赣县崩岗洪积扇土壤肥力的空间分异规律

邓羽松,丁树文†,邱欣珍,夏栋,朱芸,郭世伟

(1.华中农业大学资源与环境学院,430070,武汉;2.江西省赣县水土保持局,341000,江西赣州)

赣县崩岗洪积扇土壤肥力的空间分异规律

邓羽松1,丁树文1†,邱欣珍2,夏栋1,朱芸1,郭世伟1

(1.华中农业大学资源与环境学院,430070,武汉;2.江西省赣县水土保持局,341000,江西赣州)

崩岗侵蚀是南方花岗岩地区最严重的侵蚀方式,已成为我国一种严重的环境地质灾害,尤其是崩岗侵蚀产生的大量洪积物沉积在农田中,造成洪积扇农田沙化。以赣县田村镇崩岗洪积扇为研究对象,采集扇顶到扇缘不同区域的土样,研究该地区崩岗洪积扇土壤颗粒组成及土壤肥力的分异规律。结果表明:崩岗洪积扇土壤理化性质在空间分布上具有明显的分异规律。由扇顶到扇缘,土壤砾石和砂粒质量分数均逐渐减少,粉粒和黏粒质量分数则逐渐增加,土壤肥力也随之呈显著增加趋势。利用Pearson相关系数分析显示,土壤肥力与土壤砾石和砂粒质量分数呈显著负相关,而土壤肥力与粉粒和黏粒质量分数呈显著正相关。采用修正的内梅罗综合指数法对洪积扇土壤进行肥力评价发现,土壤肥力沿扇顶到扇缘逐渐增加,相比于扇顶土壤,扇中、扇缘土壤肥力等级系数分别增加了119.31%和157.93%。研究崩岗洪积扇土壤肥力分异规律有利于农业用地规划,对崩岗洪积扇土壤改良和提高农业经济效益有重要意义。

崩岗;洪积扇;土壤肥力;分异特征

崩岗是山坡土体或岩石风化壳在水力和重力作用下被分解崩塌的侵蚀现象[1],1960年由曾昭璇等[2]首先提出。崩岗主要分布在南方花岗岩地区,具有产沙量大、发展速度快的特点,被称为“生态溃疡”。崩岗侵蚀量大,单个崩岗年侵蚀量可达35.0万t[3-4]。崩岗发生时大量泥沙排出丘陵山地外,经过水流作用能量递减,形成洪积扇。洪积扇洪积物大量沉积掩埋山间梯田和绿地,严重影响农地质量。据统计[5-6],近年来崩岗冲毁压埋耕地面积约38万400 hm2,约有20%的受危害耕地无法恢复,农田恢复和清理直接费用达5.5亿元。

作为一个复杂的系统,崩岗主要由集水坡面、崩壁、崩积堆、沟道和洪积扇等基本单元组成[7]。我国过去对崩岗的研究侧重于成因机制以及危害治理等,对于崩岗洪积扇土壤理化性质分异规律与沙化土壤质量恢复方面的研究还未见报道,而很多有关洪积扇的研究工作也只涉及流域地貌特征与洪积扇地貌特征等[8-10],尤其是崩岗洪积扇方面的研究还很欠缺。笔者选取江西省赣县崩岗洪积扇为研究对象,研究扇顶到扇缘土壤理化性质空间分异规律,包括颗粒组成、有机质质量分数、氮磷钾质量分数以及阳离子交换量等指标,通过指标之间的比较分析并进行土壤肥力评价,明确洪积扇各部位肥力等级,并通过肥力等级对比探索崩岗洪积扇沙化土壤性质分异特征以及对肥力的影响规律,为合理利用崩岗洪积扇与土壤恢复技术提供理论和实践依据,同时对崩岗洪积扇土壤改良和提高粮食产量也具有重要意义。

1 研究区概况

赣县位于江西省南部,赣江上游,位于E 114° 42′～115°22′和N 25°26′～26°17′之间。属中亚热带丘陵山区季风湿润气候区,年均气温19.3℃,年均日照时间1 092 h,年均降雨量1 394.3 mm,无霜期298 d。全县国土总面积2 993.09 km2,总人口约63万。山地面积为24.0万hm2,人均0.38 hm2,耕地面积2万4 600 hm2,人均0.039 hm2。农业种植方式以水稻(Oryza sative L)、蔬菜、柑橘(Citrus reticulata Banco)和经济林为主。该地区水土流失严重,流失面积达882万7 700 hm2,占全县土地面积的29.5%,尤其是崩岗侵蚀最为严重,全县大小崩岗达4 138多处,崩岗面积达1 808.3 hm2,给人们生产带来了巨大影响[11]。

2 研究方法

2.1 土样采集与处理

2013年7月对赣县田村镇崩岗区进行调查,该地崩岗发育集中,活动型崩岗占绝大多数,大多数崩岗均在5年前采用修建谷坊的方式进行了治理。本研究选择典型崩岗洪积扇为研究对象,沿着扇顶、扇中到扇缘采集不同样地土壤,采样区地理位置基本信息见表1。各样地基本情况如下:D1样地植被覆盖度低,地表生长极少数铁芒萁(Dicranopteris linearis)等蕨类植物,地面分布较多砾石和砂粒;D2样地植被主要为马尾松(Pinus massoniana),树木平均高度为6 m,林下植被较少,有少量的铁芒萁和桃金娘(Rhodomyrtus tomentosa),拦蓄径流作用弱;D3样地种植柑橘,植被覆盖度较高;D4样地种植各种蔬菜,属于精耕细作的农业用地;D5样地种植双季水稻。采集土样时,除去地表凋落物,按S型选择20个点,采集耕作层土混合为1个土样,然后采用四分法取样品1～2 kg带回室内,土样经自然风干,剔除粗根和小石块,根据样品分析的需要制备不同粒径土样备用。

2.2 指标测定方法

土壤理化性质均按常规方法[12]测定。土壤颗粒组成测定采用吸管法,土壤含水率采用烘干法测定,pH值采用电位计法测定,土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定,土壤全氮采用半微量凯氏法测定,土壤全磷采用硫酸一高氯酸一钼锑抗比色法测定,土壤全钾用火焰光度法测定,土壤碱解氮采用碱解扩散法测定,土壤速效磷采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定,速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定,阳离子交换量采用乙酸铵交换法测定。

表1 采样地点基本情况Tab.1 Basic situation of the sampling locations

表2 土壤各属性分级标准值Tab.2 Standard values for soil properties classification

2.3 肥力评价方法

肥力等级采用吴启堂等[13]提出的评价方法,土壤属性值分级标准主要参照第2次全国土壤普查标准,见表2[14]。参数间由于量纲的差别应进行归一化处理,处理方法如下:

当属性值属于差一级,即 ci≤xa时,pi=ci/xa(pi≤1);

当属性值属于中等一级,即xa≤ci≤xc时,pi= 1+((ci-xa)/(xc-xa)),1＜pi≤2;

当属性值属于较好一级,即xc≤ci≤xp时,pi= 2+((ci-xc)/(xp-xc)),2＜pi≤3;

当属性值属于好一级,即ci≥xp时,pi=3。式中:pi为分肥力系数;ci为该属性测定值;xa、xc、xp为分级标准值。

由于耕层质地是定性指标,其标准化主要采用以下方式:

当耕层质地为中壤时,单因子质量指数Pi=3;

当耕层质地为重壤或者轻壤时,单因子质量指数Pi=2;

当耕层质地为粘土或者砂土时,单因子质量指数Pi=1。

肥力系数计算参考内梅罗公式并加以修改。

2.4 数据处理与分析

采用Excel软件进行数据统计和简单的分析,并绘制相应的图表,利用SPSS 16.0进行方差分析和相关性分析等,应用最小显著性差异(LSD)检验不同处理之间的显著性差异。

3 结果与分析

3.1 土壤颗粒组成分布特征

崩岗洪积物流出崩口之后,随着水流作用分散,能量逐渐降低,洪积物逐渐沉积,同时具有一定的分选性。研究洪积扇区域土壤颗粒分布特征见表3,可以得出:随着距洪积扇顶端距离的增加,样地D2、D3、D4、D5中砾石(粒级D＞2 mm)质量分数比D1分别减少了25.77%、41.55%、58.50%、60.57%,砂粒(0.05 mm＜D≤2 mm)质量分数比D1减少了3.65%、29.08%、34.72%、38.19%,粉粒(0.002 mm＜D≤0.05 mm)质量分数比 D1分别增加了6.48%、35.42%、43.44%、52.09%,黏粒(D ＜0.002 mm)质量分数比 D1分别增加了18.30%、178.67%、210.96%、223.31%。对各样地土壤颗粒组成进行分析和差异性检验可知,洪积扇顶端的砾石和砂粒质量分数最多,而粉粒和黏粒质量分数最少,随着样地和扇顶距离的增加,土壤中砾石和砂粒质量分数显著减少,粉粒和黏粒质量分数则显著增加。同时,经分析知样地D1、D2质地属于砂壤土, D3、D4、D5质地属于砂质黏壤土。这是由于崩岗洪积扇与其他洪积扇类似特点:具有较好的分选性,顶部堆积以砾石和砂粒为主,土壤粒径自扇顶到扇缘由粗变细。同时,不同土地利用方式对洪积扇区土壤颗粒分布特征也有一定影响。扇顶存在土地撂荒现象,植被较少,无法拦蓄洪积物,马尾松林虽然能够减缓径流对地面的冲刷,但拦蓄作用不强;扇中的柑橘园和菜园不仅具有植被覆盖度高的特点,而且拦蓄径流的作用较强,加上人为耕作的成分,土壤质地向着壤质化和细粒化方向发展。扇缘种植水稻,虽然也受到崩岗的侵蚀,但经过人们的精耕细作,土壤不断熟化,质地相对良好。

表3 土壤颗粒组成分布特征Tab.3 Distribution characteristics of soil particles %

3.2 土壤养分分布特征

3.2.1 pH值 从各样地土壤pH值分析和差异性检验(表4)可知,洪积扇土壤受崩岗洪积物的影响,总体偏酸性(pH值＜7),扇缘耕作区土壤pH值最大(pH值=5.45),扇顶土壤pH值最小(pH值= 4.93)。各样地pH值大小表现为D5＞D4＞D3＞ D2＞D1,各样地之间差异达到显著水平。说明崩岗洪积扇土壤遭到不同程度沙化导致pH值呈现规律性分布。其中样地D4、D5 pH值显著高于样地D1、D2、D3,这可能是因为样地D4种植蔬菜,长期施用农家肥,而D5种植水稻,处于长期淹水状态,使pH值升高。

表4 土壤的化学性质Tab.4 Soil chemical properties

3.2.2 阳离子交换量 土壤阳离子交换量的大小是土壤复合胶体的重要特性之一,是土壤保肥能力,缓冲能力的重要标志[15]。由表4可知,样地D2、D3、D4、D5中土壤阳离子交换量比D1分别增加了2.87%、63.55%、76.62%和87.35%。经过分析,随着样地离扇顶的距离增加,土壤阳离子交换量逐渐变大,且具有显著性差异。说明洪积扇区域自扇顶到扇缘土壤的保肥能力逐渐增强。

3.2.3 有机质 土壤有机质是土壤的重要组成部分,是植物的养分来源和土壤微生物生命活动的能量来源[16]。从表4可以看出,样地有机质质量分数表现为D4＞D5＞D3＞D2＞D1,样地D4用于种植蔬菜重施农家肥,因而有机质质量分数显著高于其他样地。样地D1有机质质量分数最低,仅7.30 g/ kg,这是由于扇顶的撂荒地植被稀少,而土壤中有机质主要来自枯枝落叶和根系分泌物的氧化分解[17],加上崩岗侵蚀经常有水动力的干扰,因此该区域难以形成大量有机质。样地D2的马尾松林虽然有植被存在,但生长在立地条件较差的环境中往往生长不良,干形弯曲很难郁闭成林,对水土保持效果不佳,加上针状叶片不容易腐化,从而影响到有机质质量分数。而样地D3的果园则处于洪积扇的扇中部位,受崩岗影响小于D1、D2,且存在大量的枯枝落叶,有利于有机质的形成。

3.2.4 全量养分 各样地土壤全量养分分析和差异性检验见表4,可知,样地D1土壤全氮质量分数显著低于其他4个样地,样地D2、D3、D4、D5土壤全氮质量分数比 D1分别增加了 20.59%、102.94%、100%和108.82%,总体呈递增趋势,样地D3、D4、D5之间无显著差异。氮素是土壤肥力中最活跃的因子之一,有相关研究表明,土壤全氮质量分数和有机质往往呈正相关[14-15],经分析可得,洪积扇5个样地土壤全氮与有机质质量分数之间的Pearson相关系数为0.940(P＜0.01,n=15),因此样地全氮质量分数的变化趋势和有机质质量分数一致。土壤全磷质量分数顺序为样地D5全磷质量分数显著高于其他4个样地,比样地D1高64.86%,果园、菜园之间全磷质量分数无显著性差异。样地土壤全钾质量分数顺序和全氮、全磷质量分数趋势一致,表现为D5＞D4＞D3＞D2＞D1,其中扇缘水田全钾质量分数显著高于其他4个样地,果园和菜园全钾质量分数差异不显著。

3.2.5 速效养分 对洪积扇区各样地土壤速效养分进行分析和差异性检验(表4)发现,所有样地土壤碱解氮、速效磷和速效钾质量分数顺序均表现为D5＞D4＞D3＞D2＞D1,并且样地D1和D2的速效养分均无显著性差异,而样地D3、D4、D5土壤速效养分均显著高于样地D1、D2,这可能是因为D3、D4、D5均属于农用地,受到人为施肥的影响较大,直接供给植物吸收的速效养分较多,样地D1和D2土壤速效养分则较低。

3.3 土壤理化性质相关性

表5 土壤性质之间的相关系数Tab.5 Correlation coefficients among soil properties

崩岗洪积扇区各样地理化性质相关性分析见表5,可以看出,土壤养分与土壤颗粒组成之间存在着极显著的相关性,样地土壤中砾石和砂粒质量分数与土壤养分均呈显著负相关,而粉粒和黏粒质量分数则与土壤养分呈显著正相关。这说明了砾石和砂粒质量分数越高,土壤保持养分、水分和供给养分的能力越弱;倘若粉粒和黏粒质量分数越高,土壤保水保土的性能则越强,所以可用土壤颗粒含量来表征土壤养分大小。针对这个结论,进一步推断,改良崩岗洪积扇的土壤,可以考虑从土壤颗粒组成入手,采用科学的办法促使洪积扇细颗粒的形成,提高粉粒与黏粒的比例,以提高洪积扇的土壤肥力,从而达到改良的效果。相关性分析还显示,洪积扇不同样地土壤养分指标之间呈极显著正相关,由此可推断从肥力方面对崩岗洪积扇进行改良也可以达到一定效果,如施肥、客土等方法可以提高洪积扇的肥力、阳离子交换量以及有机质质量分数等指标;因此可用土壤pH值,阳离子交换量,有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾质量分数9个指标综合起来表征土壤质量状况。

3.4 土壤肥力等级评价

赣县崩岗洪积扇区域土壤肥力评价结果见表6,可知,崩岗洪积扇区表层肥力等级系数P表现为D5＞D4＞D3＞D2＞D1,扇顶肥力最低,而扇缘肥力最高,说明崩岗洪积扇由扇顶到扇缘土壤肥力逐渐增加。样地D2、D3、D4、D5比肥力最低的样地D1 P值分别高7.14%、117.14%、137.14%和167.14%。综合分析,扇中、扇缘样地肥力等级系数P值相比于扇顶样地,分别增加了119.31%和157.93%。样地D1撂荒且受到洪积物影响最强,因此肥力最差;样地D2种植马尾松,马尾松对土壤要求不严格,容易在酸性土中生长,但地表裸露部分较多,不容易形成灌木,因此对于水土保持作用不明显,地表肥力较差。样地D3、D4和D5属于耕作性样地,有利于土壤熟化。崩岗洪积扇各样地经过肥力评价可知(表7),扇顶D1和D2属于四等,扇中样地肥力属于三等,扇缘样地肥力属于二等。

表6 土壤肥力综合评价结果Tab.6 Results of comprehensive evaluation of soil fertility

表7 土地肥力等级划分Tab.7 Division of soil fertility grades

4 结论与讨论

1)崩岗洪积扇土壤理化性质分布存在一定的规律。由扇顶到扇缘,土壤砾石和砂粒质量分数逐渐减少,粉粒和黏粒质量分数逐渐增加;同时,土壤pH值、阳离子交换量、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾也随之呈逐渐增加的趋势。

2)经过相关性分析显示,土壤各化学养分指标与土壤颗粒组成之间存在着极显著的相关性,样地土壤中砾石和砂粒质量分数与土壤养分均呈显著负相关,而粉粒和黏粒质量分数则与土壤养分呈显著正相关。此外,各样地土壤养分指标均呈极显著的正相关性。相关性研究结果跟前人的研究成果[18-19]接近,因此,恢复崩岗洪积扇土壤可以考虑改变土壤颗粒组成,加快长石的风化,可以达到改良土壤质地与肥力的效果。

3)对崩岗洪积扇区域样地进行肥力评价,样地肥力随着扇顶到扇缘的距离增大而增大。经过分析可知,沿着扇顶到扇缘,扇中、扇缘样地肥力等级系数P值相比于扇顶样地,土壤肥力等级系数P值分别增加了119.31%和157.93%。

针对洪积扇土壤理化性质以及肥力的分布特征,建议在扇顶开排沙沟或者种植竹草,减少砂质土壤对土地的影响。同时,在扇中和扇缘还可以采用客土、深耕、深翻、厢式耕作的方法改良土壤质地结构,也可以施用石灰、种植绿肥、施用有机肥等方法加速崩岗洪积扇土壤熟化。此外,针对洪积扇不同部位肥力分异规律进行不同的土地利用也是改良洪积扇土壤的一个重要方法。

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(责任编辑:程 云)

Spatial distribution of collapsing alluvial soil fertility in Ganxian County,Jiangxi Province

Deng Yusong1,Ding Shuwen1,Qiu Xinzhen2,Xia Dong1,Zhu Yun1,Guo Shiwei1
(1.Resources and Environment College,Huazhong Agricultural University,430070,Wuhan,China; 2.Water Conservation Bureau County,341000,Ganzhou,Jiangxi,China)

Collapsing erosion is the most serious erosion in the granite region of southern China,and has become one of severe geological disasters in China.Collapsing erosion produces a large amount of alluvial deposition in farmlands,causing desertification of alluvial fan farmland.In this study,we took the collapsing alluvial fan at Tian village in Ganxian County,Jiangxi Province as research object,collected soil samples from fan top to fan edge in different regions,and determined the composition of soil particles and spatial distribution of soil fertility in the collapsing alluvial fan area.The results showed that there is an obvious spatial heterogeneity in the distribution of physical and chemical properties of soil.From fan top to fan edge,the content of gravel and sand decreased,while that of silt and clay increased gradually, and soil fertility also showed a significant increase.Pearson correlation coefficient analysis showed that a significantly negative correlation existed between soil fertility and content of gravel and sand,whereas a significantly positive correlation could be observed between soil fertility and the content of silt and clay.The modified Nemerow composite index was adopted to evaluate the soil fertility in the alluvial fan area, and it indicated that the soil fertility fans increased gradually along fan top to fan edge.Compared to the soil at the fan top,the soil fertility level coefficient in the middle area and fan edge increased by 119.31%and 157.93%.Study of heterogeneous distribution of soil fertility benefits us in agricultural land use planning,and is of significance for improvement of soil and agricultural economy in collapsing alluvial fan areas.

collapsing erosion;alluvial fan;soil fertility;heterogeneity

S157.4

A

1672-3007(2015)01-0047-07

2014- 04- 14

2014- 12- 10

项目名称:国家科技支撑计划子课题“红壤崩岗侵蚀区农田质量保护与崩岗治理技术与示范”(2011BAD31B04);国家自然科学基金“干湿循环效应下胀缩裂隙发育机理及其对崩岗岩土力学特性的影响”(41201271);华中农业大学国家级大学生创新创业训练计划“崩岗洪积扇沙化农田质量恢复技术研究”(201410504021)

邓羽松(1988—),男,硕士研究生。主要研究方向:水土保持与农田质量保护。E-mail:dennyus@163.com

†通信作者简介:丁树文(1964—),男,副教授,硕士生导师。主要研究方向:水土保持与农业生态。E-mail:dingshuwen@ mail.hzau.edu.cn