三峡库区土壤主要为中生代紫色砂（页）岩风化而成的紫色土，占耕地面积的78%^[1]，且其中绝大部分为坡耕地^[2]，库区雨季降水量集中，且多暴雨，容易导致水土流失的发生和加剧，加之不合理地施用肥料、农药等化学物质，产生严重的农业面源污染问题^[3-4]，直接威胁着库区的生态安全和经济发展。降雨是引起地表径流并造成水土流失的主要原因之一，农田地表产流量与降雨量、降雨强度、降雨类型、前期雨量等水文因素密切相关。水土流失不仅是水分和泥沙的流失，同时还伴有严重的土壤养分流失。许多学者开展了坡耕地径流小区试验，主要集中在地表径流中氮磷流失分布^[4-6]，且多采用模拟降雨的方法，自然降雨条件下则重点探讨了降雨与地表径流中的氮磷流失量的关系^[7-10]，很少关注土壤的本底养分性质变化，且前人研究仅考虑土壤氮、磷的地表流失，而忽视了其深层耗损，对土壤氮、磷损失的认识不够全面^[11]。土壤肥力是土壤的主要功能和本质属性^[12]，是农业可持续发展的基础^[13]，施肥模式和耕作方式都是重要的农业措施，合理的农业耕作和施肥措施可以减少因水土流失导致的面源污染，同时提高作物产量，维持坡耕地土壤质量。施用化肥和有机肥能有效改善土壤肥力，增加土壤有机质和氮库^[14]，不合理的施肥则会导致环境的立体污染^[15]；在紫色土坡耕地，大多数农民采用顺坡耕作的制度，该制度下遇强降雨极易产生土壤侵蚀，而横坡耕作投入大、产量不高^[16-17]。因此，在追求经济效益和生态环境保护下，寻求合适的施肥模式和耕作方式极其必要，本文利用多年自然降雨条件下的径流小区长期定位施肥试验，研究了不同施肥模式和耕作方式下的土壤肥力质量变化特征，可为紫色土坡耕地区建立科学合理的施肥和耕作制度提供依据。

研究区位于重庆市西南大学后山水土保持试验基地（29°48′42″N，106°24′20″E）。该基地为农业部南方山地丘陵面源污染地表径流监测试验点之一，属亚热带季风性气候，年均降雨量1100 mm，年均温18.3 ℃，最高气温43 ℃，最低气温-1 ℃，年均日照时间为1270 h，无霜期约334 d，其中5—9月降雨量占全年降雨量的70%以上，土壤为中生代侏罗纪沙溪庙组紫色砂泥岩母质发育的紫色土，中等肥力水平。试验小区2008年种植季前测定的土壤化学性质见表 1。

表 1　试验小区土壤化学性质 Table 1　Chemical properties of the test soils

表选项

本试验选择一个土壤质地、肥力具有代表性，坡度为15°的地块。共设置15个小区。每个小区规格为32 m²（8 m×4 m），为防止各小区间发生水分和养分交换，小区之间用水泥墙的田埂隔开，埂宽20~30 cm，墙体埋设在地下30 cm，高出地面20 cm。每个小区设置一个单独的径流池，径流池规格为1.5 m×1.2 m×1.0 m，容积为1.8 m³，在小区与径流池相连一段，沿小区宽度方向挖一个集流槽，每个集流槽设置一个“V”型出水口，每个小区径流入水口高度保持一致。

试验根据农业面源污染流失系数测算的需求共布设5个处理：顺坡耕作对照处理（CK）、顺坡耕作复合施用农家肥和化肥常规处理（T1）、顺坡耕作单施化肥优化处理（T2）、顺坡耕作单施化肥增量处理（T3）、横坡垄作单施化肥优化处理（T4）。其中垄高5~8 cm，垄面宽40~50 cm，垄距40 cm，每个处理设置3次重复，试验小区种植模式为小麦-玉米轮作（品种为“渝麦7号”和“中糯309”）。冬小麦采用穴播的方式，固定30 cm×30 cm的株行距于前一年12月前后播下，播种前施底肥，来年2月份对小麦追肥。夏玉米采用移栽的方式，固定40 cm×150 cm的株行距于当年3月份开始育苗，4月中旬前后移栽到试验地块，播种前施用底肥，5月下旬前后对玉米追肥。施用的氮、磷、钾肥分别为尿素（含N≥46.4%）、过磷酸钙（含P₂O₅≥12%）、氯化钾（含K₂O≥60%）、农家肥（N≈0.24%，P₂O₅≈0.17%，K₂O≈0.21%），施肥方式为撒施。各处理具体施肥量见表 2。

表 2　不同小区施肥量 Table 2　Fertilizer application in different districts

表选项

2008—2016年每年10月份（玉米收获季后）采用对角线混合法采集1次常规耕作层0~20 cm土样，每个小区采集1 kg左右，取其中0.2 kg左右鲜土用于测试硝态氮、铵态氮，其余的制成风干土样后测试有机质、全氮、全磷、有效磷、全钾指标。土样养分测试采用常规农化分析方法^[18]。本研究选取了长期定位连续监测土壤的有机质、全氮、铵态氮、硝态氮、全钾、全磷及速效磷7个指标作为参评指标反映土壤肥力的变化。每次降雨后，先测定径流小区集水池里的径流总量，取完水样后，拧开每个径流池底排水凹槽处连通管的盖子，抽排径流水，排空后将径流池清洗干净，以备下一次采样和计量。

本文采用灰色关联法对该紫色土坡耕地土壤肥力质量进行评价。灰色关联分析的优点是方法简便、计算量小并且理论可靠，适用于多指标综合评价，以得出各评价单元按土壤肥力质量排序；灰色系统的关联分析是系统态势的量化比较分析^[19]。本实验选择有机质、全氮、全磷、有效磷、全钾、硝态氮、铵态氮等指标作为肥力因素，均为正向指标。评价指标的无量纲化，即将各指标的实际值转化为评价值，以消除各指标量纲带来的影响。

(1)

式中：y_i为无量纲化值，即通过无量纲化使所有数据在0~1的区间之内；x_i为评价对象实际值，i= 1，2，3，…；x₀为理想对象上限值。

关联度计算步骤如下：

理想对象数列为：x₀={x₀（1），x₀（2），…，x₀（n）}，被评价对象数列为：x_i ={x_i（1），x_i（2），…，x_i（n）}，i= 1，2，3，…，m。

关联系数：

(2)

式中：ξ_i（k）为x₀与x_i在k点的关联系数。

关联度：

(3)

式中：γ_i为关联度。

以k个点（时刻）关联系数的平均值作为比较因素与分析因素整个关联程度的量度，即为关联度。以上公式中|x₀（k）－x_i（k）|表示x₀数列与x_i数列在k点的绝对差；min_k|x₀（k）－x_i（k）|为x₀与x_i在点k=1，2，3，…，n上的最小绝对差，也称一级最小差；min_i min_k|x₀（k）－x_i（k）|为因素i=1，2，3，…，m在点k=1，2，3，…，n上的最小绝对差，也称二级最小差；max_i max_k|x₀（k）－x_i（k）|为二级最大差；ρ为分辨系数，其取值在0~1之间，一般取ρ=0.5。

用灰色关联法计算关联度，差异性分析采用SPSS 18.0，图表制作采用Microsoft Excel 2010。

依据北碚气象站实测数据，2008—2016年期间的年降雨量见表 3。小麦和玉米生长季灌溉均为自然降雨，未进行过人工灌溉。试验区年降雨量变化较大，多年平均降雨量为1206 mm，2014、2015年和2016年降雨量分别比多年平均降雨量高46.93%、8.79%和51.41%。在试验设计的槽口处收集每次产生径流的径流量，得到各处理下的年平均径流量（图 1）。2014—2016年降雨量最大但是径流量却小于其他年份，可能原因是该年度的有效降雨相对较少，只有降雨强度大于土壤的下渗强度才会开始产生径流，因此径流量大小主要与降雨强度和地面因子相关，而年总降雨量的大小并不能起决定性作用。随着年度时间的变化，各处理下的径流量整体呈现逐渐减小趋势，不同处理下的年平均径流量之间差异显著，相同处理下不同年限间也存在显著差异（P < 0.05）。CK是空白对照，其值反映自然耕作下的坡耕地径流量特征。各处理下的最大值均出现在2008年，分别为3 141.4（CK）、1 702.63（T1）、2 189.4（T2）、2 055.87 mm（T3）和1576 mm（T4），最小值大部分出现在2013年，分别为535.5（CK）、421.07（T2）、437.3 mm（T3）和368.93 mm（T4），仅T1出现在2011年，为306.23 mm。

表 3　2008—2016年历年降雨量（mm） Table 3　Rainfall over the years(2008—2016)(mm)

表选项

不同大写字母表示同一处理不同年份径流量在P < 0.05水平上差异显著；不同小写字母表示同一年不同处理径流量在P < 0.05水平上差异显著 图 1 2008—2016年各处理下年平均径流量 Figure 1　Annual average runoff in 2008—2016

图选项

在各小区年平均径流量中，均表现CK值最大，T4值最小（2011年除外），说明在相同施肥水平基础上，横坡耕作能有效地保水固土，而在无施肥顺坡耕作处理下，径流量最大的可能原因是不施肥导致土壤板结严重，植物得不到足够养分，根系固土效果最差，同时在顺坡的耕作方式下，水流更容易汇集成流，在遇到强暴雨时，雨滴对土壤的击溅侵蚀能力增强，水土流失加重，径流流失量最大。研究还发现，不同处理的年度变化与径流量可用对数函数模型（y=-alnx+b）进行拟合，决定系数R2在0.281 3~0.675 4（表 4），表明径流量存在着年际差异，经过多年的种植与耕作，土壤性质会趋于稳定，年径流量变化不大。

表 4　年度变化与径流量的关系方程 Table 4　Relation equation of annual change and runoff

表选项

由表 5可知，试验小区2008、2009年各处理下有机质含量相差不大，自2010年开始，不同处理下的有机质含量差异开始明显，2016年与2008年有机质含量相比，CK、T1、T2、T3和T4变化幅度分别为-9.10%、+14.74%、-18.05%、-15.93%和-6.53%；对比2008年土壤硝态氮含量，2016年CK、T1、T2、T3和T4变化幅度分别为-62.44%、-32.88%、-52.01%、-39.01%和-40.79%；对比2008年土壤铵态氮含量，2016年CK、T1、T2、T3和T4分别降低74.44%、69.89%、73.75%、68.42%和66.17%；对比2008年土壤全氮含量，2016年CK、T1、T2、T3和T4分别降低71.97%、13.24%、35.62%、37.30%和30.50%；对比2008年土壤全磷含量，2016年CK、T1、T2、T3和T4分别降低了76.25%、20.91%、27.21%、24.36%和51.65%；对比2008年土壤全钾含量，2016年CK、T1、T2、T3和T4变化趋势分别为-42.23%、-48.22%、-22.78%、-23.96%和-34.37%；对比2008年土壤全磷含量，2016年CK、T1、T2、T3和T4分别降低了37.18%、44.55%、31.89%、26.10%和28.30%。经过9个雨季，评价土壤肥力的各个指标均有不同程度地下降，说明紫色土区坡耕地在水土流失的同时伴随着土壤养分的流失。除由于多年自然降雨导致的土壤侵蚀外，其他可能原因主要为两个方面：一方面是因为施肥模式的影响，单施化肥与优化施肥、农家肥化肥配施相比，作物的生长相对较差，故根系固土效果较弱，本试验种植方式是小麦-玉米轮作，玉米和小麦根系能够增强土壤的抗蚀性已经在相关学者的研究中得到证实，这显著减少了径流流失和对坡地土壤的侵蚀，从而较大程度地维持了坡耕地的土壤养分的含量；另一方面是因为耕作方式的影响，横坡耕作方式下天然形成了一道保水护土“屏障”，水稳性团聚体分布状况明显优于顺坡耕作方式下的试验小区，对土壤养分的固持作用更好，有效地改善土壤结构，使得该耕作方式下土壤养分含量较顺坡耕作方式更高。

表 5　土壤肥力指标 Table 5　Soil fertility index

表选项

通过对各指标进行灰色关联分析，得到在不同施肥模式、耕作方式下土壤肥力质量与理想情况下的关联度（图 2），“理想对象”的质量是系统中质量最优的，评价对象的关联度越大，说明与“理想对象”越接近，土壤肥力质量越高，反之亦然。经过多年种植后，参考2016年，对数据结果的关联度进行排序，结果表明横坡垄作单施化肥处理（T4）的关联度最高，为0.521，与参考对象最为接近，表明在紫色土区，长期施肥下，横披耕作方式下能更好地维持土壤肥力；其次为T3（0.510）、T1（0.493）、T2（0.484）；最低的为CK（0.440），表明长期不施肥处理下土壤肥力与理想参考对象差距最大，在多年的径流小区试验下土壤肥力质量下降。

图 2 被评价对象与参考对象的关联度 Figure 2　The degree of relevance between the subject and the reference object

图选项

图 3显示，连续施肥9年后，各处理下关联度均发生不同变化，整体呈现下降趋势。其中CK处理下，在2014年（0.525）小幅度上升后又继续下降；T1处理下，年关联度先上升，在2010年达到最大值，然后下降；T2处理下，在2009年（0.741）达到最大值之后，开始下降，然后又在2011年（0.612）之后开始上升，2013年（0.675）之后又表现为下降趋势；T3处理下，也同样是先下降后上升，拐点出现在2013年（0.719），之后开始下降变化；在T4处理下，在2013年（0.701）小幅度上升之后下降。CK、T1、T2、T3和T4处理下关联度的最大值分别出现在2008年（0.760）、2010年（0.700）、2009年（0.741）、2013年（0.719）和2008年（0.814）。各处理下关联度的最大值主要集中在试验开展的前几年，土壤肥力表现最高；而且变化拐点大多数出现在2013年，根据表 3，研究区域在2013年降雨量（795 mm）略微偏少，而其他年份降雨情况比较正常，这直接减弱了坡耕地的水土流失，故关联度出现了小幅度增大。

图 3 历年各模式平均关联度 Figure 3　Average correlation of each model

图选项

与2008年相比，2016年CK处理下关联度降低42.11%，T1减少24.15%，T2降低34.01%，T3减少27.87%，T4降低35.95%。就目前9年实验研究结果，各处理下随着时间的变化，均呈现下降趋势，这是因为紫色土坡耕地区土层脆弱土质疏松，在长期的降雨侵蚀下容易发生养分流失。

2008—2016年各个处理下9年间的径流量均值结果见图 4。其中CK（1 332.97）值最大，其次T3（1 038.40）＞T2（1 010.19）＞T1（955.93），最小为T4（752.57），与对照处理相比，实施施肥措施下径流量可以减少22.10%~43.54%。说明在多年的自然降雨条件下，施肥模式和耕作方式都能对减少坡面地表径流量起到一定作用，其中横坡耕作方式对防治水土流失的效果最好。地表径流量是土壤养分径流输出十分重要的原因，在紫色土区，降雨冲刷地表，直接导致地表径流产生，当达到一定的降雨量和降雨强度，径流得以形成，之后逐渐发展造成泥沙流失，带走土壤中的养分，进而使得土壤贫瘠，耕作力下降。

图 4 历年径流量均值 Figure 4　Mean value of runoff

图选项

2008—2016年各个处理9年间的关联度均值结果见图 5。其中T4在2008—2016年9年关联度均值中最大，平均为0.643，其次为T2（0.627）＞T3（0.625）＞T1（0.594）＞CK（0.550）。由此可见，耕作措施对土壤肥力有显著的影响；该结果进一步说明，在长期施用化肥中，化肥的增施与长期不施肥相比可以有效地改善土壤肥力。

图 5 各处理下2008—2016年关联度均值 Figure 5　The mean value of each fertilization model in 2008—2016

图选项

为了探讨径流量和关联度对土壤肥力的影响，本试验中，将不同处理年平均径流量与年平均关联度用函数模型进行拟合（表 6），满足y=-0.000 2x+0.762 8，决定系数R²=0.748 4，说明在年平均径流量最小的试验处理下，其土壤肥力关联度表现最佳，反之亦然，表明径流量是影响土壤肥力的重要因子，二者呈负相关。

表 6　不同试验处理下多年平均径流量和关联度 Table 6　Average annual runoff and correlation in different fertilization modes

表选项

水土流失造成的面源污染已经演变成亟需解决的生态环境问题。坡耕地土壤肥力下降的主要原因为水土流失侵蚀了耕作表层，使得土壤养分因此损失很大。实施合理的农田土壤管理措施不仅可以改善土壤理化性状，也可改变农田土壤生态过程^[20]。本试验研究表明，紫色土坡耕地地表径流量受多种因素的共同影响，包括水文因子、耕作方式和施肥模式，其中降雨是引起地表径流并造成紫色土坡耕地区水土流失的主要原因，降雨作为紫色土区坡耕地土壤侵蚀的源动力，产生地表径流、壤中流和地下径流等坡地径流形式，带走了土壤的大部分养分^[21]。而土壤养分损失是复杂且综合的过程，本文结合多年的地表径流和土壤肥力指标综合分析坡耕地土壤肥力水平，研究结果表明，横坡耕作方式下流失径流量最小，评价土壤肥力水平的关联度值最大。学者常用关联度分析来评价土壤肥力^[22-23]，本文采用此方法综合评价不同施肥模式和耕作方式下紫色土区坡耕地的土壤肥力。这与傅涛等^[24]、朱波等^[25]、赵赛东^[26]研究结果符合，同时，与张怡等^[17]研究发现横坡耕作较顺坡耕作对紫色土区的有机碳有更好的固持作用的结论类似。鲁耀等^[27]在红壤坡耕地连续三年自然降雨下研究得出，在常规施肥处理下径流量和氮磷流失量之间呈极其显著的指数相关性，而本文研究得出不同处理的年平均径流量与年平均关联度二者呈一次函数关系，这是因为本文关注的是土壤肥力的本底值，而未考虑径流中的氮磷流失量。本研究还发现，在多年施肥与降雨环境下，其中硝态氮和铵态氮减少最为明显，可能原因是氮肥过量施入农田，超出了作物的吸收能力和土壤的固持能力，造成土壤剖面中硝态氮不断流失^[28]。而且小区采用了顺坡和横坡两种耕作方式，顺坡制度下在南方紫色土区坡耕地更容易发生淋洗流失^[29]。

土壤中的养分流失一般有2个主要途径：一是随地表径流水相和沉积物相的横向迁移；二是随水分下渗形成的纵向迁移，即养分的淋失。土壤径流中磷和钾流失的主要途径是地表径流，而氮素流失的主要途径是壤中流^[30]，而径流和泥沙流失是坡面铵态氮流失的两种途径^[31-32]。但在氮、磷随壤中流水平侧向迁移传输研究方面，受研究手段和试验条件等限制，对氮磷等养分迁移传输及其污染控制等机理研究多集中在降雨-地表径流传输上，忽略了壤中流对土壤养分流失的影响，土壤中氮磷含量不断累积，在壤中流和地下径流发育地区，土壤养分渗漏流失也不容忽视；同时土壤养分的损失还包括土壤内部复杂的转化过程、植物吸收利用、淋失、气态化损失和人为活动引起的损失。可见，紫色土区坡耕地土壤肥力的情况和变化趋势还需深入开展研究，应综合多方面影响因素进行评价。

（1）多年平均径流量大小关系表现为CK（1 332.97）＞T3（1 038.40）＞T2（1 010.19）＞TI（955.93）＞T4（752.57）；多年平均径流量与多年平均关联度满足线性函数模型y=-0.000 2x+0.762 8（R²=0.748 4），随着径流量的增大，土壤肥力质量显著下降，二者呈负相关关系。

（2）5种不同试验处理下，评价土壤肥力的关联度逐年减小，在多年监测试验下，相比顺坡耕作处理，其中横坡耕作单施化肥处理能有效地维持土壤肥力水平；而顺坡耕作处理下，化肥和农家肥配施处理则能够相对提高土壤综合肥力。

（3）从年际变化来看，表征土壤肥力的各项指标总体呈下降趋势，其中土壤铵态氮和硝态氮的流失幅度最大，故针对紫色土区坡耕地应严格控制氮肥的施用量。