施肥方式對(duì)崩崗洪積扇土壤養(yǎng)分改良研究

朱蕓 鄧羽松 夏棟 李瑤瑤 丁樹文

摘 ?要 ?中國南方花崗巖地區(qū)崩崗侵蝕給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的威脅，尤其是崩崗侵蝕產(chǎn)生的大量泥沙沉積，導(dǎo)致農(nóng)田土壤質(zhì)量惡化以及農(nóng)作物大量減產(chǎn)。為探索崩崗洪積扇農(nóng)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(jìn)行油菜盆栽實(shí)驗(yàn)，研究不施肥（CK）和施化肥、塘泥、塘泥+化肥與生物肥等5個(gè)處理對(duì)土壤養(yǎng)分改良的效果，并利用灰色關(guān)聯(lián)分析方法評(píng)價(jià)土壤肥力，結(jié)合油菜產(chǎn)量，經(jīng)對(duì)比得出最佳的施肥方式。結(jié)果表明：與CK相比，其他處理的土壤有機(jī)質(zhì)、陽離子交換量、氮磷鉀含量有明顯的提高，油菜產(chǎn)量也有顯著的增加;Pearson相關(guān)分析表明，各養(yǎng)分指標(biāo)與產(chǎn)量間呈正相關(guān)。土壤肥力按關(guān)聯(lián)度排序?yàn)椋禾聊?化肥>塘泥>生物肥>化肥>不施肥，塘泥+化肥處理的土壤質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ級(jí)（良），是最佳的施肥方式;CK的土壤最為貧瘠，土壤質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)（極差）。本研究為崩崗洪積扇農(nóng)田質(zhì)量恢復(fù)提供了科學(xué)依據(jù)，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要的實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞 ?崩崗;洪積扇;施肥方式;土壤養(yǎng)分;灰色關(guān)聯(lián)分析

中圖分類號(hào) ?S157.4 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(qū)一種發(fā)育最旺盛的土壤侵蝕現(xiàn)象，發(fā)展速度快，破壞性強(qiáng)，主要分布在中國南方，尤其是廣東、江西、湖北等7?。ㄗ灾螀^(qū)）分布最集中[1]，崩崗總面積達(dá)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(fā)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(yùn)，從而形成洪積扇。洪積扇是崩崗發(fā)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(nóng)田被淤埋，嚴(yán)重影響農(nóng)作物產(chǎn)量，甚至導(dǎo)致農(nóng)田喪失耕性，威脅糧食安全，同時(shí)也造成土地資源的浪費(fèi)[3]。

之前許多學(xué)者對(duì)崩崗的分布、形成機(jī)理、侵蝕現(xiàn)狀、崩崗侵蝕產(chǎn)沙的輸移規(guī)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(nèi)針對(duì)沙化土壤改良的研究有過相關(guān)報(bào)道，如呂貽忠等[7]研究表明，沙化土壤導(dǎo)致了養(yǎng)分的退化;于險(xiǎn)峰等[8]研究為沙化土壤的發(fā)展提供了防治對(duì)策;彭繼慧等[9]探討了種植苜蓿草對(duì)沙化土壤改良的效果，結(jié)果表明沙化土壤的治理以及改良有較大的難度。關(guān)于崩崗侵蝕導(dǎo)致洪積扇土壤沙化的研究報(bào)道較少，但近年來逐漸受到相關(guān)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(zhì)的分異規(guī)律，為洪積扇的治理提供了依據(jù)。針對(duì)崩崗侵蝕導(dǎo)致洪積扇土壤退化的特點(diǎn)，采用施肥方式是恢復(fù)土壤肥力最為直接的方法。施肥是提高作物產(chǎn)量的重要途徑，能改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力，同時(shí)也能提高作物品質(zhì)[14-16]。因此，本研究選擇崩崗分布集中的典型地區(qū)采集土樣[17]，開展盆栽試驗(yàn)，分析不同施肥方式對(duì)土壤理化性質(zhì)（主要包括pH、有機(jī)質(zhì)、陽離子交換量以及氮磷鉀等含量）變化的影響，同時(shí)結(jié)合測(cè)定油菜的產(chǎn)量，并利用灰色關(guān)聯(lián)分析法評(píng)價(jià)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(chǎn)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(zhèn)，東經(jīng)113°46′26′′，北緯29°12′39′′，土壤類型為花崗巖發(fā)育的紅壤。供試土壤養(yǎng)分含量：pH4.54、有機(jī)質(zhì)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(cè)定）。實(shí)驗(yàn)于2013年秋季在武漢市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持研究基地進(jìn)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(yáng)州市森大肥業(yè)有限公司“肥老伴”牌微生物肥料，供試的油菜為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)選育的甘藍(lán)型雙低雜交油菜“華油雜9號(hào)”。

1.2 ?方法

1.2.1 ?試驗(yàn)設(shè)計(jì) ? 試驗(yàn)采用盆栽設(shè)計(jì)，每盆土13.5 kg，共設(shè)5個(gè)處理：（1）不施肥 （CK）;（2）化肥;（3）塘泥;（4）塘泥+化肥;（5）生物肥，每個(gè)處理4次重復(fù)?；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(jìn)行，塘泥養(yǎng)分情況：pH值為6.74、有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)≥30%，有效活菌數(shù)≥0.3億個(gè)/g，生物肥處理為0.6 g/kg。

1.2.2 ?指標(biāo)測(cè)定方法 ? 土壤養(yǎng)分采用常規(guī)的分析方法進(jìn)行測(cè)定[18]。pH測(cè)定采用電位計(jì)法（Model PHS-3C，上海精密科學(xué)儀器廠生產(chǎn)）[y（水）∶ m（土）=2.5∶1];土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)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(cè)定采用半微量凱氏法;土壤全磷測(cè)定采用硫酸-高氯酸-鉬銻抗比色法（721分光光度計(jì)，上海儀電分析儀器有限公司）;土壤全鉀測(cè)定用火焰光度法（FP640火焰光度計(jì)，上海儀電分析儀器有限公司）;土壤堿解氮測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法;土壤速效磷測(cè)定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法（721分光光度計(jì)，上海儀電分析儀器有限公司）;速效鉀測(cè)定采用醋酸銨浸提-火焰光度法（FP640火焰光度計(jì)，上海儀電分析儀器有限公司）。

1.3 ?數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的統(tǒng)計(jì)處理，運(yùn)用SPSS Statistics 19.0軟件對(duì)土壤養(yǎng)分及油菜產(chǎn)量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，并進(jìn)行顯著性差異檢驗(yàn)和土壤性質(zhì)與作物產(chǎn)量之間的相關(guān)性分析;同時(shí)利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，綜合評(píng)價(jià)土壤肥力狀況。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?不同施肥方式下作物產(chǎn)量研究

不同施肥方式下油菜產(chǎn)量見表1。從表1可知，經(jīng)過施化肥、生物肥、塘泥以及塘泥+化肥之后，油菜單株產(chǎn)量相比CK分別增加了94.04%、95.29%、226.80%、239.70%。油菜產(chǎn)量各項(xiàng)指標(biāo)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(duì)照均達(dá)到了顯著水平;化肥處理的單株產(chǎn)量和生物肥相比沒有顯著性差異。全株有效角果數(shù)以塘泥、塘泥+化肥處理的數(shù)量為最多，分別達(dá)到了205.13個(gè)和211.50個(gè)，每角果粒數(shù)也出現(xiàn)了相似的規(guī)律。由此可見，經(jīng)過不同方式的施肥處理，油菜產(chǎn)量有所增加。不同施肥方式的增產(chǎn)效果不同，表明采取施肥的方式可以使崩崗洪積扇農(nóng)田農(nóng)作物增產(chǎn)，在另一層面上也說明土壤質(zhì)量得到了相應(yīng)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(yǎng)分的變化

2.2.1 ?土壤pH、有機(jī)質(zhì)以及CEC的變化 ? 由表2可知，經(jīng)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(duì)酸的緩沖性能。化肥處理下pH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(shí)，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(yǎng)分含量呈密切的相關(guān)性[20]，因此也增加了土壤養(yǎng)分的有效性。

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成成分，是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一[21]。各處理相比對(duì)照而言均有顯著增加（表2）?；?、塘泥、塘泥+化肥以及生物肥較對(duì)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(jīng)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(jī)酸等均成為土壤有機(jī)質(zhì)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(zhì)經(jīng)過分解代謝，使得土壤有機(jī)質(zhì)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(shù)量和負(fù)電荷的多少，是體現(xiàn)土壤保肥能力和緩沖能力的標(biāo)志[22]。不同改良措施對(duì)土壤陽離子交換量的影響與對(duì)有機(jī)質(zhì)的影響規(guī)律極為相似，相比對(duì)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(yīng)增加了5.47%、11.88%。這是因?yàn)樘聊嘀泻休^多的有機(jī)質(zhì)，在土壤中形成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體，從而產(chǎn)生物質(zhì)吸附和交換反應(yīng)，進(jìn)而改善了土壤理化性質(zhì)，使得土壤保肥能力得到提高。

2.2.2 ?土壤氮、磷、鉀養(yǎng)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(yǎng)分的供應(yīng)情況，同時(shí)也是土壤肥力的評(píng)價(jià)指標(biāo)。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(duì)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(duì)照增加了19.74%、52.63%、11.84%。全鉀含量與有機(jī)質(zhì)的增加趨勢(shì)基本一致。從表2中可知，全氮、全磷、全鉀含量較對(duì)照增加幅度不一，且相比有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分增加幅度小，這可能是因?yàn)樵囼?yàn)結(jié)果還受到氣候和母質(zhì)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(chǎn)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(duì)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(xiàn)相似的規(guī)律，其中以塘泥、塘泥+化肥處理的效果最佳，其含量相比對(duì)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(yǎng)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(shù)量，活化土壤中的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，同時(shí)分解有機(jī)質(zhì)，使得土壤中的速效養(yǎng)分庫得以擴(kuò)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(yǎng)分與土壤酶活性有一定的相關(guān)性，酶活性增強(qiáng)使得速效養(yǎng)分增加，土壤生物化學(xué)能力增強(qiáng)，從而進(jìn)一步促進(jìn)速效養(yǎng)分的釋放[24]。

2.2.3 ?各養(yǎng)分之間及油菜產(chǎn)量間的相關(guān)性分析 ? 由表4可以看出，各養(yǎng)分含量之間均有一定相關(guān)性，除pH與各養(yǎng)分含量之間的相關(guān)性不大明顯外，其余各項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)間均表現(xiàn)出較為顯著的正相關(guān)關(guān)系。其中，CEC含量與全鉀、速效磷、速效鉀之間呈顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.959、0.909、0.973。油菜單株產(chǎn)量與土壤pH、有機(jī)質(zhì)、CEC、全氮、速效磷、速效鉀之間均呈顯著的正相關(guān)，說明隨著土壤中有機(jī)質(zhì)以及各類養(yǎng)分含量的增加，土壤結(jié)構(gòu)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(chǎn)量。但油菜單株產(chǎn)量與全磷之間的相關(guān)性卻不明顯，R2僅為0.060，進(jìn)一步分析其原因，可能是土壤中全磷包含了有機(jī)磷和無機(jī)磷，并且土壤中的磷大多以遲效態(tài)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(guān)性，故不能用于反映作物產(chǎn)量。

2.2.4 ?不同施肥方式的土壤肥力評(píng)價(jià) ? 灰色關(guān)聯(lián)分析方法是根據(jù)因素之間的相異程度來衡量因素間關(guān)聯(lián)程度的一種方法[25]。此外，土壤肥力是一個(gè)綜合概念，且具有灰色性，故適合用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)其進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表5[26]。本研究利用已測(cè)定的9種土壤性質(zhì)指標(biāo)對(duì)土壤肥力進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析。

選擇各指標(biāo)的最大值作為一組參考數(shù)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(biāo)間量綱的不同，將數(shù)據(jù)按公式Xij=（X′ij-minX′ij）/Rij進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)，Xij為標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)。

根據(jù)數(shù)列，利用公式△i（k）=X0（k）-Xi（k），計(jì)算并找出兩級(jí)最小差 ? ? ? ? ? ? 和最大差

，然后按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

ξi（k）

式中ρ為分辨系數(shù)，取0.5。關(guān)聯(lián)度的表達(dá)式為：ri=ξi（k），計(jì)算結(jié)果如表7所示。

根據(jù)表5 的土壤肥力灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[26]，各處理灰色關(guān)聯(lián)度由大到小排序?yàn)椋禾聊?化肥>塘泥>生物肥>化肥>不施肥，塘泥+化肥的關(guān)聯(lián)度最高，為0.834 4，與塘泥處理均處在Ⅱ級(jí)（良）;生物肥處理的土壤為Ⅲ級(jí)（一般）;化肥處理的為Ⅳ級(jí)（差），不施肥處理的土壤最貧瘠，即為Ⅴ級(jí) （極差）。

3 ?討論與結(jié)論

洪積扇土壤經(jīng)過不同施肥處理，土壤理化性質(zhì)得到很大的改善，除pH外，其他指標(biāo)均有明顯提高。同時(shí)，經(jīng)過作物種植，不同施肥改良方式的油菜產(chǎn)量也表現(xiàn)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(shí)間長了易造成土壤板結(jié)，植物根系不能吸收到足夠的養(yǎng)分，使得植物產(chǎn)量下降;另一方面有可能是由于化肥養(yǎng)分單一，不能完全滿足油菜整個(gè)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(huán)境條件適宜才能發(fā)揮較大的作用[30]。塘泥單施效果稍次于塘泥+化肥配施，因?yàn)樘聊嘀须m然含有豐富、全面的養(yǎng)分，但肥效遲緩，不如化肥見效快，故二者結(jié)合起來可使土壤肥力得到較大的提升[31]?？傮w而言，有機(jī)-無機(jī)肥配施效果較好。另外，從產(chǎn)量來看，施化肥、塘泥、塘泥+化肥以及生物肥的處理產(chǎn)量明顯高于CK，且以塘泥+化肥的效果最好，因?yàn)樘聊嘀泻胸S富的有機(jī)化合物，同時(shí)帶有微生物，增加了土壤中各營養(yǎng)元素的有效性，另外在一定程度上還能促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，因而塘泥對(duì)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(guān)聯(lián)分析法是一種多因素綜合的肥力評(píng)價(jià)方法[26]，避免了只考慮單一因素的主觀性，達(dá)到了客觀、準(zhǔn)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(jìn)行比較，從而判斷它們之間的聯(lián)系是否緊密，且近年來已有不少學(xué)者對(duì)此分析模型進(jìn)行了研究[33-34]。通過灰色關(guān)聯(lián)分析，得出處理間的灰色關(guān)聯(lián)度大小順序?yàn)椋禾聊?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(chǔ)土樣，經(jīng)過一輪種植，各處理的各項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)均明顯上升，說明不同施肥方式均使得土壤中總的養(yǎng)分含量增加，這與鄧羽松等[10]研究結(jié)果一致。另一方面，對(duì)土壤肥力進(jìn)行評(píng)價(jià)分析時(shí)，結(jié)合物理指標(biāo)能更全面地反映土壤的肥力狀況，但考慮到崩崗?fù)寥谰哂猩郴瘒?yán)重的特殊性，需要采取多次輪作才能更好地改善土壤結(jié)構(gòu)，故本研究選取多種養(yǎng)分指標(biāo)來評(píng)價(jià)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(jù)施肥改良得到的結(jié)果，崩崗洪積扇土壤需要增施有機(jī)肥，并結(jié)合有機(jī)-無機(jī)肥配施來增加土壤養(yǎng)分，以此提升土壤肥力。

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