黄土高原半干旱区不同密度山地苹果园水分生产力模拟

采用修订WinEPIC模型,模拟研究了陕西延安和甘肃静宁1965-2009年7种不同密度处理山地苹果园产量和深层土壤水分效应.结果表明：各密度处理4～45年生果园产量均呈现初期快速增加,达到最大值后又逐年波动性降低趋势;果园密度越高,初期产量增加越快,后期产量随降水量年际波动越剧烈.各密度处理果园遭受干旱胁迫规律基本一致,即生长前期无干旱胁迫,随种植年限延长干旱胁迫波动性加剧,生长后期干旱胁迫日数与年降水量波动趋势相反.生长初期,各密度处理果园0～15 m土层逐年土壤有效含水量均呈现波动性强烈降低趋势,延安和静宁分别在17～22年生和13～20年生之后土壤有效含水量维持在0～600 mm的较低水平.各密度处理果园0～15 m土层土壤湿度剖面分布特征相似：均经历了土壤湿度逐年降低和土壤干层逐年加厚的干燥化过程,土壤稳定干层深度可达12 m.基于0～15 m土壤有效水分含量和4～45年果园产量模拟结果确定,延安和静宁果园适宜种植密度分别为650～800和550～700 株·hm^-2.
     

黄土高原不同类型旱区苜蓿草地水分生产潜力与土壤干燥化效应模拟

在模型验证和数据库组建基础上,用WinEPIC模型定量模拟研究了黄土高原半湿润区长武、半干旱区固原和半干旱偏旱区海原20～30年内苜蓿草地水分生产潜力、10m土层土壤有效含水量和土壤湿度剖面分布特征的动态变化.结果表明:长武、固原和海原苜蓿草地水分生产潜力模拟值随降水量变化而呈现波动性降低趋势,其平均值分别为8.81、3.83和2.48t.hm-2;长武、固原和海原苜蓿草地10m土层逐月土壤有效含水量模拟值均呈现明显的波动性降低趋势,模拟初期,4～8年生苜蓿草地土壤干燥化趋势十分强烈,此后,随降水量变化长期在较低水平上波动;随着苜蓿生长年限的延长,苜蓿草地土壤干层逐年加深、加厚,长武、固原和海原土壤干层分布深度达到10m所需时间依次为6、6和4年,此后苜蓿草地降水渗深以下土层长期维持较为稳定的干燥化状态;苜蓿草地水分持续利用的合理年限为半湿润区8～10年,半干旱区6～8年,半干旱偏旱区4～6年.     

黄土高原半干旱和半湿润地区刺槐林地生物量与土壤干燥化效应的模拟

 黄土高原人工刺槐(Robinia pseudoacacia)林地深层土壤干燥化现象普遍发生, 日益严峻地威胁着人工植被建设成效。分析和比较半干旱和半湿润地区刺槐林地生物量演变趋势、深层土壤干燥化发生规律和区域分布特征差异, 能够为黄土高原因地制宜地营造刺槐林提供科学依据。在WinEPIC模型气象、土壤和作物参数数据库组建与模拟精度验证的基础上, 应用WinEPIC模型模拟研究了1957–2001年黄土高原半湿润地区洛川和长武、半干旱地区延安和固原等地1–45年生刺槐林地生物量演变规律和深层土壤干燥化效应。结果表明: 洛川、长武、延安和固原的刺槐林地连年净生产力模拟值在5–8年生时达到最大值后, 随着降水量年际波动呈现出明显的波动性降低趋势, 其平均值分别为5.33 × 10³、4.56 × 10³、4.03 × 10³和3.35 ×10³ kg·hm^–2·a^–1; 1–7年生刺槐林地年耗水量高于同期年降水量, 导致林地0–10 m土层土壤强烈干燥化, 洛川、长武、延安和固原刺槐林地年均土壤干燥化速率分别为164.3、165.7、187.1和190.0 mm·a^–1, 8–45年生刺槐林地有效含水量在0–250 mm的较低水平上随降水量变化而波动; 1–9年生刺槐林地0–10 m土层土壤湿度剖面分布变化剧烈, 土壤湿度逐年降低且土壤干层逐年加厚, 7–9年生时土壤干层厚度已经超过10 m, 8–45年生刺槐林地2–10 m土层土壤湿度保持相对稳定的干燥化状态; 洛川和长武刺槐林地水分生产力较高且相对稳定, 刺槐林地生长期可以超过45年; 而延安和固原刺槐林地水分生产力较低且稳定性差, 刺槐林稳定生长期不超过40年。     

黄土高原不同密度刺槐（Robinia pseudoacia）林地水分生产力与土壤干燥化效应模拟

应用WinEPIC模型模拟研究了1957～2001年期间黄土高原半湿润区长武和半干旱区延安不同密度刺槐(Robinia pseudoacia)林地水分生产力演变规律和深层土壤干燥化效应.结果:(1)长武和延安高密度(6000株/hm2)、中高密度(4500株/hm2)、中低密度(3000株/hm2)和低密度(1500株/hm2)等4种处理刺槐林地逐年生物量模拟值均呈现快速增加、达到最大值后又逐年波动性降低的变化趋势,林地密度越高早期逐年生物量越高,后期逐年生物量差异缩小,两地均以低密度处理逐年生物量平均值和累积生物量模拟值最高;(2)4种密度处理45年生刺槐林地年均耗水量值基本相等,长武和延安分别为603mm和566mm,但生长前期年耗水量明显高于后期,并高于同期年降水量,林地密度越高前期耗水量越高,中期以后各密度处理耗水量基本接近且波动趋势基本一致,林地密度越高干旱胁迫程度越重;(3)模拟生长初期,4种密度处理刺槐林地0～10m土层逐月土壤有效含水量均呈现强烈的波动性降低趋势,长武各密度处理刺槐林地分别在7～23年生、延安分别在7～17年生之后逐月土壤有效含水量均在0～200mm较低水平上随降水量变化而波动;(4)4种密度处理林地0～10m土层土壤湿度剖面分布年度变化剧烈,土壤湿度逐年降低且土壤干层逐年加厚,密度越高土壤干层加厚速度越快,长武在26年生、延安在17年生时低密度处理刺槐林地土壤干层厚度均已超过10m,此后2～10m土层土壤湿度保持相对稳定的干燥化状态;(5)长武和延安刺槐林地适宜种植密度分别以1500～3000株/hm2和1500株/hm2为宜,刺槐林地土壤水分可持续利用最大年限分别为26a和18a.     

黄土旱塬区苹果园土壤水分动态

选取黄土旱塬区盛果期果园,于2009-2013年对0～500 cm土层土壤含水量进行连续监测,了解其土壤水分动态变化规律.结果表明： 平水年,苹果园耗水主要发生在0～300 cm土层;年降水量小于400 mm时,果树主要消耗300 cm以下土层土壤水分;受年降水量和苹果耗水的共同影响,200～300 cm土层是土壤水分的最大波动层;苹果园4-6月底季节性干旱明显,土壤水分的蓄积主要发生在7-10月中旬,该期的土壤蓄水能有效缓解下一年的春季干旱.     

黄土高原不同降水量区苹果园土壤干燥化效应及生产水足迹模

为探明黄土高原地区旱作苹果园深层土壤干燥化效应和生产水足迹动态变化,选择半湿润区洛川和半干旱区米脂两个典型苹果种植区,采用WinEPIC模型定量模拟分析两个区域1980—2020年旱作苹果园0～15 m土壤水分动态变化和苹果生产水足迹演变规律。结果表明: 洛川和米脂成龄果园年产量大致呈“S”型趋势变化,年均值分别为24.64和18.42 t·hm^-2;年均蒸散量分别为623.82和458.97 mm,年均干旱胁迫日数分别为20.4和52.73 d,年均水分过耗量分别为167.94和121.15 mm。洛川1～25龄、米脂1～23龄果树土壤有效含水量下降趋势明显,土壤干燥化速率分别为64.6和68.03 mm·a^-1;洛川和米脂深层土壤干层形成的时间为第13年和第7年,并分别于第23年和第22年后达到稳定,降水量高的地区形成和达到稳定土壤干层的时间较晚,如果土壤水分长期处于亏缺状态,最终会形成不可逆转的土壤干层。洛川和米脂苹果生产水足迹均呈前期低后期高的特征,年均生产水足迹值分别为0.187和0.194 m³·kg^-1。苹果产量和生产水足迹受降水影响,在水资源短缺的黄土高原地区,为了苹果产业能够持续健康发展,建议苹果树最佳种植年限为23年左右,最多不应超过25年。     

渭北旱塬小麦产量和土壤水分对保护性耕作的响应模拟

在模拟精度验证基础上,应用WinEPIC模型长周期定量模拟研究了1980—2009年渭北旱塬连作麦田夏闲期深松、免耕和翻耕等保护性耕作对冬小麦产量和土壤水分的影响.结果表明:在30年模拟研究期间,不同耕作方式下渭北旱塬冬小麦产量和年度耗水量呈波动性下降趋势,深松处理产量和水分利用效率最高,30年平均值分别为3.33 t·hm-2和8.50kg·hm-2·mm-1,其次为翻耕,免耕效果最差;深松处理麦田年度耗水量稍高于免耕和翻耕,冬小麦田0~3 m土层土壤有效含水量呈现强烈的季节性波动降低趋势,免耕处理蓄水保墒效果最好,0~3 m土层土壤有效含水量平均为89.5 mm,深松次之,翻耕最差.麦田0~1 m土层土壤湿度随季节降水呈波动性变化,1~3 m土层土壤湿度较为稳定,不同耕作处理间差异不大.长期连作小麦田深松处理的产量和水分综合效应最好,为渭北旱塬麦田最适宜的保护性耕作模式.     

陇中黄土高原半干旱区苜蓿地土壤干燥化特征及适宜种植年限

研究了陇中黄土高原半干旱区不同种植年限紫花苜蓿地土壤水分特征及适宜种植年限.结果表明： 3、8、12和14年生苜蓿地0～300 cm土层土壤平均含水量均明显低于当地土壤稳定湿度值.12和14年生苜蓿地0～300 cm土层土壤含水量仅为9.2%和7.1%,甚至低于作物有效水分下限.1、3、8、12和14年生紫花苜蓿地0～300 cm土层干燥化指数分别为125.4%、30.5%、18.4%、-34.2%和-83.3%,除1年生苜蓿地土壤无干燥化现象之外,其余种植年限苜蓿地土壤均呈不同程度的干燥化.随苜蓿种植年限的延长,土壤干燥化程度加剧,但干燥化速率呈减缓趋势.综合苜蓿生产力动态和土壤水分状况,该区紫花苜蓿适宜的种植年限为8～10 年.     

黄土高原不同干旱类型区苜蓿草地深层土壤干燥化效应

田间实地测了黄土高原不同干旱类型区不同生长年限苜蓿草地0～1000cm土层土壤湿度,分析和比较了各类苜蓿草地深层土壤干燥化效应特征。结果表明,在半湿润区、半干旱区和半干旱偏旱区,各类苜蓿草地土壤湿度平均值分别为10．84％、7．07％和5．45％,明显低于当地土壤稳定湿度值和荒草地土壤湿度值,土壤水分过耗量分别为540．2、641．1mm和455．0mm,平均土壤干燥化速度分别为61．2、101．9mm/a和99．0mm／a;3种类型区各类苜蓿草地年降水入渗深度分别为187．8、144cm和173cm,降水入渗深度以下深层土壤湿度保持稳定的干燥化状态;土壤干燥化强度随苜蓿草地生长年限延长而加剧,3年生苜蓿草地为中度干燥化强度,土壤干层厚度达到500～760cm,4年生以上苜蓿草地已达到严重干燥化和强烈干燥化强度,土壤干层厚度超过940～1000cm;通过粮草轮作使苜蓿草地土壤湿度恢复到当地土壤稳定湿度分别需要6、11a和18a以上。     

洛川苹果园土壤水分变化特征

全面掌握洛川果园的土壤水分环境特征,不仅可为苹果的园址选择、砧穗组合和改进土壤水分管理措施提供理论依据,而且对我国苹果产区果园提质增效具有借鉴价值.采用定点土壤水分连续监测法,对洛川苹果园的总体土壤水分环境以及不同生长年限、不同立地类型和乔、矮化果园的土壤水分分异特征进行分析.结果表明： 苹果树根际区 (0～200 cm)土壤水分普遍亏欠,且0～60 cm土层的水分亏欠小于60～200 cm土层;生长季0～60 cm土层贮水量与降水量的变化一致,土壤相对含水量大多<60%,季节性旱象严重;果园剖面土壤含水量变异系数随土壤深度加深而递减;随果园生长年限的增大,土壤剖面贮水量下降;在栽培密度一致的条件下,矮化果园5 m土层土壤含水量均高于乔化果园,而栽培密度大的矮化果园的土壤贮水量低于栽培密度小的乔化果园;塬地成龄果园的土壤水分含量最高,川地次之,台地相对较低.密度对果园土壤水分含量有很大影响,在栽培密度一致的条件下,采用矮化栽培能减少土壤水分消耗,显著提高果园土壤含水量;挖株降低栽培密度是维持苹果园土壤水分平衡、实现可持续发展的有效途径.     

黄土高原苹果园土壤水分及水分生产力模拟

以长武地区为例,采用WinEPIC模型模拟1980—2018年间黄土高原旱作苹果园地深剖面土壤水分和水分生产力变化动态,以期为该区苹果产业的可持续发展提供科学依据。结果表明: 长武地区苹果园年均产量为26.37 t·hm^-2,年均蒸散量为673.66 mm,年均水分生产力为4.07 kg·m^-3,成龄果树水分胁迫天数主要受降雨量影响,果树生长后期年均胁迫天数为46.46 d,深层土壤含水量最早于9龄果树开始接近凋萎湿度。长武地区苹果整个生长周期内供水量是对果园产量影响最大的因素,深层土壤有效水含量降低是制约果树生长中后期产量提高的最主要因素,在降水不足的年份果树会利用更深层土壤水分。当深层土壤可利用水分较少时,过多的降水并未被果树利用,而是转化为浅层土壤水分蒸发。对于成龄果树在年供水量低于500 mm或高于700 mm时都会造成产量的下降。针对不同生长时期的果园,在不同的降雨年份应该调整果园水分管理策略,可以通过补充灌溉、拦蓄集聚雨水、覆盖、修剪枝条等管理措施,降低果树非生产性耗水及自身奢侈性耗水,延缓深层土壤干层的出现时间,在保证果树生长的同时避免水资源的浪费。     

施肥方式和园龄对洛川苹果园土壤钙素退化的影响

为明确黄土高原苹果产区施肥方式和园龄对土壤钙素含量和钙素贮量的影响,本研究以位于世界苹果优生区的陕西省洛川县苹果园为研究对象,分别研究不同施肥方式和不同园龄苹果园0～100 cm土层土壤碳酸钙、水溶性钙和交换性钙含量及其贮量的变化特征.结果表明: 洛川县苹果园土壤钙素递减式退化现象严重,长期大量单施化肥苹果园土壤钙素退化现象明显大于化肥与农家有机肥配施苹果园,单施化肥苹果园比化肥与农家有机肥配施苹果园0～100 cm土层土壤碳酸钙、水溶性钙和交换性钙平均含量分别减少38.8%、25.4%和5.6%,3种形态土壤钙素贮量依次减少36.4%、26.0%和4.3%;苹果园土壤钙素退化程度随园龄增加不断加剧,园龄>25年苹果园比园龄≤10年苹果园0～100 cm土层土壤碳酸钙、水溶性钙和交换性钙平均含量分别减少48.8%、69.4%和39.5%,3种形态土壤钙素贮量分别减少40.8%、64.1%和33.0%.长期大量单施化肥和长期种植苹果树均对土壤碳酸钙、水溶性钙、交换性钙有明显的耗竭作用,钙素递减式退化特征明显,化肥与农家有机肥配施能够有效减缓土壤钙素退化,对于园龄>25年的高龄苹果园应加强土壤钙素管理.施肥方式是苹果园土壤钙素递减的驱动因素,钙素递减呈现出明显的时(园龄)空(土层深度)效应.     

渭北旱塬苹果园土壤紧实化现状及成因

本研究通过分析渭北旱塬苹果园土壤的紧实化现状及其诱导因素,找出影响当地苹果园健康发展的土壤退化隐性因素,为果园科学管理提供理论依据。分别选取种植年限＜10年(4～6年)、10～20年(14～16年)和＞20年(24～26年)的苹果园各4个,分析0～60 cm土层土壤容重和紧实度随土层深度的变化规律,探明果园土壤内部紧实化发生的部位和退化程度,同时,通过分析土壤团聚体数量及其稳定性、土壤黏粒和有机质含量,揭示引起渭北果园土壤内部紧实化的原因。结果表明: 渭北果园0～60 cm土层土壤容重和紧实度均随植果年限和土层深度的增加而显著增大。以20 cm土层为界,渭北各园龄段苹果园土壤具有明显的“上松下实”变异特征,20 cm以上土层上述各指标基本满足苹果树的正常生长需求,20 cm以下土层土壤则已超出了苹果树健康生长的阈值。造成渭北苹果园亚表层以下土壤紧实化的原因主要是土壤团聚作用差、有机质含量低,加之植果期间人为扰动少,土壤中分散的黏粒会向下层移动。此外,随着植果年限的增加,土壤紧实化过程更加明显。     

渭北旱塬苹果园土壤深层干燥化与硝酸盐累积

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40～260cm土层,最高含量达403．4mg·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。     

甘肃陇东旱塬不同树龄苹果园矿质氮的分布和积累特征

对甘肃陇东地区不同树龄苹果园土壤矿质氮的分布和积累特征进行了研究.结果表明：土壤铵态氮含量随着苹果树龄的增大呈上升趋势,2～3年生、5年生、10年生、15年生、20年生、22年生果园0～120 cm土层铵态氮含量分别为3.3、5.8、6.5、9.1、12.1和15.3 mg·kg^-1;不同树龄果园0～60 cm土层铵态氮含量大于60～120 cm土层.不同树龄果园硝态氮含量在0～40 cm土层相对较低,随土层深度增加,其含量迅速增加;随着种植年限增加,不同苹果园硝态氮累积量也呈显著增加趋势,22年生果园0～120 cm土层硝态氮累积量达到2602.5 kg·hm^-2.旱塬苹果园表现为土壤铵态氮呈浅层积累、而硝态氮呈深层积累的特征.     

黄土塬区不同土地利用方式土壤水分消耗与补给变化特征

对黄土塬区不同土地利用方式下2012年3—10月7龄果园(挂果初期)、17龄果园(盛果期)、小麦地、玉米地土壤水文状况进行分析,结果显示,0—600 cm试验土层7龄果园土壤贮水量最高,其次为玉米地、小麦地,17龄果园最低,且不同土地利用方式下贮水量随着降水量的变化而上下波动,但其变化滞后于降水。不同土地利用方式均表现为随土壤深度增加土壤含水量变异程度减弱的特征,且其土壤剖面的水分含量变化存在季节变异。农田和7龄果园中不存在土壤干燥化现象,而17龄果园土壤剖面存在较厚的干燥化土层,其分布深度为320—600 cm。不同的土地利用方式的土壤水分的消耗和补充深度有较大差异,17龄果园消耗深度为500 cm,补充深度为200 cm;7龄果园、玉米地和小麦地消耗深度分别为200、300 cm和300 cm,且补充深度均超过了测定的土壤深度,大于600 cm。     

黄土塬区不同土地利用方式下深层土壤水分变化特征

利用长期定位监测数据,对陕西省长武黄土塬区裸地、高产农田、苜蓿草地和苹果林地下0—15 m黄土剖面土壤水分环境进行了研究。结果表明,不同土地利用方式下,干湿交替层内土壤水分具有明显季节性波动变化特征,但其深度范围有别。裸地、高产农田、苜蓿草地和苹果林地分别约为0—5 m,0—4 m,0—2 m和0—3.5 m。干湿交替层以下深层土壤水分状况主要受土地利用方式的影响,其影响大小依次为苜蓿草地苹果林地高产农田裸地,各土地利用方式下表现出不同的时间变化特征。黄土塬区土壤水量平衡计算中土层厚度大小的确定非常重要,这不仅与土地利用方式相关,也与林草植被的生长阶段相联。裸地和高产农田土层厚度选择不宜小于5 m和4 m;未形成深厚稳定土壤干层的苜蓿草地和苹果林地,土层厚度选择不宜小于15 m和10 m;对于已经形成稳定土壤干层的林草地来说,进行年尺度的水量平衡分析时,其计算深度可取降水入渗深度。研究可从土壤水资源的保持及利用的角度上服务于黄土塬区旱作农业的持续发展和土地利用方式的优化配置。