施肥方式对崩岗洪积扇土壤养分改良研究

朱芸 邓羽松 夏栋 李瑶瑶 丁树文

摘  要  中国南方花岗岩地区崩岗侵蚀给农业生产带来了严重的威胁，尤其是崩岗侵蚀产生的大量泥沙沉积，导致农田土壤质量恶化以及农作物大量减产。为探索崩岗洪积扇农田土壤改良的有效方式，本研究通过采集通城县崩岗洪积扇土壤进行油菜盆栽实验，研究不施肥（CK）和施化肥、塘泥、塘泥+化肥与生物肥等5个处理对土壤养分改良的效果，并利用灰色关联分析方法评价土壤肥力，结合油菜产量，经对比得出最佳的施肥方式。结果表明：与CK相比，其他处理的土壤有机质、阳离子交换量、氮磷钾含量有明显的提高，油菜产量也有显著的增加;Pearson相关分析表明，各养分指标与产量间呈正相关。土壤肥力按关联度排序为：塘泥+化肥>塘泥>生物肥>化肥>不施肥，塘泥+化肥处理的土壤质量等级为Ⅱ级（良），是最佳的施肥方式;CK的土壤最为贫瘠，土壤质量等级为Ⅴ级（极差）。本研究为崩岗洪积扇农田质量恢复提供了科学依据，对于农业生产有重要的实践意义。

关键词  崩岗;洪积扇;施肥方式;土壤养分;灰色关联分析

中图分类号  S157.4            文献标识码  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

崩岗是花岗岩地区一种发育最旺盛的土壤侵蚀现象，发展速度快，破坏性强，主要分布在中国南方，尤其是广东、江西、湖北等7省（自治区）分布最集中[1]，崩岗总面积达48.34万km2，约占中国国土面积的5%，涉及人口1.62亿[2]。崩岗是水土流失发展的最高阶段，山坡土体崩塌以及流水的冲刷使得大量泥沙被搬运，从而形成洪积扇。洪积扇是崩岗发生后，泥沙被冲积下来而形成的大面积扇形地貌。崩岗造成洪积物被冲毁、农田被淤埋，严重影响农作物产量，甚至导致农田丧失耕性，威胁粮食安全，同时也造成土地资源的浪费[3]。

之前许多学者对崩岗的分布、形成机理、侵蚀现状、崩岗侵蚀产沙的输移规律[4]以及综合治理方面等有过诸多深入的研究[5-6]。目前，国内针对沙化土壤改良的研究有过相关报道，如吕贻忠等[7]研究表明，沙化土壤导致了养分的退化;于险峰等[8]研究为沙化土壤的发展提供了防治对策;彭继慧等[9]探讨了种植苜蓿草对沙化土壤改良的效果，结果表明沙化土壤的治理以及改良有较大的难度。关于崩岗侵蚀导致洪积扇土壤沙化的研究报道较少，但近年来逐渐受到相关研究者的重视[10-11]，梁音等[12]、邓羽松等[13]探讨了洪积扇土壤理化性质的分异规律，为洪积扇的治理提供了依据。针对崩岗侵蚀导致洪积扇土壤退化的特点，采用施肥方式是恢复土壤肥力最为直接的方法。施肥是提高作物产量的重要途径，能改善土壤结构、提高土壤肥力，同时也能提高作物品质[14-16]。因此，本研究选择崩岗分布集中的典型地区采集土样[17]，开展盆栽试验，分析不同施肥方式对土壤理化性质（主要包括pH、有机质、阳离子交换量以及氮磷钾等含量）变化的影响，同时结合测定油菜的产量，并利用灰色关联分析法评价土壤肥力，旨在探索适用于崩岗洪积扇土壤改良的最佳施肥方式，以提高粮食产量。

1  材料与方法

1.1  材料

供试土壤采自湖北省通城县五里镇，东经113°46′26′′，北纬29°12′39′′，土壤类型为花岗岩发育的红壤。供试土壤养分含量：pH4.54、有机质5.85 g/kg、阳离子交换量（CEC）4.33 cmol/kg、全氮0.12 g/kg、全磷0.15 g/kg、全钾0.65 g/kg、碱解氮7.89 mg/kg、速效磷6.05 mg/kg、速效钾8.86 mg/kg（于2013年11月测定）。实验于2013年秋季在武汉市华中农业大学水土保持研究基地进行。N、P、K肥分别为尿素、过磷酸钙以及氯化钾，生物肥选自扬州市森大肥业有限公司“肥老伴”牌微生物肥料，供试的油菜为华中农业大学选育的甘蓝型双低杂交油菜“华油杂9号”。

1.2  方法

1.2.1  试验设计   试验采用盆栽设计，每盆土13.5 kg，共设5个处理：（1）不施肥 （CK）;（2）化肥;（3）塘泥;（4）塘泥+化肥;（5）生物肥，每个处理4次重复。化肥处理为N 0.3 g/kg 、P2O5 0.15 g/kg、K2O  0.2 g/kg，3种肥料混合施用;掺塘泥以1  ∶  10（m  ∶  m）的比例进行，塘泥养分情况：pH值为6.74、有机质24.50 g/kg、阳离子交换量20.35 coml/kg，全氮 0.84 g/kg、全磷1.65 g/kg、全钾1.24 g/kg、碱解氮225.21 mg/kg、速效磷22.32 mg/kg、速效钾121.36 mg/kg。生物肥中氮、磷、钾≥6%，有机质≥30%，有效活菌数≥0.3亿个/g，生物肥处理为0.6 g/kg。

1.2.2  指标测定方法   土壤养分采用常规的分析方法进行测定[18]。pH测定采用电位计法（Model PHS-3C，上海精密科学仪器厂生产）[y（水）∶ m（土）=2.5∶1];土壤有机质测定采用重铬酸钾外加热法;阳离子交换量采用乙酸铵交换法;土壤全氮测定采用半微量凯氏法;土壤全磷测定采用硫酸-高氯酸-钼锑抗比色法（721分光光度计，上海仪电分析仪器有限公司）;土壤全钾测定用火焰光度法（FP640火焰光度计，上海仪电分析仪器有限公司）;土壤碱解氮测定采用碱解扩散法;土壤速效磷测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法（721分光光度计，上海仪电分析仪器有限公司）;速效钾测定采用醋酸铵浸提-火焰光度法（FP640火焰光度计，上海仪电分析仪器有限公司）。

1.3  数据处理

应用Excel软件对数据进行基本的统计处理，运用SPSS Statistics 19.0软件对土壤养分及油菜产量进行描述性统计分析，并进行显著性差异检验和土壤性质与作物产量之间的相关性分析;同时利用灰色关联分析法对数据进行处理，综合评价土壤肥力状况。

2  结果与分析

2.1  不同施肥方式下作物产量研究

不同施肥方式下油菜产量见表1。从表1可知，经过施化肥、生物肥、塘泥以及塘泥+化肥之后，油菜单株产量相比CK分别增加了94.04%、95.29%、226.80%、239.70%。油菜产量各项指标相比CK均有提升，其中以塘泥、塘泥+化肥的处理效果最为明显，且与对照均达到了显著水平;化肥处理的单株产量和生物肥相比没有显著性差异。全株有效角果数以塘泥、塘泥+化肥处理的数量为最多，分别达到了205.13个和211.50个，每角果粒数也出现了相似的规律。由此可见，经过不同方式的施肥处理，油菜产量有所增加。不同施肥方式的增产效果不同，表明采取施肥的方式可以使崩岗洪积扇农田农作物增产，在另一层面上也说明土壤质量得到了相应的改善，使其变得更适合作物生长。

2.2  不同施肥方式下土壤养分的变化

2.2.1  土壤pH、有机质以及CEC的变化   由表2可知，经过一轮作物的种植，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显著。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，提高了土壤对酸的缓冲性能。化肥处理下pH也有稍有提升，这可能是由于油菜在生长旺盛期吸收了较多的NO3--N所致[19]。同时，改良后土壤pH趋于中性，更有利于酶活性的提高，由于土壤酶活性和土壤养分含量呈密切的相关性[20]，因此也增加了土壤养分的有效性。

土壤有机质是土壤的重要组成成分，是衡量土壤肥力的重要指标之一[21]。各处理相比对照而言均有显著增加（表2）。化肥、塘泥、塘泥+化肥以及生物肥较对照分别增加了79.36%、98.31%、103.85%、86.59%，改良效果以塘泥、塘泥+化肥的最为明显。经过一轮作物种植，植物的枯枝落叶落入土壤，被微生物所分解，而植物根系分泌的树脂、糖类、有机酸等均成为土壤有机质的部分来源;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]，这些腐殖物质经过分解代谢，使得土壤有机质含量上升。

土壤的阳离子交换量，主要取决于土壤的胶体的数量和负电荷的多少，是体现土壤保肥能力和缓冲能力的标志[22]。不同改良措施对土壤阳离子交换量的影响与对有机质的影响规律极为相似，相比对照，塘泥、塘泥+化肥使土壤阳离子交换量增加的幅度较大，分别增加了19.89%、25.50%，而化肥和生物肥则相应增加了5.47%、11.88%。这是因为塘泥中含有较多的有机质，在土壤中形成有机-无机复合体，从而产生物质吸附和交换反应，进而改善了土壤理化性质，使得土壤保肥能力得到提高。

2.2.2  土壤氮、磷、钾养分含量的变化   土壤全氮、全磷、全钾的含量在一定程度上反映了土壤养分的供应情况，同时也是土壤肥力的评价指标。土壤全氮含量以塘泥、塘泥+化肥以及生物肥处理提升效果较为明显。土壤全磷含量以塘泥处理的提升效果最显著，较对照增加了122.37%，平均含量为1.69 g/kg;化肥、塘泥+化肥、生物肥分别较对照增加了19.74%、52.63%、11.84%。全钾含量与有机质的增加趋势基本一致。从表2中可知，全氮、全磷、全钾含量较对照增加幅度不一，且相比有机质和速效养分增加幅度小，这可能是因为试验结果还受到气候和母质等诸多因素的影响。另一方面，土壤中存在的速效磷、速效钾以及碱解氮能够直接被作物吸收利用，是作物获得高产的保证，而且这在一定程度上能更好地说明土壤的肥力状况。如表3所示，化肥、塘泥、塘泥+化肥以及生物肥处理相比对照，土壤速效磷含量分别增加了3.63%、89.39%、93.98%、81.45%;速效钾含量也呈现相似的规律，其中以塘泥、塘泥+化肥处理的效果最佳，其含量相比对照分别增加了141.11%、166.92%;碱解氮含量亦有明显的提高。说明施肥使得土壤中速效养分的含量增加，原因可能是由于塘泥中带有一定量的微生物，施入后增加了土壤中微生物的数量，活化土壤中的氮、磷、钾等营养元素，同时分解有机质，使得土壤中的速效养分库得以扩大[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，而土壤速效养分与土壤酶活性有一定的相关性，酶活性增强使得速效养分增加，土壤生物化学能力增强，从而进一步促进速效养分的释放[24]。

2.2.3  各养分之间及油菜产量间的相关性分析   由表4可以看出，各养分含量之间均有一定相关性，除pH与各养分含量之间的相关性不大明显外，其余各项养分指标间均表现出较为显著的正相关关系。其中，CEC含量与全钾、速效磷、速效钾之间呈显著的相关性，相关系数R2分别为0.959、0.909、0.973。油菜单株产量与土壤pH、有机质、CEC、全氮、速效磷、速效钾之间均呈显著的正相关，说明随着土壤中有机质以及各类养分含量的增加，土壤结构朝着利于耕作条件的方向变化，油菜生长的有利因素增加，从而提高了产量。但油菜单株产量与全磷之间的相关性却不明显，R2仅为0.060，进一步分析其原因，可能是土壤中全磷包含了有机磷和无机磷，并且土壤中的磷大多以迟效态存在，难以被作物所吸收，即便土壤中的全磷含量高，但其与作物吸收的量并无相关性，故不能用于反映作物产量。

2.2.4  不同施肥方式的土壤肥力评价   灰色关联分析方法是根据因素之间的相异程度来衡量因素间关联程度的一种方法[25]。此外，土壤肥力是一个综合概念，且具有灰色性，故适合用灰色关联分析法对其进行分析，评价标准见表5[26]。本研究利用已测定的9种土壤性质指标对土壤肥力进行灰色关联度分析。

选择各指标的最大值作为一组参考数列X0[27]，其他处理（CK、化肥、塘泥、塘泥+化肥、生物肥）按顺序依次为X1、X2、X3、X4、X5，为消除土壤肥力各指标间量纲的不同，将数据按公式Xij=（X′ij-minX′ij）/Rij进行标准化处理（表6）。式中，Rij=maxX′ij-minX′ij（i=0，1，…13; j=1，…5），其中X′ij为原始数据，Xij为标准化后数据。

根据数列，利用公式△i（k）=X0（k）-Xi（k），计算并找出两级最小差             和最大差

，然后按以下公式进行计算：

ξi（k）

式中ρ为分辨系数，取0.5。关联度的表达式为：ri=ξi（k），计算结果如表7所示。

根据表5 的土壤肥力灰色关联度评价标准[26]，各处理灰色关联度由大到小排序为：塘泥+化肥>塘泥>生物肥>化肥>不施肥，塘泥+化肥的关联度最高，为0.834 4，与塘泥处理均处在Ⅱ级（良）;生物肥处理的土壤为Ⅲ级（一般）;化肥处理的为Ⅳ级（差），不施肥处理的土壤最贫瘠，即为Ⅴ级 （极差）。

3  讨论与结论

洪积扇土壤经过不同施肥处理，土壤理化性质得到很大的改善，除pH外，其他指标均有明显提高。同时，经过作物种植，不同施肥改良方式的油菜产量也表现出显著的差异性，其中以塘泥+化肥、塘泥处理的改良效果最为明显，化肥、生物肥的改良效果次之。分析其原因，化肥改良效果较差可能是由于油菜生长过程中化肥被雨水淋洗，大部分渗入底部，时间长了易造成土壤板结，植物根系不能吸收到足够的养分，使得植物产量下降;另一方面有可能是由于化肥养分单一，不能完全满足油菜整个生育期中需肥量的要求[28-29]。生物肥则需要土壤、气候等各种环境条件适宜才能发挥较大的作用[30]。塘泥单施效果稍次于塘泥+化肥配施，因为塘泥中虽然含有丰富、全面的养分，但肥效迟缓，不如化肥见效快，故二者结合起来可使土壤肥力得到较大的提升[31]。总体而言，有机-无机肥配施效果较好。另外，从产量来看，施化肥、塘泥、塘泥+化肥以及生物肥的处理产量明显高于CK，且以塘泥+化肥的效果最好，因为塘泥中含有丰富的有机化合物，同时带有微生物，增加了土壤中各营养元素的有效性，另外在一定程度上还能促进土壤团粒结构的形成，因而塘泥对土壤来说是良好的改良剂，这与先前的研究效果一致[32]。

灰色关联分析法是一种多因素综合的肥力评价方法[26]，避免了只考虑单一因素的主观性，达到了客观、准确的效果。其基本思想是将参考序列曲线的几何形状与其他序列的进行比较，从而判断它们之间的联系是否紧密，且近年来已有不少学者对此分析模型进行了研究[33-34]。通过灰色关联分析，得出处理间的灰色关联度大小顺序为：塘泥+化肥>塘泥>生物肥>化肥>不施肥，且各种处理均使土壤肥力得到不同程度的提升，相比崩岗洪积扇采集的基础土样，经过一轮种植，各处理的各项养分指标均明显上升，说明不同施肥方式均使得土壤中总的养分含量增加，这与邓羽松等[10]研究结果一致。另一方面，对土壤肥力进行评价分析时，结合物理指标能更全面地反映土壤的肥力状况，但考虑到崩岗土壤具有沙化严重的特殊性，需要采取多次轮作才能更好地改善土壤结构，故本研究选取多种养分指标来评价土壤肥力，它们代表了改良后土壤绝大部分的肥力状况。根据施肥改良得到的结果，崩岗洪积扇土壤需要增施有机肥，并结合有机-无机肥配施来增加土壤养分，以此提升土壤肥力。

参考文献

[1] 李双喜， 桂惠中， 丁树文. 中国南方崩岗空间分布特征[J]. 华中农业大学学报， 2013， 32（1）：  83-86.

[2]刘洪鹄， 刘宪春， 张平仓， 等. 南方崩岗发育特征及其监测技术探讨[J]. 中国水土保持科学， 2011， 9（2）： 19-23.

[3] 黄艳霞. 广西崩岗侵蚀的现状﹑ 成因及治理模式[J]. 中国水土保持， 2007（2）： 3-4.

[4]林金石， 黄炎和， 张旭斌， 等. 南方花岗岩区典型崩岗侵蚀产沙来源分析[J]. 水土保持学报， 2012， 26（3）： 53-57.

[5]刘希林， 张大林， 贾瑶瑶. 崩岗地貌发育的土体物理性质及其土壤侵蚀意义[J]. 地球科学进展， 2013， 28（7）： 802-811.

[6] 丁光敏. 福建省崩岗侵蚀成因及治理模式研究[J]. 水土保持通报， 2001， 21（5）： 10-15.

[7] 吕贻忠， 马兴旺. 荒漠化土壤养分变化的影响因素研究进展[J]. 生态环境， 2003， 12（4）： 473-477.

[8] 于险峰， 张  柞. 辽宁省沙化土壤的发展与防治对策[J]. 中国水土保持， 2004（8）： 5， 21.

[9] 彭继慧， 吕琳琳. 关于种植苜蓿草改良沙化土壤的探讨[J]. 内蒙古环境科学， 2008， 20（3）： 18-20， 22.

[10] 邓羽松， 丁树文， 梁传平， 等. 安溪崩岗洪积扇不同培肥方式的土壤理化效应[J]. 水土保持学报， 2014， 28（4）： 168-171.

[11]龙  莉， 丁树文， 蔡崇法， 等. 花岗岩红壤丘陵区崩岗侵蚀对农田的危害及治理[J]. 中国水土保持， 2013（12）： 24-26.

[12]梁  音， 宁堆虎， 潘贤章， 等. 南方红壤区崩岗侵蚀的特点与治理[J]. 中国水土保持， 2009（1）： 31-34.

[13]邓羽松，丁树文，蔡崇法，等. 鄂东南崩岗洪积扇土壤物理性质空间分异特征[J]. 中国农业科学， 2014， 47（24）： 4  850-4  857.

[14]严程明， 张江周， 石伟琦， 等. 滴灌施肥下菠萝氮磷钾的营养特性[J]. 热带作物学报， 2014， 35（9）： 1 688-1 694.

[15]张江周， 严程明， 刘亚男， 等. 不同施肥量对菠萝产量和品质的影响[J]. 热带作物学报， 2014， 35（5）： 837-841.

[16] 谭宏伟， 周柳强， 谢如林， 等. 红壤区不同施肥处理对蔗区土壤酸化及甘蔗产量的影响[J]. 热带作物学报， 2014， 35（7）： 1 290-1 295.

[17]任兵芳， 丁树文， 吴大国， 等. 鄂东南崩岗土体特性分析[J]. 人民长江， 2013， 44（3）： 93-96.

[18] 鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京： 中国农业出版社， 2000.

[19] 刘安辉， 赵  鲁， 李旭军， 等. 氮肥对镉污染土壤上小油菜生长及镉吸收特征的影响[J]. 中国土壤与肥料， 2014（2）： 77-81.

[20]邱现奎， 董元杰， 万勇善， 等. 不同施肥处理对土壤养分含量及土壤酶活性的影响[J]. 土壤， 2010， 42（2）： 249-255.

[21] 蒋端生. 南岳森林土壤有机质的研究[J]. 湖南农业科学， 2001（2）： 26-29.

[22] 王  训， 闫  飞， 王永敏， 等. 秸秆改良剂对沙质土有机质和阳离子交换量的影响[J]. 中国农学通报， 2010， 26（23）： 224-228.

[23]赵  鑫， 宇万太， 李建东， 等. 不同施肥模式下潮棕壤稻田的速效养分状况和水稻的养分分配[J]. 生态学杂志， 2007， 26（6）： 840-845.

[24]何  斌， 刘运华， 陆志科， 等. 肉桂人工林土壤速效养分与酶活性的季节变化[J]. 经济林研究， 2004， 22（3）： 1-4.

[25]黄  馨， 刘君昂， 周国英， 等. 海南省土沉香人工林土壤肥力评价研究[J]. 中南林业科技大学学报， 2014， 34（8）： 64-68.

[26]何文寿， 毕  红. 应用灰色关联分析对银南灌区土壤肥力的综合评价[J]. 宁夏农林科技， 1997（2）： 7-10.

[27] 韩春建， 梁朝信， 吴克宁， 等. 基于GIS技术的灰色关联度法土壤肥力综合评价[J]. 农业工程学报，  2008， 24（1）： 53-56.

[28]张永发， 杜前进， 张冬明， 等. 平衡施肥对木薯产量及品质的影响初报[J]. 热带作物学报， 2009， 30（4）： 435-439.

[29]罗  凡， 龚雪蛟， 张  厅， 等. 氮磷钾对春茶光合生理及氨基酸组分的影响[J]. 植物营养与肥料学报， 2014， 21（1）： 137-145.

[30]曹  丹， 宗良纲， 肖  峻， 等. 生物肥对有机黄瓜生长及土壤生物学特性的影响[J]. 应用生态学报， 2010， 21（10）： 2 587-2 592.

[31] 周小静， 陈  曦. 塘泥培肥菜地的效果[J]. 耕作与栽培， 1998（4）： 51-52.

[32] 易杰祥. 膨润土和塘泥对酸性土壤的改良研究[D]. 儋州： 华南热带农业大学， 2006.

[33] 施红星， 刘思峰， 方志耕， 等. 灰色周期关联度模型及其应用研究[J]. 中国管理科学， 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.