中国作为世界上最大的苹果、猕猴桃生产国和消费国，苹果种植面积和产量均占世界总量的46%以上，猕猴桃栽培面积、产量分别占世界的46.2%、35.7%^[1]。陕西是中国水果生产第一大省，目前苹果和猕猴桃产业发展已经具有很大规模。2011年陕西苹果种植面积达到66万hm²，苹果产量960.9万t，比2010年增长5.5%，继续稳居全国第一。而陕西省猕猴桃面积已达到6.06万hm²，产量73.57万t，比2010年增长16.9%，成为继苹果之后陕西果业的又一亮点。2011年陕西果业总产值达约200亿元^{[2, 3]}。果业已成为陕西果农经济增收的重要支柱产业。然而由于经济利益的驱动，果农原来粗放式的栽培管理模式逐渐向市场为导向的，以高投入高产出为特征集约化生产方式转变。果农对果园的化肥投入越来越高，特别是氮肥的投入。赵佐平等^[4]通过连续2a调查研究指出，近年来陕西苹果纯氮施用量平均达671 kg/hm²，是苹果树需氮量的近3倍。刘建玲等^[5]报道，近些年河北省中南部苹果园氮肥投入量达到750 kg/hm²。寇长林等^[6]研究发现2003 年山东桃园氮素盈余量已达到了为746 kg/hm²。过量氮肥的施用导致大量氮素累积，表观损失量和损失率显著增加，进而导致氮肥利用率下降，农业生产效益降低，而且影响生态环境^[7]。张云贵等^[8]通过长期定位试验研究指出，长期高氮施肥是造成地下水硝酸盐污染的重要原因之一，地下硝态氮的含量与氮肥施用量之间存在正相关，而且氮肥所造成的氮素径流流失是引起水体氮富营养化的重要原因^[9]。吕殿青等^[10]指出，陕西省有些粮食高产区由于过量施氮已在0—4 m深的土层中积累了大量NO₃-N，并使地下水和地表水受到不同程度污染。同延安等^[11] 2004年在陕西粮食作物氮肥施用调查中指出，由于过量施氮，陕西省每年可能损失的化肥氮为12.2万t，这不仅造成肥料资源浪费，而且大大加剧了该地区环境氮负荷。过量施氮不仅对水果产量没有帮助，反而会导致氮气“天上地下乱蹿”——造成空气中温室气体猛增，并污染土壤、地下水。生产氮肥本身，也很耗燃料。有研究指出，每生产1 t氮，就会有6 t二氧化碳作为“附带品”散发出来。这些不仅影响到果园土壤质量提高及果品品质的优劣，对该区域生态环境造成很大压力，同时也影响到陕西果业的可持续发展。果园生产体系氮养分平衡状况及其环境效应已经受到国内外专家广泛关注^[12]。在欧美发达国家，养分平衡状况已成为养分管理和环境政策制定的重要依据^[13]。然而，中国在区域尺度上关于果园生产体系氮素平衡状况及其环境效应的研究报道较少。特别在中国水果生产第一大省陕西报道更少，因此，在该地区开展果园氮素投入特点及氮负荷风险分析对加强区域果园养分管理并减少生态环境压力有重要意义。

陕西省气候属大陆性季风气候，境内自北向南属于3个不同的气候带。陕北北部地区属温带，陕北南部、关中地区属暖温带，秦岭以南属北亚热带。全省平均气温8—16 ℃，自北向南渐高；年降水量275—1274 mm，时空分布极不均匀，自北向南渐多；光能资源丰富，年均日照时数1 270—2 829 h，属日照条件较好地区；无霜期140—316 d，自北向南渐长。黄土高原约占土地总面积的 45%，平原约占19%，秦巴山区约占36%。全省耕地面积4.8×10⁶ hm²，人均耕地 0.12 hm²。土壤类型多样，主要为栗钙土、黑垆土、棕壤、褐土、黄棕壤、黄褐土、风沙土、黄绵土、塿土、水稻土、潮土、新积土、沼泽土和盐碱土等。以果树、小麦、玉米、水稻和蔬菜为主要种植作物，其中果树种植面积为1.14×10⁶ hm²，约占耕地面积的23.81%。特别是近些年苹果、猕猴桃种植面积和产量已名列全国首位，陕西也成为中国果品的主要产区。以其为调查区域研究中国北方果园氮素投入特征具有较强的代表性。

根据调查县区果园总面积、地形部位确定调查点数量及分布。由于陕西由北向南特殊的气候环境，决定了陕西果树主产区和高产区主要分布于渭北旱塬和关中灌区地带，因此，在该区确定的调查点约占95%。调查果树主要为猕猴桃、苹果、葡萄。土样采样深度为0—60 cm。最后确定的调查采样点总计约 766 个。

调查分别在2008年和2009年10—11月进行，每年调查近400户果农。选取陕西苹果主产区具有代表性的合阳、白水、洛川3个县及中国猕猴桃之乡、国家农业休闲示范生态基地周至县和眉县为调查对象，葡萄园调查选在扶风县、杨凌区进行。调查内容包括：建园基本情况、果园面积、果树品种、树龄、种植密度、施肥情况及产量、肥料品种、施肥时期、施肥方法、灌水情况等果园基本管理情况。土壤全氮含量采用半微量凯氏定氮法进行分析测定。

氮养分平衡指数=氮养分投入量/氮养分吸收量

氮养分平衡的计算: 氮素平衡= 输入项(化肥氮+ 有机肥氮+ 沉降氮) - 输出项(收获物带走氮)^[14]

其中多余氮素以氨挥发、反硝化、淋洗损失，或者以不同形态贮存于土壤中。

输入项：化肥氮，依据调查农户施肥包装袋上标识的养分含量计算；有机肥氮，依据调查的实际值，根据《中国有机肥料养分志》^[15]和《中国有机肥料资源》^[16]的参数汇总计算(表 1)；沉降氮，按照魏样等^{[17, 18]}在陕西5个监测点通过连续2a的监测结果得到的大气氮素沉降平均值为16.95 kg hm^-2 a^-1 统一估算。

输出项：调查区果树产量、面积按照农户实际调查值和统计年鉴参考数据计算；不同果树吸收氮养分量按照肥料实用手册^[19]与中国肥料实用手册^[20]等参数汇总计算(表 1)。

采用Excel 2007 方法进行数据处理和用DPS软件进行数据分析。

结合图 1，2可知，调查区果园氮肥投入水平总体较高，其中化肥氮的投入远高于有机肥氮的投入量。化肥氮投入在 350 kg/hm²以上的样本为 82.3%；其中施氮量在500—1 000 kg/hm²和 1 000 kg/hm²以上的样本分别为36.2%、31.2%，施用量分别达到709.5、1809.4 kg/hm²，平均施氮量为927.2 kg/hm²。不施化学氮肥的仅占0.3%。有机肥氮投入相对较低，投入量在200 kg/hm²以下的样本达到 71.9%，350 kg/hm²以上的样本和施肥量分别为 14.0%、547.6 kg/hm²，平均投入量为139.4 kg/hm²。不施有机肥的高达60.5%。由此可知，陕西调查区果园氮素投入水平总体很高，化肥氮的投入量远高于有机肥提供的氮。

图 1 果园氮肥不同投入分级下样本分布频率 Fig. 1 Samples distribution frequency under different input groupings of N in orchard

图选项

由于经济发展水平和果农科技素质以及果树种类都存在较大差异，肥料投入特点也显著不同。由表 2 可知，猕猴桃园氮肥投入水平最高，达到1 203.8 kg/hm²。其次是苹果园，投入量671.7 kg/hm²。葡萄园投入量相对较低，为635.2 kg/hm²。猕猴桃园有机肥氮投入水平仍较高，达 212.1 kg/hm²，苹果园的有机肥氮投入最低，仅为32.4 kg/hm²。从连续2 a调查数据发现，调查区果农重氮现象仍严重。同时有机肥投入量逐年减少，王圣瑞等^[21]通过分析1994至2000年陕西苹果施肥现状指出陕西苹果园1994年有机肥提供的氮磷钾养分占肥料总养分的51%下降到2000年的33%。赵佐平等^[4]2012年报道指出如今陕西渭北苹果园有机肥提供氮素养分仅占5.54%。该调查研究结果与前人研究结果基本一致，有机肥投入量呈逐年降低趋势。造成当前现状有两方面的原因：一方面由于近年来调查区种植绿肥和养殖业的农户逐渐减少，有机肥源短缺；另一方面是由于使用有机肥费工费时效果不明显，导致农民过分依赖化肥，忽视对有机肥的利用。

图 2 果园氮肥不同投入分级下平均施用量 Fig. 2 Application rate under different input groupings of N in orchard

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由表 2中标准差值可知，调查区果园标准差值都很大，这说明调查区果农间肥料投入差异很大，特别是氮肥投入很不均衡。这可能与果农传统施肥习惯有关，施肥过程无科学施肥指导，同时有相当一部分农民依照经济状况决定施肥量。经济条件好则加大施肥量，经济条件差则施肥量小，且果农施肥量与当年水果的销售价格也有一定关系，若当年价格好，来年可能愿意投入，若当年价格低，很可能挫伤果农积极性，来年就会降低肥料投入。

寇长林等^[6]研究指出，集约化水平较高的果园种植体系中，其土壤硝态氮累积随土层深度增加而增加，特别在氮盈余量超过500 kg/hm²以上时，其高达60% 以上的硝态氮累积在90—180 cm土层，土体中各层硝态氮含量显著高于上层。因此，本研究调查结果采用N 500 kg/hm²和N 1 000 kg/hm²分级来反映土壤氮的环境效应。由表 3可知，氮盈余量超过500 kg/hm²的样本共440个，占总调查样本量的57.5%。而盈余量超过1 000 kg/hm²的样本占到了27.3%，平均盈余量也高达1 735.8 kg/hm²。调查果园(766个样本)平均氮盈余量高达 876.3 kg/hm²，而氮养分平衡表现亏缺的样本仅占5.2%。果园土壤氮养分盈余量越高其土壤氮负荷程度越高，对果园环境质量的影响越大。

从不同果园氮肥投入来看，猕猴桃园化肥氮和有机肥氮施用最高，分别达到N 1 203.8 kg/hm²和212.1 kg/hm²。相应地猕猴桃果园的氮养分盈余量较高，为N 1 186.9 kg/hm²，而葡萄园和苹果果园氮养分盈余量分别为597.4 kg/hm²和533.9 kg/hm²。另外，从氮养分平衡指数来看，即果园氮养分投入量与氮养分吸收量之比均在2.5以上，猕猴桃园养分平衡指数达到了5.8 (表 4)。猕猴桃园施氮量及氮养分盈余量高的原因可能是果农误认为猕猴桃养分吸收量大，而王建等^[22]曾在2008年报道称，1 a内10年生秦美猕猴桃树总吸收纯氮量仅为216.78 kg/hm²，相比苹果树年吸收纯氮总量172.30 kg/hm²、葡萄树年吸收纯氮总量97.13 kg/hm²要高。但这并不能说，猕猴桃园需过量施肥。张维理等^[9]在北方农用氮肥造成地下水硝酸盐污染调查研究时指出，凡是年施氮量超过500 kg/hm²，作物施氮量与吸氮量之比大于2.5的地区，地下水硝酸盐含量基本上全部超标。寇长林等^[6]在山东惠民集约化水平较高的果园种植体系中研究发现，该地区土壤硝态氮累积随土层深度增加而增加，特别在氮盈余量超过500 kg/hm²以上时，其高达60% 以上的硝态氮累积在90 cm土层以下，其平均累积量高达976 kg/hm²。硝酸盐的淋洗也十分严重，土体中下层硝态氮含量显著高于上层。从陕西果园调查情况来看，调查区果园施氮量和养分平衡指数均远高于以上研究结果(表 4)，说明陕西省猕猴桃园、苹果园、葡萄园土壤氮素环境负荷量较大，对果园生产体系引起农业面源污染的威胁也很高。

不同区域果园氮素投入差异造成果园氮养分盈余程度不同。关中灌区氮养分盈余量较高，平均值达到1 046.1 kg/hm²，渭北旱塬相对较低平均为706.5 kg/hm²。在全部调查果园中，氮养分盈余的样本占 94.8%。说明2个区域果园氮养分盈余负荷都较大。同时由表 5可知，氮盈余量变化范围很大，说明各农户之间施氮量差异比较大。因此，推荐合理施肥量指导果农施肥对果园管理尤为重要。过量的施肥不仅会引起面源污染，还会对土壤环境构成很大威胁。此现象在关中灌区特别是果园氮素投入极高区应引起关注。

果园土壤氮素负荷程度与氮肥的过量施用是密切相关的。果园氮盈余量越大，相应其土壤全氮水平越高，二者呈显著正相关。从陕西调查园氮盈余量与土壤全氮关系来看(图 3)，调查果园氮盈余量主要集中在200—1 000 kg/hm²之间，土壤全氮主要分布在2.4 g/kg 以下，氮盈余量超过500 kg/hm²时，土壤全氮增加程度增大。由此可见，控制氮肥的过量施用，特别是控制化肥氮的大量施用是减轻果园土壤氮负荷压力的必要手段。

图 3 果园氮盈余对土壤全氮影响 Fig. 3 Effect of nitrogen nutrient surplus on soil total nitrogen in orchard

图选项

调查区果园，传统的施肥时期和施肥方式还未改变，基肥投入多，追肥少，基肥氮占施氮总量的70.0%以上；彭福田等^[23]研究表明，基追肥比例对果树生产有较大影响，基肥比例过大很难满足果树一年中不同时间段对养分的需求。而调查结果与彭福田等研究结论氮肥的70%应作为追肥施用恰好相反，甚至有相当一部分果园采取“一炮轰”式施肥方式，说明果农的传统施肥习惯还未改变。结合果树生育特点，果农应适当加大追肥力度，避免不追肥或少追肥的习惯。

调查分析结果显示，陕西果园生产体系氮养分盈余及氮素负荷量与施氮肥之间存在显著正相关，氮肥的过量施用是土壤及周边环境氮负荷增加的主要原因。陕西果园不同区域间氮素投入存在差异，但总体上氮素投入量远远高于产出需求量。从调查结果来看，陕西果园氮肥平均投入量为 927.2 kg/hm²，高出果树专家^{[21, 24, 25]}推荐施氮量的2倍以上，更是高出国外果园氮肥投入量的6—8倍，国外果园氮肥投入一般在100—150 kg/hm^{2[26, 27]}。高氮肥的长期投入势必造成土壤氮环境负荷加大。调查分析得知，氮肥投入水平不仅与果树生产经济效益有很大关系，而且与当地社会、经济发展水平有关。近些年，陕西猕猴桃的产量、经济收益较高，其氮肥投入水平最高，达到1 203.8 kg/hm²。其次是苹果园，投入量平均为671.7 kg/hm²。关中灌区总体经济发展水平要略高于渭北旱塬，相应地关中灌区果园施氮水平也较高，其氮养分盈余量也较高，平均盈余量达到1 046.1 kg/hm²，渭北旱塬相对较低平均为706.5 kg/hm²。因此，继续推行和加大测土配方施肥的力度，指导果农科学有效地施肥是减轻果园氮素环境负效应的重要手段之一。

同时，果农施肥过程中往往忽略了大气氮沉降及灌水等外来因素带入的环境氮养分。有研究^[27]认为，补偿农田生态系统氮素损失的重要途径之一便是湿沉降，即降水向土壤输入氮。张福锁等^[25]认为，环境中的氮养分是养分资源综合管理中不容忽视的资源。本调查研究结果显示，陕西果园体系氮沉降约占总投入氮量的近2%。忽视了氮沉降这一重要的氮源也是调查区果园氮肥过量施用的原因之一。

蔡泽江等^[28]通过连续18a长期定位田间试验研究表明，长期施用化学氮肥(单施氮肥、氮磷配施和氮磷钾配施)红壤pH值明显下降，其中以单施氮肥降幅最大，18a降低了1.5。Guo J H等^[29]也曾报道，中国大多数农田土壤酸化严重，过去20a氮肥的过量使用，导致中国主要农田土壤pH值下降了0.5。调查区果园氮肥投入量远远超过了蔡泽江试验研究时氮肥用量300 kg/hm²以上，长期高氮施肥，将会加速土壤酸化。另外，土壤盐渍化、地下水硝酸盐污染等污染现状亦是氮素高投入引发的。樊军等^[30]研究表明与粮田相比，果园硝态氮累积严重，累积层在80—160 cm，最高含量达201.9 mg/kg。闫亚舟等^[31]研究表明黄土高原坡地苹果园硝态氮累积深度大于2m，在180—200 cm层最高累积量达249.61 kg/hm²。吕殿青等^[10]研究指出在0—2 m和0—4 m深层内硝态氮累积量在8a以上苹果园分别达1602和3414 kg/hm²。寇长林等^[6]在山东惠民研究结果显示，果园氮盈余超过500 kg/hm²以上时，土壤硝态氮累积随土层深度增加而增加，其高达60% 以上的硝态氮累积在90— 180 cm土层，平均累积量达到了976 kg/hm²。而调查果园的施氮量平均值远远超过了500 kg/hm²，果园土层中硝态氮累积量可想而知。大量氮素盈余不可避免要造成氮素在土壤中的累积与损失，当氮肥用量超过一定量时，再继续增加施肥量，不仅产量没有明显增加，而硝态氮残留量却急剧增加。同延安等^[11]研究还发现，由于过量施氮，陕西省每年在粮食作物上可能损失的化肥氮高达12.2万t，这不仅造成肥料资源浪费，而且大大加剧了该地区环境氮负荷。其次，过量施氮不仅对果业产量没有帮助，反而会增加温室气体排放。有研究指出农业中70%的温室气体来自于氮肥^[32]。可见，果园生产体系氮养分高盈余量，不仅给果园带来土壤环境氮素高负荷，而且给环境造成极大压力。若任其发展，势必对果园生态环境造成不良影响。

1)陕西省果园氮养分投入以化肥氮为主，总体化肥氮投入水平为927.2 kg/hm²，有机肥投入量逐年减少。调查区果园氮养分表现亏缺的样本仅占5.2%，氮盈余量超过500 kg/hm²的样本占调查样本量的57.5%，而盈余量超过1000 kg/hm²的样本亦占了27.3%，平均盈余量高达876.3 kg/hm²。

2 )陕西省果园氮养分投入量及盈余量以关中灌区较高。不同果园氮素负荷，猕猴桃果园较高,平均为1 186.9 kg/hm²。另外，不同果园氮养分平衡指数均在2.5以上，最高的是猕猴桃园，达到5.8。果园氮养分盈余及负荷与氮肥投入之间均存在极显著正相关。