全 文 ：渭北旱塬苹果园土壤深层干燥化与硝酸盐累积 3
樊　军 3 3 　邵明安　郝明德　王全九
(中国科学院2水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室 ,杨凌 712100)
【摘要】　以渭北旱塬的苹果园为研究对象 ,对 5～34 龄苹果园土壤剖面水分含量分布与硝酸盐累积状况
进行研究. 结果发现 ,旱地苹果园的高投入与高产出经营方式不但导致了土壤深层干燥化 ,而且土壤深层
累积了大量的硝态氮 ,累积层在 40～260 cm 土层 ,最高含量达 40314 mg·kg - 1 . 由于连续施氮肥 ,这些氮
素被再利用的可能性很小 ,存在土体中的硝态氮会造成潜在的环境问题. 由于土壤深层水对干旱的调节作
用减弱或丧失 ,导致苹果产量受控于当季节降水. 因此 ,应当控制苹果园施氮量 ,避免氮素的大量累积 ,并
采取措施改善果园水分状况.
关键词 　旱塬 　苹果园 　干燥化 　硝态氮累积
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 07 - 1213 - 04 　中图分类号 　S15514 + 6 　文献标识码 　A
Desiccation and nitrate accumulation of apple orchard soil on the Weibei dryland. FAN J un ,SHAO Mingan ,
HAO Mingde , WAN G Quanjiu ( S tate Key L aboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the L oess
Plateau , Institute of Soil and W ater Conservation , Chinese Academy of Sciences , Yangling 712100 , China) . 2
Chin. J . A ppl . Ecol . ,2004 ,15 (7) :1213～1216.
The study of apple orchard soil on the Weibei dryland showed that high input and high yield not only resulted in
soil desiccation ,but also induced nitrate accumulation in the soil profile. Generally ,the soil layers with accumulat2
ed nitrate located in 40～260 cm depths ,and the maximum nitrate content was 403. 4 mg·kg - 1 . Owing to the
continuous application of nitrogen fertilizer ,the accumulated nitrate could hardly be reused in the future ,which
might lead to environmental pollution. Because the soil storage water could not adjust the water utilization of ap2
ple trees ,the yield of orchard was affected by precipitation. Therefore ,the nitrogen application rate should be re2
duced ,and actions should be taken to improve soil moisture in apple orchard.
Key words 　Dryland , Apple orchard , Desiccation , Nitrate accumulation.
3 国家重点基金研究发展规划项目 ( G2000018605) 和中国科学院
“百人计划”资助项目.3 3 通讯联系人.
2003 - 05 - 28 收稿 ,2003 - 11 - 17 接受.
1 　引 　　言
氮素肥料施用造成的环境问题已被广泛研究 ,
对氮素以硝态氮形式对环境污染方面的研究 ,以往
主要集中在灌区或多雨地区硝态氮通过径流或淋
溶进入水体造成污染方面的研究[1 ,4 ,10～13 ,19 ,20 ] ,而
雨养农田土壤深层硝态氮的累积已有许多报
道[2 ,6 ,7 ,14 ,17 ,18 ] . 近年研究表明 ,菜园与果园等土壤
氮素累积显著高于一般农田[11 ,15 ,16 ] . 在黄土高原的
渭北旱塬 ,除传统农业外 ,近年苹果种植发展很快 ,
试验区所在的陕西省长武县农业耕地总面积 25 532
hm2 ,2002 年初苹果面积已发展到 5 100 hm2 ,占耕
地的 20 %. 由于苹果耗水量高于一般农作物 ,农田
大面积改种苹果 ,会加重旱地农田水分供需矛盾 ,对
土壤水分的高强度利用会影响这一区域的水分循环
状况[5 ] . 由于苹果种植的经济效益好 ,农民把大量
肥料投入苹果园 ,投入肥料的去向问题应当受到重
视.本文就旱塬苹果园建设带来的水分养分问题进
行探讨 ,以期为旱地果园的可持续生产提供理论依
据.
2 　研究地区与方法
试验区位于陕西省长武县 ,属渭北旱塬 ,无灌溉条件. 海
拔 1 200 m ,属暖温带半湿润易旱气候区. 年均气温 913 ℃,
无霜期 171 d ,多年平均降水量 584 mm ,大于 10 ℃活动积温
3 029 ℃,年日照时数为 2 230 h ,日照率 51 % ,年辐射总量为
4 837 kJ·cm - 2 . 黑垆土的质地为轻壤2中壤质 ,垒结疏松 ,降
水的入渗深度最大可达 300 cm ,田间持水量 21 %～24 % ,萎
蔫湿度 9 %～12 %. 塬面苹果园主要依靠天然降水 ,仅少数
果园有塬面硬地面集水灌溉条件 ,在降水时为果园补充部分
水分. 当地苹果园施肥水平远高于一般农田 ,塬面农田一般
每年施 150～170 kg·hm - 2纯氮 ,但是苹果园一般施肥水平
每年 500～1000 kg·hm - 2纯氮.
本次大田调查研究采用人工打土钻的方法 ,土壤 0～
100 cm 每 10 cm 为一层 ,100 cm 以下每 20 cm 为一层 ,于
2002 年 7 月上旬在塬面上选择不同树龄的苹果园 (5、10、
应 用 生 态 学 报 　2004 年 7 月 　第 15 卷 　第 7 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J ul. 2004 ,15 (7)∶1213～1216
15、22、34 龄)及已撂荒 20 年的荒草地进行研究 ,苹果园同
属长武县十里铺乡王东沟村 ,距离在 2 km 之内 ,土壤质地相
同 ,施肥习惯基本相同. 烘干法测定土壤剖面含水量 ;0～400
cm 土壤各层风干样品用 1 mol·l - 1 KCl 提取硝态氮 ,紫外双
波长法测定 ,为对比说明 ,增加长期定位试验的裸地处理 (17
年未种植作物 ,定期锄杂草) ,长期试验与调查地相距 5 km ,
同属旱塬 ,土壤质地相同.
3 　结果与分析
311 　土壤水分
土壤水分研究 ,一般需较长时间序列的观测资
料.本文主要通过比较不同果龄果园土壤深层水分
状况 ,取样点接近 ,气候条件一致 ,而且主要分析土
壤 2 m 以下土壤水分状况差异. 在黄土旱塬 ,2 m 以
下土壤水分在苹果树生长期间很难得到降水的补偿
而发生大幅度的变化 ,属于相对稳定层. 所以用一次
水分观测资料来反映苹果树生长对土壤深层水分含
量的影响是可行的. 另外 ,用对比分析方法分析结
果 ,选择了已撂荒 20 年的荒草地作为对照 ,它可以
反映自然条件下深层土壤水分状况 ,比较稳定. 此
外 ,长期定位试验的裸地处理增加到分析中 ,把它作
为田间土壤水分恢复和保持的最高值.
苹果园土壤剖面水分含量分布与施肥量有很大
关系 ,一般情况下 ,施肥量大 ,产量高 ,消耗水分越
多 ,土壤剖面剩余含水量越少. 从本次测定结果看 ,5
龄果园由于果树耗水量小 ,加之建园的松土整地等
措施促进降水入渗 ,土壤水分条件较好 ,虽然在 0～
7 m 低于裸地 ,但是接近荒草地 ,土壤深层储水是裸
地的 85171 %. 而 10～34 龄苹果园土壤深层含水量
在 2 m 以下均远低于裸地 ,且 315 m 以下含水量远
低于荒草地 (图 1) . 这是果树的蒸散量增大 ,不断消
耗土壤深层水的结果. 苹果树对土壤水分的消耗已
达到很深的土壤层次 ,15 龄苹果园 12 m 处的含水
量仅 1519 %. 从表 1 看出 ,随树龄的增加 ,5～15 龄
苹果园土壤剖面 2～10 m 剩余储水量呈降低趋势 ,2
m 以下平均含水量 5 龄苹果园为 18197 %. 而 10 龄
后的果园储水量明显降低 , 仅为裸地储水量的
60 % ,2 m 以下平均含水量 13 %左右 ,接近萎蔫湿
度. 随着土壤剖面含水量的降低 ,土壤水库调节降水
的能力减弱或丧失 ,果园产量更受控于生产期自然
降水. 同时 ,由于塬面果园的精细管理 ,如深翻松土
等措施 ,使果园的降水入渗能力很高 ,几乎不发生径
流 ,降水全部入渗到土壤 ,削弱了降水转化为地表水
与地下水的比例 ,大面积果园的建设势必影响区域
水循环[4 ] .
图 1 　不同果龄土壤剖面含水量分布
Fig. 1 Distribution of soil water content at different apple ages.
　表 1 　不同果龄土壤储水量差异
Table 1 Soil water in the different apple ages of upland
项目
Items
A B C D E 荒草地
Wilderness
裸地
Bare land
2～7 m 储水量1) (mm) 1161168 865102 741192 880137 888186 1143176 1426136
占裸地2) ( %) 81144 60164 52101 61172 62131 80119 100100
2～10 m 储水量1) (mm) 1973126 - 1253108 - - 1959120 2285192
占裸地2) ( %) 86132 - 54182 - - 85171 100100
平均储水量3) (mm·m - 1) (2 m 以下) 232134 173100 148138 176115 177177 228175 285127
平均含水量4) ( %) (2 m 以下) 18197 13131 12105 13154 13195 17185 21198
A :5 龄苹果园 5 years orchard ,B :10 龄苹果园 10 years orchard ,C :15 龄苹果园 15 years orchard ,D :22 龄苹果园 22 years orchard ,E :34 龄苹果园
34 years orchard. 1) Storag water ,2) % of bare land ,3) Mean storage water ,4) Mean water content . 下同 The same below.
312 　土壤剖面硝态氮累积
农业生产中化肥大量施入土壤 ,其去向问题值
得关注. 根据我们在试验区的长期定位试验 ,长期连
续施用氮肥 ,硝态氮会在土壤深层发生累积[2 ,3 ] ,本
次试验也发现一般高产农田土壤剖面也发生了硝态
氮累积 ,最大含量 4411 mg·kg - 1 (表 2) . 但是 ,苹果 园土壤剖面硝态氮的累积相当严重 ,累积层硝态氮含量都高于农田 ,并且在剖面上都有一个累积峰. 随着树龄的增长 ,土壤 0～400 cm 剖面硝态氮的累积总量除 15 龄苹果园外呈增加趋势 ,反映了氮素肥料在土壤中的不断累积. 15 龄苹果园由于施肥量很高 ,据实际调查计算年施氮量 1 100 kg·hm - 2左右.
4121 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
　表 2 　土壤剖面各层硝态氮的累积含量( kg·hm - 2)
Table 2 Accumulated amount of NO -3 2N in soil layers
项目 Items A B C D E 农田 Farmland
0～100 24918 103616 259111 34410 4713 137142
100～200 86819 71813 339414 159614 240214 300157
200～300 8119 3119 17910 5814 93911 33149
300～400 315 111 4013 317 2318 30139
0～400 120411 178719 620418 200215 341216 502127
峰值1) (mg·kg - 1) 9415 17216 40314 20119 31612 4411
峰值土层2) (cm) 120～140 80～100 100～120 140～160 160～180 120～140
1) Peak value ,2) Soil layer for peak value.
0～4 m 剖面累积硝态氮总量达到 6 204183 kg·
hm - 2 ,剖面硝态氮含量峰值达到 40314 mg·kg - 1 ,
出现在 100～120 cm 深度. 同时其土壤深层剖面含
水量也最低 ,反映了果园投入大量肥料 ,不但造成深
层土体的干燥化 ,而且氮肥在土壤中大量剩余.
硝态氮在果园土壤剖面的分布也反映出随时间
的增长 ,硝态氮累积的深度也增加 ,也即在累积量不
断增加的同时 ,在入渗水流的作用下硝态氮向土壤
更深层迁移. 这是因为土壤上层剩余的氮素向土体
深层迁移累积是一个长期的过程 ,是年复一年过剩
的氮素在降水入渗的作用下不断迁移累积的结果. 5
～34 龄苹果园土壤硝态氮累积峰依次出现在 120～
140、80～100、100～120、140～160 和 160～180 cm
土层. 但是从本研究看 ,旱塬苹果园土壤硝态氮累积
发生在 3 m 以上 (图 2) ,硝态氮被淋洗到更深土层
的可能性不大.
图 2 　不同果龄土壤剖面硝态氮分布
Fig. 2 Nitrate accumulation in soil profiles at different apple ages.
　　另外 ,从土壤剖面硝态氮的累积深度也可以间
接判断降水入渗深度. 硝态氮是在下渗水流的作用
下向土体深层迁移的 ,累积峰出现的土壤层次是降
水入渗补给频数最大的土层. 由此推断 ,本区苹果园
降水入渗的平均深度在 150 cm 左右 ,最大深度 260
cm.
如果按照本试验不同果龄的 5 个苹果园 0～4
m 土壤硝态氮累积总量的平均值 2 921179 kg·
hm - 2估算 ,长武县 5 100 hm2 苹果园土壤深层累计
存在 115 ×104t 硝态氮 ,这些累积氮素的去向问题
应受到高度重视. 其去向主要是被苹果树吸收利用 ,
其次通过硝化反硝化损失. 这部分硝态氮随水迁移
到地下水的可能性不大 ,因为本区地下水埋深达 50
m 左右 ,加之剖面的干燥化 ,降水很难入渗到达地下
水. 由于果树根系发达 ,累积区域在根系范围内 ,因
此累积氮素可以被果树利用. 但是 ,剖面硝态氮大量
累积以及深层土壤干燥化的发展 ,说明果园肥料投
入量远远超过果树的利用量 ,在干燥土壤深层累积
的大量硝态氮能否被果树大量吸收利用 ,及利用程
度如何 ? 累积硝态氮的气体损失等都有待进一步深
入研究. 当前 ,旱地果园如何合理施肥应当予关注.
近年苹果园施肥方式已有很大转变 ,由过去的撒施
到现在的挖坑施肥. 一般在果园开挖 40～60 cm 深
沟施肥 ,深沟施肥使土壤容重降低 ,空隙度增大 ,增
加了水分入渗速率与储水空间 ,起到保水作用. 但是
果园合理施肥量的推荐报道很少. 大量肥料的投入
不但造成肥料的浪费 ,而且使土壤剖面迅速干燥化 ,
不利于果业的可持续发展.
4 　讨 　　论
降水入渗是硝态氮向土体深层迁移的载体与动
力 ,苹果园实行开沟施肥提高了养分利用效率 ,改善
了入渗条件 ,有益于苹果树的生长发育[8 ] ,从而增
加产量. 但是 ,由于肥料深入地下 60 cm ,且位于疏
松的施肥沟内 ,降水入渗很容易使硝态氮快速淋洗
到 100 cm 以下 ,并不断累积. 本区降水入渗深度决
定于降水量及土壤剖面的水分状况 ,一般降水可以
入渗到 300 cm 左右. 但是剖面干燥化显著影响水分
入渗 ,如人工草地的多年平均入渗深度仅为 13813
cm
[9 ]
.苹果园的干燥化同样影响降水入渗 ,但由于
有施肥沟的存在 ,从硝态氮的土壤剖面累积分布看 ,
苹果园的入渗深度一般可达到 200 cm ,更深层的土
51217 期 　　　　　　　　　　　　樊 　军等 :渭北旱塬苹果园土壤深层干燥化与硝酸盐累积 　　　　　　　　　　　
壤干化很难得到恢复.
旱地苹果园的高投入与高产出造成土壤深层干
燥化的发生 ,同时土壤中累积了大量的氮素. 由于深
层土壤水的调节作用几乎丧失 ,导致苹果产量受控
于年度或季节降水 ,在苹果生育关键时期连续的干
旱会显著影响产量. 土体大量氮肥的累积既降低了
肥料利用率 ,同时深层土体大量氮素的累积有可能
造成潜在的环境问题. 因此 ,旱塬苹果园建设应当采
取措施节水保水 ,提高氮肥利用率. 具体措施有 :果
园覆盖技术 ,包括秸秆覆盖、生草覆盖、地膜覆盖等
措施 ,减少果园裸地蒸发 ;限量浇灌 ,在干旱期进行
适当浇灌. 而施肥除合理配比外 ,增加果园有机肥的
施用量 ,并可以进行隔年施肥 ,以减少土体中氮素的
大量累积.
参考文献
1 　Benbi D K. 1991. Nitrate distribution and accumulation in an us2
tochrept soil profile in a long term fertilizer experiment . Fertil Res ,
28 :173～177
2 　Fan J (樊　军) , Hao M2D (郝明德) ,Dang T2H (党廷辉) . 2000.
Distribution and accumulation of NO -3 2N in soil profile of long2term
located fertilizer experiment . Soil Envi ron Sci (土壤与环境) , 9
(1) :23～26 (in Chinese)
3 　Guo S2L (郭胜利) ,Wu J2S (吴金水) , Hao M2D (郝明德) , et al .
2003. Effect of long2term fertilization on NO -3 2N accumulation and
moisture distribution in soil profile. Chin J A ppl Ecol (应用生态学
报) ,14 (1) :75～78 (in Chinese)
4 　Guo L P ,Zhang FS ,Wang XR , et al . 2001. Effect of long2term fer2
tilization on soil nitrate distribution. J Envi ron Sci2China ,13 (1) :
58～63
5 　Huang M2B (黄明斌) , Yang X2M (杨新民) ,Li Y2S (李玉山) .
2001. Effect of apple basin regional water cycle in Weibei upland of
the Loess Plateau. Acta Geogra Sin (地理学报) ,56 (1) :7～12 (in
Chinese)
6 　J u X2T(巨晓棠) ,Zhang F2S(张福锁) . 2003. Nitrate accumulation
and its implication to environment in north China. Ecol Envi ron (生
态环境) ,12 (1) :24～28 (in Chinese)
7 　Li S2Q (李世清) ,Li S2X(李生秀) . 2000. Leaching loss of nitrate
from semiarid area agroecosystem. Chin J A ppl Ecol (应用生态学
报) ,11 (2) :240～242 (in Chinese)
8 　Li X2M (李向民) , Xu C2X (许春霞) , Su S2M (苏陕民) , et al .
1993. Benefit evaluation on deep2ditch manuring method in arid
farming apple orchard. B ull Soil W ater Conser (水土保持通报) ,
13 (5) :49～53 (in Chinese)
9 　Li Y2S(李玉山) . 2002. Productivity dynamic of alfalfa and its ef2
fects on water eco2environment . Acta Pedol S in (土壤学报) , 39
(3) :404～411 (in Chinese)
10 　Low AJ ,Armitage ER. 1970. The composition of the leachate though
cropped and uncropped soils in lysimeters compared with that of the
rain. Plant Soil ,33 :393～411
11 　Lu D2Q (吕殿青) , Tong Y2A(同延安) ,Sun B2H(孙本华) ,et al .
1998. Study on effect of nitrogen fertilizer use on environmental
pollution. Plant N ut ri Fertil Sci (植物营养与肥料学报) ,4 (1) :8
～15 (in Chinese)
12 　Ma L2S(马立珊) ,Qian M2R(钱敏仁) . 1987. Study on water envi2
ronmental nitrate and nitrate pollution in Taihu area. Envi ron Sci
(环境科学) ,8 (2) :60～65 (in Chinese)
13 　Nyamangara J ,Bergstrom L F , Piha MI , et al . 2003. Fertilizer use
efficiency and nitrate leaching in a tropical sandy soil. J Envi ron
Qual ,32 (2) :599～606.
14 　Su T(苏　涛) ,Wang C2H (王朝辉) ,Li S2X(李生秀) . 2002. Ni2
trate residuals in farmland soils of Loess Plateau and its ecological
effects. J A gric Envi ron Sci (农业环境科学) , 23 (2) : 411～414
(in Chinese)
15 　Wang Z2H(王朝辉) , Z2Q (宗志强) ,Li S2X(李生秀) . 2002. Dif2
ference of several major nutrients accumulation in vegetable and ce2
real crop soils. Chin J A ppl Ecol (应用生态学报) ,13 (9) :1091～
1094 (in Chinese)
16 　Wang C2H(王朝辉) ,Zong Z2Q (宗志强) ,Li S2X(李生秀) , et al .
2002. Nitrate accumulation in vegetables and its residual in veg2
etable fields. Envi ron Sci (环境科学) ,23 (3) :79～83 (in Chinese)
17 　Wu J2S(王朝辉) , Guo S2L (郭胜利) ,Dang T2H(党廷辉) . 2003.
Mechanisms in the accumulation and movement of mineral N in soil
profiles of farming land in a semi2arid region. Acta Ecol S in (生态
学报) ,23 (10) :2041～2049 (in Chinese)
18 　Yang X2Y (杨学云) , Zhang S2L (张树兰) ,Liu X2L (刘杏兰) .
1998. Effect of combined application of organic manure and fertiliz2
ers on crop yield and accumulation of nitrate in soil profile. Acta A2
gric Boreali2Occidentalis S in (西北农业学报) , 7 (2) : 63～66 (in
Chinese)
19 　Zhang G2L (张国梁) ,Zhang S (章 　申) . 1998. Research progress
in nitrogen leaching in farmland. Soils (土壤) , (6) :291～297 (in
Chinese)
20　Zhang Q2Z (张庆忠) , Chen X (陈 　欣) , Shen S2M (沈善敏) .
2002. Advances in studies on accumulation and leaching of nitrate in
farming soil. Chin J A ppl Ecol (应用生态学报) ,13 (2) :233～238
(in Chinese)
作者简介 　樊 　军 ,男 ,1974 年 8 月出生 ,在职博士 ,助理研
究员 ,主要从事土壤水分、养分利用及其在土壤中的运移研
究 ,发表论文 20 篇. E2mail :erfan0278 @sina. com
6121 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷