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】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。紫色土坡耕地耕层质量障碍特征??宋鸽,史东梅,曾小英,蒋光毅,江娜,叶青紫色土坡耕地耕层质量障碍特征宋鸽1,史东梅1,曾小英2,蒋光毅3,江娜1,叶青1(1西南大学资源环境学院,重庆400715;2重庆市林业科学研究院,重庆400036;3重庆市水土保持生态环境监测总站,重庆401147)【】紫色土坡耕地具有高生产力和强侵蚀性的特点,是长江上游重要的耕地资源,分析坡耕地障碍耕层类型及其对农作物产量的影响,对坡耕地合理耕层构建参数确定、耕层质量调控和坡耕地持续利用具有重要应用价值。本文基于不同地力等级紫色土坡耕地耕层样本,定量化分析坡耕地耕层质量障碍特征。采用障碍度模型及聚类分析研究不同地力等级紫色土坡耕地障碍耕层类型及耕层质量变化特征。(1)不同地力紫色土坡耕地土壤物理属性差异显著,随地力等级降低,地块田面坡度显著变大、有效土层厚度显著变小,°°,农作物产量可下降45%,五级坡耕地心土层缺失现象严重;而土壤肥力属性未表现明显差异,一至四级坡耕地同一地力等级土壤有机质、土壤全氮、阳离子交换量总体表现为耕作层>心土层>底土层,五级坡耕地耕作层与底土层之间各指标差异不显著。(2)一、-,同一地力等级各土层土壤质量指数表现为耕作层>心土层>底土层;土壤物理属性对低产坡耕地土壤质量影响更为显著,。(3)紫色土坡耕地障碍耕层可分为3类,即Ⅲ土壤养分限制型、Ⅳ有效土层厚度限制型、Ⅴ田面坡度限制型,土壤物理属性为主要障碍特征时,耕层构型疏松,心土层缺失现象严重,农作物产量较土壤养分限制型坡耕地低25%。紫色土坡耕地耕层质量偏低,障碍耕层包含土壤养分限制型、有效土层厚度限制型、田面坡度限制型3种类型,土壤物理属性为主要限制因素,田面坡度偏大,有效土层厚度浅薄化严重。紫色土;坡耕地;耕层质量;障碍耕层;障碍度模型;聚类分析0引言【研究意义】紫色土是长江上游重要的耕地资源,坡耕地面积高达767万hm2,占全国坡耕地面积32%,主要分布于重庆、四川[1]。紫色土由紫色砂页岩发育而成,矿质养分丰富、成土速度快、土壤生产力高[2-3],但土层浅薄、侵蚀性高、抗旱性差、退化严重,土壤侵蚀强度在5897t·km-2·a-1以上[3]。因此,探究紫色土坡耕地耕层障碍特征,对于紫色土坡耕地耕层质量调控、合理耕层构建具有重要意义。【前人研究进展】坡耕地耕层质量是土壤抗侵蚀性能、生产性能等多种功能的综合表现,受降雨、土壤、人类活动等多种因素影响,耕层浅薄、犁底层增厚、养分贫瘠等是紫色土坡耕地耕层质量障碍的突出表现[4]。长期不合理耕作加剧了坡耕地水土流失,耕地地力下降,土壤环境发生根本性变化,坡耕地面积不断减少、农作物产量下降[5]。国内外分别从土壤物理属性、土壤肥力状况等角度对坡耕地耕层质量进行分析、评价,REZAEI等[6]根据土壤生产性能、稳定性能,利用MDSS模型进行土壤质量评价,分析土壤蓄水性能、肥力状况、抗侵蚀性能。CEVDET?SEKER等[7]利用主成分分析法确定研究区土壤质量评价最小数据集,进行土壤质量评价,得出区域尺度评价、监测土壤质量的敏感性指标;闫建梅等[8]以紫色土坡耕地“冬小麦-夏玉米”种植制度为研究对象,重点分析不同施肥、耕作模式下坡耕地产流产沙特征及养分流失特征;LIN等[9]通过田间定位试验,分析不同植物篱类型对紫色土坡耕地土壤肥力质量的调控作用;张贝尔等[10]以序贯高斯模拟法为基础,深入分析研究区土壤肥力低下区域及主要限制因子,并得出土壤肥力低下判定阈值;张立江等[11]对东北黑土耕地质量进行评价,并引入障碍度模型定量分析各指标障碍度大小;樊亚男等[12]采用主成分分析、土壤综合质量指数法对研究区土壤质量进行评价,明确土壤肥力主要障碍因子,将研究区划分为三大障碍类型区;匡丽花等[13]基于改进的TOPSIS模型及障碍度模型,从时间、空间角度分析研究区耕地系统安全格局变化情况,并对其主要障碍因子进行诊断。【本研究切入点】目前对于坡耕地土壤质量的研究多集中于耕地质量评价及土壤质量改良等方面,而对坡耕地耕层构型障碍特征的研究较少,并且以定性分析为主。障碍度模型是在综合评价模型的基础上,对影响土壤质量的障碍因子进行筛选,确定主要障碍因子[11]。【拟解决的关键问题】本文以紫色土坡耕地耕层为研究对象,基于不同地力等级坡耕地土壤物理属性、肥力状况,运用障碍度模型定量分析紫色土坡耕地耕层障碍因子,并采用聚类分析对坡耕地耕层障碍特征进行分类,可为紫色土坡耕地耕层质量改良、合理耕层构建提供参数依据。%,15°—25°,25°,紫色土是重庆市耕地(尤其是坡耕地)分布最广的土壤类型[14]。重庆市属亚热带季风性湿润气候,多年平均降水量1200mm且多集中在5—9月,约占全年总降水量70%,年平均气温16—18℃[14]。根据《重庆市耕地地力调查》[15],针对“油菜-玉米”种植制度,选取紫色土丘陵区坡耕地集中分布的万州区、云阳县、北碚区、綦江区、江津区、彭水县、巴南区共35个一至五级典型坡耕地耕层土壤剖面样本,收集其土壤物理、肥力及农作物产量3方面指标,如表1所示。,土壤有机质、土壤全氮、土壤有效磷、阳离子交换量、耕层厚度、心土层厚度与耕地地力等级呈正相关,界定为S型函数;田面坡度与耕地地力等级表现为负相关,界定为反S型函数,评价指标的最小值、最大值为函数转折点[4];评价指标权重采用主成分分析法确定,评价指标隶属函数、参数及评价指标权重见表2。(soilqualityindex,SQI)是对土壤质量评价指标的集成,土壤质量指数越大,则土壤质量越高[4],计算公式如下:SQI=式中,Wi为第i项评价指标的权重,Si为第i项评价指标隶属度,n为评价指标个数。。其中,因子贡献率(Vi)表示评价体系中指标i的权重;指标偏离度(Bi)表示与该指标理想值的差距,即评价体系中指标隶属度与1(100%)之差;障碍度(Mi)表示第i项指标对耕地地力的障碍作用程度[16]。计算公式如下:Bi=1-AiMi=式中,Mi为指标障碍度;Bi为指标偏离度;Vi为因子贡献率;Ai为指标隶属度。按照等距法将指标障碍度分为无障碍(0)、轻度障碍(0—10%)、中度障碍(10%—20%)和重度障碍(>20%)4个等级[16]。、、Origin2017进行统计分析及单因素方差分析(One-wayANOVA),,对耕层障碍类型进行划分。、肥力指标表征,不同地力等级耕作层、心土层、底土层之间各土壤属性存在显著差异。一至五级坡耕地田面坡度(图1)°、°、°、°、°,三、四、五级坡耕地较一、二级坡耕地相差2—4倍。农作物产量与田面坡度呈显著负相关,°°,·hm-·hm-2,降幅为45%。—,变异性较小;随地力等级降低,心土层厚度整体呈下降趋势,一、二、、、,四级坡耕地心土层厚度()显著降低,与一级坡耕地相比下降58%,五级坡耕地心土层缺失。有效土层厚度随地力等级下降整体呈减小趋势,,其中四、五级坡耕地有效土层厚度较一、二、三级坡耕地显著下降;农作物产量与有效土层厚度呈正相关,有效土层厚度降低44%,农作物产量下降45%。随地力等级下降,耕作层、心土层、底土层土壤有机质、土壤全氮、土壤有效磷、阳离子交换量整体呈下降趋势(图2)。五级坡耕地各土壤肥力指标较一、二、三级坡耕地未表现出显著差异且高于四级坡耕地,反映出田面坡度、有效土层厚度是限制五级坡耕地的重要因素。不同地力等级间土壤肥力指标未发生明显变化,其原因可能是由于耕作过程中农户普遍通过施加化肥提高土壤养分含量。由图2可知,同一地力等级坡耕地土壤有机质、全氮、阳离子交换量整体表现为耕作层>心土层>底土层。与耕作层相比,一至四级坡耕地心土层土壤有效磷降幅最大,在30%—79%之间;其次为土壤有机质,一至四级坡耕地分别下降34%、21%、38%、16%,土壤全氮分别下降32%、20%、34%、18%;阳离子交换量降幅最小,一至三级坡耕地降幅在1%—12%之间。·kg-1,显著高于心土层、底土层;二级、三级坡耕地耕作层土壤有机质含量、土壤全氮含量显著高于心土层、底土层;四级坡耕地耕作层、心土层、底土层之间土壤属性指标差异不显著;五级坡耕地心土层缺失,耕作层下为底土层,与耕作层相比,底土层土壤有机质、有效磷分别增加9%、151%,土壤全氮、阳离子交换量分别降低1%、55%,耕作层与底土层之间各指标差异不显著。表1紫色土坡耕地耕层土壤属性指标及农作物产量表2S型、反S型隶属函数、。同一地力等级,各土层土壤质量指数由高到低依次为耕作层、心土层、底土层。一、三、四级坡耕地心土层土壤质量指数较耕作层分别降低7%、23%、27%;底土层土壤质量指数较心土层未表现出明显下降趋势。一、二级坡耕地耕作层、心土层、—,属中产耕层。与二级坡耕地相比,三级坡耕地耕作层土壤质量指数高1%,但心土层土壤质量指数低24%,这表明坡耕地土壤质量由耕作层、心土层、底土层共同决定,任一土层土壤质量指数偏低都会影响耕层质量,导致农作物减产。与一、二级坡耕地相比,三、四级坡耕地心土层、底土层土壤质量指数较耕作层下降趋势更为明显。不同大写字母表示同一垂直层次不同地力等级差异显著(P<)不同地力等级坡耕地土壤属性指标障碍度特征(表3)表明,随地力等级下降,耕作层、心土层、底土层各土壤物理指标障碍度呈增大趋势,土壤肥力指标障碍度呈逐渐减小趋势。田面坡度障碍度由一级坡耕地(%)轻度障碍变为五级坡耕地(%)重度障碍;%—%之间,均属中度障碍。耕作层、心土层土壤肥力指标主要障碍因子为土壤有机质、土壤有效磷,其中一、二级坡耕地耕作层土壤有机质、%—%之间,均为重度障碍;三、四、五级坡耕地土壤有机质、土壤有效磷障碍度呈逐渐减小趋势,五级坡耕地耕作层土壤有机质、%、%,均为中度障碍。底土层土壤肥力指标障碍因子主要为土壤全氮、土壤有效磷,其次为土壤有机质,各地力等级坡耕地土壤全氮、%—%之间,除五级坡耕地土壤有效磷之外,均为重度障碍;%—%之间,均为中度障碍;%,重度障碍。不同小写字母表示同一地力等级不同垂直层次差异显著(P<)。、肥力指标等在土壤中的垂直分布特征,明确耕层构型障碍特征有助于针对不同障碍类型提出具体的耕作、施肥措施,有利于合理耕层构建。综合各土壤属性指标权重及障碍度大小,基于土壤有机质、全氮、阳离子交换量、有效土层厚度、田面坡度5个指标对坡耕地有效土层(耕作层+心土层)样本进行Q型聚类分析(图4),可将有效土层样本明显分为5类,其中障碍耕层构型分别为Ⅲ土壤养分限制型、Ⅳ有效土层厚度限制型、Ⅴ田面坡度限制型。图4坡耕地耕层聚类分析谱系图Ⅰ类包括坡耕地样本31、33,分别为一、三级坡耕地,主要特征是土壤有机质含量最大,·kg-1,阳离子交换量偏低,有效土层厚度偏小,田面坡度较为适宜,·hm-2,可通过提高阳离子交换量、有效土层厚度促进农作物进一步增产;Ⅱ类包括坡耕地样本12、22、1、32、2、9、17、8、11、21、6、3、7,主要为一、二、三级坡耕地,主要特征是土壤有机质含量偏低,阳离子交换量、有效土层厚度最大,田面坡度最小,·hm-2,耕层构型上虚下实,即耕层土壤紧实度垂直分布表现为上部疏松下部较紧实;Ⅲ类包括坡耕地样本19、23、16、27、26、13、18、28、24,主要为一、三、四级坡耕地,主要特征是土壤有机质、土壤全氮、阳离子交换量偏低,有效土层厚度较为适宜,°,·hm-2,耕层构型主要为全虚型,不利于土壤保水保肥及作物根系生长,可通过施加生物炭、有机肥等提高阳离子交换量及土壤养分含量,进而提升农作物产量;Ⅳ类包括坡耕地样本5、35、14、25、10、29、4、15,主要为四、五级坡耕地,主要特征是土壤有机质含量、土壤全氮含量最低,有效土层浅薄,田面坡度偏大,农作物产量低,该类坡耕地样本心土层缺失,耕层构型疏松,不利于农作物生长,可通过增施有机肥、聚土免耕等措施提高土壤肥力、增厚耕层;Ⅴ类包括坡耕地样本20、34、30,主要为四、五级坡耕地,主要特征是土壤有机质含量较为适宜,土壤全氮含量最大,阳离子交换量低下,有效土层厚度偏低,田面坡度最大,农作物产量低下,耕层构型不完整,心土层缺失,可通过施加生物炭、秸秆覆盖与少免耕相结合等方式减轻耕层土壤侵蚀。、坡耕地地力等级下降的根本原因,不同地力等级坡耕地耕层构型存在显著差异,良好的耕层构型可为作物提供良好的生长环境,具有保水保肥、通气透水、协调供应水、肥、气、热的优良特性[17-18]。研究表明,良好的耕层构型耕作层、心土层、底土层3个层次保持完整,其中耕作层由表土层(0—15cm)、犁底层(15—20cm)构成[14];心土层(20—40cm)土壤结构比较紧密,透水通气性能较差,养分、水分因素比较