通过采用农民最佳的果园管理方法，实现中国苹果生产系统在产量、环境和经济方面的多重效益

《Agricultural Systems》：Achieving yield-environmental-economic benefits for China's apple production systems by adopting farmer's best orchard management

中国苹果种植区普遍存在化肥过量使用问题，本研究通过调查657户农民，将灌溉和旱作苹果园按产量与肥料利用效率分为四组（LL/LH/HL/HH）。结果表明HH组通过优化施肥可提高产量6-39%，降低环境影响15-49%，提升经济效益17-58%，为平衡产量-环境-经济三重目标提供实践策略。

　　

张振星|刘玉月|张浩鑫|王东月|刘战军|朱元军|徐新鹏

中国西北农林科技大学自然资源与环境学院作物抗逆性与高效生产国家重点实验室，杨凌712100

摘要

背景

中国拥有全球最大的苹果种植面积，自2005年以来，理论推荐的化学氮磷钾（N-P?O?-K?O）肥料施用量上限为360–340–240公斤/公顷/年。不幸的是，农民很少采用这些推荐施肥方案，目前中国苹果园普遍存在过度施肥的问题。

目的

通过对黄土高原灌溉和雨养苹果生产区的657名农民进行调查，我们量化了减少肥料使用量和缓解环境影响的潜力，最终确定了一种能够实现农艺-环境-经济效益可持续发展的苹果生产策略。

方法

本研究通过问卷调查收集了657名灌溉和雨养苹果种植者的果园管理实践（包括施肥情况）数据。根据数据将这657名小农户分为四组：低产量、低氮肥部分因子生产力（LL组，n=260）；低产量、高氮肥部分因子生产力（LH组，n=89）；高产量、低氮肥部分因子生产力（HL组，n=141）；以及高产量、高氮肥部分因子生产力（HH组，n=167）。通过肥料响应函数、生命周期评估和经济分析，研究了最佳施肥量、环境影响及缓解潜力以及经济效益。

结果与结论

灌溉果园化学氮磷钾肥料的最高施用量为496–333–454公斤/公顷，而雨养果园为697–489–348公斤/公顷。灌溉区的富营养化潜力较大，而雨养区的全球变暖和酸化潜力较大；农民的施肥策略对环境的污染指数排序为HL > LL > HH > LH。在所有农民组中，雨养果园的苹果产量和净收益均高于灌溉果园，其中HH组的产量和收益最高。高昂的劳动力成本是限制经济效益的主要因素，无论是在灌溉还是雨养苹果生产系统中。值得注意的是，与LL、LH和HL组相比，HH组可以将苹果产量提高6–39%，减少15–49%的环境影响，并增加17–58%的经济收益。因此，我们认为HH组的最佳管理策略为灌溉和雨养苹果生产系统提供了平衡产量、环境和经济效益的方案。

意义

我们的结果为中国的苹果种植者提供了一种实用而非理论上的废弃策略，有助于发展环保型苹果生产系统，为降雨量有限和土壤贫瘠地区的苹果园优化施肥提供了实践参考。

引言

中国黄土高原以其高质量的苹果种植而闻名，全球25%的苹果产自这里（NBSC, 2024; FAO, 2023）。由于适宜的气候和可观的经济效益，苹果生产在黄土高原持续扩张（Yuan et al., 2017）。然而，土壤肥力不足严重限制了苹果产量，农民在雨养和灌溉地区普遍过度施肥以提高产量。尽管自2005年以来中国已制定了苹果园的推荐施肥方案，但遗憾的是，农民在实践中很少遵循这些方案（Liu and Liu, 2022; Qiang et al., 2023; Zhang et al., 2023; Wu et al., 2025a）。目前合成氮磷钾肥料的施用量平均为1220–685–920公斤/公顷/年（Hu et al., 2017），远超过推荐的420–330–420公斤/公顷/年的上限（Liu et al., 2021）。值得注意的是，在发达的苹果生产国家（如意大利、美国和加拿大），氮磷钾肥料的施用量平均约为200–150–160公斤/公顷/年（Neilsen et al., 2014; Fallahi et al., 2018）。这种过度施肥不仅降低了经济效益，还导致了环境污染和土壤退化，加剧了全球变暖、富营养化和土壤酸化（Zhu et al., 2018; Pang et al., 2019; Zhang et al., 2023），威胁到了苹果产业的可持续性。其他主要苹果生产国家（如印度、伊朗和埃及）也存在类似问题，全球苹果安全面临严峻挑战（Amiri et al., 2008; Raina et al., 2013; Ganeshamurthy et al., 2019）。因此，迫切需要更实用和可接受的策略来优化果园管理，以平衡苹果产量、环境影响和经济效益。

生命周期评估（LCA）用于评估产品在其各个阶段的环境影响（Guinee, 2004），因此在谷物、蔬菜和果园生产系统中得到广泛应用，以提前预警环境风险（Cerutti et al., 2013; Bamber et al., 2020; Wang et al., 2020; Longo et al., 2021; Yao et al., 2021; Zhang et al., 2021; Zhang et al., 2023）。值得注意的是，合成氮磷钾肥料在果树（如苹果）中的使用量明显高于谷物（如小麦），在中国苹果生产系统中过度施肥现象尤为普遍（Wu et al., 2014; Liu et al., 2021）。因此，需要通过LCA来量化和减少苹果生产系统的环境影响。苹果生产系统包括三个阶段：农业材料的生产和运输、果园管理以及苹果产品的运输（Zhu et al., 2018; Zhang et al., 2023）。生命周期评估的结果因果园管理方式的不同而有所差异，例如苹果品种的选择（如Magnana与Runsé；Cerutti et al., 2013）、覆盖物使用与否（Bamber et al., 2020）、传统施肥与有机施肥（Keyes et al., 2015; Longo et al., 2017; Zhu et al., 2018）以及雨养与灌溉（Zhang et al., 2023）。然而，以往的研究大多仅量化并比较了不同果园管理方式的环境风险差异，而没有对其最佳情景进行相同评估，从而无法为发展可持续苹果生产系统提供理想的参考。Wang et al.（2020; Zhang et al., 2021）在小麦和辣椒生产系统中已经很好地解决了这些问题。Fermont et al.（2009）和Wang et al.（2018）指出，如果在小农户系统中采用最佳管理实践，可以迅速缩小环境影响的知识差距。因此，我们需要了解中国当前农民的果园管理实践、由此产生的环境风险及经济效益，以确定可行的最佳管理方案。

黄土高原是全球重要的苹果生产区，涵盖了大量的雨养和灌溉苹果果园（NBSC, 2024; FAO, 2023）。为了减少过度施肥带来的严重环境风险（Zhang et al., 2023），必须研究优化的果园管理实践及其农艺-环境-经济效益。因此，我们的研究目标如下：（i）通过对灌溉苹果生产区的316名农民和雨养苹果生产区的341名农民进行调查，量化减少肥料使用的潜力；（ii）利用分组方法和LCA方法评估灌溉和雨养苹果生产系统的环境影响（如能源消耗、全球变暖潜力、富营养化潜力、酸化潜力）；（iii）确定最有效的策略，以实现农艺-环境-经济效益的可持续发展。

研究区域

研究区域

本研究比较了黄土高原上典型的灌溉和雨养苹果生产区——礼泉县和洛川县（图1）。这两个地区的气候为温带大陆性季风气候。灌溉苹果生产区的年平均降水量（MAP）为535毫米，年平均温度（MAT）为12摄氏度，年总日照时长（TSD）为2215小时；雨养苹果生产区的MAP、MAT和TSD分别为620毫米、9.2摄氏度和2418小时。

用于回归分析的苹果产量与氮磷钾肥料投入数据及氮磷钾肥料减排潜力量化

657个农民家庭的苹果产量与灌溉和雨养苹果生产区的氮磷钾肥料施用量之间存在显著相关性，这种关系可以用钟形二次模型描述（图2）。结果显示，灌溉区的最大苹果产量约为38.8吨/公顷，对应的氮磷钾肥料施用量为496–333–454公斤/公顷；雨养区的最大产量为697–489–348公斤/公顷。有趣的是，氮（N）和钾（K?O）的施用量变化较大，而磷（P?O?）的施用量变化不大。

讨论

中国拥有全球最大的苹果种植面积（FAO, 2023）。然而，自2005年制定的化学氮磷钾肥料推荐施肥方案（上限为360–340–240公斤/公顷/年）很少被苹果种植者采用（Wang et al., 2013; Liu et al., 2021），2015年中国推行的肥料使用量零增长政策对减少苹果生产中的过度施肥作用甚微（图3; Zhu, 2019; Qiang et al.,

结论

我们结合生命周期评估（LCA）和管理策略分组方法，研究了黄土高原灌溉和雨养苹果生产系统的环境影响及缓解潜力。黄土高原苹果生产区普遍存在过度施肥现象，根据657名农民的调查，灌溉区的最高氮磷钾肥料施用量为496–333–454公斤/公顷，雨养区为697–489–348公斤/公顷。这种过度施肥带来了严重的环境风险。

作者贡献声明

张振星：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、方法论设计、数据整理。刘玉月：撰写——审稿与编辑、软件使用、数据整理。张浩鑫：软件使用、数据整理。王东月：软件使用、方法论设计、数据整理。刘战军：撰写——审稿与编辑、监督工作、资源协调、方法论设计、资金筹集、数据分析、概念构建。朱元军：软件使用、方法论设计、数据整理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢中国农业农村部和农业农村科学院的农业研究系统（CARS-27）对本研究的财政支持。