位于黄土高原的渭北旱塬自然条件得天独厚，是苹果的优生区域，为中国苹果生产的两大主产区之一，苹果产业成为增加农民收入、促进区域经济发展、改善生态环境的支柱产业^[1]。但该区无灌溉条件，降雨量少且分布不均，地下水位深，属于典型的雨养农业区^[2]，再加上清耕为主的果园水分管理方式，使土壤蒸发强度增大，水分成为限制苹果产业发展的关键因素。除水资源不足外，土壤贫瘠，供肥保肥能力差，长期过量施用化肥特别是氮肥，导致土壤氮负荷增加、土壤养分不平衡、肥料利用率低、深层土壤硝态氮大量累积、环境污染严重^[3]，也是限制苹果产业发展的另一主要因素。因此，优化旱地果园水肥管理，是该区苹果产业健康持续发展的关键。

合理施肥或有效的保墒措施在提高土壤保水保肥能力、改善土壤结构、保护生态环境方面有着重要作用，前人已做了许多有益的探索。很多研究提倡有机无机肥配施，指出有机、无机配施能增加土壤贮水量^[4]，降低硝酸盐淋溶^[5]，提高化肥利用率^[6]，促进果树生长、改善果实品质、增加苹果产量^[7]。但有机肥养分含量低，肥效平缓，用量的差异会对化肥肥效产生不同影响。在果园覆盖措施上，地膜覆盖不仅能改善土壤水热状况等外部生态环境^[8]，还能降低NO₃^--N淋溶，增加0~100 cm土层NO₃^--N累积量^[9]；果园生草能降低深层土壤水分变异性，提高土壤涵养水源能力^[10-12]，但生草与果树在旱季存在水分竞争^[13]。因此，种植模式选择行间生草树盘覆盖的二元模式^[14]，能增加土壤水分含量^[15-16]。目前的研究多集中在单一的施肥或覆盖技术上，而将合理施肥与覆盖保墒相结合的研究在渭北旱地果园鲜有报道。因此，本研究在前人工作的基础上，优化果园施肥与覆盖措施，在陕西渭北旱塬苹果优生区设置了大田试验，通过增施有机肥、调整化肥基追比、树盘覆黑色膜、行间种植小油菜等施肥与覆盖措施的集成来研究果园水热特征及硝态氮累积量，旨在筛选出适合当地降雨与栽培制度的旱地果园增产增效的水肥管理模式，为旱地果园可持续生产提供可行的技术途径。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

试验于2012年10月至2015年10月在陕西省白水县田家洼村苹果千亩示范园进行，该园区地处陕西省渭北旱塬（109°16′～109°45′E，35°4′～35°27′N），年均降雨量570 mm，且集中在7—9月，冬春易干旱少雨，年均气温11.4 ℃，无霜期207 d左右。供试果园面积2001 m²，果园地势平坦，无灌溉条件，土壤为黄绵土，供试地块试验前基本性质：0~20 cm土层有机质12.91 g·kg^-1，全氮0.65 g·kg^-1，硝态氮18.10 mg·kg^-1，速效磷35.56 mg·kg^-1，速效钾115 mg·kg^-1；20~40 cm土层有机质7.12 g·kg^-1，全氮0.46 g·kg^-1，硝态氮34.34 mg·kg^-1，速效磷6.81 mg·kg^-1，速效钾49.22 mg·kg^-1。

1.2 试验材料

供试苹果品种为长富二号，富士系列，基砧为M26，果树为12年树龄，株行距3 m×4 m，树形均为自由纺锤形。绿肥作物为小油菜。

1.3 试验设计

试验于2012年果实采收后布置，共设置农户模式（FM）、现有模式（EM）及优化模式（OM）三个处理，每处理3次重复，每个重复20棵树，即每个处理60棵树，面积667 m²。休眠期树盘覆黑色膜，幼果期行间种植小油菜，成熟期翻压于果园。施用无机肥为尿素（N 46%）、磷酸二铵（P₂O₅ 18%，N 46%）和硫酸钾（K₂O 50%），有机肥为猪粪（有机质32.50%，N 6.01 g·kg^-1，P₂O₅ 4.02 g·kg^-1，K₂O 4.41 g·kg^-1）。具体施肥方案见表 1。

1.4 取样及测定 1.4.1 土壤含水量

每个处理选取长势一致的果树，在树冠外围垂直投影处（行间）和距离树干40 cm左右（树盘）处设置取样点，共取6个重复样。于2013年6月到2015年9月（苹果各生育期）每月月末，用土钻对0～300 cm土壤进行分层（20 cm）取样（2013年采样深度200 cm），取样后立即带回实验室称鲜土重，求出土壤质量含水率。根据质量含水量和容重计算土壤贮水量：

土壤贮水量（mm）=土壤质量含水量（%）×土壤容重（g·cm^-3）×土层厚度（cm）×0.1

1.4.2 产量

在苹果成熟期每个处理随机选定9棵树，用TCS120S电子称分别称量每棵树苹果产量。

1.4.3 水分利用效率

WUE=Y/ET

ET=P-△W

式中：WUE为水分利用效率，kg·hm^-2·mm^-1；Y为苹果产量，kg·hm^-2；ET为全生育期作物总耗水量（蒸散量），mm；P为苹果生长季的有效降雨量，mm；△W为时段末与时段初田间土壤贮水变化量，mm。

1.4.4 土壤温度

采用RM-003型直角地温计，分别于开花期（4月20—23日）、膨果期（7月25—27日）、成熟期（10月3—6日）测定各处理5、10、15、20、25 cm土层土壤温度，3次重复。5~25 cm处的土层温度日变化分别在8：00、10：00、12：00、14：00和18：00进行监测，连续监测3 d（晴天）并取其平均值作为该时期的地温值。

1.4.5 土壤NO₃^--N累积量

称新鲜土样5.00 g，加入1 mol·L^-1 KCl溶液浸提，振荡1 h后过滤，用AA₃（Auto Analyzer 3）连续流动分析仪测定滤液中的NO₃^--N的含量。

土壤NO₃^--N累积量（kg·hm^-2）=土层厚度（cm）×土壤容重（g·cm^-3）×土壤NO₃^--N含量（mg·kg^-1）/10

1.5 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2007和DPS 7.05软件进行统计分析，并用LSD法进行差异显著性多重分析（P<0.05）。

2 结果与分析 2.1 不同水肥管理模式对0~200 cm土层土壤贮水量年变化的影响

不同管理模式对根系区土壤贮水量的影响如图 1所示。可以看出，三种模式下0~200 cm土层贮水量随降雨量而变化，不同年份由于降雨量不同贮水量差异较大。2013年降雨分布主要集中在7月，2014年、2015年集中在9月。农户模式、现有模式、优化模式的贮水量在2013年时6月最低，分别为356、368、396 mm，7月最高，分别为418、423、505 mm；2014年时7月出现最低值，分别为331、362、380 mm，9月出现最高值，分别为377、497、542 mm；2015年时8月最低，分别为316、332、355 mm，3月最高，分别为432、454、481 mm。研究时段内不同覆盖措施下0~200 cm土层平均贮水量表现为优化模式（433 mm）>现有模式（409 mm）>农户模式（378 mm），优化模式显著高于农户模式，较现有模式、农户模式分别增加6.1%、14.6%，说明优化模式保墒效果高于现有模式与农户模式。

2.2 不同水肥管理模式下土壤水分垂直变化特征

3月份果树处于萌芽期，降雨量少，果树萌芽所需的养分与水分主要来自上年储存的营养。7月份随着果树叶面积增大及温度的升高、降雨量的减少，果园水分进入临界期，该时期果园水分含量的高低影响着果实的膨大与内在品质的形成。进入10月份温度降低、降雨量增多，果园水分的蒸发与果树的蒸腾作用均减弱，土壤水分进入蓄水期，该时期的土壤水分影响着来年果树生长。因此，选择3月、7月、10月来研究土壤水分的动态变化。此外，与大田不同，果园施肥具有不均匀性，采样点的不同会直接影响果园水分含量，本研究选择在树盘与行间进行采样，对不同时期不同位置的水分含量与变异性进行分析（以2014年数据为例）。

如图 2a所示，在萌芽期（3月），0~80 cm土层，土壤含水量表现为优化模式>现有模式>农户模式，优化模式含水量较农户模式、现有模式分别提高17%、10%。80~220 cm土层，各个处理土壤含水量均有增加趋势，优化模式显著高于农户模式与现有模式。220~300 cm各处理土壤含水量基本保持稳定，优化模式略高于农户模式与现有模式，但差异不显著。比较树盘与行间水分变化，可以看出，0~40 cm土层，树盘含水量高于行间，优化模式树盘显著高于农户模式与现有模式。40~300 cm土层，树盘与行间差异不显著。

在膨果期（7月），表层含水量较萌芽期有增加趋势，但随着土层加深，各个处理含水量显著降低（图 2b）。0~60 cm土层含水量表现为优化模式（21.24%）>现有模式（19.12%）>农户模式（18.36%）。60~220 cm土层，土壤含水量出现先降低后增加的趋势，优化模式含水量最高，较农户模式、现有模式分别增加29.3%、14.2%。220~300 cm土层，各个处理间差异不显著，基本上保持稳定。分析树盘和行间水分变化可以看出，树盘0~60 cm土层中，优化模式（20.98%）>现有模式（19.67%）>农户模式（16.75%），优化模式与现有模式差异不显著。行间优化模式显著高于农户模式与现有模式，较农户模式、现有模式分别增加15.7%、8.2%。

在成熟期（10月），0~80 cm土层平均含水量表现为农户模式（22.52%）>现有模式（21.41%）>优化模式（20.80%），80~200 cm土层各个处理含水量基本保持稳定趋势，优化模式平均含水量最高（23.26%），较农户模式、现有模式分别增加8.9%、2.5%。200~300 cm土层各处理含水量有降低趋势（图 2c）。分析树盘行间水分含量可以看出，三个处理在0~60 cm土层平均含水量表现为树盘（21.15%）<行间（21.52%），在60~300 cm土层表现为树盘（21.48%）>行间（21.01%）。

不同管理模式下土壤含水量变化统计分析结果如表 2所示。三个时期优化模式的土壤平均含水量（0~300 cm土层垂直平均）均高于农户模式，水分剖面变异系数（CV）小于农户模式。萌芽期优化模式含水量显著高于农户模式与现有模式，CV为4.45%；膨果期各个处理含水量无显著差异，优化模式CV最小；成熟期优化模式含水量显著高于现有模式与农户模式，CV最小为5.81%。可见，优化模式能有效提高土壤剖面水分含量，减小剖面水分的变异性，保墒效果优于农户模式与现有模式。

2.3 不同水肥管理模式对果树水分利用效率的影响

2013年、2014年和2015年果树生育期降雨量分别为402、448、352 mm。不同施肥与覆盖措施对2013—2015年果实产量与水分利用率的影响见表 3。

2014年的产量最高，2013年产量最低，2015年处于中间水平。三年平均产量最高的为优化模式，较农户模式、现有模式分别增产33.6%%、20.1%。不同管理措施下果园水分利用率以2014年为最高，三个处理较2013年分别提高131%（农户模式）、74%（现有模式）和68%（优化模式），2015年较2014年有所下降，但高于2013年的水分利用率，三个处理较2013年分别增加28.9%（农户模式）、5.1%（现有模式）和20.1%（优化模式）。优化模式的三年平均水分利用率最高，较农户模式、现有模式分别提高42.6%、28.9%。

2.4 不同施肥与覆盖措施下关键物候期土壤温度的日变化

不同覆盖措施下5~25 cm土层开花期、膨果期及成熟期的土壤平均温度的日变化如图 3所示。在开花期，农户模式（15.7 ℃）的日均温低于现有模式（17.2 ℃）与优化模式（16.9 ℃），但处理间差异不显著。最低温出现在早晨8：00，现有模式显著高于农户模式，最高温出现在14：00，各个处理间差异不显著。农户模式下日均温变异系数最大（13.6%），优化模式变异系数最小（11.5%）。进入膨果期太阳辐射增强，温度升高，表层土壤干燥疏松，土壤透气性增强，使得土壤日均温持续稳定，波动最小。5~25 cm土层日均温表现为现有模式（25.3 ℃）>优化模式（23.7 ℃）>农户模式（23.4 ℃）。现有模式温度变异系数最大，为13.8%，优化模式最小，为9.3%。日均温最高值出现在16：00，以现有模式下为最高（30.6 ℃），显著高于优化模式（25.1 ℃）与农户模式（25.5 ℃）。到成熟期，优化模式（13.9 ℃）与现有模式（13.8 ℃）日均温均显著高于农户模式（12.2 ℃）。现有模式与农户模式的最高温出现在12：00—14：00，优化模式出现在14：00—16：00，温度变异系数大小顺序为现有模式>农户模式>优化模式。

2.5 不同施肥与覆盖措施下0~300 cm土层的NO₃^--N累积量

如图 4所示，在0~120 cm土层，农户模式、现有模式及优化模式3月份NO₃^--N累积量分别为503.9、451.9、724.2 kg·hm^-2，10月份NO₃^--N累积量分别为732.1、826.3、1 010.1 kg·hm^-2，成熟期优化模式NO₃^--N累积量较农户模式和现有模式分别增加277.9、183.7 kg·hm^-2。在120~300 cm土层，农户模式、现有模式和优化模式3月份NO₃^--N累积量分别为956.2、910.3、1 042.8 kg·hm^-2，10月份分别为1 724.3、1 680.6、1 653.1 kg·hm^-2，成熟期优化模式NO₃^--N累积量较农户模式、现有模式分别降低71.3、30.0 kg·hm^-2。可见，优化模式能有效调控0~120 cm土层NO₃^--N向下淋溶，增加0~120 cm土层NO₃^--N累积量，从而降低成熟期深层土壤NO₃^--N累积量。

3 讨论 3.1 不同管理模式对果园土壤水分的影响

土壤贮水量的变化是土壤内部水分向上蒸散、向下渗透及其与大气降水共同作用、动态平衡的结果^[20]。在无灌溉的旱地果园土壤水分主要来自大气降雨的补给，受降雨季节性变化的影响，土壤水分也存在着明显的季节性变化特征^{[17, 21]}。本研究的结果表明，不同年份由于生育期降雨量不同，土壤贮水量变化差异较大，三年贮水量最低值均出现在果树膨果期需水量较大但降雨量较少的时期，最高值出现在成熟期或萌芽期果树需水量较少的时期。优化模式在二元覆盖及养分调控的条件下更能有效提高土壤整体贮水量，优化模式三年均值较农户模式与现有模式分别提高14.6%、6.1%。优化模式较高的贮水量是由于施入较多有机肥，降低了土壤容重，疏松土壤孔隙，增加土壤水库容量，同时优化模式行间套种小油菜可以有效减少株间土壤水分蒸发，增加贮水量，降低水分亏缺程度^[22]。

不同施肥与覆盖措施对不同时期土壤的保墒效果不同。2014年萌芽期降雨量14.6 mm，果树需水量少，根系生长缓慢，优化模式与现有模式保温保墒效果好，土体内部水分运移较快，表层含水量高于农户模式，100~300 cm土层土壤水势起主导作用，水分保持稳定。由于树盘进行覆膜处理，其含水量高于行间。2014年膨果期降雨量47 mm，气温升高，降水不足，深层水分在蒸腾拉力的作用下不断向表层运移，土壤水分输出大于输入，土壤水分整体上呈降低的趋势。优化模式与现有模式的覆盖措施能起到防止土壤水分蒸发的作用，但优化模式0~300 cm土层平均含水量高于现有模式，主要是由于优化模式在幼果期行间种植生物量小、根系分布浅的小油菜，到膨果期长大的小油菜能起到遮阴的效果，稳定了果园微域环境，李国怀^[10]等研究指出，柑橘园在种植白喜根和白三叶的条件下，7—11月果园土壤含水量较对照分别提高2.1%和1.0%；张先来^[23]等研究指出，果园生草能提高0~60 cm土层土壤贮水量，较对照提高5.79%。他们的研究与本研究结果均一致。到成熟期降雨量增加，果树耗水量降低，土壤水分含量逐渐增加，但在表层优化模式与现有模式含水量低于农户模式，主要是因为：一方面优化模式与现有模式条件下果实产量高，耗水量大，导致主根区水分含量低；另一方面，优化模式行间种植小油菜，到果实成熟期油菜生物量的增大会消耗部分水分，综合导致优化模式含水量较低。优化模式深层含水量高于现有模式与农户模式，说明优化模式在行间套种小油菜、增施有机肥的条件下能增大土壤孔隙，促进降雨入渗，在防止深层土壤干燥化的过程中起积极作用。

本研究结果显示，三年间优化模式产量较农户模式与现有模式平均增加33.6%、20.1%，主要原因是经过三年的施肥与覆盖，果园微域环境基本稳定，优化模式施入大量有机肥显著提高了土壤有机质，再加上合理的肥料配比，不仅能供给果树生殖生长与营养生长所需的大量营养元素，还能向土壤输送大量的生物活性物质，为作物提供了一个丰富、长效的营养环境^[24]。优化模式三年平均水分利用率较农户模式、现有模式分别提高42.6%、28.9%，也说明有机肥配合合理的氮磷钾能促进果树地上、地下部分协调生长，促进根系对水分的吸收利用，提高果树的光合速率与蒸腾作用^{[18, 25]}，进而提高水分利用率。

3.2 不同管理模式对果园土壤温度的影响

理想的地表覆盖有利于果树的生长和对水肥的吸收利用，不仅能调节环境温度、湿度，还能降低极端温度对果树生长的影响。土壤中水热运动是相互影响的，土壤水分影响土壤热容量及导热率，从而影响土壤温度，同时土壤温度的变化也会影响土壤水分运动^[26]。本研究结果显示，开花期优化模式与现有模式平均温度较农户模式分别升高1.2、1.5 ℃，主要是因为覆膜阻隔了土壤与水分的外界交换，增大了土壤含水量与热通量，消弱了土壤与外界的热量交换^[27]。有研究指出果树毛细根20~60 cm土壤中，最适温度为20~26 ℃，超过30 ℃根系的生长就会受到限制^[19]。由于膨果期太阳辐射增强，现有模式下树盘所覆盖的黑色膜吸热作用显著且膜下难以散热，再加上行间清耕，最高温度达到30.7 ℃，地温超过了果树根系生长的最适范围，不利于果树的正常生长，而优化模式在行间种植的小油菜在膨果期迅速生长，能起到遮阴效果，最高温较现有模式降低4.0 ℃。到成熟期，优化模式与现有模式的日均温高于农户模式，但优化模式的最高温持续时间长于现有模式，且优化模式下温度变异系数最小。主要原因是行间小油菜能增大土壤容积热容量与导温率，削弱太阳长波辐射，降低能量的净支出，从而降低了温度日变化^[28]。

3.3 不同管理模式对果园土壤NO₃^--N累积量的影响

王小英等^[29]研究指出，陕西果园平均施氮量927.2 kg·hm^-2，高于专家推荐施氮量2倍以上，高于国外果园施氮量6~8倍，因而增加了土壤氮环境负荷，盈余的氮素主要以NO₃^--N的形式累积在土壤剖面，形成了危险的生态环境隐患。范鹏等^[30]研究指出，白水县12~16年树龄的果园深层土壤出现明显的NO₃^--N累积现象。吕殿青等^[31]研究指出，8年以上苹果园深层NO₃^--N累积量在0~2 m和0~4 m内分别达1602、3414 kg·hm^-2。因此，降低深层NO₃^--N累积量是实现农业和生态环境可持续发展的关键。本研究结果显示，在成熟期，优化模式能显著增加0~120 cm土层NO₃^--N累积量，较农户模式、现有模式分别增加277.9、183.7 kg·hm^-2，同时能减少NO₃^--N向深层淋溶，120~300 cm土层NO₃^--N累积量较农户模式、现有模式分别降低71.3、30.0 kg·hm^-2。可见，优化模式通过增施有机肥和合理氮磷钾配比能有效降低NO₃^--N由于降水而引发的深层淋溶风险，与邢素丽等^[6]研究有机无机配施对土壤养分环境效应的结果一致。而120~300 cm土层，农户模式NO₃^--N累积量高于优化模式主要是因为农户模式长年单施化肥，土壤保水保肥能力降低，养分难以被果树根系吸收，从而脱离根区在深层累积。

4 结论

（1） 优化模式能显著提高0~200 cm土层土壤贮水量，贮水量的提高是合理施肥与适宜保墒措施共同作用的结果。优化模式能提高浅层土壤含水量随时间变化的稳定性，增加降雨入渗，缓解深层土壤干燥化现象，提高果实产量，同时提高水分利用率。

（2） 增施有机肥、调整氮磷钾配比配合行间生草、树盘覆膜的集成措施能增加成熟期0~120 cm土层NO₃^--N累积量，降低120~300 cm土层NO₃^--N累积量，优化模式是渭北旱地果园改善生态环境、获得高产的最优果园管理模式。