4。模型經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后，將5種耕作處理與4種鹽分水平分別輸入模型，重復(fù)進(jìn)行模擬即可得出不同土壤類(lèi)型下耕作方式與土壤鹽漬化對(duì)總產(chǎn)水量、硝態(tài)氮運(yùn)移量、作物吸氮量、硝酸鹽滲濾量和作物產(chǎn)量的交互效應(yīng)。區(qū)域總產(chǎn)水量指在模擬計(jì)算時(shí)段內(nèi)（按日計(jì)）離開(kāi)水文響應(yīng)單元HRU并進(jìn)入主河道（排水溝）的總水量（mm）。它包括地表徑流、側(cè)向徑流和地下水徑流（基流）對(duì)主河道流量的貢獻(xiàn)3部分。不同水文路徑硝態(tài)氮運(yùn)移量指的是通過(guò)地表徑流、側(cè)向徑流和地下水徑流向主河道中輸移的硝態(tài)氮量（kg/hm）。研究共計(jì)40個(gè)處理，每個(gè)處理各10 a模擬按照10個(gè)重復(fù)進(jìn)行分析計(jì)算。

表3 不同處理相關(guān)參數(shù)取值Table 3 Values of relevant parameters for different treatments

表4 不同鹽分水平對(duì)應(yīng)的土壤有效持水量參數(shù)取值Table 4 The effective water holding capacity parameter value of the soil corresponding to different salinity levels cm·cm-1

1.3.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用Origin 2018進(jìn)行做圖。處理間差異顯著性采用方差分析（Analysis of Variance，ANOVA）——多因素方差分析。采用最小顯著差異法（Least Significance Difference，LSD）進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 SWAT模型模擬結(jié)果及效率評(píng)價(jià)

將已有研究的徑流和硝態(tài)氮參數(shù)取值直接用于本研究模型驗(yàn)證，計(jì)算得到徑流、硝態(tài)氮和作物產(chǎn)量的模擬評(píng)價(jià)指標(biāo)（圖2）。可以看出，徑流和硝態(tài)氮10 a模擬的決定系數(shù)均不低于0.69，效率系數(shù)均不低于0.58，相對(duì)誤差（實(shí)測(cè)值平均值與模擬值平均值的差與實(shí)測(cè)值平均值的比值，RE）均低于10%，滿(mǎn)足SWAT模型校準(zhǔn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。由此可知，使用已有研究中率定好的參數(shù)，研究區(qū)出口徑流量、硝態(tài)氮排放量模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合度均較好。由徑流和硝態(tài)氮?jiǎng)討B(tài)圖可以看出（圖2），徑流與硝態(tài)氮模擬值與實(shí)測(cè)值在年內(nèi)1－4月期間吻合度較差，一方面由于灌區(qū)每年在4月中旬開(kāi)始進(jìn)行灌溉，到11月份秋澆截止，模型所選參數(shù)在灌溉期內(nèi)更為敏感。另一方面，1－4月在北方屬冰凍期，模型對(duì)于該時(shí)期徑流識(shí)別度較差，而實(shí)際總排干仍有較小的徑流。由圖2c和圖2d可知，研究區(qū)8 a作物產(chǎn)量模擬值與實(shí)測(cè)值基本分布在1∶1線附近，率定期和驗(yàn)證期的決定系數(shù)均為0.94，效率系數(shù)均不低于0.93，RE均低于4%，模擬效果很好。這表明經(jīng)驗(yàn)證的SWAT模型具有良好的模擬效果且可用于模擬灌區(qū)產(chǎn)水量、硝態(tài)氮及作物產(chǎn)量。

圖2 研究區(qū)出口徑流、硝態(tài)氮和作物產(chǎn)量模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.2 Comparisons of simulated and measured values of outlet runoff, nitrate nitrogen and crop yields in the study area

2.2 改變耕作方式對(duì)不同鹽漬土壤硝態(tài)氮運(yùn)移及作物產(chǎn)量的影響

2.2.1 耕作方式與土壤鹽漬化對(duì)區(qū)域總產(chǎn)水量的影響

多因素方差分析結(jié)果顯示（表5），土壤類(lèi)型、耕作方式與土壤鹽漬化對(duì)區(qū)域總產(chǎn)水量均產(chǎn)生極顯著影響（＜0.01），但任兩者或三者之間無(wú)顯著交互作用（＞0.05）。不同耕作方式和鹽漬化水平下，灌淤土、草甸鹽土區(qū)域總產(chǎn)水量動(dòng)態(tài)變化如圖3所示。從整體上看，灌淤土組的區(qū)域總產(chǎn)水量高于草甸鹽土。在相同土壤類(lèi)型、同種耕作方式下，區(qū)域總產(chǎn)水量隨土壤鹽漬化水平的提高呈增加趨勢(shì)，且S4與S1、S2處理差異顯著（＜0.05）。灌淤土組中，與S4處理相比，S1、S2處理總產(chǎn)水量平均分別減少了22.2%、14.5%；草甸鹽土組中，S1、S2處理總產(chǎn)水量較S4處理平均分別減少了21.9%、14.4%。同一鹽漬化水平下，耕作方式對(duì)同種土壤類(lèi)型總產(chǎn)水量的影響存在差異。從整體上看，同一鹽分水平下，相同土壤類(lèi)型總產(chǎn)水量按照T4、T3、T2、T1、CK的順序（即隨耕作混合深度與混合效率參數(shù)的減小）呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。灌淤土組中，僅S1、S2鹽分處理的T4總產(chǎn)水量較CK分別顯著減少了12.8%、9.2%，其余處理均不顯著（＞0.05）；草甸鹽土組中，僅S1鹽分處理的T4、T3總產(chǎn)水量較CK分別顯著減少了11.2%、8.7%，其余鹽分處理的耕作方式之間均不顯著（＞0.05）。綜上，當(dāng)土壤鹽分處在較高水平時(shí)，耕作方式對(duì)區(qū)域產(chǎn)水量的影響較小。另外，土壤鹽分增加較改變耕作方式對(duì)區(qū)域總產(chǎn)水量影響更顯著。

表5 土壤類(lèi)型、耕作方式、鹽分含量對(duì)產(chǎn)水量、硝態(tài)氮各指標(biāo)和作物產(chǎn)量的影響的多因素方差分析F值Table 5 The F values of multi-factor analysis of variance for water production, nitrate nitrogen indicators and crop yields affected by soil type (ST), tillage methods(TM) and salt (SS)

圖3 2種土壤類(lèi)型下不同耕作方式與鹽漬土水平總產(chǎn)水量動(dòng)態(tài)Fig.3 Dynamics of total water production under two soil types with different tillage methods and saline soil levels

2.2.2 耕作方式與土壤鹽漬化對(duì)區(qū)域作物吸氮量的影響

由表5可知，土壤類(lèi)型、耕作方式與土壤鹽漬化對(duì)區(qū)域作物吸氮量均產(chǎn)生極顯著影響（＜0.01），但任兩者或三者之間無(wú)顯著交互作用（＞0.05）。不同耕作方式和鹽漬化水平下，灌淤土、草甸鹽土區(qū)域作物吸氮量動(dòng)態(tài)變化如圖4所示。從整體上看，灌淤土組的區(qū)域作物吸氮量高于草甸鹽土。在相同土壤類(lèi)型、同種耕作方式下，區(qū)域作物吸氮量隨土壤鹽分水平的提高呈顯著降低趨勢(shì)（＜0.05）。灌淤土組中，與S1相比，S2、S3和S4處理作物吸氮量平均分別減少了8.8%、17.5%、26.5%；草甸鹽土組中，S2、S3和S4處理作物吸氮量比S1平均分別降低了9.2%、18.4%、27.8%?？梢?jiàn)，各土壤類(lèi)型作物吸氮量隨鹽分水平的提高降低幅度呈增加趨勢(shì)，而且各鹽分水平間絕對(duì)降低量也逐漸增加。在相同土壤類(lèi)型，同一鹽分水平下，耕作方式對(duì)區(qū)域作物吸氮量的影響存在差異。同一鹽分水平下，相同土壤類(lèi)型作物吸氮量按照CK、T1、T2、T3、T4的順序呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。灌淤土組中，SI、S2鹽分處理下，T4與CK處理差異顯著；S3、S4鹽分處理下，T4與T1、CK處理差異顯著。除S1處理外，草甸鹽土組的其余各鹽分處理的T4與T1、CK呈顯著性差異。與CK處理相比，T4處理作物吸氮量平均顯著（2種土壤）增加了11.78%。各土壤類(lèi)型作物吸氮量按T1至T4順序增加幅度逐漸加大，但各耕作處理間絕對(duì)增加量呈先增加后降低趨勢(shì)。

圖4 2種土壤類(lèi)型下不同耕作方式與鹽漬土水平作物吸氮量動(dòng)態(tài)Fig.4 Dynamics of nitrogen uptake by crops with different tillage methods and saline soil levels under two soil types

由此可見(jiàn)，與CK處理相比，混合深度與混合效率越大的耕作方式對(duì)作物吸氮量的影響效果更加明顯。另外，根據(jù)均值分析結(jié)果可知，土壤鹽分增加較改變耕作方式更能影響區(qū)域作物吸氮量。

2.2.3 耕作方式與土壤鹽漬化對(duì)區(qū)域土壤硝態(tài)氮淋溶的影響

由表5可知，土壤類(lèi)型、耕作方式與土壤鹽漬化均顯著影響區(qū)域土壤硝態(tài)氮淋溶量，其中土壤類(lèi)型與耕作方式、土壤類(lèi)型與土壤鹽漬化分別對(duì)區(qū)域土壤硝態(tài)氮淋溶量產(chǎn)生極顯著交互作用（＜0.01）。不同耕作方式和鹽漬化水平下，灌淤土、草甸鹽土區(qū)域土壤硝態(tài)氮淋溶量動(dòng)態(tài)變化如圖5所示。

圖5 2種土壤類(lèi)型下不同耕作方式與鹽漬土水平土壤硝態(tài)氮淋溶量動(dòng)態(tài)Fig.5 Dynamics of soil nitrate-nitrogen leaching amount under two soil types with different tillage methods and saline soil levels

從整體上看，灌淤土組的區(qū)域土壤硝態(tài)氮淋溶量高于草甸鹽土。同種耕作方式下，不同土壤類(lèi)型土壤硝態(tài)氮淋溶量受土壤鹽分影響存在差異。灌淤土組中，各耕作處理土壤硝態(tài)氮淋溶量隨土壤鹽分水平的提高呈顯著增加趨勢(shì)（＜0.05）。與S1相比，S2、S3和S4處理土壤硝態(tài)氮淋溶量平均分別增加了12%、23.6%、35.4%。草甸鹽土組中，同種耕作處理（T1與CK除外）土壤硝態(tài)氮淋溶量隨土壤鹽分水平的提高呈顯著降低趨勢(shì)（＜0.05）。與S1相比，S2、S3和S4處理土壤硝態(tài)氮淋溶量平均分別減少了5.8%、11.6%、17.8%。

相同土壤類(lèi)型，同一鹽漬化水平下，耕作方式對(duì)土壤硝態(tài)氮淋溶量的影響存在差異。從整體上看，同一鹽分水平下，相同土壤類(lèi)型硝態(tài)氮淋溶量按照T4、T3、T2、T1、CK的順序呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。耕作方式對(duì)硝態(tài)氮淋溶的影響機(jī)理同2.3.1節(jié)對(duì)總產(chǎn)水量的影響機(jī)理相似，此處不再贅述。灌淤土組中，與CK處理相比，T3和T4處理的硝態(tài)氮淋溶量平均分別顯著減少了10.47%、17.58%（＜0.05）?？梢?jiàn)，灌淤土組的硝態(tài)氮淋溶減少量隨耕作混合深度的增加逐漸增加，且絕對(duì)減少量也逐漸增加。草甸鹽土組中， T3和T4較CK處理平均分別減少了14.47%、20.16%。與CK處理相比，T4處理硝態(tài)氮淋溶量平均（2種土壤）顯著減少了16.5%（＜0.05）?？梢钥闯?，草甸鹽土組的硝態(tài)氮淋溶減少量隨耕作混合深度的增加逐漸增加，但絕對(duì)減少量呈先增加后減少再增加的趨勢(shì)。

2.2.4 耕作方式與土壤鹽漬化對(duì)硝態(tài)氮運(yùn)移量的影響

由表5可知，土壤類(lèi)型、耕作方式與土壤鹽漬化對(duì)不同水文路徑硝態(tài)氮運(yùn)移量的影響存在差異。三者均對(duì)地表與地下硝態(tài)氮運(yùn)移量產(chǎn)生極顯著影響（＜0.01），且土壤類(lèi)型與耕作方式、土壤類(lèi)型與鹽分處理產(chǎn)生顯著交互作用，但耕作方式與鹽分處理及三者之間無(wú)顯著交互作用。三因素均對(duì)側(cè)向硝態(tài)氮運(yùn)移量產(chǎn)生顯著影響，但僅土壤類(lèi)型與耕作方式兩者產(chǎn)生顯著交互作用。不同耕作方式和鹽分水平下，灌淤土、草甸鹽土各水文路徑硝態(tài)氮運(yùn)移量如表6所示。

表6 2種土壤類(lèi)型下不同耕作方式與鹽漬土水平各水文路徑硝態(tài)氮運(yùn)移量Table 6 Nitrate nitrogen transport in different hydrological paths with different tillage methods and saline soil levels under two soil types kg·hm-2

整體來(lái)看（表6），灌淤土組的硝態(tài)氮運(yùn)移總量高于草甸鹽土。與灌淤土相比，草甸鹽土的硝態(tài)氮地表運(yùn)移量平均高0.855 kg/hm。對(duì)于側(cè)向運(yùn)移而言，灌淤土比草甸鹽土平均高0.26 kg/hm（167.7%）。對(duì)于地下運(yùn)移而言，灌淤土比草甸鹽土平均高1.931 kg/hm（57%）。灌淤土組中，硝態(tài)氮地表運(yùn)移量低于側(cè)向運(yùn)移量，而草甸鹽土反之，且2種土壤類(lèi)型均是地下運(yùn)移占主導(dǎo)地位。灌淤土組中，同一耕作方式，S1、S2鹽分處理的硝態(tài)氮地表運(yùn)移量較S4處理平均顯著減少了13.3%和8.3%（＜0.05）；側(cè)向運(yùn)移量各鹽分水平無(wú)顯著差異（＞0.05）；地下運(yùn)移量S2、S3、S4比S1分別平均增加了10.5%、20.62%、30.82%，且差異顯著（＜0.05）。草甸鹽土組中，同一耕作方式，S1、S2鹽分處理的硝態(tài)氮地表運(yùn)移量較S4處理平均顯著減少了21.4%和14.1%（＜0.05）；側(cè)向運(yùn)移量S1較S4處理平均顯著增加了11%；地下運(yùn)移量S1、S2較S4處理平均顯著減少了19.1%和12.5%（＜0.05）。可以看出，硝態(tài)氮地表與地下運(yùn)移量隨鹽分增加呈上升趨勢(shì)，而硝態(tài)氮側(cè)向運(yùn)移量隨鹽漬化水平的提高逐漸減少。這是因?yàn)殡S鹽分的增加土壤層有效持水量逐漸減少，導(dǎo)致土壤剖面內(nèi)的硝態(tài)氮絕對(duì)含量減少，因而硝態(tài)氮側(cè)向運(yùn)移量逐漸減少。

相同土壤類(lèi)型，同一鹽漬化水平下，耕作方式對(duì)各水文路徑硝態(tài)氮運(yùn)移量的影響存在差異。從整體上看，同一鹽分水平下，相同土壤類(lèi)型硝態(tài)氮運(yùn)移量按照T4、T3、T2、T1、CK的順序呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。與CK處理相比，同種土壤類(lèi)型下， T3與T4處理可以顯著減少各鹽分水平土壤下硝態(tài)氮地表、側(cè)向和地下運(yùn)移量。其中，T4較CK處理硝態(tài)氮地表、側(cè)向和地下運(yùn)移量平均（2種土壤）分別顯著減少了16.4%、16.5%和16.5%（＜0.05）。

2.2.5 耕作方式與土壤鹽漬化對(duì)作物產(chǎn)量的影響

由表5可知，對(duì)于小麥和葵花產(chǎn)量，僅耕作方式與土壤鹽漬化2個(gè)因素對(duì)其產(chǎn)生極顯著影響；對(duì)于玉米產(chǎn)量，土壤類(lèi)型、耕作方式與土壤鹽漬化均對(duì)其產(chǎn)生極顯著影響（＜0.01），但任兩者或三者之間對(duì)3種作物均無(wú)顯著交互作用（＞0.05）。不同耕作方式和鹽分水平下，灌淤土、草甸鹽土小麥、玉米、葵花產(chǎn)量如表7所示。整體來(lái)看，灌淤土組的小麥、玉米、葵花產(chǎn)量均高于草甸鹽土。相同土壤類(lèi)型，同種耕作方式下，玉米和葵花作物產(chǎn)量隨土壤鹽分水平的提高呈顯著下降趨勢(shì)（＜0.05）。與S1處理相比，2種土壤類(lèi)型在S2、S3、S4處理下的玉米產(chǎn)量平均減少了9.1%、18.19%、27.31%，葵花產(chǎn)量平均減少了8.59%、17.3%、26%；小麥產(chǎn)量在S3、S4處理平均減少了12.76%、19.15%，且差異顯著（＜0.05）。與S1處理相比，S4處理小麥、玉米、葵花產(chǎn)量平均（2種土壤）顯著減少了19.15%、27.31%、26%。整體來(lái)看，相同土壤類(lèi)型，同一鹽漬化水平下，小麥產(chǎn)量隨耕作方式混合深度的增加逐漸減小，玉米、葵花產(chǎn)量隨耕作方式混合深度的增加呈上升趨勢(shì)。與CK處理相比，2種土壤類(lèi)型在T3和T4處理下的小麥產(chǎn)量平均減少了9.12%、14.67%，且差異顯著（＜0.05）。同一鹽漬化水平，不同土壤類(lèi)型下，耕作方式對(duì)玉米產(chǎn)量的影響存在差異。灌淤土組中，與CK處理相比，T3、T4處理玉米產(chǎn)量平均顯著增加了12.4%和22%；草甸鹽土組中，除S1處理不顯著外，T4較CK處理玉米產(chǎn)量平均顯著增加了18.5%。同一鹽漬化水平下，不同耕作方式對(duì)葵花作物產(chǎn)量的影響無(wú)顯著性差異（＞0.05）。綜上可以看出，土壤鹽分增加較改變耕作方式對(duì)作物產(chǎn)量影響更顯著。

表7 2種土壤類(lèi)型下不同耕作方式與鹽漬土水平小麥、玉米、葵花產(chǎn)量Table 7 Yield of wheat, maize and sunflower under two soil types with different tillage methods and saline soil levels kg·hm-2

3 討 論

3.1 土壤鹽分對(duì)氮素運(yùn)移及作物產(chǎn)量的影響

土壤層有效持水量（SOL_AWC）是土壤中能被作物吸收利用的水量，即田間持水量與凋萎系數(shù)之間的土壤含水量。研究表明，土壤鹽分含量通過(guò)影響土壤凋萎系數(shù)進(jìn)而影響土壤層有效持水量大小，而土壤層有效持水量直接影響著區(qū)域水和養(yǎng)分的遷移轉(zhuǎn)化。區(qū)域產(chǎn)水量是進(jìn)入灌區(qū)內(nèi)的水量經(jīng)土壤入滲最終通過(guò)排水渠系流出區(qū)外的總水量，也是土壤溶質(zhì)運(yùn)移的重要載體。本研究中，在相同土壤類(lèi)型、同種耕作方式下，隨著土壤鹽分水平的提高區(qū)域總產(chǎn)水量呈增加趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著土壤鹽分的增加，土壤層有效持水量呈下降趨勢(shì)，土壤層有效持水量的減少勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致區(qū)域總排水量的增加。但張健等研究表明，土壤水分垂直入滲量隨鹽分增加呈減小趨勢(shì)，這與本研究結(jié)果不一致，可能是由于該試驗(yàn)采用室內(nèi)土柱模擬入滲研究，與區(qū)域非均質(zhì)土壤模擬產(chǎn)生較大差別。除此之外，隨著土壤鹽漬化程度的加重，在區(qū)域總產(chǎn)水量逐漸增加的同時(shí)，硝態(tài)氮地下運(yùn)移量及灌淤土組的硝態(tài)氮淋溶量也呈遞增趨勢(shì)，這表明土壤鹽分增加促進(jìn)了土壤水分的下滲，加劇了土壤養(yǎng)分的快速流失，對(duì)地下水環(huán)境污染造成潛在的風(fēng)險(xiǎn)。值得注意的是，隨著土壤鹽分的增加，草甸鹽土組的硝態(tài)氮淋溶量逐漸減小，原因可能是草甸鹽土的飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)相對(duì)較小且黏土比例較高（表1），土壤鹽分的增加可能會(huì)使養(yǎng)分吸附在土壤顆粒表面，從而抑制養(yǎng)分的流失，同時(shí)也致使了土壤溶液中的硝態(tài)氮濃度變高。Katerji等研究表示，鹽分會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，導(dǎo)致作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用效率降低，從而增加了養(yǎng)分的潛在淋失量。本研究表示，隨著土壤鹽分的增加，作物吸氮量和作物產(chǎn)量呈遞減趨勢(shì)。這是因?yàn)楦低寥利}分過(guò)高導(dǎo)致土壤或者營(yíng)養(yǎng)液滲透勢(shì)減小，從而抑制作物對(duì)氮的吸收能力；此外，土壤層有效持水量的減少使得作物對(duì)土壤中的可利用養(yǎng)分減少，隨水排出的養(yǎng)分增多，最終導(dǎo)致作物吸氮量的減少。周慧等研究表示土壤鹽分水平由輕度上升為中度后，各處理植株氮素吸收總量與作物產(chǎn)量顯著降低，這與本研究結(jié)果相同。

3.2 耕作方式對(duì)氮素運(yùn)移及作物產(chǎn)量的影響

研究表明，轉(zhuǎn)變耕作方式可以改變區(qū)域產(chǎn)水量的大小。本研究顯示，同一鹽分水平下，相同土壤類(lèi)型總產(chǎn)水量隨著耕作方式混合深度與混合效率的增大呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。這可能是由于通過(guò)耕作擾亂了土壤結(jié)構(gòu)，破壞了土壤原有的毛細(xì)管分布。此外，混合深度與混合效率越大的耕作方式土壤毛細(xì)管破壞效果也更加明顯，而不進(jìn)行任何耕作處理則會(huì)保持較好的毛細(xì)管分布，為土壤排水提供有利條件。秦紅靈等研究表明，深松相比免耕降低表層土壤容重，增加蓄水能力，增強(qiáng)作物對(duì)水分的利用效率，這與本研究結(jié)果相似。呂美蓉等也表示，相對(duì)于常規(guī)耕作，深松耕能提高土壤水分充足期的土壤含水率，增加冬小麥產(chǎn)量。與受到鹽分影響結(jié)果相似，耕作使區(qū)域產(chǎn)水量減小的同時(shí)，硝態(tài)氮淋溶量和各水文路徑的硝態(tài)氮運(yùn)移量也在減小，總的作物吸氮量呈增加趨勢(shì)。這是因?yàn)橥寥澜?jīng)過(guò)耕作處理后，使得土壤中養(yǎng)分重新分布，并將滲濾在深層土壤中的養(yǎng)分與淺層土壤混合，增加了根系養(yǎng)分吸收利用量。此外，魏燕華等研究表明，耕作能夠影響耕作范圍內(nèi)土壤容重，保證了作物吸收養(yǎng)分所需的水肥氣熱的條件。但是耕作措施對(duì)不同作物產(chǎn)量變化趨勢(shì)影響差異顯著。本研究中，小麥產(chǎn)量表現(xiàn)出不耕作要優(yōu)于耕作，而玉米、葵花產(chǎn)量則隨耕作混合深度與混合效率的增大而增加。這可能是由于小麥在播種時(shí)土壤仍處于凍融狀態(tài)，溫度偏低，耕作處理會(huì)使得小麥生長(zhǎng)的土壤溫度更低，惡化小麥的生長(zhǎng)環(huán)境。玉米和葵花喜愛(ài)土層深厚、疏松通氣的土壤環(huán)境，通過(guò)耕作處理可以改善土壤結(jié)構(gòu)，有利于增產(chǎn)。有研究表明，與傳統(tǒng)耕作方式相比，采用少免耕耕作技術(shù)可使小麥產(chǎn)量增加10.27%。李福建等研究也表明，針對(duì)小麥兩年田間試驗(yàn)均以免耕產(chǎn)量最高，比耕翻分別增產(chǎn)25.4%和15.2%。但閆秋艷等研究表示，深松和深翻比免耕均能提高小麥產(chǎn)量。徐永剛等研究表明，深耕措施能顯著提高玉米籽實(shí)和秸稈產(chǎn)量。胡樹(shù)平等研究表明，向日葵產(chǎn)量按照淺旋15 cm、深松30 cm、深松45 cm的順序呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，這與本研究結(jié)果相似。由于本研究各耕作處理采用同種耕作方式連續(xù)10 a模擬，通常田間耕作試驗(yàn)周期較短，致使模型模擬出的結(jié)果可能會(huì)與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果有所差別。秦紅靈等研究表示，2 a免耕后進(jìn)行深松處理可平均增產(chǎn)18.29%，這表明常年使用同種耕作方式不利于作物生長(zhǎng)。因此，在今后的研究中，需對(duì)模型模擬的每年結(jié)果進(jìn)行具體對(duì)比分析，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)變耕作方式對(duì)養(yǎng)分與作物的影響可進(jìn)一步深入研究。

河套灌區(qū)地勢(shì)平坦，具有坡度小、地下水淺埋等特點(diǎn)，明確耕作方式與土壤鹽漬化對(duì)區(qū)域養(yǎng)分流失和作物生長(zhǎng)的影響具有重要意義。利用SWAT模型設(shè)置耕作情景及鹽分變化雖然可以針對(duì)不同土地利用、土壤類(lèi)型條件下養(yǎng)分流失進(jìn)行模擬，且相比大田試驗(yàn)具有操作方便、模擬時(shí)段長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。但模型中的耕作模塊僅有混合深度與混合效率2個(gè)條件，對(duì)秸稈覆蓋條件沒(méi)有具體說(shuō)明，且模型中的混合深度與混合效率數(shù)值同灌區(qū)實(shí)際耕作標(biāo)準(zhǔn)存在一定差別，這會(huì)對(duì)模型模擬效果產(chǎn)生一定的影響。此外，模型中鹽分變化僅直接影響了土壤層有效持水量參數(shù)，但實(shí)際上可能還會(huì)影響土壤中其他的參數(shù)，如飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)、有機(jī)碳含量等。因此，在今后的研究中，需結(jié)合灌區(qū)自身因素進(jìn)一步改進(jìn)SWAT模型，使得該模型的模擬過(guò)程與灌區(qū)實(shí)際更加貼近。

4 結(jié) 論

1）利用已校準(zhǔn)參數(shù)的SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型對(duì)河套灌區(qū)徑流、硝態(tài)氮直接進(jìn)行驗(yàn)證得到?jīng)Q定系數(shù)均不低于0.69，效率系數(shù)均不低于0.58，相對(duì)誤差均低于10%；作物產(chǎn)量模擬值與實(shí)測(cè)值基本分布在1:1線附近，率定期和驗(yàn)證期決定系數(shù)均為0.94，效率系數(shù)均不低于0.93，相對(duì)誤差均低于4%。表明了經(jīng)驗(yàn)證的SWAT模型具有良好的模擬效果且可用于模擬灌區(qū)產(chǎn)水量、硝態(tài)氮及作物產(chǎn)量。

2）耕作方式與土壤鹽分對(duì)區(qū)域總產(chǎn)水量、作物吸氮量、硝態(tài)氮淋溶量、硝態(tài)氮運(yùn)移及作物產(chǎn)量均有顯著影響。其中，區(qū)域產(chǎn)水量、硝態(tài)氮淋溶量、不同水文路徑（地表、側(cè)向和地下徑流）硝態(tài)氮運(yùn)移量及小麥產(chǎn)量隨耕作混合深度與混合效率的增加逐漸減少，作物吸氮量、玉米與葵花產(chǎn)量隨混合深度與混合效率的增加逐漸增加。與不添加耕作管理相比，模板犁耕作作物吸氮量平均（2種土壤）顯著增加了11.78%，硝態(tài)氮淋溶量平均顯著減少了16.5%，有效降低了土壤養(yǎng)分流失和地下水污染。另外，模板犁耕作使小麥產(chǎn)量顯著降低了14.67%。

3）土壤鹽分增加通過(guò)降低土壤層有效持水量，顯著增加了區(qū)域總產(chǎn)水量、硝態(tài)氮淋溶量（草甸鹽土除外）及硝態(tài)氮地下運(yùn)移量，減少了作物吸氮量和作物產(chǎn)量。與非鹽化土壤相比，重度鹽化土壤處理小麥、玉米、葵花產(chǎn)量平均（2種土壤）顯著減少了19.15%、27.31%、26%。

土壤鹽分增加較改變耕作方式對(duì)區(qū)域產(chǎn)水量、土壤養(yǎng)分和作物產(chǎn)量影響更顯著。因此，為更好治理灌區(qū)污染嚴(yán)重和作物產(chǎn)量下降等問(wèn)題，需將重點(diǎn)放在區(qū)域土壤鹽漬化防控與治理上。