紫色土坡耕地耕层质量影响因素及其敏感性分析

史东梅，江 娜，蒋光毅，杨 军，叶 青，张健乐

紫色土坡耕地耕层质量影响因素及其敏感性分析

史东梅1，江 娜1，蒋光毅2，杨 军3，叶 青1，张健乐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；3. 重庆市万州区水利局，重庆 404000）

坡耕地耕层质量变化特征由降雨侵蚀、耕作活动交互作用影响。该文以紫色土坡耕地为研究对象，结合主成分分析与评价模型对耕层质量特征进行分析，并解析了海拔、坡度、有效土层厚度和坡位4个地形因子对坡耕地耕层质量的影响及敏感性。结果表明：1）小流域坡耕地耕层厚度、土壤有机质、土壤容重均处于适宜性区间内，各土壤养分指标总体处于中低水平；土壤容重（变异系数CV为7.97%）和总孔隙度（CV为8.36%）变异系数相对较低，处于弱分异（CV<10%）水平，其余土壤指标均属中等分异水平。2）紫色土坡耕地耕层质量评价最小数据集由容重、贯入阻力、有机质、土壤黏粒含量、耕层厚度、抗剪强度、饱和导水率和有效磷8个指标组成。基于MDS评价表明，紫色土坡耕地不同坡位耕层质量指数为下坡（0.458）＞中坡（0.443）＞上坡（0.417），下坡较中坡和上坡分别提升3.39%和9.83%。3）紫色土坡耕地耕层质量影响因素可分为4类，Ⅰ类坡度限制型、Ⅱ类坡位限制型、Ⅲ类有效土层厚度限制型、Ⅳ类海拔限制型，4种耕层类型的样本数分占坡耕地耕层样本总数的38.89%、22.22%、14.81%和24.08%，主要影响因素是坡度。4）坡耕地耕层质量与有效土层厚度、坡位为正相关，与海拔、坡度表现为负相关，地形因子对耕层质量敏感程度为海拔（-0.399）＞坡位（0.192）＞坡度（-0.112）＞有效土层厚度（0.110），海拔敏感程度为有效土层厚度的3.56倍。研究结果可为紫色土坡耕地耕层质量评价及有效调控提供理论依据，有利于紫色土坡耕地资源可持续利用。

土壤；侵蚀；坡耕地；耕层质量；影响因素；敏感性分析；紫色丘陵区

0 引 言

中国紫色土（主要为耕地）资源共2 198.8万hm2，以四川盆地分布最为集中，可占全国的51.28%，紫色土具有成土作用迅速、耕性和土壤生产力高的特点；但也同时具有侵蚀性高、抗旱性差、土壤退化严重的特点[1]。坡耕地作为耕地的重要组成部分，是紫色丘陵区农业生产的基础资源[2]；紫色土坡耕地是中国水土流失最为严重的土地利用类型之一，坡耕地水土流失导致的土壤流失和养分流失是造成生态环境恶化、坡耕地生产力下降的根本原因[3]。坡耕地生态过程的自然影响因素有降雨量、微地形（坡度、坡长、坡向、坡型）、土壤抗侵蚀性能，人为因素有坡面水系分布、地块破碎化程度、耕作活动方式等[4]，坡耕地耕层土壤质量反映土壤抗侵蚀性能和农业生产性能，其优劣受降雨、土壤和人类活动等多种因素影响[5]。土壤质量是土壤供养维持作物生长的能力，主要包括耕性、土壤深度、持水能力、渗透速率、团聚作用、有机质含量、pH值、养分性能等[6]；Dalsgaard等[7]认为耕地质量是耕地的综合属性，由耕地肥力和耕地位置两方面决定的；许明祥等[8]在黄土高原研究发现，土壤有机质、土壤抗冲性等8项指标可很好反映侵蚀土壤质量，加权综合法可敏感地反映出土地利用变化对土壤质量影响；李桂林等[9]将土地利用方式及利用年限对土壤质量的影响作为进入MDS的衡量标准。马群等[10]研究表明，土壤质量等级随地形变化呈规律性演替，坡度和高程与土壤质量呈极显著相关关系，坡度对土壤质量影响大于高程，各高程段内不同坡度等级土壤质量分值也呈抛物线走势；翟朝阳等[11]发现不同坡向、坡度与土壤养分特性密切相关，不同坡向、坡度和坡形对土壤特征与养分存在显著性影响，而坡位则对其影响不显著。因此开展坡耕地耕层质量评价，针对坡耕地耕层质量主要影响因子实施调控措施，实现耕层质量提升，有重要科学意义和实践价值。本文以万州五桥河紫色土小流域坡耕地为研究对象，采用土壤质量指数模型对坡耕地耕层质量进行评价，利用典范分析（CCA）方法和模糊聚类方法，定量判定坡耕地耕层质量的地形影响因素作用特征并识别其敏感性变化，研究结果可为紫色土坡耕地耕层质量评价、合理耕层调控途径提供理论依据，有利于指导紫色土坡耕地退化耕层恢复措施的选择。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及土样

五桥河小流域地处108°25′－108°35′E，30°42′－30°48′N，位于三峡库区中部的重庆市万州区，流域面积113.9 km2，主河长21.4 km。地势东高西低，海拔121～946 m，地貌以丘陵、低山为主，出露紫色地层为侏罗系沙溪庙组和蓬莱镇组，土壤类型主要为紫色土、水稻土、冲积土；气候属中亚热带季风气候，年均温14～19 ℃，年均降水量1 000～1 350 mm，年均日照时数1 300～1 600 h。本文基于五桥河小流域土地利用现状图，在小流域中有针对性的选择6个种植制度大致相同、不同坡度、不同坡向和不同海拔的典型地块对紫色土坡耕地耕层土壤质量进行研究，确保取样均匀，充分反映小流域坡耕地分布的自然特征。

图1 五桥河小流域坡耕地分布现状图

每个地块选取3个较规则的坡面，采用样线法在每个坡面沿坡向方向设置1条样线，分别在上坡、中坡和下坡3个坡位各布设1个采样点。样线一端位于上坡，另一端位于下坡，一共54个采样点。选择典型坡耕地为研究对象，在样地内根据土壤农化分析方法“S”型布置采样点进行土壤散样采集，于样点中间位置布置1 m´1 m样框，进行垂直分布样品采集点，采集0～20 cm耕层土壤样品。土壤理化性质测定方法[12]如下：

开挖土壤剖面将近似90%作物根系分布的深度作为耕层厚度；土壤饱和导水率和土壤容重均需分层采集环刀样，并采取室内环刀法测定；土壤质地采用吸管法测定；土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法-外加热法；全氮测定采用半微量凯氏定氮法；有效磷测定采用Olsen法；速效钾测定采用lmol/LNH4Ac提取-火焰光度法；土壤贯入阻力选用江苏天目仪器厂的PT型袖珍贯入仪测定；土壤抗剪强度采用荷兰产便携式14.10Pocket Vane Tester 型三头抗剪仪测定；土壤厚度的测量大多采用插钎法，即将钢钎垂直于土壤插入土层中，直到插不动为止，然后拿卷尺测量钢钎露出部分的长度，由总长度减去露出部分长度，即得土壤厚度。

1.2 土壤质量指数评价模型

由于土壤质量是各评价指标综合作用的结果，因而在对各评价指标变化分析后，需要采用一定方法将单因素评价结果转换成由各评价因素所构成的土壤质量评价结果，即要对土壤质量作出综合评价。本文采用加权综合法（SQI1）和加权求和法（SQI2）建立土壤质量综合评价模型[5,8,13-18]。

加权综合模型：

加权求和模型：

式中W是第个评价指标权重，F是第个评价指标隶属度值，为评价指标个数。

坡耕地耕层土壤质量评价的初选指标体系包含土壤属性和剖面特征2个维度、共12个二级指标（见表1、2），其中土壤属性指标包括有机质、全氮、有效磷、速效钾、容重和土壤质地6项，而剖面特征指标包括耕层厚度、总孔隙度、田间持水量、饱和导水率、土壤抗剪强度和贯入阻力。对评价指标做主成分分析，提取评价指标的公因子方差，各指标公因子方差占公因子方差之和比例即为各数据综合评价指标的权重值。各因子对土壤质量的影响评价是一个相对模糊过程，可用模糊评价中隶属度来统一各指标的界限，其数值大小由隶属度函数计算。

表1 耕层质量评价指标升降型隶属度函数参数

表2 耕层质量评价指标抛物线型隶属函数类型及参数

根据评价指标与耕层土壤质量的相关情况，可将隶属函数划分为S型、反S型、抛物线型和土壤质地函数4种类型。评价指标隶属函数类型及参数见表1和表2。主成分分析中，公因子方差反映某一指标在整体的方差贡献程度和差异性，公因子方差越大，对整体的贡献也越大。本研究采用主成分分析确定每个评价指标的公因子方差，以各指标公因子方差在总体方差的比例作为指标权重。

2 结果与分析

2.1 坡耕地耕层质量诊断指标描述性统计特征

耕层质量诊断指标是耕层质量恢复的主要调控指标，也是直接关系农作物生长期间的水、热、气条件，同时也是反映耕层质量的关键。由紫色土小流域54个采样点的坡耕地耕层质量诊断指标的变异性、分布状态等统计特征（表3）可见，耕层厚度均值21.31 cm，土壤全氮均值0.76 g/g，二者都在耕层适宜性范围内；土壤黏粒含量为43.80%，土壤质地为砂粉土；耕层土壤容重为1.37 g/m3，结构性好，利于作物生长；土壤有机质平均值为10.7 8mg/g，土壤有效磷24.59 mg/g，土壤速效钾106.26 mg/g，土壤养分总体水平较低。对各耕层质量诊断指标进行正态分布检验，并对不服从正态分布的指标进行自然对数转换后再检验其正态性，结果表明各耕层质量诊断指标近似服从正态分布（-检验的＞0.05）。

表3 紫色土坡耕地耕层质量诊断指标统计特征值

注：LN为Lilliiefors显著性校正后正态分布，N为正态分布。

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

一般采用变异系数（CV）来反映指标的分异特性，根据CV值大小可分为3种类型：弱分异CV＜10%；中等分异10%≤CV＜100%；强分异CV≥100%。由表3可知，土壤容重（CV为7.97%）和总孔隙度（CV为8.36%）变异系数相对较低，处于弱分异（CV<10%）水平，而土壤类型相同可能是导致土壤容重和孔隙度变异系数低的主要原因。其余土壤指标均属中等分异，长期性人为耕作管理、施肥等外在因素可在一定程度上削弱了土壤母质、地形、气候等内在因素的影响，从而使大部分指标表现出中等空间变异性。土壤饱和导水率变异系数（89.29%）最大，造成土壤饱和导水率空间变异较大的主要原因是土壤大孔隙分布的不均一性[19]，故可推测研究区内土壤饱和导水率受土壤大孔隙影响较明显；土壤有效磷变异系数为86.62%，这种状态与坡耕地施肥分布不均匀有关。

2.2 坡耕地耕层质量变化特征

2.2.1 最小数据集的建立

由坡耕地耕层质量诊断的12个土壤指标的主成分分析（PCA）结果（表4）可见，共有4个主成分的特征值大于1，主成分累计贡献率达到了70.768%，说明这4个主成分足以解释绝大部分的土壤属性变异情况。通过PCA分析，根据土壤属性的分组原则进行分组。若每组中所选参数高度相关（＞0.3），则选取Norm值最大的参数进入最小数据集。若相关性很差，则全部选入最小数据集[20-24]。根据坡耕地耕层质量诊断指标间Person相关分析，容重与总孔隙度为极显著负相关（−1），贯入阻力与有机质、全氮为负相关性（分别为−0.116、−0.112），饱和导水率和有效磷为正相关（0.026），而总孔隙度、田间持水量与饱和导水率分别为显著和极显著正相关（分别为0.333和0.367），黏粒含量与速效钾为极显著正相关（0.414），耕层厚度与抗剪强度相关性较低（0.202）。

表4 紫色土坡耕地耕层质量诊断指标载荷矩阵和Norm值

由表4可以看出，PC-1中高因子载荷有容重和总孔隙度两个指标，但容重与总孔隙度高度负相关，故选Norm值大的土壤容重进入最小数据集；土壤贯入阻力、有机质和全氮在2个PC因子的载荷高于0.5，则归并到与其他指标相关性较低的PC-1中，贯入阻力与有机质（−0.116）、全氮（−0.112）的相关性<0.3，根据Norm值排除全氮；土壤黏粒含量和速效钾进入第2组，但只有土壤黏粒含量为高因子载荷，因此土壤黏粒含量进入最小数据集；在PC-3中，耕层厚度和抗剪强度都为高因子载荷且相关性较低（0.202），故二者同时进入最小数据集；在PC-4中，饱和导水率和有效磷均为高因子载荷，载荷值分别为0.584、−0.591，相关系数为0.026（＜0.3），因此饱和导水率和有效磷入选最小数据集。综上所述，坡耕地耕层质量最小数据集MDS有土壤容重、贯入阻力、有机质、土壤黏粒含量、耕层厚度、抗剪强度、饱和导水率和土壤有效磷。

2.2.2 耕层质量特征分析

为了研究不同坡位的耕层质量限制因子，将小流域54个采样点按所处位置，分为上坡、中坡和下坡3大类，由图2可以看出，不同坡位各土壤指标得分存在一定的差异性，但差异性并不显著。耕层厚度、抗剪强度和贯入阻力的得分具体表现为下坡＞上坡＞中坡，土壤质地、饱和导水率和有机质则是中坡＞下坡＞上坡；容重、有效磷位于下坡的采样点对土壤质量的贡献最大，其次为中坡，位于上坡的采样点贡献最小。此外，图2揭示了土壤养分含量是小流域耕层质量的主要限制因子，应重视对这些土壤指标的调控，可通过施用化肥增加养分含量。

图2 不同坡位耕层土壤指标分数雷达谱图

图3 不同坡位采样点耕层质量评价结果

与上坡位相比，中坡位和下坡位耕层质量有所改善；反之，可以认为上坡位耕层质量有退化的趋势。图3显示了不同坡位耕层质量分布特征，结果可以发现，不同坡位耕层质量大小为下坡（0.458）＞中坡（0.443）＞上坡（0.417），下坡耕层质量指数比中坡高了3.39%，比上坡高9.83%。这种现象，从坡面地形上看，下坡位是坡耕地水土流失发生后的泥沙汇积处，其他坡位的土壤颗粒和养分等经水土流失后，都集中到了下坡位置，导致耕层厚度以及土壤养分含量变大。

采用加权综合和加权求和两种模型对小流域耕层质量进行评价。由图3可知，无论是加权综合法还是加权求和法，计算出的全量数据集（TDS）和最小数据集（MDS）的耕层质量指数都呈显著的线性正相关，线性拟合结果的更接近1。运用两种模型的拟合效果都较好说明筛选出的MDS指标能够代表和反映出TDS对土壤质量评价结果的作用。同时，加权综合法的决定系数大于加权求和法（0.884＞0.880），说明在应用加权综合法评价耕层质量时，MDS评价结果更接近TDS；同时评价结果表现为耕层质量指数较小（0.357±0.15）、变异系数较大（42.8%），由于加权综合法考虑了土壤指标隶属度、指标权重以及指标间交互作用[8]，上述结果说明该评价方法也适用于紫色土坡耕地耕层质量评价，可使不同采样点耕层质量差异性更显著，因此采用基于MDS的加权综合法评价结果对小流域坡耕地耕层质量影响因素进行分析。

注：TDS为全量数据集，MDS为最小数据集。

2.3 坡耕地耕层质量影响因素定量解析

2.3.1 基于CCA排序的耕层质量影响因素分析

根据坡耕地耕层立地条件，本文选取了坡度、高程和有效土层厚度3个定量因子和定性因子坡位，采用约束性排序方法分析不同耕层土壤指标与地形因子之间的关系。CCA排序结果指示了地形因子与耕层土壤指标间的相关关系（图5），箭头线段长度越大，表示两者相关性越大；箭头所处象限表示地形因子与排序轴之间的正负相关性，箭头间夹角大小代表环境因子之间相关性大小，土壤指标排序轴解释了小流域坡耕地耕层土壤指标变化特点及土壤指标与地形因子的关系。

注：箭头线段代表环境因子，三角符代表土壤指标，空心点代表采样点，1~54为采样点；CT为耕层厚度，ST 为土壤质地，BD为容重，SS为抗剪强度，PR为贯入阻力，SC为饱和导水率，OM为有机质，AP为有效磷，Al为海拔，SL为坡度，EST为有效土层厚度，SP为坡位。

由图5a可见，耕层土壤指标空间变异与海拔和有效土层厚度的相关性最大，其次为坡度，与坡位相关性最小；海拔与坡度、有效土层厚度与坡位显著相关，坡度和有效土层厚度与第一排序轴夹角较小，表明耕层土壤指标空间分布与这2个地形因子相关性较大。在图5b中，做耕层土壤指标与地形因子连线的垂线，垂线与地形因子连线的交点距离箭头越近，表示该采样点与该类地形因子的正相关性越大，处于另一端则表示与该类地形因子具有的负相关性越大。分析结果发现土壤饱和导水率、有机质与有效土层厚度正相关性最大，土壤质地与海拔负相关性最大，抗剪强度、耕层厚度、容重和贯入阻力与坡度正相关性最大，有效磷与坡位正相关性最大，这表明影响坡耕地耕层土壤指标的主要地形因子不尽相同。土壤抗剪强度、耕层厚度和容重集中分布且彼此靠近，表明这3个耕层土壤指标间可能存在密切的相互作用。

CCA分析表明，第一、二排序轴特征值之和占全部排序轴特征值总和的93.7%，反映了排序的绝大部分信息，因此前2个排序轴可以反映耕层质量指标和地形因子间的关系。海拔与第一排序轴相关性最大，相关系数为0.747，其次坡度相关系数为0.709，有效土层厚度和坡位为不显著负相关（相关系数分别为−0.492和−0.389）。与第二排序轴相关系数较大的地形因子是坡位，相关系数为0.75，其次有效土层厚度相关系数为0.671，坡度和海拔为不明显正相关（相关系数分别为0.475和0.382）。总体来说，耕层质量与地形因子的显著性并不明显，这可能是因为其他因素（如土壤母质、坡耕地管理方式等）及地形因子之间的交互作用造成的，单一地形因子对耕层质量的影响作用，可能会因这些因素的共同作用而增强或减弱。

2.3.2 基于聚类分析的耕层质量影响因素分析

基于54个采样点坡耕地耕层质量指数进行地形因子模糊聚类分析（图6），从而划分每一大类的主要影响因素。

图6 坡耕地耕层类型模糊聚类谱系图

为了更好地表现出分类间差异性，将距离阈值定为5，依次得到聚类分析的并类过程和谱系图，按=9.5（为临界近似程度取类间距），54个采样点可以分为Ⅰ坡度限制型、Ⅱ坡位限制型、Ⅲ有效土层厚度限制型、Ⅳ海拔限制型4大类。

结合图6、表5可知，第Ⅰ类包括21个采样点耕层样本，总体表现为坡度较大，具有最大坡度22°（采样点12）地块，不同坡位采样点耕层样本数分布平均，海拔、有效土层厚度的数值处于适宜值范围附近，而耕层土壤质量指数为0.490，处于中等水平，主要地形限制因子为坡度。

表5 4种耕层类型地形因子统计分析

第Ⅱ类包括12个采样点耕层样本，耕层坡度为13.25°，耕层类型所对应采样点海拔高度在4类中最高，达到了552.58 m，有效土层厚度为53.67 cm，略高于适宜值，耕层土壤质量指数为0.506，处中上水平；耕层类型具有最大海拔高度569 m（采样点13）和最大有效土层厚度120 cm（采样点18）。在4种类型中，第Ⅱ大类坡上采样点所占比例最大（41.7%），这在一定程度上抑制耕层质量。不同坡位条件下土壤质量指数表明，下坡位比中坡位和上坡位土壤质量指数要高，因此第二大类采样点地形限制因子为坡位。

第Ⅲ类包括8个耕层样本，样本数最少，其坡度为11°，海拔为354.11 m，有效土层厚度在4类耕层中最小，仅为40.75 cm，同时耕层土壤质量指数（0.424）也最小；该类耕层类型中具有最小有效土层厚度16 cm（采样点7）。土层厚度薄化是由于土壤侵蚀引起土壤迁移，导致耕层质量下降。因此土层厚度是第三大类采样点的主要地形限制因子。

第Ⅳ类包括13个耕层样本，坡度（8.62°）在4大类中最小，分布在坡下的采样点数目占采样点总数比例为38.46%，是4类中最大的，海拔仅为311.69 m；有效土层厚度却为4大类中最大（56.85 cm），相应地，该类耕层类型土壤质量指数也最大（0.511）。该类耕层类型中具有最小海拔282 m（采样点51）和最小坡度2°（采样点52）。第4大类采样点海拔要明显低于其他采样点，故其地形限制因子为海拔。坡耕地耕层土壤质量随海拔变化表现出一定分异规律，总体为高海拔地区优于低海拔，中高海拔坡耕地的坡度趋缓、排水通畅、土壤厚度大、养分蓄存空间大，有利于养分保持；中低海拔坡耕地玉米套种红苕现象较为普遍，作物间养分竞争激烈，从而导致耕层土壤质量下降。

由表5可知，4类耕层类型的样本数分别占坡耕地耕层样本总数的38.89%、22.22%、14.81%和24.08%，说明紫色土坡耕地耕层质量提升应重点改善坡耕地坡度问题。通过改变坡耕地田面形态和土壤结构，增加地块上农作物有效耕作面积，提高坡耕地耕层保土、保水、保肥能力；对于坡度较缓坡耕地，一般只需采取保护性耕作措施，改传统顺坡方式为等高耕作，同时采取横坡耕作和覆盖耕作相结合方式，可以防治水土流失；而对于坡度较大紫色土坡耕地，“大横坡+小顺坡”和“地埂+经济植物篱”大大降低坡耕地整治成本、明显减少坡耕地水土流失和吸附态磷污染[25]。

3 讨 论

3.1 耕层质量诊断指标合理采样数

对于小流域耕层质量诊断指标空间分布的样点数量越多，密度越大，越接近实际情况；但由于土壤野外采样和室内分析成本较高，土壤采样点合理密度确定十分关键[26-27]。为判断本文54个采样点数是否合理，根据小流域耕层质量诊断指标实测值，取置信水平为90%和95%、估算精度为5%、10%、15%和20%，分别计算耕层质量诊断指标的样本容量（表6）。结果表明，采样点数目受置信水平和估算精度共同影响，置信水平相同时，合理采样数随估算精度的增高而增多；而当估算精度相同时，合理取样数随置信水平提高而增多；对于不同土壤指标，其变异系数越大，相应地合理采样数目也越多。饱和导水率变异系数最大，所需合理取样数最多，其次是有效磷和速效钾，而土壤容重变异系数最小，故所需合理取样数也最少。通常在研究中采取一次性取样而使用同一批土样分析各指标方法，因此合理取样数最大的土壤指标决定了耕层质量评价的最终合理取样数；在本文中，土壤饱和导水率为这一指标。由表3可知，54个采样点数目除了饱和导水率、有效磷和速效钾外，均满足在95%置信水平下，15%、20%相对误差采样数或在90%置信水平下，10%、15%、20%相对误差采样数要求。

因此，在对紫色土坡耕地耕层质量进行评价时，54个采样点数目可以基本反映小流域特征。经典统计学方法可以在很大程度上减少取样数目，但计算只考虑了置信水平和估算精度，无法决定取样点的空间信息，且取样形状和布局方式也影响到田间土壤特性变异程度和取样数[28]，若要进行精度较高的耕层质量评价，可以采用地统计学方法计算合理取样数。

表6 耕层质量诊断指标合理取样数分析

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

3.2 耕层质量敏感性分析

敏感性分析是测定并分析一个或几个不确定因子的相对变化对评价目标变化的影响程度的方法[29-30]。为了分析影响因素变化时，不同采样点坡耕地耕层质量变化特征，可以对比耕层土壤指标进行敏感性分析，即设定某一特定土壤指标条件下的耕层质量为标准。本文利用变量增长率的敏感性分析方法来评价各地形因子对坡耕地耕层质量的敏感程度（表7）。

表7 影响因素对耕层质量的敏感性分析

由此可见，坡耕地耕层质量与有效土层厚度、坡位同方向变化，与海拔、坡度反方向变化；即随有效土层厚度增加、坡位由下而上，坡耕地耕层质量指数变大；随海拔和坡度增大，坡耕地耕层质量指数增变小；地形因子对耕层质量敏感程度大小顺序为海拔（-0.399）＞坡位（0.192）＞坡度（-0.112）＞有效土层厚度（0.110），海拔敏感程度为有效土层厚度的3.56倍。从上述敏感性分析结果表明，海拔变化对坡耕地耕层质量影响的敏感性最髙，坡位和坡度对坡耕地耕层质量影响的敏感性次之，而有效土层厚度对耕层质量影响的敏感性最弱。

4 结 论

1）紫色土坡耕地耕层质量诊断指标分布差异性显著。耕层土壤养分指标总体处于中低水平。耕层土壤容重为1.37 g/cm3，总孔隙度为48.20%，两者变异系数分别为7.97%和8.36%，为弱分异指标；其余耕层质量诊断指标均属中等分异水平，土壤饱和导水率变异系数（89.29%）最大。

2）紫色土坡耕地耕层质量评价最小数据集（MDS）由土壤容重、土壤贯入阻力、有机质、土壤黏粒含量、耕层厚度、土壤抗剪强度、饱和导水率和土壤有效磷构成。不同坡位耕层质量指数为下坡（0.458）＞中坡（0.443）＞上坡（0.417），下坡耕层质量较中坡提升3.39%，比上坡提升9.83%。

3）紫色土坡耕地耕层质量与地形因子之间显著性不明显。耕层质量影响因素有Ⅰ坡度限制型、Ⅱ坡位限制型、Ⅲ有效土层厚度限制型、Ⅳ类海拔限制型，4类样本数分别占样本总数的38.89%、22.22%、14.81%和24.08%，主要限制因素是坡度。

4）坡耕地耕层质量与有效土层厚度、坡位为正相关，与海拔、坡度表现为负相关，其中海拔变化对坡耕地耕层质量影响的敏感性最髙，坡度和坡位的敏感性次之，而有效土层对耕层质量的敏感性最弱，海拔敏感程度为有效土层厚度的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

史东梅，江 娜，蒋光毅，杨 军，叶 青，张健乐. 紫色土坡耕地耕层质量影响因素及其敏感性分析[J]. 农业工程学报，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

国家自然科学基金（41771310）

史东梅，博士，教授，博士生导师，主要从事水土生态工程、土壤侵蚀与水土保持研究。Email：shidm_1970@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.03.017

S157.1

A

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