不同耕作措施對(duì)紅壤坡耕地耕層質(zhì)量的影響*

宋 鴿，史東梅?，朱紅業(yè)，金慧芳，張 慶，婁義寶

（1. 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715；2. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，昆明 650205）

紅壤坡耕地是我國(guó)南方重要的耕地資源[1]。長(zhǎng)期以來(lái)由于耕作措施不合理，降水時(shí)空分布不均勻，該區(qū)坡耕地水土流失嚴(yán)重，導(dǎo)致生產(chǎn)力急劇下降，農(nóng)作物產(chǎn)量低而不穩(wěn)[2-3]，嚴(yán)重制約我國(guó)南方農(nóng)業(yè)發(fā)展。采取合理的耕作措施對(duì)改善土壤結(jié)構(gòu)、提高水分利用率、防治水土流失、改善生態(tài)環(huán)境、提高土地生產(chǎn)力、增加作物產(chǎn)出有重要作用[4-5]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同耕作措施對(duì)土壤理化性質(zhì)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響開(kāi)展了大量研究，由于研究區(qū)域、供試作物、耕作措施、觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)短等不同，研究結(jié)果存在顯著差異，甚至相互矛盾[4-9]。一些研究結(jié)果表明，以少耕、免耕為代表的耕作措施在增加土壤有機(jī)質(zhì)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，提高土壤持水性能、通透性等方面效果顯著[7,10]。楊永輝等[11]認(rèn)為連續(xù) 2年免耕可改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重，改良土壤孔隙狀況，增加土壤肥力，促進(jìn)作物生長(zhǎng)。吳建富等[12]研究認(rèn)為免耕1 年有利于改善土壤物理性狀，土壤養(yǎng)分在表土層富集。免耕、深松等耕作措施可改良土壤結(jié)構(gòu)，減少地表徑流，降低坡耕地水土流失[8-9]。深松能夠打破犁底層，提高土壤含水量，降低土壤容重，增大土壤孔隙度，提高土壤蓄水保墑能力[13]。李榮和侯賢清[3]研究指出，深松處理下大于0.25 mm 機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量較傳統(tǒng)耕作顯著增加。另一些研究表明，短時(shí)間免耕有利于改善土壤物理性狀，隨著免耕年限的延長(zhǎng)土壤物理性質(zhì)變差[12]；并且單一的免耕不會(huì)顯著改善土壤養(yǎng)分狀況[14]。以往的研究多側(cè)重于單一耕作措施或輪作對(duì)土壤理化性狀及作物產(chǎn)量的影響，且研究深度多為犁底層以上的表層土壤，對(duì)于深層土壤的影響，以及不同耕作措施之間的差異性目前尚鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，本文以云南紅壤坡耕地為研究對(duì)象，采用野外調(diào)查及模型分析方法，以常規(guī)耕作為對(duì)照，比較免耕、翻耕20 cm、翻耕20 cm+壓實(shí)、翻耕20 cm+深松30 cm 四種措施耕層土壤質(zhì)量指標(biāo)之間的差異性，以闡明不同耕作措施對(duì)耕層土壤抗侵蝕性能和生產(chǎn)性能的作用機(jī)理，研究結(jié)果可為紅壤坡耕地耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)、完善保護(hù)性耕作技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地位于云南省曲靖市馬龍區(qū)舊縣鎮(zhèn)高堡村（25°20′13.06″N，103°22′32.10″E），屬于低緯高原季風(fēng)型氣候，平均海拔2 000 m，坡度6°～8°，年平均氣溫13.4 ℃，大于等于10 ℃有效積溫2 500 ℃以上，無(wú)霜期241 d，年均降水量1 032 mm。試驗(yàn)地土壤為山原紅壤。試驗(yàn)開(kāi)始前0～40 cm 土層基本理化性質(zhì)如下：土壤容重 1.12 g·cm-3，貫入阻力 6.72 kg·cm-2，抗剪強(qiáng)度 4.1 kg·cm-2，飽和導(dǎo)水率 2.57 mm·min-1，大于0.25 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量63.33 g·kg-1，水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑1.36 mm，水穩(wěn)性團(tuán)聚體幾何平均直徑0.27 mm，耕層厚度20 cm，有機(jī)質(zhì)13.19 g·kg-1，有效磷 21.83 mg·kg-1，pH4.58。

試驗(yàn)始于2015 年，選擇地形條件、基礎(chǔ)肥力一致的紅壤坡耕地作為試驗(yàn)地。以常規(guī)耕作（CK）為對(duì)照，設(shè)置免耕（NT）、翻耕 20 cm（P20）、翻耕20 cm+壓實(shí)（P20C）、翻耕 20 cm+深松 30 cm（P20S30）4 種耕作措施（表1）。各處理設(shè)3 次重復(fù)，共15 個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積60 m2（4 m×15 m）。為利用機(jī)械耕作，采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。云南省云田肥料有限公司玉米配方復(fù)合肥（氮︰磷︰鉀=13︰5︰7）600 kg·hm-2作為基肥施入，玉米拔節(jié)期追肥，施用尿素255 kg·hm-2。供試玉米品種為云瑞88，其他田間管理措施與常規(guī)耕作一致。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experimental design

1.2 樣品采集及測(cè)定

野外調(diào)查于2018 年1 月進(jìn)行，在小區(qū)上部、中部、下部按 0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 分層采樣，于每層中部用環(huán)刀采集土樣，用于土壤飽和導(dǎo)水率和容重測(cè)定，3 次重復(fù)，采集原狀土帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，用于土壤團(tuán)聚體測(cè)定，過(guò)篩后用于土壤理化性質(zhì)測(cè)定。土壤團(tuán)聚體組成測(cè)定采用干、濕篩法；pH 采用土水比1︰1 電極法；有效磷采用雙酸浸提法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定，3 次重復(fù)[15-16]。土壤抗剪強(qiáng)度采用便攜式三頭抗剪儀（14.10 Pocket Vane Tester型，荷蘭）測(cè)定；土壤貫入阻力采用袖珍貫入儀（PT型，江蘇省溧陽(yáng)市天目?jī)x器廠）測(cè)定，6 次重復(fù)。

1.3 坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)構(gòu)建

采用紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集（Minimum data set，MDS）[17]中耕層厚度、土壤容重、土壤貫入阻力、土壤有機(jī)質(zhì)、pH 和有效磷6 個(gè)指標(biāo)為坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)與耕層土壤質(zhì)量的相關(guān)情況，耕層厚度、土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷與耕層質(zhì)量呈正相關(guān)，界定為S 型函數(shù)；土壤貫入阻力與耕層質(zhì)量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，界定為反S 型函數(shù)；土壤容重及pH 與耕層質(zhì)量存在適宜臨界范圍，界定為拋物線型函數(shù)，評(píng)價(jià)指標(biāo)的最小值和最大值作為函數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，拋物線型函數(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)折點(diǎn)參見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)[18]，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)相關(guān)文獻(xiàn)[17]。

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，計(jì)算公式如下：

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)。

根據(jù)坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)與作物產(chǎn)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)劃分為3 個(gè)等級(jí)，0＜SQI≤0.33 屬于低產(chǎn)耕層，0.33＜SQI≤0.66屬于中產(chǎn)耕層，0.66＜SQI≤1 屬于高產(chǎn)耕層[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2016 處理后，采用SPSS 22.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）檢驗(yàn)土壤各指標(biāo)的差異顯著性。

2 結(jié) 果

2.1 不同耕作措施下耕層土壤抗侵蝕性能變化特征

土壤抗剪強(qiáng)度與土壤侵蝕關(guān)系密切，直接反映了土壤在外力作用下發(fā)生剪切變形的難易程度，是表征土壤抗侵蝕性能[19]的重要力學(xué)指標(biāo)。由表2 不同耕作措施土壤抗侵蝕性能特征可見(jiàn)，不同耕作措施和不同垂直深度土壤抗剪強(qiáng)度存在顯著差異。不同耕作措施下土壤抗剪強(qiáng)度由低到高依次為 P20（8.04 kg·cm-2）、P20S30（8.24 kg·cm-2）、P20C（10.48 kg·cm-2）、CK（11.11 kg·cm-2）、NT（12.12 kg·cm-2）；其中最大值（19.41 kg·cm-2）出現(xiàn)在免耕處理30～40 cm 土層，而最小值（4.51 kg·cm-2）出現(xiàn)在翻耕20 cm 處理0～10 cm 土層。這說(shuō)明免耕處理下土體受到外力剪切破壞時(shí)，能保持較高強(qiáng)度，從而提高了坡耕地土體抗侵蝕性能[20]，而翻耕20 cm 處理下土體受到外力剪切破壞時(shí)容易發(fā)生侵蝕，導(dǎo)致耕層土壤流失。不同耕作措施下隨土層深度增加，土壤抗剪強(qiáng)度均呈增大趨勢(shì)，且常規(guī)耕作、免耕、翻耕20 cm、翻耕20 cm+壓實(shí)處理下0～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 土層之間差異顯著（P＜0.05），0～10 cm、10～20 cm 土層之間未表現(xiàn)出顯著差異，而翻耕20 cm+深松 30 cm 處理下，0～10 cm、10～20 cm 、20～30 cm 土層之間差異均不顯著，其原因可能是深松處理加深了耕層。

不同耕作措施下紅壤坡耕地土壤飽和導(dǎo)水率差異顯著。由表 2 可知，不同耕作措施下土壤飽和導(dǎo)水率由小到大依次為P20C（0.18 mm·min-1）、NT（0.69 mm·min-1）、CK（0.73 mm·min-1）、P20（1.06 mm·min-1）、P20S30（1.19 mm·min-1），其中在 0～20 cm 耕層，免耕處理飽和導(dǎo)水率最大（1.27 mm·min-1），而在 20～40 cm 土層中翻耕20 cm+深松 30 cm 最大（1.35 mm·min-1），且與其他措施相比差異顯著（P＜0.05），這表明翻耕20 cm+深松30 cm 處理下坡耕地土壤蓄水性能較其他措施更為適宜，免耕處理有助于提高耕層（0～20 cm）土壤蓄水性能。常規(guī)耕作、翻耕20 cm、翻耕20 cm+深松30 cm 處理下在0～30 cm 土層中飽和導(dǎo)水率隨土層深度增加呈增大趨勢(shì)，在30～40 cm 土層顯著降低，免耕、翻耕20 cm+壓實(shí)處理下與0～10 cm土層相比，10～20 cm 土層飽和導(dǎo)水率顯著增大（P＜0.05），20～40 cm 土層顯著降低。

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一，對(duì)于提高作物產(chǎn)量，防止土壤退化具有重要作用[21]。由表2 可知，不同耕作措施下大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量由低到高依次為 P20S30（59.41 g·kg-1）、CK（65.32 g·kg-1）、P20C（67.17 g·kg-1）、NT（69.12 g·kg-1）、P20（69.64 g·kg-1），其中最小值（55.64 g·kg-1）出現(xiàn)在翻耕 20 cm+深松 30 cm 處理10～20 cm 土層，最大值（77.07 g·kg-1）出現(xiàn)在翻耕20 cm 處理30～40 cm 土層，這表明翻耕20 cm顯著增加了土體大于0.25 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。隨著土層深度增加，不同耕作措施大于0.25 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量整體呈逐漸增大趨勢(shì)。

土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）是反映土壤團(tuán)聚體大小分布狀況和評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[22]，由表2 可知，不同耕作措施下，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD 和GMD 均表現(xiàn)為隨土層深度增加呈不同程度上升趨勢(shì)。在 0～40 cm 土層中，免耕、翻耕20 cm、翻耕20 cm+壓實(shí)、翻耕20 cm+深松 30 cm 處理下 MWD 依次較常規(guī)耕作平均增加2.40%、81.51%、2.99%和 28.13%，其中翻耕 20 cm差異顯著（P＜0.05）；與常規(guī)耕作相比，免耕、翻耕20 cm、翻耕20 cm+壓實(shí)、翻耕20 cm+深松30 cm 處理下GMD 隨土層深度增加上升幅度依次為18.07%～36.58%、14.66%～114.6%、9.64%～18.29%和7.32%～28.92%，在0～40 cm 土層中不同耕作措施下GMD 依次平均上升 7.55%、59.90%、2.86%和 2.60%，翻耕20 cm 差異顯著（P＜0.05）。說(shuō)明翻耕20 cm 處理顯著提高了0～40 cm 土層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

表2 不同耕作措施耕層土壤抗侵蝕性能特征Table 2 Soil erosion resistance of the cultivated layer relative to treatment

不同耕作措施下土壤可蝕性K值變化特征如圖1 所示，與常規(guī)耕作相比，免耕、翻耕20 cm、翻耕20 cm+壓實(shí)、翻耕20 cm+深松30 cm 處理下土壤可蝕性K值分別降低 0.058%、0.038%、0.046%、0.018%。其中，免耕處理下土壤可蝕性K值最小，常規(guī)耕作下土壤可蝕性K值最大。

2.2 不同耕作措施下耕層土壤生產(chǎn)性能變化特征

耕層是指經(jīng)耕種熟化的表土層，易受生產(chǎn)活動(dòng)及氣候條件影響，其厚度是決定水肥氣熱容量大小的關(guān)鍵因子。由圖2 可知，不同耕作措施下耕層厚度由小到大依次為NT（15 cm）、CK（19 cm）、P20C（20 cm）、P20（21 cm）、P20S30（30 cm），與常規(guī)耕作相比，翻耕20 cm、翻耕20 cm+壓實(shí)、翻耕20 cm+深松 30 cm 處理下的耕層厚度依次增加 21.05%、10.53%和57.89%，其中翻耕20 cm+深松30 cm 耕層增厚效果顯著。

圖1 不同耕作措施下土壤可蝕性K 值變化特征Fig. 1 Changes in soil erodibility K of the slope farmland relative to treatment

土壤容重直接影響土壤通氣性、透水性及作物根系生長(zhǎng)，土壤容重過(guò)小易跑風(fēng)漏墑，不利于作物生長(zhǎng)，反之，通氣透水性差，容易產(chǎn)生地表徑流[23]。由圖2 可知，不同耕作措施下耕層土壤容重由小到大依次為 P20（1.25 g·cm-3）、P20S30（1.26 g·cm-3）、CK（ 1.32 g·cm-3）、 P20C （ 1.36 g·cm-3）、 NT（1.42 g·cm-3）。與常規(guī)耕作相比，免耕、翻耕 20 cm+壓實(shí)處理下 0～20 cm 耕層土壤容重分別增加4.44%和0.67%，20～40 cm 心土層分別增加10.83%和5.00%；翻耕20 cm、翻耕20 cm+深松30 cm 處理下 0～20 cm 耕層土壤容重分別降低 3.76%和2.55%，20～40 cm 心土層分別降低6.19%和5.83%。這表明，翻耕和深松處理有助于降低土壤容重，土壤較疏松，而免耕不進(jìn)行耕作處理，土壤容重偏大，土壤較緊實(shí)，易導(dǎo)致土壤板結(jié)。不同耕作措施下隨著土層深度的增加土壤容重均呈逐漸增大趨勢(shì)，其中0～20 cm 耕層與20～40 cm 心土層之間差異顯著（P＜0.05）。

圖2 不同耕作措施下坡耕地耕層厚度和土壤容重變化特征Fig. 2 Changes in cultivated-layer thickness and soil bulk density of the cultivated layer of the slope farmland relative to treatment

土壤貫入阻力是反映土壤耕性特征的重要物理參數(shù)之一，能夠反映土壤的松緊狀況。由圖3 可知，不同耕作措施下土壤貫入阻力由小到大依次為P20S30（10.52 kg·cm-2）、P20（15.24 kg·cm-2）、NT（ 15.55 kg·cm-2）、 CK （ 15.80 kg·cm-2）、 P20C（18.19 kg·cm-2）。與常規(guī)耕作相比，免耕處理下10～20 cm、20～30 cm 土層土壤貫入阻力分別降低6.04%、17.14%，而 0～10 cm 和 30～40 cm 土層分別增加10.14%、12.05%；翻耕20 cm 和翻耕20 cm+深松30 cm 處理下0～40 cm 土層土壤貫入阻力分別降低3.52%和33.40%，其中，翻耕20 cm+深松30 cm下降趨勢(shì)顯著（P＜0.05），這表明翻耕20 cm+深松30 cm 處理能夠改良土壤耕性，而翻耕20 cm+壓實(shí)處理下 0～40 cm 土層土壤貫入阻力顯著高于其他措施，不利于作物根系生長(zhǎng)。不同耕作措施下隨土層深度的增加，土壤貫入阻力均呈增大趨勢(shì)，變化差異顯著。

不同耕作措施對(duì)有機(jī)質(zhì)在不同土層深度的分布狀況影響顯著，隨土層深度的增加，有機(jī)質(zhì)呈不同幅度下降（圖3）。翻耕20 cm+壓實(shí)處理下，0～20 cm耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于20～40 cm 心土層，其原因可能是耕層土壤經(jīng)翻耕、壓實(shí)處理后，面施肥料及植物殘?bào)w進(jìn)入心土層數(shù)量較少；翻耕20 cm+深松30 cm 處理下，不同土層間有機(jī)質(zhì)分布較均勻，隨土層深度的增加有機(jī)質(zhì)含量降低幅度較小，20～40 cm 心土層有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他措施，其原因可能是深松后隨耕作進(jìn)入心土層的有機(jī)物含量增加。不同耕作措施下有機(jī)質(zhì)由低到高總體表現(xiàn)為CK（8.22 g·kg-1）、NT（9.14 g·kg-1）、P20C（11.65 g·kg-1）、P20S30（13.10 g·kg-1）、P20（13.29 g·kg-1）。

圖3 不同耕作措施下坡耕地土壤貫入阻力和有機(jī)質(zhì)變化特征Fig. 3 Changes in soil penetration resistance and organic matter in the slope farmland relative to treatment

不同耕作措施下土壤有效磷含量存在顯著差異（圖4），由低到高總體表現(xiàn)為NT（14.25 mg·kg-1）、CK（23.91 mg·kg-1）、P20（42.13 mg·kg-1）、P20C（43.18 mg·kg-1）、P20S30（68.28 mg·kg-1）。與常規(guī)耕作相比，免耕提高了0～10 cm 土層有效磷含量，10～40 cm 土層降幅為21.62%～84.96%，其原因可能是免耕促進(jìn)了有效磷在土壤表層的聚集；翻耕20 cm 顯著增加0～30 cm 土層有效磷含量，增幅為125.6%～175.7%；翻耕20 cm+壓實(shí)處理下0～20 cm耕層增加137.8%～169.3%；翻耕20 cm+深松30 cm處理下0～40 cm 土層有效磷含量均顯著增大，且分布較為均勻?？梢?jiàn)，不同耕作措施提高土壤有效磷含量的作用主要體現(xiàn)在耕層，其中翻耕20 cm 和翻耕20 cm+深松30 cm 明顯優(yōu)于免耕。

土壤 pH 是反映土壤理化性質(zhì)的重要指標(biāo)，對(duì)土壤供肥能力具有重要的調(diào)控作用。由圖4 可知，不同耕作措施下耕層土壤均呈酸性，其原因可能是由于施加氮肥、磷肥等肥料引起的土壤酸化。與常規(guī)耕作相比，免耕顯著提高10～40 cm 土層pH，翻耕20 cm、翻耕20 cm+壓實(shí)處理下0～10 cm 土層pH 分別增加15.91%和6.82%。翻耕20 cm、翻耕 20 cm+深松 30 cm 處理下 0～40 cm 土層 pH 分別增加12.78%、2.22%。不同耕作措施下土壤pH 均隨土層深度增加呈逐漸增大趨勢(shì)。

圖4 不同耕作措施下坡耕地土壤有效磷和pH 變化特征Fig. 4 Changes in soil available phosphorus and pH in the slope farmland relative to treatment

不同耕作措施下玉米產(chǎn)量存在較大差異，由圖 5 可知，翻耕20 cm+深松30 cm 處理下玉米產(chǎn)量（13.86 t·hm-2）最高，免耕處理下玉米產(chǎn)量（10.03 t·hm-2）最低。與常規(guī)耕作相比，翻耕20 cm、翻耕20 cm+壓實(shí)、翻耕20 cm+深松30 cm 處理下玉米產(chǎn)量分別增加19.19%、7.65%和32.20%。

圖5 不同耕作措施下玉米產(chǎn)量變化特征Fig. 5 Changes in maize yield in the slope farmland relative to treatment

2.3 不同耕作措施下耕層質(zhì)量差異性特征

不同耕作措施下0～20 cm 耕層土壤質(zhì)量指數(shù)存在較大差異（圖6）。不同耕作措施下耕層土壤質(zhì)量指數(shù)在0.35～0.58 之間，變異系數(shù)為21.33%。不同耕作措施耕層土壤質(zhì)量指數(shù)由小到大依次為 NT（0.35）、CK（0.40）、P20C（0.51）、P20（0.57）、P20S30（0.58），均屬于中產(chǎn)耕層（0.33≤SQI≤0.66）[17]。翻耕20 cm、翻耕20 cm+壓實(shí)、翻耕20 cm+深松30 cm 處理下耕層土壤質(zhì)量指數(shù)分別較常規(guī)耕作增加41.52%、27.82%和45.55%。翻耕20 cm、翻耕20 cm+深松30 cm 處理下耕層土壤質(zhì)量指數(shù)均顯著高于其他措施，而免耕處理下耕層質(zhì)量指數(shù)相對(duì)較低，說(shuō)明翻耕、深松處理有利于提升坡耕地耕層土壤質(zhì)量水平。翻耕20 cm+深松30 cm 處理下，耕層厚度、有機(jī)質(zhì)、有效磷分別較常規(guī)耕作增加57.89%、19.33%、138.6%，土壤容重、貫入阻力分別較常規(guī)耕作降低2.42%、27.92%。

基于紅壤坡耕地耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)的最小數(shù)據(jù)集（MDS）及初步界定的紅壤坡耕地合理耕層適宜性閾值[17]，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析不同耕作措施下耕層主要障礙因素。由表3 可知，免耕處理下各指標(biāo)均不在適宜性閾值范圍內(nèi)，其中耕層厚度、有機(jī)質(zhì)、pH、有效磷分別較適宜性閾值低26.43%、29.33%、8.73%和17.45%，容重、貫入阻力較適宜性閾值高7.44%和64.21%，說(shuō)明免耕導(dǎo)致耕層土壤容重、貫入阻力變大，耕層明顯變淺，其原因主要是由于免耕土壤缺乏擾動(dòng)，土壤顆粒之間排列更加緊密，應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行翻耕。翻耕20 cm、翻耕20 cm+深松30 cm 對(duì)各指標(biāo)的調(diào)控效果較好，耕層厚度、容重及有效磷均在適宜性閾值范圍內(nèi)，有效磷分別較適宜性閾值高149%和162%，其中，翻耕20 cm+深松30 cm 處理加深耕層效果顯著，較適宜性閾值高47%，翻耕20 cm處理下有機(jī)質(zhì)含量最高，較適宜性閾值高24%。不同耕作措施下，土壤貫入阻力均高于適宜性閾值，但翻耕20 cm 和翻耕20 cm+深松30 cm 較其他措施更接近適宜性閾值，說(shuō)明翻耕和深松有利于改良土壤耕性。不同耕作措施下耕層土壤 pH 均偏低，可以合理施用生石灰等調(diào)控土壤pH，減少酸性肥料的施用，避免過(guò)量施肥。

圖6 不同耕作措施下坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)變化Fig. 6 Change in soil quality index of cultivated-layer of the slope farmland relative to treatment

3 討 論

3.1 紅壤坡耕地耕層質(zhì)量診斷標(biāo)準(zhǔn)

坡耕地土體可分為耕作層（0～20 cm）、心土層（20～40 cm）、底土層（40～60 cm），耕作層又可分為表土層（0～15 cm）和犁底層（15～20 cm）。坡耕地合理耕層是指在一定耕作制度下，可持續(xù)維持農(nóng)作物正常生長(zhǎng)且能實(shí)現(xiàn)侵蝕控制雙重目標(biāo)的坡耕地耕層土壤質(zhì)量基準(zhǔn)，采用在地塊尺度上可綜合反映土壤生產(chǎn)力過(guò)程和土壤侵蝕控制的土壤屬性（或多）指標(biāo)表征，對(duì)坡耕地合理耕層進(jìn)行科學(xué)界定和客觀評(píng)價(jià)是防治坡耕地耕層侵蝕退化、保證坡耕地土地生產(chǎn)力持續(xù)穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)[24]。研究表明，土壤入滲速率和土壤抗剪強(qiáng)度可用來(lái)確定潛在水土流失等級(jí)，且二者與水土流失呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，入滲速率和抗剪強(qiáng)度越小，水土流失越嚴(yán)重[25]，說(shuō)明土壤入滲速率和抗剪強(qiáng)度越大，耕層土壤質(zhì)量越好。根據(jù)土壤侵蝕等級(jí)判定方法及紅壤坡耕地耕層土壤調(diào)查相關(guān)研究成果[17，25]，對(duì)云南紅壤坡耕地耕層厚度、土壤容重、土壤貫入阻力、飽和導(dǎo)水率、土壤抗剪強(qiáng)度、有機(jī)質(zhì)等診斷指標(biāo)進(jìn)行等級(jí)劃分（表4）。

坡耕地耕層質(zhì)量診斷指標(biāo)共分為5 個(gè)等級(jí)，Ⅰ級(jí)對(duì)應(yīng)坡耕地耕層質(zhì)量最高，Ⅴ級(jí)對(duì)應(yīng)坡耕地耕層質(zhì)量最低，Ⅰ、Ⅱ級(jí)耕層質(zhì)量診斷指標(biāo)所對(duì)應(yīng)坡耕地耕層質(zhì)量處于合理水平。由表5 可知，不同耕作措施下翻耕20 cm、翻耕20 cm+深松30 cm 處理下對(duì)耕層質(zhì)量診斷指標(biāo)調(diào)控效果較好，翻耕20 cm+壓實(shí)處理次之，免耕處理下耕層土壤薄化、有機(jī)質(zhì)缺乏現(xiàn)象嚴(yán)重，耕層抗侵蝕性能較差且養(yǎng)分含量偏低，以上分析與本文依據(jù)適宜性閾值分析所得結(jié)果具有較好的一致性?？傮w而言，適度翻耕土壤并進(jìn)行深松處理有助于改良土壤理化性狀，提高耕層土壤抗侵蝕性能和生產(chǎn)性能，有利于紅壤坡耕地水土保持和土壤生產(chǎn)力的提高。

表4 紅壤坡耕地耕層質(zhì)量診斷標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)劃分Table 4 Grading of the cultivated-layers in quality by diagnostic criteria of the red soil slope farmland

表5 不同耕作措施下耕層質(zhì)量指標(biāo)等級(jí)Table 5 Grading of the cultivated-layers by quality index relative to treatment

3.2 免耕和深松對(duì)紅壤坡耕地耕層質(zhì)量參數(shù)的調(diào)控

研究表明，免耕能夠改良土壤結(jié)構(gòu)和土壤通氣、排水狀況[26]。隨著免耕年限增加，土壤容重呈逐漸減小趨勢(shì)，免耕處理1～4 a，土壤容重呈大幅度下降趨勢(shì)，降幅為 5.34%，土壤飽和導(dǎo)水率處于較高水平，4～8 a 土壤容重、飽和p 導(dǎo)水率逐漸趨于穩(wěn)定，且土壤容重較小，適宜作物生長(zhǎng)；免耕處理第4 年土壤飽和導(dǎo)水率最大（0.382 mm·h-1），容重最低（1.24 g·cm-3）[27]。而本試驗(yàn)結(jié)果表明，與常規(guī)耕作相比，免耕處理提高了土體抗剪強(qiáng)度、耕層（0～20 cm）飽和導(dǎo)水率（表2）及土壤容重（圖2），其原因可能是，免耕處理下土體受擾動(dòng)次數(shù)較少，在降雨等自然因素及機(jī)械碾壓等外力作用下，耕層土壤逐漸趨于緊實(shí)、透氣性降低，孔隙度減小，進(jìn)而導(dǎo)致土壤容重變大[28]。免耕處理下，土壤容重變化情況存在顯著差異，這主要是由于土壤容重大小與成土母質(zhì)、有機(jī)質(zhì)含量、土壤管理措施等多種因素密切相關(guān)，可結(jié)合當(dāng)?shù)赝寥蕾|(zhì)地、田間管理措施及種植作物類型等進(jìn)行進(jìn)一步研究。

深松是一種適于旱地作業(yè)的保護(hù)性耕作方法，深松深度通常為 30～40 cm，能夠打破長(zhǎng)期翻耕造成的犁底層而不擾亂土壤層次分布，達(dá)到調(diào)節(jié)土壤三相比、改善耕層土壤結(jié)構(gòu)的目的[29]。研究表明，深松降低了深層土壤容重，土壤疏松多孔，有利于蓄水保墑，為作物根系生長(zhǎng)創(chuàng)造良好環(huán)境[30]。隨著深松年限的增加，0～20 cm 土層土壤容重整體呈下降趨勢(shì)，深松10 a 較深松1 a 下降6.34%，有機(jī)質(zhì)含量隨著深松年限的增加呈增大趨勢(shì)，這主要是由于秸稈覆蓋使得有機(jī)質(zhì)集中于土壤表層[31]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，翻耕20 cm+深松30 cm 處理下0～40 cm土層有機(jī)質(zhì)分布較為均勻，翻耕處理可將表層富含有機(jī)質(zhì)的土壤和作物殘茬翻至下層，深松可打破犁底層，增加下層土壤有機(jī)質(zhì)含量，使得耕層（0～40 cm）有機(jī)質(zhì)呈均勻分布的趨勢(shì)（圖 3）。這與謝迎新等[32]的研究結(jié)果一致，深松處理有助于有機(jī)質(zhì)向耕層土壤剖面下層分布，可明顯增加下層土壤有機(jī)質(zhì)含量，其原因可能是深松打破了犁底層，降低了土壤容重，同時(shí)也為耕層土壤微生物營(yíng)造了良好的生長(zhǎng)環(huán)境，從而促進(jìn)了耕層（0～20 cm）有機(jī)質(zhì)的積累。

4 結(jié) 論

不同耕作措施對(duì)云南紅壤坡耕地耕層土壤抗侵蝕性能、生產(chǎn)性能影響顯著。免耕處理下土壤容重顯著增大，土壤養(yǎng)分在表層富集。翻耕 20 cm+深松30 cm 處理下耕層增厚效果顯著，土壤蓄水性能較其他耕作措施更為適宜，土壤可蝕性K 值降低0.018%；不同耕作措施下云南紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量存在較大差異，翻耕20 cm+深松30 cm 處理下耕層土壤質(zhì)量指數(shù)最大（0.58），與常規(guī)耕作相比，耕層厚度、有機(jī)質(zhì)、有效磷分別增加57.89%、19.33%、138.6%，土壤容重、土壤貫入阻力分別降低2.42%、27.92%，玉米增產(chǎn)32.20%。綜上所述，翻耕20 cm+深松30 cm 對(duì)于提高坡耕地土壤抗侵蝕性能、生產(chǎn)性能具有重要作用，適合在紅壤坡耕地推廣。