紫色土坡耕地是长江上游重要的耕地资源,具有高生产力和强侵蚀性的特点。在我国除陆坡岩坎、丘陵顶部,大部分紫色土坡地已开垦为耕地,但由于紫色土土层浅薄、土壤容重大、团聚体及有机质含量低,在降雨及人为长期耕作活动影响下,紫色土坡耕地土壤侵蚀严重,侵蚀风险性逐渐增强,农作物产量低而不稳,严重制约区域农业可持续发展。分析坡耕地障碍耕层类型及其对农作物产量的影响,研究土壤侵蚀、土壤管理措施对耕层质量以及耕层稳定性的影响,探讨紫色土坡耕地耕层质量适宜性变化特征,提出紫色土坡耕地合理耕层调控途径,可以为紫色土坡耕地耕层质量改良、合理耕层构建提供参数依据。本文以紫色土坡耕地为研究对象,通过数据查阅,分析紫色土坡耕地耕层形成过程及影响因素,明确紫色土坡耕地耕层障碍类型;通过比较5种不同侵蚀程度(侵蚀0 cm(S-0)、侵蚀5 cm(S-5)、侵蚀10 cm(S-10)、侵蚀15 cm(S-15)、侵蚀20 cm(S-20))和3种土壤管理方式(不施肥(CK)、施化肥(F)、施生物炭+化肥(BF))下野外定位铲土侵蚀模拟小区坡耕地耕层土壤团聚体组成、团聚体稳定性以及土壤力学性能变化特征,分析坡耕地耕层稳定性变化情况;分析不同侵蚀程度及管理方式下坡耕地耕层土壤物质组成与结构、土壤渗透性能、土壤养分及农作物产量变化特征;分析坡耕地耕层构型特征、土壤侵蚀、农作物产量与土壤属性指标相关关系以及坡耕地耕层土壤属性参数适宜性变化特征,针对坡耕地主要障碍类型,提出坡耕地耕层质量调控途径。主要结论如下:(1)与自然成土过程相比,人为耕作活动导致土壤物理、化学特征以及土体构型发生改变,在耕作层内形成犁底层,耕层可分为表土层、犁底层、淀积层、母质层4个层次;深耕能够打破长期浅耕形成的犁底层,加速耕层土壤熟化,深耕条件下的土体分为活动层、稳定层、保证层3个层次。人为耕作活动能够控制、调节自然因素对土壤成土过程的影响,在耕作过程中,应采用合理的耕作措施与土壤管理方式,因土制宜,营造耕作层较为疏松,心土层较为紧实的耕层构型。不同地力紫色土坡耕地土壤物理属性差异显著,随地力等级降低,地块田面坡度显著变大、有效土层厚度显著变小,当田面坡度由5.14°变为21.71°,农作物产量可下降44.83%,五等坡耕地心土层缺失现象严重;而土壤肥力属性未表现明显差异,一至四等坡耕地同一地力等级土壤有机质、土壤全氮、阳离子交换量总体表现为耕作层>心土层>底土层,五等坡耕地耕作层与底土层之间各指标差异不显著。一、二等坡耕地各土层土壤质量指数均在0.434-0.528之间,同一地力等级各土层土壤质量指数表现为耕作层>心土层>底土层;土壤物理属性对低产坡耕地土壤质量影响更为显著,五等坡耕地田面坡度指标障碍度为一等坡耕地的80.73倍。紫色土坡耕地障碍耕层可分为3类,即Ⅲ土壤养分限制型、Ⅳ有效土层厚度限制型、Ⅴ田面坡度限制型,土壤物理属性为主要障碍特征时,耕层构型疏松,心土层缺失现象严重,农作物产量较土壤养分限制型坡耕地低24.75%。(2)不同侵蚀程度下坡耕地耕层土壤团聚体组成存在较大差异。随侵蚀程度增大,>5mm团聚体含量整体呈逐渐减小趋势,DR0.25、MWD、GMD整体表现为S-0>S-5>S-10>S-15>S-20。S-0、S-5侵蚀程度MWD显著大于S-10、S-15、S-20(P<0.5)。随侵蚀程度增大,>5 mm水稳性团聚体含量、WR0.25、MWD、GMD整体表现为S-0>S-5>S-10>S-15>S-20。S-0侵蚀程度水稳性团聚体MWD最大,在3.84-4.16 mm之间,S-20较S-0下降47.94%-55.08%;S-0侵蚀程度水稳性团聚体GMD在0.78-0.99 mm之间,S-20较S-0下降48.87%-50.85%。随侵蚀加剧,耕层土壤团聚体破坏率逐渐增大,耕层稳定性逐渐下降,坡耕地更容易受到侵蚀破坏,导致耕层质量变差。随侵蚀程度增大,耕层土壤抗剪强度呈先增大后减小的变化趋势,S-10侵蚀程度增加至最大,在8.71-9.56 kg/cm2之间;土壤紧实度先减小后增加,S-5侵蚀程度最小,在8.97-10.63 kg/cm2之间。不同侵蚀程度下坡耕地耕层土壤贯入阻力整体表现为S-5<S-0<S-10<S-15<S-20。紫色土坡耕地土壤可蚀性K值在0.04822-0.04839之间,随侵蚀程度增大土壤可蚀性逐渐减小。总体上,BF处理对土壤团聚体组成及团聚体稳定性的调控作用优于F处理。不同管理方式下,坡耕地耕层土壤抗剪强度由小到大依次为CK、F、BF,土壤紧实度、贯入阻力表现为CK>F>BF。土壤侵蚀程度和管理方式的交互作用对土壤抗剪强度影响相对较小,土壤抗剪强度主要受侵蚀程度影响较大,与管理方式之间交互作用不明显。(3)不同侵蚀程度下坡耕地耕层土壤粒径分布特征差异显著,随侵蚀程度增大,土壤砂粒含量呈逐渐增大趋势,土壤粉粒、黏粒含量逐渐减小。侵蚀程度由S-0增至S-20,土壤砂粒含量由38.09%-42.38%增加至44.15%-46.35%,土壤黏粒含量由12.62%-14.81%下降至9.56%-11.01%,坡耕地土壤粗骨化现象不断加重。随侵蚀加剧,土壤容重显著增大,土壤总孔隙度、毛管孔隙度逐渐减小,与S-0相比,S-15、S-20侵蚀程度下土壤容重由1.27-1.40 g/cm3分别增至1.37-1.48 g/cm3、1.39-1.52 g/cm3。不同侵蚀程度下坡耕地耕层土壤初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率、饱和导水率整体表现为S-0>S-5>S-10>S-15>S-20(P<0.05)。不同侵蚀程度下坡耕地耕层土壤有机质、阳离子交换量、pH值整体表现为S-0>S-5>S-10>S-15>S-20。不同管理方式下坡耕地耕层土壤砂粒、粉粒、黏粒含量、土壤容重以及孔隙状况存在较大差异。BF处理下坡耕地耕层土壤砂粒含量、土壤容重较粗放管理CK下降趋势明显,土壤总孔隙度、毛管孔隙度显著增加,渗透性显著增强,有效改善了耕层土壤孔隙状况。不同管理方式下,BF处理土壤有机质、CEC、pH值均最大,F处理次之,粗放管理CK最小,施加生物炭+化肥能够显著提高耕层土壤养分含量,且效果优于单施化肥,并能改善紫色土酸化现状。不同侵蚀程度及管理方式之间0-20 cm耕层土壤质量指数差异较大。随侵蚀程度增大,耕层土壤质量指数由S-0侵蚀程度0.332-0.414降至S-20侵蚀程度0.221-0.280。BF处理下,耕层土壤质量指数较CK、F处理分别增加21.79%-27.24%、10.86%-15.94%。紫色土坡耕地耕层土壤侵蚀程度和管理方式交互作用对土壤质量指数影响显著(P<0.05)。(4)常规耕作条件下,未侵蚀坡耕地耕层构型整体表现为耕作层(0-20 cm)较为疏松,心土层(20-40 cm)较为紧实。随侵蚀加剧,耕作层、心土层土壤容重显著增大,孔隙状况明显变差,耕作层土壤逐渐紧实化,容易导致土壤板结,不利于农作物生长。粗放管理CK条件下,坡耕地耕层土壤容重较大,土壤饱和导水率、有机质、有效磷含量低下,不能为农作物生长提供较为适宜的耕层构型以及充足的水分、养分;F处理下,各土壤属性指标较粗放管理CK均有所改善,但土壤容重仍偏大,土壤饱和导水率、有机质、有效磷仍低于适宜值;BF处理下,各侵蚀程度耕层土壤砂粒含量、容重、贯入阻力、有机质整体上均在适宜值范围内。说明单施化肥、施加生物炭+化肥处理对各土壤属性指标均有一定的调控作用,且施加生物炭+化肥效果更为明显。横坡垄作、聚土免耕均能有效改善坡耕地耕层结构稳定性,在一定程度上维持坡耕地耕层厚度,减轻坡耕地土壤流失。聚土免耕能够显著增加耕层厚度,加速深层土壤熟化,促进农作物增产。施加生物炭能够改善土壤孔隙状况,显著提高耕层土壤养分含量,土壤酸化现象也得到明显改善。植物篱能够显著降低坡面坡度,使坡耕地坡面自然梯化,并缩短坡长,种植4年的植物篱可减缓坡度8-12°,效果显著,最终可逐渐变为缓坡或水平梯田。因此,有效土层厚度限制型坡耕地可采用聚土免耕与施加生物炭相结合的方式改善耕层质量,提高农作物产量;养分限制型坡耕地可采取横坡垄作与施加生物炭相结合的方式减轻坡耕地土壤侵蚀,提高耕层土壤养分含量,促进农作物增产;田面坡度限制型坡耕地可以通过种植植物篱的方式降低坡度,减轻耕层土壤流失。