我国紫色土旱地资源共有1889.1万hm2,集中分布在四川盆地,占全国紫色土面积的51.28%。紫色土成土速率快、耕性和生产力高;但其也具有侵蚀性高、抗旱性差、土壤退化严重等特征。紫色丘陵区坡耕地作为四川省和重庆市农业生产的主体区域,主要分布在盆地丘陵和盆周山区。近年来在降雨、地形等自然因素和耕作、施肥等人为因素的综合作用下,紫色土坡耕地耕层土壤退化、土地生产力下降和面源污染生态问题等十分突出,坡耕地严重的水土流失也导致库区面源污染日益加重。耕层土壤既是坡耕地水土流失对象,又是保证农作物高产稳产的基本条件。耕层土壤剖面结构和理化性状是影响土壤质量的根本原因,也是综合反映土壤肥力的重要因子;了解坡耕地耕层土壤质量变化及特征,明确坡耕地耕层障碍因素,加强坡耕地耕层土壤有效管理,切实提高坡耕地耕层土壤质量是保证区域粮食安全和生态安全的重要前提条件。本文通过野外调查及资料查阅,分析了重庆市紫色土坡耕地分布特征及质量演变过程,揭示坡耕地耕层质量演变的种植制度、降雨、耕作等驱动力作用特点;以紫色丘陵区不同坡耕地高产和低产耕层为研究对象,通过耕层剖面调查和室内理化性质试验,深入分析不同坡耕地耕层剖面构型、土壤物理特性和土壤养分等方面差异性,揭示坡耕地耕层剖面结构特征;采用室内环刀入渗法,分析了不同坡耕地耕层入渗和保水性能;同时通过干筛和湿筛法,研究了不同坡耕地耕层土壤稳定和保土性能;通过构建农作物—耕层耦合协调模型,分析了坡耕地农作物—耕层耦合协调程度,基于紫色丘陵区典型种植制度油菜-玉米/大豆诊断了坡耕地耕层适宜性,并深入剖析了耕层障碍因素。主要结论如下:(1)紫色丘陵区坡耕地在重庆市水土保持区划的四个分区内,其坡耕地的坡度级和地力等级分布差异显著。重庆市坡耕地均集中分布在6-15°和15-25°两个坡度级,6-15°范围内的坡耕地面积在该区域所占比例表现为:四川盆地南部中低丘土壤保持区(53.81%)>川渝平行岭谷山地保土人居环境维护区(49.86%)>鄂渝山地水源涵养保土区(41.37%)>大巴山山地保土生态维护区(34.66%);不同区域内各地力等级所占比例差异明显,大巴山山地保土生态维护区表现为三等>四等>二等>五等>一等,其比例分别为36.367%、28.034%、19.510%、10.821%、5.269%;鄂渝山地水源涵养保土区也呈现相同变化趋势;在四川盆地南部中低丘土壤保持区,分布比例为四等(32.129%)>三等(27.313%)>五等(22.735%)>二等(13.892%)>一等(3.931%),川渝平行岭谷山地保土人居环境维护区变化趋势一致。(2)在重庆市不同水土保持区划单元内,坡耕地耕层土壤有机质含量受自然因素和人为作用综合影响表现出较大区域差异性。在各个区划单元,土壤有机质含量均呈增加趋势,增加幅度表现为:四川盆地南低丘土壤保持区(12.85%)>大巴山山地保土生态维护区(11.55%)>鄂渝山地水源涵养保土区(10.38%)>川渝平行岭谷山地保土人居环境维护区(6.38%),坡耕地土壤氮磷养分含量也呈现不同程度增加趋势。重庆市紫色土坡耕地普遍存在不同程度土壤酸化现象,耕地土壤ph值变异系数为-15.66~-1.27%。实施横垄+秸秆覆盖能有效减少氮磷钾养分流失,提高作物产量,这主要是坡耕地地表覆盖物和土壤有机质含量增加,增强了坡耕地土壤抗侵蚀性能。实施横坡耕作、秸秆覆盖等土壤管理措施可有效地改善土壤理化性状,提高耕层土壤质量,增加农作物产量。(3)不同紫色土坡耕地0~20cm耕层剖面结构、颗粒组成和理化性质差异显著。坡耕地耕层剖面主要表现为疏松或较疏松,其紧实度分布在5.31~8.46kg/cm2,具有团粒状、粒状等多种结构,农作物根系大量分布;高产类型坡耕地耕层土壤紧实度均低于低产类型,玉米和烟草高产耕层土壤紧实度较其低产坡耕地分别减少了32.10%、9.11%;不同类型坡耕地耕层土壤容重差异较大且随耕层深度增加而增加,玉米高产0-20cm、20-40cm、40-60cm耕层土壤容重较低产分别降低了8.83%、13.80%、3.50%,烟草高产耕层在相同土层深度则分别降低7.44%、17.86%、14.11%。不同类型坡耕地耕层土壤有机质含量大小为:玉米高产耕层(15.30g·kg-1)>烟草高产耕层(14.80g·kg-1)>烟草低产耕层(14.30g·kg-1)>玉米低产耕层(11.80g·kg-1),土壤全氮含量变化具有相同变化,这主要是低产耕层作物盖度较低且坡度较大,导致其在降雨条件下养分衰减程度较高。研究表明,高产紫色土坡耕地耕层剖面表现为土壤疏松、土壤有机质和养分含量较高,土壤质地和紧实度是影响耕层剖面结构性能的主要因素。(4)不同类型紫色土坡耕地耕层、不同土层深度的土壤入渗速率差异明显。紫色土坡耕地耕层土壤入渗速率随土层深度而降低,0-20cm、20-40cm、40-60cm耕层土壤稳定入渗率分别为5.80-9.58mm/min、2.81-4.35mm/min、0.98-1.96mm/min,表层为亚表层和底层分别为2.15、5.24倍;耕层土壤累积入渗量直线下降,玉米高产耕层20-40cm、40-60cm土层较0-20cm分别降低84.85%、91.63%,而烟草高产耕层则分布降低78.54%、86.85%;这种入渗性能有利于耕层土壤水分蓄存。玉米高产0-20cm、20-40cm、40-60cm耕层土壤初始入渗速率较低产分别增加70.95%、2.62%、19.20%,其稳定入渗率较低产分别增加65.17%、35.59%、77.55%;而烟草高产耕层土壤初始入渗速率在相同土层深度则分别增加14.94%、20.53%、20.39%,其稳定入渗率较低产则分别增加32.90%、52.10%、7.69%,这说明低产耕层土壤容重大且孔隙度低导致其透水、保水性能低,试验表明,紫色土坡耕地高产耕层土壤入渗性能表现为稳定入渗率高、累积入渗量大,土壤质地和孔隙度是影响耕层蓄水性能的主要因素。(5)不同类型紫色土坡耕地耕层土壤团聚体和力学稳定性差异明显,0-20cm耕层土壤稳定性指数表现为烟草高产耕层(2.96)>玉米高产耕层(2.55)>烟草低产耕层(2.45)>玉米低产耕层(2.38),耕层土壤抗剪强度大小依次为玉米低产耕层(36 KPa)>玉米高产耕层(29 KPa)>烟草低产耕层(25 KPa)>烟草高产耕层(21KPa),耕层土壤贯入阻力依次为玉米低产耕层(1.8MPa)>玉米高产耕层(0.95MPa)>烟草低产耕层(0.7MPa)>烟草高产耕层(0.4MPa)。紫色土耕层土壤团聚体结构组成均以>5 mm,5~3 mm和1~0.5 mm三个粒级为主,>0.25 mm机械稳定性团聚体含量分布在41.50-89.71%;不同耕层深度土壤机械稳定性团聚体粒径组成分布存在明显差异,>5 mm,5~3 mm和3~2 mm三个粒级团聚体含量随着土层深度降低,而1~0.5 mm和0.5~0.25 mm水稳性团聚体含量增加,这主要是大颗粒团聚体分散成小颗粒导致其含量增加。>1 mm水稳性大团聚体含量随着耕层显著降低,玉米高产20-40cm、40-60cm耕层较0-20cm分别降低20.99%、37.52%,而烟草高产耕层则分别降低15.18%、24.89%。坡耕地耕层土壤抗剪强度和贯入阻力随着耕层深度增加均呈现先增加后急剧降低趋势,土壤抗剪强度峰值出现在20~40cm耕层,而土壤贯入阻力峰值出现在40~50cm耕层。相关试验表明,高产紫色土坡耕地耕层稳定性表现为表层机械稳定性和水稳定性团聚体含量高、表层土壤抗剪强度和贯入阻力较低,土壤有机质含量、土壤紧实度和容重是影响耕层保土性能和耕作性能的主要因素。(6)采用农作物—耕层耦合协调度评价模型对紫色土坡耕地农作物—耕层耦合协调程度进行了区间界定和类型划分。CCE中盖度、种类数量、生物产量、经济产量指标的综合权重值分别为0.0739、0.0345、0.1832、0.7084;在PCE中,物理特性中的田面坡度、耕层厚度、土壤容重和土壤质地综合权重值分别为0.1055、0.1533、0.1742、0.1013,而养分状况的pH值、有机质、全氮、有效磷和速效钾综合权重值分别为0.0561、0.1334、0.1079、0.0832、0.0852。紫色土坡耕地农作物-耕层协调类型可划分成4个大类、10种类型,即失调衰退型(0-0.2)、濒临失调(0.2-0.5)、基本协调(0.5-0.7)、高度协调(0.7-1.0);紫色土坡耕地耕层障碍因素主要是土壤剖面结构劣化、土壤浅薄化、养分贫瘠化等,紫色土坡耕地耕层不良剖面构型可分为砂土通体型、粘土通体型、薄层型、底漏砂型、粘质夹砂型5种,紫色土坡耕地耕层浅薄化值随着侵蚀程度加剧而增大,而抵抗季节性干旱能力随着土层深度减小而明显降低;综合野外调查和试验分析,紫色土坡耕地合理耕层主要表现耕层厚度>60cm、土壤容重为1.10~1.25g/cm3、土壤质地壤土或砂质壤土、土壤结构为壤—粘—壤粘质垫层型,或者通体壤构型、土壤抗剪强度12.5~68.0KPa、土壤有机质含量≥2.5%。