朱蕓 鄧羽松 夏棟 李瑤瑤 丁樹文



摘 ?要 ?中國南方花崗巖地區崩崗侵蝕給農業生產帶來了嚴重的威脅,尤其是崩崗侵蝕產生的大量泥沙沉積,導致農田土壤質量惡化以及農作物大量減產。為探索崩崗洪積扇農田土壤改良的有效方式,本研究通過采集通城縣崩崗洪積扇土壤進行油菜盆栽實驗,研究不施肥(CK)和施化肥、塘泥、塘泥+化肥與生物肥等5個處理對土壤養分改良的效果,并利用灰色關聯分析方法評價土壤肥力,結合油菜產量,經對比得出最佳的施肥方式。結果表明:與CK相比,其他處理的土壤有機質、陽離子交換量、氮磷鉀含量有明顯的提高,油菜產量也有顯著的增加;Pearson相關分析表明,各養分指標與產量間呈正相關。土壤肥力按關聯度排序為:塘泥+化肥>塘泥>生物肥>化肥>不施肥,塘泥+化肥處理的土壤質量等級為Ⅱ級(良),是最佳的施肥方式;CK的土壤最為貧瘠,土壤質量等級為Ⅴ級(極差)。本研究為崩崗洪積扇農田質量恢復提供了科學依據,對于農業生產有重要的實踐意義。
關鍵詞 ?崩崗;洪積扇;施肥方式;土壤養分;灰色關聯分析
中圖分類號 ?S157.4 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼 ?A
Soil Nutrient Amelioration in Collaping Gully
Alluvial Fan Under Fertilizations
ZHU Yun,DENG Yusong,XIA Dong,LI Yaoyao,DING Shuwen*
College of Resources and Environment,Huazhong Agricultural University,Wuhan,Hubei 430070,China
Abstract ?Collapsing gully erosion seriously threatens agricultural production in southern China. Great amount of sediment form collapsing gully would result in soil quality deterioration and crop reduction. To explore the effective improvement manner of alluvial fan soil,the ?soil in Tongcheng Couty was collected and five fertilization treatments(no fertilizer(CK),chemical fertilizer,mixed with pond scum,pond scum & chemical fertilizer and bio-fertilizer)were conducted to study the effects of different soil improvement measures on the soil properties and crop yield,and to evaluate the soil fertility by using the gray correlation analysis method,then to find the optimum way of fertilization. The results showed that compared to CK,the pond scum and pond scum & chemical fertilizer treatments significantly improved the soil organic matter,cation exchange capacity and NPK contents,also the crop yields significantly increased. Pearson correlation analyses showed that the nutrient indicators were positively correlated with the crop yield. The results also demonstrated that fertility evaluation results were as followed:pond scum & chemical fertilizer>pond scum>bio-fertilizer>chemical fertilizer>no fertilizer(CK). The quality grade of the soil treated by pond scum & chemical fertilizer was Ⅱ grade(good),and the soil without fertilization(CK) was Ⅴgrade(poor). This suggests that the pond scum & chemical fertilizer treatment was the optimum fertilization. Results from the present study may broaden our knowledge of fertilization effects on field soils and provide solutions to the amelioration and utilization of farmlands.
Key words ?Collapsing gully;Alluvial fan;Fertilization methods;Soil nutrients;Grey relational analysis
doi ?10.3969/j.issn.1000-2561.2015.10.005
崩崗是花崗巖地區一種發育最旺盛的土壤侵蝕現象,發展速度快,破壞性強,主要分布在中國南方,尤其是廣東、江西、湖北等7省(自治區)分布最集中[1],崩崗總面積達48.34萬km2,約占中國國土面積的5%,涉及人口1.62億[2]。崩崗是水土流失發展的最高階段,山坡土體崩塌以及流水的沖刷使得大量泥沙被搬運,從而形成洪積扇。洪積扇是崩崗發生后,泥沙被沖積下來而形成的大面積扇形地貌。崩崗造成洪積物被沖毀、農田被淤埋,嚴重影響農作物產量,甚至導致農田喪失耕性,威脅糧食安全,同時也造成土地資源的浪費[3]。
之前許多學者對崩崗的分布、形成機理、侵蝕現狀、崩崗侵蝕產沙的輸移規律[4]以及綜合治理方面等有過諸多深入的研究[5-6]。目前,國內針對沙化土壤改良的研究有過相關報道,如呂貽忠等[7]研究表明,沙化土壤導致了養分的退化;于險峰等[8]研究為沙化土壤的發展提供了防治對策;彭繼慧等[9]探討了種植苜蓿草對沙化土壤改良的效果,結果表明沙化土壤的治理以及改良有較大的難度。關于崩崗侵蝕導致洪積扇土壤沙化的研究報道較少,但近年來逐漸受到相關研究者的重視[10-11],梁音等[12]、鄧羽松等[13]探討了洪積扇土壤理化性質的分異規律,為洪積扇的治理提供了依據。針對崩崗侵蝕導致洪積扇土壤退化的特點,采用施肥方式是恢復土壤肥力最為直接的方法。施肥是提高作物產量的重要途徑,能改善土壤結構、提高土壤肥力,同時也能提高作物品質[14-16]。因此,本研究選擇崩崗分布集中的典型地區采集土樣[17],開展盆栽試驗,分析不同施肥方式對土壤理化性質(主要包括pH、有機質、陽離子交換量以及氮磷鉀等含量)變化的影響,同時結合測定油菜的產量,并利用灰色關聯分析法評價土壤肥力,旨在探索適用于崩崗洪積扇土壤改良的最佳施肥方式,以提高糧食產量。
1 ?材料與方法
1.1 ?材料
供試土壤采自湖北省通城縣五里鎮,東經113°46′26′′,北緯29°12′39′′,土壤類型為花崗巖發育的紅壤。供試土壤養分含量:pH4.54、有機質5.85 g/kg、陽離子交換量(CEC)4.33 cmol/kg、全氮0.12 g/kg、全磷0.15 g/kg、全鉀0.65 g/kg、堿解氮7.89 mg/kg、速效磷6.05 mg/kg、速效鉀8.86 mg/kg(于2013年11月測定)。實驗于2013年秋季在武漢市華中農業大學水土保持研究基地進行。N、P、K肥分別為尿素、過磷酸鈣以及氯化鉀,生物肥選自揚州市森大肥業有限公司“肥老伴”牌微生物肥料,供試的油菜為華中農業大學選育的甘藍型雙低雜交油菜“華油雜9號”。
1.2 ?方法
1.2.1 ?試驗設計 ? 試驗采用盆栽設計,每盆土13.5 kg,共設5個處理:(1)不施肥 (CK);(2)化肥;(3)塘泥;(4)塘泥+化肥;(5)生物肥,每個處理4次重復?;侍幚頌镹 0.3 g/kg 、P2O5 0.15 g/kg、K2O ?0.2 g/kg,3種肥料混合施用;摻塘泥以1 ?∶ ?10(m ?∶ ?m)的比例進行,塘泥養分情況:pH值為6.74、有機質24.50 g/kg、陽離子交換量20.35 coml/kg,全氮 0.84 g/kg、全磷1.65 g/kg、全鉀1.24 g/kg、堿解氮225.21 mg/kg、速效磷22.32 mg/kg、速效鉀121.36 mg/kg。生物肥中氮、磷、鉀≥6%,有機質≥30%,有效活菌數≥0.3億個/g,生物肥處理為0.6 g/kg。
1.2.2 ?指標測定方法 ? 土壤養分采用常規的分析方法進行測定[18]。pH測定采用電位計法(Model PHS-3C,上海精密科學儀器廠生產)[y(水)∶ m(土)=2.5∶1];土壤有機質測定采用重鉻酸鉀外加熱法;陽離子交換量采用乙酸銨交換法;土壤全氮測定采用半微量凱氏法;土壤全磷測定采用硫酸-高氯酸-鉬銻抗比色法(721分光光度計,上海儀電分析儀器有限公司);土壤全鉀測定用火焰光度法(FP640火焰光度計,上海儀電分析儀器有限公司);土壤堿解氮測定采用堿解擴散法;土壤速效磷測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法(721分光光度計,上海儀電分析儀器有限公司);速效鉀測定采用醋酸銨浸提-火焰光度法(FP640火焰光度計,上海儀電分析儀器有限公司)。
1.3 ?數據處理
應用Excel軟件對數據進行基本的統計處理,運用SPSS Statistics 19.0軟件對土壤養分及油菜產量進行描述性統計分析,并進行顯著性差異檢驗和土壤性質與作物產量之間的相關性分析;同時利用灰色關聯分析法對數據進行處理,綜合評價土壤肥力狀況。
2 ?結果與分析
2.1 ?不同施肥方式下作物產量研究
不同施肥方式下油菜產量見表1。從表1可知,經過施化肥、生物肥、塘泥以及塘泥+化肥之后,油菜單株產量相比CK分別增加了94.04%、95.29%、226.80%、239.70%。油菜產量各項指標相比CK均有提升,其中以塘泥、塘泥+化肥的處理效果最為明顯,且與對照均達到了顯著水平;化肥處理的單株產量和生物肥相比沒有顯著性差異。全株有效角果數以塘泥、塘泥+化肥處理的數量為最多,分別達到了205.13個和211.50個,每角果粒數也出現了相似的規律。由此可見,經過不同方式的施肥處理,油菜產量有所增加。不同施肥方式的增產效果不同,表明采取施肥的方式可以使崩崗洪積扇農田農作物增產,在另一層面上也說明土壤質量得到了相應的改善,使其變得更適合作物生長。
2.2 ?不同施肥方式下土壤養分的變化
2.2.1 ?土壤pH、有機質以及CEC的變化 ? 由表2可知,經過一輪作物的種植,土壤酸性得到了一定程度的改善,其中以塘泥、塘泥+化肥以及生物肥的改良效果最顯著。分析其原因,可能是施塘泥和生物肥增加了土壤中微生物的活性,提高了土壤對酸的緩沖性能?;侍幚硐聀H也有稍有提升,這可能是由于油菜在生長旺盛期吸收了較多的NO3--N所致[19]。同時,改良后土壤pH趨于中性,更有利于酶活性的提高,由于土壤酶活性和土壤養分含量呈密切的相關性[20],因此也增加了土壤養分的有效性。
土壤有機質是土壤的重要組成成分,是衡量土壤肥力的重要指標之一[21]。各處理相比對照而言均有顯著增加(表2)?;?、塘泥、塘泥+化肥以及生物肥較對照分別增加了79.36%、98.31%、103.85%、86.59%,改良效果以塘泥、塘泥+化肥的最為明顯。經過一輪作物種植,植物的枯枝落葉落入土壤,被微生物所分解,而植物根系分泌的樹脂、糖類、有機酸等均成為土壤有機質的部分來源;另一方面,塘泥中含有一些特殊的化合物,如富里酸,胡敏酸等[21],這些腐殖物質經過分解代謝,使得土壤有機質含量上升。
土壤的陽離子交換量,主要取決于土壤的膠體的數量和負電荷的多少,是體現土壤保肥能力和緩沖能力的標志[22]。不同改良措施對土壤陽離子交換量的影響與對有機質的影響規律極為相似,相比對照,塘泥、塘泥+化肥使土壤陽離子交換量增加的幅度較大,分別增加了19.89%、25.50%,而化肥和生物肥則相應增加了5.47%、11.88%。這是因為塘泥中含有較多的有機質,在土壤中形成有機-無機復合體,從而產生物質吸附和交換反應,進而改善了土壤理化性質,使得土壤保肥能力得到提高。
2.2.2 ?土壤氮、磷、鉀養分含量的變化 ? 土壤全氮、全磷、全鉀的含量在一定程度上反映了土壤養分的供應情況,同時也是土壤肥力的評價指標。土壤全氮含量以塘泥、塘泥+化肥以及生物肥處理提升效果較為明顯。土壤全磷含量以塘泥處理的提升效果最顯著,較對照增加了122.37%,平均含量為1.69 g/kg;化肥、塘泥+化肥、生物肥分別較對照增加了19.74%、52.63%、11.84%。全鉀含量與有機質的增加趨勢基本一致。從表2中可知,全氮、全磷、全鉀含量較對照增加幅度不一,且相比有機質和速效養分增加幅度小,這可能是因為試驗結果還受到氣候和母質等諸多因素的影響。另一方面,土壤中存在的速效磷、速效鉀以及堿解氮能夠直接被作物吸收利用,是作物獲得高產的保證,而且這在一定程度上能更好地說明土壤的肥力狀況。如表3所示,化肥、塘泥、塘泥+化肥以及生物肥處理相比對照,土壤速效磷含量分別增加了3.63%、89.39%、93.98%、81.45%;速效鉀含量也呈現相似的規律,其中以塘泥、塘泥+化肥處理的效果最佳,其含量相比對照分別增加了141.11%、166.92%;堿解氮含量亦有明顯的提高。說明施肥使得土壤中速效養分的含量增加,原因可能是由于塘泥中帶有一定量的微生物,施入后增加了土壤中微生物的數量,活化土壤中的氮、磷、鉀等營養元素,同時分解有機質,使得土壤中的速效養分庫得以擴大[23]。另一方面,施肥提高了土壤中微生物的活性,使得土壤酶活性升高,而土壤速效養分與土壤酶活性有一定的相關性,酶活性增強使得速效養分增加,土壤生物化學能力增強,從而進一步促進速效養分的釋放[24]。
2.2.3 ?各養分之間及油菜產量間的相關性分析 ? 由表4可以看出,各養分含量之間均有一定相關性,除pH與各養分含量之間的相關性不大明顯外,其余各項養分指標間均表現出較為顯著的正相關關系。其中,CEC含量與全鉀、速效磷、速效鉀之間呈顯著的相關性,相關系數R2分別為0.959、0.909、0.973。油菜單株產量與土壤pH、有機質、CEC、全氮、速效磷、速效鉀之間均呈顯著的正相關,說明隨著土壤中有機質以及各類養分含量的增加,土壤結構朝著利于耕作條件的方向變化,油菜生長的有利因素增加,從而提高了產量。但油菜單株產量與全磷之間的相關性卻不明顯,R2僅為0.060,進一步分析其原因,可能是土壤中全磷包含了有機磷和無機磷,并且土壤中的磷大多以遲效態存在,難以被作物所吸收,即便土壤中的全磷含量高,但其與作物吸收的量并無相關性,故不能用于反映作物產量。
2.2.4 ?不同施肥方式的土壤肥力評價 ? 灰色關聯分析方法是根據因素之間的相異程度來衡量因素間關聯程度的一種方法[25]。此外,土壤肥力是一個綜合概念,且具有灰色性,故適合用灰色關聯分析法對其進行分析,評價標準見表5[26]。本研究利用已測定的9種土壤性質指標對土壤肥力進行灰色關聯度分析。
選擇各指標的最大值作為一組參考數列X0[27],其他處理(CK、化肥、塘泥、塘泥+化肥、生物肥)按順序依次為X1、X2、X3、X4、X5,為消除土壤肥力各指標間量綱的不同,將數據按公式Xij=(X′ij-minX′ij)/Rij進行標準化處理(表6)。式中,Rij=maxX′ij-minX′ij(i=0,1,…13; j=1,…5),其中X′ij為原始數據,Xij為標準化后數據。
根據數列,利用公式△i(k)=X0(k)-Xi(k),計算并找出兩級最小差 ? ? ? ? ? ? 和最大差
,然后按以下公式進行計算:
ξi(k)
式中ρ為分辨系數,取0.5。關聯度的表達式為:ri=ξi(k),計算結果如表7所示。
根據表5 的土壤肥力灰色關聯度評價標準[26],各處理灰色關聯度由大到小排序為:塘泥+化肥>塘泥>生物肥>化肥>不施肥,塘泥+化肥的關聯度最高,為0.834 4,與塘泥處理均處在Ⅱ級(良);生物肥處理的土壤為Ⅲ級(一般);化肥處理的為Ⅳ級(差),不施肥處理的土壤最貧瘠,即為Ⅴ級 (極差)。
3 ?討論與結論
洪積扇土壤經過不同施肥處理,土壤理化性質得到很大的改善,除pH外,其他指標均有明顯提高。同時,經過作物種植,不同施肥改良方式的油菜產量也表現出顯著的差異性,其中以塘泥+化肥、塘泥處理的改良效果最為明顯,化肥、生物肥的改良效果次之。分析其原因,化肥改良效果較差可能是由于油菜生長過程中化肥被雨水淋洗,大部分滲入底部,時間長了易造成土壤板結,植物根系不能吸收到足夠的養分,使得植物產量下降;另一方面有可能是由于化肥養分單一,不能完全滿足油菜整個生育期中需肥量的要求[28-29]。生物肥則需要土壤、氣候等各種環境條件適宜才能發揮較大的作用[30]。塘泥單施效果稍次于塘泥+化肥配施,因為塘泥中雖然含有豐富、全面的養分,但肥效遲緩,不如化肥見效快,故二者結合起來可使土壤肥力得到較大的提升[31]。總體而言,有機-無機肥配施效果較好。另外,從產量來看,施化肥、塘泥、塘泥+化肥以及生物肥的處理產量明顯高于CK,且以塘泥+化肥的效果最好,因為塘泥中含有豐富的有機化合物,同時帶有微生物,增加了土壤中各營養元素的有效性,另外在一定程度上還能促進土壤團粒結構的形成,因而塘泥對土壤來說是良好的改良劑,這與先前的研究效果一致[32]。
灰色關聯分析法是一種多因素綜合的肥力評價方法[26],避免了只考慮單一因素的主觀性,達到了客觀、準確的效果。其基本思想是將參考序列曲線的幾何形狀與其他序列的進行比較,從而判斷它們之間的聯系是否緊密,且近年來已有不少學者對此分析模型進行了研究[33-34]。通過灰色關聯分析,得出處理間的灰色關聯度大小順序為:塘泥+化肥>塘泥>生物肥>化肥>不施肥,且各種處理均使土壤肥力得到不同程度的提升,相比崩崗洪積扇采集的基礎土樣,經過一輪種植,各處理的各項養分指標均明顯上升,說明不同施肥方式均使得土壤中總的養分含量增加,這與鄧羽松等[10]研究結果一致。另一方面,對土壤肥力進行評價分析時,結合物理指標能更全面地反映土壤的肥力狀況,但考慮到崩崗土壤具有沙化嚴重的特殊性,需要采取多次輪作才能更好地改善土壤結構,故本研究選取多種養分指標來評價土壤肥力,它們代表了改良后土壤絕大部分的肥力狀況。根據施肥改良得到的結果,崩崗洪積扇土壤需要增施有機肥,并結合有機-無機肥配施來增加土壤養分,以此提升土壤肥力。
參考文獻
[1] 李雙喜, 桂惠中, 丁樹文. 中國南方崩崗空間分布特征[J]. 華中農業大學學報, 2013, 32(1): ?83-86.
[2]劉洪鵠, 劉憲春, 張平倉, 等. 南方崩崗發育特征及其監測技術探討[J]. 中國水土保持科學, 2011, 9(2): 19-23.
[3] 黃艷霞. 廣西崩崗侵蝕的現狀﹑ 成因及治理模式[J]. 中國水土保持, 2007(2): 3-4.
[4]林金石, 黃炎和, 張旭斌, 等. 南方花崗巖區典型崩崗侵蝕產沙來源分析[J]. 水土保持學報, 2012, 26(3): 53-57.
[5]劉希林, 張大林, 賈瑤瑤. 崩崗地貌發育的土體物理性質及其土壤侵蝕意義[J]. 地球科學進展, 2013, 28(7): 802-811.
[6] 丁光敏. 福建省崩崗侵蝕成因及治理模式研究[J]. 水土保持通報, 2001, 21(5): 10-15.
[7] 呂貽忠, 馬興旺. 荒漠化土壤養分變化的影響因素研究進展[J]. 生態環境, 2003, 12(4): 473-477.
[8] 于險峰, 張 ?柞. 遼寧省沙化土壤的發展與防治對策[J]. 中國水土保持, 2004(8): 5, 21.
[9] 彭繼慧, 呂琳琳. 關于種植苜蓿草改良沙化土壤的探討[J]. 內蒙古環境科學, 2008, 20(3): 18-20, 22.
[10] 鄧羽松, 丁樹文, 梁傳平, 等. 安溪崩崗洪積扇不同培肥方式的土壤理化效應[J]. 水土保持學報, 2014, 28(4): 168-171.
[11]龍 ?莉, 丁樹文, 蔡崇法, 等. 花崗巖紅壤丘陵區崩崗侵蝕對農田的危害及治理[J]. 中國水土保持, 2013(12): 24-26.
[12]梁 ?音, 寧堆虎, 潘賢章, 等. 南方紅壤區崩崗侵蝕的特點與治理[J]. 中國水土保持, 2009(1): 31-34.
[13]鄧羽松,丁樹文,蔡崇法,等. 鄂東南崩崗洪積扇土壤物理性質空間分異特征[J]. 中國農業科學, 2014, 47(24): 4 ?850-4 ?857.
[14]嚴程明, 張江周, 石偉琦, 等. 滴灌施肥下菠蘿氮磷鉀的營養特性[J]. 熱帶作物學報, 2014, 35(9): 1 688-1 694.
[15]張江周, 嚴程明, 劉亞男, 等. 不同施肥量對菠蘿產量和品質的影響[J]. 熱帶作物學報, 2014, 35(5): 837-841.
[16] 譚宏偉, 周柳強, 謝如林, 等. 紅壤區不同施肥處理對蔗區土壤酸化及甘蔗產量的影響[J]. 熱帶作物學報, 2014, 35(7): 1 290-1 295.
[17]任兵芳, 丁樹文, 吳大國, 等. 鄂東南崩崗土體特性分析[J]. 人民長江, 2013, 44(3): 93-96.
[18] 鮑士旦. 土壤農化分析[M]. 北京: 中國農業出版社, 2000.
[19] 劉安輝, 趙 ?魯, 李旭軍, 等. 氮肥對鎘污染土壤上小油菜生長及鎘吸收特征的影響[J]. 中國土壤與肥料, 2014(2): 77-81.
[20]邱現奎, 董元杰, 萬勇善, 等. 不同施肥處理對土壤養分含量及土壤酶活性的影響[J]. 土壤, 2010, 42(2): 249-255.
[21] 蔣端生. 南岳森林土壤有機質的研究[J]. 湖南農業科學, 2001(2): 26-29.
[22] 王 ?訓, 閆 ?飛, 王永敏, 等. 秸稈改良劑對沙質土有機質和陽離子交換量的影響[J]. 中國農學通報, 2010, 26(23): 224-228.
[23]趙 ?鑫, 宇萬太, 李建東, 等. 不同施肥模式下潮棕壤稻田的速效養分狀況和水稻的養分分配[J]. 生態學雜志, 2007, 26(6): 840-845.
[24]何 ?斌, 劉運華, 陸志科, 等. 肉桂人工林土壤速效養分與酶活性的季節變化[J]. 經濟林研究, 2004, 22(3): 1-4.
[25]黃 ?馨, 劉君昂, 周國英, 等. 海南省土沉香人工林土壤肥力評價研究[J]. 中南林業科技大學學報, 2014, 34(8): 64-68.
[26]何文壽, 畢 ?紅. 應用灰色關聯分析對銀南灌區土壤肥力的綜合評價[J]. 寧夏農林科技, 1997(2): 7-10.
[27] 韓春建, 梁朝信, 吳克寧, 等. 基于GIS技術的灰色關聯度法土壤肥力綜合評價[J]. 農業工程學報, ?2008, 24(1): 53-56.
[28]張永發, 杜前進, 張冬明, 等. 平衡施肥對木薯產量及品質的影響初報[J]. 熱帶作物學報, 2009, 30(4): 435-439.
[29]羅 ?凡, 龔雪蛟, 張 ?廳, 等. 氮磷鉀對春茶光合生理及氨基酸組分的影響[J]. 植物營養與肥料學報, 2014, 21(1): 137-145.
[30]曹 ?丹, 宗良綱, 肖 ?峻, 等. 生物肥對有機黃瓜生長及土壤生物學特性的影響[J]. 應用生態學報, 2010, 21(10): 2 587-2 592.
[31] 周小靜, 陳 ?曦. 塘泥培肥菜地的效果[J]. 耕作與栽培, 1998(4): 51-52.
[32] 易杰祥. 膨潤土和塘泥對酸性土壤的改良研究[D]. 儋州: 華南熱帶農業大學, 2006.
[33] 施紅星, 劉思峰, 方志耕, 等. 灰色周期關聯度模型及其應用研究[J]. 中國管理科學, 2008, 16(3): 131-136.
[34] Wei G W. Grey relational analysis model for dynamic hybrid multiple attribute decision making[J]. Knowledge-Based Systems, 2011, 24(5): 672-679.