钙是影响果树健康和果品质量的重要营养元素之一,在延缓果树衰老、调节果实品质和改善果实贮藏性能等方面,具有其他矿质元素无法替代的重要作用。受苹果对钙素的特殊生理需求、果树根系分泌物以及苹果园土壤管理措施的综合影响,苹果园土壤碳酸钙溶解并被大量吸收利用,钙素有效性显著降低,引起果实苦痘病、水心病等生理性病害和果树腐烂病、早期落叶病等大面积发生,导致树体衰老、苹果产量和品质下降,严重制约着渭北地区苹果产业的持续健康发展。但是,长期以来黄土地区土壤不缺钙的传统观念固化着人们的思维,苹果园土壤钙素营养问题未能得到足够重视。针对果树立地条件中的关键性因素以及渭北地区苹果园土壤管理研究工作空白点,以土壤学、农业地质学和植物营养学的理论与方法为基础,从预警和阻控苹果园土壤钙素递减趋势、建立可持续果业发展目标出发,在渭北苹果主产区的洛川、白水等县域内采集了不同园龄段苹果园土壤剖面样品、果树叶片样品和果实样品,从空间角度和时间尺度两个层面,系统研究了不同地域、不同园龄、不同土层深度、不同种植模式、不同施肥方式、树冠下不同采样位置等条件下,渭北苹果园土壤碳酸钙、水溶性钙、交换性钙的时空演化规律及其对苹果品质和果树健康的影响,同时深入研究了苹果园土壤有机质、酸碱度、紧实度等变化趋势及其与土壤钙素之间的关系,取得如下主要研究结果和结论:(1)碳酸钙是渭北地区石灰性土壤的钙库。渭北苹果园0~100 cm土层碳酸钙含量和贮量,皆随园龄增长明显递减,随土层深度增加而增大。碳酸钙含量递减最明显的果园是园龄>25 a,最明显的土层是0~30 cm土层。洛川苹果园碳酸钙总贮量随园龄增长直线下降,白水苹果园则在园龄>25 a时递减剧烈。白水苹果园碳酸钙含量和贮量,皆高于洛川苹果园。长期植果和施用化肥导致苹果园0~100 cm土层碳酸钙明显退化,苹果园土壤碳酸钙含量显著低于农田土壤,化肥与农家有机肥配合施用能够延缓苹果园土壤碳酸钙的递减趋势,对维持苹果园根区土壤钙素稳定供给具有重要作用。渭北苹果园因果品生产、清园时移出叶片以及枝条修剪,每年从土壤中携出的钙量约为152.15~191.26 kg/hm~2,相当于消耗土壤碳酸钙380.38~478.15 kg/hm~2,其中销售到异地的大量果品中的钙素,难以参与本地区生物循环。(2)水溶性钙既是土壤中最易被植物吸收利用,也是易遭受淋溶的钙素形态。渭北苹果园0~100 cm土层水溶性钙平均含量为0.201 g/kg,70%以上分布在0.1~0.3 g/kg之间。洛川苹果园土壤水溶性钙含量和贮量,皆随园龄增长明显递减,随土层深度增加而增大。白水苹果园土壤水溶性钙含量,随园龄增长呈现高—低交替变化规律,随土层深度增加而减小,0~30 cm土层水溶性钙含量随园龄变化剧烈。长期植果树导致0~30 cm土层(土粪覆盖层)水溶钙含量与农田相比显著降低。果树根区长期施用化肥和根系对钙素的吸收与利用,是导致土壤水溶性钙递减与退化的主要原因。距树干1.5m处土壤水溶性钙平均含量比距树干1.0m处减少22.4%,0~40cm土层二者差异显著。苹果园土壤碳酸钙和有机质含量都与水溶性钙含量之间呈极显著的指数函数关系。苹果树根系分泌物的累积促进了碳酸钙的溶解,增加了土壤水溶性钙含量,同时也增大了迁移风险。(3)土壤钙素供给能力既与交换性钙含量有直接关系,还与土壤钙饱和度关系密切。渭北苹果园0~100cm土层交换性钙平均含量为3.789g/kg,56%以上分布在3.5~4.0g/kg之间。渭北苹果园交换性钙含量,随土层深度增加缓慢增大;在园龄≤25a时随园龄增长递减缓慢,在园龄>25a时递减剧烈,洛川苹果园更为明显。交换性钙贮量随园龄增长呈现先增加后减小的变化趋势,随土层深度增加总体呈现增大趋势。渭北园龄>25a苹果园0~100cm全剖面土壤钙饱和度低于阈值(60%),洛川苹果园钙饱和度随园龄增长明显递减,白水苹果园土壤钙素供应障碍也已出现。苹果园0~100cm土层交换性钙含量与农田相比显著降低,单施化肥比化肥与农家有机肥配合施用苹果园土壤交换性钙含量显著减少,距树干1.5m处土壤交换性钙含量低于距树干1.0m处。苹果园土壤交换性钙含量与碳酸钙和水溶性钙含量之间具有微弱的正相关关系,说明化学肥料的长期大量施用破坏了石灰性土壤中各形态钙素之间转化的平衡关系,土壤钙素退化特征明显。(4)运用综合指标法对不同园龄、不同品种、不同地域苹果品质进行综合评价认为,渭北苹果优生区的苹果质量并不稳定,“相对稳定的优果期”仅为园龄在16~25a的10a时间,期间富士苹果的综合品质最佳;园龄>25a苹果品质次之,园龄<15a苹果品质较差。富士品种的综合品质明显好于嘎啦和秦冠品种,嘎啦品种又好于秦冠品种。洛川富士苹果的外观品质比白水苹果好,白水苹果的内在品质比洛川苹果好。目前两地苹果品质都符合特级红富士苹果理化指标要求。随园龄增加,渭北富士苹果单果质量和单果体积明显增加,进入盛果期(16~25a)后基本稳定;随园龄增加,不同园龄果实比重差异不显著,可溶性固形物含量差异显著,果实硬度呈缓慢下降趋势,可滴定酸含量呈先增加后降低变化趋势,钙含量呈先降低后增加变化趋势。土壤碳酸钙、水溶性钙、交换性钙含量均与富士苹果硬度呈极显著正相关关系,与单果质量呈显著正相关关系。洛川苹果质量下降较为明显,与土壤钙素退化有一定关系。(5)土壤有机质是苹果园土壤肥力的重要基础,也是渭北苹果产业可持续发展的重要保障。渭北苹果园0~40cm土层有机质平均含量为11.79g/kg,85%以上<15g/kg,属于较低水平,不符合我国丰产优质苹果园和绿色食品产地土壤有机质要求。1982年到2012年,渭北苹果园土壤有机质含量总体呈现先减小后增加再缓慢下降态势,30a间耕层土壤有机质平均含量仅增加1.5g/kg。0~100cm土层有机质含量,随园龄增大而增加,随土层深度增加而递减,0~40cm土层递减程度剧烈。白水苹果园土壤有机质总体水平高于洛川苹果园。长期单施化学肥料比化肥与农家有机肥配施苹果园0~100cm土层有机质含量减少19.9%。渭北苹果园农家有机肥投入不足,是土壤有机质提升缓慢以及土壤钙素退化程度加剧的重要原因之一。(6)碳酸钙是土壤酸碱度的缓冲基质,也是石灰性土壤的重要特点之一。渭北苹果园0~100 cm土层pH平均值为8.15,80%以上分布在8.0~8.5之间。以第二次全国土壤普查资料pH数据为背景值,渭北苹果园植果30 a来,土壤pH平均值下降了0.3个单位。0~100 cm土层pH值,随土层深度增加呈现先增大后减小的变化趋势,随园龄增长明显递减。园龄>20 a苹果园0~20 cm土层pH值已经下降到8以下。洛川苹果园土壤pH总体高于白水苹果园。长期植果树导致0~100 cm土层pH值比农田下降0.16个单位。苹果园土壤pH与土壤水溶性钙和交换性钙含量之间呈现显著负相关关系,说明土壤酸化加速了碳酸钙的溶解,增加了土壤活性钙的供给,这种作用在目前似乎有助于苹果树对钙素的吸收与利用,但同时加速了土壤钙素向深层淋溶与淀积,从长远看是土壤钙素退化的有力证据,对苹果园可持续发展埋下了隐患。(7)碳酸钙是土壤团聚体的胶结剂,作为气凝材料影响着土壤紧实度。渭北苹果园土壤紧实度随园龄增大呈现先下降后增加的变化趋势,随土层深度增加而增大,在30~45 cm土层达到最大值,超过2000 kPa。渭北苹果园和农田土壤紧实度差异不显著,说明苹果园土壤紧实化属于土壤自身团聚体不稳定造成的自然压实。长期施用化学肥料苹果园土壤紧实度高于化肥与农家肥有机肥配施苹果园,表明化学肥料施用加速了土壤脱钙、破坏了土壤团聚体,间接印证了土壤钙素和粘粒向土体深层移动与积聚是深层土壤紧实化发生与发展的主要原因。渭北苹果园土壤紧实化层位较深,且受干湿交替和冻融交替等自然过程的干扰与修复的可能性小,对苹果树根系的危害程度相对持久。