宋鴿，史東梅，曾小英，蔣光毅，江娜，葉青

紫色土坡耕地耕層質(zhì)量障礙特征

宋鴿1，史東梅1，曾小英2，蔣光毅3，江娜1，葉青1

（1西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715；2重慶市林業(yè)科學(xué)研究院，重慶 400036；3重慶市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，重慶 401147）

【】紫色土坡耕地具有高生產(chǎn)力和強(qiáng)侵蝕性的特點(diǎn)，是長(zhǎng)江上游重要的耕地資源，分析坡耕地障礙耕層類(lèi)型及其對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響，對(duì)坡耕地合理耕層構(gòu)建參數(shù)確定、耕層質(zhì)量調(diào)控和坡耕地持續(xù)利用具有重要應(yīng)用價(jià)值。本文基于不同地力等級(jí)紫色土坡耕地耕層樣本，定量化分析坡耕地耕層質(zhì)量障礙特征。采用障礙度模型及聚類(lèi)分析研究不同地力等級(jí)紫色土坡耕地障礙耕層類(lèi)型及耕層質(zhì)量變化特征。（1）不同地力紫色土坡耕地土壤物理屬性差異顯著，隨地力等級(jí)降低，地塊田面坡度顯著變大、有效土層厚度顯著變小，當(dāng)田面坡度由5.1°變?yōu)?1.7°，農(nóng)作物產(chǎn)量可下降45%，五級(jí)坡耕地心土層缺失現(xiàn)象嚴(yán)重；而土壤肥力屬性未表現(xiàn)明顯差異，一至四級(jí)坡耕地同一地力等級(jí)土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮、陽(yáng)離子交換量總體表現(xiàn)為耕作層＞心土層＞底土層，五級(jí)坡耕地耕作層與底土層之間各指標(biāo)差異不顯著。（2）一、二級(jí)坡耕地各土層土壤質(zhì)量指數(shù)均在0.434-0.528之間，同一地力等級(jí)各土層土壤質(zhì)量指數(shù)表現(xiàn)為耕作層＞心土層＞底土層；土壤物理屬性對(duì)低產(chǎn)坡耕地土壤質(zhì)量影響更為顯著，五級(jí)坡耕地田面坡度指標(biāo)障礙度為一級(jí)坡耕地的80.73倍。（3）紫色土坡耕地障礙耕層可分為3類(lèi)，即Ⅲ土壤養(yǎng)分限制型、Ⅳ有效土層厚度限制型、Ⅴ田面坡度限制型，土壤物理屬性為主要障礙特征時(shí)，耕層構(gòu)型疏松，心土層缺失現(xiàn)象嚴(yán)重，農(nóng)作物產(chǎn)量較土壤養(yǎng)分限制型坡耕地低25%。紫色土坡耕地耕層質(zhì)量偏低，障礙耕層包含土壤養(yǎng)分限制型、有效土層厚度限制型、田面坡度限制型3種類(lèi)型，土壤物理屬性為主要限制因素，田面坡度偏大，有效土層厚度淺薄化嚴(yán)重。

紫色土；坡耕地；耕層質(zhì)量；障礙耕層；障礙度模型；聚類(lèi)分析

0 引言

【研究意義】紫色土是長(zhǎng)江上游重要的耕地資源，坡耕地面積高達(dá)767萬(wàn) hm2，占全國(guó)坡耕地面積32%，主要分布于重慶、四川[1]。紫色土由紫色砂頁(yè)巖發(fā)育而成，礦質(zhì)養(yǎng)分豐富、成土速度快、土壤生產(chǎn)力高[2-3]，但土層淺薄、侵蝕性高、抗旱性差、退化嚴(yán)重，土壤侵蝕強(qiáng)度在5 897 t·km-2·a-1以上[3]。因此，探究紫色土坡耕地耕層障礙特征，對(duì)于紫色土坡耕地耕層質(zhì)量調(diào)控、合理耕層構(gòu)建具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】坡耕地耕層質(zhì)量是土壤抗侵蝕性能、生產(chǎn)性能等多種功能的綜合表現(xiàn)，受降雨、土壤、人類(lèi)活動(dòng)等多種因素影響，耕層淺薄、犁底層增厚、養(yǎng)分貧瘠等是紫色土坡耕地耕層質(zhì)量障礙的突出表現(xiàn)[4]。長(zhǎng)期不合理耕作加劇了坡耕地水土流失，耕地地力下降，土壤環(huán)境發(fā)生根本性變化，坡耕地面積不斷減少、農(nóng)作物產(chǎn)量下降[5]。國(guó)內(nèi)外分別從土壤物理屬性、土壤肥力狀況等角度對(duì)坡耕地耕層質(zhì)量進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)，REZAEI等[6]根據(jù)土壤生產(chǎn)性能、穩(wěn)定性能，利用MDSS模型進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)，分析土壤蓄水性能、肥力狀況、抗侵蝕性能。CEVDET ?SEKER等[7]利用主成分分析法確定研究區(qū)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集，進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)，得出區(qū)域尺度評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)土壤質(zhì)量的敏感性指標(biāo)；閆建梅等[8]以紫色土坡耕地“冬小麥-夏玉米”種植制度為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析不同施肥、耕作模式下坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及養(yǎng)分流失特征；LIN等[9]通過(guò)田間定位試驗(yàn)，分析不同植物籬類(lèi)型對(duì)紫色土坡耕地土壤肥力質(zhì)量的調(diào)控作用；張貝爾等[10]以序貫高斯模擬法為基礎(chǔ)，深入分析研究區(qū)土壤肥力低下區(qū)域及主要限制因子，并得出土壤肥力低下判定閾值；張立江等[11]對(duì)東北黑土耕地質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，并引入障礙度模型定量分析各指標(biāo)障礙度大小；樊亞男等[12]采用主成分分析、土壤綜合質(zhì)量指數(shù)法對(duì)研究區(qū)土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，明確土壤肥力主要障礙因子，將研究區(qū)劃分為三大障礙類(lèi)型區(qū)；匡麗花等[13]基于改進(jìn)的TOPSIS 模型及障礙度模型，從時(shí)間、空間角度分析研究區(qū)耕地系統(tǒng)安全格局變化情況，并對(duì)其主要障礙因子進(jìn)行診斷?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前對(duì)于坡耕地土壤質(zhì)量的研究多集中于耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)及土壤質(zhì)量改良等方面，而對(duì)坡耕地耕層構(gòu)型障礙特征的研究較少，并且以定性分析為主。障礙度模型是在綜合評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)影響土壤質(zhì)量的障礙因子進(jìn)行篩選，確定主要障礙因子[11]?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文以紫色土坡耕地耕層為研究對(duì)象，基于不同地力等級(jí)坡耕地土壤物理屬性、肥力狀況，運(yùn)用障礙度模型定量分析紫色土坡耕地耕層障礙因子，并采用聚類(lèi)分析對(duì)坡耕地耕層障礙特征進(jìn)行分類(lèi)，可為紫色土坡耕地耕層質(zhì)量改良、合理耕層構(gòu)建提供參數(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

重慶市坡耕地占全市耕地面積47.14%，15°—25°坡耕地78.5萬(wàn) hm2，25°以上坡耕地40.4 hm2，紫色土是重慶市耕地（尤其是坡耕地）分布最廣的土壤類(lèi)型[14]。重慶市屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，多年平均降水量1 200 mm且多集中在5—9月，約占全年總降水量70%，年平均氣溫16—18℃[14]。

根據(jù)《重慶市耕地地力調(diào)查》[15]，針對(duì)“油菜-玉米”種植制度，選取紫色土丘陵區(qū)坡耕地集中分布的萬(wàn)州區(qū)、云陽(yáng)縣、北碚區(qū)、綦江區(qū)、江津區(qū)、彭水縣、巴南區(qū)共35個(gè)一至五級(jí)典型坡耕地耕層土壤剖面樣本，收集其土壤物理、肥力及農(nóng)作物產(chǎn)量3方面指標(biāo)，如表1所示。

1.2 土壤屬性指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)土壤屬性指標(biāo)與耕地地力等級(jí)相關(guān)情況，土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮、土壤有效磷、陽(yáng)離子交換量、耕層厚度、心土層厚度與耕地地力等級(jí)呈正相關(guān)，界定為S型函數(shù)；田面坡度與耕地地力等級(jí)表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，界定為反S型函數(shù)，評(píng)價(jià)指標(biāo)的最小值、最大值為函數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)[4]；評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重采用主成分分析法確定，評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)、參數(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表2。

1.3 耕層土壤質(zhì)量指數(shù)

土壤質(zhì)量指數(shù)（soil quality index，SQI）是對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的集成，土壤質(zhì)量指數(shù)越大，則土壤質(zhì)量越高[4]，計(jì)算公式如下：

SQI=

式中，Wi為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，Si為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度，n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

1.4 耕層障礙因素診斷

根據(jù)障礙度模型定量化分析影響各土層土壤質(zhì)量的障礙因素。其中，因子貢獻(xiàn)率（Vi）表示評(píng)價(jià)體系中指標(biāo)i的權(quán)重；指標(biāo)偏離度（Bi）表示與該指標(biāo)理想值的差距，即評(píng)價(jià)體系中指標(biāo)隸屬度與1（100%）之差；障礙度（Mi）表示第i項(xiàng)指標(biāo)對(duì)耕地地力的障礙作用程度[16]。計(jì)算公式如下：

Bi=1-Ai

Mi=

式中，Mi為指標(biāo)障礙度；Bi為指標(biāo)偏離度；Vi為因子貢獻(xiàn)率；Ai為指標(biāo)隸屬度。按照等距法將指標(biāo)障礙度分為無(wú)障礙（0）、輕度障礙（0—10%）、中度障礙（10%—20%）和重度障礙（＞20%）4個(gè)等級(jí)[16]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016、SPSS 22.0、Origin 2017進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及單因素方差分析（One-way ANOVA），利用SPSS 22.0聚類(lèi)分析模塊以歐氏距離衡量各樣點(diǎn)差異大小，對(duì)耕層障礙類(lèi)型進(jìn)行劃分。

2 結(jié)果

2.1 坡耕地土壤屬性統(tǒng)計(jì)特征

坡耕地耕層質(zhì)量主要采用土壤物理指標(biāo)、肥力指標(biāo)表征，不同地力等級(jí)耕作層、心土層、底土層之間各土壤屬性存在顯著差異。一至五級(jí)坡耕地田面坡度（圖1）分別為5.1°、6.9°、11.1°、14.9°、21.7°，三、四、五級(jí)坡耕地較一、二級(jí)坡耕地相差2—4倍。農(nóng)作物產(chǎn)量與田面坡度呈顯著負(fù)相關(guān)，田面坡度由5.1°變?yōu)?1.7°，農(nóng)作物產(chǎn)量由8.99 t·hm-2變?yōu)?.96 t·hm-2，降幅為45%。不同地力等級(jí)耕層厚度在19.3—20.7 cm之間變化，變異性較??；隨地力等級(jí)降低，心土層厚度整體呈下降趨勢(shì)，一、二、三級(jí)坡耕地心土層厚度分別為17.1、21.4、15.9 cm，四級(jí)坡耕地心土層厚度（7.1 cm）顯著降低，與一級(jí)坡耕地相比下降58%，五級(jí)坡耕地心土層缺失。有效土層厚度隨地力等級(jí)下降整體呈減小趨勢(shì)，由一級(jí)坡耕地37.1 cm降至五級(jí)坡耕地20.2 cm，其中四、五級(jí)坡耕地有效土層厚度較一、二、三級(jí)坡耕地顯著下降；農(nóng)作物產(chǎn)量與有效土層厚度呈正相關(guān)，有效土層厚度降低44%，農(nóng)作物產(chǎn)量下降45%。隨地力等級(jí)下降，耕作層、心土層、底土層土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮、土壤有效磷、陽(yáng)離子交換量整體呈下降趨勢(shì)（圖2）。五級(jí)坡耕地各土壤肥力指標(biāo)較一、二、三級(jí)坡耕地未表現(xiàn)出顯著差異且高于四級(jí)坡耕地，反映出田面坡度、有效土層厚度是限制五級(jí)坡耕地的重要因素。不同地力等級(jí)間土壤肥力指標(biāo)未發(fā)生明顯變化，其原因可能是由于耕作過(guò)程中農(nóng)戶(hù)普遍通過(guò)施加化肥提高土壤養(yǎng)分含量。

由圖2可知，同一地力等級(jí)坡耕地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、陽(yáng)離子交換量整體表現(xiàn)為耕作層＞心土層＞底土層。與耕作層相比，一至四級(jí)坡耕地心土層土壤有效磷降幅最大，在30%—79%之間；其次為土壤有機(jī)質(zhì)，一至四級(jí)坡耕地分別下降34%、21%、38%、16%，土壤全氮分別下降32%、20%、34%、18%；陽(yáng)離子交換量降幅最小，一至三級(jí)坡耕地降幅在1%—12%之間。一級(jí)坡耕地耕作層土壤有機(jī)質(zhì)含量為16.44 g·kg-1，顯著高于心土層、底土層；二級(jí)、三級(jí)坡耕地耕作層土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤全氮含量顯著高于心土層、底土層；四級(jí)坡耕地耕作層、心土層、底土層之間土壤屬性指標(biāo)差異不顯著；五級(jí)坡耕地心土層缺失，耕作層下為底土層，與耕作層相比，底土層土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷分別增加9%、151%，土壤全氮、陽(yáng)離子交換量分別降低1%、55%，耕作層與底土層之間各指標(biāo)差異不顯著。

表1 紫色土坡耕地耕層土壤屬性指標(biāo)及農(nóng)作物產(chǎn)量

表2 S型、反S型隸屬函數(shù)、參數(shù)及權(quán)重

2.2 坡耕地耕層障礙因子診斷

不同地力等級(jí)坡耕地耕層質(zhì)量指數(shù)變化特征如圖3所示。同一地力等級(jí)，各土層土壤質(zhì)量指數(shù)由高到低依次為耕作層、心土層、底土層。一、三、四級(jí)坡耕地心土層土壤質(zhì)量指數(shù)較耕作層分別降低7%、23%、27%；底土層土壤質(zhì)量指數(shù)較心土層未表現(xiàn)出明顯下降趨勢(shì)。一、二級(jí)坡耕地耕作層、心土層、底土層土壤質(zhì)量指數(shù)均在0.434—0.528之間，屬中產(chǎn)耕層。與二級(jí)坡耕地相比，三級(jí)坡耕地耕作層土壤質(zhì)量指數(shù)高1%，但心土層土壤質(zhì)量指數(shù)低24%，這表明坡耕地土壤質(zhì)量由耕作層、心土層、底土層共同決定，任一土層土壤質(zhì)量指數(shù)偏低都會(huì)影響耕層質(zhì)量，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)。與一、二級(jí)坡耕地相比，三、四級(jí)坡耕地心土層、底土層土壤質(zhì)量指數(shù)較耕作層下降趨勢(shì)更為明顯。

不同大寫(xiě)字母表示同一垂直層次不同地力等級(jí)差異顯著（P＜0.05）

不同地力等級(jí)坡耕地土壤屬性指標(biāo)障礙度特征（表3）表明，隨地力等級(jí)下降，耕作層、心土層、底土層各土壤物理指標(biāo)障礙度呈增大趨勢(shì)，土壤肥力指標(biāo)障礙度呈逐漸減小趨勢(shì)。田面坡度障礙度由一級(jí)坡耕地（0.19%）輕度障礙變?yōu)槲寮?jí)坡耕地（29.02%）重度障礙；一至五級(jí)坡耕地耕作層厚度障礙度在12.20%—19.16%之間，均屬中度障礙。耕作層、心土層土壤肥力指標(biāo)主要障礙因子為土壤有機(jī)質(zhì)、土壤有效磷，其中一、二級(jí)坡耕地耕作層土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷指標(biāo)障礙度在22.26%—24.71%之間，均為重度障礙；三、四、五級(jí)坡耕地土壤有機(jī)質(zhì)、土壤有效磷障礙度呈逐漸減小趨勢(shì)，五級(jí)坡耕地耕作層土壤有機(jī)質(zhì)、土壤有效磷指標(biāo)障礙度分別為18.21%、15.26%，均為中度障礙。底土層土壤肥力指標(biāo)障礙因子主要為土壤全氮、土壤有效磷，其次為土壤有機(jī)質(zhì)，各地力等級(jí)坡耕地土壤全氮、土壤有效磷指標(biāo)障礙度均在17.65%—37.53%之間，除五級(jí)坡耕地土壤有效磷之外，均為重度障礙；一至四級(jí)坡耕地土壤有機(jī)質(zhì)指標(biāo)障礙度在15.49%—19.92%之間，均為中度障礙；五級(jí)坡耕地陽(yáng)離子交換量指標(biāo)障礙度21.99%，重度障礙。

不同小寫(xiě)字母表示同一地力等級(jí)不同垂直層次差異顯著（P＜0.05）。圖3同

圖3 不同地力等級(jí)坡耕地土壤質(zhì)量指數(shù)變化特征

表3 不同地力等級(jí)坡耕地土壤屬性指標(biāo)障礙度特征

2.3 坡耕地障礙耕層類(lèi)型劃分及構(gòu)型特征

耕層構(gòu)型是指土壤物理指標(biāo)、肥力指標(biāo)等在土壤中的垂直分布特征，明確耕層構(gòu)型障礙特征有助于針對(duì)不同障礙類(lèi)型提出具體的耕作、施肥措施，有利于合理耕層構(gòu)建。綜合各土壤屬性指標(biāo)權(quán)重及障礙度大小，基于土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、陽(yáng)離子交換量、有效土層厚度、田面坡度5個(gè)指標(biāo)對(duì)坡耕地有效土層（耕作層+心土層）樣本進(jìn)行Q型聚類(lèi)分析（圖4），可將有效土層樣本明顯分為5類(lèi)，其中障礙耕層構(gòu)型分別為Ⅲ土壤養(yǎng)分限制型、Ⅳ有效土層厚度限制型、Ⅴ田面坡度限制型。

圖4 坡耕地耕層聚類(lèi)分析譜系圖

Ⅰ類(lèi)包括坡耕地樣本31、33，分別為一、三級(jí)坡耕地，主要特征是土壤有機(jī)質(zhì)含量最大，土壤全氮含量1.15 g·kg-1，陽(yáng)離子交換量偏低，有效土層厚度偏小，田面坡度較為適宜，農(nóng)作物產(chǎn)量7.63 t·hm-2，可通過(guò)提高陽(yáng)離子交換量、有效土層厚度促進(jìn)農(nóng)作物進(jìn)一步增產(chǎn)；Ⅱ類(lèi)包括坡耕地樣本12、22、1、32、2、9、17、8、11、21、6、3、7，主要為一、二、三級(jí)坡耕地，主要特征是土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低，陽(yáng)離子交換量、有效土層厚度最大，田面坡度最小，農(nóng)作物產(chǎn)量7.53 t·hm-2，耕層構(gòu)型上虛下實(shí)，即耕層土壤緊實(shí)度垂直分布表現(xiàn)為上部疏松下部較緊實(shí)；Ⅲ類(lèi)包括坡耕地樣本19、23、16、27、26、13、18、28、24，主要為一、三、四級(jí)坡耕地，主要特征是土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮、陽(yáng)離子交換量偏低，有效土層厚度較為適宜，田面坡度9.7°，農(nóng)作物產(chǎn)量6.95 t·hm-2，耕層構(gòu)型主要為全虛型，不利于土壤保水保肥及作物根系生長(zhǎng)，可通過(guò)施加生物炭、有機(jī)肥等提高陽(yáng)離子交換量及土壤養(yǎng)分含量，進(jìn)而提升農(nóng)作物產(chǎn)量；Ⅳ類(lèi)包括坡耕地樣本5、35、14、25、10、29、4、15，主要為四、五級(jí)坡耕地，主要特征是土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤全氮含量最低，有效土層淺薄，田面坡度偏大，農(nóng)作物產(chǎn)量低，該類(lèi)坡耕地樣本心土層缺失，耕層構(gòu)型疏松，不利于農(nóng)作物生長(zhǎng)，可通過(guò)增施有機(jī)肥、聚土免耕等措施提高土壤肥力、增厚耕層；Ⅴ類(lèi)包括坡耕地樣本20、34、30，主要為四、五級(jí)坡耕地，主要特征是土壤有機(jī)質(zhì)含量較為適宜，土壤全氮含量最大，陽(yáng)離子交換量低下，有效土層厚度偏低，田面坡度最大，農(nóng)作物產(chǎn)量低下，耕層構(gòu)型不完整，心土層缺失，可通過(guò)施加生物炭、秸稈覆蓋與少免耕相結(jié)合等方式減輕耕層土壤侵蝕。

3 討論

3.1 坡耕地耕層構(gòu)型障礙特征及調(diào)控途徑

耕層構(gòu)型變化是導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)變化、坡耕地地力等級(jí)下降的根本原因，不同地力等級(jí)坡耕地耕層構(gòu)型存在顯著差異，良好的耕層構(gòu)型可為作物提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境，具有保水保肥、通氣透水、協(xié)調(diào)供應(yīng)水、肥、氣、熱的優(yōu)良特性[17-18]。研究表明，良好的耕層構(gòu)型耕作層、心土層、底土層3個(gè)層次保持完整，其中耕作層由表土層（0—15 cm）、犁底層（15—20 cm）構(gòu)成[14]；心土層（20—40 cm）土壤結(jié)構(gòu)比較緊密，透水通氣性能較差，養(yǎng)分、水分因素比較穩(wěn)定，可供作物后期生長(zhǎng)的需求[17]；底土層（＞40 cm）對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量形成幾乎沒(méi)有調(diào)控作用[14]。隨著地力等級(jí)下降，耕作層、心土層侵蝕程度逐漸增大，耕層厚度由20.0 cm下降至19.3 cm，心土層厚度由17.1 cm下降至7.1 cm，五級(jí)坡耕地心土層缺失。相關(guān)研究也表明，耕作層、心土層的厚薄、有無(wú)決定著土壤肥力及其生產(chǎn)力的大小，隨著土壤退化程度增大，有效土層厚度顯著下降[16]，由未退化區(qū)75—100 cm下降至劇烈退化區(qū)低于10 cm。

本研究表明，隨耕層質(zhì)量指數(shù)不斷增大，農(nóng)作物產(chǎn)量呈上升趨勢(shì)，通過(guò)建立耕層質(zhì)量指數(shù)與農(nóng)作物產(chǎn)量之間的響應(yīng)可以確定耕層質(zhì)量指數(shù)閾值（圖5），當(dāng)耕層質(zhì)量指數(shù)低于0.46時(shí)，農(nóng)作物產(chǎn)量在低于平均值區(qū)域上下波動(dòng)；當(dāng)耕層質(zhì)量指數(shù)高于0.46時(shí)，農(nóng)作物產(chǎn)量在高于平均值區(qū)域波動(dòng)，因此確定耕層質(zhì)量指數(shù)閾值為0.46。當(dāng)農(nóng)作物產(chǎn)量低于6.00t·hm-2時(shí)，主要為四、五級(jí)坡耕地，主要障礙因素是田面坡度過(guò)大，有效土層淺薄，建議采取以深松耕為主的調(diào)控方式，如合理深松和秸稈還田相結(jié)合的技術(shù)體系[19]，有效土層厚度由20 cm增至35 cm，農(nóng)作物約增產(chǎn)25%。農(nóng)作物產(chǎn)量在6.00—6.66 t·hm-2之間，主要為二、四級(jí)坡耕地，主要障礙因素是土壤肥力偏低，建議采取增施有機(jī)肥為主的調(diào)控策略，如推廣少（免）耕保護(hù)性耕作結(jié)合增施有機(jī)肥或綠肥輪作來(lái)綜合改善土壤肥力狀況。

由于受耕層調(diào)查數(shù)據(jù)所限，本文只選取了田面坡度、土層厚度兩個(gè)土壤物理指標(biāo)，農(nóng)作物產(chǎn)量指標(biāo)及部分肥力指標(biāo)對(duì)耕層構(gòu)型障礙特征進(jìn)行分析，在后續(xù)小區(qū)定位研究中擬增加土壤容重、含水率、飽和導(dǎo)水率等土壤物理指標(biāo)，土壤抗剪強(qiáng)度、貫入阻力等土壤力學(xué)指標(biāo)，以更準(zhǔn)確地反映坡耕地耕層構(gòu)型障礙特征。

圖5 不同地力等級(jí)坡耕地農(nóng)作物產(chǎn)量對(duì)耕層質(zhì)量指數(shù)的響應(yīng)特征

3.2 坡耕地耕層厚度影響因素分析

紫色土坡耕地耕層淺薄化是自然因素、人類(lèi)活動(dòng)共同作用的結(jié)果，人類(lèi)不合理耕作措施及種植制度是耕層退化的主要驅(qū)動(dòng)力[20-21]。研究表明，鋤耕是紫色土坡耕地的主要耕作方式，與等高耕作、壟作等保護(hù)性耕作相比，傳統(tǒng)順坡鋤耕導(dǎo)致的耕作侵蝕十分顯著[22-23]；小型農(nóng)機(jī)具在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致犁底層增厚并上移，耕層變淺，土壤理化性質(zhì)不斷惡化，作物產(chǎn)量下降[24]；旋耕相比傳統(tǒng)耕作機(jī)具能夠降低耕作侵蝕85%以上，但連續(xù)旋耕也會(huì)導(dǎo)致紫色土淺薄土層進(jìn)一步薄化[25]，旋耕方向及耕作速度對(duì)侵蝕強(qiáng)度有明顯影響，快擋等高耕作下侵蝕強(qiáng)度為7. 69 t·hm-2，慢擋上下坡交替耕作下侵蝕強(qiáng)度為4. 54 t·hm-2，旋耕機(jī)慢擋耕作可顯著降低耕層土壤流失量，上下坡交替耕作適合坡度大的地塊[25-26]；橫坡耕作產(chǎn)流、產(chǎn)沙量分別較順坡耕作下降26%、21%，農(nóng)家肥與化肥配施對(duì)降低坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙量的貢獻(xiàn)率均大于橫坡耕作[1,8,27]，橫坡耕作通過(guò)減少土壤有機(jī)碳流失、改善土壤結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)土壤抗蝕性，通過(guò)改變微地形，攔蓄降雨，降低土壤侵蝕[1, 8]；聚土免耕與常規(guī)耕作相比能夠減少土壤侵蝕83%，經(jīng)過(guò)多次壟溝互換耕層厚度可達(dá)29.1 cm，較常規(guī)耕作增加11.8 cm[28]；輪作、間作、套種等水土保持栽培措施能夠增加植被蓋度，提高土壤入滲性能，減少侵蝕溝形成，防止土壤結(jié)皮，從而減輕耕作侵蝕[29]。

引起紫色土坡耕地耕層薄化的自然因素主要有氣候、地形、土壤類(lèi)型等[20]，研究表明紫色土丘陵區(qū)5—9月降雨量占全年降雨量60%—80%，降雨強(qiáng)度大，水蝕作用強(qiáng)烈，水土流失嚴(yán)重[30]；隨坡度變大，耕層土壤侵蝕量也增大，坡度由10°變?yōu)?5°、25°，耕層土壤侵蝕量由1.06 kg·m-2增大至3.99 kg·m-2、7.92 kg·m-2[31]；中等坡度（17%—25%）耕層侵蝕速率占土壤總侵蝕速率42%—43%；陡而短的坡耕地耕層侵蝕速率占土壤總侵蝕速率80%以上[32]?？傮w上，紫色土坡耕地土層淺薄、結(jié)構(gòu)性差、有機(jī)質(zhì)含量低，且以短、陡坡為主[14]，不合理的耕作措施加速了侵蝕形成。采取橫坡耕作、聚土免耕等保護(hù)性耕作措施[33]及輪作、間作、套種等水土保持栽培措施并合理配施有機(jī)肥、化肥，可顯著降低土壤侵蝕，增加耕層厚度，促進(jìn)作物增產(chǎn)。坡度較小的地塊宜采用等高壟作并配施有機(jī)肥，陡坡耕地宜采用少免耕方式減少人為活動(dòng)對(duì)耕層土壤的擾動(dòng)。

4 結(jié)論

4.1 不同地力等級(jí)紫色土坡耕地土壤物理屬性差異顯著。農(nóng)作物產(chǎn)量隨田面坡度變大顯著降低，田面坡度由5.1°變?yōu)?1.7°，農(nóng)作物產(chǎn)量下降45%；農(nóng)作物產(chǎn)量與有效土層厚度呈正相關(guān)。不同地力等級(jí)坡耕地土壤肥力屬性未表現(xiàn)出明顯變化，同一地力等級(jí)土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮、陽(yáng)離子交換量整體表現(xiàn)為耕作層＞心土層＞底土層。有效土層淺薄、田面坡度過(guò)大是限制坡耕地農(nóng)作物產(chǎn)量的主要因素。

4.2 坡耕地土壤質(zhì)量由耕作層、心土層、底土層共同決定，任一土層土壤質(zhì)量指數(shù)偏低都會(huì)影響耕層質(zhì)量，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)。土壤物理屬性對(duì)低產(chǎn)坡耕地耕層質(zhì)量的影響更為顯著，其中五級(jí)坡耕地田面坡度指標(biāo)障礙度為一級(jí)坡耕地的80.73倍，因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)將田面坡度、有效土層厚度等土壤物理屬性作為重點(diǎn)調(diào)控指標(biāo)。

4.3 紫色土坡耕地耕層障礙類(lèi)型可明顯分為3類(lèi)，即Ⅲ土壤養(yǎng)分限制型、Ⅳ有效土層厚度限制型、Ⅴ田面坡度限制型。土壤養(yǎng)分限制型坡耕地農(nóng)作物產(chǎn)量（6.95 t·hm-2）相對(duì)較高；土壤物理屬性為主要障礙特征時(shí)，耕層構(gòu)型疏松，心土層缺失現(xiàn)象嚴(yán)重，農(nóng)作物產(chǎn)量（5.23 t·hm-2）低下。

[1] 張怡, 何丙輝, 王仁新, 郭志敏, 唐柄哲. 橫坡和順坡耕作對(duì)紫色土土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2013, 21(2): 192-198.

ZHANG Y, HE B H, WANG R X, GUO Z M, TANG B Z. Effects of across- and along-slope ploughs on soil aggregate stability.2013, 21(2): 192-198. (in Chinese)

[2] 朱波, 況福虹, 高美榮, 汪濤, 王小國(guó), 唐家良. 土層厚度對(duì)紫色土坡地生產(chǎn)力的影響. 山地學(xué)報(bào), 2009, 29(6): 735-739.

ZHU B, KUANG F H, GAO M R, WANG T, WANG X G, TANG J L. Effects of soil thickness on productivity of sloping cropland of purple soil., 2009, 29(6): 735-739. (in Chinese)

[3] 史東梅. 基于RUSLE模型的紫色丘陵區(qū)坡耕地水土保持研究. 水土保持學(xué)報(bào), 2010, 24(3): 39-44.

SHI D M. Soil and water conservation on cultivated slope land in purple hilly area based on RUSLE model.2010, 24(3): 39-44. (in Chinese)

[4] 金慧芳, 史東梅, 陳正發(fā), 劉益軍, 婁義寶, 楊旭. 基于聚類(lèi)及PCA分析的紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo). 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2018, 34(7): 155-164.

JIN H F, SHI D M, CHEN Z F, LIU Y J, LOU Y B, YANG X. Evaluation indicators of cultivated layer soil quality for red soil slope farmland based on cluster and PCA analysis., 2018, 34(7): 155-164. (in Chinese)

[5] 丁文斌, 蔣光毅, 史東梅, 劉益軍, 蔣平, 常松果. 紫色土坡耕地土壤屬性差異對(duì)耕層土壤質(zhì)量的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2017(19): 195-208.

DING W B, JIANG G Y, SHI D M, LIU Y J, JIANG P, CHANG S G. Effect of different soil properties on plow-layer soil quality of sloping farmland in purple hilly areas.2017(19): 195-208. (in Chinese)

[6] REZAEI S A, GILKES R J, ANDREWS S S. A minimum data set for assessing soil quality in rangelands.2006, 136(1/2): 229-234.

[7] SEKER C, OZAYTEKIN H H, NEGI? H, GüMü? ?LKNUR, DEDEOGLU M, ATMACA E, KARACA ü. Identification of regional soil quality factors and indicators: A case study on an alluvial plain (central Turkey).2017, 8(3): 1-33.

[8] 閆建梅, 何丙輝, 田太強(qiáng). 不同施肥與耕作對(duì)紫色土坡耕地土壤侵蝕及氮素流失的影響. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 47(20): 4027-4035.

YAN J M, HE B H, TIAN T Q. Effect of fertilizer levels and tillage methods on soil erosion and nutrient loss in purple soil area.2014, 47(20): 4027-4035. (in Chinese)

[9] LIN C, TU S, HUANG J, CHEN Y. The effect of plant hedgerows on the spatial distribution of soil erosion and soil fertility on sloping farmland in the purple-soil area of China.2009, 105(2): 307-312.

[10] 張貝爾, 黃標(biāo), 趙永存, 孫維俠, 胡文友, 張曉光. 華北平原典型區(qū)土壤肥力低下區(qū)識(shí)別及限制因子分析. 土壤學(xué)報(bào), 2012, 49(5): 841-849.

ZHANG B E, HUANG B, ZHAO Y C, SUN W X, HU W Y, ZHANG X G. Identification of areas low in soil fertility and analysis of their limiting factors in the region typical of the north China plain., 2012, 49(5): 841-849. (in Chinese)

[11] 張立江, 汪景寬, 裴久渤, 李雙異, 安婷婷. 東北典型黑土區(qū)耕地地力評(píng)價(jià)與障礙因素診斷. 中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃, 2017, 38(1): 110-117.

ZHANG L J, WANG J K, PEI J B, LI S Y, AN T T. Evaluation of cultivated land fertility and its obstacle factores diagnosis in the typical black soil area of northeast China., 2017, 38(1): 110-117. (in Chinese)

[12] 樊亞男, 姚利鵬, 瞿明凱, 胡文友, 黃標(biāo), 趙永存. 基于產(chǎn)量的稻田肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)及障礙因子區(qū)劃——以進(jìn)賢縣為例. 土壤學(xué)報(bào), 2017, 54(5): 1157-1169.

FAN Y N, YAO L P, QU M K, HU W Y, HUANG B, ZHAO Y C. Yield-based soil fertility quality assessment and constraint factor- based zoning of paddy soil-A case study of Jinxian county., 2017, 54(5): 1157-1169. (in Chinese)

[13] 匡麗花, 葉英聰, 趙小敏, 郭熙. 基于改進(jìn)TOPSIS方法的耕地系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)及障礙因子診斷. 自然資源學(xué)報(bào), 2018, 33(9): 1627-1641.

KUANG L H, YE Y C, ZHAO X M, GUO X. Evaluation and obstacle factor diagnosis of cultivated land system security in Yingtan city based on the improved TOPSIS method., 2018, 33(9): 1627-1641. (in Chinese)

[14] 史東梅, 蔣光毅, 蔣平, 婁義寶, 丁文斌, 金慧芳. 土壤侵蝕因素對(duì)紫色丘陵區(qū)坡耕地耕層質(zhì)量影響. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2017, 33(13): 270-279.

SHI D M, JIANG G Y, JIANG P, LOU Y B, DING W B, JIN H F. Effects of soil erosion factors on cultivated-layer quality of slope farmland in purple hilly area., 2017, 33(13): 270-279. (in Chinese)

[15] 李偉. 重慶耕地地力研究與評(píng)價(jià)（一）（二）（三）. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2012.

LI W.. Beijing: China Agriculture Press, 2012. (in Chinese)

[16] 秦偉霞, 王新闖, 馬守臣, 張合兵, 陳寧麗, 宋香平. 基于功能分區(qū)的土地生態(tài)質(zhì)量障礙因子診斷——以新鄉(xiāng)市為例. 水土保持研究, 2015, 22(4): 148-154.

QIN W X, WANG X C, MA S C, ZHANG H B, CHEN N L, SONG X P. Obstacle factors diagnosis of land ecological quality based on functional partition-A case study of Xinxiang city., 2015, 22(4): 148-154. (in Chinese)

[17] 史德明, 韋啟潘, 梁音, 楊艷生, 呂喜璽. 中國(guó)南方侵蝕土壤退化指標(biāo)體系研究. 水土保持學(xué)報(bào), 2000(3): 1-9.

SHI D M, WEI Q P, LIANG Y, YANG Y S, LV X X. Study on degradation index system of eroded soils in southern China.2000(3): 1-9. (in Chinese)

[18] 韓曉增, 鄒文秀, 陸欣春, 段景海. 旱作土壤耕層及其肥力培育途徑. 土壤與作物, 2015, 4(4): 145-150.

HAN X Z, ZOU W X, LU X C, DUAN J H. The soil cultivated layer in dryland and technical patterns in cultivating soil fertility., 2015, 4(4): 145-150. (in Chinese)

[19] 劉海濤, 姚莉, 朱永群, 王宏, 許文志, 王謝, 林超文. 深松和秸稈覆蓋條件下紫色土坡耕地水分養(yǎng)分流失特征. 水土保持學(xué)報(bào), 2018, 32(6): 52-57, 165.

LIU H T, YAO L, ZHU Y Q, WANG H, XU W Z, WANG X, LIN C W. Characteristics of water and nutrients loss under subsoiling and straw mulching in purple soil slope cropland., 2018, 32(6): 52-57, 165. (in Chinese)

[20] 董杰, 段藝芳, 許玉鳳, 楊達(dá)源, 周彬. 三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡地土壤退化程度評(píng)價(jià)及驅(qū)動(dòng)機(jī)制. 水土保持通報(bào), 2009, 29(4): 51-56.

DONG J, DUAN Y F, XU Y F, YANG D Y, ZHOU B. Evaluation and driving mechanism of land degradation in a sloping field of purple soil in three gorges reservoir area.2009, 29(4): 51-56. (in Chinese)

[21] ZHANG Q, LIU D, CHENG S, HUANG X. Combined effects of runoff and soil erodibility on available nitrogen losses from sloping farmland affected by agricultural practices., 2016, 176: 1-8.

[22] ZHANG J H, LI F C. Soil redistribution and organic carbon accumulation under long-term (29 years) upslope tillage systems., 2013, 29(3): 365-373.

[23] LUO J, ZHENG Z, LI T, HE S. Spatial heterogeneity of microtopography and its influence on the flow convergence of slopes under different rainfall patterns., 2017, 545: 88-99.

[24] 白偉, 孫占祥, 鄭家明, 郝衛(wèi)平, 劉勤, 劉洋, 馮良山, 蔡倩. 虛實(shí)并存耕層提高春玉米產(chǎn)量和水分利用效率. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2014, 30(21): 81-90.

BAI W, SUN Z X, ZHENG J M, HAO W P, LIU Q, LIU Y, FENG L S, CAI Q. Furrow loose and ridge compaction plough layer improves spring maize yield and water use efficiency., 2014, 30(21): 81-90. (in Chinese)

[25] 李富程, 花小葉, 王彬. 紫色土坡地旋耕機(jī)耕作侵蝕特征. 中國(guó)水土保持科學(xué), 2016, 14(1): 71-78.

LI F C, HUA X Y, WANG B. Rate and pattern of tillage erosion by rotary cultivator on the steep land of purple soil.2016, 14(1): 71-78. (in Chinese)

[26] ZHAO P, LI S, WANG E, CHEN X, DENG J. Tillage erosion and its effect on spatial variations of soil organic carbon in the black soil region of China., 2018, 178: 72-81.

[27] 任雨之, 鄭江坤, 付滟, 王文武, 曾倩婷, 向明輝, 陳鑫. 不同耕種模式下遂寧組紫色土坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征. 水土保持學(xué)報(bào), 2019, 33(2): 30-38.

REN Y Z, ZHENG J K, FU Y, WANG W W, ZENG Q T, XIANG M H, CHEN X. Characteristics of runoff and sediment yield in purple soil sloping farmland under different tillage patterns in suining formation.2019, 33(2): 30-38. (in Chinese)

[28] 朱波, 陳實(shí), 游祥, 彭奎, 張先婉. 紫色土退化旱地的肥力恢復(fù)與重建. 土壤學(xué)報(bào), 2002(5): 743-749.

ZHU B, CHEN S, YOU X, PENG K, ZHANG X W. Soil fertility restoration on degraded upland of purple soil., 2002(5): 743-749. (in Chinese)

[29] 蘇正安, 熊東紅, 張建輝, 董一帆, 楊超, 張小波, 鮮紀(jì)紳. 紫色土坡耕地土壤侵蝕及其防治措施研究進(jìn)展. 中國(guó)水土保持, 2018(2): 42-47, 69.

SU Z A, XIONG D H, ZHANG J H, DONG Y F, YANG C, ZHANG X B, XIAN J S. Research progress of soil erosion of purple soil slope farmland and its prevention and control measures., 2018(2): 42-47, 69. (in Chinese)

[30] 王亞男, 徐夢(mèng)潔, 申燕, 黃化剛, 陳雪, 莊舜堯. 畢節(jié)市土壤耕作層厚度的空間變異特征. 貴州農(nóng)業(yè)科學(xué), 2018, 46(10): 81-84.

WANG Y N, XU M J, SHEN Y, HUANG H G, CHEN X, ZHUANG S Y. Spatial variation characteristics of soil tillage layer thickness in Bijie city.2018, 46(10): 81-84. (in Chinese)

[31] 黃少燕, 查軒. 坡耕地侵蝕過(guò)程與土壤理化特性演變. 山地學(xué)報(bào), 2002(3): 290-295.

HUANG S Y, ZHA X. Study on soil erosion process and evolution of soil physicochemisty characteristics on sloping farmland., 2002(3): 290-295. (in Chinese)

[32] ZHANG J, QUINE T A, SHIJUN N I, FANGLONG G E. Stocks and dynamics of SOC in relation to soil redistribution by water and tillage erosion.2006, 12(10): 1834-1841.

[33] ZHANG Q, CHEN S, DONG Y, LIU D, YANG X, YANG Z. Controllability of phosphorus losses in surface runoff from sloping farmland treated by agricultural practices.2017, 28(5): 1704-1716.

Quality Barrier Characteristics of Cultivated Layer for Sloping Farmland in Purple Hilly Region

SONG Ge1, SHI DongMei1, ZENG XiaoYing2, JIANG GuangYi3, JIANG Na1, YE Qing1

(1College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715;2Chongqing Academy of Forestry, Chongqing 400036;3Chongqing Eco-environment Monitoring Station of Soil and Water Conservation, Chongqing 401147)

【】The purple soil slope farmland is characterized by high productivity and strong erodibility, and is an important cultivated land resource in the upper reaches of the Yangtze River. Analyzing the types of barrier tillage layer of slope farmland and its impact on crop yield has important application value for determining reasonable tillage layer construction parameters, controlling tillage layer quality and sustainable utilization of slope farmland. Based on the sample of cultivated layer of purple soil slope farmland in different soil fertility grades, this paper quantitatively analyzed the quality barrier characteristics of slope farmland.【】In this paper, the obstacle degree model and cluster analysis were used to study the types and quality characteristics of barrier tillage layer in purple soil slope farmland of different soil fertility grades.【】The results showed that: (1) There were significant differences in soil physical properties between purple soil slope farmland with different soil fertility grades. With the decrease of soil fertility grade, the slope of the plot was significantly larger, and the thickness of the effective soil layer of plot was significantly smaller. When the slope of the plot changed from 5.1° to 21.7°, the crop yield could be reduced by 45%. The lack of soil layer in the five-slope farmland was serious. However, the soil fertility attributes did not show significant differences. The soil organic matter, soil total nitrogen and cation exchange capacity of the first to fourth grade slope farmland in the same soil fertility grade were as follows: topsoil layer＞subsoil layer＞bottom soil layer. There was no significant difference between the topsoil layer and the subsoil layer in the fifth grade slope farmland. (2) The soil quality index of each soil layer in the first and second grade slope farmland was between 0.434 and 0.528. The soil quality index of each soil layer of the same soil productivity grade was characterized by topsoil layer＞subsoil layer＞bottom soil layer; the soil physical properties had a more significant effect on the soil quality of low-yield slope farmland. The obstacle degree of the slope of the plot of the fifth-grade slope farmland was 80.73 times than that of the first-grade slope farmland. (3) The purple soil slope farmland could be classified into three types, namely, III soil nutrient limited type, IV effective soil layer thickness limited type, and V field surface slope limited type. When the soil physical property was the main obstacle feature, the cultivated layer structure was loose, the subsoil layer was seriously deficient, and the crop yield was 25% lower than that of the soil nutrient-restricted sloping farmland. 【】The quality of the cultivated layer in the purple soil slope farmland was low, and the barrier cultivated layer included three types: soil nutrient limitation type, effective soil layer thickness limitation type, and slope of the plot limitation type. The physical properties of soil were the main limiting factors for the quality of the cultivated layer of purple soil slope farmland. The slope of the field was too large, and the thickness of the effective soil layer was shallow and thin.

purple soil; slope farmland; cultivated layer quality; barrier cultivated layer; obstacle degree model; cluster analysis

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.07.009

2019-06-06；

2019-08-21

國(guó)家自然科學(xué)基金（41771310）

宋鴿，E-mail：2298953443@qq.com。通信作者史東梅，E-mail：shidm_1970@126.com

（責(zé)任編輯 李云霞）