紅壤坡耕地耕層土壤質量退化特征及障礙因子診斷

金慧芳，史東梅，鐘義軍，黃尚書，宋 鴿，段 騰

紅壤坡耕地耕層土壤質量退化特征及障礙因子診斷

金慧芳1，史東梅1※，鐘義軍2，黃尚書2，宋 鴿1，段 騰1

（1. 西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400715；2. 江西省紅壤研究所，國家紅壤改良工程研究中心，南昌 331700）

坡耕地耕層質量退化是在土壤侵蝕等自然因素和農業(yè)耕作等人為因素綜合作用下，在坡面尺度上耕層土壤剖面損毀、土壤養(yǎng)分貧瘠化、農作物-環(huán)境調控能力衰退或完全喪失的農業(yè)生態(tài)過程。該文以紅壤小流域坡耕地耕層為研究對象，采用耕層質量退化指數法（cultivated-layer degradation index, CLDI）分析了坡耕地耕層質量退化特征，基于主成分分析法明確了耕層退化的主導因素及關鍵驅動因子，采用障礙因子診斷模型界定了坡耕地耕層質量主要障礙因素及障礙程度。結果表明：紅壤小流域坡耕地耕層質量以中、輕度退化程度為主（樣點占比70.4%），重度退化耕層樣點占比11.1%，無退化耕層樣點占比18.5%；導致坡耕地耕層質量退化的人為驅動因素有單位坡耕地面積農業(yè)投入、耕作方式、單位坡耕地面積機械總動力和單位坡耕地面積化肥施用量。隨耕層退化程度加劇，耕層土壤pH值呈先大幅減小后趨于平穩(wěn)的變化趨勢，輕度退化耕層土壤pH值降低幅度可達9.8%；與無退化程度相比，不同退化程度下紅壤坡耕地耕層厚度呈逐步薄化趨勢，重度退化耕層薄化率可達8.9%，這與降雨侵蝕和農戶耕作方式不合理因素有關。紅壤坡耕地耕層質量主要障礙因素表現為土壤黏粒含量多、pH值小、耕層薄化和土壤抗剪強度小，平均障礙度分別為0.15、0.14、0.13和0.10；土壤黏粒含量、pH值和耕層厚度障礙度隨退化程度加劇呈增大趨勢，土壤抗剪強度障礙度呈逐漸減小趨勢，其他耕層土壤屬性參數障礙度無明顯變化；適度深松（30～48 cm）與合理施肥是改善耕層質量的有效措施。研究結果可為科學認識紅壤坡耕地耕層質量退化特征，明確耕層質量改善途徑及合理耕層構建提供參考。

土壤；退化；診斷；耕層質量；障礙因子；紅壤坡耕地

0 引 言

紅壤坡耕地是中國南方丘陵區(qū)重要的耕地資源之一，是研究區(qū)經濟和糧食作物的重要基地[1]。長期以來，嚴重的春蝕秋旱，加上農戶不合理耕作和施肥等自然和人為因素的影響，紅壤坡耕地面臨水土流失嚴重，養(yǎng)分劣化，耕層變薄，地力衰退以及生態(tài)環(huán)境惡化等問題。研究南方紅壤丘陵區(qū)這一生態(tài)脆弱區(qū)域坡耕地耕層質量退化特征并明確造成耕層質量退化的主要障礙因子，對坡耕地質量恢復、資源利用及合理耕層構建具有重要意義[2]。紅壤坡耕地耕層質量退化主要表現為侵蝕退化、養(yǎng)分退化和土壤酸化等，耕作措施、工程措施、林草措施和綜合治理措施是防治紅壤坡耕地退化的關鍵技術[3]，而準確判定紅壤坡耕地耕層質量退化程度及主要障礙因子是促進耕層質量改良和地力提升的前提。Adejuwon等[4]最早提出土壤退化指數（soil degradation index，SDI），用于定量反映土壤質量退化程度，被國內外學者廣泛應用[5-7]，該模型假設各因素對土壤質量退化影響程度相同，即各因素貢獻率相同。近年來，有學者運用土壤質量指數（soil quality index，SQI）對土壤質量退化特征進行分析，且得到較好運用[8-9]，但該模型多用于土壤質量評價研究，而在土壤質量退化特征評價時缺乏參考基準，應用較少。桂東偉等[10]將2種方法相結合，分析了綠洲化進程加劇過程中，不同土地利用方式對土壤質量的影響。張孝存[11]分別用2種方法分析了東北黑土區(qū)侵蝕土壤質量特征。耕層是人類為栽培作物，利用工具對土壤進行擾動的深度層，對協調土壤水、肥、氣、熱間相互作用，滿足作物生長發(fā)育具有重要作用，耕層質量退化是各土壤屬性參數變化綜合作用的結果，且不同土壤屬性參數變化對耕層質量退化影響程度不同。目前，關于坡耕地耕層質量退化特征評價的研究較少，且尚無統一方法。本文以南方丘陵區(qū)紅壤小流域坡耕地耕層土壤為研究對象，選擇反映耕層抗侵蝕性能、生產性能和耕作性能3方面的土壤屬性參數建立耕層退化質量評價體系，對前人評價模型進行修訂，采用耕層質量退化指數（cultivated-layer degradation index，CLDI），對紅壤坡耕地耕層質量退化特征進行定量分析；采用主成分分析法辨識耕層退化主導因素和關鍵驅動因子，分析不同退化程度下耕層土壤屬性參數變化特征；引入障礙因子診斷模型，進一步明確耕層質量改善的主要障礙因子，以期為抑制紅壤坡耕地水土流失、耕層質量退化，促進耕層質量改良和合理耕層培育提供科學依據和參數支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省南昌市進賢縣三和紅壤小流域，地處116°12′～116°18′E，28°12′～28°18′N，流域面積41.21 km2，其中坡耕地面積1 672.92 hm2，屬亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫17.5 ℃。降雨量充沛且集中，多年平均年降水量達1 587 mm；多年無霜期282 d，多年平均日照時數達1 780 h。地貌類型以低丘崗阜為主，坡度為2°～35°，紅壤為小流域內分布最為廣泛的土壤類型，土層深厚，土壤呈弱酸性，質地為壤質黏土。成土母質以第四紀紅色黏土和紅砂巖類為主。常見種植制度有花生-玉米/甘蔗輪作、花生-油菜輪作、大豆-甘薯輪作等，以一年一熟或一年兩熟制為主，近年來，三熟制開始增多。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 樣點設置

于2017年7月在當地農業(yè)部門有經驗的研究人員協助下，根據小流域坡耕地分布特點，在流域上游、中游和下游各選擇2個坡耕地廣泛分布的區(qū)域，在每個區(qū)域分別選擇3個紅壤坡耕地典型坡面，各坡面分上部、中部和下部布設采樣點，坡度、坡長適宜，種植作物為當地典型作物（表1），共布設樣點總數54個，采樣前進行農戶調研，保證各采樣點處于不同農戶耕種的地塊上，使各樣點均具有典型性和代表性，同時對耕種各地塊的農戶進行水土保持問卷調查，獲得與采樣地塊相對應的問卷54份。以江西紅壤研究所布設的免耕示范坡耕地地塊為基準，坡度、坡長適宜，邊溝、背溝等水土保持措施布設完善，在地塊中部布設樣點可代表坡面整體特征，采樣方法與小流域采樣點相同，重復3次。

表1 紅壤小流域及示范區(qū)坡耕地采樣區(qū)基本情況

1.2.2 樣品采集及指標測定

選擇采樣點中間位置挖掘土壤剖面，進行垂直分布樣品采集。分0～10和>10～20 cm層采集土壤樣品，每層采集約1～2 kg土壤樣品裝入硬質塑料盒帶回實驗室，采集土壤環(huán)刀（100 cm3）樣品用于測定土壤容重和飽和導水率，分別采用三頭抗剪儀和PT袖珍型貫入儀分層測定土壤抗剪強度和貫入阻力值，各重復3次。采樣完成后，繼續(xù)向下挖掘土壤剖面至作物根系消失，采用鋼卷尺測定土壤剖面約90%作物根系分布深度為耕層厚度[12]。將采集的土壤樣品自然風干后，過篩測定土壤理化性質，土壤黏粒含量采用沉降法測定，pH值采用土水比1:1電極法測定，土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定，土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測定，土壤有效磷采用Olsen法測定，土壤速效鉀采用l mol/LNH4Ac提取-火焰光度法測定。

1.2.3 耕層質量退化指數

耕層質量退化指數（CLDI）可直觀分析耕層質量退化特征及程度。免耕耕作對土壤擾動程度低，耕層結構破壞性小，顯著降低了耕層質量退化速率[13-16]，即以免耕示范坡耕地耕層土壤屬性參數測定值為基準（CLDI=0）。假設其他坡耕地地塊類型都是由免耕坡耕地經過農業(yè)生產活動轉化而來，將紅壤小流域坡耕地各采樣地塊耕層土壤屬性參數值與免耕坡耕地進行對比，取0～10和>10～20 cm層土壤參數平均值計算耕層質量退化指數，計算公式如下

式中CLDI為耕層質量退化指數；X為第個地塊第個指標值，X為第個指標的基準值，W為第個指標權重，N是第個地塊第個指標的隸屬度值

從耕層抗侵蝕性能、耕作性能和生產性能3方面選擇耕層質量退化評價指標[17]。基于評價指標與耕層質量的正負效應建立各指標與耕層生產力之間的隸屬函數，對各指標量綱進行統一。S型和反S型函數以小流域采樣點各指標參數實測值的最小值（1）和最大值（2）作為函數的轉折點，拋物線型函數對應指標的轉折點通過文獻資料和野外實測數據結果獲得[17-18]，采用主成分分析法獲得各指標權重，詳見表2。計算耕層質量退化指數可較全面反映坡耕地耕層質量退化程度，CLDI<0表明耕層質量退化程度高于基準點，其值越小，耕層退化越嚴重；CLDI>0表明耕層質量處于無退化或趨于改良狀態(tài)。

表2 評價指標類型及隸屬函數

1.3 障礙因子診斷模型

明確坡耕地耕層質量改良的障礙因素并有針對性的消除障礙因子，對耕層質量恢復和改善有重要意義。本文引入障礙因子診斷模型[19-20]如下

式中M為第個地塊第個指標的障礙度；M為第個指標的平均障礙度，其大小順序可以反映研究區(qū)耕層質量障礙因子的主次關系；P=1?N，表示耕層單項指標與耕層理想狀態(tài)（隸屬度為1）的差距，數值越大對耕層質量越不利，N為第個地塊第個指標的隸屬度值；W為單項指標對總體的貢獻率，即指標權重。

1.4 數據處理

通過坡耕地耕層調查和室內試驗分析獲得各地塊耕層土壤屬性參數數據。單位坡耕地面積農業(yè)投入等反映耕層質量退化人為驅動因子的指標通過農戶水土保持問卷調查獲得：單位坡耕地面積農業(yè)投入（人力、物力等均轉換為資金表征）=調查地塊當年農業(yè)總投入/地塊面積；家庭人均坡耕地面積=調查地塊所屬農戶家庭坡耕地總面積/家庭總人數；家庭農業(yè)人口占比=調查地塊所屬農戶家庭從事農業(yè)生產人數/家庭總人數；耕作方式采用賦值法進行定量化處理，如：深松1、免耕2、翻耕3等；田間道路通達度則根據田間道路等級設置不同權重，采用加權求和法獲得，連接田塊的道路等級越高、數量越多，田間道路通達度越高；單位坡耕地面積機械總動力=（耕作機具功率×時間+施肥機具功率×時間……收獲機具功率×時間）/調查地塊面積。小流域年降雨量、土壤侵蝕模數等數據由江西紅壤研究所定位監(jiān)測獲得，使用SPSS21.0軟件進行主成分分析，Excel2013軟件進行數據處理和繪圖。

采用SPSS 19.0軟件進行統計分析。計量資料以均數±標準差表示，組間比較采用t檢驗，兩組病人主要變量變化趨勢采用重復測量方差分析，P<0.05為差異有統計學意義；不同時間點主要變量比較采用Bonferroni 校正法，P<0.017為差異有統計學意義。

2 結果與分析

2.1 坡耕地耕層質量退化特征

2.1.1 耕層退化程度分級

坡耕地耕層退化是耕層土壤環(huán)境和理化性狀惡化導致水土流失和耕層生產力下降的綜合表征。利用耕層質量退化指數對坡耕地耕層退化程度進行定量化分析，有利于客觀認識紅壤坡耕地耕層質量退化特征?；贑LDI計算結果，紅壤坡耕地耕層退化程度可分為6個等級（圖1a），第I級為耕層質量退化指數大于0，表征耕層未產生退化或處于改善、恢復狀態(tài)的無退化耕層，坡耕地生產功能基本完整，土壤結構良好，坡耕地系統恢復再生能力強，生態(tài)問題不顯著；第II級為耕層質量略有退化的輕度退化耕層，耕層質量退化指數介于0～?20%之間，坡耕地生產功能較為完善，土壤結構尚好，一般干擾下坡耕地系統生產能力可恢復；第III級為耕層質量退化指數在

圖1 紅壤坡耕地耕層質量退化特征

紅壤小流域坡耕地耕層質量以中、輕度退化為主（圖1b）。無退化耕層平均退化指數為17%，其樣點占比為18.5%，主要分布在坡耕地下部，這與下部區(qū)域坡度較其他部位緩，養(yǎng)分在下部沉積有關，深松機等農業(yè)保護性耕作機械使用程度較高以及橫坡耕作等水土保持措施的實施均有利于減少水土流失，改善坡耕地耕層質量。輕度退化耕層平均退化指數為?12%，樣點占比35.2%，在坡耕地不同部位分布比例相對均勻,合理耕作和施肥是改進耕層質量的有效措施。中度退化耕層平均退化指數為?30%，樣點占比為35.2%，主要分布在坡耕地上、中部，這主要是因為上部和中部以土壤侵蝕為主，降雨侵蝕造成耕層土壤及養(yǎng)分沿坡面向下位移，造成上部和中部坡位耕層薄化、養(yǎng)分流失，耕層質量退化明顯。重度退化耕層平均退化指數為?47%，樣點占比11.1%，這可能與部分農戶重用地輕養(yǎng)地，重產出輕投入有關，相關政府部門采取積極的政策引導，增強農戶水土保持意識，提高水土保持措施實施率，可減緩耕層質量退化速率。從坡耕地不同部位來看，紅壤坡耕地耕層質量平均退化指數為中部（?20.34%）>上部（?18.34%）>下部（?11.45%），說明下部坡位耕層退化程度最低，更適宜農業(yè)生產。

2.1.2 耕層質量退化主導因素辨識

基于耕層質量退化指數法將反映紅壤坡耕地耕層質量退化特征的11項土壤屬性參數與免耕示范坡耕地土壤屬性參數之間的差異進行比較后獲得的比值（(X?X)/X），即各土壤參數退化程度作為表征坡耕地耕層質量退化的指標參數進行主成分分析[14]。其中前4個主成分貢獻率大于10%，分別解釋了29.75%、18.33%、15.75%和10.19%的信息，累積貢獻率74.02%，解釋了紅壤坡耕地耕層質量退化的大部分信息，其他主成分貢獻率相對較?。ū?），表明前4個主成分基本可以反映紅壤坡耕地耕層質量退化特征。

表3 紅壤坡耕地耕層質量退化解釋度分析

第1主成分與土壤全氮、土壤有機質和土壤速效鉀相關性較高（載荷絕對值≥0.7，下同），載荷值分別為0.866、0.792和0.703，與其他指標相關性相對較低，主要反映坡耕地耕層養(yǎng)分退化特征。第2主成分與土壤容重和土壤抗剪強度相關性高，載荷值分別為0.751和0.729，與其他指標相關性相對較低，主要反映耕層抗侵蝕性能特征。第3和第4主成分分別與黏粒含量和pH值相關性較高，載荷值分別為?0.821和?0.736，分別表征土壤結構和酸堿度，這說明紅壤坡耕地耕層退化的主導因素為耕層養(yǎng)分退化、侵蝕退化，其次為土壤板結和酸化。將耕層質量退化指數與主要指標進一步做回歸分析，結果表明：全氮、有機質和有效磷與CLDI擬合效果較好（2≥0.5），2分別為0.735、0.655、和0.596，是紅壤坡耕地耕層質量退化的關鍵指標（表4）。

2.1.3 耕層質量退化驅動因素分析

坡耕地耕層質量退化是土壤、生態(tài)系統的逆向演替過程，表現為對自然或人為干擾較低的抵抗性、較弱的緩沖能力以及較強的敏感性和脆弱性。耕層質量退化是多因素綜合作用的結果，其中自然因素和人為因素是導致坡耕地耕層質量退化的2大主要驅動因素，自然因素主要包括氣候、坡度及成土母質等，是耕層質量退化的內在誘因[3]。紅壤小流域年均降雨量1 587 mm，5－9月降雨量占全年降雨總量的60%～80%，降雨強度大（多暴雨，最大日降雨量達308.9 mm），年均土壤侵蝕模數1 962 t/km2·a，極易發(fā)生水土流失[21]。田面坡度在2°～20°之間，土壤侵蝕量與坡度成明顯正相關，田面坡度增加1°，全年土壤侵蝕量遞增約120 t/km2[22]。成土母質以第四紀紅色黏壤土為主，質地偏黏，顆粒組成中的黏粒含量占20%以上，細砂含量也高，造成坡耕地侵蝕以面蝕和淺溝侵蝕為主[23]。

表4 主要評價指標與耕層質量退化指數回歸分析

農業(yè)生產對紅壤坡耕地耕層質量退化起主導性作用。日益增長的農業(yè)現代化需求、農業(yè)機械化程度提高以及農戶不合理耕作和施肥等都是加速坡耕地耕層質量退化的重要因素。選擇單位坡耕地面積農業(yè)投入（F1）表征農業(yè)經濟投入水平；家庭人均坡耕地面積（F2）表征農業(yè)生產規(guī)模狀況；家庭農業(yè)人口占比（F3）表征勞動力短缺程度；耕作方式（F4）表征耕作方式多樣性；田間道路通達度（F5）表征田間交通便利程度；單位坡耕地面積機械總動力（F6）表征農業(yè)機械使用程度；單位坡耕地面積化肥施用量（F7）表征化肥施用強度，共7項指標進行主成分分析，診斷紅壤坡耕地耕層質量退化的主要人為驅動因子。從表5中可以看出PC1~PC4的主成分特征值大于1，累積貢獻率為75.69%，可解釋人為因素造成耕層質量退化的大部分信息。

表5 耕層質量退化人為驅動因子診斷指標載荷矩陣

單位坡耕地面積農業(yè)投入、耕作方式、單位坡耕地面積機械總動力和單位坡耕地面積化肥施用量分別在第一至第四主成分上載荷絕對值最大，分別為?0.587、?0.597、0.651和?0.680。說明隨著經濟的發(fā)展，農戶對農業(yè)產出的要求逐漸提高，而實際農業(yè)產出無法達到農戶預期，導致農戶減少農業(yè)投入，轉向發(fā)展其他產業(yè)，單位坡耕地面積農業(yè)投入少是造成耕層退化的重要因子。傳統順坡耕作等不合理耕作方式，使坡面徑流集中在壟溝內自上而下排泄，加劇了土壤侵蝕，誘發(fā)紅壤坡耕地水土流失，造成耕層質量退化[3]。隨著經濟發(fā)展，農業(yè)機械使用率提高，而農業(yè)機械的廣泛使用也造成坡耕地耕層土壤壓實等問題，土壤水分蓄持性能降低，造成耕層質量下降，作物減產[24]。在農業(yè)生產過程中忽略了土壤肥力的維護，重耕輕養(yǎng)，過度利用，是導致紅壤坡耕地耕層養(yǎng)分退化的重要原因[2-3]。

2.2 不同退化程度下坡耕地耕層土壤屬性參數變化特征

紅壤坡耕地耕層質量退化對土壤物理、化學及力學性質變化有重要影響。耕層質量退化首先改變耕層土壤緊實度，繼而引發(fā)耕層水分等其他理化性質的變化[25]。由表6可知，耕層厚度呈逐漸薄化趨勢。與無退化耕層相比，重度退化耕層的薄化率（退化耕層下降厚度與無退化耕層厚度的比值）為8.9%，適當深松是增厚耕層的有效措施。土壤貫入阻力是反映耕作性能的重要參數。各退化耕層土壤貫入阻力較無退化耕層均有明顯增大，增大幅度依次為14.74%、33.16%和41.58%，這可能與降雨侵蝕造成表層土壤顆粒流失，下層土壤裸露、上移，土壤容重增大，造成作物根系下插阻力增大有關。

耕層質量退化在很大程度上取決于土壤水分條件，隨耕層退化程度加劇，土壤水分蓄持性能大幅下降[26]。與無退化耕層相比，各退化耕層土壤飽和導水率均有顯著下降，其中，重度退化耕層下降了67.5%，這與降雨侵蝕造成土壤板結、容重增大有關[27]。土壤有機質等養(yǎng)分含量是構成土壤肥力的重要要素，直接決定作物生長和發(fā)育狀況。隨著退化程度加劇，土壤有機質、全氮、有效磷和速效鉀均有不同程度的下降，中度退化耕層較無退化耕層分別降低了43.89%、32.56%、50.4%和73.5%，耕層養(yǎng)分退化明顯。黏粒含量是表征土壤質地的重要參數，其與作物生長所需生態(tài)環(huán)境和養(yǎng)分供給關系密切，耕層土壤中各顆粒組成比例適當，可使土壤具有良好的結構性。中度和重度退化耕層土壤黏粒含量較無退化耕層有明顯增加，分別是無退化耕層的3.2倍和3.8倍，這可能與農戶長期不合理耕作有關。pH值隨耕層退化程度加劇表現出先大幅減小后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，有機與無機肥料配施可明顯提高酸性土壤pH緩沖能力[28]。

表6 不同退化程度下耕層土壤屬性參數變化特征

注：不同字母表示同一耕層不同退化程度下差異顯著（＜0.05）；X1~ X11指代指標見表2。

Note: Different letters indicate significant difference in different degradation degrees of the same surface layer (<0.05); Designation of X1~ X11are shown in Table 2.

2.3 坡耕地耕層質量障礙因子診斷

明確影響耕層質量的主要障礙因子及其分布特征，對防治坡耕地耕層退化，實現耕層質量改良有重要意義（圖2）。

圖2 紅壤坡耕地耕層土壤參數障礙度

利用障礙因子診斷模型計算耕層土壤屬性參數障礙度，結果表明紅壤坡耕地耕層質量主要障礙因素表現為黏粒含量多、pH值小、耕層厚度薄和土壤抗剪強度小，4個因素平均障礙度分別為0.15、0.14、0.13和0.10（圖2a），這說明土壤板結、酸化和土壤侵蝕是制約紅壤坡耕地農業(yè)生產的主要障礙因素。在無退化、輕度退化、中度退化和重度退化程度下，黏粒含量障礙度依次為0.12、0.14、0.15和0.17，障礙度有明顯增大，這可能與傳統順坡耕作和南方丘陵區(qū)降雨量大導致土壤顆粒破壞，徑流侵蝕嚴重有關[29]。耕層厚度是影響耕層質量的重要限制因子，對坡耕地水土保持和土壤生產力維護具有重要作用，其障礙度依次為0.12、0.13、0.13和0.15，表現出增大趨勢，深松耕作對增厚耕層，改善土壤持水性能和土壤結構效果顯著[24]。pH值障礙度呈增大趨勢，增施有機肥可有效緩解土壤酸化現象。土壤抗剪強度則表現出減小趨勢，但整體障礙度依然較大，其他參數障礙度相對較小，無明顯變化。

從坡耕地不同部位來看，土壤有機質、全氮、速效鉀和黏粒含量是影響耕層質量的主要障礙因子，上部、中部和下部坡位土壤有機質障礙度依次為0.12、0.12和0.10，全氮依次為0.11、0.11和0.09，速效鉀依次為0.11、0.12和0.11，黏粒含量依次為0.10、0.11和0.11（圖2b），其障礙度在不同部位略有差異，但差異不明顯，其他因子障礙度相對較小。降雨侵蝕造成坡耕地上、中部位以土壤侵蝕為主，耕層土壤和養(yǎng)分沿坡面向下位移，造成上坡部位養(yǎng)分缺乏而下部坡位養(yǎng)分富余，在降雨、徑流沖刷作用下，土壤顆粒向下坡運移，造成下部坡位土壤黏重板結，合理輪作和增施有機肥是有效改良措施。

3 討 論

3.1 耕層退化對土壤屬性參數的影響

坡耕地耕層退化受降雨[22]、地形[23]、海拔[30]、坡度[30]、耕作方式[31]、施肥[32]及植被覆蓋度[33-34]等多種因素的影響。坡耕地耕層退化不僅造成水土流失，作物減產，也引起了海拔、坡度、植被覆蓋度等土壤環(huán)境因子及土體構型和有效土層厚度等土壤屬性參數的明顯變化[30,34-35]。本研究中各土壤屬性參數隨耕層退化程度加劇呈現不同變化趨勢，與前人研究結果相同[36]。耕層厚度隨耕層退化程度加劇呈增大趨勢，農戶不合理耕作，加上土壤侵蝕造成表土顆粒剝離、流失，是造成耕層薄化的主要原因[37]。土壤飽和導水率主要反映土壤入滲和持水性能[38]，各退化耕層較無退化耕層有明顯降低趨勢，這主要與土壤容重增大有關，黏粒含量和土壤有機質也有一定影響作用[27,38]。

土壤質量和養(yǎng)分供給能力隨耕層退化程度加劇而逐漸退化，土壤有機質和全氮等養(yǎng)分含量明顯損失。周華坤[33]研究表明土壤退化越嚴重，則土壤養(yǎng)分越貧瘠，且土壤有機質等在表層土壤流失嚴重。養(yǎng)分含量下降會反作用于作物，抑制作物生長，同時誘發(fā)土壤侵蝕，導致土壤持續(xù)惡化[33]。本研究表明土壤酸化過程隨耕層退化程度加劇表現為先大幅下降后趨于平穩(wěn)趨勢。土壤耕作管理不當、耕地資源過度利用是造成土壤酸化的主要原因，單施化肥或大量施用氮肥，將引起不同程度土壤酸化，養(yǎng)分失衡，而農戶淺耕，施肥主要集中于表層土壤，耕層退化加劇土壤顆粒流失，下層土壤裸露，其養(yǎng)分含量較表層土壤低，土壤pH值變化不明顯。施用有機肥或石灰，對調節(jié)土壤酸堿度有一定作用[39]。黏粒含量對土壤理化性質有重要影響，紅壤小流域土壤黏粒含量隨耕層退化程度加劇呈逐漸增大趨勢，從無退化至過度退化階段，耕層土壤出現明顯沙化現象，與史德明等[35]人研究結果相同。不同土壤屬性參數相互作用，共同影響坡耕地耕層質量和退化程度，隨著耕層退化加劇，土壤生物屬性參數變化規(guī)律是否與理化及力學參數一致有待深入研究。

3.2 紅壤坡耕地耕層質量調控參數

本研究表明紅壤坡耕地耕層退化以侵蝕退化、養(yǎng)分退化、土壤酸化及板結為主，黏粒含量大、pH值小、耕層薄化和土壤抗剪強度小是主要障礙因素，與前人研究結果類似[3,18,20,39]。通過合理耕作改變耕層土壤微環(huán)境，降低或消除耕層障礙，創(chuàng)造適宜耕層是促進紅壤坡耕地耕層質量恢復、農作物生產適宜性調控和坡耕地水土流失阻控的有效方法[17]。深松耕作打破犁底層的同時疏松耕層，增加了耕層厚度，被疏松土層的土壤孔隙度增加，改善了土壤的蓄持性能[12,24]，進而增加了土壤對大氣降水的蓄存能力，營造耕層土壤水份庫和養(yǎng)分庫，使更多的雨水及養(yǎng)分貯存在深層土壤中以供作物利用，提高雨水和養(yǎng)分資源利用效率和旱地蓄水保墑性能。

圖3 深松耕作對紅壤坡耕地耕層薄化障礙類型改良示意圖

相關研究表明深松耕作使耕層土壤飽和導水率提高4倍多，提高了降水的入滲能力，顯著增加了耕層土壤含水量[40]，深松耕作使耕層土壤容重降低了17.1%，穩(wěn)定性團聚體數量顯著增加了30.7%，土壤孔隙狀況明顯改善[41]。羅錫文等[42]研究表明深松后紅壤坡耕地耕層土壤孔隙度顯著提高11.7%，且增產效果明顯，早在1961年陳恩鳳[43]先生指出深松33 cm小麥增產效果最好，而深松至48 cm時增產幅度開始下降。黃尚書等[24]研究表明紅壤坡耕地深松30 cm可使土壤容重降低10.4%，土壤孔隙度增大60.3%，是解決耕層瘠薄化問題的關鍵核心技術之一。朱瑞祥[44]研究表明田面坡度<15°為深松機適宜作業(yè)坡度，配套動力11.03～14.70 kW可以避免機械壓實造成的耕層板結等問題。綜上表明當田面坡度<15°，土壤含水量15%～22%時[45]，深松深度30～48 cm[24,43]，配套動力11.03～14.70 kW為紅壤坡耕地深松耕作適宜技術參數（圖3），是調控紅壤坡耕地耕層質量的有效措施。

4 結 論

1）紅壤小流域坡耕地耕層質量以中、輕度退化為主，樣點占比均為35.2%，重度退化11.1%，無退化18.5%；不同部位耕層質量平均退化指數為中部（?20.34%）>上部（?18.34%）>下部（?11.45%）。侵蝕退化和養(yǎng)分退化是引起耕層質量退化的主導因素，造成耕層質量退化的自然驅動因子為降雨、坡度和成土母質等，人為驅動因子為單位坡耕地面積農業(yè)投入、耕作方式、單位坡耕地面積機械總動力和單位坡耕地面積化肥施用量。

2）與無退化程度相比，紅壤坡耕地各耕層土壤屬性參數呈差異性變化特征；隨耕層退化程度增大，耕層厚度呈逐漸薄化趨勢，重度退化耕層薄化率達8.9%。降雨侵蝕和耕作方式不合理是主要影響因素；pH值隨耕層退化程度的加劇呈先大幅減小后趨于平穩(wěn)的變化趨勢，輕度退化耕層土壤pH值較無退化耕層降低9.8%，有機與無機肥配施可緩解土壤酸化；各退化耕層土壤飽和導水率較無退化耕層有明顯下降趨勢，至重度退化程度，土壤飽和導水率下降了67.5%，與降雨侵蝕造成表土顆粒剝離后下層土壤容重增大有關。

3）紅壤坡耕地耕層質量的主要障礙因素為黏粒含量多、pH值小、耕層厚度薄和土壤抗剪強度小，4個因素平均障礙度分別為0.15、0.14、0.13和0.10，黏粒含量、pH值和耕層厚度障礙度隨退化程度加劇呈增大趨勢，土壤抗剪強度障礙度有所降低，但總體障礙度高于其他土壤參數。從不同部位來看，土壤有機質、全氮、速效鉀和黏粒含量是主要障礙因子，適度深松（30～48 cm）與合理施肥是改善耕層質量的有效措施。

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Diagnosis of obstacle factors and degradation characteristics of cultivated-layer quality for red soil sloping farmland

Jin Huifang1, Shi Dongmei1※, Zhong Yijun2, Huang Shangshu2, Song Ge1, Duan Teng1

(1.400715,; 2.331700,)

The degradation of cultivated-layer quality of sloping farmland shows the agro-ecological process of cultivated-layer profile damaged, soil nutrient depletion and the regulation ability of crops-ecological environment declined or even completed loss on the slope scale by the combining effects of nature and human factors. In order to analyze the characteristics of soil degradation and main factors affecting degradation of cultivated layer for sloping farmland in southern red soil hilly area, taking the cultivated-layer soil (0-20cm) of red soil from a small watershed as research object, we analyzed the degradation characteristics of cultivated-layer quality by cultivated-layer degradation index (CLDI), identified the dominant factors and main driving factors of cultivated-layer degradation by principal component analysis and regression analysis, analyzed the variation characteristics of soil property parameters of different degradation degrees of cultivated-layer quality, and defined the main obstacle factors and obstacle amount of the cultivated-layer quality by the obstacle factor diagnostic model for red soil sloping farmland. The results showed that the distribution area of cultivated-layer quality was mainly in the moderately and mildly degraded level (accounting for 70.4% of the total samples), heavy degraded samples was 11.1%, and the samples of non-degraded cultivated-layer accounting for 18.5% in red soil small watershed. The main nature driving factors leading to cultivated-layer quality degradation were rainfall, slope and soil mother material, meanwhile, agricultural input per unit of sloping farmland, tillage measures, total mechanical power per unit of sloping farmland and amount of fertilizer applied per unit of sloping farmland were the main human-driving factors. In comparison with the no degraded soil, the cultivated-layer soil properties parameters in red soil sloping farmland showed characteristics in different degradation degree. The cultivated-layer thickness was gradually thinned. The pH value first decreased significantly and then tended to be stable, and the cultivated layer of degraded level was 9.8%, and lower than that of non-degraded cultivated layer. The thinning rate of severely degraded cultivated layer was 8.9%, compared with that of non-degradation cultivated layer, which was related to the water erosion and farmer’s improper tillage methods in daily farming. The soil clay content and soil shear strength increased gradually with the deterioration of cultivated layer soil. The main obstacles of the cultivated layer quality of red soil sloping farmland with highly soil clay content, lowly pH value, thinning cultivated layer and lowly soil shear strength, and their average obstacle amount were 0.15, 0.14, 0.13 and 0.10, respectively. However, the average obstacle amount of other soil property parameters was relatively low. The obstacle amount of soil clay content, pH value and cultivated layer thickness significantly increased with the degradation degree intensifying. However, the obstacle amount of soil shear strength decreased gradually, and other soil property parameters did not change significantly, which indicated that moderately sub-soiling about 30-48 cm and reasonable fertilization were effective measures to improve the cultivated layer quality of red soil sloping farmland. Our results could provide a theoretical basis and some parameter support to scientifically understand the degradation characteristics of cultivated layer quality, define the effective measures to improve the cultivated-layer quality and construct rational cultivated-layers for red soil sloping farmland.

soils;degradation; diagnosis; cultivated-layer quality; obstacle factors; red soil sloping farmland

金慧芳，史東梅，鐘義軍，黃尚書，宋 鴿，段 騰. 紅壤坡耕地耕層土壤質量退化特征及障礙因子診斷[J]. 農業(yè)工程學報，2019，35(20)：84－93.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.011 http://www.tcsae.org

Jin Huifang, Shi Dongmei, Zhong Yijun, Huang Shangshu, Song Ge, Duan Teng. Diagnosis of obstacle factors and degradation characteristics of cultivated-layer quality for red soil sloping farmland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(20): 84－93. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.011 http://www.tcsae.org

2018-10-14

2019-05-15

公益性行業(yè)（農業(yè)）科研專項“坡耕地合理耕層評價指標體系建立（201503119-01-01）”

金慧芳，博士生，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究。Email：jinhuifangicola@163.com

史東梅，博士，教授，主要從事水土生態(tài)工程、土壤侵蝕與水土保持研究。Email：shidm_1970@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.011

S157.1

A

1002-6819(2019)-20-0084-10