西南紫色土坡耕地农作物-耕层质量适宜性的耦合度诊断

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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

Coupling Degree Diagnosis on Suitability Evaluation of Cultivated-Layer Quality for Slope Farmland in Purple Hilly Region of South-Western China

LOU YiBao¹, SHI DongMei^,¹, JIN HuiFang¹, JIANG GuangYi², DUAN Teng¹, JIANG Na¹

¹College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715

²Chongqing Eco-environment Monitoring Station of Soil and Water Conservation, Chongqing 401147

通讯作者: 史东梅,E-mail： shidm_1970@126.com

收稿日期:2018-07-13接受日期:2018-09-10网络出版日期:2019-02-16

基金资助:

国家自然科学基金.41771310
公益性行业农业科研专项.201503119-01-01

Received:2018-07-13Accepted:2018-09-10Online:2019-02-16
作者简介 About authors
娄义宝,E-mail: yibao93@126.com。

摘要
【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（21.0 cmol(+)·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（9.2 cmol(+)·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_d）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。
关键词： 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

Abstract

【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_d) 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_d) 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.

Keywords：slope farmland;quality of cultivated-layer;coupling degree;reasonable cultivated-layer configuration;suitability;purple hilly area;South-Western China

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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[J]. 中国农业科学, 2019, 52(4): 661-675 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.04.008
LOU YiBao, SHI DongMei, JIN HuiFang, JIANG GuangYi, DUAN Teng, JIANG Na. Coupling Degree Diagnosis on Suitability Evaluation of Cultivated-Layer Quality for Slope Farmland in Purple Hilly Region of South-Western China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(4): 661-675 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.04.008

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。

Table 1
表1
表1紫色土坡耕地耕层土壤性质及生产条件
Table 1Soil quality and agricultural production conditions of plow layer on purple soil slope

地块号Block number	行政区域 Adminis-trative region	母质 Parent material	田面坡度Slope (°)	有效土层厚度Effective thickness of soil layer (cm)	耕层厚度Topsoil thickness (cm)	pH	有机质 Soil organic matter (g·kg^-1)	阳离子交换量Cation exchange Capacity (cmol (+)·L^-1)	全氮Total nitrogen (g·kg^-1)	有效磷 Effective phosphate (mg·kg^-1)	速效钾 Available potassium (mg·kg^-1)	作物产量Crop yield (t·hm^-2)	地力等级 Productivity grade of cultivated land
1	万州区Wanzhou district	侏罗纪沙溪庙组 Jurassic Shaximiao Group	5	40	20	4.9	19.50	32.1	0.97	12.00	94.5	9.000	一 First
2	万州区Wanzhou district	侏罗纪沙溪庙组 Jurassic Shaximiao Group	5	45	22	5.2	10.00	27.6	0.66	10.00	79.1	6.750	二 Secondary
3	万州区Wanzhou district	侏罗纪遂宁组 Jurassic Suining Group	10	50	20	7.9	9.69	16.3	0.91	2.90	69.2	5.250	三 Third
4	万州区Wanzhou district	侏罗纪沙溪庙组 Jurassic Shaximiao Group	15	20	15	5.1	7.02	19.9	0.41	10.00	54.5	4.50	四 Fourth
5	万州区Wanzhou district	侏罗纪遂宁组Jurassic Suining Group	25	20	20	7.8	9.93	18.9	0.82	2.60	51.8	4.500	五 Fifth
6	云阳县Yunyang country	沙溪庙组 Shaximiao Group	6	40	25	6.9	14.60	31.8	0.89	9.39	88.7	9.750	一 First
7	云阳县Yunyang country	沙溪庙组 Shaximiao Group	7	50	25	6.2	8.99	21.1	0.61	6.61	114.0	9.250	二 Secondary
8	云阳县Yunyang country	巴东组 Padong Group	12	40	24	8.0	19.90	22.4	1.36	5.57	157.0	8.000	三 Third
9	云阳县Yunyang Country	蓬莱镇组 Penglai Group	16	40	20	6.5	12.30	24.8	0.72	3.74	55.1	6.500	四 Fourth
地块号Block number	行政区域 Adminis-trative region	母质 Parent material	田面坡度Slope (°)	有效土层厚度Effective thickness of soil layer (cm)	耕层厚度Topsoil thickness (cm)	pH	有机质 Soil organic matter (g·kg^-1)	阳离子交换量Cation exchange Capacity (cmol (+)·L^-1)	全氮Total nitrogen (g·kg^-1)	有效磷 Effective phosphate (mg·kg^-1)	速效钾 Available potassium (mg·kg^-1)	作物产量Crop yield (t·hm^-2)	地力等级 Productivity grade of cultivated land
10	云阳县Yunyang Country	蓬莱镇组 Penglai Group	20	20	20	8.3	5.29	28.4	0.41	4.31	170.0	5.250	五 Fifth
11	北碚区Beibei district	侏罗纪沙溪庙组 Jurassic Shaximiao Group	5	35	20	6.0	12.40	28.4	0.89	18.00	78.8	9.000	一 First
12	北碚区Beibei district	侏罗纪沙溪庙组 Jurassic Shaximiao Group	5	40	19	7.6	12.90	24.7	1.02	6.30	72.1	7.875	二 Secondary
13	北碚区Beibei district	须家河组 Xujiahe Group	10	30	20	5.1	16.60	17.4	1.14	45.00	47.3	7.125	三 Third
14	北碚区Beibei district	沙溪庙组 Shaximiao Group	15	25	25	7.9	10.00	20.8	0.61	1.20	50.5	6.375	四 Fourth
15	北碚区Beibei district	沙溪庙组 Shaximiao Group	25	15	15	4.9	10.60	28.8	0.65	6.10	44.4	5.625	五 Fifth
16	綦江区Qijiang district	侏罗纪沙溪庙组 Jurassic Shaximiao Group	5	40	20	6.8	12.20	12.9	0.80	29.00	39.6	9.300	一 First
17	綦江区Qijiang district	侏罗纪沙溪庙组 Jurassic Shaximiao Group	12	40	20	7.4	14.40	22.6	1.25	5.50	122.0	6.00	二 Secondary
18	綦江区Qijiang district	侏罗纪沙溪庙组 Jurassic Shaximiao Group	10	35	20	5.2	16.90	18.3	1.10	104.00	42.2	5.250	三 Third
19	綦江区Qijiang district	沙溪庙组 Shaximiao Group	12	40	25	5.3	16.80	12.7	0.64	19.00	43.6	4.500	四 Fourth
20	綦江区Qijiang district	页岩、沙岩风化物Shale, sandstone weathering	25	20	20	4.4	18.70	0.084	0.97	139.00	75.0	4.120	五 Fifth
21	江津区Jiangjin district	侏罗纪沙溪庙组 Jurassic Shaximiao Group	5	30	15	6.5	14.00	28.6	1.20	2.10	60.1	6.375	一 First
22	江津区Jiangjin district	侏罗纪沙溪庙组 Jurassic Shaximiao Group	5	40	19	7.6	12.90	21.5	1.02	6.30	72.1	6.000	二 Secondary
23	江津区Jiangjin district	侏罗纪沙溪庙组 Jurassic Shaximiao Group	10	40	20	6.7	10.50	15.8	0.75	1.40	111.0	5.250	三 Third
24	江津区Jiangjin district	侏罗纪沙溪庙组 Jurassic Shaximiao Group	15	30	20	5.4	21.10	16.6	1.14	14.00	46.6	4.500	四 Fourth
25	江津区Jiangjin district	页岩、沙岩风化物 Shale, sandstone weathering	15	30	20	7.1	16.30	14.1	1.17	0.00	86.2	4.125	五 Fifth
26	彭水县Pengshui county	巴东组紫色岩 Badong purple rock	5	45	20	7.3	19.60	11.5	1.30	3.90	60.2	9.750	一 First
27	彭水县Pengshui county	巴东组紫色岩 Badong purple rock	7	40	20	6.9	15.60	12.2	1.03	27.00	145.0	9.100	二 Secondary
28	彭水县Pengshui county	巴东组紫色岩 Badong purple rock	14	30	20	6.0	14.00	16.5	1.08	7.50	37.1	7.750	三 Third
29	彭水县Pengshui county	巴东组紫色岩 Badong purple rock	16	20	20	5.5	9.64	25.4	1.23	8.90	87.0	6.000	四 Fourth
30	彭水县Pengshui county	巴东组紫色岩Badong purple rock	22	20	20	7.1	23.40	10.4	1.54	3.50	48.3	5.550	五 Fifth

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

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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。

Table 2
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
Table 2Evaluation index system and index weight of crop-till layer coupling coordination

目标层 Target layer	准则层 Criteria layer	指标层（x_i）Indicator layer (x_i)				综合权重Comprehensive weight
目标层 Target layer	准则层 Criteria layer	1级指标 Level 1 indicator	权重 Weights	2级指标 Level 2 indicator	权重 Weights	综合权重Comprehensive weight
农作物-耕层耦合协调度 Crop-plough layer coupling coordination degree	农作物综合评价指数Crop comprehensive evaluation index（CCE）	产量特征 Yield properties	1	作物产量 Crop yield	1	1
	耕层综合评价指数Topsoil comprehensive evaluation index（PCE）	物理特性 Physical properties	0.5	田面坡度 Slope	0.2970	0.1485
				有效土层厚度 Effective thickness of soil layer	0.1634	0.0817
				耕层厚度 Topsoil thickness	0.5396	0.2698
		化学特性 Chemical properties	0.5	土壤有机质 Soil organic matter	0.3452	0.1726
				阳离子交换量 Cation exchange capacity	0.0888	0.0444
				土壤全氮 Soil total nitrogen	0.2441	0.1220
				土壤有效磷 Soil effective phosphate	0.1551	0.0776
				土壤速效钾 Soil available potassium	0.0691	0.0345
				pH	0.0977	0.0498

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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：

（1） $CCE(x)=\sum^{n}_{i=1}P_{i}x_{i}$

（2） $PCE(y)=\sum^{n}_{i}q_{i}y_{j}$

式中,CCE 为农作物评价指数,PCE 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_i,x_i为农作物评价函数第 i 个指标对应的权重和标准化数值;q_j,y_j为耕层综合评价函数第 j 个指标对应的权重和标准化数值。

x_i 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]}。

（3） $x_{i}=\begin{cases}\frac{X_{i}-min(X_{i})} {max(X_{i})-min(X_{i})} & (x_{i}具有正功效) \\ \frac{max(X_{i})-X_{i}}{max(X_{i})-min(X_{i})} & (x_{i}具有负功效) \end{cases}$

式中x_i为变量X_i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_d）^{[13-14,18-20]}。

（4） $C_{d}=\sqrt{C\cdot T}$

（5） $T=aCCE(x)+bPCE(y)$

（6） $C=\sqrt{\frac{CCE(x)\cdot PCE(y)}{[CCE(x)+PCE(y)]^{2}}}$

式中,C_d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;T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。C为农作物-耕层系统耦合度,其值范围在0—1之间,C趋近1时,农作物与耕层之间表现为良性耦合状态;当C值趋0时,农作物与耕层则呈现无关状态。a、b分别为CCE、PCE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：a=0.5,b=0.5。参考已有的相关研究^{[12-14,18-20]},根据C_d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_d）划分为5个等级,具体评判标准如表3所示。

Table 3
表3
表3农作物-耕层耦合协调度分类及诊断标准
Table 3Classification and diagnosis standards of coupling degree of crop-plough coupling

序号 No.	耦合协调度（C_d） Coupling coordination degree (C_d)	农作物-耕层耦合协调特征 Crop-plough layer coupling coordination properties	适宜程度 Suitability
1	0<C_d≤0.2	失调衰退型Offset decline	高度不适宜Highly unsuitable
2	0.2<C_d≤0.4	濒临失调型Endangered	中度不适宜Moderately inappropriate
3	0.4<C_d≤0.6	基本协调型Basic coordination	勉强适宜Basically suitable
4	0.6<C_d≤0.8	良好协调型Good coordination	中度适宜Moderately suitable
5	0.8<C_d≤1.0	高度协调型Highly coordinated	高度适宜Highly suitable

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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。

Table 4
表4
表4不同地力等级坡耕地耕层土壤特性与产量基本特征
Table 4Analysis of physical and chemical properties and yield of cultivated tillage on different slope farmland

地力等级 Productivity grade of cultivated land		土层深度 Soil depth (cm)	有机质 Organic matter (g·kg^-1)	阳离子交换量Cation exchange Capacity (cmol(+)·L^-1)	全氮 Total nitrogen (g·kg^-1)	有效磷 Effective phosphate (mg·kg^-1)	速效钾 Available potassium (mg·kg^-1)	pH	田面坡度Slope (°)	有效土层厚度Effective thickness of soil layer (cm)	作物产量 Crop yield (t·hm^-2)
一 First	耕作层 Tillage layer	0-20	15.38	24.2	1.01	12.40	70.3	6.4	5	38	8.860
	心土层 Heart layer	20-38	9.59	22.4	0.75	5.13	54.5	7.0
	底土层Subsoil	>38	7.85	16.6	0.97	3.60	56.5	7.4
二 Secondary	耕作层 Tillage layer	0-21	12.47	21.6	0.93	10.29	100.7	6.8	7	43	7.500
	心土层 Heart layer	21-43	9.14	21.2	0.72	10.29	80.5	7.2
	底土层Subsoil	>43	6.24	21.6	0.56	4.45	71.8	7.4
三 Third	耕作层 Tillage layer	0-21	14.60	17.8	1.06	27.73	77.3	6.5	11	38	6.440
	心土层 Heart layer	21-38	8.85	15.5	0.70	3.99	67.9	6.8
	底土层Subsoil	>38	7.59	16.0	0.67	4.00	72.9	6.6
四 Fourth	耕作层 Tillage layer	0-21	12.81	20.0	0.79	9.47	56.2	6.0	15	29	5.400
	心土层 Heart layer	21-37	11.00	15.1	0.68	7.07	48.6	5.7
	底土层Subsoil	>37	7.79	16.5	0.55	3.35	53.4	5.4
五 Fifth	耕作层 Tillage layer	0-19	14.04	16.8	0.93	25.92	79.3	6.6	22	21	4.860
	心土层 Heart layer	—	—	—	—	—	—	—
	底土层Subsoil	>19	15.10	7.6	0.91	62.10	68.6	5.9

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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）。

图1

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图1坡耕地耕层类型特征聚类分析

Fig. 1Cluster analysis of plowing type of slope farmland

Table 5
表5
表53种坡耕地耕层类型的土壤质量变化特征
Table 5Three types of sloping land plowing - the basic characteristics of crop system indicators

分类 Sort	统计值 Statistics	田面坡度Slope (°)	有效土层厚度Effective thickness of soil layer (cm)	耕层厚度Topsoil thickness (cm)	pH	有机质 Soil organic matter (g·kg^-1)	阳离子交换量Cation exchange Capacity (cmol(+)·L^-1)	全氮 Total nitrogen (g·kg^-1)	有效磷 Effective phosphate (mg·kg^-1)	速效钾 Available potassium (mg·kg^-1)	作物产量 Crop yield (t·hm^-2)
I类 Class I	均值 Average value	12	33	20	6.4	13.89	21.0	0.95	10.07	62.1	6.640
	标准差 Standard deviation	6.7	9.84	2.73	1.07	4.24	6.79	0.27	10.39	17.69	1.83
	变异系数Coefficient of variation (%)	57.7	29.86	13.65	16.77	30.53	32.35	28.42	103.18	28.47	27.56
II类 Class II	均值 Average value	11	38	22	7.3	12.45	20.4	0.90	8.40	136.5	7.140
	标准差 Standard deviation	4.8	9.83	2.35	0.80	5.22	5.69	0.37	9.29	24.42	1.87
	变异系数Coefficient of variation (%)	42.4	25.65	10.93	11.03	41.93	27.86	41.11	110.60	17.89	26.19
III类 Class III	均值 Average value	18	28	20	4.8	17.80	9.2	1.04	121.50	58.6	4.690
	标准差 Standard deviation	10.6	10.61	0.00	0.57	1.27	12.88	0.09	24.75	23.19	0.80
	变异系数Coefficient of variation (%)	60.6	38.58	0.00	11.88	7.13	140.15	8.65	20.37	39.57	17.06
适宜性特征值^[17,21] Suitability eigenvalue		—	40-60	20-25	—	8.99-22.8	21.1-32.1	0.66-1.02	6.3-18	—	—

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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。

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。

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（CCE）、耕层综合评价指数（PCE）、农作物-耕层系统耦合度（C）、农作物-耕层系统综合调和指数（T）、农作物-耕层系统耦合协调度（C_d）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。

Table 6
表6
表6不同地力等级坡耕地农作物-耕层耦合协调度诊断
Table 6Slope plowland - crop coordination diagnosis based on different geotechnical grade

地力等级 Productivity grade of cultivated land	行政区域 Administrative region	CCE	PCE	C	T	C_d	CCE / PCE	农作物-耕层耦合协调特征Crop-plough layer coupling coordination properties	适宜程度 Suitability
一 First	万州区 Wanzhou district	0.8668	0.6105	0.4924	0.7386	0.6031	1.4198	良好协调农作物耕层同步型 Good coordination of crop plough synchronization	中度适宜Moderately suitable
	云阳县Yunyang Country	1.0000	0.7038	0.4924	0.8519	0.6477	1.4209	良好协调农作物耕层同步型Good coordination of crop plough synchronization	中度适宜Moderately suitable
	北碚区 Beibei district	0.8668	0.5304	0.4853	0.6986	0.5822	1.6342	基本协调耕层滞后型 Basic coordination of ploughing	勉强适宜Marginally suitable
	綦江区Qijiang district	0.9201	0.5145	0.4796	0.7173	0.5865	1.7883	基本协调耕层滞后型 Basic coordination of ploughing	勉强适宜Marginally suitable
	江津区Jiangjin district	0.4005	0.4253	0.4998	0.4129	0.4543	0.9417	基本协调农作物耕层同步型 Basic coordination of crop plough synchronization	勉强适宜Marginally suitable
	彭水县Pengshui County	1.0000	0.6469	0.4884	0.8235	0.6342	1.5458	良好协调耕层滞后型 Good coordination of ploughing	中度适宜Moderately suitable
二 Secondary	万州区 Wanzhou district	0.4671	0.5446	0.4985	0.5059	0.5022	0.8577	基本协调农作物耕层同步型 Basic coordination of crop plough synchronization	勉强适宜Marginally suitable
	云阳县Yunyang Country	0.9112	0.6176	0.4907	0.7644	0.6124	1.4754	良好协调农作物耕层同步型 Good coordination of crop plough synchronization	中度适宜Moderately suitable
	北碚区 Beibei district	0.6670	0.5408	0.4973	0.6039	0.5480	1.2334	基本协调农作物耕层同步型Basic coordination of crop plough synchronization	勉强适宜Marginally suitable
	綦江区Qijiang district	0.3339	0.5619	0.4835	0.4479	0.4654	0.5942	基本协调农作物滞后型 Basic coordination of crop lag	勉强适宜Marginally suitable
	江津区Jiangjin district	0.3339	0.5363	0.4863	0.4351	0.4600	0.6226	基本协调农作物滞后型 Basic coordination of crop lag	勉强适宜Marginally suitable
	彭水县Pengshui County	0.8845	0.5839	0.4894	0.7342	0.5994	1.5148	基本协调耕层滞后型 Basic coordination of ploughing	勉强适宜Marginally suitable
三 Third	万州区 Wanzhou district	0.2007	0.5006	0.4520	0.3507	0.3981	0.4009	濒临失调耕层损益型 On the verge of loss of plough layer	中度不适宜Moderately inappropriate
	云阳县Yunyang Country	0.6892	0.7507	0.4995	0.7199	0.5997	0.9181	基本协调农作物耕层同步型 Basic coordination of crop plough synchronization	中度适宜Moderately suitable
	北碚区 Beibei district	0.5337	0.5286	0.5000	0.5312	0.5154	1.0096	基本协调农作物耕层同步型Basic coordination of crop plough synchronization	勉强适宜Marginally suitable
	綦江区Qijiang district	0.2007	0.5730	0.4383	0.3868	0.4118	0.3503	基本协调耕层滞后型 Basic coordination of ploughing	勉强适宜Marginally suitable
	江津区Jiangjin district	0.2007	0.4622	0.4595	0.3315	0.3902	0.4342	濒临失调耕层损益型 On the verge of loss of plough layer	中度不适宜Moderately inappropriate
	彭水县Pengshui County	0.6448	0.4543	0.4924	0.5495	0.5202	1.4193	基本协调农作物耕层同步型Basic coordination of crop plough synchronization	勉强适宜Marginally suitable
地力等级 Productivity grade of cultivated land	行政区域 Administrative region	CCE	PCE	C	T	C_d	CCE / PCE	农作物-耕层耦合协调特征Crop-plough layer coupling coordination properties	适宜程度 Suitability
四 Fourth	万州区 Wanzhou district	0.0675	0.1489	0.4633	0.1082	0.2239	0.4533	濒临失调农作物耕层共损型 On the verge of a total loss of topsoil offset crop type	中度不适宜Moderately inappropriate
	云阳县Yunyang Country	0.4227	0.4282	0.5000	0.4255	0.4612	0.9872	基本协调农作物耕层同步型Basic coordination of crop plough synchronization	勉强适宜Marginally suitable
	北碚区 Beibei district	0.4005	0.5110	0.4963	0.4558	0.4756	0.7838	基本协调农作物耕层同步型Basic coordination of crop plough synchronization	勉强适宜Marginally suitable
	綦江区Qijiang district	0.0675	0.6043	0.3006	0.3359	0.3178	0.1117	濒临失调农作物损益型 Type of crop losses on the verge of disorder	中度不适宜Moderately inappropriate
	江津区Jiangjin district	0.0675	0.5196	0.3190	0.2936	0.3060	0.1299	濒临失调农作物损益型 Type of crop losses on the verge of disorder	中度不适宜Moderately inappropriate
	彭水县Pengshui County	0.3339	0.4105	0.4974	0.3722	0.4302	0.8134	基本协调农作物耕层同步型Basic coordination of crop plough synchronization	勉强适宜Marginally suitable
五 Fifth	万州区 Wanzhou district	0.0675	0.3094	0.3834	0.1884	0.2688	0.2182	濒临失调农作物损益型 Type of crop losses on the verge of disorder	中度不适宜Moderately inappropriate
	云阳县Yunyang Country	0.2007	0.3099	0.4884	0.2553	0.3531	0.6476	濒临失调农作物耕层共损型 On the verge of a total loss of topsoil offset crop type	中度不适宜Moderately inappropriate
	北碚区 Beibei district	0.2673	0.1285	0.4682	0.1979	0.3044	2.0802	濒临失调农作物耕层共损型 On the verge of a total loss of topsoil offset crop type	中度不适宜Moderately inappropriate
	綦江区Qijiang district	0.0000	0.4223	0.0000	0.2111	0.0000	0.0000	失调衰退农作物损益型Disadvantaged decline crop profit and loss type	高度不适宜Highly unsuitable
	江津区Jiangjin district	0.0009	0.4978	0.0422	0.2493	0.1025	0.0018	失调衰退农作物损益型Disadvantaged decline crop profit and loss type	高度不适宜Highly unsuitable
	彭水县Pengshui County	0.2540	0.5171	0.4700	0.3855	0.4257	0.4912	基本协调农作物损益型 Basic coordination of crop losses and benefits	勉强适宜Marginally suitable

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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CCE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PCE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_d大小分布也说明这个规律,C_d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。

Table 7
表7
表73种坡耕地类型的农作物-耕层耦合协调度诊断
Table 7Diagnosis of coupling degree of plough-agriculture coupling on three kinds of sloping farmland

类型 Sort	CCE	PCE	C	T	C_d	CCE / PCE	农作物-耕层耦合协调特征Crop-plough layer coupling coordination properties	适宜程度 Suitability
I类 Class I	0.4478	0.4824	0.4997	0.4651	0.4820	0.9283	基本协调农作物耕层同步型Basic coordination of crop plough synchronization	勉强适宜 Marginally suitable
II类 Class II	0.5367	0.5477	0.5000	0.5422	0.5207	0.9799	基本协调农作物耕层同步型Basic coordination of crop plough synchronization	勉强适宜 Marginally suitable
III类 Class III	0.1004	0.4976	0.3737	0.2990	0.3343	0.2018	濒临失调耕层损益型 On the verge of loss of plough layer	中度不适宜 Moderately inappropriate

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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

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图2有效土层厚度对紫色土坡耕地产量影响

Fig. 2Effect of effective soil thickness on yield of purple soil slope farmland

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。

图3

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图3土壤侵蚀厚度对农作物产量影响

Fig. 3Effect of soil erosion thickness on crop yield

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****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。

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_d）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。

（责任编辑李云霞）

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针对四川丘陵地区坡耕地水土流失的主要特征和旱作农业存在的问题 ,结合 10多年的研究和试验 ,从水土保持耕作技术 ,旱地宽带多熟种植技术 ,集雨节灌技术和坡耕地改造技术等方面 ,提出了本区水土保持相关的旱作农业土壤管理技术体系 ,并对今后的工作重点提出了一些建议。

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耕作层是人类为了栽培作物，利用工具对土壤进行扰动的深度层。耕作层的结构和厚度决定了作物的生存环境及养分和水分的供给。随着对粮食需求的不断增加，培育一个肥沃而深厚的耕作层，提高土壤地力得到了越来越多人的关注。文章综合分析了耕作层的演变和功能及其对作物根系生长和产量的重要意义，由此提出了粘质土壤（粘粒含量＞35％）的适宜耕作层深度为0～35 cm，沙质土壤为0～20 cm；综述了秸秆和有机肥还田在培育土壤耕作层方面的研究进展。随着种植结构的多元化和农用机械的不断更新，对未来土壤耕作层培育的技术模式进行了展望，即建立集成作物轮作、有机物料还田、耕作强度和频度的综合技术模式，旨在为合理耕作层培育提供理论支撑。图1，参49。

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耕地地力的定量评价和分等定级是测土配方施肥的重要内容，也是实现农田地力定向培育和精准农作的基础。该文从地力评价指标筛选、评价单元划分与赋值、评价指标的权重确定等方面介绍了国内外耕地地力评价的主要流程和重要研究进展，对中国农业部推荐方法（特尔斐法-层次分析法）、神经网络法、支持向量机和决策树法等评价方法的原理及其优劣进行了较系统的述评。进一步地，还对该领域目前存在的指标体系通用性、评价结果可比性、数据缺失等问题及可能的解决方案作了探讨。在未来的耕地地力评价工作中，应将传统的层次分析法与近年兴起的分类与回归树等数据挖掘新技术相结合，建立起更为客观、全面的地力定量评价模型，为中国精准农业生产提供方法学参考。

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The FAO framework for Land Evaluation (LE) has been the primary procedure used worldwide to address local, regional, and national land use planning. Despite its widespread and long-term application, the process has been criticised by the scientific community for its qualitative and empirical base, which is not effective to address many new agro-environmental challenges where the dynamic characterisation of the interrelated physical and chemical processes taking place in the soil landscape is a must. In today's environment, the LE expert is asked to choose the best LE methodology considering costs, complexity of the procedure and benefits in handling a specific land evaluation. Unfortunately very little scientific literature supports this choice especially in terms of the comparison of different LE approaches. In this scenario, we performed a forage maize land suitability study by comparing different methods having increasing complexity and costs. The study area was comprised of approximately 2000 ha and was located on the Lodi Plain (Po Valley) of North Italy. The primary land use in the region is forage maize and this study was designed to assess forage maize biomass. Methods were developed and applied to compare the efficacy of procedures of increasing complexity. The range of the 9 employed methods ranged from standard LE approaches to the extensive use of simulation modelling (SWAP and CropSyst), using as data input pre-existing soil information (soil map 1:50,000) and also hydraulic properties measured as well estimated by PTF(pedotransfer functions). The different methods were compared based on both predictive ability and cost. Independent estimates of forage maize biomass were obtained by locally tested remote sensing measurements, and predictive ability was estimated using statistical indexes including correlation, relative variance, and ANOVA to evaluate the mean differences in maize biomass. The level of expertise required to apply a specific methodology was a factor in the cost of the LE. In addition, an increase in method complexity corresponded to a higher quality/quantity of input parameters and as a consequence higher costs. Generally, more complex methods gave better results in terms of their predictive ability but this occurred in much discontinuous steps; this finding contradicts a simplified view on the better performance of more complex and mechanicistic methods. Methods operating on measurements resulted in increased performance relative to those operating on PTF. Furthermore, methods operating on rue soils without aggregations (i.e. soil-mapping units) exhibited higher performance.

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1. Legacy effects of plant influences on abiotic and biotic soil properties can result in priority effects that influence the structure and composition of plant communities. To better understand the role of these plant–soil interactions, here we expand the concept of plant–soil feedbacks from a within-species approach (intraspecific plant–soil feedback) to a between-species approach (interspecific plant–soil interactions).2. In a greenhouse experiment, we tested how the early successional Jacobaea vulgaris affects its own performance and the performance of 30 co-occurring plant species via changes in abiotic and biotic soil conditions. In addition, we examined the reciprocal effect of the co-occurring species on J. vulgaris.3. Our study had three important results. First, J. vulgaris exhibits strong negative plant–soil feedback. Secondly, there were large differences among the co-occurring species in interspecific plant–soil effects on J. vulgaris growth. Approximately, half the species reduced J. vulgaris performance, whereas the other half had no effect. Thirdly, soil conditioned by J. vulgaris had a positive or neutral effect on the growth of the co-occurring species.4. To test the soil effects of entire plant communities, in 10 old-fields that differed in time since abandonment we recorded the identity of all plants surrounding J. vulgaris individuals. We calculated the weighted soil effect of this community on J. vulgaris and the reciprocal effect of J. vulgaris on the community. There was a positive linear relationship between time since abandonment and the weighted feedback effect of J. vulgaris on the plant community.5. We suggest three mechanisms how the legacy of plant–soil interactions may enhance the rate of succession through priority effects: early successional plant species exert negative plant–soil feedback; co-occurring plant species cause negative interspecific plant–soil effects to the early successional species; and the early successional species have overall positive interspecific plant–soil effects on the co-occurring plant species.6.Synthesis. The performance of an early successional species can be reduced directly by the legacy effects of intraspecific plant–soil feedback, as well as indirectly by the legacy effects of both intra- and interspecific plant–soil interactions. These intra- and interspecific plant–soil interactions can prioritize transitions of plant species in plant communities.

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A plant that causes specific changes to soil biota may either positively or negatively affect the performance of the plant that subsequently grows in that location. These effects, known as plant–soil feedback, can affect plant species diversity at multiple spatial scales.It has been hypothesized that positive plant–soil feedback reduces alpha (local) diversity by allowing dominance by early-arriving species, but increases gamma (regional) diversity by promoting community divergence (increased beta diversity) through the emergence of alternative stable states. In contrast, negative plant–soil feedback has been thought to increase alpha diversity by allowing local species coexistence, but to reduce gamma diversity by promoting community convergence (reduced beta diversity). Although widely accepted, these hypotheses do not consider the possibility that plant species differ in their effect on, and their response to, a given other species via soil biota. In reality, plant–soil interactions can be complex, with the strength of the interactions variable between plant species. Using a basic simulation model of plant community assembly, we investigated how complex plant–soil interactions might affect plant diversity during succession.When we included only positive or negative intraspecific plant–soil feedback in the model, with no variation in the strength of interspecific plant–soil interactions, results were consistent with the conventional hypotheses. When we allowed the strength of plant–soil interactions to differ between species, plant–soil interactions enhanced alpha diversity initially and beta and gamma diversity subsequently. Diversity enhancement occurred not necessarily because alternative stable states emerged, but primarily because complex plant–soil interactions lengthened the time during which local species composition changed. Due to the longer time for changes in species composition, the high level of beta and gamma diversity at the early stage of succession was maintained for a long time despite eventual community convergence. Thus, diversity enhancement was often transient, though long-lasting, making the conventional concept of alternative stable states inadequate for explaining diversity.Synthesis. Based on these findings, we propose the new hypothesis that complex plant–soil interactions enhance plant species diversity by delaying community convergence. This hypothesis highlights the role of plant–soil interactions as a driver of long-lasting transient dynamics of community assembly.

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通过紫色土坡地土层厚度的调查与不同土层厚度的小区对比试验，研究紫色土薄层坡地的生产力特性。结果表明，约73％的紫色土坡耕地土层厚度为20～60cm。土层厚度是紫色土生产力的基本限制条件。土层越薄，作物株高、生物量和产量愈低，生产力愈低；土层越厚，生物量、产量愈高，生产力愈高，土层厚度的影响在玉米季尤为突出，20cm、40cm小区夏玉米产量仅为60cm小区的50％、74％，为80em小区的28％、40％，100cm小区的23％、34％。当土壤厚度超过60cm，小麦、玉米的株高、生物量及根重差异不显著，而土壤蓄水可抵御紫色丘陵区连续20d的夏旱，因此，可初步判定60cm土层为紫色土生产力临界土层。60cm以上厚度的紫色土可维持基本稳定的生产力水平。

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Based on observation of 33 plots of abandoned farmland in Ansai,a loess region of hills and gullies,sequence of vegetation communities and their relationships with soil environmental factors in these fields were analyzed through f:orrespondente Analysis and Canonical Correspondence Analysis.The results show that there are mainly 4 vegetation communities during 40 years of succession:Artemisia scoparia dominated community(Ⅰ),Lespedeza davurica and Stipa bungeana dominated tommunity(Ⅱ),Artemisiu gmelinii dominated community(Ⅲ)and Bothriochloa ischaemuu dominated community(Ⅳ).The species compositions of the 4 communities displayed relatively strong continuity and progressiveness.In comparison,the soil nnder Community Ⅰ was higher in soil moisture content in 0-200 cm layers and available phosphorus content,Community Ⅱ in total nitrogen and available nitrogen content,Community Ⅲ in total phosphorus content and soil water content in 200-500 cm layers,and Community Ⅳ in available potassium and organic matter content.Organic matter,total phosphorus,available phosphorus and soil water content in 0-200 cm layers are important factors significantly affecting variation of vegetation on abandoned cropland in the hilly-gullied Loess Plateau.To revegetate the land quickly and control soil erosion effectively,it is essential to take measures such as transplanting or sowing C4 plants and applying fertilizers.

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利用边际性土地种植能源植物是发展液体生物能源产业，解决产业原料供应瓶颈问题和缓解碳减排压力，保护环境的重要途径。准确评价边际土地能源植物的种植潜力是合理利用边际性土地的重要环节。针对目前边际性土地能源植物适宜性评价模型多以线性为主，容易造成单生态因子的评价结果的高估或低估问题。该文建立了边际土地开发非线性生态位适宜度评价模型，该模型引入了专家知识，利用高斯曲线去拟合边际土地利用的现实生态位与能源植物种植需求生态位的匹配关系，利用最佳生态位值及限制性生态因子，以贴近度作为适宜性划分的标准测度各评价单元的生态位适宜度指数，来界定能源作物的边际土地的种植潜力。将模型应用于广东省，选取木薯、麻疯树、油桐和黄连木4种广东省最具潜力的液体生物能源植物进行边际土地适宜性分析，结果表明：广东省边际性土地资源丰富，良好的水热，土壤等生境条件使得其具有较高开发适宜性。适合4种能源植物的边际土地为62.15×104 hm2，占总边际土地面积的58.44%。麻疯树和黄连木2种植物生态适宜度最高，并且具有相似的生态位，在空间上存在竞争关系；其次是油桐树；木薯在4种能源植物中高适宜度范围最小，主要适合种植在粤西台地平原和粤东滨海丘陵台地地区。

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植被和土壤的耦合协调关系是沟谷地植被恢复进入良性演替发展阶段的重要标志。研究通过建立9个植被因子和11个土壤因子的2级层次指标体系,采用层次分析法确定各因子的权重,构建沟谷地植被-土壤系统耦合协调模型。结果表明:沟谷地经过20多年的植被恢复,不同植被恢复模式沟谷地的植被-土壤系统发展趋势均处于中级协调发展水平上;其中,刺槐林沟处于中级发展模式水平植被土壤同步型,柠条灌丛沟和天然草地沟为中级发展模式水平土壤滞后型;逐步回归线性分析表明,不同植被属性或土壤属性对其产生重要影响的环境因子(植被群落或土壤条件)存在差异。黄土丘陵区不同植被恢复模式沟谷地植被-土壤系统耦合协调关系存在一定差异,这可能与植物群落优势种的生物学特性密切相关。

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植物和土壤的耦合协调关系是生态恢复、退耕还林还草工程顺利实施的关键。该文基于典型喀斯特峰丛洼地7种代表性退耕还林还草模式植被土壤的全面调查和取样分析，建立9个植被因子和15个土壤因子的2级层次指标体系，采用层次分析法确定各因子的权重，构建了7种模式的植被土壤耦合度和耦合协调度模型。结果表明：不同退耕还林还草模式的耦合度和耦合协调度并不一一对应，植被与土壤的综合指数在全体模式中的位置也并不完全一致，退耕种植任豆+桂牧1号的植被效应和退耕种植香椿的土壤改良作用最好。退耕5年后各模式的植被土壤耦合协调状况还不十分理想，除香椿和撂荒处于中级协调发展时期外，其他退耕模式均还处于失调衰退和过度发展时期，耦合协调度模型只有桂牧1号和撂荒处于植被土壤同步型。喀斯特峰丛洼地实施退耕还林还草工程时应同步提高植物生长抚育和土壤管理水平。

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为了加快建设工程损毁立地植被群落正向演替，探究土壤特性与植被生长效果的响应关系，选取北京市延庆县上辛庄水土保持科技示范园20个典型绿化护坡小区为评价单元，运用主成分分析及聚类分析法在求得各护坡小区综合评价得分的基础上，将20个护坡小区划分为3类。采用Margalef指数、Pielou指数、Simpson指数和Shannon-Wiener指数评价了3类护坡小区植被群落年际分异特征，并构建了5种模式的植被-土壤环境耦合度及其预测模型。结果表明：1）坡面植被恢复过程中以土质边坡为主的护坡小区植被恢复效果普遍优于岩质边坡组成的护坡小区。2）随着年份的增加，3类护坡小区物种多样性指数增大，变异系数减小，植被演替愈加剧烈。3）植被恢复5 a后，植被-土壤耦合协调程度不是十分理想，以土质边坡为主的护坡小区处于中级协调发展阶段，岩质边坡组成的护坡小区仅处于初级协调发展阶段。该研究可为建设工程损毁立地边坡植被恢复提供参考依据。

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耕地地力评价指标选取的主导性、独立性原则在实践中不易落实;耕地地力评价试图应用到多尺度空间,却没有适应不同时空尺度的明确任务定位,从而很少考虑评价指标选择的尺度适应性。本文运用地学、农学、系统科学的观点,建立了针对上述问题的分析逻辑,认为:第一,耕地地力评价的任务、评价技术路线和评价指标对地力的指示意义均具有时空尺度特征。第二,评价指标应区分为直接说明作物光、温、水、养分满足程度的指标和间接指示这些条件的指标。大空间范围的耕地地力评价以长时效,低空间精度为特征,着重表现区域地理障碍和资源约束,宜选取稳定性和间接性评价指标;小空间范围以即时状态的耕地地力评价为主,并具有较高的空间精度,评价指标应具有即时性和直接性特征。第三,土地—作物—管理条件构成土地利用系统的整体,随土地系统的作物需求、土地和管理条件的变化,评价指标对耕地地力的意义应辩证分析。第四,共同说明光、温、水、养分的某一方面性质的自然土地条件和人工土地条件应作为整体对待,综合为一个指标,而不应在评价指标体系中分割。

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土壤侵蚀是导致坡耕地耕层土壤质量退化和土壤生产力不稳定的关键因素。该文以紫色丘陵区坡耕地为例，对坡耕地不同地力等级耕层土壤质量、渗透性能及耕层类型进行聚类分析，讨论了土壤侵蚀对坡耕地耕层厚度影响及合理耕层土体构型。结果表明：（1）紫色土坡耕地耕层土壤质量具有中等程度变异性，有效土层厚度（15～80 cm）和耕层厚度（15～25 cm）变异系数分别为12.18%和37.26%，土壤有效磷变异系数可达94.51%，说明土壤物理指标变异性小于化学指标变化；三级以下地力耕层构型为近似全虚或全实剖面结构，五等地力坡耕地产量下降50%左右。（2）紫色土坡耕地不同坡位、不同垂直深度的耕层土壤物理性质、持水性能及耕作性能差异显著（P<0.05），土壤容重为上坡>下坡>中坡，土壤抗剪强度为上坡>中坡>下坡，土壤稳定入渗为下坡>中坡>上坡，土壤贯入阻力表现为中坡>上坡>下坡；除土壤入渗外，土壤容重、抗剪强度、贯入阻力均表现为底土层>心土层>耕层；坡耕地0～40 cm 土层中蓄存降水可被农作物利用70%左右。（3）中度侵蚀程度坡耕地，年均耕层厚度薄化值为1.04～3.04 mm，坡耕地合理耕层建立可选择有效土层厚度、耕层厚度、土壤容重、土壤抗剪强度、土壤有机质、土壤渗透性为坡耕地合理耕层评价最小数据集，耕层构型总体保持上虚下实型、耕层厚度20～25 cm、有效土层厚度50～60 cm。（4）紫色土坡耕地可分为四种耕层类型，其障碍耕层主要表现为有效土层厚度限制型（第II类）、耕层厚度限制型（第III类）和土壤养分限制型（第IV类），分别占耕层总量30%、10%、3%；紫色土坡耕地合理耕层建立应重点关注有效土层厚度和耕层厚度调控。研究结果可为客观认识土壤侵蚀与紫色土坡耕地耕层退化关系、合理耕层构建提供理论依据和技术参数支持。

SHI D

, JIANG G

, JIANG

, LOU Y

, DING W

, JIN H

. Effects of soil erosion factors on cultivated-layer quality of slope farmland in purple hilly area
Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017,33(13):270-279. (in Chinese)

DOI:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.13.036 URL [本文引用: 5]

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.

DOI:10.3969/j.issn.1002-9753.2005.05.027 URL [本文引用: 5]

根据城市化与生态环境交互作用的时空规律,基于协同论的观点指出城市化与生态环境协调的评判标准并构建了二者之间的协调度模型。模型分为功效函数、协调度函数和序参量体系,其中序参量的选取及其上下限的确定是模型能正确应用的关键。应用此模型,以江苏省为例进行了实证研究。研究表明,该协调标准和模型意义明确、应用简单,能有效判别区域间城市化与生态环境协调的不同发展层次,对于协调区域城市化发展与生态环境保护等具有一定的意义。

LIU Y

, LI R

, ZHANG S

. Study on the coordinative criteria and coordination degree model between regional urbanization and eco-environment
China Soft Science, 2005(5):140-148. (in Chinese)

DOI:10.3969/j.issn.1002-9753.2005.05.027 URL [本文引用: 5]

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.

DOI:10.3321/j.issn:1000-6788.2001.03.004 Magsci

首先综述了协调的概念和内涵 ,讨论了协调发展与可持续发展的关系 ,提出了可持续发展系统的协调模型 ,并对可持续发展协调管理和控制的过程和步骤进行了分析.

ZENG Z

. The analysis of coordination and sustainable development
Systems Engineering-theory and Practice, 2001(3):18-21. (in Chinese)

DOI:10.3321/j.issn:1000-6788.2001.03.004 Magsci

首先综述了协调的概念和内涵 ,讨论了协调发展与可持续发展的关系 ,提出了可持续发展系统的协调模型 ,并对可持续发展协调管理和控制的过程和步骤进行了分析.

[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.

URL Magsci [本文引用: 6]

<p>在阐述区域经济、旅游业与生态环境相互协调发展的作用机理的基础上，建立了区域经济旅游生态环境耦合协调度指标体系，并引入耦合协调度数学模型及计算方法，以安徽省为例，对安徽省1990～2008年经济旅游生态环境耦合协调度进行了实证分析。研究结果表明，安徽省经济旅游生态环境耦合协调度总体呈上升趋势，但仍属于中等水平的勉强协调类型。近年来三者的耦合协调关系处于颉颃状态，生态环境已经成为制约耦合协调度进一步提高的瓶颈。</p>

LIU D

, YANG Y

. Coupling coordinative degree of regional economy-tourism-ecological environment-a case study of Anhui Province
Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2011,20(7):892-896. (in Chinese)

URL Magsci [本文引用: 6]

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.

URL [本文引用: 2]

三峡库区是一个生态环境背景较为脆弱且人口压力巨大的丘陵山区，由于人类长期的过垦与破坏，土壤退化十分严重。因此，加强对库区退化土壤的恢复与重建势在必行。土壤恢复与重建包括土壤结构，养分和环境的恢复三个方面内容。

ZHANG J

, XU

. The restoration and reconstruction of degraded soils in the Three-gorge Reservoir Area
Resources and Environment in The Yangtze Basin, 1998(3):248-254. (in Chinese)

URL [本文引用: 2]

三峡库区是一个生态环境背景较为脆弱且人口压力巨大的丘陵山区，由于人类长期的过垦与破坏，土壤退化十分严重。因此，加强对库区退化土壤的恢复与重建势在必行。土壤恢复与重建包括土壤结构，养分和环境的恢复三个方面内容。

[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.

DOI:10.3969/j.issn.1000-9841.2006.02.006 URL [本文引用: 1]

通过田间试验，进行人为剥离黑土层，模拟研究了不同水土流失强度对大豆干物质积累及产量的影响。研究结果表明，在拥有30cm黑土层的6度坡耕地上，表土流失掉10cm对大豆干物质积累没有明显影响。然而当黑土层流失超过10cm，大豆干物质积累量随流失的增加而减少。黑土层流失5cm、10cm后，未对大豆产量造成显著影响，仅分别降低3．1％和3．2％；流失20cm，大豆产量下降了33．2％；黑土层全部流失即30cm后，产量下降了59．2％，表明黑土水土流失对大豆生产危害极其严重。试验也表明施用有机肥可适当减轻水土流失对大豆产量的影响。

ZHANG X

, LIU X

, SUI Y

, ZHANG S

, ZHANG J

, LIU H

, HERBERT S

. Effects of artificial topsoil removal on soybean day mater accumulation and yield in Chinese Mollisols
Soybean Science, 2006,25(2):123-126. (in Chinese)

DOI:10.3969/j.issn.1000-9841.2006.02.006 URL [本文引用: 1]

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.

URL [本文引用: 2]

把坡耕地耕层熟土和心土层生土进行五种重量组合,来模拟坡耕地不同土壤侵蚀状况;在五种组合的土壤上,采用盆栽试验来评估遭受不同侵蚀程度下的坡耕地生产力,以及通过施肥来恢复土壤生产力的效果。结果表明：耕层熟土所占比例越少,土壤中的有机质、铵态氮、硝态氮、速效磷、速效钾的含量和土壤pH越低,且土壤有机质、铵态氮、硝态氮、速效磷、速效钾的含量与熟土土壤比例呈极显著正相关;随着耕层熟土用量减少,玉米长势逐渐变差,籽粒产量和秸秆产量逐渐降低;坡耕地遭受严重土壤侵蚀后,生产力下降非常明显,即使采用平衡施肥和增施腐熟农家肥,短期内很难恢复到原有水平。

GUO Y

, LIU J

, XU S

, JIA Q

, ZHAO D

. Impact of Soil Erosion on Productivity of Sloping Lands in a Simulated Pot Experiment
Chinese Journal of Soil Science, 2012(6):1480-1485. (in Chinese)

URL [本文引用: 2]

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.

URL [本文引用: 1]

东北黑土是我国最肥沃的土地资源之一,但开垦后的加速侵蚀正在导致土壤持续退化,生产力不断下降.本研究根据侵蚀和耕作对土壤剖面的综合影响过程,模拟不同侵蚀程度的耕作土壤,以研究土壤侵蚀对黑土土地生产力的影响.模拟侵蚀深度分为0,10,20,30,40,50,60,70cm共8个水平,每个侵蚀深度又分为施肥与不施肥两种情况.供试作物为大豆.通过2005~2007年的试验,结果表明大豆产量随侵蚀深度的增加呈指数递减函数的形式变化.在侵蚀10,20,30,40,50,60,70cm时的减产率,在施肥情况下分别为28.8%,37.8%,43.5%,52.6%,53.1%,52.9%,64.1%,不施肥情况下分别为32.6%,42.2%,53.0%,54.0%,65.8%,69.7%,72.6%.平均每侵蚀10cm土壤的减产量,在侵蚀深度分别为10,20,30,40,50,60,70cm时,施肥情况下分别为28.8%,18.9%,14.5%,13.2%,10.6%,8.8%,9.2%,平均14.9%,不施肥情况下分别为32.6%,21.1%,17.7%,13.5%,13.2%,11.6%,10.4%,平均17.1%.按当地推荐的大田施肥标准施肥,可以显著提高侵蚀土壤的大豆产量,但不能完全补偿侵蚀造成的产量损失.在侵蚀10,20,30,40,50,60,70cm时,施肥情况下的产量分别相当于侵蚀为0cm不施肥产量的92.8%,81.0%,73.6%,61.7%,61.1%,61.3%,46.8%.大豆产量随侵蚀深度减产的主导因素是土壤有机质含量、土壤氮、磷养分含量随侵蚀深度的增加而降低,其次为土壤容重增大,持水能力下降.本研究结果对制定有效的水土保持战略,进行土地退化预警,估算土壤允许流失量,定量评价土壤侵蚀的经济成本以及农地分等定级等提供基础资料.

WANG Z

, LIU B

, WANG X

, GAO X

, LIU

. Erosion effect on the productivity of black soil in Northeast China
Science China Ser D-Earth Science, 2009,39(10):1397-1412. (in Chinese)

URL [本文引用: 1]

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.

URL [本文引用: 2]

正我们认为农业现代化是一个发展、变化、动态的概念,不同时代有不同的标准,它应包括揭示农业本质规律以指导农业生产的基础理论,和进行农业生产的科学技术手段两大方面。当然还有经营、组织管理,但那属于行政范畴。如果这两方面都达到世界先进水平,走在当代的前面,我们就可以说实现了农业现代化。但是,我们认为,农业现

CHI R

, ZOU S

. Discussion on Soil Cultivation Modernization
Research of Agricultural Modernization, 1982,3(1):23-26. (in Chinese)

URL [本文引用: 2]

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.

URL [本文引用: 1]

正一、玉米田土壤耕层存在的问题我市玉米田存在如下问题:土壤有效耕层变浅,犁底层加厚,变坚实,耕层有效土壤数量明显减少,黑土层变薄,有机质含量降低,供肥供水能力减弱。

YAN Y

, YANG S

, SUN F

, KANG H

. Construction of corn reasonable subsoil and deep pine land preparation technology
Scientific Experiment in Countryside, 2010(9):13. (in Chinese)

URL [本文引用: 1]

正一、玉米田土壤耕层存在的问题我市玉米田存在如下问题:土壤有效耕层变浅,犁底层加厚,变坚实,耕层有效土壤数量明显减少,黑土层变薄,有机质含量降低,供肥供水能力减弱。

[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.

URL [本文引用: 2]

以昌图县为研究区域,调查分析目前旱田耕层现状和形成原因。调查结果表明,试验区农田平均耕层深度14.04 cm,平均有效土壤量为1.75×10~6kg/hm~2,平均有机质含量1.83%,平均下层土壤容重1.42 g/cm~3,未达到合理耕层标准。深松可使耕层深度和有效耕层土壤量分别增加20.66%和17.14%,并使深层土壤容重降低5.63%;施用有机肥可提高耕层有机质含量0.38个百分点,土壤容重降低4.80%。连年深松并施用有机肥是构建合理耕层的有效措施。

GONG

, XING Y

, LIU

, BAO H

, YIN T

, LIU Y

, LIU W

. Investigation on standards of the rational plough layer of brown soil
Journal of Maize Sciences, 2016(5):94-99. (in Chinese)

URL [本文引用: 2]

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.

URL [本文引用: 1]

通过对不同耕法所形成的耕层剖面研究，分析了不同耕法形成的耕层结构特点。根据对不同耕层构造模式的生态功能试验分析，提出了苗带紧行间松、松紧兼备型耕层模式的构建，该构造对土壤水、气调节具有良好效果，能充分满足春玉米生长对耕层土壤的生态需求。采用此种耕层构造，对于促进玉米的生长发育、产量的提高具有明显效果。

WANG L

, MA

, ZHENG J

. Research on rational plough layer construction of spring maize soil in Northeast China
Journal of Maize Sciences, 2008,16(4):13-17. (in Chinese)

URL [本文引用: 1]

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.

DOI:10.3969/j.issn.1008-2239.2014.05.018 URL [本文引用: 1]

针对农田耕层现状及存在的问题,从耕层变薄犁底层增厚,有机质减少地力下降地表裸露水(风)蚀严重等3个方面,分析农田土壤退化及不合理耕层形成的原因,通过总结前人研究结果,明确耕层构造的概念及类型,结合笔者多年研究提出"苗带紧行间松"合理耕层的概念及建立合理耕层构造的重要意义,以期为东北黑土保育、持续高效耕作及确保国家粮食安全提供一定理论参考依据。

ZHENG H

, QI

, LIU W

, ZHENG J

, LUO

, LI R

, LI W

. Present and problem of tillage layer of maize cropland and discussion of optimum tillage layer
Tillage and Cultivation, 2014(5):39-42. (in Chinese)

DOI:10.3969/j.issn.1008-2239.2014.05.018 URL [本文引用: 1]

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.

DOI:10.3969/j.issn.1002-6819.2009.06.027 URL Magsci [本文引用: 1]

针对立柱式深松机在作业过程中存在的缠绕堵塞、牵引阻力大等问题，该研究提出在原深松铲前方加装一个松土铲或圆盘刀两套研究解决方案，研制了机具，并进行了田间对比试验研究。试验结果表明，带圆盘刀式深松机性能较好，相比立柱式深松机和带松土铲深松机，牵引阻力、油耗及松土沟的沟宽都有所降低；对作物残茬和杂草切割效果明显。带圆盘刀式深松机能有效地抑制作业后土壤水分的蒸发，可广泛用于秸秆覆盖条件下的深松作业。

ZHU R

, ZHANG J

, XUE S

, YANG W

, LI J

, DENG H

. Experimentation about subsoiling technique for conservation tillage
Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2009,25(6):145-147. (in Chinese)

DOI:10.3969/j.issn.1002-6819.2009.06.027 URL Magsci [本文引用: 1]

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.

DOI:10.3321/j.issn:1002-6819.2001.06.042 URL Magsci [本文引用: 1]

深松作为农业土壤加工技术愈来愈受到重视，工作阻力大是深松作业的一大特点。该文阐述了深松技术在生产中的应用现状以及深松部件—土壤接触过程中部件的动力响应、表面处理技术和最终土壤状态等问题的研究进展。认为研究与开发耕作部件计算机辅助设计程序，进一步优化深松部件几何形状，采用合适的表面处理技术，是减小深松阻力、提高深松部件的抗磨损性能以及降低其作业成本的有效途径。

GUO Z

, TONG

, ZHOU Z

, REN L

. Review of subsoiling techniques and their applications
Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2001,17(6):169-174. (in Chinese)

DOI:10.3321/j.issn:1002-6819.2001.06.042 URL Magsci [本文引用: 1]

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.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1298.1999.05.018 URL [本文引用: 1]

从改善农业生态环境，农业资源的节约利用，土壤的培肥，用，养，资源的修复更新等方面，论述了全方位深松技术及其机具有促进农业可持续发展中所起的作用。

SHAO C

, ZHENG Z

, LIN Q

. A Study on affects of bluck sub-soiling diggers in all directions for the sustainable agricultural development
Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 1999,30(5):81-85. (in Chinese)

DOI:10.3969/j.issn.1000-1298.1999.05.018 URL [本文引用: 1]