西南紫色土坡耕地農(nóng)作物-耕層質(zhì)量適宜性的耦合度診斷

婁義寶，史東梅，金慧芳，蔣光毅，段騰，江娜

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西南紫色土坡耕地農(nóng)作物-耕層質(zhì)量適宜性的耦合度診斷

婁義寶1，史東梅1，金慧芳1，蔣光毅2，段騰1，江娜1

（1西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400715；2重慶市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，重慶 401147）

【目的】紫色土坡耕地是西南區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要的耕地資源，其耕層質(zhì)量集中表現(xiàn)為侵蝕性退化嚴重且農(nóng)作物產(chǎn)量低而不穩(wěn)，在地塊尺度上農(nóng)作物產(chǎn)量變化較土壤質(zhì)量退化具有較明顯的滯后效應。論文在紫色土不同地力等級坡耕地耕層土壤質(zhì)量分析基礎上，定量分析紫色土坡耕地耕層質(zhì)量對農(nóng)作物的適宜性程度?！痉椒ā吭诓煌亓Φ燃壐麑淤|(zhì)量統(tǒng)計分析及聚類分析基礎上，對農(nóng)作物-耕層適宜性的耦合度程度進行診斷分析。【結(jié)果】（1）紫色土坡耕地不同地力等級的耕層厚度為19—21 cm，有效土層厚度在21—43 cm變化，耕層厚度比較穩(wěn)定但有效土層淺薄現(xiàn)象嚴重，五級坡耕地不存在心土層；五級坡耕地產(chǎn)量限制因素為田面坡度、有效土層厚度、耕層厚度。（2）紫色土坡耕地3種耕層類型特征明顯，其中Ⅰ類耕層土壤顯弱酸性（pH 6.4），陽離子交換量（21.0cmol(+)·L-1）最大；Ⅱ類耕層田面坡度最小（11°），有效土層厚度（38 cm）和耕層厚度（22 cm）最厚，土壤速效鉀含量（136.5 mg·kg-1）最多；Ⅲ類耕層有效土層厚度（28 cm）最薄，土壤顯酸性（pH 4.8），陽離子交換量（9.2cmol(+)·L-1）最??；田面坡度，有效土層厚度，土壤酸化，陽離子交換量是影響坡耕地作物產(chǎn)量主導因子。（3）紫色土坡耕地不同地力等級的農(nóng)作物與耕層適宜性存在協(xié)調(diào)發(fā)展類和失調(diào)衰退類兩種狀態(tài)和同步型、滯后型、損益型、共損型4種表現(xiàn)，在同樣地力條件下，農(nóng)作物產(chǎn)量較耕層質(zhì)量更為敏感，衰退表現(xiàn)更加明顯；農(nóng)作物-耕層耦合關系（C）為Ⅰ類耕層（0.4820）和Ⅱ類（0.5207）屬于基本協(xié)調(diào)發(fā)展類農(nóng)作物耕層同步型，農(nóng)作物生長勉強適宜；Ⅲ類（0.3343）瀕臨失調(diào)衰退類耕層損益型，農(nóng)作物生長中度不適宜?！窘Y(jié)論】紫色土坡耕地耕層厚度比較穩(wěn)定但有效土層淺薄化現(xiàn)象嚴重，不同地力等級的農(nóng)作物與耕層適宜性存在協(xié)調(diào)發(fā)展類和失調(diào)衰退類兩種狀態(tài)和同步型、滯后型、損益型、共損型4種表現(xiàn)，紫色土坡耕地改良應減小田面坡度，增加有效土層厚度，調(diào)節(jié)土壤酸堿度。研究結(jié)果可為地塊尺度上紫色土坡耕地合理耕層調(diào)控及構(gòu)建提供技術參數(shù)。

坡耕地；耕層質(zhì)量；耦合度；合理耕層；適宜性；紫色土丘陵區(qū)；西南地區(qū)

0 引言

【研究意義】紫色土坡耕地主要分布于我國重慶市和四川省，是當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)主體區(qū)域和長江流域重要侵蝕地帶[1]。紫色土坡耕地侵蝕性退化嚴重且農(nóng)作物產(chǎn)量低而不穩(wěn)，農(nóng)作物產(chǎn)量下降較土壤質(zhì)量退化具有明顯延后現(xiàn)象[2]。耕地的耕層指人類為了栽培作物，利用工具對土壤進行深度擾動的土層，通過耕作建立能協(xié)調(diào)水、肥、氣和熱，滿足作物生長發(fā)育需要的土層[3]。對紫色土坡耕地農(nóng)作物-耕層質(zhì)量耦合的適宜性研究，可為地塊尺度上紫色土坡耕地合理耕層調(diào)控及構(gòu)建技術提供理論支持。【前人研究進展】耕地地力是在多種自然因素、人為因素共同作用下形成的[4]。國內(nèi)外分別從土壤、農(nóng)作物角度對耕地適宜性進行了分析評價，如：PIERCE等[5]以土壤質(zhì)量評價為基礎，以土壤自然屬性和社會屬性為依據(jù)建立的土壤生產(chǎn)力指數(shù)模型，分析了土壤持水量、土壤容重與土壤pH等對作物生長的適應性。在FAO土地適宜性評價中以確定土地利用目的評價前提下，確定了“土地-作物”系統(tǒng)為整體性的觀點[6]，以植物-土壤之間相互作用關系作為研究對象已廣泛研究[7-8]。土壤的特性能影響植被的變化，同時也因植被變化而受影響，植被與土壤處于不斷相互促進影響的過程[9]。焦菊英等[10]采用植物群落的排序方法，探討了黃土高原退耕地植物群落的組成特征，解釋退耕地植物群落的變化與土壤環(huán)境之間的關系。王芳等[11]通過建立邊際土地開發(fā)非線性生態(tài)位適宜度評價模型，利用高斯函數(shù)的生態(tài)適宜度模型對邊際土地能源作物的適宜性進行有效的評價。徐明等[12]通過建立植被因子和土壤因子2級層次指標體系，采用層次分析法確定各因子權(quán)重，構(gòu)建溝谷地植被-土壤系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度模型。彭晚霞等[13]、張艷等[14]都通過構(gòu)建植被因子和土壤因子2級層次指標體系，構(gòu)建植被與土壤耦合協(xié)調(diào)度模型評價了植被恢復過程中植被-土壤耦合協(xié)調(diào)程度。【本研究切入點】坡耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是在耕作過程和侵蝕過程雙重驅(qū)動作用下的農(nóng)作物周期性生長過程，根據(jù)調(diào)控程度的差異性，坡耕地農(nóng)作物產(chǎn)量影響因素依次為降雨、光熱、農(nóng)作物種類、土壤性質(zhì)、耕作方式等；耕地地力評價和其他服務于種植業(yè)的土地生產(chǎn)力評價均應強調(diào)土地-作物-管理的系統(tǒng)性，首先以作物的需求為土地條件適宜性的判斷標準[15]。坡耕地耕層質(zhì)量評價宜從農(nóng)作物生產(chǎn)過程對土壤質(zhì)量需求和地塊尺度上土壤性質(zhì)和微地形對農(nóng)作物適宜程度進行綜合分析，目前耦合協(xié)調(diào)度模型多應用于生態(tài)修復過程中植被-土壤相互適應作用的評價，而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，尤其是坡耕地對農(nóng)作物適宜性診斷中應用很少。耦合協(xié)調(diào)度模型的引入，不僅可以包括耕地地力指標，而且可結(jié)合農(nóng)作物產(chǎn)量的分析，實現(xiàn)對坡耕地耕層質(zhì)量的科學評價?！緮M解決的關鍵問題】本文在紫色土不同地力等級坡耕地耕層土壤質(zhì)量分析基礎上，采用農(nóng)作物-耕層耦合協(xié)調(diào)度模型，定量分析了紫色土坡耕地耕層質(zhì)量對農(nóng)作物適宜性程度，可為坡耕地耕層土壤質(zhì)量改善、合理耕層診斷和調(diào)控，有效提高坡耕地生產(chǎn)力提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 坡耕地耕層樣本

重慶市坡耕地面積118.9萬hm2，占全市耕地面積47.14%，15—25°坡耕地為78.5萬hm2，25°以上坡耕地為40.4萬hm2，紫色土是重慶市農(nóng)耕地（尤其是坡耕地）面積分布最廣的土壤類型。紫色土丘陵區(qū)坡耕地墾殖指數(shù)49.04%、復種指數(shù)為180%，土壤侵蝕模數(shù)在3 798—9 831 t·km-2·a-1之間[16]，侵蝕土壤退化嚴重。重慶市屬亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均降水量較豐富，多年平均降水量1 200 mm且多集中在5—9月，占全年總降水量的70%左右，多年平均氣溫15—18℃，年日照時數(shù)1 000—1 400 h。根據(jù)重慶市紫色土丘陵區(qū)坡耕地的分布情況，兼顧同一區(qū)域內(nèi)坡耕地地力等級選取了30個坡耕地耕層剖面樣本[16]，收集坡耕地耕作環(huán)境、土壤質(zhì)量、作物產(chǎn)量及相應地力水平如表1所示。

表1 紫色土坡耕地耕層土壤性質(zhì)及生產(chǎn)條件

地力等級劃分采用重慶市耕地地力等級 The land fertility grade of Chongqing Municipality shall be used for the classification of land strength

坡耕地耕層質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于《重慶市耕地地力調(diào)查》萬州區(qū)、云陽縣、北碚區(qū)、綦江區(qū)、江津區(qū)、彭水縣的1—5級典型坡耕地耕層土壤性質(zhì)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件。數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 16.0的統(tǒng)計分析和聚類分析模塊進行定量化分析，采用AHP分析軟件（yaahp Version 0.6.0）確定評價指標權(quán)重。

1.2 農(nóng)作物-耕層評價指標及權(quán)重

將紫色土丘陵區(qū)坡耕地農(nóng)作物-耕層系統(tǒng)劃分為農(nóng)作物子系統(tǒng)和耕層子系統(tǒng)。根據(jù)紫色土丘陵區(qū)農(nóng)作物生長狀況和其對耕層條件的要求以及紫色土坡耕地合理耕層評價最小數(shù)據(jù)集[17]，選取能夠反映坡耕地農(nóng)作物耕層協(xié)調(diào)耦合度的評價指標。農(nóng)作物子系統(tǒng)選擇農(nóng)作物產(chǎn)量作為評價指標，耕層子系統(tǒng)選取了3個物理特性指標和6個化學特征指標，各個指標權(quán)重根據(jù)土壤專家、耕作專家、農(nóng)戶打分，然后利用AHP分析軟件進行確定，詳見表2。

表2 農(nóng)作物-耕層耦合協(xié)調(diào)度評價指標體系及指標權(quán)重

依據(jù)上述指標體系分別計算農(nóng)作物和耕層綜合評價函數(shù)[13-14,18-20]，具體公式如下：

式中，為農(nóng)作物評價指數(shù)，為耕層綜合評價指數(shù)。其值越高，表明農(nóng)作物生長狀況或耕層質(zhì)量越好；反之，則越差。p，x為農(nóng)作物評價函數(shù)第個指標對應的權(quán)重和標準化數(shù)值；q，y為耕層綜合評價函數(shù)第個指標對應的權(quán)重和標準化數(shù)值。

x為農(nóng)作物、耕層子系統(tǒng)的功效函數(shù)，它反映各評價指標漲落變化對子系統(tǒng)發(fā)展的貢獻程度[13-14,18-20]。

式中x為變量X對子系統(tǒng)的功效貢獻率，其反映了各個指標達到目標的滿意程度，范圍為0—1，0為最不滿意，1為最滿意。

1.3 農(nóng)作物-耕層耦合協(xié)調(diào)度模型

由于耦合度只能說明系統(tǒng)中2個子系統(tǒng)相互作用的強弱，不能反映2個子系統(tǒng)相互作用過程中良性耦合程度大小，因此本文引入?yún)f(xié)調(diào)度構(gòu)建坡耕地農(nóng)作物-耕層耦合協(xié)調(diào)度函數(shù)（C）[13-14,18-20]。

式中，C為農(nóng)作物-耕層系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度，其值分布在0—1之間，越大表明農(nóng)作物與耕層協(xié)同越好，農(nóng)作物與耕層系統(tǒng)之間的耦合關系越協(xié)調(diào)；為農(nóng)作物-耕層系統(tǒng)綜合調(diào)和指數(shù)，反映坡耕地農(nóng)作物-耕層系統(tǒng)協(xié)同效應。為農(nóng)作物-耕層系統(tǒng)耦合度，其值范圍在0—1之間，趨近1時，農(nóng)作物與耕層之間表現(xiàn)為良性耦合狀態(tài)；當值趨0時，農(nóng)作物與耕層則呈現(xiàn)無關狀態(tài)。、分別為、綜合評價函數(shù)的待定系數(shù)，由于在坡耕地農(nóng)作物-耕層系統(tǒng)中，農(nóng)作物和土壤對耕層質(zhì)量恢復改善作用同樣重要，所以將反映農(nóng)作物、耕層子系統(tǒng)貢獻度的待定系數(shù)[13-14,18-20]定為：=0.5，=0.5。參考已有的相關研究[12-14,18-20]，根據(jù)C大小將紫色土坡耕地農(nóng)作物特征與耕層特性耦合協(xié)調(diào)度（C）劃分為5個等級，具體評判標準如表3所示。

表3 農(nóng)作物-耕層耦合協(xié)調(diào)度分類及診斷標準

2 結(jié)果

2.1 不同地力等級坡耕地耕層質(zhì)量變化特征

在地塊尺度上，坡耕地耕層質(zhì)量主要采用耕層土壤屬性指標和立地條件表征。坡耕地耕層質(zhì)量關乎坡耕地生產(chǎn)能力的大小，各個表征耕層土壤質(zhì)量指標都具有正、負功效，本文認為除田面坡度表現(xiàn)為負功效，其余均表現(xiàn)為正功效。由表4可以看出，同一土層不同地力水平的坡耕地耕層土壤質(zhì)量存在差異，田面坡度與地力等級降低、作物產(chǎn)量呈負相關關系，農(nóng)作物產(chǎn)量由一級地力下降為五級地力，作物減產(chǎn)率可達45.15%；隨著田面坡度的增大地力等級降低、作物產(chǎn)量減少。同一地力不同土層間各項指標間差異顯著，除pH外其余指標表現(xiàn)為耕作層大于心土層和底土層。不同地力等級坡耕地間有效土層厚度差異性較大，在21—43 cm范圍變化，耕層厚度差異性較小，在19—21 cm之間變化，這說明紫色土坡耕地耕層厚度比較穩(wěn)定而有效土層淺薄現(xiàn)象嚴重。一、二級地力水平坡耕地較其他等級坡耕地田面坡度較緩、有效土層厚度較厚，耕層陽離子交換量較大，分別在5.2—6.8°、38—43 cm、21.6—24.2 cmol(+)·L-1范圍變化。二級坡耕地的有效土層厚度和耕層厚度均比一級坡耕地厚，pH、速效鉀比一級坡耕地分別增加6.56%、43.23%，而土壤有機質(zhì)、陽離子交換量、土壤全氮、有效磷比一級坡耕地分別減少18.92%、10.73%、7.92%、17.2%，由此可知二級坡耕地養(yǎng)分元素較低是其產(chǎn)量低于一級坡耕地的主要原因。

三、四級坡耕地耕層土壤屬性指標均表現(xiàn)為差于一、二級坡耕地，其中四級坡耕地有效土層為29 cm，土層淺薄現(xiàn)象嚴重且土壤顯酸性，為其產(chǎn)量低的主要影響因素。第五級地力水平坡耕地理化性質(zhì)指標田面坡度最大（22°）、有效土層厚度（21 cm）、耕層厚度（19 cm）最薄，不存在心土層，即耕作層下是底土層或母質(zhì)層，但耕層土壤養(yǎng)分指標值均不是5級坡耕地中最小，由此可以看出田面坡度、有效土層厚度、耕層厚度是限制五級坡耕地農(nóng)作物產(chǎn)量的主要因素。

2.2 坡耕地耕層類別劃分及特征分析

對坡耕地耕層類型進行劃分有助于準確判別影響耕層質(zhì)量的主要因素，同時耕層質(zhì)量分類對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性能具有較大指示作用。對不同地力等級的30個坡耕地耕層樣本的田面坡度、有效土層厚度、耕層厚度、pH、土壤有機質(zhì)、陽離子交換量、土壤全氮、土壤有效磷、土壤速效鉀、作物產(chǎn)量10個指標進行個案系統(tǒng)聚類分析，取聚合水平5—12之間，耕層樣本可明顯分為3類（圖1），I類坡耕地共22個耕層樣本包括12、22、2、11、1、6、25、29、3、26、9、21、5、14、4、15、24、28、30、16、19、13，主要為一、二、四級耕地；II類坡耕地共6個耕層樣本包括17、23、7、8、10、27，主要為二、三級耕地；III類坡耕地共2個耕層樣本包括18、20，分別為三、五級耕地。此外，為進一步明確各類坡耕地的基本特征，本文對各類坡耕地耕層土壤屬性指標及農(nóng)作物產(chǎn)量也進行了統(tǒng)計分析（表5）。

表4 不同地力等級坡耕地耕層土壤特性與產(chǎn)量基本特征

結(jié)合圖1和表5可見，I類耕層樣本各項指標分別表現(xiàn)為田面坡度為12°、有效土層厚度為33 cm、耕層厚度為20 cm、pH為6.4、土壤有機質(zhì)為13.89 g·kg-1、陽離子交換量為21.0 cmol(+)·L-1、土壤全氮為0.95 g·kg-1、土壤有效磷10.07 mg·kg-1、土壤速效鉀為62.1 mg·kg-1、農(nóng)作物產(chǎn)量為6.640 t·hm-2，集中表現(xiàn)為田面坡度較小，土壤顯弱酸性，陽離子交換量值最大。II類耕層樣本中各項指標分別表現(xiàn)為田面坡度為11°、有效土層厚度為38 cm、耕層厚度為22 cm、pH為7.3、土壤有機質(zhì)為12.45 g·kg-1、陽離子交換量為20.4 cmol(+)·L-1、土壤全氮為0.90 g·kg-1、土壤有效磷8.40 mg·kg-1、土壤速效鉀為136.5 mg·kg-1、農(nóng)作物產(chǎn)量為7.140 t·hm-2，該類坡耕地田面坡度最小，有效土層厚度和耕層厚度最厚，陽離子交換量、土壤速效鉀含量最多，農(nóng)作物產(chǎn)量最高，而有機質(zhì)、全氮、有效磷，均不是3類坡耕地中含量最高。III類耕層樣本中各項指標分別表現(xiàn)為田面坡度為18°、有效土層厚度為28 cm、耕層厚度為20 cm、pH為4.8、土壤有機質(zhì)為17.80 g·kg-1、陽離子交換量為9.2 cmol(+)·L-1、土壤全氮為1.04 g·kg-1、土壤有效磷121.50 mg·kg-1、土壤速效鉀為58.6 mg·kg-1、農(nóng)作物產(chǎn)量為4.690 t·hm-2，該類坡耕地有效土層厚度最薄，土壤顯酸性，陽離子交換量最小，農(nóng)作物產(chǎn)量最低，而土壤有效磷含量最多。

圖1 坡耕地耕層類型特征聚類分析

通過對3種類型坡耕地耕層質(zhì)量特征分析可見（表5），I類和II類坡耕地耕層各項指標除了土壤速效鉀、有效土層厚度外其余指標差異較小，有效土層厚度的差異可能是II類坡耕地作物產(chǎn)量高于I類坡耕地的主要原因。III類坡耕地的作物產(chǎn)量最低，分別為I類、II類坡耕地作物產(chǎn)量的70.63%和65.69%，同時，對比3類坡耕地耕層理化性質(zhì)指標特征可以看出III類坡耕地的田面坡度大，有效土層薄，土壤酸化，陽離子交換量少是作物產(chǎn)量低的主要原因。因此紫色土丘陵區(qū)坡耕地改良應減小田面坡度，增加有效土層厚度，調(diào)節(jié)土壤酸堿度。

表5 3種坡耕地耕層類型的土壤質(zhì)量變化特征

2.3 坡耕地農(nóng)作物-耕層耦合協(xié)調(diào)度分析

不同地力等級條件下，紫色土坡耕地的農(nóng)作物綜合評價指數(shù)（）、耕層綜合評價指數(shù)（）、農(nóng)作物-耕層系統(tǒng)耦合度（）、農(nóng)作物-耕層系統(tǒng)綜合調(diào)和指數(shù)（）、農(nóng)作物-耕層系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度（C）計算結(jié)果如表6所示。由此表可見，一、二級坡耕地多處于農(nóng)作物與耕層協(xié)調(diào)同步發(fā)展類狀態(tài)，有農(nóng)作物耕層同步型（20%）、農(nóng)作物滯后型（16.67%）、耕層滯后型（33.33%） 3種表現(xiàn)，在農(nóng)作物-耕層適宜性方面，有32.33%地塊處于中度適宜程度，66.67 %地塊處于勉強適宜程度，這說明在坡耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)作物與耕層相互適宜程度較好，在當?shù)剞r(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)和耕層土壤管理條件下可穩(wěn)定獲得產(chǎn)量。三級以下坡耕地則處于農(nóng)作物與耕層協(xié)調(diào)發(fā)展類、瀕臨失調(diào)衰退類、失調(diào)衰退類3種狀態(tài)，有耕層損益型（12.50%）、農(nóng)作物耕層同步型（20.83%）、耕層滯后型（4.17%）、農(nóng)作物耕層共損型（12.50%）、農(nóng)作物損益型（25.00%）5種表現(xiàn)，五級地力坡耕地集中表現(xiàn)為失調(diào)衰退類農(nóng)作物損益型，這說明在同樣地力條件下，農(nóng)作物較耕層質(zhì)量更為敏感，衰退表現(xiàn)更加明顯，這充分說明了坡耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的脆弱性。

不同耕層類型的坡耕地各診斷指標變化特征如表7所示。從坡耕地耕層類型看，農(nóng)作物綜合評價指數(shù)依次為II類耕層（0.5367）＞I類耕層（0.4478）＞III類耕層（0.1004），表明II類耕層農(nóng)作物生長最好，I類耕層的農(nóng)作物生長狀況居中，III類耕層農(nóng)作物生長最差。而耕層綜合評價指數(shù)值則表現(xiàn)為第II類耕層（0.5477）＞第III類耕層（0.4976）＞第I類耕層（0.4824），與農(nóng)作物綜合評價指數(shù)并不完全一致，即農(nóng)作物產(chǎn)量高低與耕層土壤質(zhì)量優(yōu)劣并未呈現(xiàn)完全對應關系。農(nóng)作物—耕層耦合協(xié)調(diào)度C大小分布也說明這個規(guī)律，C依次為II類耕層（0.5207）＞I類耕層（0.4820）＞III類耕層（0.3343），I類耕層和II類耕層農(nóng)作物—耕層耦合關系為基本協(xié)調(diào)農(nóng)作物耕層同步型，勉強適宜農(nóng)作物生長；III類耕層農(nóng)作物—耕層耦合關系為瀕臨失調(diào)耕層損益型，中度不適宜農(nóng)作物生長。因此III類坡耕地首要問題是農(nóng)作物生長的管理，同時改良耕層土壤質(zhì)量。I類、II類坡耕地也應改善耕層土壤質(zhì)量及農(nóng)作物生長管理，提高農(nóng)作物—耕層耦合協(xié)調(diào)度及適宜程度，使其達到高度協(xié)調(diào)，高度適宜型坡耕地農(nóng)作物-耕層系統(tǒng)。

表6 不同地力等級坡耕地農(nóng)作物-耕層耦合協(xié)調(diào)度診斷

表7 3種坡耕地類型的農(nóng)作物-耕層耦合協(xié)調(diào)度診斷

3 討論

3.1 有效土層厚度變化對坡耕地地力影響

在自然侵蝕因素和人為耕作因素綜合作用下，紫色土坡耕地土壤淺薄現(xiàn)象嚴重，土層厚度成為紫色土坡耕地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的重要障礙因素。土層淺薄導致其蓄水量低，農(nóng)作物根系生長空間小，坡耕地生產(chǎn)能力低下。為探明農(nóng)作物產(chǎn)量與有效土層厚度之間的關系，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)進一步對有效土層厚度和農(nóng)作物產(chǎn)量進行分析（圖2），可以看出農(nóng)作物產(chǎn)量隨著有效土層的增加整體上呈現(xiàn)遞增的狀態(tài)；其中在有效土層為20 cm、30 cm和50 cm處略有下降，根據(jù)對應的特殊點查找表1，發(fā)現(xiàn)其陽離子交換量和土壤有效磷均較小是導致農(nóng)作物產(chǎn)量下降的主要因素，因此農(nóng)作物產(chǎn)量的高低是多項土壤屬性指標間共同影響的結(jié)果。

圖2 有效土層厚度對紫色土坡耕地產(chǎn)量影響

同時，在對紫色土坡耕地研究中發(fā)現(xiàn)土層厚度是紫色土生產(chǎn)力的基本限制條件，20 cm、40 cm小區(qū)夏玉米產(chǎn)量僅為60 cm小區(qū)的50%、74%，為80 cm小區(qū)的28%、40%，100 cm小區(qū)的23%、34%；60 cm土層為紫色土生產(chǎn)力臨界土層，退化紫色土土壤肥力恢復應優(yōu)先提高土壤厚度[9]。在三峽庫區(qū)耕地土壤厚度理想標準為表層厚度≥20 cm、全土層厚度＞50 cm，可實施土壤環(huán)境重建[21]，增加作物覆蓋度在雨季是十分重要的?；谧仙燎鹆陞^(qū)坡耕地水土保持RUSLE工程也認為通過農(nóng)業(yè)種植模式選擇可以增大地表覆蓋度減免降雨侵蝕力，同時通過改良土壤理化性質(zhì)和耕作性質(zhì)，保持一定厚度的耕作土層可減少坡面土壤流失量，保持穩(wěn)定的土地生產(chǎn)力[17]。由此可以看出全土層和有效土層厚度的保持和調(diào)控是保證紫色土坡耕地地力水平的重要條件。在我國其他土壤侵蝕類型區(qū)，坡耕地土壤侵蝕程度與作物產(chǎn)量也表現(xiàn)出類似現(xiàn)象，如張興義等[22]通過田間試驗對土層剝離研究，結(jié)果表明在擁有30 cm黑土層的 6°坡耕地上，表土流失掉10 cm對大豆干物質(zhì)積累沒有明顯影響。而當黑土層流失超過10 cm，大豆干物質(zhì)積累量隨流失的增加而減少。郭云周等[23]通過紅壤旱坡地鏟土覆土微區(qū)試驗，表明覆土厚度與玉米產(chǎn)量呈極顯著正相關，表明隨著坡耕地表土損失數(shù)量的增加，產(chǎn)量極顯著減產(chǎn)。鏟除耕作層熟化表土15 cm，玉米減產(chǎn)29.62%；覆土耕作層熟化表土15 cm，玉米增產(chǎn)17.69%。根據(jù)前人研究[23-24]繪制了東北黑土區(qū)和云南紅壤土壤侵蝕厚度對農(nóng)作物產(chǎn)量影響（圖3）可以看出，隨著土壤侵蝕厚度發(fā)生變化，土地生產(chǎn)力產(chǎn)生不同程度的下降。侵蝕厚度越深，土地生產(chǎn)力越低且隨著侵蝕厚度加深每損失1 cm土層造成的生產(chǎn)力下降趨勢逐漸減弱。因此防治坡耕地表層土壤流失對保護坡耕地生產(chǎn)力有著十分重要的意義。

3.2 坡耕地合理耕層構(gòu)型特征

目前對合理耕層的概念尚沒有明確的標準和概念，相關學者的研究認為合理耕層能為作物提供良好的土壤環(huán)境且能最大限度的保持耕作后效，降低耕作成本[3, 25-27]。（1）遲仁立等[25]認為合理的耕層構(gòu)造是虛實并存的結(jié)構(gòu)，一方面能為作物根系提供良好的土壤環(huán)境；另一方面，能更好地促進耕層內(nèi)腐殖化作用，保存和積累有機質(zhì)，培肥地力。（2）閆玉芹等[26]認為虛實并存耕層具有底層深蓄水、蓄熱，成為耕層內(nèi)的“土壤水庫、熱庫、肥庫”；具有良好的耕層構(gòu)造和物理性狀，實現(xiàn)農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。（3）韓曉增等[3]認為土體深厚，耕層疏松，心土層緊實的土體構(gòu)造，對協(xié)調(diào)水、肥、氣及熱的供應，保證作物生育期間對肥力的需要，達到高產(chǎn)的重要條件。（4）宮亮等[27]認為合理耕層應具備較高的耕層有機質(zhì)或適當?shù)耐寥廊葜?，如果二者兼?zhèn)鋭t更易獲得高產(chǎn)，如棕壤土深松施用有機肥時，當耕層中有機質(zhì)含量為22.1 g·kg-1、容重為1.15 g·cm-3時獲得高產(chǎn)效果最佳。（5）史東梅等[17]認為坡耕地合理耕層是在一定耕作制度下可持續(xù)維持農(nóng)作物正常生長、且能實現(xiàn)侵蝕控制雙重目標的坡耕地耕層土壤基準，耕層構(gòu)型整體表現(xiàn)為上虛下實。從以上定義可見，合理耕層是一種虛實并存，可實現(xiàn)農(nóng)作物高產(chǎn)的土體構(gòu)型；根據(jù)相關研究[3,20,28-29]坡耕地合理耕層土壤剖面構(gòu)型為上虛下實型或虛實并存型，構(gòu)建一個虛實并存的耕層構(gòu)型，可為農(nóng)作物產(chǎn)量的提高提供適宜土壤生境。

圖3 土壤侵蝕厚度對農(nóng)作物產(chǎn)量影響

根據(jù)坡耕地野外調(diào)查和相關文獻[17]分析結(jié)果，本研究初步擬定紫色土坡耕地合理耕層適宜性閾值為田面坡度＜6.8°、有效土層厚度＞39 cm、耕層厚度＞20 cm、pH 6.8—6.4、土壤有機質(zhì)為12.47—15.38 g·kg-1、陽離子交換量為21.6—24.2 cmol(+)·L-1、土壤全氮為0.93—1.01 g·kg-1、土壤有效磷10.29—12.40 mg·kg-1、土壤速效鉀為70.3—100.7 mg·kg-1、作物產(chǎn)量＞7.500 t·hm-2。深松技術可打破犁底層，疏松土壤，加深耕層，改善土壤的透氣性、透水性，提高耕層土壤質(zhì)量[30-31]。同時，深松可以加強土壤蓄水保墑能力，20—40 cm土層蓄水量增加約165—330 t·hm-2[32]。但耕作后如果深松時期降雨較少，增大表層土壤水分的蒸發(fā)損失，則增大了季節(jié)性干旱發(fā)生危險性，因此確定適宜的深松時間是非常必要的。

由于受調(diào)查數(shù)據(jù)的獲得性限制，農(nóng)作物耕層耦合度分析只選擇了農(nóng)作物產(chǎn)量指標；在后續(xù)小區(qū)定位研究中擬增加農(nóng)作物覆蓋度、根系、出苗率等農(nóng)作物生長過程指標，同時增加耕層土壤物理、力學指標，以更為準確地反映坡耕地耕層侵蝕風險性和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性能，并提高坡耕地耕層適宜性診斷的時效性和實踐性。

4 結(jié)論

4.1 紫色土坡耕地不同地力等級的耕層厚度比較穩(wěn)定，但有效土層淺薄化現(xiàn)嚴重且不同地力等級間差異顯著，一、二級地力與五級地力的有效土層厚度差異達2倍左右；同一地力不同垂直深度的土壤屬性指標差異顯著，五級坡耕地不存在心土層。

4.2 紫色土坡耕地可分為3種耕層類型，其作物產(chǎn)量主導性影響因素為田面坡度、有效土層厚度、土壤酸化、陽離子交換量；在同樣地力條件下，農(nóng)作物產(chǎn)量的衰退表現(xiàn)更為明顯，耕層質(zhì)量衰退具有滯后性；坡耕地持續(xù)利用應選擇減小田面坡度，增加有效土層厚度，調(diào)節(jié)土壤酸堿度的改良措施。

4.3 紫色土坡耕地農(nóng)作物與耕層適宜關系存在協(xié)調(diào)發(fā)展類和失調(diào)衰退類兩種狀態(tài)和同步型、滯后型、損益型、共損型4種表現(xiàn)。農(nóng)作物-耕層耦合度（C）表現(xiàn)為I類耕層（0.4820）和II類耕層（0.5207）為基本協(xié)調(diào)發(fā)展類農(nóng)作物耕層同步型、農(nóng)作物生長勉強適宜，III類（0.3343）瀕臨失調(diào)衰退類耕層損益型、農(nóng)作物生長中度不適宜。

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（責任編輯 李云霞）

Coupling Degree Diagnosis on Suitability Evaluation of Cultivated-layer Quality for Slope Farmland in Purple Hilly Regionof South-western China

LOU YiBao1, SHI DongMei1, JIN HuiFang1, JIANG GuangYi2, DUAN Teng1, JIANGNa1

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

【Objective】As an important cultivated land resource type in southwest area, the quality of the cultivated-layer of slope farmland in purple hilly is concentrated in the phenomenon of severe erosion, low yield and unstable crop yield. The change of crop yield on the plot scale has a significant hysteresis effect compared with soil quality degradation. Based on the analysis of soil quality of sloping farmland in purple soil with different soil fertility grades, this paper quantitatively analyzed the suitability of crop quality of purple soil slope farmland to crops.【Method】The paper studied the suitability evaluation between crop growth and cultivated-layer for the different land productivity grades by the way of coupling degree model based on statistical analysis and clustering analysis. 【Result】The results showed: (1) the thickness of the cultivated-layer at different land productivity grades for purple slope farmland was from 19 to 21 cm and the effective thickness of the cultivated-layer was the range of 21-43 cm, which indicated that the thickness of cultivated-layer was stable and the thinning phenomenon of effective thickness for cultivated-layer was very serious. The limited factors of crop yield for five levels slope farmland were field slope, thickness of cultivated-layer and effective thickness of cultivated-layer. (2)the characteristics of variation of the three kinds of cultivated-layer types for purple soil slope farmland were very serious. Furthermore, soil in Type I of cultivated-layer indicated such features as weak acidic (pH 6.4) and the highest lower cation exchange capacity (20.99 cmol(+)·L-1). Soil in Type II of cultivated-layer was characteristic with smallest field slope (11.3°), the highest thickness of the effective soil layer (38cm) and thickness of cultivated-layer (22 cm), so was the soil available potassium (136.50 mg·kg-1). Soil in Type III showed such characteristics as the thinnest effective soil thickness (28 cm), acidic soil (pH 4.8) and the smallest cation exchange capacity (9.19 cmol(+)·L-1). The dominant factors affecting the crop yield of purple soil slope farmland included field slope, effective soil thickness, soil acidification and cation exchange capacity. (3) the suitability status of crop and cultivated-layer for the different land productivity grades existed two states, including coordinated development stage and maladjustment decay stage, and four types, which were synchro type, lag type, profit and loss type and common loss type. Crop was more sensitive than quality of cultivated-layer for the coupling coordination degrees under the same land productivity grades of slope farmland, which signified the more yield decrease. Crop-cultivated layer coupling coordination degrees (C) for Type I (0.4820） and Type II (0.5207) belonged to the basic coordination development stage and the lag type for crop - cultivated layer, which caused the crop growth was barely suitable. Meanwhile, Crop-cultivated layer coupling coordination degrees (C) for Type III (0.3343) was in mild dysregulation stage and profit and loss type, which meant the quality of cultivated-layer for crop growth was moderate unsuitable. 【Conclusion】The thickness of cultivated-layer was stable and the thinning phenomenon of effective thickness for cultivated-layer was very serious. The suitability status of crop and cultivated-layer for the different land productivity grades existed two states, including coordinated development stage and maladjustment decay stage, and four types, including synchro type, lag type, profit and loss type and common loss type.Slope farmland improvement in purple soil should reduce the slope of the field, increase the thickness of effective soil layer, and adjust the soil pH. These results could provide some useful parameters for suitability diagnosis, regulation and construction of the cultivated-layer of purple soil slope farmland at plots level.

slope farmland; quality of cultivated-layer; coupling degree; reasonable cultivated-layer configuration; suitability; purple hilly area; south-western China

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.04.008

2018-07-13；

2018-09-10

國家自然科學基金（41771310）、公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201503119-01-01）

婁義寶，E-mail: yibao93@126.com。 通信作者史東梅，E-mail：shidm_1970@126.com