坡耕地作为我国重要的土地资源,是构成我国农业土地资源的主要部分,以坡耕地为利用方式的耕地面积占全国耕地面积的2/5,而坡耕地粮食产量占我国粮食总产量的1/5~1/3;紫色土主要分布于长江上游,约占长江上游总土地面积的18%,集中分布在四川省和云南省境内,这两省内的紫色土占全国总紫色土面积的75%以上。紫色土具有明显的高生产力性、快速风化性和强侵蚀性。紫色土坡耕地土层浅薄,多石质,基岩埋深较浅,仅40~100cm,土壤孔隙度高,土壤饱和导水率高,水力特性的空间变异性大。坡耕地土壤剖面构形特征、理化性状及耕性特征是影响坡耕地土壤质量的根本原因;了解坡耕地土壤质量变化及稳定性特征、建立坡耕地土壤质量评价的最小数据集、提出坡耕地土壤质量的优化途径是坡耕地土壤质量定量化评价以及坡耕地土壤质量提升的前提条件。本文以重庆合川、江西兴国、云南楚雄三个地点紫色土坡耕地为研究对象,野外实地调查与室内测试相结合,揭示了不同区域紫色土坡耕地的土壤剖面构型特征、分析了不同区域紫色土坡耕地土壤基本理化性状及耕性特征的差异性;采用室内环刀法分别测定了土壤入渗及水库特征,分析了不同区域紫色土坡耕地土壤入渗及保水性能;同时通过土壤干筛和湿筛、土壤崩解及水稳定性试验研究了不同区域紫色土坡耕地土壤稳定性和抗蚀性;采用主成分分析方法建立了紫色土坡耕地土壤质量评价指标的最小数据集(MDS),分析了不同区域土壤侵蚀对紫色土坡耕地土壤质量的影响;并通过资料查阅及数据调查结果,分析各区域紫色土坡耕地土壤质量评价指标的适宜性阈值,提出了基于DPSIR坡耕地合理耕层的优化途径;最后针对坡耕地水土保持措施—生物埂在次降雨干湿交替作用下土壤物理、力学特性特征进行了分析。主要结论如下:(1)农作物根系主要分布于表土层(约占整个作物根系的60%以上),在心土层有少量分布(占作物根系的20%左右),而底土层几乎没有农作物根系存在;不同地点土壤机械组成以砂粒含量和粉粒含量为主,且0—20 cm土壤粘粒(<0.001 mm)含量显著高于20—40 cm和40—60 cm;土壤容重随坡耕地土层垂直深度变化表现为0—20 cm<20—40 cm<40—60 cm;3个地点坡耕地土壤总孔隙度、毛管孔隙度的随土壤垂直深度的变化规律均表现为耕作层(0—20 cm)>心土层(20—40 cm)>底土层(40—60 cm);重庆合川坡耕地耕层土壤物理质量较差,主要表现在土壤容重最高(1.43 g/cm3),土壤总孔隙度(45.97%)和毛管孔隙度(34.36%)最小;同一地点紫色土坡耕地土壤物理性质随垂直深度变化明显。从土壤质量角度看,坡耕地0—20 cm耕层土壤物理质量要优于20—40 cm心土层和40—60 cm底土层。(2)不同地点紫色土坡耕地土壤养分、耕性特征存在较大差异。不同地点紫色土坡耕地土壤全量养分和速效养分均存在较大差异,土壤有机质含量由高到低依次为云南楚雄(28.80g/kg)、江西兴国(9.03 g/kg)、重庆合川(8.80 g/kg);不同地点紫色土坡耕地土壤养分含量随土层深度变化存在显著差异,坡耕地0—20 cm土壤全氮含量高于20—40 cm和40—60 cm土层含量;坡耕地不同垂直层次土壤速效养分变化规律基本一致,速效养分主要在0—20 cm耕层富集,而20—40 cm和40—60 cm土层则无显著差异;不同地点紫色土坡耕地耕层土壤抗剪强度和土壤贯入阻力均表现为重庆合川>云南楚雄>江西兴国,且随土层垂直深度耕层土壤抗剪强度和土壤贯入阻力值增加;不同地点坡耕地耕层土壤抗剪强度依次为15.39、14.74、10.66kg/cm2,土壤贯入阻力则分别为424.83、252.50、188.87kPa,这说明重庆合川紫色土坡耕地耕层土壤可以较好抵抗降雨、耕作的剪切破坏能力以及耕作机械碾压能力。(3)不同地点紫色土坡耕地土壤累积入渗量表现为云南楚雄>重庆合川>江西兴国,耕层土壤入渗特征随垂直深度的变化规律保持一致,土壤入渗随着土层深度减小。Kostiakov模型适用于拟合不同地点紫色土坡耕地0~20cm土层土壤入渗过程;而20~40cm土层Horton模型适用于重庆合川和云南楚雄。紫色土坡耕地土壤水总库容的大小表现为云南楚雄(1052.52t/hm2)>江西兴国(974.15 t/hm2)>重庆合川(867.30 t/hm2);土壤水死库容的变化规律与土壤水总库容的变化规律一致;兴利库容大小依次为重庆合川(293.02 t/hm2)>云南楚雄(291.89t/hm2)>江西兴国(182.28 t/hm2);最大有效库容以云南楚雄(873.311 t/hm2)最大;坡耕地耕层土壤水库特征均表现为0—20 cm耕作层大于20—40 cm心土层和40—60 cm底土层。耕层土壤入渗性能与土壤容重呈负相关,而稳定入渗率和平均入渗率与土壤容重之间呈显著正相关,相关系数分别为0.540和0.525;土壤总孔隙度与稳定入渗率和平均入渗率之间呈极显著正相关,相关系数分别为0.604和0.635;土壤入渗性能与机械组成的相关性表现为,与1~0.05mm呈正相关,与0.05~0.001mm和<0.001mm呈负相关。土壤库容与土壤容重呈负相关关系,相关系数在0.021~0.451之间,土壤水库特性与土壤含水率、土壤孔隙度、土壤有机质呈正相关关系。(4)不同地点紫色土坡耕地因土壤属性差异而表现出不同团聚体分布特征。>0.25mm风干团聚体含量由大到小依次为重庆合川(97.716%)>云南楚雄(94.430%)>江西兴国(90.875%);紫色土坡耕地土壤>0.25 mm水稳定性团聚体含量较风干团聚体含量明显降低,>0.25mm水稳性团聚体含量具体表现为云南楚雄(86.118%)>重庆合川(83.769%)>江西兴国(65.805%);紫色土坡耕地耕层土壤团聚体结构破坏率表现为江西兴国(34.195%)>重庆合川(16.231%)>云南楚雄(13.882%);0~20cm土层>0.25mm风干团聚体和水稳性团聚体含量小于20~40cm和40~60cm土层;不同地点紫色土坡耕地土壤风干团聚体分形维数,重庆合川介于1.79~2.38之间,江西兴国在2.01~2.30的范围内变化,云南楚雄数值在2.16~2.52之间;土壤团聚体稳定性指数表现为云南楚雄>江西兴国>重庆合川,同一地点不同土层的土壤团聚体稳定性指数总体表现为0~20cm>20~40cm>40~60cm,即0~20cm土层土壤结构性和稳定性相对较好,具有较强的土壤抗侵蚀能力。土壤团聚体几何平均直径(GMD)和平均重量直径(MWD)具有相同变化规律,具体表现为重庆合川(GMD:4.975,MWD:1.014)>云南楚雄(GMD:3.977,MWD:1.012)>江西兴国(GMD:2.808,MWD:1.008);不同地点紫色土坡耕地土壤团聚体最终破损率表现为江西兴国(86.667%)>重庆合川(78.333%)>云南楚雄(45.333%);耕层水稳定性指数数值大小表现为云南楚雄最大(0.686),重庆合川次之(0.550),江西兴国最小(0.211);在土壤含水量一定的情况下,抗剪强度随土壤所承受垂直压力的增加而线性增大;不同地点紫色土坡耕地所受垂直压力对抗剪强度的作用大小存在差异,以云南楚雄土壤抗剪强度增加幅度最大,增大幅度≥300;以重庆合川次之,增加幅度介于273~299之间;江西兴国随压力的增大增大幅度为130~299;随着含水率增加,土壤抗剪强度下降,含水率对抗剪强度的影响主要是降低土壤粘聚力,对内摩擦角的影响较小。(5)紫色土坡耕地耕层土壤质量评价的最小数据集(MDS)有土壤容重、田间持水量、土壤贯入阻力、土壤有机质、>0.25mm水稳性团聚体含量、田面坡度6个指标。合理耕层适宜性阈值范围分别如下:有效土层厚度25~100cm之间、土壤容重介于1.15~1.45g/cm3范围、总孔隙度在46%~56%、田间持水量>35%、有机质含量>10g/kg;不同地点坡耕地耕层土壤耕性指标平均值均在适宜值范围,而20—40 cm和40—60 cm的评价指标数值超出耕性适宜范围而20—40cm和40—60cm的个别指标数值超出耕性适宜范围;耕性指标良好程度将直接关系到农作物产量高低,因此可在当地采取适当耕作措施(如一般22—24 cm以下深松、深土培肥等)进行坡耕地耕层土壤质量改良,如选择深松、有机肥培肥、秸秆还田等合适耕作措施,以实现对坡耕地耕层土壤质量有效改善;基于DPSIR的坡耕地耕层质量调控途径主要有四个,一是控制耕地总量动态平衡,保持坡耕地数量和质量可持续性;二是强化坡耕地农业生态环境建设,保护坡耕地生态环境安全;三是加大投入,确保坡耕地效益和质量安全;四为制定耕地保护标准,确保耕地保护的长效性。(6)坡耕地生物埂根系的空间分布在不同土层中存在差异,根径级越小的根系集中于土壤表层附近的位置,而深层次的土壤主要由较粗根径级的根系穿插生长。生物埂土壤容重、孔隙度特征、田间持水量随干湿作用时间变化差异显著。在次降雨前,各层次桑树生物埂土壤容重在1.19~1.38 g/cm3之间,且随土层深度增加而增大;在次降雨之后随干湿水平变化,土壤容重呈现先逐渐增大后减小的变化趋势;毛管孔隙和非毛管孔隙数量的变化主要发生在干湿作用第0天~第1天时间。土壤粘聚力和内摩擦角随着含水率的增加而呈近似线性衰减,相关系数分别为0.6820和0.7251;各层次土壤粘聚力和内摩擦角在干湿效应作用下呈先衰减后恢复的“V”型变化趋势;土壤粘聚力衰减程度依次为30~40cm(18.11Kpa)>0~10cm(15.80Kpa)>10~20 cm(15.28Kpa)>20~30cm(6.99kpa),土壤内摩擦角以0~10cm层土壤衰减程度最大(14.69°),30~40cm的衰减程度最小(12.84°);在干湿循环过程中,土壤粘聚力和内摩擦角均有所恢复,但均未达到降雨前的水平,粘聚力恢复程度以30~40cm最大(14.24Kpa),20~30cm最小(0.99Kpa),内摩擦角恢复程度的顺序为0~10cm(13.33°)>10~20cm(11.71°)>20~30cm(11.02°)>30~40cm(9.54°);桑树生物埂不同根系径级土体的粘聚力、内摩擦角和抗剪强度与根长密度和根表面积密度达到显著正相关,相关系数在0.301~0.793之间。