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1、http:/1黄土高原果业发展对黄土高原果业发展对区域区域环境的可能影响环境的可能影响1 1樊 军，王全九 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，中国科学院水利部水土保持研究 所（7 1 2 1 0 0 ）E-mail:摘要摘要：黄土高原地区由于适合果树生长的自然环境优越，果业发展迅速，特别是苹果 产业的发展，这很大地促进了本区经济发展，农民收入迅速增加。但是果园的迅速发 展对生态环境的影响还未被重视， 果园的高投入与高产出经营方式， 加剧了本区水分 供应与需要的矛盾， 可能造成土壤水分的过渡消耗而形成生物利用型土壤干层， 不利 于果业的可持续发展。 大量的氮肥投入果园， 导致氮素可能以硝
2、态氮形式在土壤中大 量累积，同时深层水分过渡消耗，产量受控于降水，在可以灌溉区域，累积氮素可能 淋溶到土壤深层。 农药与化肥的使用可能造成土壤重金属污染与农药残留； 未来应加 强果园水分循环及氮素平衡方面的研究， 控制农药的使用， 实现黄土区果业的健康稳 定发展。 关系词关系词：果园，黄土高原，土壤干层，硝态氮累积1. 引引 言言水是制约黄土高原植被恢复的关键自然因素，土壤水和生长期降水是该区植被用水的主要来源。 黄土高原土壤的特殊性、 气候和植被的过渡带特性使人们更加重视植被与水资源的相互影响，特别是土壤水分状况对植被生长的作用研究1-3。由于以往仅注重防止侵蚀的植被盖度与高度，出现了北方人
3、工植被土壤干燥化问题，自 20 世纪 80 年代以来，众多学者对黄土高原土壤干层的特征、成因及其分布等一系列问题进行了研究4-7。几乎所有的人工乔、灌林和紫花苜蓿等多年生豆科牧草都能显著消耗土壤深层水分，形成干燥层8，干层的出现显然不利于本区生态环境建设。 近年黄土高原地区果业发展迅速， 果园面积的不断增加是否造成土壤干化问题， 农田向果园的发展对环境的影响如何？目前这方面的研究很少， 本文就这一问题结合前人研究进行分析。2. 黄土高原果业发展黄土高原果业发展目前,我国已形成三大苹果主产区，渤海湾产区，辽宁、山东、河北三省是苹果老产区；黄河故道和秦岭北麓产区；西北、西南高地产区，是从 1972
4、 年建设苹果外销基地开始的，特别是西北黄土高原果区（陕、甘、晋、宁、青）8090 年代栽培面积增长很快（图 1） 。 因为自然条件优越，海拔高(600-1300 米)，光照充足，昼夜温差大(11.8-16.6)，土层深厚；1本课题得到中国科学院“百人计划”项目，国家自然科学基金（50479065） ，西北农林科技大学青年科研专项基金资助。http:/2生产规模大，集中连片；发展潜力大，果农生产积极性高，相关产业发展迅速。例如已形成的西北黄土高原苹果优势带，该区域包括陕西渭北地区、山西晋南和晋中、河南三门峡地区和甘肃的陇东地区，2000 年苹果总面积 1271.4 万亩，占全国的 34.16%；
5、产量 772.79 万吨，占全国的 38.19%；出口量 3.23 万吨,占全国出口量的 14.1%。本区 27 个优先扶持县栽培面积、产量为 726.3 万亩和 573.76 万吨，分别占全区的 57.13%和 74.25%。该区未来的发展目标：一是提高产量和质量。2007 年单产达到 933 公斤/亩左右，2012 年达到 1266 公斤/亩左右。2007 年优质果率达到 40%，2012 年达到 60%，果业已成为这些地区地方经济的主要组成部分。0100200300400500600700800858687888990919293949596979899 年千公顷山西 河南 陕西 甘肃图
6、 1 西北 4 省果园面积变化陕西渭河北部黄土高原被公认为苹果的世界最佳适生区。 权威部门的检测显示， 符合苹果生长的海拔、气温、湿度等项自然指标在这里均达到最优。近几年陕西省利用这一优势大力发展苹果产业，很快使全省苹果栽种面积超过 600 万亩，产量突破 400 万吨，远销 20多个国家和地区，苹果年销售收入突破 80 亿元，加上加工、贮藏业，整个苹果产业年产值超过 100 亿元。连绵不断的苹果园就像缠绕在黄土高原上的一条“红腰带” 。陕西省 2002年全年实现水果产量 514.7 万吨，其中苹果产量 392.16 万吨，实现果业增加值 40 亿元，占农业增加值的比重为 13.28% ，占种
7、植业增加值的比重为 21.78% ，较上年提高 3.38 个百分点。 苹果基地县洛川、彬县、周至、城固四个县种植水果的每亩收益在 500-1200 元之间（含税） 。农民人均果业纯收入最高的洛川为 1310 元，占农民人均纯收入的 56%9，可见果业的发展显著增加了农民收入。3. 果园建果园建设对环境的可能影响设对环境的可能影响3 3.1.1 土壤土壤深层深层水分消耗水分消耗土壤干层是黄土高原一种特有的生态水文现象， 土壤干层的不良影响可以分成近期和长远的。近期影响是指人工林生长不良，相当多的林木长成小老树；人工草地过早衰败，产草http:/3量低下甚至大面积死亡8。 李玉山10在渭北旱塬的试
8、验显示高产农田土壤深层水分的过渡消耗是导致产量波动的主要原因之一， 苜蓿草地深层干燥化导致生产力显著降低， 生长衰败11。在半湿润区人工植被的高密度粗放经营造成土壤水分长期亏缺， 导致土壤干化， 森林植被失去涵养水源的生态功能；黄土高原地区“小老树”形成的主导因子是缺水、缺肥，热量不足12。在林草植被过渡耗水情况下，土壤含水量处于极度亏缺状态，经过雨季可以部分得到补偿，但是降雨的入渗补偿深度有限，得不到补偿的土层土壤含水量长期处于较低水平，形成土壤干层。孙长忠等认为土壤干化层的形成，并非林木生长的必然现象，而是人为高密度粗放经营，造成了水分长期亏损的累积结果。且随着亏损程度的加剧,干化层逐渐上
9、移，干化层的存在,严重地阻碍了植物对深层水分的利用，使现有植被仅能利用当年的降雨而生存。从而使林分完全处于干旱气候的威胁之中，抗灾(旱)稳定性大为降低13。最近，杨文治等对黄土高原土壤干燥化问题从地质、 土壤物理学与气候等进行了分析论述， 认为土壤干层是干扰和破坏植被演替序列及其土壤水分生态基础造成的后果14。相对于注重水土保持与环境改善的人工林草植被方面研究而言， 关于黄土区果园耗水与土壤水分方面的研究较少， 据陈锡云等研究黄土丘陵区果树蒸散耗水在410 月间的变化呈双峰型， 在果树生理最大需水期与果实成熟后的枝条旺盛生长期15。 干旱的气候环境条件下，成龄苹果树的耗水量大部分以土壤蒸发形式
10、损失16。果园作为一种特殊的人工植被，其大面积的种植，增加了黄土高原地区的地表覆盖度，并在一些地区有保水保土作用。但是它作为经济林，高投入高产出是其特点，由于果树根系发达，产量高生物量大，其强烈的蒸腾耗水作用比一般农作物都高，农田大面积改种苹果，势必加剧苹果生长的水分供需矛盾；据黄明斌等研究17， 由于苹果树对土壤深层水的过渡消耗， 导致土壤水调节干旱的作用减弱或丧失，苹果树产量受年际降水的显著影响。我们的研究发现渭北旱塬半湿润半干旱区10-15龄苹果园土壤深层含水量与15年左右人工苜蓿草地接近，形成低湿层18。黄土高原沟壑区小流域土壤干层的干燥化程度和干层厚度都表现为林地大于果园， 果园大于
11、草地， 农地最小19。朱德兰等对陕西延安与淳化两地果园的研究表明， 如果以60田间持水量作为水分亏缺的标准，两地果园均出现缺水现象20。而目前黄土高原旱地果园基本上没有成熟的灌溉系统，干旱显著影响果园生产力提高。国外的研究表明灌溉可以显著影响果园的水分循环与生产力，Michelakis等发现少量灌溉就可以显著延缓土壤达到萎蔫湿度的时间21， 国内一些研究表明集雨滴灌、渗灌补水、树冠微喷及地表覆盖等技术可以应用于干旱果园，增加土壤含水量，提高产量22,23。综上所述，分布于黄土区的果园由于耗水量高于一般农田，势必显著消耗本区的生态用水， 而果园是否会象其它的人工林草地形成土壤干层， 还需要进一步
12、深入调查研究。3 3.2.2 对对区域水循环的影响区域水循环的影响http:/4果园建设的整地等措施将增加降水的入渗， 影响降水产流的关系。 黄土区果园面积的不断增加将显著影响区域的水量转化， 加强地表大气水分小循环， 削弱降水转化为地表水与地下水的比例。农田改种苹果后,苹果地的高入渗率、高植被覆盖度将改变区域降雨产流关系,减少河川径流量17。由于具有巨大水分亏缺量的干层成为水分传递的隔离层，中断了降水垂直入渗补给地下水的路径，可以认为，在黄土高原气候和下垫面条件下，林地截留地表径流，渗入土壤中的水分，复又以蒸腾形式进入水分小循环，几乎不能转化为地下水2。位于黄土高原高原沟壑区的长武试验区，
13、近年土地利用变化的主要特点是农田、 草地面积所占比重的减少和林果面积迅速增加。同样降雨类型，1996 年流域下垫面状况下的产水量比1986 年少产水5.75103m3， 2010 年产水量将比1986 年少产水5.9104m3， 产水量减少的直接后果使流域汇入河流的水量减少， 引起水循环路径改变， 加剧了河段断流与干旱灾害发生24。因此，黄土高原地区土地利用结构的调整，特别是果园发展迅速地区，区域水循环的变化应给予一定重视。3 3.3.3 氮素平衡与氮素平衡与在土壤中的累积在土壤中的累积陕西乾县34个果园土壤样品的测定结果显示， 果园施氮过多而施钾不足， 钾的缺乏影响其它营养元素的吸收25。陕
14、西咸阳地区果园土壤中有机质、氮素平均含量虽略有提高, 但仍显不足，磷素平均含量上升幅度较大，80%土样有效磷含量中等或中等以上。钾素含量明显减少，缺钾面积不断扩大26。而马英利等的测定表明陕西很多苹果园土壤养分贫瘠仍然是苹果生产的限制因素， 特别是有机质含量低下27。 陕西省苹果大县洛川果园速效氮含量有所下降，速效磷含量明显上升，速效钾含量普遍下降，缺钾面积不断扩大， 土壤有机质含量略有提高28。山西省绝大多数果园土壤处于氮、磷、钾养分不足或缺乏状态；从施肥实践分析，普遍存在多施或偏施氮肥的倾向，磷钾肥料投入不足29。可见果园肥料施用的不平衡现象明显，氮素肥料投入过多或因缺乏其它营养元素导致氮
15、素利用率不高现象较普遍。氮素肥料施用造成的环境问题已被广泛研究重视， 对氮肥以硝酸盐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30，31，而雨养农田土壤深层硝态氮的累积已有报道32，33。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18，34。北方地区农田土壤氮素累积受降水、作物、施肥等因素的综合影响， 但是主要的原因是氮素肥料用量与方法的不合理。 据吕殿青等32在陕西关中的调查，8 年以上果园 0-4m 硝态氮总量达到 3414 kg/hm2，高产农田仅 537 kg/hm2。我们在渭北长武塬的调查显示苹果园 0-4m 硝态
16、氮总量 5-34 龄果园从 1204 kg/hm2增加到 3412kg/hm2，个别果园达到 6205 kg/hm2，而附近的高产农田为 502 kg/hm2 35。在黄土高原沟壑区坡地果园硝态氮累积显著高于当地农田，7 龄果园，1-2m 土层硝态氮累积量接近250kg/hm2，15 龄果园增加到 1400 kg/hm2 36。显然果园氮素施用过量问题远远超过农田，http:/5因为农民从果园获得较大的经济效益， 驱动他们不断增加施肥量。 据刘侯俊等对陕西主要果树施肥调查显示，红富士苹果氮磷肥施用超量，梨过量更加严重，氮磷用量增加甚至导致产量降低37，果园氮肥过量使用问题与地区差异很大38。而累积在土壤中的大量氮素的去向问题还不
