史東梅，江 娜，蔣光毅，楊 軍，葉 青，張健樂

紫色土坡耕地耕層質(zhì)量影響因素及其敏感性分析

史東梅1，江 娜1，蔣光毅2，楊 軍3，葉 青1，張健樂1

（1. 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715； 2. 重慶市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，重慶 401147；3. 重慶市萬州區(qū)水利局，重慶 404000）

坡耕地耕層質(zhì)量變化特征由降雨侵蝕、耕作活動(dòng)交互作用影響。該文以紫色土坡耕地為研究對(duì)象，結(jié)合主成分分析與評(píng)價(jià)模型對(duì)耕層質(zhì)量特征進(jìn)行分析，并解析了海拔、坡度、有效土層厚度和坡位4個(gè)地形因子對(duì)坡耕地耕層質(zhì)量的影響及敏感性。結(jié)果表明：1）小流域坡耕地耕層厚度、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤容重均處于適宜性區(qū)間內(nèi)，各土壤養(yǎng)分指標(biāo)總體處于中低水平；土壤容重（變異系數(shù)CV為7.97%）和總孔隙度（CV為8.36%）變異系數(shù)相對(duì)較低，處于弱分異（CV<10%）水平，其余土壤指標(biāo)均屬中等分異水平。2）紫色土坡耕地耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集由容重、貫入阻力、有機(jī)質(zhì)、土壤黏粒含量、耕層厚度、抗剪強(qiáng)度、飽和導(dǎo)水率和有效磷8個(gè)指標(biāo)組成?；贛DS評(píng)價(jià)表明，紫色土坡耕地不同坡位耕層質(zhì)量指數(shù)為下坡（0.458）＞中坡（0.443）＞上坡（0.417），下坡較中坡和上坡分別提升3.39%和9.83%。3）紫色土坡耕地耕層質(zhì)量影響因素可分為4類，Ⅰ類坡度限制型、Ⅱ類坡位限制型、Ⅲ類有效土層厚度限制型、Ⅳ類海拔限制型，4種耕層類型的樣本數(shù)分占坡耕地耕層樣本總數(shù)的38.89%、22.22%、14.81%和24.08%，主要影響因素是坡度。4）坡耕地耕層質(zhì)量與有效土層厚度、坡位為正相關(guān)，與海拔、坡度表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，地形因子對(duì)耕層質(zhì)量敏感程度為海拔（-0.399）＞坡位（0.192）＞坡度（-0.112）＞有效土層厚度（0.110），海拔敏感程度為有效土層厚度的3.56倍。研究結(jié)果可為紫色土坡耕地耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)及有效調(diào)控提供理論依據(jù)，有利于紫色土坡耕地資源可持續(xù)利用。

土壤；侵蝕；坡耕地；耕層質(zhì)量；影響因素；敏感性分析；紫色丘陵區(qū)

0 引 言

中國(guó)紫色土（主要為耕地）資源共2 198.8萬hm2，以四川盆地分布最為集中，可占全國(guó)的51.28%，紫色土具有成土作用迅速、耕性和土壤生產(chǎn)力高的特點(diǎn)；但也同時(shí)具有侵蝕性高、抗旱性差、土壤退化嚴(yán)重的特點(diǎn)[1]。坡耕地作為耕地的重要組成部分，是紫色丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)資源[2]；紫色土坡耕地是中國(guó)水土流失最為嚴(yán)重的土地利用類型之一，坡耕地水土流失導(dǎo)致的土壤流失和養(yǎng)分流失是造成生態(tài)環(huán)境惡化、坡耕地生產(chǎn)力下降的根本原因[3]。坡耕地生態(tài)過程的自然影響因素有降雨量、微地形（坡度、坡長(zhǎng)、坡向、坡型）、土壤抗侵蝕性能，人為因素有坡面水系分布、地塊破碎化程度、耕作活動(dòng)方式等[4]，坡耕地耕層土壤質(zhì)量反映土壤抗侵蝕性能和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性能，其優(yōu)劣受降雨、土壤和人類活動(dòng)等多種因素影響[5]。土壤質(zhì)量是土壤供養(yǎng)維持作物生長(zhǎng)的能力，主要包括耕性、土壤深度、持水能力、滲透速率、團(tuán)聚作用、有機(jī)質(zhì)含量、pH值、養(yǎng)分性能等[6]；Dalsgaard等[7]認(rèn)為耕地質(zhì)量是耕地的綜合屬性，由耕地肥力和耕地位置兩方面決定的；許明祥等[8]在黃土高原研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)、土壤抗沖性等8項(xiàng)指標(biāo)可很好反映侵蝕土壤質(zhì)量，加權(quán)綜合法可敏感地反映出土地利用變化對(duì)土壤質(zhì)量影響；李桂林等[9]將土地利用方式及利用年限對(duì)土壤質(zhì)量的影響作為進(jìn)入MDS的衡量標(biāo)準(zhǔn)。馬群等[10]研究表明，土壤質(zhì)量等級(jí)隨地形變化呈規(guī)律性演替，坡度和高程與土壤質(zhì)量呈極顯著相關(guān)關(guān)系，坡度對(duì)土壤質(zhì)量影響大于高程，各高程段內(nèi)不同坡度等級(jí)土壤質(zhì)量分值也呈拋物線走勢(shì)；翟朝陽等[11]發(fā)現(xiàn)不同坡向、坡度與土壤養(yǎng)分特性密切相關(guān)，不同坡向、坡度和坡形對(duì)土壤特征與養(yǎng)分存在顯著性影響，而坡位則對(duì)其影響不顯著。因此開展坡耕地耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)，針對(duì)坡耕地耕層質(zhì)量主要影響因子實(shí)施調(diào)控措施，實(shí)現(xiàn)耕層質(zhì)量提升，有重要科學(xué)意義和實(shí)踐價(jià)值。本文以萬州五橋河紫色土小流域坡耕地為研究對(duì)象，采用土壤質(zhì)量指數(shù)模型對(duì)坡耕地耕層質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用典范分析（CCA）方法和模糊聚類方法，定量判定坡耕地耕層質(zhì)量的地形影響因素作用特征并識(shí)別其敏感性變化，研究結(jié)果可為紫色土坡耕地耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)、合理耕層調(diào)控途徑提供理論依據(jù)，有利于指導(dǎo)紫色土坡耕地退化耕層恢復(fù)措施的選擇。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及土樣

五橋河小流域地處108°25′－108°35′E，30°42′－30°48′N，位于三峽庫(kù)區(qū)中部的重慶市萬州區(qū)，流域面積113.9 km2，主河長(zhǎng)21.4 km。地勢(shì)東高西低，海拔121～946 m，地貌以丘陵、低山為主，出露紫色地層為侏羅系沙溪廟組和蓬萊鎮(zhèn)組，土壤類型主要為紫色土、水稻土、沖積土；氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年均溫14～19 ℃，年均降水量1 000～1 350 mm，年均日照時(shí)數(shù)1 300～1 600 h。本文基于五橋河小流域土地利用現(xiàn)狀圖，在小流域中有針對(duì)性的選擇6個(gè)種植制度大致相同、不同坡度、不同坡向和不同海拔的典型地塊對(duì)紫色土坡耕地耕層土壤質(zhì)量進(jìn)行研究，確保取樣均勻，充分反映小流域坡耕地分布的自然特征。

圖1 五橋河小流域坡耕地分布現(xiàn)狀圖

每個(gè)地塊選取3個(gè)較規(guī)則的坡面，采用樣線法在每個(gè)坡面沿坡向方向設(shè)置1條樣線，分別在上坡、中坡和下坡3個(gè)坡位各布設(shè)1個(gè)采樣點(diǎn)。樣線一端位于上坡，另一端位于下坡，一共54個(gè)采樣點(diǎn)。選擇典型坡耕地為研究對(duì)象，在樣地內(nèi)根據(jù)土壤農(nóng)化分析方法“S”型布置采樣點(diǎn)進(jìn)行土壤散樣采集，于樣點(diǎn)中間位置布置1 m′1 m樣框，進(jìn)行垂直分布樣品采集點(diǎn)，采集0～20 cm耕層土壤樣品。土壤理化性質(zhì)測(cè)定方法[12]如下：

開挖土壤剖面將近似90%作物根系分布的深度作為耕層厚度；土壤飽和導(dǎo)水率和土壤容重均需分層采集環(huán)刀樣，并采取室內(nèi)環(huán)刀法測(cè)定；土壤質(zhì)地采用吸管法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；全氮測(cè)定采用半微量凱氏定氮法；有效磷測(cè)定采用Olsen法；速效鉀測(cè)定采用lmol/LNH4Ac提取-火焰光度法；土壤貫入阻力選用江蘇天目?jī)x器廠的PT型袖珍貫入儀測(cè)定；土壤抗剪強(qiáng)度采用荷蘭產(chǎn)便攜式14.10Pocket Vane Tester 型三頭抗剪儀測(cè)定；土壤厚度的測(cè)量大多采用插釬法，即將鋼釬垂直于土壤插入土層中，直到插不動(dòng)為止，然后拿卷尺測(cè)量鋼釬露出部分的長(zhǎng)度，由總長(zhǎng)度減去露出部分長(zhǎng)度，即得土壤厚度。

1.2 土壤質(zhì)量指數(shù)評(píng)價(jià)模型

由于土壤質(zhì)量是各評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合作用的結(jié)果，因而在對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)變化分析后，需要采用一定方法將單因素評(píng)價(jià)結(jié)果轉(zhuǎn)換成由各評(píng)價(jià)因素所構(gòu)成的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，即要對(duì)土壤質(zhì)量作出綜合評(píng)價(jià)。本文采用加權(quán)綜合法（SQI1）和加權(quán)求和法（SQI2）建立土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)模型[5,8,13-18]。

加權(quán)綜合模型：

加權(quán)求和模型：

式中W是第個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，F是第個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度值，為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的初選指標(biāo)體系包含土壤屬性和剖面特征2個(gè)維度、共12個(gè)二級(jí)指標(biāo)（見表1、2），其中土壤屬性指標(biāo)包括有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、容重和土壤質(zhì)地6項(xiàng)，而剖面特征指標(biāo)包括耕層厚度、總孔隙度、田間持水量、飽和導(dǎo)水率、土壤抗剪強(qiáng)度和貫入阻力。對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)做主成分分析，提取評(píng)價(jià)指標(biāo)的公因子方差，各指標(biāo)公因子方差占公因子方差之和比例即為各數(shù)據(jù)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值。各因子對(duì)土壤質(zhì)量的影響評(píng)價(jià)是一個(gè)相對(duì)模糊過程，可用模糊評(píng)價(jià)中隸屬度來統(tǒng)一各指標(biāo)的界限，其數(shù)值大小由隸屬度函數(shù)計(jì)算。

表1 耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)升降型隸屬度函數(shù)參數(shù)

表2 耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)拋物線型隸屬函數(shù)類型及參數(shù)

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)與耕層土壤質(zhì)量的相關(guān)情況，可將隸屬函數(shù)劃分為S型、反S型、拋物線型和土壤質(zhì)地函數(shù)4種類型。評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)類型及參數(shù)見表1和表2。主成分分析中，公因子方差反映某一指標(biāo)在整體的方差貢獻(xiàn)程度和差異性，公因子方差越大，對(duì)整體的貢獻(xiàn)也越大。本研究采用主成分分析確定每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的公因子方差，以各指標(biāo)公因子方差在總體方差的比例作為指標(biāo)權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡耕地耕層質(zhì)量診斷指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)特征

耕層質(zhì)量診斷指標(biāo)是耕層質(zhì)量恢復(fù)的主要調(diào)控指標(biāo)，也是直接關(guān)系農(nóng)作物生長(zhǎng)期間的水、熱、氣條件，同時(shí)也是反映耕層質(zhì)量的關(guān)鍵。由紫色土小流域54個(gè)采樣點(diǎn)的坡耕地耕層質(zhì)量診斷指標(biāo)的變異性、分布狀態(tài)等統(tǒng)計(jì)特征（表3）可見，耕層厚度均值21.31 cm，土壤全氮均值0.76 g/g，二者都在耕層適宜性范圍內(nèi)；土壤黏粒含量為43.80%，土壤質(zhì)地為砂粉土；耕層土壤容重為1.37 g/m3，結(jié)構(gòu)性好，利于作物生長(zhǎng)；土壤有機(jī)質(zhì)平均值為10.7 8mg/g，土壤有效磷24.59 mg/g，土壤速效鉀106.26 mg/g，土壤養(yǎng)分總體水平較低。對(duì)各耕層質(zhì)量診斷指標(biāo)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，并對(duì)不服從正態(tài)分布的指標(biāo)進(jìn)行自然對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后再檢驗(yàn)其正態(tài)性，結(jié)果表明各耕層質(zhì)量診斷指標(biāo)近似服從正態(tài)分布（-檢驗(yàn)的＞0.05）。

表3 紫色土坡耕地耕層質(zhì)量診斷指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征值

注：LN為L(zhǎng)illiiefors顯著性校正后正態(tài)分布，N為正態(tài)分布。

Note: LN means Lilliiefors normal distribution after significant correction, N means normal distribution.

一般采用變異系數(shù)（CV）來反映指標(biāo)的分異特性，根據(jù)CV值大小可分為3種類型：弱分異CV＜10%；中等分異10%≤CV＜100%；強(qiáng)分異CV≥100%。由表3可知，土壤容重（CV為7.97%）和總孔隙度（CV為8.36%）變異系數(shù)相對(duì)較低，處于弱分異（CV<10%）水平，而土壤類型相同可能是導(dǎo)致土壤容重和孔隙度變異系數(shù)低的主要原因。其余土壤指標(biāo)均屬中等分異，長(zhǎng)期性人為耕作管理、施肥等外在因素可在一定程度上削弱了土壤母質(zhì)、地形、氣候等內(nèi)在因素的影響，從而使大部分指標(biāo)表現(xiàn)出中等空間變異性。土壤飽和導(dǎo)水率變異系數(shù)（89.29%）最大，造成土壤飽和導(dǎo)水率空間變異較大的主要原因是土壤大孔隙分布的不均一性[19]，故可推測(cè)研究區(qū)內(nèi)土壤飽和導(dǎo)水率受土壤大孔隙影響較明顯；土壤有效磷變異系數(shù)為86.62%，這種狀態(tài)與坡耕地施肥分布不均勻有關(guān)。

2.2 坡耕地耕層質(zhì)量變化特征

2.2.1 最小數(shù)據(jù)集的建立

由坡耕地耕層質(zhì)量診斷的12個(gè)土壤指標(biāo)的主成分分析（PCA）結(jié)果（表4）可見，共有4個(gè)主成分的特征值大于1，主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了70.768%，說明這4個(gè)主成分足以解釋絕大部分的土壤屬性變異情況。通過PCA分析，根據(jù)土壤屬性的分組原則進(jìn)行分組。若每組中所選參數(shù)高度相關(guān)（＞0.3），則選取Norm值最大的參數(shù)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。若相關(guān)性很差，則全部選入最小數(shù)據(jù)集[20-24]。根據(jù)坡耕地耕層質(zhì)量診斷指標(biāo)間Person相關(guān)分析，容重與總孔隙度為極顯著負(fù)相關(guān)（?1），貫入阻力與有機(jī)質(zhì)、全氮為負(fù)相關(guān)性（分別為?0.116、?0.112），飽和導(dǎo)水率和有效磷為正相關(guān)（0.026），而總孔隙度、田間持水量與飽和導(dǎo)水率分別為顯著和極顯著正相關(guān)（分別為0.333和0.367），黏粒含量與速效鉀為極顯著正相關(guān)（0.414），耕層厚度與抗剪強(qiáng)度相關(guān)性較低（0.202）。

表4 紫色土坡耕地耕層質(zhì)量診斷指標(biāo)載荷矩陣和Norm值

由表4可以看出，PC-1中高因子載荷有容重和總孔隙度兩個(gè)指標(biāo)，但容重與總孔隙度高度負(fù)相關(guān)，故選Norm值大的土壤容重進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集；土壤貫入阻力、有機(jī)質(zhì)和全氮在2個(gè)PC因子的載荷高于0.5，則歸并到與其他指標(biāo)相關(guān)性較低的PC-1中，貫入阻力與有機(jī)質(zhì)（?0.116）、全氮（?0.112）的相關(guān)性<0.3，根據(jù)Norm值排除全氮；土壤黏粒含量和速效鉀進(jìn)入第2組，但只有土壤黏粒含量為高因子載荷，因此土壤黏粒含量進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集；在PC-3中，耕層厚度和抗剪強(qiáng)度都為高因子載荷且相關(guān)性較低（0.202），故二者同時(shí)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集；在PC-4中，飽和導(dǎo)水率和有效磷均為高因子載荷，載荷值分別為0.584、?0.591，相關(guān)系數(shù)為0.026（＜0.3），因此飽和導(dǎo)水率和有效磷入選最小數(shù)據(jù)集。綜上所述，坡耕地耕層質(zhì)量最小數(shù)據(jù)集MDS有土壤容重、貫入阻力、有機(jī)質(zhì)、土壤黏粒含量、耕層厚度、抗剪強(qiáng)度、飽和導(dǎo)水率和土壤有效磷。

2.2.2 耕層質(zhì)量特征分析

為了研究不同坡位的耕層質(zhì)量限制因子，將小流域54個(gè)采樣點(diǎn)按所處位置，分為上坡、中坡和下坡3大類，由圖2可以看出，不同坡位各土壤指標(biāo)得分存在一定的差異性，但差異性并不顯著。耕層厚度、抗剪強(qiáng)度和貫入阻力的得分具體表現(xiàn)為下坡＞上坡＞中坡，土壤質(zhì)地、飽和導(dǎo)水率和有機(jī)質(zhì)則是中坡＞下坡＞上坡；容重、有效磷位于下坡的采樣點(diǎn)對(duì)土壤質(zhì)量的貢獻(xiàn)最大，其次為中坡，位于上坡的采樣點(diǎn)貢獻(xiàn)最小。此外，圖2揭示了土壤養(yǎng)分含量是小流域耕層質(zhì)量的主要限制因子，應(yīng)重視對(duì)這些土壤指標(biāo)的調(diào)控，可通過施用化肥增加養(yǎng)分含量。

圖2 不同坡位耕層土壤指標(biāo)分?jǐn)?shù)雷達(dá)譜圖

圖3 不同坡位采樣點(diǎn)耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果

與上坡位相比，中坡位和下坡位耕層質(zhì)量有所改善；反之，可以認(rèn)為上坡位耕層質(zhì)量有退化的趨勢(shì)。圖3顯示了不同坡位耕層質(zhì)量分布特征，結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不同坡位耕層質(zhì)量大小為下坡（0.458）＞中坡（0.443）＞上坡（0.417），下坡耕層質(zhì)量指數(shù)比中坡高了3.39%，比上坡高9.83%。這種現(xiàn)象，從坡面地形上看，下坡位是坡耕地水土流失發(fā)生后的泥沙匯積處，其他坡位的土壤顆粒和養(yǎng)分等經(jīng)水土流失后，都集中到了下坡位置，導(dǎo)致耕層厚度以及土壤養(yǎng)分含量變大。

采用加權(quán)綜合和加權(quán)求和兩種模型對(duì)小流域耕層質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。由圖3可知，無論是加權(quán)綜合法還是加權(quán)求和法，計(jì)算出的全量數(shù)據(jù)集（TDS）和最小數(shù)據(jù)集（MDS）的耕層質(zhì)量指數(shù)都呈顯著的線性正相關(guān)，線性擬合結(jié)果的更接近1。運(yùn)用兩種模型的擬合效果都較好說明篩選出的MDS指標(biāo)能夠代表和反映出TDS對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的作用。同時(shí)，加權(quán)綜合法的決定系數(shù)大于加權(quán)求和法（0.884＞0.880），說明在應(yīng)用加權(quán)綜合法評(píng)價(jià)耕層質(zhì)量時(shí)，MDS評(píng)價(jià)結(jié)果更接近TDS；同時(shí)評(píng)價(jià)結(jié)果表現(xiàn)為耕層質(zhì)量指數(shù)較?。?.357±0.15）、變異系數(shù)較大（42.8%），由于加權(quán)綜合法考慮了土壤指標(biāo)隸屬度、指標(biāo)權(quán)重以及指標(biāo)間交互作用[8]，上述結(jié)果說明該評(píng)價(jià)方法也適用于紫色土坡耕地耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)，可使不同采樣點(diǎn)耕層質(zhì)量差異性更顯著，因此采用基于MDS的加權(quán)綜合法評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)小流域坡耕地耕層質(zhì)量影響因素進(jìn)行分析。

注：TDS為全量數(shù)據(jù)集，MDS為最小數(shù)據(jù)集。

2.3 坡耕地耕層質(zhì)量影響因素定量解析

2.3.1 基于CCA排序的耕層質(zhì)量影響因素分析

根據(jù)坡耕地耕層立地條件，本文選取了坡度、高程和有效土層厚度3個(gè)定量因子和定性因子坡位，采用約束性排序方法分析不同耕層土壤指標(biāo)與地形因子之間的關(guān)系。CCA排序結(jié)果指示了地形因子與耕層土壤指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系（圖5），箭頭線段長(zhǎng)度越大，表示兩者相關(guān)性越大；箭頭所處象限表示地形因子與排序軸之間的正負(fù)相關(guān)性，箭頭間夾角大小代表環(huán)境因子之間相關(guān)性大小，土壤指標(biāo)排序軸解釋了小流域坡耕地耕層土壤指標(biāo)變化特點(diǎn)及土壤指標(biāo)與地形因子的關(guān)系。

注：箭頭線段代表環(huán)境因子，三角符代表土壤指標(biāo)，空心點(diǎn)代表采樣點(diǎn)，1~54為采樣點(diǎn)；CT為耕層厚度，ST 為土壤質(zhì)地，BD為容重，SS為抗剪強(qiáng)度，PR為貫入阻力，SC為飽和導(dǎo)水率，OM為有機(jī)質(zhì)，AP為有效磷，Al為海拔，SL為坡度，EST為有效土層厚度，SP為坡位。

由圖5a可見，耕層土壤指標(biāo)空間變異與海拔和有效土層厚度的相關(guān)性最大，其次為坡度，與坡位相關(guān)性最??；海拔與坡度、有效土層厚度與坡位顯著相關(guān)，坡度和有效土層厚度與第一排序軸夾角較小，表明耕層土壤指標(biāo)空間分布與這2個(gè)地形因子相關(guān)性較大。在圖5b中，做耕層土壤指標(biāo)與地形因子連線的垂線，垂線與地形因子連線的交點(diǎn)距離箭頭越近，表示該采樣點(diǎn)與該類地形因子的正相關(guān)性越大，處于另一端則表示與該類地形因子具有的負(fù)相關(guān)性越大。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤飽和導(dǎo)水率、有機(jī)質(zhì)與有效土層厚度正相關(guān)性最大，土壤質(zhì)地與海拔負(fù)相關(guān)性最大，抗剪強(qiáng)度、耕層厚度、容重和貫入阻力與坡度正相關(guān)性最大，有效磷與坡位正相關(guān)性最大，這表明影響坡耕地耕層土壤指標(biāo)的主要地形因子不盡相同。土壤抗剪強(qiáng)度、耕層厚度和容重集中分布且彼此靠近，表明這3個(gè)耕層土壤指標(biāo)間可能存在密切的相互作用。

CCA分析表明，第一、二排序軸特征值之和占全部排序軸特征值總和的93.7%，反映了排序的絕大部分信息，因此前2個(gè)排序軸可以反映耕層質(zhì)量指標(biāo)和地形因子間的關(guān)系。海拔與第一排序軸相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)為0.747，其次坡度相關(guān)系數(shù)為0.709，有效土層厚度和坡位為不顯著負(fù)相關(guān)（相關(guān)系數(shù)分別為?0.492和?0.389）。與第二排序軸相關(guān)系數(shù)較大的地形因子是坡位，相關(guān)系數(shù)為0.75，其次有效土層厚度相關(guān)系數(shù)為0.671，坡度和海拔為不明顯正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)分別為0.475和0.382）。總體來說，耕層質(zhì)量與地形因子的顯著性并不明顯，這可能是因?yàn)槠渌蛩兀ㄈ缤寥滥纲|(zhì)、坡耕地管理方式等）及地形因子之間的交互作用造成的，單一地形因子對(duì)耕層質(zhì)量的影響作用，可能會(huì)因這些因素的共同作用而增強(qiáng)或減弱。

2.3.2 基于聚類分析的耕層質(zhì)量影響因素分析

基于54個(gè)采樣點(diǎn)坡耕地耕層質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行地形因子模糊聚類分析（圖6），從而劃分每一大類的主要影響因素。

圖6 坡耕地耕層類型模糊聚類譜系圖

為了更好地表現(xiàn)出分類間差異性，將距離閾值定為5，依次得到聚類分析的并類過程和譜系圖，按=9.5（為臨界近似程度取類間距），54個(gè)采樣點(diǎn)可以分為Ⅰ坡度限制型、Ⅱ坡位限制型、Ⅲ有效土層厚度限制型、Ⅳ海拔限制型4大類。

結(jié)合圖6、表5可知，第Ⅰ類包括21個(gè)采樣點(diǎn)耕層樣本，總體表現(xiàn)為坡度較大，具有最大坡度22°（采樣點(diǎn)12）地塊，不同坡位采樣點(diǎn)耕層樣本數(shù)分布平均，海拔、有效土層厚度的數(shù)值處于適宜值范圍附近，而耕層土壤質(zhì)量指數(shù)為0.490，處于中等水平，主要地形限制因子為坡度。

表5 4種耕層類型地形因子統(tǒng)計(jì)分析

第Ⅱ類包括12個(gè)采樣點(diǎn)耕層樣本，耕層坡度為13.25°，耕層類型所對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)海拔高度在4類中最高，達(dá)到了552.58 m，有效土層厚度為53.67 cm，略高于適宜值，耕層土壤質(zhì)量指數(shù)為0.506，處中上水平；耕層類型具有最大海拔高度569 m（采樣點(diǎn)13）和最大有效土層厚度120 cm（采樣點(diǎn)18）。在4種類型中，第Ⅱ大類坡上采樣點(diǎn)所占比例最大（41.7%），這在一定程度上抑制耕層質(zhì)量。不同坡位條件下土壤質(zhì)量指數(shù)表明，下坡位比中坡位和上坡位土壤質(zhì)量指數(shù)要高，因此第二大類采樣點(diǎn)地形限制因子為坡位。

第Ⅲ類包括8個(gè)耕層樣本，樣本數(shù)最少，其坡度為11°，海拔為354.11 m，有效土層厚度在4類耕層中最小，僅為40.75 cm，同時(shí)耕層土壤質(zhì)量指數(shù)（0.424）也最小；該類耕層類型中具有最小有效土層厚度16 cm（采樣點(diǎn)7）。土層厚度薄化是由于土壤侵蝕引起土壤遷移，導(dǎo)致耕層質(zhì)量下降。因此土層厚度是第三大類采樣點(diǎn)的主要地形限制因子。

第Ⅳ類包括13個(gè)耕層樣本，坡度（8.62°）在4大類中最小，分布在坡下的采樣點(diǎn)數(shù)目占采樣點(diǎn)總數(shù)比例為38.46%，是4類中最大的，海拔僅為311.69 m；有效土層厚度卻為4大類中最大（56.85 cm），相應(yīng)地，該類耕層類型土壤質(zhì)量指數(shù)也最大（0.511）。該類耕層類型中具有最小海拔282 m（采樣點(diǎn)51）和最小坡度2°（采樣點(diǎn)52）。第4大類采樣點(diǎn)海拔要明顯低于其他采樣點(diǎn)，故其地形限制因子為海拔。坡耕地耕層土壤質(zhì)量隨海拔變化表現(xiàn)出一定分異規(guī)律，總體為高海拔地區(qū)優(yōu)于低海拔，中高海拔坡耕地的坡度趨緩、排水通暢、土壤厚度大、養(yǎng)分蓄存空間大，有利于養(yǎng)分保持；中低海拔坡耕地玉米套種紅苕現(xiàn)象較為普遍，作物間養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)激烈，從而導(dǎo)致耕層土壤質(zhì)量下降。

由表5可知，4類耕層類型的樣本數(shù)分別占坡耕地耕層樣本總數(shù)的38.89%、22.22%、14.81%和24.08%，說明紫色土坡耕地耕層質(zhì)量提升應(yīng)重點(diǎn)改善坡耕地坡度問題。通過改變坡耕地田面形態(tài)和土壤結(jié)構(gòu)，增加地塊上農(nóng)作物有效耕作面積，提高坡耕地耕層保土、保水、保肥能力；對(duì)于坡度較緩坡耕地，一般只需采取保護(hù)性耕作措施，改傳統(tǒng)順坡方式為等高耕作，同時(shí)采取橫坡耕作和覆蓋耕作相結(jié)合方式，可以防治水土流失；而對(duì)于坡度較大紫色土坡耕地，“大橫坡+小順坡”和“地埂+經(jīng)濟(jì)植物籬”大大降低坡耕地整治成本、明顯減少坡耕地水土流失和吸附態(tài)磷污染[25]。

3 討 論

3.1 耕層質(zhì)量診斷指標(biāo)合理采樣數(shù)

對(duì)于小流域耕層質(zhì)量診斷指標(biāo)空間分布的樣點(diǎn)數(shù)量越多，密度越大，越接近實(shí)際情況；但由于土壤野外采樣和室內(nèi)分析成本較高，土壤采樣點(diǎn)合理密度確定十分關(guān)鍵[26-27]。為判斷本文54個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)是否合理，根據(jù)小流域耕層質(zhì)量診斷指標(biāo)實(shí)測(cè)值，取置信水平為90%和95%、估算精度為5%、10%、15%和20%，分別計(jì)算耕層質(zhì)量診斷指標(biāo)的樣本容量（表6）。結(jié)果表明，采樣點(diǎn)數(shù)目受置信水平和估算精度共同影響，置信水平相同時(shí)，合理采樣數(shù)隨估算精度的增高而增多；而當(dāng)估算精度相同時(shí)，合理取樣數(shù)隨置信水平提高而增多；對(duì)于不同土壤指標(biāo)，其變異系數(shù)越大，相應(yīng)地合理采樣數(shù)目也越多。飽和導(dǎo)水率變異系數(shù)最大，所需合理取樣數(shù)最多，其次是有效磷和速效鉀，而土壤容重變異系數(shù)最小，故所需合理取樣數(shù)也最少。通常在研究中采取一次性取樣而使用同一批土樣分析各指標(biāo)方法，因此合理取樣數(shù)最大的土壤指標(biāo)決定了耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)的最終合理取樣數(shù)；在本文中，土壤飽和導(dǎo)水率為這一指標(biāo)。由表3可知，54個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)目除了飽和導(dǎo)水率、有效磷和速效鉀外，均滿足在95%置信水平下，15%、20%相對(duì)誤差采樣數(shù)或在90%置信水平下，10%、15%、20%相對(duì)誤差采樣數(shù)要求。

因此，在對(duì)紫色土坡耕地耕層質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，54個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)目可以基本反映小流域特征。經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法可以在很大程度上減少取樣數(shù)目，但計(jì)算只考慮了置信水平和估算精度，無法決定取樣點(diǎn)的空間信息，且取樣形狀和布局方式也影響到田間土壤特性變異程度和取樣數(shù)[28]，若要進(jìn)行精度較高的耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)，可以采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算合理取樣數(shù)。

表6 耕層質(zhì)量診斷指標(biāo)合理取樣數(shù)分析

Note: 5%, 10%, 15% and 20% are estimation accuracy.

3.2 耕層質(zhì)量敏感性分析

敏感性分析是測(cè)定并分析一個(gè)或幾個(gè)不確定因子的相對(duì)變化對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)變化的影響程度的方法[29-30]。為了分析影響因素變化時(shí)，不同采樣點(diǎn)坡耕地耕層質(zhì)量變化特征，可以對(duì)比耕層土壤指標(biāo)進(jìn)行敏感性分析，即設(shè)定某一特定土壤指標(biāo)條件下的耕層質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)。本文利用變量增長(zhǎng)率的敏感性分析方法來評(píng)價(jià)各地形因子對(duì)坡耕地耕層質(zhì)量的敏感程度（表7）。

表7 影響因素對(duì)耕層質(zhì)量的敏感性分析

由此可見，坡耕地耕層質(zhì)量與有效土層厚度、坡位同方向變化，與海拔、坡度反方向變化；即隨有效土層厚度增加、坡位由下而上，坡耕地耕層質(zhì)量指數(shù)變大；隨海拔和坡度增大，坡耕地耕層質(zhì)量指數(shù)增變?。坏匦我蜃訉?duì)耕層質(zhì)量敏感程度大小順序?yàn)楹０危?0.399）＞坡位（0.192）＞坡度（-0.112）＞有效土層厚度（0.110），海拔敏感程度為有效土層厚度的3.56倍。從上述敏感性分析結(jié)果表明，海拔變化對(duì)坡耕地耕層質(zhì)量影響的敏感性最髙，坡位和坡度對(duì)坡耕地耕層質(zhì)量影響的敏感性次之，而有效土層厚度對(duì)耕層質(zhì)量影響的敏感性最弱。

4 結(jié) 論

1）紫色土坡耕地耕層質(zhì)量診斷指標(biāo)分布差異性顯著。耕層土壤養(yǎng)分指標(biāo)總體處于中低水平。耕層土壤容重為1.37 g/cm3，總孔隙度為48.20%，兩者變異系數(shù)分別為7.97%和8.36%，為弱分異指標(biāo)；其余耕層質(zhì)量診斷指標(biāo)均屬中等分異水平，土壤飽和導(dǎo)水率變異系數(shù)（89.29%）最大。

2）紫色土坡耕地耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集（MDS）由土壤容重、土壤貫入阻力、有機(jī)質(zhì)、土壤黏粒含量、耕層厚度、土壤抗剪強(qiáng)度、飽和導(dǎo)水率和土壤有效磷構(gòu)成。不同坡位耕層質(zhì)量指數(shù)為下坡（0.458）＞中坡（0.443）＞上坡（0.417），下坡耕層質(zhì)量較中坡提升3.39%，比上坡提升9.83%。

3）紫色土坡耕地耕層質(zhì)量與地形因子之間顯著性不明顯。耕層質(zhì)量影響因素有Ⅰ坡度限制型、Ⅱ坡位限制型、Ⅲ有效土層厚度限制型、Ⅳ類海拔限制型，4類樣本數(shù)分別占樣本總數(shù)的38.89%、22.22%、14.81%和24.08%，主要限制因素是坡度。

4）坡耕地耕層質(zhì)量與有效土層厚度、坡位為正相關(guān)，與海拔、坡度表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，其中海拔變化對(duì)坡耕地耕層質(zhì)量影響的敏感性最髙，坡度和坡位的敏感性次之，而有效土層對(duì)耕層質(zhì)量的敏感性最弱，海拔敏感程度為有效土層厚度的3.56倍。

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Influencing factors and sensitivity analysis of cultivated-layer quality of purple soil slope farmland

Shi Dongmei1, Jiang Na1, Jiang Guangyi2, Yang Jun3, Ye Qing1, Zhang Jianle1

(1.,400715,; 2.,401147,;3.,404000,)

The change process of cultivated layer quality for slope farmland at plot scale is influenced by the interactive effects between erosive rainfall and artificial farming activities at different temporal and spatial scales. For a slope surface, there exists a successive erosion process of rainfall-runoff-infiltration and the consequence is first reflected in the quality of cultivated layer. Among the factors induced the erosion process at plot scale, terrain is an important factor because it could redistribute the ratio of rainfall--infiltration, which directly cause a different erosion process for an erosive rainfall and the different degradation degree during a rainy season and a growth season. Taking purple soil slope farmland as an example, the paper firstly analyzed the varying characteristics of cultivated layer quality of slope farmland, then quantitatively evaluated the effects of four terrain factors, altitude, slope angle, effective soil thickness and slope position on cultivated layer quality and their sensitivity of impact, adopted principal component analysis and evaluation model. The results indicated: 1) Such soil properties as cultivated layer thickness, soil organic matter and soil bulk density of cultivated layer were all within the suitable scope and soil nutrient properties were generally at middle & low levels. The variation coefficients of soil bulk density and soil total porosity showed weak variability (CV<10%), presenting 7.97% and 8.36% respectively and the other soilproperties showed moderate variability. 2)Minimum data set for cultivated layer qualityevaluation of purple soil slope farmland consisted of eight soil parameters, bulk density, penetration resistance, soil organic matter, clay content, cultivated layer thickness, soil shear strength, saturated water conductivity and bioavailable phosphorus. Soil physical properties are more important than chemical properties except soil organic matter for erosion control and crop growth of slope farmland. Evaluation based on the MDS revealed that the cultivated layer quality varied spatially over the slope, being 0.458 in the low part of the slope, 0.443 in the middle part of the slope and 0.417 in the upper part of the slope and the quality value of the lower slope was 3.39% and 9.83% higher than that of the middle slope and upper slope positions, respectively. 3) The factors affecting cultivated layer quality divided into four types: slope-angle impacted type, slope location impacted type, effective soil layer thickness impacted type and altitude impacted type and they accounted for 38.89%, 22.22%, 14.81% and 24.08% of the total samples taken from slope farmland respectively. The slope angle was the main determinant of cultivated layer quality because it could induce directly many ecological processes at plot scale. The slope angle and effective soil layer thickness could be modified by such soil and water conservation measures as terrace, biological ridge and soil improvement methods. But the slope location and altitude could not be modified easily only by selecting suitable crop system. 4) The quality of cultivated layer had positive correlation with its thickness and location in the slope, and negative correlation with altitude and slope angle. Sensitivity analysis revealed that the determinants were ranked in the order of altitude (-0.399) > location in the slope (0.192) > slope angle (-0.112) > effective soil layer thickness (0.110) based on their impact on cultivated lay quality. These results could provide some useful evaluation parameters and its regulating direction for cultivated layer quality, which contributed to the sustainable utilization of purple soil slope farmland. Furthermore, other samples of slope farmland should be studied in order to find out the critical values of MDS according to 2 functions of cultivated layer, erosion control and soil productivity.

soil; erosion;slope farmland; cultivated layer quality; influence factor; sensitivity analysis; purple hilly area

史東梅，江 娜，蔣光毅，楊 軍，葉 青，張健樂. 紫色土坡耕地耕層質(zhì)量影響因素及其敏感性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(3)：135－143.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.03.017 http://www.tcsae.org

Shi Dongmei, Jiang Na, Jiang Guangyi, Yang Jun, Ye Qing, Zhang Jianle. Influencing factors and sensitivity analysis of cultivated-layer quality of purple soil slope farmland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(3): 135－143. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.03.017 http://www.tcsae.org

2019-06-02

2020-01-09

國(guó)家自然科學(xué)基金（41771310）

史東梅，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水土生態(tài)工程、土壤侵蝕與水土保持研究。Email：shidm_1970@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.03.017

S157.1

A

1002-6819(2020)-03-0135-09