西南紫色土坡耕地农作物-耕层质量适宜性的耦合度诊断

娄义宝，史东梅，金慧芳，蒋光毅，段腾，江娜



西南紫色土坡耕地农作物-耕层质量适宜性的耦合度诊断

娄义宝1，史东梅1，金慧芳1，蒋光毅2，段腾1，江娜1

（1西南大学资源环境学院，重庆 400715；2重庆市水土保持生态环境监测总站，重庆 401147）

【目的】紫色土坡耕地是西南区农业生产重要的耕地资源，其耕层质量集中表现为侵蚀性退化严重且农作物产量低而不稳，在地块尺度上农作物产量变化较土壤质量退化具有较明显的滞后效应。论文在紫色土不同地力等级坡耕地耕层土壤质量分析基础上，定量分析紫色土坡耕地耕层质量对农作物的适宜性程度。【方法】在不同地力等级耕层质量统计分析及聚类分析基础上，对农作物-耕层适宜性的耦合度程度进行诊断分析。【结果】（1）紫色土坡耕地不同地力等级的耕层厚度为19—21 cm，有效土层厚度在21—43 cm变化，耕层厚度比较稳定但有效土层浅薄现象严重，五级坡耕地不存在心土层；五级坡耕地产量限制因素为田面坡度、有效土层厚度、耕层厚度。（2）紫色土坡耕地3种耕层类型特征明显，其中Ⅰ类耕层土壤显弱酸性（pH 6.4），阳离子交换量（21.0cmol(+)·L-1）最大；Ⅱ类耕层田面坡度最小（11°），有效土层厚度（38 cm）和耕层厚度（22 cm）最厚，土壤速效钾含量（136.5 mg·kg-1）最多；Ⅲ类耕层有效土层厚度（28 cm）最薄，土壤显酸性（pH 4.8），阳离子交换量（9.2cmol(+)·L-1）最小；田面坡度，有效土层厚度，土壤酸化，阳离子交换量是影响坡耕地作物产量主导因子。（3）紫色土坡耕地不同地力等级的农作物与耕层适宜性存在协调发展类和失调衰退类两种状态和同步型、滞后型、损益型、共损型4种表现，在同样地力条件下，农作物产量较耕层质量更为敏感，衰退表现更加明显；农作物-耕层耦合关系（C）为Ⅰ类耕层（0.4820）和Ⅱ类（0.5207）属于基本协调发展类农作物耕层同步型，农作物生长勉强适宜；Ⅲ类（0.3343）濒临失调衰退类耕层损益型，农作物生长中度不适宜。【结论】紫色土坡耕地耕层厚度比较稳定但有效土层浅薄化现象严重，不同地力等级的农作物与耕层适宜性存在协调发展类和失调衰退类两种状态和同步型、滞后型、损益型、共损型4种表现，紫色土坡耕地改良应减小田面坡度，增加有效土层厚度，调节土壤酸碱度。研究结果可为地块尺度上紫色土坡耕地合理耕层调控及构建提供技术参数。

坡耕地；耕层质量；耦合度；合理耕层；适宜性；紫色土丘陵区；西南地区

0 引言

【研究意义】紫色土坡耕地主要分布于我国重庆市和四川省，是当地农业生产主体区域和长江流域重要侵蚀地带[1]。紫色土坡耕地侵蚀性退化严重且农作物产量低而不稳，农作物产量下降较土壤质量退化具有明显延后现象[2]。耕地的耕层指人类为了栽培作物，利用工具对土壤进行深度扰动的土层，通过耕作建立能协调水、肥、气和热，满足作物生长发育需要的土层[3]。对紫色土坡耕地农作物-耕层质量耦合的适宜性研究，可为地块尺度上紫色土坡耕地合理耕层调控及构建技术提供理论支持。【前人研究进展】耕地地力是在多种自然因素、人为因素共同作用下形成的[4]。国内外分别从土壤、农作物角度对耕地适宜性进行了分析评价，如：PIERCE等[5]以土壤质量评价为基础，以土壤自然属性和社会属性为依据建立的土壤生产力指数模型，分析了土壤持水量、土壤容重与土壤pH等对作物生长的适应性。在FAO土地适宜性评价中以确定土地利用目的评价前提下，确定了“土地-作物”系统为整体性的观点[6]，以植物-土壤之间相互作用关系作为研究对象已广泛研究[7-8]。土壤的特性能影响植被的变化，同时也因植被变化而受影响，植被与土壤处于不断相互促进影响的过程[9]。焦菊英等[10]采用植物群落的排序方法，探讨了黄土高原退耕地植物群落的组成特征，解释退耕地植物群落的变化与土壤环境之间的关系。王芳等[11]通过建立边际土地开发非线性生态位适宜度评价模型，利用高斯函数的生态适宜度模型对边际土地能源作物的适宜性进行有效的评价。徐明等[12]通过建立植被因子和土壤因子2级层次指标体系，采用层次分析法确定各因子权重，构建沟谷地植被-土壤系统耦合协调度模型。彭晚霞等[13]、张艳等[14]都通过构建植被因子和土壤因子2级层次指标体系，构建植被与土壤耦合协调度模型评价了植被恢复过程中植被-土壤耦合协调程度。【本研究切入点】坡耕地农业生产是在耕作过程和侵蚀过程双重驱动作用下的农作物周期性生长过程，根据调控程度的差异性，坡耕地农作物产量影响因素依次为降雨、光热、农作物种类、土壤性质、耕作方式等；耕地地力评价和其他服务于种植业的土地生产力评价均应强调土地-作物-管理的系统性，首先以作物的需求为土地条件适宜性的判断标准[15]。坡耕地耕层质量评价宜从农作物生产过程对土壤质量需求和地块尺度上土壤性质和微地形对农作物适宜程度进行综合分析，目前耦合协调度模型多应用于生态修复过程中植被-土壤相互适应作用的评价，而在农业生产，尤其是坡耕地对农作物适宜性诊断中应用很少。耦合协调度模型的引入，不仅可以包括耕地地力指标，而且可结合农作物产量的分析，实现对坡耕地耕层质量的科学评价。【拟解决的关键问题】本文在紫色土不同地力等级坡耕地耕层土壤质量分析基础上，采用农作物-耕层耦合协调度模型，定量分析了紫色土坡耕地耕层质量对农作物适宜性程度，可为坡耕地耕层土壤质量改善、合理耕层诊断和调控，有效提高坡耕地生产力提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 坡耕地耕层样本

重庆市坡耕地面积118.9万hm2，占全市耕地面积47.14%，15—25°坡耕地为78.5万hm2，25°以上坡耕地为40.4万hm2，紫色土是重庆市农耕地（尤其是坡耕地）面积分布最广的土壤类型。紫色土丘陵区坡耕地垦殖指数49.04%、复种指数为180%，土壤侵蚀模数在3 798—9 831 t·km-2·a-1之间[16]，侵蚀土壤退化严重。重庆市属亚热带季风气候区，年平均降水量较丰富，多年平均降水量1 200 mm且多集中在5—9月，占全年总降水量的70%左右，多年平均气温15—18℃，年日照时数1 000—1 400 h。根据重庆市紫色土丘陵区坡耕地的分布情况，兼顾同一区域内坡耕地地力等级选取了30个坡耕地耕层剖面样本[16]，收集坡耕地耕作环境、土壤质量、作物产量及相应地力水平如表1所示。

表1 紫色土坡耕地耕层土壤性质及生产条件

地力等级划分采用重庆市耕地地力等级 The land fertility grade of Chongqing Municipality shall be used for the classification of land strength

坡耕地耕层质量数据来源于《重庆市耕地地力调查》万州区、云阳县、北碚区、綦江区、江津区、彭水县的1—5级典型坡耕地耕层土壤性质及农业生产条件。数据采用Excel 2003和SPSS 16.0的统计分析和聚类分析模块进行定量化分析，采用AHP分析软件（yaahp Version 0.6.0）确定评价指标权重。

1.2 农作物-耕层评价指标及权重

将紫色土丘陵区坡耕地农作物-耕层系统划分为农作物子系统和耕层子系统。根据紫色土丘陵区农作物生长状况和其对耕层条件的要求以及紫色土坡耕地合理耕层评价最小数据集[17]，选取能够反映坡耕地农作物耕层协调耦合度的评价指标。农作物子系统选择农作物产量作为评价指标，耕层子系统选取了3个物理特性指标和6个化学特征指标，各个指标权重根据土壤专家、耕作专家、农户打分，然后利用AHP分析软件进行确定，详见表2。

表2 农作物-耕层耦合协调度评价指标体系及指标权重

依据上述指标体系分别计算农作物和耕层综合评价函数[13-14,18-20]，具体公式如下：

式中，为农作物评价指数，为耕层综合评价指数。其值越高，表明农作物生长状况或耕层质量越好；反之，则越差。p，x为农作物评价函数第个指标对应的权重和标准化数值；q，y为耕层综合评价函数第个指标对应的权重和标准化数值。

x为农作物、耕层子系统的功效函数，它反映各评价指标涨落变化对子系统发展的贡献程度[13-14,18-20]。

式中x为变量X对子系统的功效贡献率，其反映了各个指标达到目标的满意程度，范围为0—1，0为最不满意，1为最满意。

1.3 农作物-耕层耦合协调度模型

由于耦合度只能说明系统中2个子系统相互作用的强弱，不能反映2个子系统相互作用过程中良性耦合程度大小，因此本文引入协调度构建坡耕地农作物-耕层耦合协调度函数（C）[13-14,18-20]。

式中，C为农作物-耕层系统耦合协调度，其值分布在0—1之间，越大表明农作物与耕层协同越好，农作物与耕层系统之间的耦合关系越协调；为农作物-耕层系统综合调和指数，反映坡耕地农作物-耕层系统协同效应。为农作物-耕层系统耦合度，其值范围在0—1之间，趋近1时，农作物与耕层之间表现为良性耦合状态；当值趋0时，农作物与耕层则呈现无关状态。、分别为、综合评价函数的待定系数，由于在坡耕地农作物-耕层系统中，农作物和土壤对耕层质量恢复改善作用同样重要，所以将反映农作物、耕层子系统贡献度的待定系数[13-14,18-20]定为：=0.5，=0.5。参考已有的相关研究[12-14,18-20]，根据C大小将紫色土坡耕地农作物特征与耕层特性耦合协调度（C）划分为5个等级，具体评判标准如表3所示。

表3 农作物-耕层耦合协调度分类及诊断标准

2 结果

2.1 不同地力等级坡耕地耕层质量变化特征

在地块尺度上，坡耕地耕层质量主要采用耕层土壤属性指标和立地条件表征。坡耕地耕层质量关乎坡耕地生产能力的大小，各个表征耕层土壤质量指标都具有正、负功效，本文认为除田面坡度表现为负功效，其余均表现为正功效。由表4可以看出，同一土层不同地力水平的坡耕地耕层土壤质量存在差异，田面坡度与地力等级降低、作物产量呈负相关关系，农作物产量由一级地力下降为五级地力，作物减产率可达45.15%；随着田面坡度的增大地力等级降低、作物产量减少。同一地力不同土层间各项指标间差异显著，除pH外其余指标表现为耕作层大于心土层和底土层。不同地力等级坡耕地间有效土层厚度差异性较大，在21—43 cm范围变化，耕层厚度差异性较小，在19—21 cm之间变化，这说明紫色土坡耕地耕层厚度比较稳定而有效土层浅薄现象严重。一、二级地力水平坡耕地较其他等级坡耕地田面坡度较缓、有效土层厚度较厚，耕层阳离子交换量较大，分别在5.2—6.8°、38—43 cm、21.6—24.2 cmol(+)·L-1范围变化。二级坡耕地的有效土层厚度和耕层厚度均比一级坡耕地厚，pH、速效钾比一级坡耕地分别增加6.56%、43.23%，而土壤有机质、阳离子交换量、土壤全氮、有效磷比一级坡耕地分别减少18.92%、10.73%、7.92%、17.2%，由此可知二级坡耕地养分元素较低是其产量低于一级坡耕地的主要原因。

三、四级坡耕地耕层土壤属性指标均表现为差于一、二级坡耕地，其中四级坡耕地有效土层为29 cm，土层浅薄现象严重且土壤显酸性，为其产量低的主要影响因素。第五级地力水平坡耕地理化性质指标田面坡度最大（22°）、有效土层厚度（21 cm）、耕层厚度（19 cm）最薄，不存在心土层，即耕作层下是底土层或母质层，但耕层土壤养分指标值均不是5级坡耕地中最小，由此可以看出田面坡度、有效土层厚度、耕层厚度是限制五级坡耕地农作物产量的主要因素。

2.2 坡耕地耕层类别划分及特征分析

对坡耕地耕层类型进行划分有助于准确判别影响耕层质量的主要因素，同时耕层质量分类对农业生产性能具有较大指示作用。对不同地力等级的30个坡耕地耕层样本的田面坡度、有效土层厚度、耕层厚度、pH、土壤有机质、阳离子交换量、土壤全氮、土壤有效磷、土壤速效钾、作物产量10个指标进行个案系统聚类分析，取聚合水平5—12之间，耕层样本可明显分为3类（图1），I类坡耕地共22个耕层样本包括12、22、2、11、1、6、25、29、3、26、9、21、5、14、4、15、24、28、30、16、19、13，主要为一、二、四级耕地；II类坡耕地共6个耕层样本包括17、23、7、8、10、27，主要为二、三级耕地；III类坡耕地共2个耕层样本包括18、20，分别为三、五级耕地。此外，为进一步明确各类坡耕地的基本特征，本文对各类坡耕地耕层土壤属性指标及农作物产量也进行了统计分析（表5）。

表4 不同地力等级坡耕地耕层土壤特性与产量基本特征

结合图1和表5可见，I类耕层样本各项指标分别表现为田面坡度为12°、有效土层厚度为33 cm、耕层厚度为20 cm、pH为6.4、土壤有机质为13.89 g·kg-1、阳离子交换量为21.0 cmol(+)·L-1、土壤全氮为0.95 g·kg-1、土壤有效磷10.07 mg·kg-1、土壤速效钾为62.1 mg·kg-1、农作物产量为6.640 t·hm-2，集中表现为田面坡度较小，土壤显弱酸性，阳离子交换量值最大。II类耕层样本中各项指标分别表现为田面坡度为11°、有效土层厚度为38 cm、耕层厚度为22 cm、pH为7.3、土壤有机质为12.45 g·kg-1、阳离子交换量为20.4 cmol(+)·L-1、土壤全氮为0.90 g·kg-1、土壤有效磷8.40 mg·kg-1、土壤速效钾为136.5 mg·kg-1、农作物产量为7.140 t·hm-2，该类坡耕地田面坡度最小，有效土层厚度和耕层厚度最厚，阳离子交换量、土壤速效钾含量最多，农作物产量最高，而有机质、全氮、有效磷，均不是3类坡耕地中含量最高。III类耕层样本中各项指标分别表现为田面坡度为18°、有效土层厚度为28 cm、耕层厚度为20 cm、pH为4.8、土壤有机质为17.80 g·kg-1、阳离子交换量为9.2 cmol(+)·L-1、土壤全氮为1.04 g·kg-1、土壤有效磷121.50 mg·kg-1、土壤速效钾为58.6 mg·kg-1、农作物产量为4.690 t·hm-2，该类坡耕地有效土层厚度最薄，土壤显酸性，阳离子交换量最小，农作物产量最低，而土壤有效磷含量最多。

图1 坡耕地耕层类型特征聚类分析

通过对3种类型坡耕地耕层质量特征分析可见（表5），I类和II类坡耕地耕层各项指标除了土壤速效钾、有效土层厚度外其余指标差异较小，有效土层厚度的差异可能是II类坡耕地作物产量高于I类坡耕地的主要原因。III类坡耕地的作物产量最低，分别为I类、II类坡耕地作物产量的70.63%和65.69%，同时，对比3类坡耕地耕层理化性质指标特征可以看出III类坡耕地的田面坡度大，有效土层薄，土壤酸化，阳离子交换量少是作物产量低的主要原因。因此紫色土丘陵区坡耕地改良应减小田面坡度，增加有效土层厚度，调节土壤酸碱度。

表5 3种坡耕地耕层类型的土壤质量变化特征

2.3 坡耕地农作物-耕层耦合协调度分析

不同地力等级条件下，紫色土坡耕地的农作物综合评价指数（）、耕层综合评价指数（）、农作物-耕层系统耦合度（）、农作物-耕层系统综合调和指数（）、农作物-耕层系统耦合协调度（C）计算结果如表6所示。由此表可见，一、二级坡耕地多处于农作物与耕层协调同步发展类状态，有农作物耕层同步型（20%）、农作物滞后型（16.67%）、耕层滞后型（33.33%） 3种表现，在农作物-耕层适宜性方面，有32.33%地块处于中度适宜程度，66.67 %地块处于勉强适宜程度，这说明在坡耕地农业生产过程中，农作物与耕层相互适宜程度较好，在当地农作物种植结构和耕层土壤管理条件下可稳定获得产量。三级以下坡耕地则处于农作物与耕层协调发展类、濒临失调衰退类、失调衰退类3种状态，有耕层损益型（12.50%）、农作物耕层同步型（20.83%）、耕层滞后型（4.17%）、农作物耕层共损型（12.50%）、农作物损益型（25.00%）5种表现，五级地力坡耕地集中表现为失调衰退类农作物损益型，这说明在同样地力条件下，农作物较耕层质量更为敏感，衰退表现更加明显，这充分说明了坡耕地农业生产的脆弱性。

不同耕层类型的坡耕地各诊断指标变化特征如表7所示。从坡耕地耕层类型看，农作物综合评价指数依次为II类耕层（0.5367）＞I类耕层（0.4478）＞III类耕层（0.1004），表明II类耕层农作物生长最好，I类耕层的农作物生长状况居中，III类耕层农作物生长最差。而耕层综合评价指数值则表现为第II类耕层（0.5477）＞第III类耕层（0.4976）＞第I类耕层（0.4824），与农作物综合评价指数并不完全一致，即农作物产量高低与耕层土壤质量优劣并未呈现完全对应关系。农作物—耕层耦合协调度C大小分布也说明这个规律，C依次为II类耕层（0.5207）＞I类耕层（0.4820）＞III类耕层（0.3343），I类耕层和II类耕层农作物—耕层耦合关系为基本协调农作物耕层同步型，勉强适宜农作物生长；III类耕层农作物—耕层耦合关系为濒临失调耕层损益型，中度不适宜农作物生长。因此III类坡耕地首要问题是农作物生长的管理，同时改良耕层土壤质量。I类、II类坡耕地也应改善耕层土壤质量及农作物生长管理，提高农作物—耕层耦合协调度及适宜程度，使其达到高度协调，高度适宜型坡耕地农作物-耕层系统。

表6 不同地力等级坡耕地农作物-耕层耦合协调度诊断

表7 3种坡耕地类型的农作物-耕层耦合协调度诊断

3 讨论

3.1 有效土层厚度变化对坡耕地地力影响

在自然侵蚀因素和人为耕作因素综合作用下，紫色土坡耕地土壤浅薄现象严重，土层厚度成为紫色土坡耕地雨养农业的重要障碍因素。土层浅薄导致其蓄水量低，农作物根系生长空间小，坡耕地生产能力低下。为探明农作物产量与有效土层厚度之间的关系，根据表1中的数据进一步对有效土层厚度和农作物产量进行分析（图2），可以看出农作物产量随着有效土层的增加整体上呈现递增的状态；其中在有效土层为20 cm、30 cm和50 cm处略有下降，根据对应的特殊点查找表1，发现其阳离子交换量和土壤有效磷均较小是导致农作物产量下降的主要因素，因此农作物产量的高低是多项土壤属性指标间共同影响的结果。

图2 有效土层厚度对紫色土坡耕地产量影响

同时，在对紫色土坡耕地研究中发现土层厚度是紫色土生产力的基本限制条件，20 cm、40 cm小区夏玉米产量仅为60 cm小区的50%、74%，为80 cm小区的28%、40%，100 cm小区的23%、34%；60 cm土层为紫色土生产力临界土层，退化紫色土土壤肥力恢复应优先提高土壤厚度[9]。在三峡库区耕地土壤厚度理想标准为表层厚度≥20 cm、全土层厚度＞50 cm，可实施土壤环境重建[21]，增加作物覆盖度在雨季是十分重要的。基于紫色土丘陵区坡耕地水土保持RUSLE工程也认为通过农业种植模式选择可以增大地表覆盖度减免降雨侵蚀力，同时通过改良土壤理化性质和耕作性质，保持一定厚度的耕作土层可减少坡面土壤流失量，保持稳定的土地生产力[17]。由此可以看出全土层和有效土层厚度的保持和调控是保证紫色土坡耕地地力水平的重要条件。在我国其他土壤侵蚀类型区，坡耕地土壤侵蚀程度与作物产量也表现出类似现象，如张兴义等[22]通过田间试验对土层剥离研究，结果表明在拥有30 cm黑土层的 6°坡耕地上，表土流失掉10 cm对大豆干物质积累没有明显影响。而当黑土层流失超过10 cm，大豆干物质积累量随流失的增加而减少。郭云周等[23]通过红壤旱坡地铲土覆土微区试验，表明覆土厚度与玉米产量呈极显著正相关，表明随着坡耕地表土损失数量的增加，产量极显著减产。铲除耕作层熟化表土15 cm，玉米减产29.62%；覆土耕作层熟化表土15 cm，玉米增产17.69%。根据前人研究[23-24]绘制了东北黑土区和云南红壤土壤侵蚀厚度对农作物产量影响（图3）可以看出，随着土壤侵蚀厚度发生变化，土地生产力产生不同程度的下降。侵蚀厚度越深，土地生产力越低且随着侵蚀厚度加深每损失1 cm土层造成的生产力下降趋势逐渐减弱。因此防治坡耕地表层土壤流失对保护坡耕地生产力有着十分重要的意义。

3.2 坡耕地合理耕层构型特征

目前对合理耕层的概念尚没有明确的标准和概念，相关学者的研究认为合理耕层能为作物提供良好的土壤环境且能最大限度的保持耕作后效，降低耕作成本[3, 25-27]。（1）迟仁立等[25]认为合理的耕层构造是虚实并存的结构，一方面能为作物根系提供良好的土壤环境；另一方面，能更好地促进耕层内腐殖化作用，保存和积累有机质，培肥地力。（2）闫玉芹等[26]认为虚实并存耕层具有底层深蓄水、蓄热，成为耕层内的“土壤水库、热库、肥库”；具有良好的耕层构造和物理性状，实现农作物稳产、高产。（3）韩晓增等[3]认为土体深厚，耕层疏松，心土层紧实的土体构造，对协调水、肥、气及热的供应，保证作物生育期间对肥力的需要，达到高产的重要条件。（4）宫亮等[27]认为合理耕层应具备较高的耕层有机质或适当的土壤容重，如果二者兼备则更易获得高产，如棕壤土深松施用有机肥时，当耕层中有机质含量为22.1 g·kg-1、容重为1.15 g·cm-3时获得高产效果最佳。（5）史东梅等[17]认为坡耕地合理耕层是在一定耕作制度下可持续维持农作物正常生长、且能实现侵蚀控制双重目标的坡耕地耕层土壤基准，耕层构型整体表现为上虚下实。从以上定义可见，合理耕层是一种虚实并存，可实现农作物高产的土体构型；根据相关研究[3,20,28-29]坡耕地合理耕层土壤剖面构型为上虚下实型或虚实并存型，构建一个虚实并存的耕层构型，可为农作物产量的提高提供适宜土壤生境。

图3 土壤侵蚀厚度对农作物产量影响

根据坡耕地野外调查和相关文献[17]分析结果，本研究初步拟定紫色土坡耕地合理耕层适宜性阈值为田面坡度＜6.8°、有效土层厚度＞39 cm、耕层厚度＞20 cm、pH 6.8—6.4、土壤有机质为12.47—15.38 g·kg-1、阳离子交换量为21.6—24.2 cmol(+)·L-1、土壤全氮为0.93—1.01 g·kg-1、土壤有效磷10.29—12.40 mg·kg-1、土壤速效钾为70.3—100.7 mg·kg-1、作物产量＞7.500 t·hm-2。深松技术可打破犁底层，疏松土壤，加深耕层，改善土壤的透气性、透水性，提高耕层土壤质量[30-31]。同时，深松可以加强土壤蓄水保墒能力，20—40 cm土层蓄水量增加约165—330 t·hm-2[32]。但耕作后如果深松时期降雨较少，增大表层土壤水分的蒸发损失，则增大了季节性干旱发生危险性，因此确定适宜的深松时间是非常必要的。

由于受调查数据的获得性限制，农作物耕层耦合度分析只选择了农作物产量指标；在后续小区定位研究中拟增加农作物覆盖度、根系、出苗率等农作物生长过程指标，同时增加耕层土壤物理、力学指标，以更为准确地反映坡耕地耕层侵蚀风险性和农业生产性能，并提高坡耕地耕层适宜性诊断的时效性和实践性。

4 结论

4.1 紫色土坡耕地不同地力等级的耕层厚度比较稳定，但有效土层浅薄化现严重且不同地力等级间差异显著，一、二级地力与五级地力的有效土层厚度差异达2倍左右；同一地力不同垂直深度的土壤属性指标差异显著，五级坡耕地不存在心土层。

4.2 紫色土坡耕地可分为3种耕层类型，其作物产量主导性影响因素为田面坡度、有效土层厚度、土壤酸化、阳离子交换量；在同样地力条件下，农作物产量的衰退表现更为明显，耕层质量衰退具有滞后性；坡耕地持续利用应选择减小田面坡度，增加有效土层厚度，调节土壤酸碱度的改良措施。

4.3 紫色土坡耕地农作物与耕层适宜关系存在协调发展类和失调衰退类两种状态和同步型、滞后型、损益型、共损型4种表现。农作物-耕层耦合度（C）表现为I类耕层（0.4820）和II类耕层（0.5207）为基本协调发展类农作物耕层同步型、农作物生长勉强适宜，III类（0.3343）濒临失调衰退类耕层损益型、农作物生长中度不适宜。

[1] 赵燮京, 刘定辉. 四川紫色丘陵区旱作农业的土壤管理与水土保持. 水土保持学报, 2002, 16(5): 6-10, 16.

ZHAO X J, LIU D H. Soil management and soil and water conservation of dryland agriculture in Sichuan Purple Hilly., 2002, 16(5): 6-10, 16. (in Chinese)

[2] 何毓蓉. 中国紫色土(II)．北京: 科学出版社, 2003.

HE Y R..Beijing: Science Press, 2003. (in Chinese)

[3] 韩晓增, 邹文秀, 陆欣春, 段景海. 旱作土壤耕层及其肥力培育途径. 土壤与作物, 2015(4): 145-150.

HAN X Z, ZOU W X, LU X C, DUAN J H. The soil cultivated layer in dryland and technical patterns in cultivating soil fertility., 2015, 4(4): 145-150. (in Chinese)

[4] 闫一凡, 刘建立, 张佳宝. 耕地地力评价方法及模型分析. 农业工程学报, 2014, 30(5): 204-210.

YAN Y F, LIU J L, ZHANG J B. Evaluation method and model analysis for productivity of cultivated land., 2014, 30(5): 204-210. (in Chinese)

[5] PIERCE F C, LARSON W E, DOWDY R H, GRAHAM W A. Productivity of soils: assessing long-term changes due to erosion., 1983, 38: 39-44.

[6] MANNA P, BASILE A, BONFANTE A, MASCELLIS R D, TERRIBILE F. Comparative land evaluation approaches：An itinerary from FAO framework to simulation modeling., 2009, 150: 367-378

[7] VOORDE T F J V D, PUTTEN W H V D, BEZEMER T M. Intra- and interspecific plant–soil interactions, soil legacies and priority effects during old-field succession., 2011, 99(4): 945-953.

[8] FUKAMI T, NAKAJIMA M. Complex plant soil interactions enhance plant species diversity by delaying community convergence., 2013, 101(2): 316-324.

[9] 朱波, 况福虹, 高美荣, 汪涛, 王小国, 唐家良. 土层厚度对紫色土坡地生产力的影响. 山地学报, 2009, 27(6): 735-739.

ZHU B, KUANG F H, GAO M R, WANG T, WANG X G, TANG J L. Effects of soil thickness on productivity of sloping cropland of purple soil., 2009, 27(6): 735-739. (in Chinese)

[10] 焦菊英, 马祥华, 白文娟, 焦峰, 温仲明. 黄土丘陵沟壑区退耕地植物群落与土壤环境因子的对应分析. 土壤学报, 2005, 42(5):744-752.

JIAO J Y, MA X H, BAI W J, JIAO F, WEN Z M. Correspondence analysis of vegetation communities and soil environmental factors on abandoned cropland on hilly-gullied Loess Plateau., 2005, 42(5): 744-752. (in Chinese)

[11] 王芳, 卓莉, 覃新导, 李少英, 杨朝辉, 黄鸿健. 广东边际性土地能源植物种植潜力适宜性评价. 农业工程学报, 2015, 31(19): 276-284.

WANG F, ZHUO L, QIN X D, LI S Y, YANG C H, HUANG H J. Evaluation on suitability of planting potential of energy plants on marginal land of Guangdong Province., 2015, 31(19): 276-284. (in Chinese)

[12] 徐明, 张健, 刘国彬, 邱甜甜, 郑明清. 不同植被恢复模式沟谷地植被-土壤系统耦合关系评价. 自然资源学报, 2016, 31(12): 2137-2146.

XU M, ZHANG J, LIU G B, QIU T T, ZHENG M Q. Analysis on vegetation-soil coupling relationship in gullies with different vegetation restoration patterns., 2016, 31(12): 2137-2146. (in Chinese)

[13] 彭晚霞, 宋同清, 曾馥平, 王克林, 杜虎, 鹿士杨. 喀斯特峰丛洼地退耕还林还草工程的植被土壤耦合协调度模型. 农业工程学报, 2011, 27(9): 305-310.

PENG W X, SONG T Q, ZENG F P, WANG K L, DU H, LU S Y. Models of vegetation and soil coupling coordinative degree in grain for green project in depressions between karst hills., 2011, 27(9): 305-310. (in Chinese)

[14] 张艳, 赵廷宁, 史常青, 吴海龙, 李丹雄, 孙永康. 坡面植被恢复过程中植被与土壤特征评价. 农业工程学报, 2013, 29(3):124-131.

ZHANG Y, ZHAO T N, SHI C Q, WU H L, LI D X, SUN Y K. Evaluation of vegetation and soil characteristics during slope vegetation recovery procedure., 2013, 29(3): 124-131. (in Chinese)

[15] 赵彦锋, 程道全, 陈杰, 孙志英, 张化楠. 耕地地力评价指标体系构建中的问题与分析逻辑. 土壤学报, 2015(6): 1197-1208.

ZHAO Y F, CHENG D Q, CHEN J, ZHANG Z Y, ZHANG H N. Problems and analytical logic in building cultivated land productivity evaluation index system., 2015(6): 1197-1208. (in Chinese)

[16] 李伟. 重庆耕地地力研究与评价（一）（二）（三）. 北京: 中国农业出版社, 2011.

LI W.Beijing: China Agriculture Press, 2011. (in Chinese)

[17] 史东梅, 蒋光毅, 蒋平, 娄义宝, 丁文斌, 金慧芳. 土壤侵蚀因素对紫色丘陵区坡耕地耕层质量影响. 农业工程学报, 2017, 33(13): 270-279.

SHI D M, JIANG G Y, JIANG P , LOU Y B, DING W B, JIN H F. Effects of soil erosion factors on cultivated-layer quality of slope farmland in purple hilly area., 2017, 33(13): 270-279. (in Chinese)

[18] 刘耀彬, 李仁东, 张守忠. 城市化与生态环境协调标准及其评价模型研究. 中国软科学, 2005(5): 140-148.

LIU Y B, LI R D, ZHANG S Z. Study on the coordinative criteria and coordination degree model between regional urbanization and eco-environment., 2005(5):140-148. (in Chinese)

[19] 曾珍香. 可持续发展协调性分析. 系统工程理论与实践, 2001, 21(3):18-21.

ZENG Z X. The analysis of coordination and sustainable development., 2001(3): 18-21. (in Chinese)

[20] 刘定惠, 杨永春. 区域经济-旅游-生态环境耦合协调度研究——以安徽省为例. 长江流域资源与环境, 2011, 20(7): 892-896.

LIU D H, YANG Y C. Coupling coordinative degree of regional economy-tourism-ecological environment-a case study of Anhui Province., 2011, 20(7): 892-896. (in Chinese)

[21] 章家恩, 徐琪. 三峡库区退化土壤的恢复与重建研究. 长江流域资源与环境, 1998(3): 248-254.

ZHANG J E, XU Q. The restoration and reconstruction of degraded soils in the Three-gorge Reservoir Area., 1998(3): 248-254. (in Chinese)

[22] 张兴义, 刘晓冰, 隋跃宇, 张少良, 张久明, 刘焕军, Stephen J. Herbert. 人为剥离黑土层对大豆干物质积累及产量的影响. 大豆科学, 2006, 25(2): 123-126.

ZHANG X Y, LIU X B, SUI Y Y,ZHANG S L, ZHANG J M, LIU H J, Herbert S J. Effects of artificial topsoil removal on soybean day mater accumulation and yield in Chinese Mollisols., 2006, 25(2): 123-126. (in Chinese)

[23] 郭云周, 刘建香, 涂仕华, 贾秋鸿, 赵德柱. 土壤侵蚀对坡耕地生产力影响的模拟研究. 土壤通报, 2012(6): 1480-1485.

GUO Y Z, LIU J X, XU S H , JIA Q H, ZHAO D Z. Impact of Soil Erosion on Productivity of Sloping Lands in a Simulated Pot Experiment., 2012(6):1480-1485. (in Chinese)

[24] 王志强, 刘宝元, 王旭艳, 高晓飞, 刘刚. 东北黑土区土壤侵蚀对土地生产力影响试验研究. 中国科学D辑: 地球科学, 2009, 39(10): 1397-1412.

WANG Z Q, LIU B Y, WANG X Y, GAO X F, LIU G. Erosion effect on the productivity of black soil in Northeast China., 2009, 39(10): 1397-1412. (in Chinese)

[25] 迟仁立, 左淑珍. 土壤耕作现代化的探讨. 农业现代化研究, 1982, 3(1): 23-26.

CHI R L, ZOU S Z. Discussion on Soil Cultivation Modernization., 1982, 3(1): 23-26. (in Chinese)

[26] 闫玉芹, 杨树山, 孙凤海,康洪庆. 玉米合理耕层构建与深松整地技术. 农村科学实验, 2010(9): 13.

YAN Y Q, YANG S S, SUN F H, KANG H Q. Construction of corn reasonable subsoil and deep pine land preparation technology., 2010(9):13. (in Chinese)

[27] 宫亮, 邢月华, 刘艳, 包红静, 尹同波, 刘玉军, 孙文涛. 棕壤土合理耕层标准调查研究. 玉米科学, 2016(5): 94-99.

GONG L, XING Y H, LIU Y, BAO H J, YIN T B, LIU Y J, LIU W T. Investigation on standards of the rational plough layer of brown soil., 2016(5): 94-99. (in Chinese)

[28] 王立春, 马虹, 郑金玉. 东北春玉米耕地合理耕层构造研究. 玉米科学, 2008, 16(4): 13-17.

WANG L C, MA H, ZHENG J Y. Research on rational plough layer construction of spring maize soil in Northeast China., 2008, 16(4):13-17. (in Chinese)

[29] 郑洪兵, 齐华, 刘武仁, 郑金玉, 罗洋, 李瑞平, 李伟堂. 玉米农田耕层现状、存在问题及合理耕层构建探讨. 耕作与栽培, 2014(5): 39-42.

ZHENG H B, QI H, LIU W R, ZHENG J Y, LUO Y, LI R P, LI W T. Present and problem of tillage layer of maize cropland and discussion of optimum tillage layer., 2014(5): 39-42. (in Chinese)

[30] 朱瑞祥, 张军昌, 薛少平,姚万生, 李俊耀, 邓海涛. 保护性耕作条件下的深松技术试验. 农业工程学报, 2009, 25(6): 145-147.

ZHU R X, ZHANG J C, XUE S P, YANG W S, LI J Y, DENG H T. Experimentation about subsoiling technique for conservation tillage., 2009, 25(6): 145-147. (in Chinese)

[31] 郭志军, 佟金, 周志立, 任露泉. 深松技术研究现状与展望. 农业工程学报, 2001, 17(6): 169-174.

GUO Z J , TONG J , ZHOU Z L, REN L Q. Review of subsoiling techniques and their applications., 2001, 17(6): 169-174. (in Chinese)

[32] 邵长发, 郑志安, 林启瑞. 全方位深松在农业可持续发展中的作用研究. 农业机械学报, 1999, 30(5): 81-85.

SHAO C F, ZHENG Z A, LIN Q R. A Study on affects of bluck sub-soiling diggers in all directions for the sustainable agricultural development., 1999, 30(5): 81-85. (in Chinese)

（责任编辑 李云霞）

Coupling Degree Diagnosis on Suitability Evaluation of Cultivated-layer Quality for Slope Farmland in Purple Hilly Regionof South-western China

LOU YiBao1, SHI DongMei1, JIN HuiFang1, JIANG GuangYi2, DUAN Teng1, JIANGNa1

(1College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715;2Chongqing Eco-environment Monitoring Station of Soil and Water Conservation, Chongqing 401147)

【Objective】As an important cultivated land resource type in southwest area, the quality of the cultivated-layer of slope farmland in purple hilly is concentrated in the phenomenon of severe erosion, low yield and unstable crop yield. The change of crop yield on the plot scale has a significant hysteresis effect compared with soil quality degradation. Based on the analysis of soil quality of sloping farmland in purple soil with different soil fertility grades, this paper quantitatively analyzed the suitability of crop quality of purple soil slope farmland to crops.【Method】The paper studied the suitability evaluation between crop growth and cultivated-layer for the different land productivity grades by the way of coupling degree model based on statistical analysis and clustering analysis. 【Result】The results showed: (1) the thickness of the cultivated-layer at different land productivity grades for purple slope farmland was from 19 to 21 cm and the effective thickness of the cultivated-layer was the range of 21-43 cm, which indicated that the thickness of cultivated-layer was stable and the thinning phenomenon of effective thickness for cultivated-layer was very serious. The limited factors of crop yield for five levels slope farmland were field slope, thickness of cultivated-layer and effective thickness of cultivated-layer. (2)the characteristics of variation of the three kinds of cultivated-layer types for purple soil slope farmland were very serious. Furthermore, soil in Type I of cultivated-layer indicated such features as weak acidic (pH 6.4) and the highest lower cation exchange capacity (20.99 cmol(+)·L-1). Soil in Type II of cultivated-layer was characteristic with smallest field slope (11.3°), the highest thickness of the effective soil layer (38cm) and thickness of cultivated-layer (22 cm), so was the soil available potassium (136.50 mg·kg-1). Soil in Type III showed such characteristics as the thinnest effective soil thickness (28 cm), acidic soil (pH 4.8) and the smallest cation exchange capacity (9.19 cmol(+)·L-1). The dominant factors affecting the crop yield of purple soil slope farmland included field slope, effective soil thickness, soil acidification and cation exchange capacity. (3) the suitability status of crop and cultivated-layer for the different land productivity grades existed two states, including coordinated development stage and maladjustment decay stage, and four types, which were synchro type, lag type, profit and loss type and common loss type. Crop was more sensitive than quality of cultivated-layer for the coupling coordination degrees under the same land productivity grades of slope farmland, which signified the more yield decrease. Crop-cultivated layer coupling coordination degrees (C) for Type I (0.4820） and Type II (0.5207) belonged to the basic coordination development stage and the lag type for crop - cultivated layer, which caused the crop growth was barely suitable. Meanwhile, Crop-cultivated layer coupling coordination degrees (C) for Type III (0.3343) was in mild dysregulation stage and profit and loss type, which meant the quality of cultivated-layer for crop growth was moderate unsuitable. 【Conclusion】The thickness of cultivated-layer was stable and the thinning phenomenon of effective thickness for cultivated-layer was very serious. The suitability status of crop and cultivated-layer for the different land productivity grades existed two states, including coordinated development stage and maladjustment decay stage, and four types, including synchro type, lag type, profit and loss type and common loss type.Slope farmland improvement in purple soil should reduce the slope of the field, increase the thickness of effective soil layer, and adjust the soil pH. These results could provide some useful parameters for suitability diagnosis, regulation and construction of the cultivated-layer of purple soil slope farmland at plots level.

slope farmland; quality of cultivated-layer; coupling degree; reasonable cultivated-layer configuration; suitability; purple hilly area; south-western China

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.04.008

2018-07-13；

2018-09-10

国家自然科学基金（41771310）、公益性行业（农业）科研专项（201503119-01-01）

娄义宝，E-mail: yibao93@126.com。 通信作者史东梅，E-mail：shidm_1970@126.com