SWAT模拟耕作方式与盐分对区域土壤氮运移及作物产量影响

王维刚，史海滨，李仙岳，孙亚楠，郑 倩，张文聪，王国帅，周 慧，闫 妍，窦 旭

（1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；2.高效节水技术装备与水土环境效应内蒙古自治区工程研究中心，呼和浩特 010018）

0 引 言

内蒙古河套灌区是黄河中上游典型的盐渍化特大型灌区，同时也是国家和自治区重要的商品粮、油生产基地，土壤盐渍化一直困扰灌区农业生产的发展，并引起了科研工作者的极大关注。此外，灌区农业生产中为提高作物产量盲目过量施肥，肥料利用效率低下，导致肥料在土壤中积累并进一步渗滤到地下水及排水沟中，对灌区农田环境造成严重面源污染。因此，土壤盐渍化与面源污染问题已成为制约灌区粮食安全与环境安全的重要因素。

土壤盐分胁迫和养分大量流失是造成干旱地区作物生产力下降和环境污染的主要原因。合理的耕作模式可为作物生长发育创造适宜的生长微环境，也可降低耕层土壤盐分含量，一定程度上缓和土壤盐碱化状况。研究表明，土壤中盐分浓度过高会抑制作物生长，由于盐分对作物生长的抑制作用，作物对养分的吸收利用效率降低，从而增加了养分的潜在淋失量。Adams研究指出，盐分胁迫会造成作物养分缺失。周慧等研究表明，盐渍化土壤条件下随着盐分的增加，土壤氨挥发总量也增大，会加重环境的污染。此外，干旱地区耕作方式的转变也会对土壤养分的流失及作物对养分的吸收利用产生较大影响。Wang等研究显示，凿犁耕作和免耕相比于常规耕作分别显著（＜0.05）增加了0～100 cm土层中总氮积累量34.8和54.1 kg/(hm·a)（以N计，下同），并使总氮损失平均减少了7.4%和22.4%。Zhang等研究显示，免耕和少耕的氮损失相比于常规耕作的氮损失分别少19.03和6.33 kg/hm，且保护性耕作比传统耕作显著减少了氮损失。同时，耕作方式对盐渍化灌区土壤盐分也会产生一定影响。Qi等研究表明，全膜覆盖耕作相比于部分膜覆盖耕作可更有效地阻止土壤盐分向上运动。Ding等研究发现，相比于免耕和未施用改良剂的土壤，深耕与蚯蚓粪结合使土壤盐分和碱度分别降低了37%和34%，可有效改良盐碱土壤。尽管针对耕作方式的转变对土壤盐分和土壤养分的流失影响方面已有大量研究，但耕作方式、土壤盐分和土壤养分流失三者间的交互关系还少有研究，合理的耕作方式对盐渍土地区增加作物产量和减小农田水土环境污染有着重要的作用，针对河套灌区典型盐渍化土壤条件下不同耕作方式对土壤营养物流失影响需进一步探究。另外，遥感技术以其宏观、动态、信息丰富等特点，已成为盐渍化灌区盐分反演的重要手段。

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型作为流域普遍应用的一种基于物理的半分布式水文模型，常用于预测土地管理措施对复杂、大型流域的水文、污染物和泥沙输移的长期影响。近些年，很多学者逐渐将SWAT模型应用到盐渍化灌区并进行了改进。Xiong等介绍了用于模拟浅水位农业流域的改进的SWAT-AG模型，提供了模拟土壤盐分运动和盐胁迫对作物生长影响的功能。SWAT模型数据库中包含了数十种不同的耕作方式可供选择，是用于模拟耕作方式情景分析的有效管理工具。因此，利用SWAT模型模拟盐渍化灌区不同盐渍化土壤条件下耕作方式对养分流失的影响研究将对西北干旱-半干旱灌区污染物流失治理与防控提供一种方法。

因此，本文以土壤盐分空间变异性复杂的河套灌区为研究区域，利用灌区多年实测数据校准和验证SWAT模型对径流、硝态氮和作物产量的模拟精度；并利用验证后的模型针对2种主要土壤类型在4种盐分水平下转变耕作方式进行模拟，探讨耕作方式与土壤盐渍化对灌区产水量、作物吸氮量、硝态氮淋溶量及运移量、作物产量的影响，以期为调节盐渍化土壤、促进粮食增产、减小环境污染及促进农业的可持续发展，并针对在灌区不同盐渍化土壤下合理耕作方式的实施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

河套灌区位于内蒙古西部黄河流域中间地带，地理坐标为40°15′～41°18′N、106°20′～109°19′E（图1），平均海拔为1 024 m，属于大陆性季风气候，年平均最低气温与最高气温分别为-10℃和23℃；年降水量仅为145～216 mm，其中80%发生在6－8月，年内潜在蒸发量达2 200～2 400 mm，是典型的干旱-半干旱地区。灌区东西长约250 km，南北宽约50 km。灌区总土地面积1.19×10km，现引黄灌溉面积0.73×10km。插花种植结构在农田生态系统中普遍存在，作物分布较为破碎散乱。据巴彦淖尔市2019年统计年鉴，当年河套灌区化肥施用量达到127.07万t。灌区土壤类型主要包括灌淤土和草甸盐土，两者分别占总土地面积的53.44%和43.71%，其中两种土壤类型0～30 cm土层基本物理性状见表1。由于灌溉水利用效率不高，排水不畅，灌区内存在不同程度的土壤次生盐渍化问题。由Landsat 8 OLI遥感数据反演得到的2019年灌区土壤盐渍化程度主要为中度和轻度水平。

图1 河套流域土壤盐分等级及渠系分布Fig.1 Soil salinity grades and canal distribution in Hetao watershed

表1 两种土壤类型0～30 cm土层基本物理性状Table 1 Basic physical properties of 0-30 cm soil layer of two soil types

1.2 数据来源

ASTER 30 m分辨率DEM（Digital Elevation Model）数据来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/），2018年30 m分辨率土地利用图来源于资源环境数据云平台（http://www.resdc.cn/），2018年30 m分辨率耕地种植结构数据来源于Land sat 8 OLI遥感数据裁剪获得，土壤栅格数据与中国区域世界土壤数据库（Harmonized World Soil Database，HWSD）来源于寒旱区科学数据中心（http://bdc.casnw.net/yyzc/sj/），2008－2018年CMADS大气数据集来源于中国气象同化数据集（http://www.cmads.org/），用于制作SWAT模型气象数据库。2009－2018年灌区每月实测排水量、硝态氮排放数据来源于河套灌区水利发展中心供排水管理处，用于验证SWAT模型水文水质模拟，其计算方法依照前期成果。2010－2017年灌区实测作物产量数据来源于巴彦淖尔市农牧业局及当地统计年鉴，其中，以2010－2014年数据对SWAT模型作物产量模拟进行率定，2015－2017年数据对模型进行验证。基于DEM数据与排水渠系，划分得到35个子流域（图1）。并进一步根据研究区土地利用类型、土壤类型分布离散得到638个水文响应单元（Hydrologic Response Unit，HRU）。利用SPAW 6.02.70软件计算土壤数据库各土壤类型参数，其中初始土壤电导率（Electrical Conductivity，EC）参数（土壤本底盐分数据）由2019年Landsat 8 OLI遥感数据反演所得（图1），灌区2种主要土壤类型（灌淤土与草甸盐土）的土壤电导率平均值分别为1.47和0.94 dS/m（表1）。添加气象数据、灌水参数、施肥参数建立研究区的SWAT模型，详细模型构建过程及参数的选取依照前期成果。

1.3 研究方法

1.3.1 硝酸盐及作物产量计算方法

SWAT模型模拟结果可得到流域内各HRU上某一土壤类型或土地覆盖条件下总产水量、植物从土壤中吸收的氮量、硝酸盐从土壤剖面向地下淋溶量、排向主河道的硝酸盐运移量及各作物产量，特定土壤类型某一作物指标多年平均含量按式（1）计算。

式中L表示某一特定土地覆盖多年平均模拟变量值（作物产量模拟年数为7 a），mm或kg/hm；A表示模拟期内某年某月对应特定作物所在HRU的面积，hm；l表示模拟期内某年某月对应特定作物所在HRU的模拟变量值，mm或kg/hm；表示特定作物所在HRU的数量；表示年内模拟月；表示模拟年。

1.3.2 耕作混合深度与混合效率计算方法

耕作混合深度指通过机械耕作对土壤进行切削、翻转、破碎、混合等一系列物理过程的土壤层深度。混合效率指由混合深度指定的整个土壤深度范围内，均匀混合的土壤表面营养物、秸秆等所占分数，剩余部分留在原处（土壤表面或土层）。本研究耕作方式的选用包括混合深度与混合效率参数的取值均从SWAT模型耕作数据库（Tillage database）获取，其中模型耕作数据库中机械工具的混合深度数据来源于美国农业部（United States Department of Agriculture，USDA）经济研究中心的农业器械数据库，而混合效率数据来源于国家保护区协会（National Association of Conservation Districts，NACD）保护科技信息中心提供的“残留物得分表”。

假设耕作器具混合深度为100 mm，将土壤剖面分为2层，分别为0～10 mm和＞10～100 mm，同时假设各土层均匀混合，以土壤剖面硝酸盐为例。则耕作混合效率按下列公式计算，综合式（2）～（5）得到式（6）。

式中表示耕作混合效率，mm；表示第1土层深度，mm；表示第2土层深度，mm；表示耕作混合深度，mm；NO表示混合深度范围内最终的硝酸盐含量，kg/hm；NO表示第1土层未混合的硝酸盐含量，kg/hm；NO表示第1土层混合硝酸盐的再分配量，kg/hm；NO表示第1土层初始硝酸盐含量，kg/hm；NO表示第2土层初始硝酸盐含量，kg/hm；NO表示混合深度范围内混合的硝酸盐总量，kg/hm。

1.3.3 SWAT模型校正及验证精度评价方法

将前期在河套灌区研究的8个径流和7个硝态氮参数及取值用于本研究模拟验证，没有再进行参数率定及敏感性分析，并利用SWAT-CUP软件中的SUFI 2（Sequential Uncertainty Fitting version 2）算法对径流及硝态氮变量进行精度评价（验证参数可行性）。同时采用河套灌区已有研究选择了6个作物生长参数（表2）。将验证后的径流及硝态氮参数代入SWAT模型中率定作物生长参数。由于在率定作物生长参数时需要分别调整3种作物对应的参数，因此采用手动试错的率定方式。以2008年作为模型预热期，利用研究区出口红圪卜扬水站2009－2018年径流和硝态氮监测数据对模拟过程进行验证。以2010－2014年3种作物实测产量数据对模型进行率定，确定作物生长参数最优取值后，利用2015－2017年数据对模型进行验证。因模型在划分流域边界时主要包括杭锦后旗、临河区和五原县3个行政区，因此作物实测数据采用这3个地方的加权平均值。选取相对误差（Relative Error，RE）、决定系数（）和Nash-Sutcliffe效率系数（）来评估模拟效率。

表2 作物参数率定范围与取值Table 2 Calibration range and value of crop parameters

1.3.4 耕作方式与土壤盐渍化处理情景设计

研究应用SWAT模型共进行了10 a的模拟。根据河套灌区长期耕作模式选用不耕作（对照组，CK）、免耕（T1）、少耕（T2）、常规春耕（T3）和模板犁耕作（T4）5种耕作处理。不同耕作处理间差异在于对土壤中养分再分配所需的混合深度与混合效率（表3）。其中，不耕作是指在管理措施中不添加耕作处理，作为研究的对照组（CK），其混合深度与混合效率的值均为0，这也是与免耕的区别所在。研究在2种土壤类型（灌淤土与草甸盐土）条件下分别设置4种盐分水平，按照非盐化土、轻度盐化土、中度盐化土和重度盐化土等级划分，分别取值为0.46、0.98、1.55、1.97 dS/m，依次记为S1、S2、S3、S4，土壤盐渍化程度划分标准参照文献[30]。由于灌区土壤水肥运移及作物养分吸收主要发生在土壤表层，因此本研究仅调整0～30 cm土层土壤电导率参数，＞30～100 cm土层不做变动。在设置土壤盐分水平的同时，重新计算SWAT土壤数据库各项参数，发现土壤电导率是通过影响土壤凋萎系数而影响土壤层有效持水量（SOL_AWC）参数，而土壤层有效持水量直接影响了SWAT模型对水肥运移的模拟，且不同土壤质地SOL_AWC随EC值变化特性不同，王瑾杰等的研究很好地表明该论点，2种土壤类型的SOL_AWC参数随4种盐分水平变化取值见表4。模型经过验证后，将5种耕作处理与4种盐分水平分别输入模型，重复进行模拟即可得出不同土壤类型下耕作方式与土壤盐渍化对总产水量、硝态氮运移量、作物吸氮量、硝酸盐渗滤量和作物产量的交互效应。区域总产水量指在模拟计算时段内（按日计）离开水文响应单元HRU并进入主河道（排水沟）的总水量（mm）。它包括地表径流、侧向径流和地下水径流（基流）对主河道流量的贡献3部分。不同水文路径硝态氮运移量指的是通过地表径流、侧向径流和地下水径流向主河道中输移的硝态氮量（kg/hm）。研究共计40个处理，每个处理各10 a模拟按照10个重复进行分析计算。

表3 不同处理相关参数取值Table 3 Values of relevant parameters for different treatments

表4 不同盐分水平对应的土壤有效持水量参数取值Table 4 The effective water holding capacity parameter value of the soil corresponding to different salinity levels cm·cm-1

1.3.5 数据处理与统计分析

采用Excel 2010进行数据处理，使用Origin 2018进行做图。处理间差异显著性采用方差分析（Analysis of Variance，ANOVA）——多因素方差分析。采用最小显著差异法（Least Significance Difference，LSD）进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 SWAT模型模拟结果及效率评价

将已有研究的径流和硝态氮参数取值直接用于本研究模型验证，计算得到径流、硝态氮和作物产量的模拟评价指标（图2）。可以看出，径流和硝态氮10 a模拟的决定系数均不低于0.69，效率系数均不低于0.58，相对误差（实测值平均值与模拟值平均值的差与实测值平均值的比值，RE）均低于10%，满足SWAT模型校准评价标准。由此可知，使用已有研究中率定好的参数，研究区出口径流量、硝态氮排放量模拟结果与实测值吻合度均较好。由径流和硝态氮动态图可以看出（图2），径流与硝态氮模拟值与实测值在年内1－4月期间吻合度较差，一方面由于灌区每年在4月中旬开始进行灌溉，到11月份秋浇截止，模型所选参数在灌溉期内更为敏感。另一方面，1－4月在北方属冰冻期，模型对于该时期径流识别度较差，而实际总排干仍有较小的径流。由图2c和图2d可知，研究区8 a作物产量模拟值与实测值基本分布在1∶1线附近，率定期和验证期的决定系数均为0.94，效率系数均不低于0.93，RE均低于4%，模拟效果很好。这表明经验证的SWAT模型具有良好的模拟效果且可用于模拟灌区产水量、硝态氮及作物产量。

图2 研究区出口径流、硝态氮和作物产量模拟值与实测值对比Fig.2 Comparisons of simulated and measured values of outlet runoff, nitrate nitrogen and crop yields in the study area

2.2 改变耕作方式对不同盐渍土壤硝态氮运移及作物产量的影响

2.2.1 耕作方式与土壤盐渍化对区域总产水量的影响

多因素方差分析结果显示（表5），土壤类型、耕作方式与土壤盐渍化对区域总产水量均产生极显著影响（＜0.01），但任两者或三者之间无显著交互作用（＞0.05）。不同耕作方式和盐渍化水平下，灌淤土、草甸盐土区域总产水量动态变化如图3所示。从整体上看，灌淤土组的区域总产水量高于草甸盐土。在相同土壤类型、同种耕作方式下，区域总产水量随土壤盐渍化水平的提高呈增加趋势，且S4与S1、S2处理差异显著（＜0.05）。灌淤土组中，与S4处理相比，S1、S2处理总产水量平均分别减少了22.2%、14.5%；草甸盐土组中，S1、S2处理总产水量较S4处理平均分别减少了21.9%、14.4%。同一盐渍化水平下，耕作方式对同种土壤类型总产水量的影响存在差异。从整体上看，同一盐分水平下，相同土壤类型总产水量按照T4、T3、T2、T1、CK的顺序（即随耕作混合深度与混合效率参数的减小）呈现增加的趋势。灌淤土组中，仅S1、S2盐分处理的T4总产水量较CK分别显著减少了12.8%、9.2%，其余处理均不显著（＞0.05）；草甸盐土组中，仅S1盐分处理的T4、T3总产水量较CK分别显著减少了11.2%、8.7%，其余盐分处理的耕作方式之间均不显著（＞0.05）。综上，当土壤盐分处在较高水平时，耕作方式对区域产水量的影响较小。另外，土壤盐分增加较改变耕作方式对区域总产水量影响更显著。

表5 土壤类型、耕作方式、盐分含量对产水量、硝态氮各指标和作物产量的影响的多因素方差分析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)

图3 2种土壤类型下不同耕作方式与盐渍土水平总产水量动态Fig.3 Dynamics of total water production under two soil types with different tillage methods and saline soil levels

2.2.2 耕作方式与土壤盐渍化对区域作物吸氮量的影响

由表5可知，土壤类型、耕作方式与土壤盐渍化对区域作物吸氮量均产生极显著影响（＜0.01），但任两者或三者之间无显著交互作用（＞0.05）。不同耕作方式和盐渍化水平下，灌淤土、草甸盐土区域作物吸氮量动态变化如图4所示。从整体上看，灌淤土组的区域作物吸氮量高于草甸盐土。在相同土壤类型、同种耕作方式下，区域作物吸氮量随土壤盐分水平的提高呈显著降低趋势（＜0.05）。灌淤土组中，与S1相比，S2、S3和S4处理作物吸氮量平均分别减少了8.8%、17.5%、26.5%；草甸盐土组中，S2、S3和S4处理作物吸氮量比S1平均分别降低了9.2%、18.4%、27.8%。可见，各土壤类型作物吸氮量随盐分水平的提高降低幅度呈增加趋势，而且各盐分水平间绝对降低量也逐渐增加。在相同土壤类型，同一盐分水平下，耕作方式对区域作物吸氮量的影响存在差异。同一盐分水平下，相同土壤类型作物吸氮量按照CK、T1、T2、T3、T4的顺序呈现增加的趋势。灌淤土组中，SI、S2盐分处理下，T4与CK处理差异显著；S3、S4盐分处理下，T4与T1、CK处理差异显著。除S1处理外，草甸盐土组的其余各盐分处理的T4与T1、CK呈显著性差异。与CK处理相比，T4处理作物吸氮量平均显著（2种土壤）增加了11.78%。各土壤类型作物吸氮量按T1至T4顺序增加幅度逐渐加大，但各耕作处理间绝对增加量呈先增加后降低趋势。

图4 2种土壤类型下不同耕作方式与盐渍土水平作物吸氮量动态Fig.4 Dynamics of nitrogen uptake by crops with different tillage methods and saline soil levels under two soil types

由此可见，与CK处理相比，混合深度与混合效率越大的耕作方式对作物吸氮量的影响效果更加明显。另外，根据均值分析结果可知，土壤盐分增加较改变耕作方式更能影响区域作物吸氮量。

2.2.3 耕作方式与土壤盐渍化对区域土壤硝态氮淋溶的影响

由表5可知，土壤类型、耕作方式与土壤盐渍化均显著影响区域土壤硝态氮淋溶量，其中土壤类型与耕作方式、土壤类型与土壤盐渍化分别对区域土壤硝态氮淋溶量产生极显著交互作用（＜0.01）。不同耕作方式和盐渍化水平下，灌淤土、草甸盐土区域土壤硝态氮淋溶量动态变化如图5所示。

图5 2种土壤类型下不同耕作方式与盐渍土水平土壤硝态氮淋溶量动态Fig.5 Dynamics of soil nitrate-nitrogen leaching amount under two soil types with different tillage methods and saline soil levels

从整体上看，灌淤土组的区域土壤硝态氮淋溶量高于草甸盐土。同种耕作方式下，不同土壤类型土壤硝态氮淋溶量受土壤盐分影响存在差异。灌淤土组中，各耕作处理土壤硝态氮淋溶量随土壤盐分水平的提高呈显著增加趋势（＜0.05）。与S1相比，S2、S3和S4处理土壤硝态氮淋溶量平均分别增加了12%、23.6%、35.4%。草甸盐土组中，同种耕作处理（T1与CK除外）土壤硝态氮淋溶量随土壤盐分水平的提高呈显著降低趋势（＜0.05）。与S1相比，S2、S3和S4处理土壤硝态氮淋溶量平均分别减少了5.8%、11.6%、17.8%。

相同土壤类型，同一盐渍化水平下，耕作方式对土壤硝态氮淋溶量的影响存在差异。从整体上看，同一盐分水平下，相同土壤类型硝态氮淋溶量按照T4、T3、T2、T1、CK的顺序呈现增加的趋势。耕作方式对硝态氮淋溶的影响机理同2.3.1节对总产水量的影响机理相似，此处不再赘述。灌淤土组中，与CK处理相比，T3和T4处理的硝态氮淋溶量平均分别显著减少了10.47%、17.58%（＜0.05）。可见，灌淤土组的硝态氮淋溶减少量随耕作混合深度的增加逐渐增加，且绝对减少量也逐渐增加。草甸盐土组中， T3和T4较CK处理平均分别减少了14.47%、20.16%。与CK处理相比，T4处理硝态氮淋溶量平均（2种土壤）显著减少了16.5%（＜0.05）。可以看出，草甸盐土组的硝态氮淋溶减少量随耕作混合深度的增加逐渐增加，但绝对减少量呈先增加后减少再增加的趋势。

2.2.4 耕作方式与土壤盐渍化对硝态氮运移量的影响

由表5可知，土壤类型、耕作方式与土壤盐渍化对不同水文路径硝态氮运移量的影响存在差异。三者均对地表与地下硝态氮运移量产生极显著影响（＜0.01），且土壤类型与耕作方式、土壤类型与盐分处理产生显著交互作用，但耕作方式与盐分处理及三者之间无显著交互作用。三因素均对侧向硝态氮运移量产生显著影响，但仅土壤类型与耕作方式两者产生显著交互作用。不同耕作方式和盐分水平下，灌淤土、草甸盐土各水文路径硝态氮运移量如表6所示。

表6 2种土壤类型下不同耕作方式与盐渍土水平各水文路径硝态氮运移量Table 6 Nitrate nitrogen transport in different hydrological paths with different tillage methods and saline soil levels under two soil types kg·hm-2

整体来看（表6），灌淤土组的硝态氮运移总量高于草甸盐土。与灌淤土相比，草甸盐土的硝态氮地表运移量平均高0.855 kg/hm。对于侧向运移而言，灌淤土比草甸盐土平均高0.26 kg/hm（167.7%）。对于地下运移而言，灌淤土比草甸盐土平均高1.931 kg/hm（57%）。灌淤土组中，硝态氮地表运移量低于侧向运移量，而草甸盐土反之，且2种土壤类型均是地下运移占主导地位。灌淤土组中，同一耕作方式，S1、S2盐分处理的硝态氮地表运移量较S4处理平均显著减少了13.3%和8.3%（＜0.05）；侧向运移量各盐分水平无显著差异（＞0.05）；地下运移量S2、S3、S4比S1分别平均增加了10.5%、20.62%、30.82%，且差异显著（＜0.05）。草甸盐土组中，同一耕作方式，S1、S2盐分处理的硝态氮地表运移量较S4处理平均显著减少了21.4%和14.1%（＜0.05）；侧向运移量S1较S4处理平均显著增加了11%；地下运移量S1、S2较S4处理平均显著减少了19.1%和12.5%（＜0.05）。可以看出，硝态氮地表与地下运移量随盐分增加呈上升趋势，而硝态氮侧向运移量随盐渍化水平的提高逐渐减少。这是因为随盐分的增加土壤层有效持水量逐渐减少，导致土壤剖面内的硝态氮绝对含量减少，因而硝态氮侧向运移量逐渐减少。

相同土壤类型，同一盐渍化水平下，耕作方式对各水文路径硝态氮运移量的影响存在差异。从整体上看，同一盐分水平下，相同土壤类型硝态氮运移量按照T4、T3、T2、T1、CK的顺序呈现增加的趋势。与CK处理相比，同种土壤类型下， T3与T4处理可以显著减少各盐分水平土壤下硝态氮地表、侧向和地下运移量。其中，T4较CK处理硝态氮地表、侧向和地下运移量平均（2种土壤）分别显著减少了16.4%、16.5%和16.5%（＜0.05）。

2.2.5 耕作方式与土壤盐渍化对作物产量的影响

由表5可知，对于小麦和葵花产量，仅耕作方式与土壤盐渍化2个因素对其产生极显著影响；对于玉米产量，土壤类型、耕作方式与土壤盐渍化均对其产生极显著影响（＜0.01），但任两者或三者之间对3种作物均无显著交互作用（＞0.05）。不同耕作方式和盐分水平下，灌淤土、草甸盐土小麦、玉米、葵花产量如表7所示。整体来看，灌淤土组的小麦、玉米、葵花产量均高于草甸盐土。相同土壤类型，同种耕作方式下，玉米和葵花作物产量随土壤盐分水平的提高呈显著下降趋势（＜0.05）。与S1处理相比，2种土壤类型在S2、S3、S4处理下的玉米产量平均减少了9.1%、18.19%、27.31%，葵花产量平均减少了8.59%、17.3%、26%；小麦产量在S3、S4处理平均减少了12.76%、19.15%，且差异显著（＜0.05）。与S1处理相比，S4处理小麦、玉米、葵花产量平均（2种土壤）显著减少了19.15%、27.31%、26%。整体来看，相同土壤类型，同一盐渍化水平下，小麦产量随耕作方式混合深度的增加逐渐减小，玉米、葵花产量随耕作方式混合深度的增加呈上升趋势。与CK处理相比，2种土壤类型在T3和T4处理下的小麦产量平均减少了9.12%、14.67%，且差异显著（＜0.05）。同一盐渍化水平，不同土壤类型下，耕作方式对玉米产量的影响存在差异。灌淤土组中，与CK处理相比，T3、T4处理玉米产量平均显著增加了12.4%和22%；草甸盐土组中，除S1处理不显著外，T4较CK处理玉米产量平均显著增加了18.5%。同一盐渍化水平下，不同耕作方式对葵花作物产量的影响无显著性差异（＞0.05）。综上可以看出，土壤盐分增加较改变耕作方式对作物产量影响更显著。

表7 2种土壤类型下不同耕作方式与盐渍土水平小麦、玉米、葵花产量Table 7 Yield of wheat, maize and sunflower under two soil types with different tillage methods and saline soil levels kg·hm-2

3 讨 论

3.1 土壤盐分对氮素运移及作物产量的影响

土壤层有效持水量（SOL_AWC）是土壤中能被作物吸收利用的水量，即田间持水量与凋萎系数之间的土壤含水量。研究表明，土壤盐分含量通过影响土壤凋萎系数进而影响土壤层有效持水量大小，而土壤层有效持水量直接影响着区域水和养分的迁移转化。区域产水量是进入灌区内的水量经土壤入渗最终通过排水渠系流出区外的总水量，也是土壤溶质运移的重要载体。本研究中，在相同土壤类型、同种耕作方式下，随着土壤盐分水平的提高区域总产水量呈增加趋势，这是因为随着土壤盐分的增加，土壤层有效持水量呈下降趋势，土壤层有效持水量的减少势必会导致区域总排水量的增加。但张健等研究表明，土壤水分垂直入渗量随盐分增加呈减小趋势，这与本研究结果不一致，可能是由于该试验采用室内土柱模拟入渗研究，与区域非均质土壤模拟产生较大差别。除此之外，随着土壤盐渍化程度的加重，在区域总产水量逐渐增加的同时，硝态氮地下运移量及灌淤土组的硝态氮淋溶量也呈递增趋势，这表明土壤盐分增加促进了土壤水分的下渗，加剧了土壤养分的快速流失，对地下水环境污染造成潜在的风险。值得注意的是，随着土壤盐分的增加，草甸盐土组的硝态氮淋溶量逐渐减小，原因可能是草甸盐土的饱和水力传导系数相对较小且黏土比例较高（表1），土壤盐分的增加可能会使养分吸附在土壤颗粒表面，从而抑制养分的流失，同时也致使了土壤溶液中的硝态氮浓度变高。Katerji等研究表示，盐分会对作物生长产生抑制作用，导致作物对养分的吸收利用效率降低，从而增加了养分的潜在淋失量。本研究表示，随着土壤盐分的增加，作物吸氮量和作物产量呈递减趋势。这是因为根系土壤盐分过高导致土壤或者营养液渗透势减小，从而抑制作物对氮的吸收能力；此外，土壤层有效持水量的减少使得作物对土壤中的可利用养分减少，随水排出的养分增多，最终导致作物吸氮量的减少。周慧等研究表示土壤盐分水平由轻度上升为中度后，各处理植株氮素吸收总量与作物产量显著降低，这与本研究结果相同。

3.2 耕作方式对氮素运移及作物产量的影响

研究表明，转变耕作方式可以改变区域产水量的大小。本研究显示，同一盐分水平下，相同土壤类型总产水量随着耕作方式混合深度与混合效率的增大呈现递减的趋势。这可能是由于通过耕作扰乱了土壤结构，破坏了土壤原有的毛细管分布。此外，混合深度与混合效率越大的耕作方式土壤毛细管破坏效果也更加明显，而不进行任何耕作处理则会保持较好的毛细管分布，为土壤排水提供有利条件。秦红灵等研究表明，深松相比免耕降低表层土壤容重，增加蓄水能力，增强作物对水分的利用效率，这与本研究结果相似。吕美蓉等也表示，相对于常规耕作，深松耕能提高土壤水分充足期的土壤含水率，增加冬小麦产量。与受到盐分影响结果相似，耕作使区域产水量减小的同时，硝态氮淋溶量和各水文路径的硝态氮运移量也在减小，总的作物吸氮量呈增加趋势。这是因为土壤经过耕作处理后，使得土壤中养分重新分布，并将渗滤在深层土壤中的养分与浅层土壤混合，增加了根系养分吸收利用量。此外，魏燕华等研究表明，耕作能够影响耕作范围内土壤容重，保证了作物吸收养分所需的水肥气热的条件。但是耕作措施对不同作物产量变化趋势影响差异显著。本研究中，小麦产量表现出不耕作要优于耕作，而玉米、葵花产量则随耕作混合深度与混合效率的增大而增加。这可能是由于小麦在播种时土壤仍处于冻融状态，温度偏低，耕作处理会使得小麦生长的土壤温度更低，恶化小麦的生长环境。玉米和葵花喜爱土层深厚、疏松通气的土壤环境，通过耕作处理可以改善土壤结构，有利于增产。有研究表明，与传统耕作方式相比，采用少免耕耕作技术可使小麦产量增加10.27%。李福建等研究也表明，针对小麦两年田间试验均以免耕产量最高，比耕翻分别增产25.4%和15.2%。但闫秋艳等研究表示，深松和深翻比免耕均能提高小麦产量。徐永刚等研究表明，深耕措施能显著提高玉米籽实和秸秆产量。胡树平等研究表明，向日葵产量按照浅旋15 cm、深松30 cm、深松45 cm的顺序呈现递增的趋势，这与本研究结果相似。由于本研究各耕作处理采用同种耕作方式连续10 a模拟，通常田间耕作试验周期较短，致使模型模拟出的结果可能会与实际试验结果有所差别。秦红灵等研究表示，2 a免耕后进行深松处理可平均增产18.29%，这表明常年使用同种耕作方式不利于作物生长。因此，在今后的研究中，需对模型模拟的每年结果进行具体对比分析，同时对转变耕作方式对养分与作物的影响可进一步深入研究。

河套灌区地势平坦，具有坡度小、地下水浅埋等特点，明确耕作方式与土壤盐渍化对区域养分流失和作物生长的影响具有重要意义。利用SWAT模型设置耕作情景及盐分变化虽然可以针对不同土地利用、土壤类型条件下养分流失进行模拟，且相比大田试验具有操作方便、模拟时段长等优势。但模型中的耕作模块仅有混合深度与混合效率2个条件，对秸秆覆盖条件没有具体说明，且模型中的混合深度与混合效率数值同灌区实际耕作标准存在一定差别，这会对模型模拟效果产生一定的影响。此外，模型中盐分变化仅直接影响了土壤层有效持水量参数，但实际上可能还会影响土壤中其他的参数，如饱和水力传导系数、有机碳含量等。因此，在今后的研究中，需结合灌区自身因素进一步改进SWAT模型，使得该模型的模拟过程与灌区实际更加贴近。

4 结 论

1）利用已校准参数的SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型对河套灌区径流、硝态氮直接进行验证得到决定系数均不低于0.69，效率系数均不低于0.58，相对误差均低于10%；作物产量模拟值与实测值基本分布在1:1线附近，率定期和验证期决定系数均为0.94，效率系数均不低于0.93，相对误差均低于4%。表明了经验证的SWAT模型具有良好的模拟效果且可用于模拟灌区产水量、硝态氮及作物产量。

2）耕作方式与土壤盐分对区域总产水量、作物吸氮量、硝态氮淋溶量、硝态氮运移及作物产量均有显著影响。其中，区域产水量、硝态氮淋溶量、不同水文路径（地表、侧向和地下径流）硝态氮运移量及小麦产量随耕作混合深度与混合效率的增加逐渐减少，作物吸氮量、玉米与葵花产量随混合深度与混合效率的增加逐渐增加。与不添加耕作管理相比，模板犁耕作作物吸氮量平均（2种土壤）显著增加了11.78%，硝态氮淋溶量平均显著减少了16.5%，有效降低了土壤养分流失和地下水污染。另外，模板犁耕作使小麦产量显著降低了14.67%。

3）土壤盐分增加通过降低土壤层有效持水量，显著增加了区域总产水量、硝态氮淋溶量（草甸盐土除外）及硝态氮地下运移量，减少了作物吸氮量和作物产量。与非盐化土壤相比，重度盐化土壤处理小麦、玉米、葵花产量平均（2种土壤）显著减少了19.15%、27.31%、26%。

土壤盐分增加较改变耕作方式对区域产水量、土壤养分和作物产量影响更显著。因此，为更好治理灌区污染严重和作物产量下降等问题，需将重点放在区域土壤盐渍化防控与治理上。