我国坡耕地面积3823.98 hm², 可占全国耕地面积的28.35 %；坡耕地作为一种重要的耕地类型, 其严重水土流失和面源污染直接威胁着区域粮食安全和生态安全^[1]。紫色土(主要为耕地)资源2198.8万hm ², 其中旱地1889.1万hm², 集中分布在四川盆地, 在云南、重庆、广东、广西、江西等省都有分布^[2]。与其它旱坡地(疏幼林地和灌草地)相比, 坡耕地耕作活动模式是由社会经济因素和自然因素综合决定的, 坡耕地人为扰动最为频繁且有周期性、高强度的特点, 坡耕地生产过程对土壤理化性质影响强烈^[3]。土壤质量指标是指能够反映土壤实现其功能的程度并且能够测量的土壤或植物属性, 指标筛选和确定因研究区域和目的而不同。Power等^[4]认为土壤质量指土壤供养维持作物生长的能力, 主要包括耕性、土壤深度、持水能力、渗透速率、团聚作用、有机质含量、pH、养分性能等。Doran等^[5]把土壤质量定义为维持作物生产力, 维护环境质量, 促进植物和动物健康的能力, 并不破坏自然资源及生态环境的能力。Franzluebbers^[6]认为土壤质量包括土壤内在质量和动态质量, 内在质量为相对稳定的属性(如土壤质地等), 动态质量易受到人为活动的影响(如土壤养分等), 土壤质量高低直接关系到人类生存状况及粮食生产能力。我国农业部2008年将耕地质量定义为耕地满足作物生长和清洁生产程度, 主要包含耕地内在地力和耕地外在环境质量两个方面^[7], 从农学角度土壤质量通常包括土壤供作物生长内在能力及土壤质量动态两方面^[8], 耕作层是为了栽培农作物, 利用工具对土壤进行扰动的深度层, 农田土壤的土体一般分为表土层、稳定层、心土层和犁底层4个层次, 每个层次的物理、化学、生物形状及调节肥力因素都不同^[9], 土壤0—100 cm的质地层次结构对耕层土壤物理、化学性状和生产性能有重要影响^[10]；并在基于“压力-状态-响应(PSR)”框架下, 在地块和小流域尺度建立了针对土壤侵蚀的土地质量评价指标体系^[11], 分析了特定地区耕地土壤质量分等定级与基本农田划定标准等方面^[12], 而对坡耕地耕层土壤质量研究较少。坡耕地严重水土流失不仅造成耕层土壤退化、土层厚度变薄和土壤肥力恶化等土壤环境发生根本性变化, 还可造成坡耕地面积减少、农作物产量下降等一系列农业生产问题, 因此本文选择重庆合川、江西兴国、云南楚雄紫色土坡耕地为研究对象, 通过野外耕层剖面土壤力学性能测定、室内土壤理化性质测定等综合手段, 从土壤属性角度, 重点分析了紫色土坡耕地不同垂直深度的耕层土壤化学性质、物理性质与耕作性能差异性及形成原因, 分析了坡耕地耕层土壤入渗性能与土壤水库特征差异性, 研究结果可为当地紫色土坡耕地土壤质量评价、土壤肥力提升及坡耕地合理耕层建立提供理论依据和技术参数。

1 材料与方法 1.1 研究材料及研究区概况

选择重庆市合川、江西兴国、云南楚雄的紫色土坡耕地耕层土壤为研究对象, 3个区域紫色土的母岩均为不同地质时期紫色砂泥(页)岩。紫色砂岩颗粒粗大、组织疏松并多含石英砂粒, 除机械崩坠外, 一般不易被地面径流所冲刷；而紫色泥页岩, 由于颗粒细小、组织微密、透水性差, 在自然光热水作用下, 易风化成颗粒碎屑, 物理风化强烈, 化学风化微弱。重庆市合川采样点位于双凤镇塘湾村, 属亚热带湿润季风气候, 年均降雨量1107.9 mm, 多集中在5—9月；年均气温18.1℃, >10℃的有效积温5903.1℃；无霜期331d, 年均日照1316.2h。江西省兴国采样点位于社富乡东邵村, 属亚热带东南季风气候, 年降雨量1600 mm, 多集中在4—6月；年均温度18℃, >10℃有效积温6135—6699℃；无霜期284 d, 年均日照1861.4 h。云南省楚雄市采样点位于紫溪镇冷水村, 属亚热带季风气候, 年均降水量800—1000 mm, 集中在7—10月；年气温为14.8—21.9℃, >10℃的有效积温2500℃；无霜期221—275d, 年均日照2450 h。紫色土坡耕地各采样点基本情况见表 1。

1.2 采样方法

在3个地区选择典型紫色土坡耕地地块作为研究对象, 在样地内以“S”型布置采样点进行土壤散样采集, 在样地其中间位置挖掘土壤剖面点进行垂直分布样品采集, 土壤剖面构型示意图及各属性土壤剖面见图 1。以0—20、20—40、40—60 cm分层采样, 样品用塑料薄膜密封, 各层次分别用铝盒法采集含水率测定的样品, 用环刀(100 cm³)法采集土壤容重、孔隙度和田间持水分析的样品, 各样品分别重复3次；土壤力学指标的测定以0—10、10—20、20—30、30—40、40—50、50—60 cm分层进行测定。

1.3 土壤理化性质测试方法

土壤理化性质测定方法^[13-14]如下：含水量采用烘干法；容重、孔隙度采用环刀法；机械组成采用吸管法；土壤入渗采用单环刀法, 采用最初入渗3 min作为初始入渗率, 稳渗率为单位时间内渗透量趋于稳定(单位时间入渗水量相等)的渗透速率；同时在土壤入渗做完以后将环刀上部盖严, 经过2 d重力水排出后测定土壤田间持水量。采用半微量凯氏法测定土壤全氮, 氧化镁浸提-扩散法测定土壤铵态氮, 氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法测定土壤全磷, 双酸浸提法测定土壤有效磷, 氢氧化钠碱熔-火焰光度法测定土壤全钾, 乙酸铵浸提-火焰光度法测定土壤速效钾, 重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机质。

1.4 土壤水库特征值计算方法

土壤水库蓄水量可以按文献^[15]计算, 设某时刻地表以下一定深度H处土壤含水量为θ (h), 则该深度土层相应蓄水量为：

式中, W_a为地表以下H深度土层的土壤蓄水量(mm)。

土壤水库各种特征库容计算方法如下：

最大有效库容=总库容-死库容

式中, W_l为凋萎持水量(%)；r为土壤密度(g/cm³)；H为土层厚度(cm)；n为土壤层次；C为田间持水量(%)；S为饱和持水量(%)。

1.5 土壤力学指标测试方法

土壤抗剪强度采用荷兰产便携式14.10Pocket Vane Tester型三头抗剪仪, 在试验点按开挖约为10 cm×15 cm的试坑, 分别于5、15、25、35、45、55 cm的深度平面, 用小铁铲将之整平, 并注意保持土壤结构完整, 不受破坏。根据该试验土壤的性质(壤质土)选择CL100型(中号)抗剪旋头, 将三头抗剪仪先将指针归零, 抗剪仪头部放至预定试验深度。用手摁压使抗剪仪徐徐压入土中至预定试验深度, 并静置2—3 min。旋转转盘, 直至土体开始被切断时(即表示土体己被剪损)时, 记录仪表盘上的X。土壤抗剪强度计算公式为：

Y = 2. 734X

式中, X为实测值(kg/cm²)；Y为转换后的土壤抗剪强度(kg/cm²)。

土壤贯入阻力选用江苏省漂阳市天目仪器厂的PT型袖珍贯入仪测定, 该贯入仪参数见表 2。PT型贯入仪贯入数值(P, 无量纲)与贯入阻力(P_t, kPa)有如下关系:P_t=-K_t × P。式中K_t为率定参数(正值), 对于同一个贯入仪来说K_t为一定值, 故可用贯入数值P表示土壤贯入阻力。

2 结果与分析 2.1 坡耕地土壤化学性质差异性分析 2.1.1 耕层土壤有机质的差异性分析

土壤有机质对改善耕层作物生长具有重要的作用, 同时在农业环境保护、坡耕地持续利用方面有着重要意义。由不同地点土壤有机质含量分布特征(图 2)可知, 不同地点紫色土坡耕地和同一地点不同垂直深度土壤有机质含量差异显著。

不同地点紫色土坡耕地土壤有机质差异较大, 有机质含量由高到低依次为云南楚雄、江西兴国、重庆合川。相较与重庆合川和江西兴国, 云南楚雄由于长期精耕细作及土壤施肥频繁, 有机质输入量较大, 所以耕层土壤有机质平均含量相对较高, 平均可达28.80 g/kg；重庆合川最低, 平均为8.80 g/kg。耕层土壤有机质随土层垂直深度增加呈逐渐减小趋势, 重庆合川、江西兴国、云南楚雄0—20 cm层有机质含量是40—60 cm含量的2.50倍左右；但在YN-2采样点则以0—20 cm土层有机含量最低(9.89 g/kg), 最高值(24.45 g/kg)出现在20—40 cm层次, 该差异出现原因在于在当地耕作过程中, 不断深翻耕作, 将表层土壤翻入下层, 而将下层土壤置于耕地表层, 从而导致土壤有机质含量呈现出这种变化规律。

2.1.2 耕层土壤养分的差异性

土壤养分是土壤提供的植物生长发育所必须的营养元素, 土壤养分受母质、气候、生物、时间和人类活动的影响, 其形态和形成过程相当复杂, 具有高度的空间变异性^[16]。由表 3不同地点土壤养分特征可知, 紫色土坡耕地土壤全量养分和速效养分均存在较大差异。除全钾含量外, 土壤全量养分和速效养分的含量云南楚雄大于重庆合川和江西兴国, 云南楚雄紫色土坡耕地土壤全氮在0.45—0.91 g/kg之间变化, 重庆合川和江西兴国变化范围分别为0.50—1.36 g/kg和0.39—0.75 g/kg；云南楚雄全磷量平均值分别为0.74 g/kg, 是重庆合川和江西兴国的1.88倍和1.72倍；不同地点紫色土坡耕地土壤全钾含量的差异不显著, JX地区全钾含量最高, 平均值为29.20 g/kg, 而重庆合川的全钾含量最低, 为18.48 g/kg。不同地点土壤碱解氮和有效磷差异较大, 而土壤速效钾差异不显著；云南楚雄土壤碱解氮含量在91.40—237.00 mg/kg, 有效磷含量在3.40—44.00 mg/kg范围内变化, 分别是江西兴国的2.80倍和3.10倍；重庆合川、江西兴国、云南楚雄土壤速效钾平均值含量分别为81.50、64.00、88.50 mg/kg。

不同地点紫色土坡耕地土壤养分含量随土层深度变化存在显著差异(表 6)。总体上, 不同地点紫色土坡耕地0—20 cm土壤全氮含量高于20—40 cm和40—60 cm土层含量；但在CQ-2和YN-1样地出现不同变化, CQ-2土壤全氮含量最大值(1.36g/kg)出现在20—40 cm, 而YN-1土壤全氮含量最大值(1.39 g/kg)出现在40—60 cm；土壤全磷在各土壤层次间变化差异明显, 与土壤全氮含量变化特征一样, 土壤全磷最大值出现在0—20 cm；而土壤全钾含量在各土壤层次间含量无明显差异性。坡耕地不同垂直层次土壤速效养分变化规律基本一致, 速效养分主要在0—20 cm耕层富集, 而20—40 cm和40—60 cm土层则无显著差异。

土壤pH对土壤供肥能力具有重要调控作用, 同时pH高低也能限定土壤某些养分有效性。除YN-2样地土壤呈碱性(pH范围在7.3—7.9) 外, 其他样地土壤均呈酸性, 以江西兴国土壤pH最低, 在5.2—5.9范围内变化；重庆合川pH变化范围为5.3—6.2；主要原因是江西兴国紫色土坡耕地耕层土壤处于长期免耕或少耕状态, 而已有研究表明免耕土壤pH往往比传统耕作低。

2.2 坡耕地耕层土壤物理性质差异性分析

土壤物理性质是坡耕地合理耕层构建主要调控指标, 土壤机械组成、容重及孔隙直接关系农作物生长期间的水、热、气条件, 土壤机械组成也是影响土壤肥力的重要物理性质之一。由表 4不同地点坡耕地耕层土壤物理性质特征可见, 不同地点紫色土坡耕地土壤机械组成表现出明显差异, 重庆合川紫色土坡耕地土壤颗粒主要集中在0.05—0.001 mm, 粉粒含量可高达61.04%—63.11%；江西兴国紫色土坡耕地土壤砂粒和粉粒含量远大于粘粒, 1—0.05 mm砂粒含量在37.80—54.00%, 0.05—0.001 mm粉粒含量在36.20%—47.80%之间变化；云南楚雄紫色土坡耕地土壤主要以砂粒和粉粒为主, 云南耕层土壤1—0.05 mm砂粒含量分别为37.40%和47.13%, 0.05—0.001mm粉粒含量为49.93%和42.42%。不同垂直深度的土壤颗粒组成存在一定差异, 这说明土壤质地在坡耕地耕层剖面上分布不均；总体来说, 0—20 cm土壤粘粒( < 0.001 mm)含量显著高于20—40 cm和40—60 cm, 主要原因在于0—20 cm土层为坡耕地耕作层, 由于定期耕作、除草等活动, 能够将耕层板结土壤人为地破碎成不同大小的土块, 使耕层土壤疏松、透水透气性得到有效改善。

土壤容重是衡量土壤环境优劣的重要指标, 直接影响土壤通气状况、作物根系穿透阻力及水肥供应等因素。由表 4可知不同地点坡耕地耕层土壤容重存在一定差异性。以重庆合川坡耕地土壤容重最大(平均值为1.43 g/cm³), 江西兴国坡耕地次之(平均值为1.40 g/cm³), 而云南楚雄坡耕地最小(平均值为1.30g/cm³)；不同地点土壤容重差异性原因在于土壤母质本身影响基础上, 主要受到当地耕作方式与种植作物影响。土壤容重随坡耕地土层垂直深度变化表现为0—20 cm < 20—40 cm < 40—60 cm, 即呈现出土壤层次越深、土壤容重越大的变化趋势。

土壤孔隙的连续性与稳定性是直接影响作物根系生长和养分运输的重要因素。不同地点坡耕地土壤孔隙差异性显著, 土壤总孔隙大小为云南楚雄(54.12%)>江西兴国(47.22%)>重庆合川(45.97%), 这说明云南楚雄较重庆合川、江西兴国具有更好土壤通透结构；土壤毛管孔隙度的变化趋势与总孔隙度保持一致, 分别为云南楚雄(38.15%)、江西兴国(36.31%)、重庆合川(34.36%)。总体上, 3个地点坡耕地土壤总孔隙度、毛管孔隙度的随土壤垂直深度的变化规律具有一致性, 表现为耕作层(0—20 cm)>心土层(20—40 cm)>底土层(40—60 cm), 其主要原因在于0—20 cm土壤层, 由于经常性人为耕作扰动, 使得土壤孔隙结构发生显著性变化；因此为了改善深层土壤的孔隙特性, 应该采取适当的保护性耕作措施, 如深松耕作等措施。

2.3 坡耕地耕层土壤入渗与土壤水库特征差异性分析 2.3.1 耕层土壤入渗差异性特征

土壤入渗性能与坡面地表径流和土壤侵蚀程度密切相关, 直接关系到坡耕地耕层土壤质量生产性能及退化程度^[17]。不同地点坡耕地耕层土壤入渗特征存在差异, 随着入渗时间延续, 土壤入渗速率减小并最终趋于不同的稳定值, 表明了在不同土壤含水率条件下坡耕地耕层土壤入渗性能的差异。不同地点坡耕地耕层土壤在入渗初期(0—5 min)土壤入渗速率均最大, 如江西兴国耕层初始土壤入渗率最大(0.32 mm/min), 为重庆合川的1.66倍；但随着入渗时间持续, 由于土壤水分含量增加, 耕层土壤入渗速率逐渐变缓且在入渗开始50 min后, 土壤水分基本达到饱和状态, 因此土壤入渗速率基本保持稳定。同样地, 坡耕地耕层土壤稳定入渗率、平均入渗率均随着入渗时间持续, 其土壤入渗速率呈下降变化, 但入渗速率存在明显差异性, 总体表现为云南楚雄>重庆合川>江西兴国。不同地点坡耕地耕层土壤入渗特征随耕层垂直深度的变化规律保持一致, 即随着土层深度土壤入渗减小；这主要由于耕层作物根系及人为耕作扰动, 导致土壤孔隙结构变大、透水能力和持水能力增加；随着土层深度增加, 土壤孔隙数量减少、土壤紧实度变大。

由表 5数据可知, 不同地点坡耕地耕层土壤初始入渗在垂直深度变化均表现为0—20 cm耕作层要显著大于20—40 cm心土层和40—60 cm底土层, 即降雨初期水分可在0—20 cm耕作层迅速入渗, 难以形成地表径流, 只有当降雨强度超过初始入渗量才会产流。虽然0—20 cm土层渗透条件好, 但蓄水能力有限, 当土壤水分在0—20 cm土层蓄满可导致具有一定流速的壤中流产生, 可将在土壤结构中起胶结作用的细粒物质携带出土壤体之外, 形成浑浊的、具有一定含沙量的壤中流, 这就是在紫色丘陵区水力侵蚀导致坡耕地耕层土壤退化的主要原因。

2.3.2 坡耕地耕层土壤水库特征差异分析

土壤水库在解决农田供水、提高旱作产量和节约灌溉水方面, 有其自身的特殊作用；同时具有显著的调节作物供水的功能^[17-18]。由表 6可知, 不同地点坡耕地土壤水库特征及相应土壤贮水能力差异显著。土壤水总库容的大小表现为云南楚雄(1052.52 t/hm²)>江西兴国(974.15 t/hm²)>重庆合川(867.30 t/hm²), 说明不同地点紫色土坡耕地土壤所能容蓄的水分总量存在较大差异；土壤水死库容的变化规律与土壤水总库容的变化规律一致, 以云南楚雄(179.20 t/hm²)最大, 江西兴国(150.82 t/hm²)次之, 重庆合川(101.26 t/hm²)最小, 表明重庆合川耕层土壤水库无效水分较高, 即该地区坡耕地作物的水分可用量较少, 土壤水分循环效率较低；不同地点紫色土坡耕地兴利库容大小依次为重庆合川(293.02 t/hm²)>云南楚雄(291.89 t/hm²)>江西兴国(182.28 t/hm²), 说明重庆合川耕层土壤具有较强的土壤贮水能力；土壤滞洪库容以江西兴国(458.776 t/hm²)最大, 是重庆耕层土壤的2.54倍, 这说明江西兴国紫色土坡耕地土壤当土壤含水量大于田间持水量时, 坡面径流能够更多的蓄存在土壤中。土壤最大有效库容越大, 即土壤的蓄水能力越强, 不同地点紫色土坡耕地土壤最大有效库容以云南楚雄(873.311 t/hm²)最大, 即云南楚雄坡耕地土壤具有较好的蓄水能力, 能够较好抵御西南地区普遍存在的季节性干旱, 为农作物正常生长提供足够水分支持。

不同地点坡耕地耕层土壤水库库容随土层垂直深度表现出相似变化规律, 坡耕地耕层土壤总库容、死库容、兴利库容、滞洪库容、最大有效库容均表现为0—20 cm耕作层大于20—40 cm心土层和40—60 cm底土层, 这一现象在云南楚雄表现最为显著；土壤库容受到土壤质地、土壤孔隙结构、土壤有机质及土壤层厚度等因素综合影响, 土壤容重越小、砂粒含量和有机质越高、土壤的团聚结构越好, 则土壤孔隙越大、通气性较好, 土壤最大有效库容也就越大, 即土壤的蓄水能力也就越强。

2.4 坡耕地耕层土壤耕作力学性能的差异性分析

耕层土壤力学性能评价在农业生产各项活动中广泛应用, 如改善土壤耕性、优化土壤结构力稳性、提高车辆通过性、增强土壤承载力等。土壤力学性质主要表现为土壤抗剪力和土壤贯入阻力等指标。土壤抗剪强度是表征土体力学性质一个重要指标, 直接反映了在外力作用下发生剪切变形的难易程度。由图4可知, 不同地点和不同垂直深度坡耕地耕层土壤抗剪强度存在显著性差异。不同地点紫色土坡耕地土壤抗剪强度依次为重庆合川(15.39 kg/cm²)>云南楚雄(14.74 kg/cm²)>江西兴国(10.66 kg/cm²)；不同地点紫色土坡耕地土壤抗剪强度最大值(23.950 kg/cm²)出现在YN-2采样点50—60 cm土层, 而最小值(3.94 kg/cm²)出现在YN-1采样点0—10 cm土层；这说明江西兴国坡耕地土体在受到外力作用条件下易发生剪切变形而破坏, 而重庆合川坡耕地土体抵抗这种剪切变形的能力较好。各地点坡耕地耕层不同垂直深度土壤抗剪强度变化规律不一致, 重庆合川坡耕地耕层土壤抗剪强度随垂直深度呈现出先增大、后减小变化趋势, CQ-1和CQ-2土壤抗剪强度最大值分别出现在30—40 cm和40—50 cm土层；江西兴国坡耕地耕层土壤抗剪强度随土层深度逐渐增大, JX-2采样点30—40、40—50、50—60 cm土层抗剪强度基本保持一致；云南楚雄紫色土坡耕地土壤抗剪强度总体呈现逐渐增大的趋势, 但YN-1采样点最大值(19.083 kg/cm²)在40—50 cm土层。

土壤贯入阻力是耕层土壤重要物理参数之一, 在预测机械触土部件工作性能, 车辆的通过性能、附着性能、牵引性能, 估计由于车辆的碾压而导致的土壤板结程度等方面具有广泛的应用^[19]。不同地点紫色土坡耕地土壤贯入阻力特征值见表 7。由表可知, 坡耕地耕层同一垂直深度不同地点的土壤贯入阻力值存在明显差异, 对于坡耕地0—10cm耕作表层, 以重庆合川土壤贯入阻力值最大(平均424.83kPa), 云南楚雄次之(平均252.50 kPa), 江西兴国最小(188.87 kPa)；坡耕地10—20、20—30 cm的土壤贯入阻力大小变化均为重庆合川>江西兴国>云南楚雄；而坡耕地30—40、40—50、50—60 cm的土壤贯入阻力均表现为重庆合川最大, 云南楚雄次之, 江西兴国最小；这说明云南楚雄坡耕地耕层(0—20 cm)土壤在机械耕作过程中易受到机械碾压而板结, 大型机械引入不利于农作物产量提高。对于同一地点不同垂直深度坡耕地耕层而言, 土壤贯入阻力值差异较大；总体上随着土层深度增加、土壤贯入阻力值变大, 这主要因为长期人为耕作活动而导致上层土壤疏松, 而农业机械长期碾压下层土壤且没有翻耕所致其紧实。

3 讨论 3.1 土壤侵蚀对紫色土坡耕地耕层土壤质量的影响

紫色土具有成土作用迅速、耕性和生产力高的特点；同时具有侵蚀性高、抗旱性差、土壤退化严重的特点^[2]。朱波^[20]认为土层厚度是紫色土生产力基本限制条件, 20 cm厚紫色土蓄水量仅为60 cm厚土壤蓄水量的1/3, 不及100 cm厚土壤蓄水量的1/5。史东梅^[3]认为如果坡耕地土壤因素表现为土层深厚、壤质、容重适中、土壤结构良好、有机质含量较高则水土流失强度较轻, 而土壤因素表现为土壤结构差、土层浅薄、土壤肥力低则表现为水土流失严重并加剧坡耕地干旱和洪涝灾害。表 8列出了不同坡度的坡耕地土壤侵蚀特征及其对坡耕地耕层厚度的影响。

研究显示, 土壤侵蚀减少了植物可利用有效水分, 损失了土壤营养物质, 破坏了土壤肥力结构, 影响农业耕作制度, 从而严重地降低了土壤质量^[21]。对坡耕地土壤质量退化, 目前主要从降雨侵蚀和耕作侵蚀对坡耕地土壤质量的退化作用开展研究。Nyssen^[22]等研究发现坡耕地土壤在耕作深度为8.7 cm时, 坡面土壤会大量聚集在坡耕地的坡下部位, 导致坡上部位土层薄化, 每年耕作1—4次, 土壤运移量由最初的68 kg/m增加到272 kg/m。Kosmas等^[23]在12°坡耕地研究发现耕作扰动会导致土壤粘粒含量分布不均, 坡上部位为20%、坡下部位为34%。聂小军等^[24]利用¹³⁷Cs示踪方法和耕作侵蚀模型评价了川中丘陵区紫色土坡耕地土壤侵蚀速率, 发现短陡坡耕地土壤侵蚀速率高达52.6t hm^-2 a^-1, 是缓长坡耕地土壤侵蚀速率的2倍；陡坡坡耕地的主要侵蚀过程为耕作侵蚀, 对土壤总侵蚀贡献率高达74%；而缓长坡主要侵蚀过程为水蚀, 对土壤总侵蚀贡献为55%。陈奇伯等^[25]对干热河谷土壤侵蚀对坡耕地土地生产力衰退研究表明, 土壤容重在0—30 cm土层为1.38 g/cm³, 在30—50 cm土层为1.55g/cm³；毛管孔隙度和总孔隙度分别比下层土壤高4.3%和3.7%；土层每减少1cm, 生物量下降2.32%—5.29%。史德明等^[26]对中国南方侵蚀土壤退化指标体系研究表明, 侵蚀土壤退化导致了土壤肥力状况(水、肥、气、热)和土壤质量普遍下降, 与正常土壤(未退化土壤)相比较, 土壤质量等级要降低2—3个等级, 使成为难以利用的土壤.。王志强等^[27]对东北黑土区土壤侵蚀对土地生产力影响试验研究结果表明, 土壤容重由侵蚀0 cm的1.22 g/cm³增加到侵蚀70 cm的1.43 g/cm³；大豆产量随侵蚀程度增加呈指数递减函数的变化形式, 随土壤侵蚀深度增加呈凹型曲线递减。郭云周等^[28]通过侵蚀模拟试验发现表层土壤侵蚀1.66—20cm后, 深翻可使耕层达到20 cm, 耕层有机质降低14.37%—46.87%, 硝态氮降低14.42%—46.98%, 速效磷降低33.48%—85.71%, 速效钾降低8.09%—36.27%, 同时作物产量大幅度减产。本文对各地点坡耕地耕层土壤质量差异性分析表明, 由于重庆合川坡耕地耕层具有土壤容重较大、孔隙度较低, 渗透性和蓄水能力差特点, 总体上坡耕地土壤物理质量较差。

3.2 坡耕地耕层土壤耕性参数适宜性阈值

土壤耕作性能是一系列土壤物理性质和机械力学性质的综合反映, 如土壤黏结性、黏着性、可塑胀缩性、结构性、孔隙松紧状况等。丁启朔等^[29]认为构成土壤宏观力学结构力学行为的物理基础是土壤质地、土壤容重、土壤结构状态及土壤含水量等, 土壤破碎发生机理及耕作机具田间碎土行为是土壤宏观力学结构基本研究内容。有关研究表明, 重庆土壤侵蚀流失粒径主要是0.05—0.002 mm(粉粒)和 < 0.002 mm(粘粒)这两部分, 而0.25—0.05 mm(细砂)、0.25—0.5 mm(中砂)、0.5—20 mm(粗砂)则相对富集^[30]；从颗粒分析看, 重庆紫色土坡耕地具有明显粗骨化特征, >0.01 mm物理性砂粒含量占52.00%—69.97%, 尤其是0.1—0.05 mm颗粒, 可占31.40%—41.99%^[31]；江西紫色土坡耕地土层厚度为1 cm时, 土壤渗透系数为2.2 mm/min^[32]；云南干热河谷侵蚀土壤表土有机质含量介于2.4—9.6 g/kg之间, 土壤紧实化严重且土壤容重在1.36—1.54 g/cm³；土壤表层浅薄化, 表层厚度范围为0——17 cm；土壤碱化严重, pH在8.0—8.9之间^[33]。本文综合上述前人研究结果, 列出坡耕地耕层土壤耕性指标适宜性范围(表 9), 并根据实测数据评价不同不同地点坡耕地的耕性特征。

由上表可知, 不同地点坡耕地耕层土壤耕性指标平均值均在当地耕地耕性适宜值范围, 而20—40 cm和40—60 cm的评价指标数值超出耕性适宜范围而20—40 cm和40—60 cm的个别指标数值超出耕性适宜范围, 如土壤容重最大值可达1.70 g/cm³, 这使土壤更加紧实、不易耕作；土壤总孔隙度最大值为70.06%, 说明该土壤保水效益较差、不宜耕层抗旱性发挥；土壤有机质含量最小值为5.10%, 比适宜性范围小4.90%, 这导致土壤肥力水平下降, 不宜农作物生长。总体看, 耕性指标良好程度将直接关系到农作物产量高低。因此可在当地采取适当耕作措施(如一般22—24 cm以下深松、深土培肥等)进行坡耕地耕层土壤质量改良, 如何选择深松、有机肥培肥、秸秆还田等合适耕作措施, 以实现对坡耕地耕层土壤质量有效改善将是今后坡耕地合理耕层培育及稳产高产土壤地力保持的研究重点。

4 结论

(1) 不同地点紫色土坡耕地耕层土壤化学性质、物理性质差异性显著。云南楚雄坡耕地耕层土壤肥力较好, 土壤有机质达28.80 g/kg, 土壤全量养分和速效养分均最高；而重庆合川耕层土壤有机质仅为8.80 g/kg。重庆合川坡耕地耕层土壤物理质量较差, 主要表现在土壤容重最高(1.43 g/cm³), 土壤总孔隙度(45.97%)和毛管孔隙度(34.36%)最小；同一地点紫色土坡耕地土壤物理性质随垂直深度变化明显。从土壤质量角度看, 坡耕地0—20 cm耕层土壤物理质量要优于20—40 cm心土层和40—60 cm底土层。

(2) 不同地点紫色土坡耕地耕层土壤稳定入渗率、平均入渗率变化规律相一致, 但土壤入渗率大小存在差异, 表现为云南楚雄>重庆合川>江西兴国。坡耕地耕层土壤水库特征差异显著, 各种土壤水库特征值均表现为0——20 cm耕层大于20—40 cm和40—60 cm土层；坡耕地耕层土壤水总库容和最大有效库容以云南楚雄最大, 分别为1052.52 t/hm²和873.311 t/hm², 这说明其紫色土坡耕地具有较好水分容蓄能力。

(3) 不同地点紫色土坡耕地耕层土壤抗剪强度和土壤贯入阻力均表现为重庆合川>云南楚雄>江西兴国, 且随土层垂直深度耕层土壤抗剪强度和土壤贯入阻力值增加。不同地点坡耕地耕层土壤抗剪强度依次为15.39、14.74、10.66 kg/cm², 土壤贯入阻力则分别为424.83、252.50、188.87kPa, 这说明重庆合川紫色土坡耕地耕层土壤可以较好抵抗降雨、耕作的剪切破坏能力以及耕作机械碾压能力。

(4) 不同地点紫色土坡耕地0—20 cm耕层土壤耕性均处于适宜阈值范围, 而20—40cm和40—60 cm土壤物理特征值超出耕性适宜性范围, 采用适宜的深松、有机肥、秸秆还田等措施有利于改良深层次土壤质量, 可用于坡耕地合理耕层构建和培育。