紫色土坡耕地耕层持水抗旱性能及生产力对侵蚀程度的响应

2024-04-11倪书辉史东梅盘礼东叶青伍俊豪

中国农业科学 2024年7期

倪书辉，史东梅，盘礼东，叶青，伍俊豪

倪书辉，史东梅，盘礼东，叶青，伍俊豪

西南大学资源环境学院，重庆 400715

【目的】分析侵蚀条件下紫色土坡耕地耕层持水性能与产量响应特征，为调控坡耕地季节性干旱及水分利用效率、提升侵蚀条件下坡耕地玉米产量提供理论依据。【方法】采用铲土侵蚀模拟法，以未侵蚀地块为对照组（S-0），对比分析5 cm（S-5）、10 cm（S-10）、15 cm（S-15）、20 cm（S-20）侵蚀程度和3种管理措施下（不施肥（CK）、施化肥（F）、生物炭+化肥（BF）），坡耕地耕层持水抗旱性能和玉米产量的年际变化特征及对侵蚀程度的响应。【结果】（1）坡耕地心土层土壤持水性能更强。在相同水平土壤水吸力下，耕作层土壤容积含水量降低幅度（13.9%—18.2%）较心土层更大（9.8%）；随年际变化，土壤容积含水量在S-5时增幅最大为耕作层（14.2%），而心土层表现为在S-15最大（33.2%）。（2）坡耕地土壤总库容、兴利库容、最大有效库容及有效水分含量，随侵蚀加剧呈开口朝下的抛物线变化规律。随年际变化，各侵蚀程度下土壤最大有效库容最大增幅（44.7%）处于较强烈侵蚀程度（S-15），而有效水分含量、最大储水量及单次接纳最大降雨量在微弱侵蚀程度下（S-0至S-10）提升幅度最大。（3）坡耕地玉米产量随侵蚀加剧总体呈降低趋势，且与土壤最大有效库容、田间持水量有正相关关系；随年际变化，各侵蚀程度下坡耕地减产效果降低，且产量变化随侵蚀加剧呈一定滞后性，即侵蚀发生年产量无明显减产。（4）侵蚀条件下坡耕地土壤最大有效库容主要受土壤质地中黏粒含量、毛管孔隙度和有机质含量显著影响（＜0.01）；而田间持水量与土层深度、有机质、粉粒及孔隙度呈极显著关系（＜0.01）。【结论】土壤持水抗旱性能的强弱主要受土壤结构优劣的影响。对坡耕地侵蚀耕层辅以深翻耕作和生物炭+化肥管理措施改善土壤结构，可有效调控坡耕地侵蚀性耕层持水抗旱性能，提升侵蚀条件下坡耕地作物产量。

紫色土；坡耕地；持水性能；抗旱性能；土壤侵蚀；土壤库容；玉米

0 引言

【研究意义】土壤水分是农作物生长必要条件，其利用效率主要依赖于土壤结构[1]。降雨资源化是土壤水库储存水分主要途径，也是作物可有效利用水分的来源[2]。紫色土坡耕地由于有效土层浅薄化严重等障碍耕层[3]，导致其土壤水库库容降低、水分利用效率低下，因此分析年际耕作和田间管理对坡耕地侵蚀耕层持水抗旱性能影响，对调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义。【前人研究进展】坡耕地耕层是人类为栽培作物，利用工具对土壤进行扰动的深度层[4-5]，土壤结构差、土层浅薄是造成紫色土坡耕地干旱的主要因素[6]，土壤质地与土壤容重对土壤水分特征曲线的影响主要集中在高水吸力水平，且砂粒含量越高土壤容积含水量降幅越大[7]。目前土壤容重对土壤持水能力影响的研究结果不尽相同，李卓等[8]认为水分蓄持能力随容重增大递减，而洪成等[9]试验结果表明土壤田间持水率和有效含水率随容重增加而增加。FRANK[10]通过田间试验发现，施用石灰可降低土壤容重，显著提高土壤有效水分容量。研究表明调控耕层为虚实并存结构可有效提升农田水分效率和土地生产力，也是旱作合理耕层调控重要途径[11]，大量研究表明，深松（翻）耕可有效改善耕地土壤结构、提高土壤水分储量、提升作物对土壤总水分利用效率[12-17]，黄尚书等[17]研究表明坡耕地深翻耕处理后，耕层土壤对降雨接蓄能力较浅耕、免耕更强。此外，施加生物炭后土壤中作物可利用的有效水分含量明显提高（＜0.05）[18]，当生物炭掺入深度为15 cm时，砂壤土的土壤持水性能随生物炭粒径的增加而增加[19]，生物炭施用当年对土壤持水性的影响大于施用次年[20]。【本研究切入点】现有针对土壤持水抗旱性能的研究，主要集中于试验年土壤属性特征，而土壤侵蚀对紫色土坡耕地持水抗旱性能及产量的年际影响少见研究。【拟解决的关键问题】本文以5种不同侵蚀程度和3种田间管理措施下紫色土坡耕地耕层为研究对象，对比分析坡耕地耕层持水抗旱性能及坡耕地产量，在不同侵蚀程度及田间管理下的年际变化特征，为研究侵蚀条件下紫色丘陵区坡耕地耕层水分高效利用，调控季节性干旱以保障坡耕地产量提供理论和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计及采样

研究区位于重庆市万州区熊家镇（30°24′00″— 31°14′58″N、107°55′22″—108°53′25″E），属亚热带湿润季风气候，年平均日照1 484.4 h，年平均气温17.7 ℃，年平均降水1 243 mm且集中于5—9月，季节性干旱严重。主要土壤类型为由棕紫色泥岩、页岩、砂页岩，紫灰色、灰黄色沙岩风化物等发育而成的紫色土。

本研究以侵蚀程度和管理措施两个因素设计裂区试验小区，其中侵蚀程度模拟试验采取铲土侵蚀模拟法[21-23]（表土移动法），即人工去除不同厚度耕层土壤构建侵蚀小区，模拟随时间推移的侵蚀。侵蚀过程中坡耕地表层土壤流失，但耕作将一定厚度的土壤翻出并与原耕作层土壤进行混合，此种侵蚀-耕作过程年复一年进行。在层被翻耕到耕作层年后，其在耕作层中的剩余厚度′为：

式中，h为原始土层厚度；为年平均侵蚀量（以紫色丘陵区土壤侵蚀量为基础，取0.25 cm）；为耕作层厚度（20 cm）；是侵蚀持续时间。

根据研究区实际土壤侵蚀和耕作状况，本研究将耕作层厚度定为 20 cm，多年平均侵蚀厚度 0.25 cm。模拟侵蚀厚度为0、5、10、15、20 cm。因此将原始耕作层（20 cm）以下以5 cm为间隔分层。根据公式（2）计算不同侵蚀深度下耕作层剩余厚度（）（表1），侵蚀试验小区设置5个侵蚀程度为0 cm（S-0）、5 cm（S-5）、10 cm（S-10）、15 cm（S-15）、20 cm（S-20），分别代表侵蚀模拟年限0、20、40、60和80 a。比如在侵蚀5 cm时（侵蚀 20 a），原始耕作层土壤0在耕作层土壤中的剩余厚度为 15.55 cm, 而原始土层 20—25 cm 的土层在耕作层的厚度为4.45 cm；在侵蚀20 cm（侵蚀80 a）原始耕作土层于耕作层土壤中厚度只剩5.50 cm。

另外，管理措施试验以3种土壤管理措施（不施肥（CK），施化肥（F）和生物炭+化肥（BF））对铲土侵蚀试验小区进行分区处理，各处理设置3次重复，共计45个铲土侵蚀+管理措施试验小区。试验地种植当地代表性作物玉米，采样地主要种植作物为玉米和油菜，一年两至三熟，种植方式为轮作。小区建立时施生物炭15 t×hm-2、复合肥（N﹕P2O5﹕K2O= 25﹕12﹕18）277.5 kg×hm-2，均匀撒施在各处理小区的土壤表面，人工翻耕深度15 cm，将肥料混入土壤中。根据当地种植习惯对F和BF处理的玉米进行两次追肥共741 kg×hm-2，分别用尿素（总氮≥46.4%）和复合肥（N﹕P2O5﹕K2O=25﹕12﹕18）。试验选用的生物炭原料为水稻秸秆，在400—500 ℃缺氧条件下热解4 h，过150目筛，其pH＞7，含碳量＞80%。

分别在2018和2019年8月玉米收获前进行土壤样品采集。选择3 d以上放晴天气条件，避免雨后采样。于各侵蚀模拟试验小区内分0—10、10—20、20—30、30—40 cm进行分层多点采集土样，用 100 cm3环刀与55 mm×35 mm铝盒采集原状土样，另采集1—2 kg土壤混合散土样品进行室内理化性质分析，其中有机质采用重铬酸钾外加热法测定，土壤物理性质测定方法[24]如下：土壤容重、孔隙度、自然含水量及田间持水量用环刀及铝盒烘干称量法测定；机械组成以散土样过筛后采用吸管法测定；水分特征曲线测定采用吸力平板仪，吸力平板仪为中国科学院南京土壤所专利技术产品（专利号：CN01217023.2）[25]，每个样品分别重复测定3次。

1.2 土壤水库计算

土壤水库按文献[26]计算，各库容计算方法如下：

表1 不同侵蚀程度下原始土层剩余厚度

最大有效库容=总库容-死库容（7）

式中，各水库库容单位为t·hm-2，为凋萎含水量（%）；为某土层为土壤容重（g×cm-3）；为土层厚度（cm）；为土壤层次；为田间持水量（%）；为饱和含水量（%）。

土壤有效水分含量=田间持水量-凋萎含水量；土壤最大储水量=体积含水量×土层厚度；

单次接纳最大降雨量=最大储水量-平均含水量。

1.3 数据分析方法

本文数据分析采用Office Excel 2021和Origin Pro 2021软件进行统计分析和作图，其中图形制作采用Office Excel 2021软件，利用Origin Pro 2021进行相关性分析及热图绘制。

2 结果

2.1 侵蚀耕层土壤的水分特征曲线

随土壤侵蚀加剧坡耕地土壤水分特征曲线动态变化存在明显差异（图1）。2018年，紫色土坡耕地土壤水分特征曲线在S-0、S-5、S-10下无明显变化，当侵蚀加剧后（S-15、S-20）逐渐产生差异。在相同土壤水吸力条件下，土壤容积含水量随侵蚀加剧呈减小趋势，且沿土壤垂直剖面变化程度减小。土壤容积含水量在各侵蚀程度下主要在0—300 cm土壤水吸力呈逐渐减小趋势，S-0加剧至S-20，耕作层（0—20 cm）平均容积含水量下降幅度（13.9%—18.2%）较心土层（30—40 cm）大（9.78%）。当土壤水吸力增加至900 cm，土壤容积含水量在心土层降幅仍不明显，说明心土层持水能力较强。

图中负向横坐标（2018）仅区分对比年际变化，不表示土壤水吸力大小

由图1可知，不同侵蚀程度坡耕地土壤容积含水量年际变化趋势不同。经耕作1年后，侵蚀条件下坡耕地土壤容积含水量在土壤水吸力低于300 cm水平时变化趋势仍为逐渐减小，但在S-0和S-15下0—30 cm土层土壤容积含水量较2018年提升（5.6%、9.0%）。当土壤水吸力超过300 cm，各侵蚀程度下土壤容积含水量均表现为提升，其中S-5以耕作层提升为主（增幅14.2%），S-10与S-15以心土层提升为主（增幅21.5%、22.5%）；且在S-15时，除坡耕地表土层（0—10 cm）中土壤容积含水量表现为降低，其余各土层均较2018年呈现提升趋势，其中以心土层土壤容积含水量增幅最大（33.2%）。

2.2 侵蚀耕层土壤抗旱性能的变化

由图2-a可知，随侵蚀加剧坡耕地耕层土壤死库容无明显变化，总库容呈现先增大后减小变化。于2018年侵蚀小区内各土层兴利库容于S-0加剧至S-15无明显变化，而沿剖面各土层兴利库容在S-20下明显减小且各土层间差异性逐渐降低，其中以耕作层减幅最大（29.2%）。各土层最大有效库容在S-0加剧至S-20时变化均不显著，表层土壤（0—10 cm）于S-10时降幅最大（14.3%）；随侵蚀持续加剧，耕作层土壤最大有效库容无明显差异性变化，在心土层不断减小。坡耕地滞洪库容在各土层间无明显差异，可当侵蚀S-10加剧至S-20，各土层滞洪库容开始逐渐增大。除死库容外，土壤总库容、兴利库容、滞洪库容及最大有效库容均沿坡耕地垂直剖面减小，且主要以20—30 cm土层减幅最大（14.4%—24.9%），耕作层和心土层内各库容并无明显变化，以20—30 cm土层间土壤蓄水能力变化较显著。

不同大写字母表示同一侵蚀程度不同土层深度差异显著（P＜0.05）；不同小写字母表示同一土层深度不同侵蚀程度差异显著（P＜0.05）

各侵蚀程度下土壤兴利库容与最大有效库容年际变化呈现不同提升趋势，以S-15和S-20下增幅较大。由图2-b可知，耕作1年后兴利库容在S-0和S-5下呈现显著增长，于S-20增幅最大（75.2%），最大有效库容最大增幅（44.7%）处于S-15；当侵蚀S-10加剧至S-20时，滞洪库容年际变化呈现减小趋势，最大减幅于S-20（68.9%）；各侵蚀程度下的土壤死库容年际变化趋势均为减小，同样在S-20降幅最大（32.8%）。侵蚀耕层土壤水库各库容年际变化幅度，随土壤侵蚀加剧呈增加趋势。

由图3可知，坡耕地最大储水量、单次接纳最大降雨量、土壤有效水分含量均随侵蚀加剧而减小。土壤有效水分含量从14.2%（S-0）减小至11.0%（S-20），而侵蚀S-5加剧至S-10时，有效水分含量提升了1.8 %。耕作1年后，侵蚀耕层最大储水量、单次接纳最大降雨量、土壤有效水分含量年际变化均呈提升趋势，但总体仍随侵蚀加剧而逐渐减小。最大储水量年际变化虽以提升为主但增幅较小（0.3%—2.9%），最大增幅位于S-10。侵蚀试验小区内坡耕地耕层单次接纳最大降雨量为87.70—95.54 mm，而耕作1年后提高为102.58—113.95 mm，经调查试验小区所在区域多年平均单次最大降雨量达126 mm，因此试验区坡耕地耕层无法接纳区域单次最大降雨。且随侵蚀加剧土壤有效水分含量逐渐减少，说明侵蚀耕层无法有效地将降雨资源化，坡耕地抗旱性能亦随侵蚀加剧而逐渐削弱。增加坡耕地有效土层厚度可有效提升坡耕地降雨资源化程度，保证深层土壤水分固持，以提供作物在旱季亦可正常生长的有效水分。

不同大写字母表示2018年不同侵蚀程度间差异显著（P＜0.05）；不同小写字母表示2019年不同侵蚀程度间差异显著（P＜0.05）

2.3 坡耕地玉米产量对侵蚀程度的响应

由图4可知，坡耕地玉米产量在侵蚀未加剧至S-10前无明显下降，2018年S-0加剧至S-5，玉米产量有显著提升（5.3%）；S-20下玉米产量较各侵蚀程度显著减产，其中较S-15减幅高达38.8%。结合图2与图4可知，玉米产量与土壤最大有效库容年际变化具有一致性，坡耕地土壤最大有效库容年际变化表现为在侵蚀加剧至S-5前增幅提升，达12.3%，玉米产量虽在2019年同一条件下表现为增产，可较2018年增产幅度有所降低，仅提升0.5%。耕作1年后土壤最大有效库容在各侵蚀程度下均呈现为提升趋势，而玉米产量在S-0与S-5下分别提升6.2%和1.3%；侵蚀加剧至S-10与S-15时，玉米产量开始表现为减产，而S-20下却有所提升，并未随土壤最大有效库容减小而减产。

不同大写和小写字母分别表示2018、2019年玉米产量或田间持水量在不同侵蚀程度间差异显著（P＜0.05）

坡耕地玉米产量随侵蚀加剧总体逐渐减少，且最大减幅为S-15加剧至S-20时（13.5%）。S-0加剧至S-5时，玉米产量有所增长，增幅为5.3%，此后随侵蚀加剧玉米产量逐渐降低，最大减产幅度为S-15加剧至S-20，高达38.7%，耕作1年后各侵蚀程度下坡耕地玉米产量均呈现增长。在S-5出现增产后，随侵蚀加剧而逐渐减产，差异点为最大减产量表现在S-5加剧至S-10时，由7.96 t×hm-2减至6.36 t×hm-2，减幅20.1%。总体上土壤田间持水量与坡耕地玉米产量之间具有正相关关系，坡耕地田间持水量年际变化趋势与玉米产量基本一致，增幅最大为S-20，达30.5%；而随侵蚀逐渐加剧，田间持水量表现为先增加后逐渐减少，增长点在S-0加剧至S-5时。由此可知，坡耕地玉米产量在侵蚀发生当年并不会发生明显减产，而在侵蚀次年土壤结构因侵蚀持续加剧而受到破坏，进而坡耕地发生明显减产，且发生减产所对应的侵蚀程度相应减弱，因此坡耕地作物产量变化随侵蚀加剧具有滞后性。即发生侵蚀的坡耕地耕层不宜持续耕作。

2.4 坡耕地持水抗旱性能的影响因素及调控

坡耕地侵蚀耕层持水抗旱性能受土壤结构指标影响。由图5可知，坡耕地侵蚀耕层最大有效库容与毛管孔隙度和土壤有机质含量均呈极显著正相关（＜0.01），与自然含水量呈显著正相关（＜0.05）；但与土层深度呈极显著负相关（＜0.01），与黏粒呈显著负相关（＜0.05）。

坡耕地侵蚀耕层田间持水量与粉粒、毛管孔隙度、自然含水量、土壤有机质含量等土壤结构指标均呈极显著正相关（＜0.01），但与土层深度呈极显著负相关（＜0.01）。

生物炭+化肥较单施化肥对耕作层田间持水量提升效果更显著（＜0.05）。由图6可知，田间持水量与毛管孔隙变化基本一致，施化肥后坡耕地侵蚀耕层田间持水量较无措施相比0—10和10—20 cm土层存在显著变化（＜0.05），不同措施对坡耕地耕作层土壤田间持水量影响显著（＜0.05）（F提升9.1%，BF提升29.9%），而心土层受影响程度并不明显。结合图2和图3可看出，本研究翻耕15 cm提升各侵蚀程度下土层厚度，提高了土壤水库有效库容，因此单施化肥和生物炭+化肥仅对坡耕地0—20 cm土层的理化性质具有显著的改善效果。

MEC：最大有效库容；FC：田间持水量；h：土层深度；Sand：砂粒；Silt：粉粒；Clay：黏粒；NMC：自然含水量；SCP：毛管孔隙度；SOM：有机质

不同大写字母表示同一土层不同田间管理措施差异显著（P＜0.05）；不同小写字母表示同一田间管理措施下不同土层间差异显著（P＜0.05）

3 讨论

3.1 侵蚀耕层持水抗旱性能变化

有效土层厚度与土壤孔隙差异导致侵蚀条件下坡耕地持水能力不同。土壤持水能力在低水吸力范围内取决于土壤大孔隙毛管力作用；在中高水吸力段则取决于土壤颗粒的吸附作用[27]。本研究中土壤水吸力超过300 cm，各侵蚀程度下土壤容积含水量年际变化均表现为提升，且S-10与S-15以心土层提升为主（增幅21.5%、22.5%），说明通过增加有效土层厚度，释放心土层所固持水分，可提升坡耕地土壤水分使用效率[28]。耕作1年后坡耕地表土层（0—10 cm）土壤容积含水量在S-15表现为降低，其余各土层却呈现提升趋势，且其中以心土层土壤容积含水量增幅最大（33.2%）。其原因可能是翻耕对坡耕地表层孔隙结构扰动较大，导致表层土壤持水能力减弱。由土壤剖面层次看，坡耕地心土层土壤受耕作扰动几率和程度较小，可作为潜在土壤水库为作物生长提供可利用的水分[29]。

土壤水库各项库容的大小与土壤质地、结构和土层深度有关。土壤孔隙结构决定于土壤颗粒组成，土壤水分运移受孔隙结构影响[8,30-31]。本研究中坡耕地侵蚀耕层土壤最大有效库容与毛管孔隙度呈极显著正相关（＜0.01），与黏粒呈显著负相关（＜0.05）。除死库容外，各库容均沿坡耕地土壤垂直剖面减小，这可能是坡耕地土层越深，土壤中黏粒含量越高，导致土壤颗粒间孔隙度降低，土壤有效库容受孔隙度影响，而土层越深其黏粒含量越多，表现为孔隙度大且小孔隙为主，不利于土壤中的水气协调[28]。随侵蚀加剧坡耕地耕层土壤死库容无明显变化，总库容呈现先增大后减小的变化规律，其原因可能是坡耕地在侵蚀刚发生时，表层土壤经搬运沉积，其紧实结构随之改善，土壤饱和含水量因此而提升。随侵蚀加剧坡耕地各土层间土壤库容差异性逐渐降低，其原因在于耕作层土壤流失严重且逐渐薄化造成其水分固持能力减弱，心土层土壤在重度侵蚀下其各项土壤理化指标显著劣化，坡耕地持水抗旱性能随之减弱[32]。有研究指出紫色土有效水分含量主要以中等质地土壤最高，质地过粗过细均低[33]，若坡耕地土壤黏粒含量偏高，土壤颗粒排列紧密且大孔隙减少[34-35]，土壤接纳降雨能力减弱，久之土壤有效水分降低。本研究由于仅对紫色土砂粒、粉粒、黏粒与土壤有效库容的相关性分析，故而并未体现出此种规律，后续应针对紫色土不同粒径对土壤有效库容的影响进行研究。

3.2 侵蚀条件下坡耕地生产力调控

侵蚀条件下坡耕地生产力受土壤理化性质及耕层厚度影响。坡耕地土壤侵蚀效应直接表现为坡面耕层变薄、土壤物理化性质恶化和土地生产力下降[36]。本研究中玉米产量由S-0加剧至S-5时不减反增，增幅为5.3%，此后随侵蚀加剧逐渐降低，最大减产幅度（38.7%）于S-15加剧至S-20。分析其原因发现玉米产量与土壤最大有效库容及田间持水量年际变化具有一致性，对应的土壤最大有效库容在侵蚀程度小于S-5前，并未减少反而有所增加，这是造成玉米产量发生显著增长的主要原因，因此通过施加生物炭降低土壤容重和增加土壤孔隙度等[31]，调控坡耕地土壤持水抗旱性能以提高作物产量。研究表明[18]不同粒径生物炭对土壤容重和持水能力有不同程度的影响，生物炭本身的保水性随自身粒径增加而降低，而将生物炭与土壤混合后结果则相反，长期田间试验表明，使用0.2—0.4 mm粒径的生物炭是最佳选择[37]，粗粒生物炭（0.853—2.0 mm）对土壤持水性能的改善作用较大[38]，高孔隙生物炭在粗质地土壤中更有效[39]。高会议等[40]在黄土高原施肥定位试验中发现，长期施用化肥会对土壤结构造成破坏，从而降低土壤持水性能。但本研究中施加0.1 mm细粒径生物炭+化肥却对不同侵蚀程度下坡耕地土壤理化性质均有显著改善，分析其原因一方面是坡耕地深翻耕15 cm且配施化肥，对坡耕地土壤具有改善效果，另一方面化肥施用期短，且施肥后对进行翻耕，改善坡耕地土壤结构，故未出现土壤持水性能降低的现象，反而提高作物对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证紫色土坡耕地持水性能，进而调控侵蚀条件下坡耕地生产力。

深翻耕可改善坡耕地耕层结构以提高水分利用效率。深翻耕作是一种常见的农业耕作措施，通过深翻加深有效土层厚度而不断翻转土壤，从而调节土壤固相、液相、气相三相比例，从而改善坡耕地土壤结构[29]。本研究通过翻耕15 cm将生物炭和化肥混入土壤，使坡耕地耕层土壤呈现为炭土混合壤[43]，对坡耕地耕作层田间持水量影响显著（＜0.05）。这是因为西南紫色丘陵区耕作习惯易造成坡耕地耕作层变薄、土壤容重增加而土壤结构劣化，使得坡耕地犁底层厚度持续增加，此种障碍耕层影响作物根系发育，难以有效利用耕层水分，而通过深翻耕作打破犁底层使土壤剖面均匀化[16]从而增加土层深度提高土壤有效库容，保证旱季时作物根系可从深层土壤吸收水分。此外还可提高坡耕地土壤最大储水量和接纳降雨量并有效固持，可将休闲期降雨蓄积至小麦开花期，进而提高作物产量[44]。综合以上，针对紫色丘陵地区坡耕地土层浅薄且土壤粗骨化严重的特点，采取深翻耕作提升坡耕地耕层厚度扩大土壤水分储存空间，配施生物炭+化肥/有机肥改善土壤结构，是提升紫色土坡耕地侵蚀耕层持水抗旱性能，增加坡耕地作物产量的有效途径。

4 结论

4.1 坡耕地土壤容积含水量随侵蚀加剧减小，但沿土壤剖面减幅逐渐降低。侵蚀条件下耕作1年后，坡耕地心土层容积含水量提高最大，持水能力增强。

4.2 有效土层厚度增加可有效提升坡耕地降雨资源化程度，降低侵蚀对坡耕地深层土壤水分固持效应的影响。耕作1年后土壤最大有效库容增加，且增幅随侵蚀加剧提高。

4.3 坡耕地玉米产量与侵蚀耕层土壤最大有效库容变化一致，土壤结构随侵蚀加剧劣化，坡耕地产量年际变化较土壤结构改变呈一定滞后性。

4.4 坡耕地侵蚀耕层持水抗旱性能主要受土壤理化性质影响。生物炭+化肥可改善土壤结构，有效提高坡耕地侵蚀耕层持水抗旱性能和生产力。

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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