黄土高原苹果园土壤干燥化效应及生产水足迹模拟研究

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黄土高原作为世界上最大的苹果优生区之一,水资源短缺和气候相关问题使该地区农业生产面临巨大挑战。该区域降水稀少,地下水补给困难,80%以上苹果园地为无灌溉条件的旱作果园,苹果作为深根系高耗水作物,土壤水分长期亏缺势必会造成土壤干燥化现象威胁果园的高产稳产。黄土高原苹果园地深层土壤有效含水量的变化动态和土壤干层的形成规律与降水量、栽植密度、以及树龄等都密切相关。不合理的栽植密度不仅不利于果园的高产而且加剧了土壤的干燥化程度。因此,了解不同气候类型区果园土壤干燥化效应及苹果生长状况,合理选择栽植密度,预测未来气候变化下不同地区果园土壤状况及果树生长特点,是黄土高原果园长久稳定发展的关键。为探明黄土高原不同气候类型区苹果园地深层土壤耗水特性及生长特点,选择凤翔、洛川、长武、米脂四个典型苹果种植区,采用Win EPIC模型定量模拟分析苹果园地0~15 m土壤水分动态变化和苹果生产水足迹演变规律,得出不同气候区果树最佳植密度及对未来气候变化的响应,为该区域水循环和苹果产业健康稳定发展提供科学依据。现得出以下主要结论:(1)不同气候类型区苹果园地产量和土壤含水量观测值和模拟值的RMSE均<3t·hm-2,RRMSE均<15%,R~2均>0.8,模拟效果良好,模拟精度较高,可以满足黄土高原不同气候区旱作苹果园地土壤干燥化效应和生产水足迹的长期模拟研究。(2)不同气候区成龄果园年产量大致呈“S”型曲线走势,1980-2020模拟期间,凤翔、洛川、长武、米脂年均产量分别为25.05、26.29、22.17、18.19 t·hm-2,表现为降水量高的地区苹果产量年均值较高,蒸散量和水分过耗量年均值长武>洛川>凤翔>米脂,年均干旱胁迫日数分别随降水量降低而增大。凤翔1~25、洛川1~19龄、长武1~21龄、米脂1~18龄果树土壤有效含水量呈明显波动性降低趋势,相较于半干旱区米脂,其他三地土壤有效含水量前期都有一段缓冲阶段,降水量高的地区初始土壤干层形成和达到稳定的时间一般较晚,当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。四个苹果园地生产水足迹均呈前期低后期高,年均生产水足迹值分别为0.193、0.176、0.202、0.195 m~3·kg-1。苹果产量和生产水足迹受降水影响,在难以获得水源的黄土高原地区,为了苹果产业能够持续健康的发展,建议苹果树最佳利用年限为18~25年,最多应不超过25年。(3)1980-2020年模拟期间,D1~D6种植密度下,果园蒸散量及水分过耗量随种植密度的增大为增大,但增量不大。但果树年均产量并不是一直增大,而是存在一个最大值,相比于低密度种植,高密度种植下苹果产量更早的出现衰减。在模拟果树生长初期,土壤储水量足以满足幼树的生长需要,洛川和米脂果园尚未出现干旱胁迫,随着果龄增大,不同密度果园相继出现干旱胁迫现象,且干旱胁迫出现的时间随种植密度的增大而提早。与半湿润区洛川相比,在相同种植密度下,半干旱区米脂干旱胁迫时间出现的更早,年干旱胁迫日数也越长。种植密度越大,土壤干层出现的时间一般更加提前,达到稳定土壤干层的时间也较早,土壤干燥化效应越剧烈。两地年均苹果生产水足迹值,洛川分别为0.209、0.199、0.187、0.176、0.177、0.180 m~3·kg-1,米脂分别为0.196、0.198、0.194、0.195、0.193、0.193 m~3·kg-1,所以兼顾环境与经济的共同效益,建议半湿润区洛川最佳种植密度为833~1000株·hm-2,半干旱区米脂为714~833株·hm-2。(4)在2025-2065年模拟期间,RCP4.5和RCP8.5情景下,0~15m土层土壤有效含水量洛川表现为洛川大于米脂,且RCP4.5情景下大于RCP8.5情景下。在果树生长期间,如果某一阶段降水量一直处于较高值,那么该段时间,土壤水分将向下入渗补给,有效缓解该生长阶段苹果园地3~5m土层的土壤含水量。洛川与米脂果园年均产量与1980-2020年相比为增长趋势,但相较于RCP4.5情景,RCP8.5情景下两地产量波动幅度更大,产量值变异性较大。两地果园苹果生产水足迹年均值,洛川分别为0.179和0.178 m~3·kg-1,米脂分别为0.194和0.199 m~3·kg-1。综上,不同地区应选择合适的苹果树种植密度,以达到最佳收获产量。为了苹果产业能够持续健康的发展,建议苹果树最佳利用年限为18~25年。同时,鉴于降水仍是制约不同地区苹果园地土壤干燥化现象的主因,未来应考虑在生产管理中把增加水分补给放在首位,适当的在果树生长过程中补充水分以提高果树产量、延缓土壤干燥化程度。
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