史海濱 ，楊樹青 ，李瑞平 ，李仙岳 ， 李為萍 ，閆建文 ，苗慶豐 ，李 禎

（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)是全國3 個特大型灌區(qū)之一，隨著灌區(qū)水利事業(yè)快速發(fā)展，先后經(jīng)歷引水、排水、灌排配套和節(jié)水4 個主要建設(shè)階段。河套灌區(qū)從20 世紀(jì)50—60 年代，重點(diǎn)開展灌溉引水工程；從20 世紀(jì)60 年代中期—70 年代末，重點(diǎn)開展排水骨干工程建設(shè)；從20 世紀(jì)80 年代末—1995 年，開展了灌區(qū)灌排配套和田間工程建設(shè)；從1998 年開始，國家啟動了大型灌區(qū)節(jié)水改造工程，在改善灌區(qū)灌溉條件，提高灌區(qū)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力與灌溉水利用效率的同時，灌區(qū)內(nèi)水文循環(huán)也有所改變。從20 世紀(jì)60 年代開始，國內(nèi)外學(xué)者圍繞著節(jié)水控鹽和作物水肥高效利用及環(huán)境效應(yīng)開展了大量研究。通過水量平衡法和遙感技術(shù)研究了區(qū)域耗水機(jī)理和估算灌區(qū)蒸發(fā)量；根據(jù)田間試驗(yàn)研究了高效節(jié)水灌溉技術(shù)的適用性，制定了節(jié)水控鹽灌溉制度和合理的秋澆制度；揭示作物水氮耦合和有機(jī)無機(jī)肥配施耦合機(jī)制；并展開了節(jié)水控鹽對作物品質(zhì)的影響等研究。經(jīng)過幾代人的努力，取得了豐碩的成果。

節(jié)水改造前，河套灌區(qū)年引水量為52 億m3，根據(jù)黃河水利委員會分配指標(biāo)，引水量將減少到40 億m3，減少20%以上。近些年，隨著節(jié)水改造工程的實(shí)施，灌區(qū)引水量大幅度減少，灌區(qū)土壤和地下水以及生態(tài)環(huán)境發(fā)生新的變化。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和種植結(jié)構(gòu)的變化，科學(xué)技術(shù)進(jìn)步帶來的農(nóng)業(yè)種植方式的改變等，灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展、高效用水面臨的問題也發(fā)生了變化。如何緩解灌區(qū)用水矛盾，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，掌握節(jié)水灌溉對灌區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響機(jī)理，對灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和水資源優(yōu)化配置具有重要作用。本文總結(jié)了灌區(qū)2000—2020 年的研究成果，對灌區(qū)面臨的問題與需解決的科學(xué)問題進(jìn)行了展望，旨在為現(xiàn)代灌區(qū)建設(shè)提供參考。

1 河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)耗水

農(nóng)業(yè)耗水是農(nóng)田水循環(huán)和SPAC 系統(tǒng)的核心，其影響因素涉及氣象、土壤和作物等[1]。目前大量的學(xué)者對河套灌區(qū)不同區(qū)域、不同作物以及不同灌溉制度條件下的生育期耗水量進(jìn)行了研究[2]，估算了不同作物在不同水文年的耗水特征。對河套灌區(qū)較有特色的套種、間作條件下作物間的耗水機(jī)制以及耗水競爭過程進(jìn)行了定量研究[3-4]。對高效節(jié)水灌溉技術(shù)和改進(jìn)地面灌溉等條件下耗水量進(jìn)行了分析，如滴灌[5]、溝灌[6]。對覆膜條件和施肥、滴灌等條件下的耗水進(jìn)行了研究[7-12]。針對河套灌區(qū)鹽漬化程度高的特點(diǎn)，開展了不同鹽漬化程度對作物耗水的影響以及淺地下水的潛水蒸發(fā)過程定量研究[13]。目前農(nóng)田尺度的耗水主要通過水量平衡方法進(jìn)行計(jì)算，地下水通量主要依據(jù)土壤水勢結(jié)合土壤水動力學(xué)方法計(jì)算，生育期的耗水主要基于作物系數(shù)法進(jìn)行估算[14-15]。但近年來同位素示蹤、渦度相關(guān)[16]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[17]等現(xiàn)代化手段也被大量用于作物耗水估算，另外通過模型率定再進(jìn)行耗水估算也被大量用于農(nóng)田耗水估算，比如Miao等[18]，戴佳信[19]。盡管掌握了作物生育期的耗水量有助于制定作物的灌溉制度，但是河套灌區(qū)具有耕荒地交錯分布、作物插花種植、地下水埋深淺等特點(diǎn)，灌溉水利用情況極為復(fù)雜，所以摸清田塊尺度的水平衡和耗水機(jī)制，對于河套灌區(qū)灌溉水復(fù)雜耗散路徑計(jì)算具有重要意義，任東陽等[20]在農(nóng)渠尺度提出可用于簡便高效估算各植被地塊實(shí)際騰發(fā)量的“上升下降法”，并對地下水淺埋區(qū)的給水度進(jìn)行計(jì)算探討。武夏寧等[21]以永聯(lián)試驗(yàn)區(qū)為核心，通過水均衡法分析了永聯(lián)全區(qū)的水均衡要素構(gòu)成以及土壤水和地下水的水分消耗過程。另外，Liu 等[22]也基于水均衡法評價(jià)了解放閘灌域淺地下水對蒸散耗水的影響和貢獻(xiàn)。盡管目前對于灌域和灌區(qū)耗水量的確定可以根據(jù)引排水量差進(jìn)行計(jì)算，但受引排水量的測試精度限制，也難以區(qū)分不同地類的耗水情況。準(zhǔn)確確定區(qū)域耗水規(guī)律對于灌區(qū)水量分配和調(diào)配等都具有重要意義，目前采用遙感技術(shù)估算灌區(qū)蒸散研究已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，比如利用融合算法[23]、MODIS 影像與實(shí)測資料[24]、蒸散發(fā)模型（HTEM[25]、SEBS[26]）、MODIS 影像與陸地表面能量平衡模型[27]等估算灌域蒸散發(fā)量。解決地面觀測與遙感估測之間的空間匹配問題、遙感數(shù)據(jù)的融合問題、針對不同尺度建立一個完全統(tǒng)一可靠的蒸散發(fā)模型，對于蒸散發(fā)研究具有積極的推動作用。

目前對河套灌區(qū)不同尺度耗水過程從試驗(yàn)、模型等方面都進(jìn)行了大量研究，但是河套灌區(qū)生育期地下水變動大，不同區(qū)域地下水礦化度差異大，地下水對作物耗水的影響大。由于灌區(qū)作物插花種植，率定的遙感模型在不同區(qū)域尺度應(yīng)用尚需要進(jìn)一步率定。未來河套灌區(qū)不同尺度耗水模型精度的提高，特別是區(qū)域耗水估算方法和手段進(jìn)一步成熟對于河套灌區(qū)合理用水具有重要意義。

2 高效節(jié)水灌溉理論

2.1 地面灌溉

地面灌溉是河套灌區(qū)主要的灌水方式，占灌區(qū)90%以上，但存在畦溝長、田面平整度差、灌溉制度不合理、農(nóng)機(jī)效率低等一系列問題。由于灌區(qū)畦田寬度、面積普遍較大，使得灌區(qū)灌水效率偏低[28-31]。針對現(xiàn)狀，開展了畦、溝灌溉條件下的入滲規(guī)律、基本參數(shù)和水分利用效率研究，如Selle 等[32]根據(jù)土壤含水率估算Richards 方程所需土壤水力及作物參數(shù)，估算充分灌溉條件下的深層滲漏，結(jié)合水動力學(xué)方程、零慣量模型對其灌水效果進(jìn)行模擬；喬冬梅等[33]根據(jù)帶有作物根系吸水項(xiàng)的垂向一維土壤水運(yùn)動方程，把人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成功引入根系吸水模型的建立中，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根系吸水模型對鹽漬化地區(qū)油料向日葵根系吸水速率的模擬具有較高的精度。Valipour 等[34]通過VB 編程確定溝灌土壤水分分布曲線的最佳方程，利用MATLAB 遺傳算法獲得最佳土壤入滲參數(shù)；鄭和祥等[35]提出利用畦灌水流推進(jìn)消退實(shí)測資料及模型模擬確定土壤入滲參數(shù)，并繪制出河套灌區(qū)不同土壤類型下的入滲參數(shù)分布曲線。隨著灌區(qū)節(jié)水改造項(xiàng)目實(shí)施，農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施得到改善，傳統(tǒng)常規(guī)平地已難以滿足實(shí)行地面精細(xì)灌溉的要求，激光平地技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)土地精細(xì)平整、提高地面灌溉水利用率的高效手段，受到越來越多關(guān)注，范雷雷等[36]發(fā)現(xiàn)激光平地后畦田微地形趨于平緩，田面起伏狀況顯著改善；白寅禎等[37]以永濟(jì)灌域?yàn)楹诵脑u價(jià)了激光平地和縮寬縮塊對農(nóng)田灌水效果及作物水分利用效率的影響；對灌溉設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)選是決策過程中必不可少的環(huán)節(jié)之一，Miao 等[38]結(jié)合ISAREG、SIRMOD 模型提出了對灌區(qū)畦、溝灌溉方法和技術(shù)要素的模擬優(yōu)化，并且采用SADREG 模型與多目標(biāo)優(yōu)化相結(jié)合的方法，從節(jié)水及經(jīng)濟(jì)效益二方面對灌溉方案進(jìn)行綜合評價(jià)，初步確實(shí)適宜灌水技術(shù)要素組合。

灌區(qū)地面灌溉仍會是主要的灌溉方式，但其發(fā)展仍存在諸多問題，需進(jìn)一步強(qiáng)化。以往研究成果對于農(nóng)業(yè)機(jī)械效率關(guān)注不多，造成推廣難度大。隨著灌區(qū)渠系系統(tǒng)日益配套完善，畦田長度基本固定的特點(diǎn)更加突出，特定條件下的地面灌溉技術(shù)發(fā)展迫切需要新的理論支撐與推進(jìn)。

2.2 膜下滴灌

膜下滴灌等高效節(jié)水灌溉技術(shù)開始在河套灌區(qū)應(yīng)用，可較畦灌明顯提高灌水效率和作物產(chǎn)量，隨著研究的深入，逐漸開展了膜下滴灌土壤水鹽熱遷移規(guī)律、作物耗水規(guī)律及灌溉制度的制定等方面的研究[39]。孫貫芳等[40]建議采用生育期滴灌和非生育期洗鹽灌溉雙重調(diào)控灌區(qū)土壤鹽分；李熙婷等[41]利用Jensen模型建立膜下滴灌玉米水分生產(chǎn)函數(shù)，掌握玉米耗水規(guī)律；杜斌等[42]通過Penman-Monteith 法和水量平衡法對膜下滴灌作物系數(shù)進(jìn)行修正，優(yōu)化灌溉制度；于健等[43]、Dabach 等[44]基于HYDRUS-2d 等模型模擬了不同土質(zhì)情況下滴灌濕潤體遷移、水分入滲以及根系吸水等過程；張作為等[45]、龔雪文等[46]提出將膜下滴灌與間作套種結(jié)合起來，分析了玉米/番茄膜下滴灌條件下間作土壤水鹽熱運(yùn)移規(guī)律，并運(yùn)用同位素標(biāo)定、模型模擬等方法對其水鹽分布進(jìn)行模擬研究；但由于不同間作作物耗水規(guī)律、根系吸水能力等各不相同，導(dǎo)致滴灌間作系統(tǒng)水鹽遷移在時空分布上存在差異，在后續(xù)滴灌研究中需考慮河套灌區(qū)地下水埋深、根系吸水以及種植結(jié)構(gòu)等諸多工況進(jìn)行補(bǔ)充研究。受灌溉間歇期長等制約，滴灌等高效節(jié)水灌溉技術(shù)在河套灌區(qū)的應(yīng)用受到限制，加之土壤鹽漬化的影響，滴灌技術(shù)的應(yīng)用有許多理論與技術(shù)尚待進(jìn)一步研究和拓展。

由于河套灌區(qū)較大，引用黃河水灌溉間歇期長，且灌溉不能適時，開拓多種水源成為灌區(qū)滴灌技術(shù)的應(yīng)用前提，毛威等[47]基于SaltMod 模型建立井渠結(jié)合膜下滴灌水鹽均衡模型,并引入含水層側(cè)向交換量對模型進(jìn)行改進(jìn)；周立峰等[48]采用滴水穿透時間法分析了不同覆膜條件下微咸水滴灌對鹽漬化農(nóng)田土壤斥水性的影響；有學(xué)者結(jié)合SWAP 模型初步確定了微咸水滴灌時的灌溉水臨界礦化度、灌水量及灌水年限等參數(shù)指標(biāo)[49-51]。河套灌區(qū)高效節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用尚處于起步階段，劣質(zhì)水灌溉研究還很不充分，許多內(nèi)容有待進(jìn)一步的分析和探討。

3 節(jié)水控鹽灌溉制度

3.1 主要作物灌溉制度

作物非充分灌溉制度研究成果很多，陳亞新等[52]將非線性模型中的非線性目標(biāo)線性化來解決非線性規(guī)劃模型問題。孔東等[53]建立了含鹽土壤節(jié)水灌溉作物-水-鹽響應(yīng)模型，并基于SWAP 模型建立了3 種不同鹽漬化程度土壤的最優(yōu)節(jié)水灌溉制度；肖紅[54]應(yīng)用遺傳算法研究農(nóng)業(yè)規(guī)劃下灌溉制度優(yōu)化。崔遠(yuǎn)來等[55]用隨機(jī)動態(tài)規(guī)劃求解作物灌水量在作物生育階段內(nèi)的最優(yōu)分配；付強(qiáng)等[56]將加速遺傳算法加入了非充分灌溉制度的優(yōu)化動態(tài)規(guī)劃模型。張兵等[57]在動態(tài)規(guī)劃模型中加入最優(yōu)策略遺傳算法解決了多種作物之間的水資源分配問題。隨著計(jì)算機(jī)的普及，相繼開發(fā)了FAO 推薦的單作物系數(shù)法模型ISAREG[58]，雙作物系數(shù)模型SIMDual-Kc 模型[59]，且在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。史海濱等[39]在多年野外試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，探索了SPAC 系統(tǒng)復(fù)雜的水鹽響應(yīng)機(jī)制和作物缺水性信號與缺水狀況的定量診斷方法，建立了鹽漬化地區(qū)作物水鹽脅迫響應(yīng)模型，提出了節(jié)水防鹽雙重目標(biāo)的灌溉管理模式，對制定鹽漬化地區(qū)節(jié)水控鹽的灌溉制度具有重要的理論和實(shí)際指導(dǎo)意義。

石貴余等[60]利用ISAREG，以FAO 推薦的作物系數(shù)制定了河套灌區(qū)春小麥、玉米、葵花和甜菜的充分灌溉與非充分灌溉制度方案。鄭和祥[61]、戴佳信等[62]、朱麗等[63]對灌區(qū)廣泛采用的小麥套種玉米、小麥套種葵花的作物系數(shù)進(jìn)行了估算，模擬和優(yōu)化了充分和非充分灌溉制度，得到了不同灌溉制度下作物水分生產(chǎn)函數(shù)。Miao 等[64]采用統(tǒng)計(jì)參數(shù)系統(tǒng)性地率定和檢驗(yàn)了灌區(qū)主要作物的作物系數(shù)，并對現(xiàn)狀灌溉制度進(jìn)行了評價(jià)和優(yōu)化，結(jié)果表明由于灌區(qū)供水主要取決于黃河來水和輸配水制度，導(dǎo)致供水同作物需水不匹配，另外，田間傳統(tǒng)灌水技術(shù)效率低，再加上淋洗鹽分的需要，毛灌水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所需灌溉量[65]，因此，水分脅迫與過度灌溉并存是灌區(qū)現(xiàn)狀灌溉制度的基本特征。從優(yōu)化的灌溉方案模擬結(jié)果來看，水分生產(chǎn)率同增產(chǎn)增值二者呈負(fù)相關(guān)，水分生產(chǎn)率大的灌溉制度產(chǎn)量或產(chǎn)值低，而增產(chǎn)增值的方案水分利用率低，經(jīng)濟(jì)上難以共贏[38]；另外，灌區(qū)作物生育期地下水補(bǔ)給占作物總蒸散量約30%～40%[64]，而隨著節(jié)水改造的大規(guī)模實(shí)施，地下水位逐年下降導(dǎo)致地下水補(bǔ)給比例下降，減少的水量需要通過加大每次的灌水量來補(bǔ)充，又造成引水量增加；在氣候變化的大背景下，作物需水量也在隨之變化[66-67]，且在不同水文年中更為明顯。

3.2 滴灌灌溉制度

隨著灌區(qū)水資源緊缺，節(jié)水灌溉迅速發(fā)展，膜下滴灌面積不斷增加，針對滴灌灌溉制度開展的研究較多，葉志勇等[68]通過設(shè)計(jì)9 個不同灌溉定額和滴水次數(shù)的水分處理，得到了當(dāng)?shù)胤炎罴训哪は碌喂喙喔戎贫?。杜斌等[69]研究膜下滴灌灌溉制度，表明膜下滴灌玉米、葵花較傳統(tǒng)灌溉分別節(jié)水12.7%和 4.5%；孫貫芳等[40]研究表明不同滴灌制度下鹽分趨于膜外地表積聚，需要配合非生育期洗鹽才能達(dá)到較好效果，但膜下滴灌鹽分累積到何種程度洗鹽灌溉及具體合理的洗鹽灌溉制度還需進(jìn)一步深入研究。姬祥祥等[70]結(jié)合灌區(qū)實(shí)際后建議以地下水量水質(zhì)不同進(jìn)行分區(qū)，結(jié)合典型土壤、作物（蔬菜瓜果和其他經(jīng)濟(jì)作物）、水量、水質(zhì)（1～2、2～3、3～5 g/L）、產(chǎn)量產(chǎn)值、作物耗水規(guī)律以及土壤水熱鹽耦合遷移機(jī)制來研究并優(yōu)化膜下滴溉制度。

3.3 秋澆灌溉制度

秋澆灌溉是河套灌區(qū)一種傳統(tǒng)的洗鹽壓鹽灌溉制度，其用水量較大，秋澆制度的研究關(guān)系到灌區(qū)的節(jié)水控鹽的總目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)。秋澆制度除涉及灌溉水量與灌溉時間外，還與土壤凍融過程密切相關(guān)，機(jī)理更加復(fù)雜，直接影響到翌年的土壤墑情和次生鹽堿化問題。李瑞平等[71]采用SHAW 模型對不同秋澆量的凍融過程水鹽動態(tài)進(jìn)行模擬，確定輕中重度鹽漬化土壤，秋澆定額范圍分別為：142～183、180～200 和200～225 mm，并給出了建議的秋澆日期。羅玉麗等[72]通過對不同秋澆定額灌溉條件下春播前土壤水鹽條件、土壤的脫鹽效果和增水效果的對比分析，提出內(nèi)蒙古引黃灌區(qū)基于節(jié)水的適宜秋澆定額為1 500 m3/hm2。彭振陽等[73-74]采用田間試驗(yàn)的方法對秋澆條件下土壤的鹽分運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，秋澆在短期內(nèi)只是將上層土壤鹽分淋洗至下層，凍結(jié)初期是鹽分從田間排走的主要時期；主要的返鹽過程，則發(fā)生在消融期。秋澆不僅是沖洗土壤鹽分、維持翌年土壤墑情，還對土壤結(jié)構(gòu)、病蟲害防治有關(guān)，特別還涉及土壤的凍融過程，其機(jī)理更加為復(fù)雜，需進(jìn)一步深化研究。

目前水資源短缺和土壤鹽漬化仍為河套灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展面臨的兩大問題，灌溉制度優(yōu)化成果一般都以田間節(jié)水為主，而同樣的灌溉制度在田間尺度和區(qū)域尺度發(fā)揮的節(jié)水效益不同，如何從全局利益最大化為目標(biāo)而進(jìn)行種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和作物灌溉制度優(yōu)化是下一步的研究重點(diǎn)。受試驗(yàn)條件和模型優(yōu)化限制，目前雖然灌區(qū)灌溉制度研究成果較多，但差異性明顯。今后的研究需更加關(guān)注節(jié)水控鹽需求和亞洲第一大一首制灌區(qū)灌溉周期長，灌溉不適時的特點(diǎn)，在完善灌溉水優(yōu)化調(diào)度基礎(chǔ)上，尋求切實(shí)可行的優(yōu)化灌溉制度。

4 鹽漬化灌區(qū)水氮有機(jī)無機(jī)肥耦合機(jī)制

4.1 基于農(nóng)田生態(tài)環(huán)境安全的水氮耦合

水是作物進(jìn)行光合作用的基本原料，同時也是氮素進(jìn)入作物體和農(nóng)田環(huán)境的主要載體；氮素是作物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，其在不同環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化與水分狀況密切相關(guān)。有研究通過多元多次回歸模型進(jìn)行水氮配施方案尋優(yōu)，以獲取最優(yōu)方案。設(shè)置不同的膜下滴灌水氮供應(yīng)模式，構(gòu)建了基于多元多次回歸模型的沙區(qū)可降解地膜覆蓋下的水氮耦合模型，提出了干旱區(qū)可降解地膜覆蓋下的水氮優(yōu)化供應(yīng)方案[75]。針對灌區(qū)土壤鹽漬化程度高，研究以光能高效利用和作物產(chǎn)量為依據(jù)，基于多元回歸模型構(gòu)建了不同程度鹽漬土壤下產(chǎn)量的水氮耦合模型，揭示了光能利用率及作物產(chǎn)量對不同鹽漬土壤水氮調(diào)控的響應(yīng)規(guī)律[76-80]。針對鹽漬土壤對作物產(chǎn)量及土壤微生物活性的影響現(xiàn)狀，通過在不同鹽漬土壤上設(shè)置不同施氮水平，闡明了不同鹽漬化程度土壤下作物產(chǎn)量及土壤微生物對氮肥的響應(yīng)機(jī)理[81]。

多年來，河套灌區(qū)為追求高產(chǎn)而過量灌水并大量施用氮肥，導(dǎo)致氮肥增產(chǎn)效益明顯下降且有大量的水溶性或氣態(tài)氮損失，造成了地下水硝酸鹽污染、土壤酸化、地表水體富營養(yǎng)化及溫室效應(yīng)等一系列嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[82-87]。為減少氮素?fù)p失并減輕農(nóng)田面源污染，尋求一種節(jié)水、控肥、穩(wěn)產(chǎn)的水氮管理模式，設(shè)置不同的水氮處理或間作模式下不同的施氮水平，得到了各類條件下能夠兼顧穩(wěn)產(chǎn)、高效且環(huán)境友好的水氮管理模式[88-90]。鹽漬化灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是一個易受多種因素影響的復(fù)雜過程，采用合理的水氮耦合模式對保障灌區(qū)的糧食安全、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境安全至關(guān)重要。由于鹽漬化程度、土壤基礎(chǔ)條件、耕作措施等因素的不同，導(dǎo)致同一作物的水氮耦合模式在整個灌區(qū)內(nèi)的適用性不高。因此，研究不同鹽漬化程度、土壤基礎(chǔ)條件及耕作措施對水氮耦合效應(yīng)的差異性影響，是優(yōu)化水氮耦合模式和保障灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

目前，對于鹽漬化灌區(qū)作物的水氮耦合效應(yīng)的研究大多數(shù)集中于不同水氮管理模式下作物高產(chǎn)高效的作用機(jī)制、土壤氮素轉(zhuǎn)化過程的損失機(jī)制等。關(guān)于鹽漬化土壤碳氮的代謝、轉(zhuǎn)運(yùn)、循環(huán)過程對不同水氮管理模式的響應(yīng)機(jī)理闡述及過程模擬等方面的研究較為少見。其中，無人機(jī)在鹽漬化灌區(qū)農(nóng)業(yè)水氮管理模式中的應(yīng)用技術(shù)有待于突破。因此，進(jìn)一步研究不同水氮耦合模式下鹽漬化土壤的碳氮循環(huán)過程及代謝機(jī)理，同時實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在鹽漬化灌區(qū)水氮耦合模式優(yōu)化中的應(yīng)用，對提高農(nóng)業(yè)資源利用效率及推動現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

4.2 配施有機(jī)無機(jī)肥對灌區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響

土壤鹽漬化和養(yǎng)分匱乏是限制灌區(qū)作物生產(chǎn)力的重要因素。有機(jī)無機(jī)肥配施對鹽漬土理化性質(zhì)及作物生產(chǎn)力的影響很大，有機(jī)肥被認(rèn)為是鹽漬化農(nóng)田改鹽增肥的有效措施[91]。施入有機(jī)肥可以綜合改善鹽漬土物理、化學(xué)和生物特性[92]。有機(jī)肥在鹽漬土中能加速鈉的浸出，降低交換性鈉的量及土壤電導(dǎo)率[93]。同時，施入有機(jī)肥可以提高土壤養(yǎng)分量、有機(jī)氮豐度、土壤酶活性及促進(jìn)作物生長[94]。配施有機(jī)肥對于提供氮素利用效率及作物增產(chǎn)方面效果明顯[95]。

有機(jī)肥對于減少氮素面源污染也具有重大意義，合理的有機(jī)肥施入量可以有效減少NH3、N2O 等氣體的損失[96]，而且施入有機(jī)肥能夠增加土壤活性有機(jī)碳量和團(tuán)聚體粒徑，提高陽離子代換量，增加對硝態(tài)氮的固持作用[97]，從而減少氮素淋溶損失，對于緩解灌區(qū)下游烏梁素海水體富營養(yǎng)化也起到重要作用。有機(jī)廢棄物的再利用對于減少污染及實(shí)現(xiàn)化肥使用零增長極為重要。然而相對于化肥來說，有機(jī)氮素轉(zhuǎn)化過程更為復(fù)雜，因?yàn)閺倪@些有機(jī)物質(zhì)中釋放出的氮依賴于微生物介導(dǎo)的氮礦化過程，這些過程受環(huán)境條件、土壤性質(zhì)和有機(jī)肥特性的影響[98]。而在受鹽影響的土壤中，鹽分是影響土壤氮素供應(yīng)和轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化的主要因素[99-100]。

目前，大多數(shù)研究仍停留在有機(jī)無機(jī)肥不同用量或配比的施用對作物產(chǎn)量與品質(zhì)、農(nóng)田氮素?fù)p失的影響，并沒有深入探討影響有機(jī)肥氮素礦化過程的各類因素。尤其是關(guān)于鹽漬化土壤上有機(jī)無機(jī)肥配施后的礦化特性的研究更為少見。因此，有必要繼續(xù)探索有機(jī)無機(jī)配施后土壤中氮素礦化潛力對不同因素的響應(yīng)程度，以實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)、節(jié)肥且生態(tài)環(huán)境安全的目的。

5 鹽漬化土壤節(jié)水對作物品質(zhì)的影響

近年來在非鹽漬化地區(qū)圍繞節(jié)水灌溉技術(shù)[101]、水氮互作[102]、施肥模式等[103]對玉米籽粒品質(zhì)的影響進(jìn)行了研究。再生水灌溉對玉米品質(zhì)影響方面也開展了一定的研究[104]。在鹽漬化灌區(qū)主要開展了不同情景下春玉米灌溉制度、生理生態(tài)指標(biāo)和產(chǎn)量，鮮少涉及玉米品質(zhì)[105-106]。

小麥為我國主要糧食作物，我國學(xué)者對華北地區(qū)冬小麥產(chǎn)量和品質(zhì)進(jìn)行灌水控制下限研究，提出華北地區(qū)冬小麥優(yōu)質(zhì)高效節(jié)水灌溉制度[107]。在黃淮海平原，考慮鹽分累積及冬小麥產(chǎn)量品質(zhì)進(jìn)行了井渠結(jié)合灌溉模式優(yōu)選研究[108]。同時，開展了節(jié)水灌溉技術(shù)[109]及灌溉水量對小麥品質(zhì)[110]的影響研究工作，在河套灌區(qū)的研究未見報(bào)道。

番茄是河套灌區(qū)主要經(jīng)濟(jì)作物之一，目前針對灌溉、施肥等管理措施對溫室番茄品質(zhì)的影響開展了大量的研究工作[111-112]。但在河套灌區(qū)鹽漬化土壤上，大田種植模式下，節(jié)水控鹽對番茄品質(zhì)影響研究還很少。

向日葵屬耐鹽物種，適宜在鹽漬化土壤播種，同時也是天然植物油脂和蛋白質(zhì)的重要來源。向日葵品質(zhì)除受遺傳和品種的影響外，也受外界環(huán)境條件的影響，主要包括根區(qū)水土環(huán)境、氣候、灌溉和施肥等[113-116]。在河套灌區(qū)含鹽土壤種植油料向日葵，實(shí)施不同水鹽處理，結(jié)果表明，其光合速率總體呈現(xiàn)下降趨勢，產(chǎn)量降低[117-118]，向日葵籽仁中粗脂肪量與蛋白質(zhì)量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)充分滿足向日葵生育期內(nèi)水分需求時，有利于向日葵籽仁中粗脂肪的合成，但不利于蛋白質(zhì)的合成[119-120]。在播種時施氮量一致的前提下，油葵現(xiàn)蕾開花階段追施氮肥會促進(jìn)籽仁中蛋白質(zhì)的合成[121]。微咸水調(diào)虧灌溉下，輕度水分調(diào)虧會增加油葵的含油率和生育酚量，但中度水分調(diào)虧和灌水鹽分增加則會顯著減小其量，水鹽協(xié)同調(diào)控表現(xiàn)出互相制約的效應(yīng)[122]。

綜上所述，今后針對河套灌區(qū)小麥、玉米、向日葵、番茄等主要糧經(jīng)作物，應(yīng)深入開展節(jié)水控鹽提質(zhì)研究，深入揭示在鹽漬化土壤上水肥管理措施對糧經(jīng)作物品質(zhì)影響的生理機(jī)制，并構(gòu)建水-肥-鹽-作物品質(zhì)動力學(xué)模型，從水、肥、鹽協(xié)同角度對作物品質(zhì)進(jìn)行調(diào)控研究。

6 結(jié)論與展望

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是我國重要的農(nóng)業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)和商品糧、油基地，是引黃河水灌溉形成的荒漠綠洲，在生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的理念下，灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式也需要重新被認(rèn)識。隨著引水量的減少、種植結(jié)構(gòu)的改變、節(jié)水改造工程實(shí)施，灌區(qū)農(nóng)田水土環(huán)境和生態(tài)環(huán)境都發(fā)生了新的變化。如何緩解灌區(qū)用水矛盾、提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，保障灌區(qū)生態(tài)環(huán)境健康是灌區(qū)發(fā)展的首要前提?；谝延械难芯砍晒?，今后應(yīng)在以下方面加強(qiáng)研究：

1）高效節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用

隨著灌區(qū)渠系系統(tǒng)日益配套完善，地面灌溉技術(shù)仍將是灌區(qū)近期主要的灌溉方式，迫切需要新的理論支撐與推進(jìn)特定條件下的地面灌溉技術(shù)。同時隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，對于高頻灌溉的經(jīng)濟(jì)作物種植，高效節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用迫在眉睫。對于一首制這樣的特殊灌區(qū)，除了高效節(jié)水技術(shù)本身的適用性研究外，多種水源的開發(fā)利用是發(fā)展高效節(jié)水灌溉的前提，但目前微咸水利用、地下水資源調(diào)配、地下水位控制等還有待進(jìn)一步探討。

2）優(yōu)化灌溉制度與作物品質(zhì)提升的研究

灌溉制度成果很多，在田間尺度和區(qū)域尺度也不同，如何從全局利益最大化為目標(biāo)而進(jìn)行合理的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和作物灌溉制度優(yōu)化是下一步的研究重點(diǎn)。對河套灌區(qū)，應(yīng)深入展開小麥、玉米、向日葵、番茄等主要糧經(jīng)作物節(jié)水控鹽提質(zhì)研究，深入揭示在鹽漬化土壤上水肥管理措施對糧經(jīng)作物品質(zhì)影響的生理機(jī)制。

3）土壤碳氮循環(huán)和氮素礦化研究及現(xiàn)代化技術(shù)的應(yīng)用

進(jìn)一步研究不同水氮耦合模式下鹽漬化土壤的碳氮循環(huán)過程及代謝機(jī)理和有機(jī)無機(jī)肥配施后土壤中氮素礦化潛力對不同因素的響應(yīng)程度，以實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)、節(jié)肥且生態(tài)環(huán)境安全的效果，同時實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在鹽漬化灌區(qū)水氮耦合模式優(yōu)化中的應(yīng)用，對提高農(nóng)業(yè)資源利用效率及推動現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

致謝：感謝王國帥、孫亞楠、崔佳琪、范雷雷、代麗萍、周慧等在文獻(xiàn)查閱中給予的大力幫助。