金慧芳 史東梅 宋 鴿 段 騰 葉 青 江 娜

(西南大學資源環(huán)境學院， 重慶 400715)

0 引言

耕層是人類為了栽培農作物，利用農業(yè)耕作工具對耕地土壤進行擾動后，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。與土壤質量不同，耕層質量在農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中具有保持作物生產力、維持生態(tài)環(huán)境質量和促進作物生長的能力[2-3]。目前基于耕層質量的研究多集中在耕層土壤屬性特征、質量評價和指標選擇、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，并對耕層蓄水保土及耕作性能進行了研究。史東梅等[6]分析了侵蝕因素對紫色土坡耕地耕層質量的影響。陳正發(fā)等[7]基于土壤管理評估框架，對云南坡耕地耕層質量進行了評價。李桂林等[8]通過篩選影響土壤質量的敏感性指標，進行土壤質量評價與監(jiān)測。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量診斷最小數(shù)據(jù)集指標。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耕層面臨的主要障礙因素。有機質和全氮含量過低是導致土壤養(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，降雨侵蝕和風蝕是造成遼西風沙半干旱區(qū)坡耕地耕層退化的主要原因，而土壤抗風蝕、水蝕性差，耕層土壤薄化，土壤有機質含量下降，肥料利用率低等是制約遼西地區(qū)農業(yè)經濟發(fā)展的主要障礙因子?？梢姡鞔_耕層質量特征及障礙因素對促進耕層質量恢復和改良有重要作用。但目前研究主要集中于耕層障礙因子診斷方面，對耕層障礙類型的判斷和劃分還不夠詳細，影響坡耕地耕層質量的關鍵環(huán)境因子的研究也鮮見報道。

紅壤坡耕地是我國南方丘陵區(qū)重要的耕地資源之一，該區(qū)域水、熱、光資源豐富，作物生產潛力巨大，是我國重要的農業(yè)生產區(qū)域[10]。由于農戶盲目耕作和降雨時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力下降等環(huán)境問題。本文以紅壤小流域典型種植制度坡耕地為研究對象，分析坡耕地耕層質量特征，對紅壤坡耕地耕層障礙類型進行劃分，并明確關鍵性環(huán)境影響因子，以期對南方紅壤坡耕地耕層土壤恢復和改良、指導農業(yè)生產和坡耕地合理耕層構建提供理論指導。

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(116°12′～116°18′E，28°12′～28°18′N)，流域面積約41.21 km2，屬亞熱帶季風性濕潤氣候區(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，紅壤為小流域內分布最廣泛的土壤類型，土層深厚呈酸性，土壤質地以壤質粘土為主。花生-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?shù)剞r業(yè)部門有經驗的研究人員協(xié)助下，分別在流域上游、中游和下游各選擇2個坡耕地廣泛分布的區(qū)域，各區(qū)域均選擇3個紅壤坡耕地典型坡面，各坡面坡度和坡長適宜，種植作物為花生、甘薯等當?shù)氐湫妥魑铮瑵M足坡耕地耕層質量分析要求。分上坡、中坡和下坡布設采樣點，共布設樣點54個，且保證各樣點處于不同農戶耕種的地塊上，使得各樣點均具有典型性和代表性。選擇采樣點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土壤樣品裝入硬質塑料盒帶回實驗室。將采集的土壤樣品自然風干，過篩后用于土壤理化性質測定，采集土壤環(huán)刀(100 cm3)樣品用于土壤容重和飽和導水率測定，分別重復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，用鋼卷尺沿剖面測量90%作物根系分布區(qū)域即為耕層厚度。土壤抗剪強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(江蘇省漂陽市天目儀器廠)測定。pH值采用土水質量比1∶1電極法測定，土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定，土壤全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定，土壤有效磷含量采用Olsen法測定，土壤速效鉀含量采用lmol/LNH4Ac提取-火焰光度法測定。基于影響坡耕地耕層質量的環(huán)境因子對耕種各采樣地塊的農戶進行走訪和水土保持問卷調查，共獲得與耕層剖面調查相匹配的有效農戶水土保持問卷54份，滿足大樣本數(shù)量。

1.3 耕層質量指數(shù)構建

耕層質量指數(shù)可綜合定量地表征各采樣點及紅壤丘陵區(qū)坡耕地耕層質量狀況，數(shù)值越大，耕層質量合理性水平越高[5]。從反映耕層土壤抗侵蝕性能、耕作性能和生產性能角度，選擇11項評價指標。根據(jù)評價指標對耕層質量的正負效應，建立指標與耕層土壤生產力之間的隸屬函數(shù)，耕層厚度、土壤飽和導水率、土壤抗剪強度、土壤有機質含量、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量呈正相關，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，與耕層質量負相關，則界定為反S型函數(shù)[9,11]，評價指標的最小值和最大值作為函數(shù)的轉折點。土壤容重、土壤質地(粘粒含量)和pH值與耕層質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)指標的轉折點參照文獻[7,9]及野外實測數(shù)據(jù)分析，詳見表1。

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

注：μ(x)為隸屬函數(shù)，x為評價指標實測值；a1、a2分別表示指標臨界值的下限和上限；b1、b2為最適值的上下界點。

權重系數(shù)可以定量表征關鍵指標對土壤質量的貢獻程度，為確保權重系數(shù)的客觀性和準確性各指標權重均由主成分分析獲得[14]。各指標公因子方差占公因子方差之和的比例即為各數(shù)據(jù)集中評價指標權重，坡耕地耕層質量指數(shù)公式為

(1)

式中Wi——第i個評價指標權重

Ni——第i個評價指標隸屬度

n——評價指標個數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)處理

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

2 結果與分析

2.1 紅壤坡耕地耕層土壤參數(shù)統(tǒng)計特征

土壤物理、化學及力學等性狀是反映農業(yè)土壤質量特征的重要參數(shù)，制約著土壤協(xié)調水、肥、氣、熱的能力。耕層厚度、土壤有機質含量等土壤參數(shù)對促進作物生長、農業(yè)環(huán)境保護以及坡耕地持續(xù)利用等方面具有重要意義。對研究區(qū)耕層土壤參數(shù)進行描述性統(tǒng)計分析(表2)，結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。土壤抗剪強度平均值為(3.78±1.01) kg/cm2，這是因為研究區(qū)季節(jié)性干旱頻發(fā)，土壤含水率較小時，土壤顆粒間摩擦力降低，造成土壤抗剪強度小，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，但存在作物倒伏風險。根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準，土壤有機質質量比、全氮質量比平均值分別為(15.46±4.58) g/kg和(1.09±0.22) g/kg，均為第4級，處于中度貧瘠化水平；土壤有效磷質量比和速效鉀質量比分別為(74.19±37.7) mg/kg和(121.32±59.89) mg/kg，處于第2級，養(yǎng)分含量豐富。測土配方施肥是提高耕層養(yǎng)分供給，促進作物增產的有效措施。pH值平均為5.06±0.64，土壤呈弱酸性，施用有機肥可調節(jié)土壤酸堿度。

表2 紅壤坡耕地耕層土壤參數(shù)統(tǒng)計特征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)，表明該指標對耕層質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%)，是耕層質量需要調控的關鍵參數(shù)，說明降雨不均和季節(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、土壤抗剪強度、土壤貫入阻力、土壤有機質和土壤全氮，是維護耕層土壤穩(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)域內土壤類型相同或耕作方式相近可能是導致土壤容重變異系數(shù)低的主要原因。

2.2 紅壤坡耕地耕層質量變化特征

圖1 耕層質量等級劃分標準Fig.1 Grading standards of cultivated-layer quality

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

對紅壤小流域不同坡位耕層質量特征分布頻率進行統(tǒng)計(圖2)，發(fā)現(xiàn)不同坡位耕層質量有差異。耕層質量平均指數(shù)由大到小依次為坡下(0.482)、坡上(0.454)、坡中(0.444)，說明坡下部位耕層質量優(yōu)于其他坡位，該區(qū)域耕層質量退化程度最低。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；深松機等保護性耕作機械在坡下部位使用程度較高；同時橫坡耕作等水土保持型措施的實施對減少水土流失，促進耕層質量改良有重要作用。坡上和坡中部位耕層質量相對較差，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，進而導致耕層質量退化明顯。

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 紅壤坡耕地耕層質量障礙類型劃分

長期機械化耕作及單一傳統(tǒng)耕作、不合理施肥和種植方式等導致紅壤坡耕地耕層出現(xiàn)明顯影響作物生長的土壤障礙[16]。明確耕層障礙類型并進行準確劃分有助于分析影響坡耕地耕層質量變化的主要生態(tài)過程和障礙因素。本文基于耕層質量評價的11個參數(shù)(表1)，采用ward-euclidean法對其對應的54個耕層樣本進行個案(Q型)系統(tǒng)聚類分析，在距離閾值2～3之間，可將54個耕層樣本劃分為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類為粘重板結型障礙耕層，包括樣本1、14、2、13、3、39、4、15，共8個樣本，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)樣點參數(shù)平均值，處于適宜范圍內(表2)。第Ⅱ類為養(yǎng)分貧瘠型障礙耕層，共14個樣本(包括樣本6、30、23、8、28、47、46、7、20、19、27、31、35、36)，土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀平均質量比分別為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，土壤抗剪強度較其他耕層類型大，兩者呈顯著負相關，相關系數(shù)為-0.431，其他耕層土壤參數(shù)均接近適宜水平，說明疏松耕層，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，土壤有機質等養(yǎng)分含量略低于其他耕層類型，其他耕層質量參數(shù)處于適宜水平。第Ⅴ類為無障礙耕層(樣本5、50、22、29、18、24、32、25、33)，共9個樣點分布，耕層平均厚度為21.55 cm，平均土壤飽和導水率為5.73 mm/min，土壤抗剪強度平均值為3.87 kg/cm2, 土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀平均質量比分別為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,平均土壤粘粒質量分數(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)，耕層平均厚度為17 cm，其中最小耕層厚度僅為13 cm(樣點42)，平均土壤容重為1.37 g/cm3，超出適宜范圍,土壤飽和導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，下層未擾動土壤上移，導致土壤容重增大,水分入滲性能降低有關。

由圖3可見，紅壤坡耕地主要耕層類型可為粘重板結型障礙耕層(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)、無障礙耕層(Ⅴ類)和薄化型障礙耕層(Ⅵ類)。結合紅壤坡耕地各類耕層障礙特點，認為粘粒含量、土壤有機質含量、土壤飽和導水率、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。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%，說明紅壤坡耕地耕層質量總體存在退化趨勢，養(yǎng)分貧瘠、水分限制和粘重板結是紅壤坡耕地面臨的主要障礙因素，紅壤坡耕地耕層質量調控應以蓄水保土、地力提升和固土抗蝕為重點。

2.4 紅壤坡耕地耕層質量關鍵性環(huán)境影響因子分析

自然因素和人類活動的共同作用，對坡耕地耕層質量產生重要影響。紅壤坡耕地耕層質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)和農戶水土保持行為(F8)，共8維因子數(shù)據(jù)進行主成分分析，定量分析紅壤坡耕地耕層質量環(huán)境影響因子作用的強弱(圖4)，箭頭所處象限代表環(huán)境因子與耕層質量的正負相關性，箭頭連線長度及投影長度表示對耕層質量影響程度[17]。前4個公因子累積方差貢獻率達75.48%，可以反映耕層質量環(huán)境影響因子的絕大部分信息；其對耕層質量影響的貢獻率分別為30.14%、18.08%、14.38%和12.88%。

圖4 紅壤坡耕地耕層質量影響環(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)載荷絕對值最大；其次為坡度(-0.570)，說明有效土層厚度對耕層質量呈顯著正相關，有效土層越厚則耕層質量越優(yōu)，有效土層是土壤養(yǎng)分、水分以及植物根系可以運移抵達的深度層，是維持耕層質量的保證層。坡度對耕層質量呈顯著負相關，坡度越大則耕層質量越低，耕層退化越嚴重。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值較大，分別為-0.532和-0.509，對耕層質量產生負向影響。農戶不合理施肥不利于耕層質量培育，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值較大，為0.510，說明陽坡坡面光熱充足，利于作物生長，提高作物與土壤、環(huán)境互補作用。第4主成分上耕作方式載荷絕對值最大，為0.714，對耕層質量有明顯正向影響作用(圖4b)，這是因為農業(yè)機械使用程度的提高促進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)向機械耕作(深松保護性耕作)、橫坡耕作等轉變，使水土流失和土壤板結程度降低，對耕層質量產生正向促進作用。結果表明，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量的關鍵性環(huán)境影響因子。

3 討論

3.1 紅壤坡耕地障礙耕層形成原因

本文研究結果表明，紅壤坡耕地耕層質量特征差異明顯，耕層質量總體處于合理水平，但存在明顯退化趨勢，養(yǎng)分貧瘠型障礙耕層、水分限制型障礙耕層和粘重板結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)性干旱和粘重板結是紅壤坡耕地面臨的主要障礙因素，與前人研究結果一致[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]。降水時空分布不勻，且少雨季節(jié)與強蒸發(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]，降低了紅壤的儲水能力,導致紅壤坡耕地水分蓄持水能力低、有效庫容降低，土壤導水性能下降，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，團聚體受到破壞[27]，尤其在強降雨條件下，雨滴動能明顯大于土壤顆粒內部粘結力，粘結力在雨強較大時易被破壞，造成坡面粘粒大量富積[28]，粘粒含量增加形成粘重板結型障礙耕層。不同顆粒表面化學性質不同，其抗分解能力存在本質區(qū)別[29-30]。各級土壤顆粒與有機碳等相結合對耕作、施肥等農業(yè)措施的反應也有差異[31]。圖4結果表明，紅壤坡耕地耕層質量受多種環(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鍵性環(huán)境影響因子，這與前人研究結論相似[19-20,24,31]。

3.2 紅壤坡耕地障礙耕層調控途徑及效應

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

表3列出了不同措施對紅壤坡耕地耕層障礙指標的調控效應及技術參數(shù)[32-42]，長期施用有機肥顯著提高了紅壤坡耕地pH值和土壤有機質等養(yǎng)分含量，對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]，且長期施用有機肥條件下土壤顆粒復合體解離度明顯降低，對調控粘重板結型障礙耕層作用明顯[32]。通過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，形成虛實并存土壤結構，減少土壤水分蒸發(fā)，增加土壤對大氣降水的蓄存能力，營造耕層水分庫，提高雨水資源利用率和耕層土壤蓄水保墑性能，對薄化型和水分限制型障礙耕層調控效應明顯。秸稈覆蓋對耕層質量改善作用明顯[35,42]，與無措施坡耕地相比，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，促進作物根系下扎，加強其抗倒伏能力，土壤有機質等養(yǎng)分含量明顯增加，對耕層土壤養(yǎng)分改良效果明顯。

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

4 結論

(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，接近作物生長適宜厚度；土壤飽和導水率為(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量總體處于合理水平，但存在明顯退化趨勢，以合理耕層(Ⅲ級)為主，占流域總面積72.2%，較不合理耕層Ⅳ級占22.2%，中度合理耕層Ⅱ級占5.6%。不同坡位耕層質量指數(shù)由大到小依次為坡下(0.482)、坡上(0.454)、坡中(0.444)，坡下部位耕層質量優(yōu)于其他坡位。

(3)紅壤坡耕地耕層類型有粘重板結型障礙耕層、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障礙耕層6類；粘粒含量、土壤有機質含量、土壤飽和導水率、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控指標。紅壤坡耕地耕層質量調控應以蓄水保土、地力提升和固土抗蝕為重點。

(4)紅壤坡耕地耕層質量退化關鍵性環(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個主成分上載荷絕對值最大；施有機肥(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，增強水分蓄持能力)和秸稈覆蓋(提高儲水能力，提升地力)對耕層培育作用明顯。