长期有机肥与化肥配施对渭北旱塬苹果园水分生产力和土壤有机碳含量影响的定量模拟

彭星星，郭 正，张玉娇，李 军*

（1 西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100；2 西北农林科技大学林学院，陕西杨凌 712100）

陕西省渭北旱塬是我国黄土高原苹果优势产区的主要组成部分，洛川县是渭北旱塬30个典型苹果基地县之一，苹果种植面积占总耕地面积77%，苹果生产已经发展成为当地农业支柱产业。为了追求短期苹果园高产，采取化肥高投入[1-2]，不重视有机粪肥培肥，果园土壤有机质含量偏低[3]，土壤酶活性下降[4]，果园土壤水分和养分状况恶化，果实品质和产量得不到长期保证，成为渭北旱塬苹果产业可持续发展的严重威胁[1-5]。苹果园地亟需采取有机培肥措施，提升土壤质量，改善果园土壤水分和养分状况，保证苹果品质和产量。苹果是具有深根系和茂盛冠层的多年生植物，旱地果树生长主要受土壤水分影响[6]，土壤有效水分含量与果园产量呈线性相关[7]。程立平等[8]研究指出，黄土塬区18年生苹果园地10m以下土层发生土壤干燥化现象；通过大量施用有机肥，可以提高土壤有机碳含量和总氮量[9-10]；赵佐平等[11]研究表明，施肥可提高渭北旱塬苹果产量14.4%～63.8%，其中有机与无机肥配施处理 (无机肥与有机肥氮各占一半) 苹果年均产量最高；杨雨林等[9]发现5～15年生苹果园0—80 cm土层土壤有机碳含量随土层加深而降低。由于果树生长周期较长，通过长期定位培肥和监测试验，研究果园土壤水肥利用和增产效果的难度较大，相关研究报道很少。借助作物模拟模型，能够长周期定量模拟果园土壤水肥利用和产量响应规律[12]，可以代替果园长期定位施肥试验，揭示长周期施肥处理下果园土壤培肥和增产效应差异。渭北旱塬果园的有机与无机肥配施效应研究，主要以短期施肥措施对果园增产增效和土壤养分分析研究为主，有机肥与化肥配施对土壤水分和有机碳含量效应的长期定位试验鲜见报道。应用WinEPIC模型长周期定量连续模拟渭北旱塬不同有机肥与化肥配施处理下1～45年生苹果园水分生产力和土壤有机碳含量响应及其差异，筛选出与当地降水资源相适应的苹果园最优有机肥与化肥配施比例，能够为渭北旱塬苹果生产可持续发展提供科学依据。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

陕西洛川县位于渭北旱塬东北部 (N35°26′29″～36°04′12″，E109°13′14″～109°45′47″)，海拔1100～1200 m，属暖温带半湿润大陆性季风气候区，光照充足，年均气温9.2℃，无霜期167 d，年降水量596.6～607.9 mm。地形为黄土残塬沟壑区，塬面土层深厚，土壤类型为黏黑垆土[13]。

1.2 模拟研究方法

为了比较折合纯氮用量相同条件下不同有机肥与化肥配比对苹果园地生产力变化动态的影响，根据当地果园实地施肥调查数据，本试验共设置6个施肥处理 (表1)，分别为M0、M1、M2、M3、M4和M5，各处理施肥量分别为M0 (猪粪 0 kg/hm2、N 360 kg/hm2、P2O5180 kg/hm2)，M1 (猪粪 12000 kg/hm2、N 288 kg/hm2、P2O5144 kg/hm2)，M2 (猪粪24000 kg/hm2、N 216 kg/hm2、P2O5108 kg/hm2)，M3(猪粪 36000 kg/hm2、N 144 kg/hm2、P2O572 kg/hm2)，M4 (猪粪 48000 kg/hm2、N 72 kg/hm2、P2O536 kg/hm2) 和 M5 (猪粪 60000 kg/hm2、N 0 kg/hm2、P2O50 kg/hm2)。本研究施肥量为纯N 360 kg/hm2、P2O5180 kg/hm2，氮磷肥分别为尿素和过磷酸钙。根据腐熟猪粪平均养分含量 (N 0.60%、P2O50.40%、K2O 0.44%) 折算纯氮量360 kg/hm2时的猪粪施用量为6 × 104kg/hm2。磷肥、有机肥作为基肥秋季一次施入，尿素全年用量的1/2作为基肥施入，1/2在春季作为追肥施入，施肥方式均为条状沟施。种植密度为833株/hm2，最大根深设置为10 m，最大株高设置为4 m，在挂果后每年的10月12日收获，其他管理措施同当地果园。定量模拟和比较分析45 年(1965—2009) 不同生长年限苹果园在不同有机肥与化肥配施处理下的产量、土壤水分和有机碳含量效应。选取模型输出每年苹果收获后的11月份果园土壤水分特征和有机碳含量数据，作为当年土壤水肥状况数据。

表1 各施肥处理施肥比例Table 1 Ratios of the fertilization in different treatments

1.3 WinEPIC模型简介

EPIC (environmental policy integrated climate) 模型是美国农业部农业研究局研制的农田生产和水土资源管理综合评价动力学模型，能够长周期连续定量模拟和评价“气候-土壤-作物-管理”综合连续系统响应，可用来定量评价农田作物生产力和水土资源管理策略的效果[14]。在世界范围内不同区域，EPIC模型已被用来模拟不同作物产量及其对环境响应[15]，而且通过大田观测数据对该模型在不同轮作和管理模式下的土壤有机碳动态预测已经进行了多次评估验证[16]。本研究采用的是WinEPIC3060版模型，对土壤水分动力学过程描述比较细致，可以输出逐日分层土壤水分和养分数据，适用于作物生产系统综合性模拟分析和应用研究，特别适合于旱地土壤水肥生态环境效益的模拟和分析研究[17]。Peruta等[18]通过应用Swiss Soil Monitoring Network(NABO) 数据库对EPIC模型的土壤磷变化动态进行了探究评估，发现EPIC模型在该方面的运行得到了很好的改善。Woroua等[19]利用EPIC探讨了非洲西部水稻生长的土壤水分动态和水稻生长态势，分析了铁元素对水稻生长的影响。Wang等[20]完善了一些土壤理化性状参数，从而进一步改善了对土壤水分平衡模拟的精确度，提高了该模型在黄土高原的运行效率。郭正等[21]在对EPIC模型进行参数校正的基础上，对黄土高原具有代表性的4个地区苹果园进行了45年的果园水分生产力模拟，比较分析了不同降雨量区果园长周期的土壤干燥化特征。可见，EPIC模型在作物生长模拟评估方面一直在改进与完善，其应用范围在国内外不断得到发展扩大。

2 结果与分析

2.1 模型数据库组建

WinEPIC运行需要逐日气象要素、土壤剖面理化特性、作物生长参数和肥料管理等数据库支撑。本研究中逐日气象来源于洛川气象站1965—2009年实时观测的逐日日照时数、最高气温、最低气温、降雨量、相对湿度、风速等气象数据。土壤数据库以当地果园典型土壤—黏黑垆土为代表，通过实地测定和参阅相关文献，建立黏黑垆土0—15 m土层土壤剖面理化性状参数数据库。WinEPIC模型包括苹果生长参数，结合2010年本课题组测定的32块果园试验数据运行该模型[22]，根据黄土高原苹果栽培技术和生理生态试验研究成果及《中国果树志》(苹果卷)[23]，对苹果参数进行修订，得出校验后的参数如表2。

2.2 模拟精度验证

利用EPIC模型，连续模拟洛川1985—2009年实时气象条件下3种不同施肥处理 (F1，N 100 kg/hm2；F2，N 180 kg/hm2；F3，N 360 kg/hm2)1～25 年生苹果园逐年产量，从其中选择5～25年生 (即1995—2009年) 果园产量模拟值与同龄果园观测值进行比较，选择洛川15年生果园土壤有效含水量模拟值与当地同龄果园土壤含水量实地观测值进行比较分析。其中，果园产量观测值为洛川苹果试验站和本课题组果园调查统计数据，土壤含水量观测值为2010年本课题组果园实地测定值。结果表明，在不同施肥处理下，相关性系数均接近1，即洛川果园产量与土壤湿度的模拟结果和实测值在施肥效应的一致性上表现较好，可用于渭北旱塬苹果园不同施肥处理下产量和土壤水分效应模拟研究 (图1)。

表2 模型中苹果部分重要生长参数修订值Table 2 Some revised important growth parameters of apple for the WinEPIC model

2.3 不同施肥处理对苹果园产量的影响

由图2可知，在1965—2009年长期模拟研究期间，随着果树树龄增长，不同施肥处理下果园产量总体呈现出初期平稳-中期急速上升-后期缓慢下降的变化趋势，M0处理下果园产量大小年波动性明显高于其它各处理。6种施肥处理果园产量在16.17～44.90 t/hm2之间波动，M0～M5处理42年平均产量分别为28.09、29.54、30.85、30.98、28.45和26.25 t/hm2，呈现出随着有机肥比例增加，平均产量先增加后下降的趋势，即，M5 ＜ M0 ＜ M4 ＜ M1 ＜ M2 ＜M3。其中M3处理分别较M0、M1、M2、M4和M5增产10.3%、4.9%、0.4%、8.9%和18.0%；与M0相比，施用有机肥处理M1、M2、M3、M4和M5分别增产5.2%、9.8%、10.3%、1.3%和-6.6%。上述结果表明，M0处理在果园生长旺盛期果实产量快速波动上升，而有机肥施用处理则表现出缓慢上升动态，M0处理果园快速增产导致土壤养分与水分失衡，从而造成产量年际波动以及后期急速下降。适宜的有机肥与化肥配施能够增加果实产量，总体趋势表现出前期和中期增产效果明显，后期 (果园衰退期) 增产并不显著，施用有机肥能够减小果园产量波动性。说明通过有机肥和化肥有效成分之间的相互作用，能够达成土壤结构改良以及营养均衡供给，最终实现果园产量的提高。

图1 模拟值与观测值的相关性Fig. 1 Correlation between simulated and observed values

图2 6个施肥处理果园模拟产量Fig. 2 Simulated annual yields of apple orchards in the six fertilization treatments

2.4 不同施肥处理对苹果园土壤有效含水量的影响

不同有机肥与化肥配施处理中，果园0—15 m土层逐年土壤有效含水量模拟值整体上表现出“前期快速下降-中期波动下降-后期趋于平稳”的变化动态 (图3)。在果树生长前期 (4～10年生)，果树树体生长旺盛，耗水能力逐渐增强，因此呈现出果园土壤有效含水量急速下降趋势。在果树生长中期 (11～23年生)，进入果树盛果期，耗水量不再快速增加，果园土壤有效含水量表现出缓慢波动性下降趋势。在果树生长后期 (24～45年生)，果树逐渐进入衰退期，果园形成稳定土壤干层，土壤有效含水量在较低水平上随降水量变化而呈现出年际波动变化。

在45年模拟研究期间，M0、M1、M2、M3、M4和M5处理果园0—15 m土层年均土壤有效含水量分别为1220、1273、1296、1292、1330和1339 mm。与无有机肥处理M0相比，M1～M5土壤有效含水量分别高出4.3%、6.2%、5.9%、9.0%和9.8%，随着有机肥配施比例而递增。各处理间表现出“上升—下降—上升”的变化过程，其中M3处理出现土壤有效含水量均值下降 (低于M2，高于M1)，是由于M3处理有机肥比例虽较M2增加，但M3处理下果园较M2产量明显提高，即增加少量有机肥对果园产量的影响较对土壤有效含水量的影响大。

2.5 不同施肥处理对苹果园土壤湿度剖面分布的影响

在45年模拟研究期间，不同施肥处理苹果园0—15 m土壤湿度剖面分布模拟值变化动态如图4所示，不同有机肥与化肥配施处理中0—3 m土层土壤湿度年际间波动变化比较大。随着果树树龄增长，果园3 m以下土壤湿度趋于稳定并开始形成土壤干层，且土壤干层逐年加厚，6种施肥处理果园最大干层深度均达到11 m，土壤干层以下土层的土壤湿度保持正常水平。M0～M5处理果园3 m以下土层土壤干层开始出现的时间分别为13年生、14年生、15年生、15年生、16年生和16年生，在3—11 m土层形成稳定土壤干层的时间为21年生、22年生、23年生、23年生、24年生和24年生。总体看来，0—3 m土层为降水蓄积变化层，3—11 m土层为土壤稳定干层。随着果园有机肥施用比例的增加，降水蓄积变化层土壤湿度波动性逐渐减小。通过不同施肥处理11m处稳定土壤干层消失层能够看出，有机肥虽具有较好的保墒作用，但施用深度有限，对深层土壤湿度变化规律没有造成影响，土壤干层及以下土层各处理湿度变化趋势基本一致。由于M1果园产量仅次于M2和M3，但与M2和M3处理相比其有机肥施用比例较低，导致M1土壤干燥化程度比M2和M3严重。M5和M4土壤干层的出现与形成较迟，因为M5和M4处理下果园产量低于M1、M2和M3，果树对土壤水分的消耗程度相对较低；虽然M4产量比M0高，但有机肥施用比例较大，即果园土壤保墒能力更强，所以M4处理土壤干层的形成与出现较M0稍迟一些。

图3 6个施肥处理苹果园0—15 m土层模拟逐年土壤有效含水量Fig. 3 Simulated annual soil available water contents in 0-15 m soil layer of apple orchards in the six fertilization treatments

图4 不同施肥处理苹果园0—15 m土层逐年土壤含水量垂直分布变化动态Fig. 4 Simulated annual soil moisture in 0-15 m soil profiles of apple orchards under different fertilizations

2.6 不同施肥处理对苹果园土壤有机碳含量的影响

经过连续45年施肥处理，M0、M1、M2、M3、M4和M5处理下果园0—5 m土层土壤有机碳含量整体上均得到一定程度的提高 (图5)。M0处理果园土壤有机碳含量明显低于M1、M2、M3、M4和M5处理，而这5个处理间土壤有机碳含量差异不显著。6个施肥处理的0—5 m土层土壤有机碳含量45 a均值分别为6.43、7.68、7.97、8.67、8.71和8.78 g/kg，随着有机肥施用比例增加而提高，M1、M2、M3、M4和M5处理土壤有机碳含量分别较M0提高了19.4%、24.0%、34.8%、35.4%和36.4%，M4和M5处理虽增幅较大，但与M2和M3处理差异不大。5个有机肥处理45 a果园土壤有机碳含量消长趋势相似，均表现为逐年增加，且前期增加幅度高于后期增幅。而不施有机肥处理M0果园土壤有机碳含量则呈现出前期波动性上升-中期略微下降-后期缓慢积累的趋势。M0处理土壤有机碳含量增幅较小可能与果园生长后期处于衰退期，果树根系生物量减小有关。各有机肥处理果园土壤有机碳含量持续增加。以上结果表明，增施有机肥能够明显提高果园土壤有机碳含量，其增幅随有机肥增施比例增加先升高后下降。

图5 不同施肥处理苹果园0—5 m土层土壤有机碳含量逐年模拟值Fig. 5 Comparison of simulated annual soil organic carbon contents in the 0-5 m soil layer of apple orchards under different fertilizations

2.7 土壤有机碳含量与果园利用年限及土壤有效含水量的相关性

在1965—2009年各施肥处理苹果园0—5 m土层土壤有机碳含量与果园利用年限之间的回归方程结果如表3。6种施肥处理下0—500 cm土层年均土壤有机碳含量与果园利用年限之间均呈现出显著线性正相关，随着果园利用年限的推移，土壤有机碳逐年累积。M0～M5处理间45年0—15 m土壤有效含水量平均值与0—5 m土层土壤有机碳含量之间存在显著线性正相关关系 (图6)，土壤有机碳含量随着有机肥施用比例提高而上升，随着土壤有机碳含量增加，年均土壤有效含水量升高，说明浅层土壤有机碳具有一定的蓄水保墒作用。

3 讨论

本研究利用渭北旱塬实时气候数据和苹果园调查数据，验证了WinEPIC模型对苹果园产量和土壤水分利用的模拟精度，并连续模拟了不同有机肥与化肥配施处理下1～45 a苹果园产量、逐年土壤有效含水量、土壤湿度剖面分布变化规律以及土壤有机碳含量，揭示了不同有机肥与化肥配施对苹果园水分生产力的影响。结果表明，化肥施用比例越高，产量波动程度越剧烈，土壤稳定干层形成时期越早，且随着苹果园栽培利用年限增加，土壤干燥化程度逐渐加剧。同时，果园0—300 cm土层为水分变化层，300 cm以下土层含水量维持在较低水平，开始出现土壤干层，随着果树生长年限的增长，土壤干层不断加厚，最大深度可达11 m，这与赵刚等[24]的研究结果一致。其中，土壤局部水循环在一定程度上与干层现象的发生密切相关[25-26]，尽管黄土高原土层具有良好的持水性能及储水能力，但果树生长并非能够利用整个黄土层中的储水，即根系层中的土壤水分及相应扩散层中的水分才能得以利用[27]，水分的集中消耗促成土壤干层的发生。在渭北旱塬雨养果园生产中，表层土壤水分的变化与降雨和蒸发密切相关，出现干旱年份时，果树需要消耗一部分深层土壤贮水，就苹果树这种多年生植物而言，随着土地连续使用年限的增加，苹果地土壤干燥化情况逐渐加重[28]。

表3 果园0—5 m土壤有机碳含量与果园利用年限回归关系 (n = 45)Table 3 Regression between soil organic C contents and apple tree ages in the 0-5 m soil layer of tested apple orchards

图6 不同施肥处理果园0—15 m土壤含水量与土壤有机碳含量之间的关系Fig. 6 Relationship between soil moisture and soil organic carbon contents under different fertilizations at 0-15 m depth

本试验结果显示，随着有机肥施用比例的增加，果园产量表现出先上升后下降的趋势。这可能是由于随着化肥施用比例的减少，所供给的速效养分减少，而有机肥改善土壤环境及提供养分的过程相对缓慢，无法及时补充果树生长所需有效养分，所以当化肥比例减少到一定程度时，果园产量较化肥高比例处理低，这与赵佐平等[11]的研究结果一致。因此，适宜的有机肥配施比例有利于提高果园产量。随着有机肥施用量的提高，本研究中各施肥处理间土壤有效含水量呈现出“上升-下降-上升”的变化动态，即M3土壤有效含水量较M2低，可能主要是由于M3产量增加量较M2多，相应的果树耗水量会随之增加，这同高会议等[29]的研究结果一致，即有机肥处理能够通过影响作物地上部生物量，增加对土壤水分的消耗。通过增施有机肥能够显著提高土壤有机碳和氮的含量[9]，同时也可以减缓农业生态系统中N2O的排放[30]，有利于环境的可持续发展。本研究结果同样表明，增施有机肥能够明显提高果园土壤有机碳含量，同时，其增幅随有机肥增施比例增加呈现先升高后下降的趋势。出现这种现象的原因可能是，当土壤中有机肥对有机碳的转化达到一定量时，其施用量过高，有机碳转化率可能会相对减缓。甘卓婷等[31]研究表明，15年生以前的果园能够促进土壤有机碳的积累，15年生以后的果园则出现土壤有机碳下降的趋势。而石宗琳等[32]研究则显示，渭北果园0—100 cm土层有机碳含量随果园利用年限增加呈现上升趋势。这可能与研究果园土壤剖面深度差异有关。本研究结果显示，有机肥施用比例增高，果园产量也表现出升高趋势。有机肥施用比例最高的施肥处理果园产量并没有达到最高，可能是由于有机肥发挥作用的过程较化肥缓慢，当果树处在生长需肥关键期时，有机肥不能及时发挥作用，而化肥能够及时补充果树生长所需的速效土壤养分，即适宜的有机肥与化肥配施更有利于果园的高效生产。

关于渭北旱塬苹果园0—15 m土层土壤湿度剖面分布状况的研究已屡见报道[33-34]，但对不同施肥处理苹果园深层土壤水分动态变化的研究甚少。本研究借助WinEPIC模型连续定量模拟研究了不同有机肥与化肥配施水平下逐年果园产量、土壤水分以及有机碳含量变化动态，但11—12 m土层土壤湿度模拟值变化幅度较大，出现跳跃性转变，而实际果园土层湿度多为渐变型的，模拟值与实际果园所测数据有所偏差，这可能是由于EPIC模型对深层土壤湿度剖面分布模拟局限所致。虽然对模拟结果有一定影响，但是45年的模拟结果也能够反映出水分生产力的变化规律。

本研究通过模拟45年果园的生产，进行了果园产量、土壤含水量和土壤有机碳含量变化动态等方面的分析，探讨了不同有机无机肥配施处理对渭北旱塬果园水分和产量的影响，但还需进一步进行土壤氮、磷、钾等养分方面的分析研究，才能更加确切地评估果园中有机无机肥的配施效应。

4 结论

不同有机肥增施处理均有利于提高土壤有机碳含量。随着果园种植年限的增加，各增施有机肥处理较纯化肥处理果园土壤有机碳含量均有不同程度的增加。果园施用有机肥在增加土壤有机碳含量的基础上，提高果园产量和土壤含水量，同时也有益于环境的可持续利用。综合考虑45年果园产量、土壤有效含水量、土壤剖面湿度分布以及土壤有机碳含量模拟结果，4∶6和6∶4的有机肥与化肥配施比例 (N 144～216 kg/hm2、P2O572～108 kg/hm2、有机肥24000～36000 kg/hm2) 是渭北旱塬果园较适宜的可持续施肥模式。

参 考 文 献：

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