紫色土坡耕地耕層持水抗旱性能及生產力對侵蝕程度的響應

倪書輝，史東梅，盤禮東，葉青，伍俊豪

紫色土坡耕地耕層持水抗旱性能及生產力對侵蝕程度的響應

倪書輝，史東梅，盤禮東，葉青，伍俊豪

西南大學資源環境學院，重慶 400715

【目的】分析侵蝕條件下紫色土坡耕地耕層持水性能與產量響應特征，為調控坡耕地季節性干旱及水分利用效率、提升侵蝕條件下坡耕地玉米產量提供理論依據?！痉椒ā坎捎苗P土侵蝕模擬法，以未侵蝕地塊為對照組（S-0），對比分析5 cm（S-5）、10 cm（S-10）、15 cm（S-15）、20 cm（S-20）侵蝕程度和3種管理措施下（不施肥（CK）、施化肥（F）、生物炭+化肥（BF）），坡耕地耕層持水抗旱性能和玉米產量的年際變化特征及對侵蝕程度的響應。【結果】（1）坡耕地心土層土壤持水性能更強。在相同水平土壤水吸力下，耕作層土壤容積含水量降低幅度（13.9%—18.2%）較心土層更大（9.8%）；隨年際變化，土壤容積含水量在S-5時增幅最大為耕作層（14.2%），而心土層表現為在S-15最大（33.2%）。（2）坡耕地土壤總庫容、興利庫容、最大有效庫容及有效水分含量，隨侵蝕加劇呈開口朝下的拋物線變化規律。隨年際變化，各侵蝕程度下土壤最大有效庫容最大增幅（44.7%）處于較強烈侵蝕程度（S-15），而有效水分含量、最大儲水量及單次接納最大降雨量在微弱侵蝕程度下（S-0至S-10）提升幅度最大。（3）坡耕地玉米產量隨侵蝕加劇總體呈降低趨勢，且與土壤最大有效庫容、田間持水量有正相關關系；隨年際變化，各侵蝕程度下坡耕地減產效果降低，且產量變化隨侵蝕加劇呈一定滯后性，即侵蝕發生年產量無明顯減產。（4）侵蝕條件下坡耕地土壤最大有效庫容主要受土壤質地中黏粒含量、毛管孔隙度和有機質含量顯著影響（＜0.01）；而田間持水量與土層深度、有機質、粉粒及孔隙度呈極顯著關系（＜0.01）?！窘Y論】土壤持水抗旱性能的強弱主要受土壤結構優劣的影響。對坡耕地侵蝕耕層輔以深翻耕作和生物炭+化肥管理措施改善土壤結構，可有效調控坡耕地侵蝕性耕層持水抗旱性能，提升侵蝕條件下坡耕地作物產量。

紫色土；坡耕地；持水性能；抗旱性能；土壤侵蝕；土壤庫容；玉米

0 引言

【研究意義】土壤水分是農作物生長必要條件，其利用效率主要依賴于土壤結構[1]。降雨資源化是土壤水庫儲存水分主要途徑，也是作物可有效利用水分的來源[2]。紫色土坡耕地由于有效土層淺薄化嚴重等障礙耕層[3]，導致其土壤水庫庫容降低、水分利用效率低下，因此分析年際耕作和田間管理對坡耕地侵蝕耕層持水抗旱性能影響，對調控坡耕地持水抗旱能力，提升作物水分利用效率具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】坡耕地耕層是人類為栽培作物，利用工具對土壤進行擾動的深度層[4-5]，土壤結構差、土層淺薄是造成紫色土坡耕地干旱的主要因素[6]，土壤質地與土壤容重對土壤水分特征曲線的影響主要集中在高水吸力水平，且砂粒含量越高土壤容積含水量降幅越大[7]。目前土壤容重對土壤持水能力影響的研究結果不盡相同，李卓等[8]認為水分蓄持能力隨容重增大遞減，而洪成等[9]試驗結果表明土壤田間持水率和有效含水率隨容重增加而增加。FRANK[10]通過田間試驗發現，施用石灰可降低土壤容重，顯著提高土壤有效水分容量。研究表明調控耕層為虛實并存結構可有效提升農田水分效率和土地生產力，也是旱作合理耕層調控重要途徑[11]，大量研究表明，深松（翻）耕可有效改善耕地土壤結構、提高土壤水分儲量、提升作物對土壤總水分利用效率[12-17]，黃尚書等[17]研究表明坡耕地深翻耕處理后，耕層土壤對降雨接蓄能力較淺耕、免耕更強。此外，施加生物炭后土壤中作物可利用的有效水分含量明顯提高（＜0.05）[18]，當生物炭摻入深度為15 cm時，砂壤土的土壤持水性能隨生物炭粒徑的增加而增加[19]，生物炭施用當年對土壤持水性的影響大于施用次年[20]?！颈狙芯壳腥朦c】現有針對土壤持水抗旱性能的研究，主要集中于試驗年土壤屬性特征，而土壤侵蝕對紫色土坡耕地持水抗旱性能及產量的年際影響少見研究?！緮M解決的關鍵問題】本文以5種不同侵蝕程度和3種田間管理措施下紫色土坡耕地耕層為研究對象，對比分析坡耕地耕層持水抗旱性能及坡耕地產量，在不同侵蝕程度及田間管理下的年際變化特征，為研究侵蝕條件下紫色丘陵區坡耕地耕層水分高效利用，調控季節性干旱以保障坡耕地產量提供理論和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計及采樣

研究區位于重慶市萬州區熊家鎮（30°24′00″— 31°14′58″N、107°55′22″—108°53′25″E），屬亞熱帶濕潤季風氣候，年平均日照1 484.4 h，年平均氣溫17.7 ℃，年平均降水1 243 mm且集中于5—9月，季節性干旱嚴重。主要土壤類型為由棕紫色泥巖、頁巖、砂頁巖，紫灰色、灰黃色沙巖風化物等發育而成的紫色土。

本研究以侵蝕程度和管理措施兩個因素設計裂區試驗小區，其中侵蝕程度模擬試驗采取鏟土侵蝕模擬法[21-23]（表土移動法），即人工去除不同厚度耕層土壤構建侵蝕小區，模擬隨時間推移的侵蝕。侵蝕過程中坡耕地表層土壤流失，但耕作將一定厚度的土壤翻出并與原耕作層土壤進行混合，此種侵蝕-耕作過程年復一年進行。在層被翻耕到耕作層年后，其在耕作層中的剩余厚度′為：

式中，h為原始土層厚度；為年平均侵蝕量（以紫色丘陵區土壤侵蝕量為基礎，取0.25 cm）；為耕作層厚度（20 cm）；是侵蝕持續時間。

根據研究區實際土壤侵蝕和耕作狀況，本研究將耕作層厚度定為 20 cm，多年平均侵蝕厚度 0.25 cm。模擬侵蝕厚度為0、5、10、15、20 cm。因此將原始耕作層（20 cm）以下以5 cm為間隔分層。根據公式（2）計算不同侵蝕深度下耕作層剩余厚度（）（表1），侵蝕試驗小區設置5個侵蝕程度為0 cm（S-0）、5 cm（S-5）、10 cm（S-10）、15 cm（S-15）、20 cm（S-20），分別代表侵蝕模擬年限0、20、40、60和80 a。比如在侵蝕5 cm時（侵蝕 20 a），原始耕作層土壤0在耕作層土壤中的剩余厚度為 15.55 cm, 而原始土層 20—25 cm 的土層在耕作層的厚度為4.45 cm；在侵蝕20 cm（侵蝕80 a）原始耕作土層于耕作層土壤中厚度只剩5.50 cm。

另外，管理措施試驗以3種土壤管理措施（不施肥（CK），施化肥（F）和生物炭+化肥（BF））對鏟土侵蝕試驗小區進行分區處理，各處理設置3次重復，共計45個鏟土侵蝕+管理措施試驗小區。試驗地種植當地代表性作物玉米，采樣地主要種植作物為玉米和油菜，一年兩至三熟，種植方式為輪作。小區建立時施生物炭15 t×hm-2、復合肥（N﹕P2O5﹕K2O= 25﹕12﹕18）277.5 kg×hm-2，均勻撒施在各處理小區的土壤表面，人工翻耕深度15 cm，將肥料混入土壤中。根據當地種植習慣對F和BF處理的玉米進行兩次追肥共741 kg×hm-2，分別用尿素（總氮≥46.4%）和復合肥（N﹕P2O5﹕K2O=25﹕12﹕18）。試驗選用的生物炭原料為水稻秸稈，在400—500 ℃缺氧條件下熱解4 h，過150目篩，其pH＞7，含碳量＞80%。

分別在2018和2019年8月玉米收獲前進行土壤樣品采集。選擇3 d以上放晴天氣條件，避免雨后采樣。于各侵蝕模擬試驗小區內分0—10、10—20、20—30、30—40 cm進行分層多點采集土樣，用 100 cm3環刀與55 mm×35 mm鋁盒采集原狀土樣，另采集1—2 kg土壤混合散土樣品進行室內理化性質分析，其中有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定，土壤物理性質測定方法[24]如下：土壤容重、孔隙度、自然含水量及田間持水量用環刀及鋁盒烘干稱量法測定；機械組成以散土樣過篩后采用吸管法測定；水分特征曲線測定采用吸力平板儀，吸力平板儀為中國科學院南京土壤所專利技術產品（專利號：CN01217023.2）[25]，每個樣品分別重復測定3次。

1.2 土壤水庫計算

土壤水庫按文獻[26]計算，各庫容計算方法如下：

表1 不同侵蝕程度下原始土層剩余厚度

最大有效庫容=總庫容-死庫容 （7）

式中，各水庫庫容單位為t·hm-2，為凋萎含水量（%）；為某土層為土壤容重（g×cm-3）；為土層厚度（cm）；為土壤層次；為田間持水量（%）；為飽和含水量（%）。

土壤有效水分含量=田間持水量-凋萎含水量；土壤最大儲水量=體積含水量×土層厚度；

單次接納最大降雨量=最大儲水量-平均含水量。

1.3 數據分析方法

本文數據分析采用Office Excel 2021和Origin Pro 2021軟件進行統計分析和作圖，其中圖形制作采用Office Excel 2021軟件，利用Origin Pro 2021進行相關性分析及熱圖繪制。

2 結果

2.1 侵蝕耕層土壤的水分特征曲線

隨土壤侵蝕加劇坡耕地土壤水分特征曲線動態變化存在明顯差異（圖1）。2018年，紫色土坡耕地土壤水分特征曲線在S-0、S-5、S-10下無明顯變化，當侵蝕加劇后（S-15、S-20）逐漸產生差異。在相同土壤水吸力條件下，土壤容積含水量隨侵蝕加劇呈減小趨勢，且沿土壤垂直剖面變化程度減小。土壤容積含水量在各侵蝕程度下主要在0—300 cm土壤水吸力呈逐漸減小趨勢，S-0加劇至S-20，耕作層（0—20 cm）平均容積含水量下降幅度（13.9%—18.2%）較心土層（30—40 cm）大（9.78%）。當土壤水吸力增加至900 cm，土壤容積含水量在心土層降幅仍不明顯，說明心土層持水能力較強。

圖中負向橫坐標（2018）僅區分對比年際變化，不表示土壤水吸力大小

由圖1可知，不同侵蝕程度坡耕地土壤容積含水量年際變化趨勢不同。經耕作1年后，侵蝕條件下坡耕地土壤容積含水量在土壤水吸力低于300 cm水平時變化趨勢仍為逐漸減小，但在S-0和S-15下0—30 cm土層土壤容積含水量較2018年提升（5.6%、9.0%）。當土壤水吸力超過300 cm，各侵蝕程度下土壤容積含水量均表現為提升，其中S-5以耕作層提升為主（增幅14.2%），S-10與S-15以心土層提升為主（增幅21.5%、22.5%）；且在S-15時，除坡耕地表土層（0—10 cm）中土壤容積含水量表現為降低，其余各土層均較2018年呈現提升趨勢，其中以心土層土壤容積含水量增幅最大（33.2%）。

2.2 侵蝕耕層土壤抗旱性能的變化

由圖2-a可知，隨侵蝕加劇坡耕地耕層土壤死庫容無明顯變化，總庫容呈現先增大后減小變化。于2018年侵蝕小區內各土層興利庫容于S-0加劇至S-15無明顯變化，而沿剖面各土層興利庫容在S-20下明顯減小且各土層間差異性逐漸降低，其中以耕作層減幅最大（29.2%）。各土層最大有效庫容在S-0加劇至S-20時變化均不顯著，表層土壤（0—10 cm）于S-10時降幅最大（14.3%）；隨侵蝕持續加劇，耕作層土壤最大有效庫容無明顯差異性變化，在心土層不斷減小。坡耕地滯洪庫容在各土層間無明顯差異，可當侵蝕S-10加劇至S-20，各土層滯洪庫容開始逐漸增大。除死庫容外，土壤總庫容、興利庫容、滯洪庫容及最大有效庫容均沿坡耕地垂直剖面減小，且主要以20—30 cm土層減幅最大（14.4%—24.9%），耕作層和心土層內各庫容并無明顯變化，以20—30 cm土層間土壤蓄水能力變化較顯著。

不同大寫字母表示同一侵蝕程度不同土層深度差異顯著（P＜0.05）；不同小寫字母表示同一土層深度不同侵蝕程度差異顯著（P＜0.05）

各侵蝕程度下土壤興利庫容與最大有效庫容年際變化呈現不同提升趨勢，以S-15和S-20下增幅較大。由圖2-b可知，耕作1年后興利庫容在S-0和S-5下呈現顯著增長，于S-20增幅最大（75.2%），最大有效庫容最大增幅（44.7%）處于S-15；當侵蝕S-10加劇至S-20時，滯洪庫容年際變化呈現減小趨勢，最大減幅于S-20（68.9%）；各侵蝕程度下的土壤死庫容年際變化趨勢均為減小，同樣在S-20降幅最大（32.8%）。侵蝕耕層土壤水庫各庫容年際變化幅度，隨土壤侵蝕加劇呈增加趨勢。

由圖3可知，坡耕地最大儲水量、單次接納最大降雨量、土壤有效水分含量均隨侵蝕加劇而減小。土壤有效水分含量從14.2%（S-0）減小至11.0%（S-20），而侵蝕S-5加劇至S-10時，有效水分含量提升了1.8 %。耕作1年后，侵蝕耕層最大儲水量、單次接納最大降雨量、土壤有效水分含量年際變化均呈提升趨勢，但總體仍隨侵蝕加劇而逐漸減小。最大儲水量年際變化雖以提升為主但增幅較?。?.3%—2.9%），最大增幅位于S-10。侵蝕試驗小區內坡耕地耕層單次接納最大降雨量為87.70—95.54 mm，而耕作1年后提高為102.58—113.95 mm，經調查試驗小區所在區域多年平均單次最大降雨量達126 mm，因此試驗區坡耕地耕層無法接納區域單次最大降雨。且隨侵蝕加劇土壤有效水分含量逐漸減少，說明侵蝕耕層無法有效地將降雨資源化，坡耕地抗旱性能亦隨侵蝕加劇而逐漸削弱。增加坡耕地有效土層厚度可有效提升坡耕地降雨資源化程度，保證深層土壤水分固持，以提供作物在旱季亦可正常生長的有效水分。

不同大寫字母表示2018年不同侵蝕程度間差異顯著（P＜0.05）；不同小寫字母表示2019年不同侵蝕程度間差異顯著（P＜0.05）

2.3 坡耕地玉米產量對侵蝕程度的響應

由圖4可知，坡耕地玉米產量在侵蝕未加劇至S-10前無明顯下降，2018年S-0加劇至S-5，玉米產量有顯著提升（5.3%）；S-20下玉米產量較各侵蝕程度顯著減產，其中較S-15減幅高達38.8%。結合圖2與圖4可知，玉米產量與土壤最大有效庫容年際變化具有一致性，坡耕地土壤最大有效庫容年際變化表現為在侵蝕加劇至S-5前增幅提升，達12.3%，玉米產量雖在2019年同一條件下表現為增產，可較2018年增產幅度有所降低，僅提升0.5%。耕作1年后土壤最大有效庫容在各侵蝕程度下均呈現為提升趨勢，而玉米產量在S-0與S-5下分別提升6.2%和1.3%；侵蝕加劇至S-10與S-15時，玉米產量開始表現為減產，而S-20下卻有所提升，并未隨土壤最大有效庫容減小而減產。

不同大寫和小寫字母分別表示2018、2019年玉米產量或田間持水量在不同侵蝕程度間差異顯著（P＜0.05）

坡耕地玉米產量隨侵蝕加劇總體逐漸減少，且最大減幅為S-15加劇至S-20時（13.5%）。S-0加劇至S-5時，玉米產量有所增長，增幅為5.3%，此后隨侵蝕加劇玉米產量逐漸降低，最大減產幅度為S-15加劇至S-20，高達38.7%，耕作1年后各侵蝕程度下坡耕地玉米產量均呈現增長。在S-5出現增產后，隨侵蝕加劇而逐漸減產，差異點為最大減產量表現在S-5加劇至S-10時，由7.96 t×hm-2減至6.36 t×hm-2，減幅20.1%?？傮w上土壤田間持水量與坡耕地玉米產量之間具有正相關關系，坡耕地田間持水量年際變化趨勢與玉米產量基本一致，增幅最大為S-20，達30.5%；而隨侵蝕逐漸加劇，田間持水量表現為先增加后逐漸減少，增長點在S-0加劇至S-5時。由此可知，坡耕地玉米產量在侵蝕發生當年并不會發生明顯減產，而在侵蝕次年土壤結構因侵蝕持續加劇而受到破壞，進而坡耕地發生明顯減產，且發生減產所對應的侵蝕程度相應減弱，因此坡耕地作物產量變化隨侵蝕加劇具有滯后性。即發生侵蝕的坡耕地耕層不宜持續耕作。

2.4 坡耕地持水抗旱性能的影響因素及調控

坡耕地侵蝕耕層持水抗旱性能受土壤結構指標影響。由圖5可知，坡耕地侵蝕耕層最大有效庫容與毛管孔隙度和土壤有機質含量均呈極顯著正相關（＜0.01），與自然含水量呈顯著正相關（＜0.05）；但與土層深度呈極顯著負相關（＜0.01），與黏粒呈顯著負相關（＜0.05）。

坡耕地侵蝕耕層田間持水量與粉粒、毛管孔隙度、自然含水量、土壤有機質含量等土壤結構指標均呈極顯著正相關（＜0.01），但與土層深度呈極顯著負相關（＜0.01）。

生物炭+化肥較單施化肥對耕作層田間持水量提升效果更顯著（＜0.05）。由圖6可知，田間持水量與毛管孔隙變化基本一致，施化肥后坡耕地侵蝕耕層田間持水量較無措施相比0—10和10—20 cm土層存在顯著變化（＜0.05），不同措施對坡耕地耕作層土壤田間持水量影響顯著（＜0.05）（F提升9.1%，BF提升29.9%），而心土層受影響程度并不明顯。結合圖2和圖3可看出，本研究翻耕15 cm提升各侵蝕程度下土層厚度，提高了土壤水庫有效庫容，因此單施化肥和生物炭+化肥僅對坡耕地0—20 cm土層的理化性質具有顯著的改善效果。

MEC：最大有效庫容；FC：田間持水量；h：土層深度；Sand：砂粒；Silt：粉粒；Clay：黏粒；NMC：自然含水量；SCP：毛管孔隙度；SOM：有機質

不同大寫字母表示同一土層不同田間管理措施差異顯著（P＜0.05）；不同小寫字母表示同一田間管理措施下不同土層間差異顯著（P＜0.05）

3 討論

3.1 侵蝕耕層持水抗旱性能變化

有效土層厚度與土壤孔隙差異導致侵蝕條件下坡耕地持水能力不同。土壤持水能力在低水吸力范圍內取決于土壤大孔隙毛管力作用；在中高水吸力段則取決于土壤顆粒的吸附作用[27]。本研究中土壤水吸力超過300 cm，各侵蝕程度下土壤容積含水量年際變化均表現為提升，且S-10與S-15以心土層提升為主（增幅21.5%、22.5%），說明通過增加有效土層厚度，釋放心土層所固持水分，可提升坡耕地土壤水分使用效率[28]。耕作1年后坡耕地表土層（0—10 cm）土壤容積含水量在S-15表現為降低，其余各土層卻呈現提升趨勢，且其中以心土層土壤容積含水量增幅最大（33.2%）。其原因可能是翻耕對坡耕地表層孔隙結構擾動較大，導致表層土壤持水能力減弱。由土壤剖面層次看，坡耕地心土層土壤受耕作擾動幾率和程度較小，可作為潛在土壤水庫為作物生長提供可利用的水分[29]。

土壤水庫各項庫容的大小與土壤質地、結構和土層深度有關。土壤孔隙結構決定于土壤顆粒組成，土壤水分運移受孔隙結構影響[8,30-31]。本研究中坡耕地侵蝕耕層土壤最大有效庫容與毛管孔隙度呈極顯著正相關（＜0.01），與黏粒呈顯著負相關（＜0.05）。除死庫容外，各庫容均沿坡耕地土壤垂直剖面減小，這可能是坡耕地土層越深，土壤中黏粒含量越高，導致土壤顆粒間孔隙度降低，土壤有效庫容受孔隙度影響，而土層越深其黏粒含量越多，表現為孔隙度大且小孔隙為主，不利于土壤中的水氣協調[28]。隨侵蝕加劇坡耕地耕層土壤死庫容無明顯變化，總庫容呈現先增大后減小的變化規律，其原因可能是坡耕地在侵蝕剛發生時，表層土壤經搬運沉積，其緊實結構隨之改善，土壤飽和含水量因此而提升。隨侵蝕加劇坡耕地各土層間土壤庫容差異性逐漸降低，其原因在于耕作層土壤流失嚴重且逐漸薄化造成其水分固持能力減弱，心土層土壤在重度侵蝕下其各項土壤理化指標顯著劣化，坡耕地持水抗旱性能隨之減弱[32]。有研究指出紫色土有效水分含量主要以中等質地土壤最高，質地過粗過細均低[33]，若坡耕地土壤黏粒含量偏高，土壤顆粒排列緊密且大孔隙減少[34-35]，土壤接納降雨能力減弱，久之土壤有效水分降低。本研究由于僅對紫色土砂粒、粉粒、黏粒與土壤有效庫容的相關性分析，故而并未體現出此種規律，后續應針對紫色土不同粒徑對土壤有效庫容的影響進行研究。

3.2 侵蝕條件下坡耕地生產力調控

侵蝕條件下坡耕地生產力受土壤理化性質及耕層厚度影響。坡耕地土壤侵蝕效應直接表現為坡面耕層變薄、土壤物理化性質惡化和土地生產力下降[36]。本研究中玉米產量由S-0加劇至S-5時不減反增，增幅為5.3%，此后隨侵蝕加劇逐漸降低，最大減產幅度（38.7%）于S-15加劇至S-20。分析其原因發現玉米產量與土壤最大有效庫容及田間持水量年際變化具有一致性，對應的土壤最大有效庫容在侵蝕程度小于S-5前，并未減少反而有所增加，這是造成玉米產量發生顯著增長的主要原因，因此通過施加生物炭降低土壤容重和增加土壤孔隙度等[31]，調控坡耕地土壤持水抗旱性能以提高作物產量。研究表明[18]不同粒徑生物炭對土壤容重和持水能力有不同程度的影響，生物炭本身的保水性隨自身粒徑增加而降低，而將生物炭與土壤混合后結果則相反，長期田間試驗表明，使用0.2—0.4 mm粒徑的生物炭是最佳選擇[37]，粗粒生物炭（0.853—2.0 mm）對土壤持水性能的改善作用較大[38]，高孔隙生物炭在粗質地土壤中更有效[39]。高會議等[40]在黃土高原施肥定位試驗中發現，長期施用化肥會對土壤結構造成破壞，從而降低土壤持水性能。但本研究中施加0.1 mm細粒徑生物炭+化肥卻對不同侵蝕程度下坡耕地土壤理化性質均有顯著改善，分析其原因一方面是坡耕地深翻耕15 cm且配施化肥，對坡耕地土壤具有改善效果，另一方面化肥施用期短，且施肥后對進行翻耕，改善坡耕地土壤結構，故未出現土壤持水性能降低的現象，反而提高作物對土壤水分的利用效率[41-42]。因此短期施加化肥配以翻耕可保證紫色土坡耕地持水性能，進而調控侵蝕條件下坡耕地生產力。

深翻耕可改善坡耕地耕層結構以提高水分利用效率。深翻耕作是一種常見的農業耕作措施，通過深翻加深有效土層厚度而不斷翻轉土壤，從而調節土壤固相、液相、氣相三相比例，從而改善坡耕地土壤結構[29]。本研究通過翻耕15 cm將生物炭和化肥混入土壤，使坡耕地耕層土壤呈現為炭土混合壤[43]，對坡耕地耕作層田間持水量影響顯著（＜0.05）。這是因為西南紫色丘陵區耕作習慣易造成坡耕地耕作層變薄、土壤容重增加而土壤結構劣化，使得坡耕地犁底層厚度持續增加，此種障礙耕層影響作物根系發育，難以有效利用耕層水分，而通過深翻耕作打破犁底層使土壤剖面均勻化[16]從而增加土層深度提高土壤有效庫容，保證旱季時作物根系可從深層土壤吸收水分。此外還可提高坡耕地土壤最大儲水量和接納降雨量并有效固持，可將休閑期降雨蓄積至小麥開花期，進而提高作物產量[44]。綜合以上，針對紫色丘陵地區坡耕地土層淺薄且土壤粗骨化嚴重的特點，采取深翻耕作提升坡耕地耕層厚度擴大土壤水分儲存空間，配施生物炭+化肥/有機肥改善土壤結構，是提升紫色土坡耕地侵蝕耕層持水抗旱性能，增加坡耕地作物產量的有效途徑。

4 結論

4.1 坡耕地土壤容積含水量隨侵蝕加劇減小，但沿土壤剖面減幅逐漸降低。侵蝕條件下耕作1年后，坡耕地心土層容積含水量提高最大，持水能力增強。

4.2 有效土層厚度增加可有效提升坡耕地降雨資源化程度，降低侵蝕對坡耕地深層土壤水分固持效應的影響。耕作1年后土壤最大有效庫容增加，且增幅隨侵蝕加劇提高。

4.3 坡耕地玉米產量與侵蝕耕層土壤最大有效庫容變化一致，土壤結構隨侵蝕加劇劣化，坡耕地產量年際變化較土壤結構改變呈一定滯后性。

4.4 坡耕地侵蝕耕層持水抗旱性能主要受土壤理化性質影響。生物炭+化肥可改善土壤結構，有效提高坡耕地侵蝕耕層持水抗旱性能和生產力。

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Response of Cultivated-Layer Water-Holding and Drought Resistance Performance and Productivity to Erosion Degree in Purple Soil Sloping Farmland

NI ShuHui, SHI DongMei, PAN LiDong, YE Qing, WU JunHao

College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715

【Objective】The aim of this study was to analyze the water-holding performance and yield response characteristics of purple soil slope farmland under erosion conditions, so as to provide the theoretical basis for regulating seasonal drought and moisture use efficiency of sloping farmland, and improve yield of sloping farmland under erosion conditions.【Method】 Soil erosion simulation method was adopted, with the non-eroded plot as the control group (S-0), and based on erosion degrees of 5 cm (S-5), 10 cm (S-10), 15 cm (S-15), 20 cm (S-20) and 3 management measures (no fertilizer (CK), fertilizer (F), biochar + fertilizer (BF)). The variation of water retention and drought resistance of slope soil layer and the variation of corn yield and response to erosion degree were compared and analyzed.【Result】(1) The core soil layer soil water-holding performance was stronger. At the same level of soil moisture suction, the reduction amplitude of soil volume moisture content in the tillage layer (13.9%-18.2%) was greater than that in the core soil layer (9.8%); with interannual changes, the volumetric moisture content of the cultivated soil increased maximum at S-5(14.2%), while the core soil layer showed the maximum at S-15(33.2%). (2) The total storage capacity, active storage capacity, maximum effective storage capacity, and effective moisture content of sloping farmland soil showed a parabolic variation pattern with increasing erosion. With interannual changes, the maximum increase in maximum effective storage capacity (44.7%) at various erosion levels was at a relatively strong erosion level (S-15), while the maximum increase in effective moisture content, maximum water storage capacity, and maximum single acceptance rainfall was at weak erosion levels (S-0to S-10). (3) The corn yield of slope cultivated land decreased with the increase of erosion, which was positively correlated with the maximum effective storage capacity and field water capacity; with interannual changes, the yield reduction effect of sloping farmland decreased under different degrees of erosion, and the yield change showed a certain lag with the deterioration of erosion, that is, there was no significant reduction in yield in the year of erosion. (4) The maximum effective storage capacity of sloping farmland soil under erosion conditions was significantly affected by the clay content, capillary porosity, and organic matter content (＜0.01); The field water capacity was significantly correlated with soil depth, organic matter, silt, and porosity (＜0.01).【Conclusion】The strength of the soil water-holding and drought performance was mainly affected by the merits of the soil structure. The soil structure of slope farmland under erosion conditions could be improved by combining deep tillage and biochar+fertilizer management measures, which could effectively regulate the water-holding and drought resistance of erosive cultivated-layer of sloping farmland and improve crop yield of sloping farmland under erosion conditions.

purple soil; sloping farmland; water-holding characteristic; drought resistance; soil erosion; soil reservoir capacity; corn

10.3864/j.issn.0578-1752.2024.07.011

2023-05-23；

2023-09-22

國家自然科學基金（41771310）

倪書輝，E-mail：nish312@163.com。通信作者史東梅，E-mail：shidm_1970@126.com

（責任編輯 李云霞）