紅壤坡耕地耕層質(zhì)量特征與障礙類型劃分

金慧芳 史東梅 宋 鴿 段 騰 葉 青 江 娜

(西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 重慶 400715)

0 引言

耕層是人類為了栽培農(nóng)作物，利用農(nóng)業(yè)耕作工具對(duì)耕地土壤進(jìn)行擾動(dòng)后，形成的具有一定深度(通常為0～20 cm)的土壤層[1]，是作物根系分布的主要區(qū)域。與土壤質(zhì)量不同，耕層質(zhì)量在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中具有保持作物生產(chǎn)力、維持生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和促進(jìn)作物生長(zhǎng)的能力[2-3]。目前基于耕層質(zhì)量的研究多集中在耕層土壤屬性特征、質(zhì)量評(píng)價(jià)和指標(biāo)選擇、障礙因素診斷等方面。丁文斌等[4-5]比較了不同區(qū)域紫色土坡耕地土壤屬性參數(shù)的差異性，并對(duì)耕層蓄水保土及耕作性能進(jìn)行了研究。史東梅等[6]分析了侵蝕因素對(duì)紫色土坡耕地耕層質(zhì)量的影響。陳正發(fā)等[7]基于土壤管理評(píng)估框架，對(duì)云南坡耕地耕層質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)。李桂林等[8]通過(guò)篩選影響土壤質(zhì)量的敏感性指標(biāo)，進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)。金慧芳等[9]比較了聚類分析和主成分分析兩種方法，篩選出紅壤坡耕地耕層質(zhì)量診斷最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)。在障礙因素方面，劉志鵬等[10]研究表明，養(yǎng)分貧瘠化、粘重化和酸化是紅壤坡耕地低產(chǎn)耕層面臨的主要障礙因素。有機(jī)質(zhì)和全氮含量過(guò)低是導(dǎo)致土壤養(yǎng)分貧瘠化的主要因子[11]，且土地利用類型變化對(duì)土壤演變及障礙因子有明顯影響[12]。劉洋等[13]指出，降雨侵蝕和風(fēng)蝕是造成遼西風(fēng)沙半干旱區(qū)坡耕地耕層退化的主要原因，而土壤抗風(fēng)蝕、水蝕性差，耕層土壤薄化，土壤有機(jī)質(zhì)含量下降，肥料利用率低等是制約遼西地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要障礙因子?？梢?jiàn)，明確耕層質(zhì)量特征及障礙因素對(duì)促進(jìn)耕層質(zhì)量恢復(fù)和改良有重要作用。但目前研究主要集中于耕層障礙因子診斷方面，對(duì)耕層障礙類型的判斷和劃分還不夠詳細(xì)，影響坡耕地耕層質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)境因子的研究也鮮見(jiàn)報(bào)道。

紅壤坡耕地是我國(guó)南方丘陵區(qū)重要的耕地資源之一，該區(qū)域水、熱、光資源豐富，作物生產(chǎn)潛力巨大，是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域[10]。由于農(nóng)戶盲目耕作和降雨時(shí)空分布不均等因素影響，紅壤坡耕地面臨水土流失、養(yǎng)分退化、耕層薄化和土壤生產(chǎn)力下降等環(huán)境問(wèn)題。本文以紅壤小流域典型種植制度坡耕地為研究對(duì)象，分析坡耕地耕層質(zhì)量特征，對(duì)紅壤坡耕地耕層障礙類型進(jìn)行劃分，并明確關(guān)鍵性環(huán)境影響因子，以期對(duì)南方紅壤坡耕地耕層土壤恢復(fù)和改良、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和坡耕地合理耕層構(gòu)建提供理論指導(dǎo)。

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(jìn)賢縣三和紅壤小流域(116°12′～116°18′E，28°12′～28°18′N)，流域面積約41.21 km2，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)，降雨充沛，光照充足，多年平均年降水量1 587 mm；地貌類型以低丘崗地為主，坡度在2°～35°之間，紅壤為小流域內(nèi)分布最廣泛的土壤類型，土層深厚呈酸性，土壤質(zhì)地以壤質(zhì)粘土為主?；ㄉ?油菜輪作、花生-玉米/甘蔗輪作等為該區(qū)域典型種植制度，以一年一熟或一年兩熟制為主。研究區(qū)位于我國(guó)紅壤分布的中心區(qū)域，地形、地貌及土壤條件在南方紅壤區(qū)具有代表性。

1.2 樣品采集與分析

于2017年7月在當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)部門有經(jīng)驗(yàn)的研究人員協(xié)助下，分別在流域上游、中游和下游各選擇2個(gè)坡耕地廣泛分布的區(qū)域，各區(qū)域均選擇3個(gè)紅壤坡耕地典型坡面，各坡面坡度和坡長(zhǎng)適宜，種植作物為花生、甘薯等當(dāng)?shù)氐湫妥魑铮瑵M足坡耕地耕層質(zhì)量分析要求。分上坡、中坡和下坡布設(shè)采樣點(diǎn)，共布設(shè)樣點(diǎn)54個(gè)，且保證各樣點(diǎn)處于不同農(nóng)戶耕種的地塊上，使得各樣點(diǎn)均具有典型性和代表性。選擇采樣點(diǎn)中間位置挖掘土壤剖面，分0～10 cm和10～20 cm兩層采集土壤樣品，每層采集1～2 kg土壤樣品裝入硬質(zhì)塑料盒帶回實(shí)驗(yàn)室。將采集的土壤樣品自然風(fēng)干，過(guò)篩后用于土壤理化性質(zhì)測(cè)定，采集土壤環(huán)刀(100 cm3)樣品用于土壤容重和飽和導(dǎo)水率測(cè)定，分別重復(fù)3次。采樣完成后，繼續(xù)垂直向下挖掘土壤剖面至植物根系消失，用鋼卷尺沿剖面測(cè)量90%作物根系分布區(qū)域即為耕層厚度。土壤抗剪強(qiáng)度和貫入阻力分別采用三頭抗剪儀(便攜式14.10Pocket Vane Tester型，荷蘭)和PT袖珍型貫入儀(江蘇省漂陽(yáng)市天目?jī)x器廠)測(cè)定。pH值采用土水質(zhì)量比1∶1電極法測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定，土壤全氮含量采用半微量凱氏定氮法測(cè)定，土壤有效磷含量采用Olsen法測(cè)定，土壤速效鉀含量采用lmol/LNH4Ac提取-火焰光度法測(cè)定?；谟绊懫赂馗麑淤|(zhì)量的環(huán)境因子對(duì)耕種各采樣地塊的農(nóng)戶進(jìn)行走訪和水土保持問(wèn)卷調(diào)查，共獲得與耕層剖面調(diào)查相匹配的有效農(nóng)戶水土保持問(wèn)卷54份，滿足大樣本數(shù)量。

1.3 耕層質(zhì)量指數(shù)構(gòu)建

耕層質(zhì)量指數(shù)可綜合定量地表征各采樣點(diǎn)及紅壤丘陵區(qū)坡耕地耕層質(zhì)量狀況，數(shù)值越大，耕層質(zhì)量合理性水平越高[5]。從反映耕層土壤抗侵蝕性能、耕作性能和生產(chǎn)性能角度，選擇11項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)耕層質(zhì)量的正負(fù)效應(yīng)，建立指標(biāo)與耕層土壤生產(chǎn)力之間的隸屬函數(shù)，耕層厚度、土壤飽和導(dǎo)水率、土壤抗剪強(qiáng)度、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤全氮含量、土壤有效磷含量和土壤速效鉀含量與耕層質(zhì)量呈正相關(guān)，界定為S型函數(shù)；土壤貫入阻力是反映土壤耕作性能的重要指標(biāo)，與耕層質(zhì)量負(fù)相關(guān)，則界定為反S型函數(shù)[9,11]，評(píng)價(jià)指標(biāo)的最小值和最大值作為函數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。土壤容重、土壤質(zhì)地(粘粒含量)和pH值與耕層質(zhì)量存在適宜臨界范圍，則界定為拋物線型函數(shù)，拋物線型函數(shù)指標(biāo)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)參照文獻(xiàn)[7,9]及野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，詳見(jiàn)表1。

表1 指標(biāo)類型及隸屬函數(shù)類型Tab.1 Indicator type and membership function

注：μ(x)為隸屬函數(shù)，x為評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)值；a1、a2分別表示指標(biāo)臨界值的下限和上限；b1、b2為最適值的上下界點(diǎn)。

權(quán)重系數(shù)可以定量表征關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)土壤質(zhì)量的貢獻(xiàn)程度，為確保權(quán)重系數(shù)的客觀性和準(zhǔn)確性各指標(biāo)權(quán)重均由主成分分析獲得[14]。各指標(biāo)公因子方差占公因子方差之和的比例即為各數(shù)據(jù)集中評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，坡耕地耕層質(zhì)量指數(shù)公式為

(1)

式中Wi——第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

Ni——第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度

n——評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)處理

各采樣地塊耕層質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)通過(guò)坡耕地耕層剖面調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)分析和農(nóng)戶水土保持問(wèn)卷調(diào)查獲得。使用SPSS 21.0軟件進(jìn)行主成分分析，其中耕作方式等定性指標(biāo)采用賦值法進(jìn)行定量化處理，Excel 2013和Origin 2017軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅壤坡耕地耕層土壤參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征

土壤物理、化學(xué)及力學(xué)等性狀是反映農(nóng)業(yè)土壤質(zhì)量特征的重要參數(shù)，制約著土壤協(xié)調(diào)水、肥、氣、熱的能力。耕層厚度、土壤有機(jī)質(zhì)含量等土壤參數(shù)對(duì)促進(jìn)作物生長(zhǎng)、農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)以及坡耕地持續(xù)利用等方面具有重要意義。對(duì)研究區(qū)耕層土壤參數(shù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析(表2)，結(jié)果表明紅壤坡耕地耕層各土壤參數(shù)特征差異明顯。耕層平均厚度(18.88±3.17) cm，接近紅壤坡耕地耕層適宜厚度，深松耕作是增厚耕層的有效措施。土壤容重平均值為(1.26±0.1) g/cm3，處于合理水平。土壤飽和導(dǎo)水率(3.39±2.6) mm/min，耕層土壤入滲及持水性能略低。土壤抗剪強(qiáng)度平均值為(3.78±1.01) kg/cm2，這是因?yàn)檠芯繀^(qū)季節(jié)性干旱頻發(fā)，土壤含水率較小時(shí)，土壤顆粒間摩擦力降低，造成土壤抗剪強(qiáng)度小，抗侵蝕性能降低。土壤貫入阻力較小，平均值為(1.97±0.65) kg/cm2，耕作及作物根系下插性能增強(qiáng)，但存在作物倒伏風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比、全氮質(zhì)量比平均值分別為(15.46±4.58) g/kg和(1.09±0.22) g/kg，均為第4級(jí)，處于中度貧瘠化水平；土壤有效磷質(zhì)量比和速效鉀質(zhì)量比分別為(74.19±37.7) mg/kg和(121.32±59.89) mg/kg，處于第2級(jí)，養(yǎng)分含量豐富。測(cè)土配方施肥是提高耕層養(yǎng)分供給，促進(jìn)作物增產(chǎn)的有效措施。pH值平均為5.06±0.64，土壤呈弱酸性，施用有機(jī)肥可調(diào)節(jié)土壤酸堿度。

表2 紅壤坡耕地耕層土壤參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征Tab.2 Statistical characteristics of soil parameters for cultivated-layer of red soil sloping farmland

各土壤參數(shù)總體上處于中、低度敏感性水平。敏感性水平越高(變異性越大)，表明該指標(biāo)對(duì)耕層質(zhì)量差異性影響程度越高，敏感性水平越低，則影響程度越低[15]。土壤飽和導(dǎo)水率、粘粒含量、有效磷含量和速效鉀含量為中度敏感參數(shù)(CV為40%～100%)，是耕層質(zhì)量需要調(diào)控的關(guān)鍵參數(shù)，說(shuō)明降雨不均和季節(jié)性干旱是主要影響因素。屬于低度敏感(CV為10%～40%)參數(shù)有耕層厚度、土壤抗剪強(qiáng)度、土壤貫入阻力、土壤有機(jī)質(zhì)和土壤全氮，是維護(hù)耕層土壤穩(wěn)定性的主要因素，pH值(CV為13%)和土壤容重(CV為8%)變異系數(shù)相對(duì)較低，接近或處于不敏感(CV<10%)水平，這表明土壤酸化是紅壤坡耕地的重要障礙因素，而研究區(qū)域內(nèi)土壤類型相同或耕作方式相近可能是導(dǎo)致土壤容重變異系數(shù)低的主要原因。

2.2 紅壤坡耕地耕層質(zhì)量變化特征

圖1 耕層質(zhì)量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Fig.1 Grading standards of cultivated-layer quality

為更加直觀評(píng)價(jià)紅壤坡耕地耕層質(zhì)量變化水平，采用等距離法對(duì)研究區(qū)紅壤坡耕地耕層質(zhì)量進(jìn)行等級(jí)劃分，共分為5級(jí)耕層(圖1)[4,9]。分別為高度合理耕層(Ⅰ級(jí)，耕層合理性水平較高，作物生長(zhǎng)狀況良好)、中度合理耕層(Ⅱ級(jí)，耕層合理性水平高，作物生長(zhǎng)狀況好)、合理耕層(Ⅲ級(jí),耕層合理性水平適中,作物生長(zhǎng)狀況適中)、較不合理耕層(Ⅳ級(jí),耕層合理性水平較低，作物生長(zhǎng)狀況較差)和不合理耕層(Ⅴ級(jí),耕層合理性水平低，不適宜作物生長(zhǎng))。紅壤小流域坡耕地耕層質(zhì)量指數(shù)平均值為0.459，變化幅度為0.274～0.672，變異系數(shù)為19.08%，耕層質(zhì)量總體處于合理耕層(Ⅲ級(jí))等級(jí)，但是耕層質(zhì)量水平偏低，趨近較不合理耕層等級(jí)，說(shuō)明耕層質(zhì)量有待調(diào)控和改善。Ⅲ級(jí)合理耕層平均質(zhì)量指數(shù)為0.479，其分布面積占比為72.2%，較不合理耕層(Ⅳ級(jí))平均質(zhì)量指數(shù)為0.334，分布面積占流域總面積的22.2%，該等級(jí)耕層存在土壤有機(jī)質(zhì)、全氮等養(yǎng)分含量偏低等問(wèn)題，制約了紅壤坡耕地的耕層質(zhì)量水平。中度合理耕層(Ⅱ級(jí))平均質(zhì)量指數(shù)為0.634，其面積占比為5.6%。無(wú)高度合理耕層(Ⅰ級(jí))和不合理耕層(Ⅴ級(jí))分布。

對(duì)紅壤小流域不同坡位耕層質(zhì)量特征分布頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖2)，發(fā)現(xiàn)不同坡位耕層質(zhì)量有差異。耕層質(zhì)量平均指數(shù)由大到小依次為坡下(0.482)、坡上(0.454)、坡中(0.444)，說(shuō)明坡下部位耕層質(zhì)量?jī)?yōu)于其他坡位，該區(qū)域耕層質(zhì)量退化程度最低。坡下部位坡度較其他坡位緩，降雨條件下，土壤顆粒在坡下部位沉積；深松機(jī)等保護(hù)性耕作機(jī)械在坡下部位使用程度較高；同時(shí)橫坡耕作等水土保持型措施的實(shí)施對(duì)減少水土流失，促進(jìn)耕層質(zhì)量改良有重要作用。坡上和坡中部位耕層質(zhì)量相對(duì)較差，由于降雨侵蝕造成耕層土壤顆粒及養(yǎng)分沿坡面向下位移，造成坡上和坡中部位耕層土壤薄化、水土及養(yǎng)分流失，進(jìn)而導(dǎo)致耕層質(zhì)量退化明顯。

圖2 不同坡位耕層特征分布頻率Fig.2 Distribution frequency of cultivated-layer characteristics at different slope positions

2.3 紅壤坡耕地耕層質(zhì)量障礙類型劃分

長(zhǎng)期機(jī)械化耕作及單一傳統(tǒng)耕作、不合理施肥和種植方式等導(dǎo)致紅壤坡耕地耕層出現(xiàn)明顯影響作物生長(zhǎng)的土壤障礙[16]。明確耕層障礙類型并進(jìn)行準(zhǔn)確劃分有助于分析影響坡耕地耕層質(zhì)量變化的主要生態(tài)過(guò)程和障礙因素。本文基于耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)的11個(gè)參數(shù)(表1)，采用ward-euclidean法對(duì)其對(duì)應(yīng)的54個(gè)耕層樣本進(jìn)行個(gè)案(Q型)系統(tǒng)聚類分析，在距離閾值2～3之間，可將54個(gè)耕層樣本劃分為6類(圖3)。

圖3 紅壤坡耕地耕層類型聚類分析譜系圖Fig.3 Cluster analysis pedigree map of cultivated-layer types for red soil sloping farmland

第Ⅰ類為粘重板結(jié)型障礙耕層，包括樣本1、14、2、13、3、39、4、15，共8個(gè)樣本，該類耕層土壤粘粒含量高，平均值為36.5%，最大值為38.1%(樣本13)；土壤容重偏大，平均值為1.37 g/cm3,其中最大容重為1.46 kg/cm3(樣本39)，其他土壤參數(shù)接近研究區(qū)樣點(diǎn)參數(shù)平均值，處于適宜范圍內(nèi)(表2)。第Ⅱ類為養(yǎng)分貧瘠型障礙耕層，共14個(gè)樣本(包括樣本6、30、23、8、28、47、46、7、20、19、27、31、35、36)，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀平均質(zhì)量比分別為10.88 g/kg、0.87 g/kg、24.66 mg/kg、47.5 mg/kg，土壤養(yǎng)分含量較低，其他土壤參數(shù)處于適宜水平。第Ⅲ類為水分限制型障礙耕層，共10個(gè)樣本，分別為樣本10、12、11、17、45、37、16、43、40、44，季節(jié)性干旱是紅壤坡耕地的典型特征，土壤飽和導(dǎo)水率平均值為2.34 mm/min,其中最小值(樣本45)為1.40 mm/min，土壤抗剪強(qiáng)度較其他耕層類型大，兩者呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.431，其他耕層土壤參數(shù)均接近適宜水平，說(shuō)明疏松耕層，提高耕層蓄持性能，可有效攔截地表徑流，緩解徑流侵蝕，提高耕層土壤抗旱性能。第Ⅳ類為土壤酸化型障礙耕層，共7個(gè)樣本(樣本9、49、26、34、38、21、41)，pH值最大(樣本38)和最小(樣本41)值分別為5.33和4.08，耕層土壤酸化明顯，土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分含量略低于其他耕層類型，其他耕層質(zhì)量參數(shù)處于適宜水平。第Ⅴ類為無(wú)障礙耕層(樣本5、50、22、29、18、24、32、25、33)，共9個(gè)樣點(diǎn)分布，耕層平均厚度為21.55 cm，平均土壤飽和導(dǎo)水率為5.73 mm/min，土壤抗剪強(qiáng)度平均值為3.87 kg/cm2, 土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀平均質(zhì)量比分別為15.73 g/kg、1.34 g/kg、87.78 mg/kg和99.25 mg/kg，土壤貫入阻力平均值為1.86 kg/cm2,平均土壤容重1.26 g/cm3,平均土壤粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)23%，平均pH值為5.5，各樣本耕層土壤參數(shù)總體處于適宜水平。第Ⅵ類為薄化型障礙耕層(樣本42、48、51、52、54、53，共6個(gè))，耕層平均厚度為17 cm，其中最小耕層厚度僅為13 cm(樣點(diǎn)42)，平均土壤容重為1.37 g/cm3，超出適宜范圍,土壤飽和導(dǎo)水率略低于適宜水平，平均值為3.02 mm/min,這可能與徑流沖刷作用下，表土被剝離后，下層未擾動(dòng)土壤上移，導(dǎo)致土壤容重增大,水分入滲性能降低有關(guān)。

由圖3可見(jiàn)，紅壤坡耕地主要耕層類型可為粘重板結(jié)型障礙耕層(Ⅰ類)、養(yǎng)分貧瘠型障礙耕層(Ⅱ類)、水分限制型障礙耕層(Ⅲ類)、土壤酸化型障礙耕層(Ⅳ類)、無(wú)障礙耕層(Ⅴ類)和薄化型障礙耕層(Ⅵ類)。結(jié)合紅壤坡耕地各類耕層障礙特點(diǎn)，認(rèn)為粘粒含量、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤飽和導(dǎo)水率、pH值和耕層厚度可作為紅壤坡耕地耕層障礙類型診斷指標(biāo)。各耕層類型依次占樣本總量的14.81%、25.93%、18.52%、12.96%、16.67%和11.11%，說(shuō)明紅壤坡耕地耕層質(zhì)量總體存在退化趨勢(shì)，養(yǎng)分貧瘠、水分限制和粘重板結(jié)是紅壤坡耕地面臨的主要障礙因素，紅壤坡耕地耕層質(zhì)量調(diào)控應(yīng)以蓄水保土、地力提升和固土抗蝕為重點(diǎn)。

2.4 紅壤坡耕地耕層質(zhì)量關(guān)鍵性環(huán)境影響因子分析

自然因素和人類活動(dòng)的共同作用，對(duì)坡耕地耕層質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。紅壤坡耕地耕層質(zhì)量受多種因素的影響，將有效土層厚度(F1)、坡度(F2)、坡向(F3)、坡位(F4)、耕作方式(F5)、單位面積坡耕地化肥施用量(F6)、植被覆蓋度(F7)和農(nóng)戶水土保持行為(F8)，共8維因子數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，定量分析紅壤坡耕地耕層質(zhì)量環(huán)境影響因子作用的強(qiáng)弱(圖4)，箭頭所處象限代表環(huán)境因子與耕層質(zhì)量的正負(fù)相關(guān)性，箭頭連線長(zhǎng)度及投影長(zhǎng)度表示對(duì)耕層質(zhì)量影響程度[17]。前4個(gè)公因子累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)75.48%，可以反映耕層質(zhì)量環(huán)境影響因子的絕大部分信息；其對(duì)耕層質(zhì)量影響的貢獻(xiàn)率分別為30.14%、18.08%、14.38%和12.88%。

圖4 紅壤坡耕地耕層質(zhì)量影響環(huán)境因子主成分分析Fig.4 Principal component analysis of environmental factors affecting cultivated-layer quality of red soil sloping farmland

從圖4a可以看出，環(huán)境因子中有效土層厚度(0.586)載荷絕對(duì)值最大；其次為坡度(-0.570)，說(shuō)明有效土層厚度對(duì)耕層質(zhì)量呈顯著正相關(guān)，有效土層越厚則耕層質(zhì)量越優(yōu)，有效土層是土壤養(yǎng)分、水分以及植物根系可以運(yùn)移抵達(dá)的深度層，是維持耕層質(zhì)量的保證層。坡度對(duì)耕層質(zhì)量呈顯著負(fù)相關(guān)，坡度越大則耕層質(zhì)量越低，耕層退化越嚴(yán)重。在第2主成分上單位面積坡耕地化肥施用量和植被覆蓋度的載荷絕對(duì)值較大，分別為-0.532和-0.509，對(duì)耕層質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)向影響。農(nóng)戶不合理施肥不利于耕層質(zhì)量培育，而植被覆蓋率低不利于攔截坡面徑流，造成水土流失，耕層土壤水分蓄持能力降低。第3主成分上坡向因子載荷絕對(duì)值較大，為0.510，說(shuō)明陽(yáng)坡坡面光熱充足，利于作物生長(zhǎng)，提高作物與土壤、環(huán)境互補(bǔ)作用。第4主成分上耕作方式載荷絕對(duì)值最大，為0.714，對(duì)耕層質(zhì)量有明顯正向影響作用(圖4b)，這是因?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械使用程度的提高促進(jìn)坡耕地耕作方式由不合理耕作方式(陡坡耕作、順坡耕作、輪歇地耕作周期減短等)向機(jī)械耕作(深松保護(hù)性耕作)、橫坡耕作等轉(zhuǎn)變，使水土流失和土壤板結(jié)程度降低，對(duì)耕層質(zhì)量產(chǎn)生正向促進(jìn)作用。結(jié)果表明，有效土層厚度、單位面積坡耕地化肥施用量、坡向和耕作方式是紅壤坡耕地耕層質(zhì)量的關(guān)鍵性環(huán)境影響因子。

3 討論

3.1 紅壤坡耕地障礙耕層形成原因

本文研究結(jié)果表明，紅壤坡耕地耕層質(zhì)量特征差異明顯，耕層質(zhì)量總體處于合理水平，但存在明顯退化趨勢(shì)，養(yǎng)分貧瘠型障礙耕層、水分限制型障礙耕層和粘重板結(jié)型障礙耕層是紅壤坡耕地的主要障礙耕層類型，土壤養(yǎng)分貧瘠、季節(jié)性干旱和粘重板結(jié)是紅壤坡耕地面臨的主要障礙因素，與前人研究結(jié)果一致[12-13]。坡度、降雨[18]、耕作方式[19]、肥料施用量[20]等均是造成耕層養(yǎng)分退化的主要因素。橫坡耕作是減少坡面徑流、養(yǎng)分流失的有效措施[21-22]。降水時(shí)空分布不勻，且少雨季節(jié)與強(qiáng)蒸發(fā)、高溫期重疊,造成紅壤坡耕地季節(jié)性干旱頻繁發(fā)生[23]，降雨侵蝕造成坡面土層薄化[24]，降低了紅壤的儲(chǔ)水能力,導(dǎo)致紅壤坡耕地水分蓄持水能力低、有效庫(kù)容降低，土壤導(dǎo)水性能下降，阻礙深層水分上升,加劇了季節(jié)性干旱的發(fā)展，形成水分限制型耕層[25]。春夏水蝕和夏秋季節(jié)性干旱嚴(yán)重阻礙了紅壤坡耕地耕層土壤的合理利用[26]。降雨侵蝕作用下，耕層土壤持水量增大，團(tuán)聚體受到破壞[27]，尤其在強(qiáng)降雨條件下，雨滴動(dòng)能明顯大于土壤顆粒內(nèi)部粘結(jié)力，粘結(jié)力在雨強(qiáng)較大時(shí)易被破壞，造成坡面粘粒大量富積[28]，粘粒含量增加形成粘重板結(jié)型障礙耕層。不同顆粒表面化學(xué)性質(zhì)不同，其抗分解能力存在本質(zhì)區(qū)別[29-30]。各級(jí)土壤顆粒與有機(jī)碳等相結(jié)合對(duì)耕作、施肥等農(nóng)業(yè)措施的反應(yīng)也有差異[31]。圖4結(jié)果表明，紅壤坡耕地耕層質(zhì)量受多種環(huán)境因子影響，其中有效土層厚度、單位面積化肥施用量、坡向和耕作方式是關(guān)鍵性環(huán)境影響因子，這與前人研究結(jié)論相似[19-20,24,31]。

3.2 紅壤坡耕地障礙耕層調(diào)控途徑及效應(yīng)

基于圖3分析結(jié)果，共劃分出5類障礙耕層，擬定粘粒含量、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤飽和導(dǎo)水率、pH值和耕層厚度為紅壤坡耕地耕層障礙類型診斷指標(biāo)，與前人研究結(jié)果相同[12-13,32-33]。張曉林等[32]認(rèn)為紅壤坡耕地土壤粘重板結(jié)，土壤顆粒以粉、粘粒級(jí)為主。劉志鵬等[10]分別以土壤有機(jī)質(zhì)含量、粘粒含量和pH值表征前3類障礙耕層特征。王峰[33]認(rèn)為紅壤坡耕地季節(jié)性干旱的關(guān)鍵調(diào)控參數(shù)是土壤飽和導(dǎo)水率。黃尚書等[34]認(rèn)為深松耕作是增厚耕層，解決耕層瘠薄化問(wèn)題的關(guān)鍵核心技術(shù)之一。

表3列出了不同措施對(duì)紅壤坡耕地耕層障礙指標(biāo)的調(diào)控效應(yīng)及技術(shù)參數(shù)[32-42]，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥顯著提高了紅壤坡耕地pH值和土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分含量，對(duì)提升耕層肥力水平和抑制土壤酸化起到了重要作用[32,36-37]，且長(zhǎng)期施用有機(jī)肥條件下土壤顆粒復(fù)合體解離度明顯降低，對(duì)調(diào)控粘重板結(jié)型障礙耕層作用明顯[32]。通過(guò)深松耕作打破犁底層，加深耕作層，疏松土壤且增加疏松土層孔隙度，改善土壤的滲透性能[34,38,41]，改善土壤的物理性狀，形成虛實(shí)并存土壤結(jié)構(gòu)，減少土壤水分蒸發(fā)，增加土壤對(duì)大氣降水的蓄存能力，營(yíng)造耕層水分庫(kù)，提高雨水資源利用率和耕層土壤蓄水保墑性能，對(duì)薄化型和水分限制型障礙耕層調(diào)控效應(yīng)明顯。秸稈覆蓋對(duì)耕層質(zhì)量改善作用明顯[35,42]，與無(wú)措施坡耕地相比，土壤容重降低1.55%～3.88%，土壤總孔隙度增加1.28%～3.21%，有利于提高土壤通氣透水能力，促進(jìn)作物根系下扎，加強(qiáng)其抗倒伏能力，土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分含量明顯增加，對(duì)耕層土壤養(yǎng)分改良效果明顯。

表3 紅壤坡耕地障礙耕層調(diào)控措施及效應(yīng)Tab.3 Control measures and effects of barrier cultivation in red soil sloping farmland

4 結(jié)論

(1)紅壤小流域坡耕地耕層土壤參數(shù)變化特征差異明顯(P<0.05)，耕層平均厚度為(18.88±3.17) cm，接近作物生長(zhǎng)適宜厚度；土壤飽和導(dǎo)水率為(3.39±2.6)mm/min，耕層土壤入滲及持水性能略低；pH值平均為5.06±0.64，土壤呈弱酸性；土壤全量養(yǎng)分貧瘠，速效養(yǎng)分含量豐富；各土壤參數(shù)變異系數(shù)總體處于中、低度敏感水平。

(2)紅壤小流域坡耕地耕層質(zhì)量總體處于合理水平，但存在明顯退化趨勢(shì)，以合理耕層(Ⅲ級(jí))為主，占流域總面積72.2%，較不合理耕層Ⅳ級(jí)占22.2%，中度合理耕層Ⅱ級(jí)占5.6%。不同坡位耕層質(zhì)量指數(shù)由大到小依次為坡下(0.482)、坡上(0.454)、坡中(0.444)，坡下部位耕層質(zhì)量?jī)?yōu)于其他坡位。

(3)紅壤坡耕地耕層類型有粘重板結(jié)型障礙耕層、養(yǎng)分貧瘠型障礙耕層、水分限制型障礙耕層、土壤酸化型障礙耕層、薄化型障礙耕層和無(wú)障礙耕層6類；粘粒含量、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤飽和導(dǎo)水率、pH值和耕層厚度可作為紅壤坡耕地耕層障礙類型診斷及調(diào)控指標(biāo)。紅壤坡耕地耕層質(zhì)量調(diào)控應(yīng)以蓄水保土、地力提升和固土抗蝕為重點(diǎn)。

(4)紅壤坡耕地耕層質(zhì)量退化關(guān)鍵性環(huán)境影響因子為有效土層厚度(0.586)、單位面積坡耕地化肥施用量(-0.532)、坡向(0.510)和耕作方式(0.714)，在前4個(gè)主成分上載荷絕對(duì)值最大；施有機(jī)肥(降低粘重化程度，增加養(yǎng)分含量，降低酸化程度)、深松耕作(增厚耕層，增強(qiáng)水分蓄持能力)和秸稈覆蓋(提高儲(chǔ)水能力，提升地力)對(duì)耕層培育作用明顯。