黃淮海平原旱作農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間分異特征*

任頻頻，黃 峰，李保國(guó)

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，自然資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分，對(duì)改善土壤理化性質(zhì)、調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分循環(huán)具有重要作用，是評(píng)價(jià)土地生產(chǎn)力的關(guān)鍵指標(biāo)。掌握土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布特征及其關(guān)聯(lián)因素，可為制定合理的農(nóng)業(yè)種植規(guī)劃及農(nóng)田管理措施提供依據(jù)，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤可持續(xù)利用的前提。全國(guó)第二次土壤普查以來(lái)，我國(guó)大部分地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。了解現(xiàn)階段農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量的現(xiàn)狀及空間分布特征，對(duì)下一步開(kāi)展土壤有機(jī)質(zhì)管理、土壤培肥等具有重要意義。為此，學(xué)者們開(kāi)展了大量研究工作。馬利芳等以新疆阜康市為研究區(qū)，綜合運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，研究不同深度土壤鹽分和有機(jī)質(zhì)的空間變異特征。劉憶瑩等采用地理空間插值方法，探討了東北典型黑土區(qū)耕地有機(jī)質(zhì)的空間分布規(guī)律。已有的研究多是基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法評(píng)價(jià)土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異規(guī)律，并進(jìn)一步采用不同的插值方法進(jìn)行區(qū)域可視化。

黃淮海平原作為我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地之一，針對(duì)該地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)時(shí)空變化特征的研究已有諸多報(bào)道。陶雯等對(duì)華北平原引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)土壤資源質(zhì)量的研究結(jié)果表明，灌區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量存在明顯時(shí)空分布差異性。胡景輝等探討了河北山前平原高產(chǎn)類(lèi)型區(qū)土壤養(yǎng)分狀況，結(jié)果表明土壤有機(jī)質(zhì)含量由第二次土壤普查的10.45 g·kg提升至2014—2015 年的19.50 g·kg。賈良良等通過(guò)分析河北省2009—2014 年測(cè)土配方施肥數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)河北全省土壤有機(jī)質(zhì)含量均值為17 g·kg，且自西北向東南方向逐漸降低。然而，前人的研究多是基于田塊尺度或者小區(qū)域尺度展開(kāi)，并且單純注重描述土壤有機(jī)質(zhì)含量的時(shí)間變化或空間分布。此外，調(diào)研取樣點(diǎn)范圍小、取樣時(shí)期不統(tǒng)一等是目前研究的普遍現(xiàn)狀。在黃淮海平原全區(qū)域尺度內(nèi)開(kāi)展農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量現(xiàn)狀調(diào)查，并深入分析其空間分布特征，對(duì)該地區(qū)農(nóng)田土壤碳固持和儲(chǔ)量評(píng)估、在宏觀尺度上把握土壤有機(jī)質(zhì)含量的動(dòng)態(tài)分布特征、因地制宜制定相應(yīng)的培肥管理措施具有重要意義。

鑒于此，本研究依托2017 年黃淮海旱作區(qū)土壤肥力調(diào)查項(xiàng)目，從空間自相關(guān)的角度探討了該區(qū)域旱作農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間分布特征，并進(jìn)一步分析了土壤有機(jī)質(zhì)與黏粒含量和容重的空間自相關(guān)關(guān)系，基于劃分的空間自相關(guān)類(lèi)型，淺析了每種空間結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的原因，以期為確定合理的宏觀土壤養(yǎng)分管理單元及土地利用規(guī)劃等提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究中黃淮海平原旱作農(nóng)田的確定：基于2015 年黃淮海地區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖，根據(jù)坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將地形坡度＜ 5°、1 km網(wǎng)格內(nèi)旱地占耕地40%以上區(qū)域、并考慮已有野外布點(diǎn)情況的區(qū)域作為旱作農(nóng)田（圖 1）。研究區(qū)位于 32°13′—41°06′N(xiāo)，112°24′—119°85′E 之間，涵蓋北京、天津、河北、山東、河南以及安徽的 274 個(gè)縣市，總面積約270 000 km。該區(qū)域地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候帶，雨熱同期特點(diǎn)明顯，春冬寒冷干燥，夏季高溫多雨，年降水量在500～900 mm 之間，年際降水差異較大，年內(nèi)降水季節(jié)分配不均，多集中于夏季，約占全年降水的70%，區(qū)域內(nèi)土壤類(lèi)型以潮土、褐土、砂姜黑土為主，農(nóng)業(yè)種植制度主要為冬小麥-夏玉米輪作，是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域之一。

1.2 采樣與分析

本研究土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)源于2017 年旱作區(qū)土壤肥力調(diào)查項(xiàng)目。土壤采樣點(diǎn)布設(shè)原則和方法如下：通過(guò)采用網(wǎng)格布點(diǎn)與分層抽樣相結(jié)合，在研究區(qū)以15 km × 15 km 網(wǎng)格布點(diǎn)并抽取旱地斑塊（含水澆地），結(jié)合土壤亞類(lèi)進(jìn)行抽樣，同時(shí)考慮種植體系、分布面積和集中程度等因素，主要在潮土、褐土、砂姜黑土等土類(lèi)布設(shè)，且保證每種土壤亞類(lèi)均有布設(shè)，根據(jù)上述規(guī)則，黃淮海旱作農(nóng)田共設(shè)置267 個(gè)土壤采樣點(diǎn)（圖1）。土壤樣品采集時(shí)間為2017 年5 月，樣地均選擇作物長(zhǎng)勢(shì)良好的小麥地塊，采樣深度為0～40 cm，每10 cm 一個(gè)層次，每點(diǎn)取原狀土和擾動(dòng)土各一種，每種設(shè)3 個(gè)重復(fù)。采集的土樣利用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量，激光粒度儀法測(cè)定土壤機(jī)械組成，環(huán)刀法測(cè)定土壤容重。

圖 1 研究區(qū)高程和樣點(diǎn)分布圖Fig. 1 Map of elevation and sample sites distribution in the study area

1.3 空間結(jié)構(gòu)分析方法

空間自相關(guān)是指地理對(duì)象的某一屬性值在相鄰空間位置處取值之間的相互關(guān)系，是對(duì)該屬性空間聚集或分散程度的度量?？臻g自相關(guān)現(xiàn)象廣泛存在于地理空間數(shù)據(jù)中，因此，進(jìn)行空間自相關(guān)分析對(duì)深入理解地理對(duì)象的空間分布特征具有重要意義。Moran’s指數(shù)在地理對(duì)象的空間自相關(guān)性研究中具有廣泛應(yīng)用，其不僅能在總體水平上對(duì)空間自相關(guān)現(xiàn)象做出評(píng)價(jià)，而且能夠?qū)Φ乩韺傩灾档木奂碗x散程度作進(jìn)一步的區(qū)域可視化。目前，Moran’s指數(shù)在耕地質(zhì)量保護(hù)、土壤重金屬污染、土壤養(yǎng)分與肥力、土壤有機(jī)質(zhì)等研究中得到普遍應(yīng)用?？臻g自相關(guān)分為全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)。全局空間自相關(guān)對(duì)屬性值的整體自相關(guān)程度進(jìn)行描述，反映空間鄰域單元屬性值的總體相似程度。本研究中全局空間自相關(guān)采用全局Moran’s指數(shù)描述：

式中，等號(hào)右邊各項(xiàng)含義同式（1）。將局部Moran’s指數(shù)進(jìn)行區(qū)域可視化，通過(guò)構(gòu)建 LISA（Local Indicators of Spatial Association）集聚圖，揭示屬性值的不同空間分布類(lèi)型。本研究采用LISA 圖將土壤有機(jī)質(zhì)的空間自相關(guān)類(lèi)型分為五種結(jié)構(gòu)：HH（高-高型）、LL（低-低型）、HL（高-低型）、LH（低-高型）以及NN（非顯著型）。其中，HH 和LL 為正相關(guān)類(lèi)型，表示土壤有機(jī)質(zhì)空間聚合程度較高，即土壤有機(jī)質(zhì)含量高/低的地區(qū)周?chē)恳哺?低，HL 和LH 為負(fù)相關(guān)類(lèi)型，表示土壤有機(jī)質(zhì)呈空間離散特性，即土壤有機(jī)質(zhì)含量高/低的地區(qū)周?chē)康?高，NN 為非顯著型，表示土壤有機(jī)質(zhì)無(wú)明顯聚集或分散特征。此外，研究進(jìn)一步運(yùn)用雙變量局部空間自相關(guān)分析方法，探究土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤黏粒含量/容重的空間自相關(guān)關(guān)系，類(lèi)似單變量空間分析，雙變量局部空間自相關(guān)采用雙變量局部Moran’s指數(shù)進(jìn)行描述，計(jì)算公式如下：

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)質(zhì)含量描述性統(tǒng)計(jì)特征

黃淮海平原旱作農(nóng)田不同土層有機(jī)質(zhì)含量的描述統(tǒng)計(jì)特征如表1 所示。由表1 可知，不同土層有機(jī)質(zhì)含量的區(qū)域均值分別為20.11±6.46 （0～10 cm），14.76±5.11（10～20 cm），9.96±4.14（20～30 cm），8.03±3.45 （30～40 cm）g·kg，變異系數(shù)分別為32%、35%、42%、43%。有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度的增加而減少，變異系數(shù)則不斷增大，但均屬中等變異范圍。表層土壤（0～10 cm）有機(jī)質(zhì)含量的極差最大，為33.99 g·kg，底層土壤（30～40 cm）最小，為21.81 g·kg。

表 1 不同土層有機(jī)質(zhì)含量的統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Statistical characteristics of soil organic matter content in different soil layers

不同土層有機(jī)質(zhì)含量的空間分布如圖2 所示。0～10 cm 土層有機(jī)質(zhì)含量多數(shù)在15 g·kg以上，高值區(qū)域主要分布在河北西部、山東、河南南部和安徽北部地區(qū)，有機(jī)質(zhì)含量在20～30 g·kg之間；10～20 cm 土層有機(jī)質(zhì)含量多數(shù)在10～20 g·kg之間，高值區(qū)域分布類(lèi)似0～10 cm 土層；20～30 cm、30～40 cm 土層有機(jī)質(zhì)含量多數(shù)在15 g·kg以下，且高值區(qū)域主要分布在研究區(qū)南部，多數(shù)樣點(diǎn)在10～15 g·kg之間，低值區(qū)域主要分布在研究區(qū)北部，多數(shù)樣點(diǎn)在10 g·kg以下。20～30 cm、30～40 cm土層有機(jī)質(zhì)含量總體呈現(xiàn)出“南高北低”的特點(diǎn)。

圖 2 不同土層有機(jī)質(zhì)含量的空間分布Fig. 2 Spatial distribution of soil organic matter content in different soil layers

根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可知，研究區(qū)0～10 cm 土層有機(jī)質(zhì)含量總體處于三級(jí)水平（20～30 g·kg），10～20 cm 土層有機(jī)質(zhì)含量總體處于四級(jí)水平（10～20 g·kg），20～30 cm、30～40 cm 土層則處于五級(jí)水平（6～10 g·kg）。從空間分布來(lái)看，不同土層之間存在較大差異。0～10 cm土層中，河北西部、山東、河南南部和安徽北部地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量均達(dá)到了三級(jí)水平，上述區(qū)域在10～20 cm 土層的有機(jī)質(zhì)含量多數(shù)在15～20 g·kg之間，接近三級(jí)水平。從地理位置看，河北西部地處太行山山前平原地帶，水資源條件優(yōu)越，是我國(guó)高集約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域之一，為獲得作物高產(chǎn)，大量投入水肥和有機(jī)物料，同時(shí)實(shí)施秸稈還田，是導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量較高的重要原因。研究區(qū)山東縣市地處引黃灌區(qū)，水資源條件較好，主要土壤類(lèi)型為潮土，農(nóng)業(yè)資源條件優(yōu)越，完善的農(nóng)田管理措施使土壤有機(jī)質(zhì)含量處在一個(gè)較高的水平。位于引黃灌區(qū)的中國(guó)科學(xué)院禹城試驗(yàn)站長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果表明，長(zhǎng)期平衡施肥顯著增加了該地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量，2016 年德州市土壤有機(jī)質(zhì)含量為16.3 g·kg，與第二次土壤普查相比，增加了5.47 g·kg。0～20 cm 土層中，河南南部和安徽北部的部分區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量同樣維持在一個(gè)較高的水平，該地區(qū)土壤類(lèi)型主要為砂姜黑土，是一種典型的中低產(chǎn)土壤，該區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高，與近年來(lái)針對(duì)砂姜黑土改良的增施有機(jī)肥、秸稈還田等農(nóng)田管理措施有一定的關(guān)系。

20～30 cm、30～40 cm 土層中，土壤有機(jī)質(zhì)含量多數(shù)降到了15 g·kg以下，處在四級(jí)水平或五級(jí)水平的標(biāo)準(zhǔn)。全國(guó)第二次土壤普查以來(lái)，我國(guó)大部分地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈上升趨勢(shì)，耕作措施、施肥方式、灌溉、秸稈還田等農(nóng)田管理措施對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化起決定性的作用。有研究指出，長(zhǎng)期均衡施肥，可顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)儲(chǔ)量，但這種增加主要集中在0～20 cm 的土層。化肥通過(guò)使作物生長(zhǎng)繁茂，根茬、枝葉等殘留量增多，間接增加土壤有機(jī)質(zhì)含量。然而，黃淮海平原種植制度比較單一，尤其是河北和山東地區(qū)，連年的冬小麥-夏玉米輪作，使得根系分布和下扎深度年際變化小，連年的玉米季免耕、小麥季旋耕導(dǎo)致土壤耕層變淺、犁底層變厚變硬，同時(shí)，農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度高，土壤亞表層長(zhǎng)期受機(jī)械耕作壓實(shí)，減弱了根系對(duì)下層土壤的穿透，從而使根茬在深層土壤的殘留減少。此外，現(xiàn)行的旋耕耕作制度深度一般在15 cm 左右，秸稈旋耕還田、免耕還田也使得表層土壤有機(jī)質(zhì)含量高于深層土壤。

2.2 空間自相關(guān)特征

不同土層有機(jī)質(zhì)含量的空間自相關(guān)分析結(jié)果表明：0～10 cm 土層有機(jī)質(zhì)含量的全局空間自相關(guān)特征并不顯著（-1.96 ＜= -1.909 9 ＜ 1.96）；10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 土層有機(jī)質(zhì)含量的全局Moran’s值分別為0.038 8、0.038 9、0.059 1，且相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化值均大于檢驗(yàn)臨界值1.96，表明各層次均呈現(xiàn)出顯著的空間正相關(guān)特性（＜ 0.05），土壤有機(jī)質(zhì)含量有空間聚集的趨勢(shì)。

圖3 揭示了在95%的置信水平下，0～10 cm 土層大部分土壤樣點(diǎn)表現(xiàn)出隨機(jī)分布特點(diǎn)，并無(wú)顯著的局部空間自相關(guān)特征，這與全局空間自相關(guān)結(jié)果一致。10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 土層中，HL、LL 型樣點(diǎn)主要分布在河北平原和魯西北地區(qū)，且以LL 型為主，表明這些區(qū)域除少數(shù)樣點(diǎn)（HL 型）外，有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)低值聚集的空間分布結(jié)構(gòu)。HH和LH 型在10～20 cm 土層中集中分布在河南中南部區(qū)域，在20～30 cm 土層中主要分布在河南南部，在30～40 cm 土層中則主要分布在河南南部和安徽北部區(qū)域，不同土層中的具體分布差異較大。

圖 3 不同土層有機(jī)質(zhì)含量局部空間自相關(guān)LISA（Local Indicators of Spatial Association）集聚圖Fig. 3 LISA（Local Indicators of Spatial Association）maps of local spatial autocorrelation of soil organic matter content in different soil layers

從空間自相關(guān)的分析結(jié)果來(lái)看，0～10 cm 土層有機(jī)質(zhì)含量在區(qū)域分布上并無(wú)地理位置上的相關(guān)性。由于表層土壤（0～10 cm）更容易受到人類(lèi)活動(dòng)和自然因素的影響，其有機(jī)質(zhì)含量并無(wú)顯著空間自相關(guān)性，反映了表層土壤有機(jī)質(zhì)含量在空間結(jié)構(gòu)特征上的隨機(jī)性。10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm土層中，有機(jī)質(zhì)含量均呈現(xiàn)出顯著的空間正相關(guān)特征，并且隨著土層深度的增加，正相關(guān)性增強(qiáng)，空間結(jié)構(gòu)趨于明顯。陳思明等的研究結(jié)果表明，隨著土層深度的增加，結(jié)構(gòu)性因素增強(qiáng)，隨機(jī)性因素減少，土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間分布趨向規(guī)則。此外，10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 土層中，LL/HL型樣點(diǎn)集中分布在河北平原和魯西北地區(qū)，且在不同土層的分布具有一定的相似性，表明這些地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量在空間水平方向以及土壤垂直分層上均具有一定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。農(nóng)業(yè)種植制度單一（冬小麥-夏玉米輪作），以及所帶來(lái)的連年固定的農(nóng)業(yè)管理措施，是造成上述分布特征的重要原因。相反，HH/LH 型樣點(diǎn)在不同土層的空間分布差異較大。研究區(qū)南部的河南、安徽地區(qū)土壤類(lèi)型包括潮土、砂姜黑土、黃褐土、褐土等，豐富的土壤類(lèi)型是導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量空間差異較大的重要原因之一。此外，種植結(jié)構(gòu)多元化、農(nóng)業(yè)管理措施的地域差異性也會(huì)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量分布產(chǎn)生重要影響。

LISA 集聚圖中，HL 和LH 型樣點(diǎn)的存在反映了局部地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間異向性。除了土壤母質(zhì)、土壤類(lèi)型的影響，黃淮海地區(qū)耕地地塊破碎、小農(nóng)戶(hù)種植管理比重大，導(dǎo)致農(nóng)田管理措施具有較大的地域差異性，從而使得土壤有機(jī)質(zhì)含量出現(xiàn)“低值環(huán)繞高值”（HL 型）以及“高值環(huán)繞低值”（LH 型）的空間分布結(jié)構(gòu)。在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，HL型樣點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)含量高于周邊地區(qū)的原因可做進(jìn)一步分析，以期為周邊低有機(jī)質(zhì)含量區(qū)培肥土壤、提升地力提供參考；LH 型則可以借鑒周邊高有機(jī)質(zhì)含量農(nóng)田的管理措施等，促使向HH 型轉(zhuǎn)化。

2.3 有機(jī)質(zhì)關(guān)聯(lián)因素及其空間自相關(guān)特征

基于空間自相關(guān)理論，進(jìn)一步探討有機(jī)質(zhì)含量與黏粒含量/土壤容重的雙變量空間自相關(guān)特征，相應(yīng)結(jié)果解釋如下：全局Moran’s值表示土壤有機(jī)質(zhì)與黏粒含量/土壤容重的全局空間自相關(guān)性；局部空間自相關(guān)中，HH 表示土壤有機(jī)質(zhì)含量高的區(qū)域，其周?chē)寥罉狱c(diǎn)的黏粒含量/土壤容重也高，其他4種自相關(guān)類(lèi)型的含義與此類(lèi)似。與傳統(tǒng)的數(shù)理相關(guān)分析相比，雙變量空間自相關(guān)分析對(duì)識(shí)別兩個(gè)地理要素在空間上的同向/異向分布特征，揭示其空間分布結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

2.3.1 黏粒含量 各個(gè)土層有機(jī)質(zhì)含量和黏粒含量之間均呈現(xiàn)出顯著的數(shù)理相關(guān)關(guān)系（＜ 0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.39、0.47、0.43、0.60。土壤有機(jī)質(zhì)和黏粒含量的全局空間自相關(guān)結(jié)果表明：除0～10 cm 土層兩者無(wú)顯著空間自相關(guān)關(guān)系外，其余層次有機(jī)質(zhì)含量與黏粒含量均呈現(xiàn)顯著的全局空間正相關(guān)性，表明有機(jī)質(zhì)與黏粒含量的空間分布具有一定的同向性。有機(jī)質(zhì)和黏粒含量的LISA 集聚圖（圖4）進(jìn)一步揭示了兩者的空間分布特征：不同土層中，LL 型和HL 型主要分布在河北平原和山東西北部地區(qū)，尤其在0～20 cm 土層中，HL 型集中分布在太行山山前平原以及山東引黃灌區(qū)一帶；HH 型和LH型則主要分布在河南東南部和安徽北部地區(qū)。

一般而言，土壤中黏粒含量越多，有機(jī)質(zhì)越容易被吸附和積累，兩者之間具有較大的關(guān)聯(lián)性。本研究中，土壤有機(jī)質(zhì)含量與黏粒含量具有較好的數(shù)理相關(guān)關(guān)系；LISA 集聚圖中，HH/LL 型土壤樣點(diǎn)在空間上印證了上述理論。然而也有研究表明，土壤黏粒、粉粒含量與土壤有機(jī)質(zhì)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而土壤砂粒與土壤有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系，造成這種結(jié)果差異的原因可能是研究區(qū)域的不同，以及所帶來(lái)的農(nóng)田管理措施的差異性。本研究中，研究區(qū)北部的河北平原和魯西北地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量較低與土壤黏粒含量偏低有較大的關(guān)系（LL 型主導(dǎo)），HL型樣點(diǎn)的存在則表明局部地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)管理的優(yōu)越性，使之維持在一個(gè)較高的水平。研究區(qū)南部的LH 型地區(qū)土壤黏粒含量較高，相應(yīng)的有機(jī)質(zhì)含量卻處在一個(gè)較低的水平，這些地區(qū)應(yīng)被視為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的“有機(jī)質(zhì)含量異常點(diǎn)”，不適當(dāng)?shù)娜祟?lèi)活動(dòng)，如頻繁耕作、秸稈移除或焚燒等，一方面會(huì)加速土壤有機(jī)質(zhì)的消耗，另一方面使其得不到補(bǔ)充，從而使有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)偏低。

圖 4 不同土層有機(jī)質(zhì)含量和黏粒含量的局部空間自相關(guān)LISA 集聚圖。注：HH（高-高型）、LH（低-高型）、HL（高-低型）、LL（低-低型）、NN（非顯著型）Fig. 4 LISA (Local Indicators of Spatial Association) maps of local spatial autocorrelation of soil organic matter content and clay content.Note：HH (High-High)，LH (Low-High)，HL (High-Low)，LL (Low-Low)，NN (Nonsignificant)

2.3.2 容重 土壤容重是土壤物理性狀的一項(xiàng)重要指標(biāo)，反映了土壤的緊實(shí)度、孔隙狀況和結(jié)構(gòu)特征。黃淮海旱作農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)和容重之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)系數(shù)表明兩者之間并未有顯著的相關(guān)關(guān)系。土壤有機(jī)質(zhì)與容重的全局空間自相關(guān)結(jié)果表明：總體水平上，各個(gè)土層有機(jī)質(zhì)含量與容重均呈現(xiàn)顯著的空間正相關(guān)性（＜0.05）。有機(jī)質(zhì)與容重的LISA集聚圖（圖5）中：0～10 cm、10～20 cm 土層HH/LH型主要分布在河南中南部和安徽北部地區(qū)；LL/HL型主要分布在河北平原和魯西北地區(qū)，且HL 型主要分布在太行山山前平原及引黃灌區(qū)一帶。20～30 cm 土層中，各自相關(guān)類(lèi)型的空間分布較表層變化較大，且NN 型的樣點(diǎn)增多。30～40 cm 土層中，LL/HL 型主要分布在河北和山東西北部地區(qū)，HH/LH 型則主要分布在河南地區(qū)。20～40 cm 土層各自相關(guān)類(lèi)型的空間分布差異較大。

圖 5 不同土層有機(jī)質(zhì)和容重的局部空間自相關(guān)LISA 集聚圖。注：HH（高-高型）、LH（低-高型）、HL（高-低型）、LL（低-低型）、NN（非顯著型）Fig. 5 LISA (Local Indicators of Spatial Association) maps of local spatial autocorrelation of soil organic matter and bulk density in different soil layers. Note：HH (High-High)，LH (Low-High)，HL (High-Low)，LL (Low-Low)，NN (Nonsignificant)

通常情況下，農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量越多，越容易促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，從而使土壤中大小孔隙增多，容重降低。然而本研究中，土壤有機(jī)質(zhì)含量與容重之間并沒(méi)有顯著的數(shù)理相關(guān)關(guān)系。有研究表明，耕作對(duì)容重的影響較大，耕作能改善表層土壤孔隙狀況，使表層土壤容重減小，免耕則會(huì)使表層土壤容重增加。冬小麥-夏玉米輪作、夏玉米季免耕冬小麥季旋耕是黃淮海旱作農(nóng)田普遍的種植制度和耕作制度。連年固定的種植模式使得作物根系分布和下扎深度年際變化較小，對(duì)下層土壤的穿透減少，減弱對(duì)底層土壤的疏松作用。此外，連年的旋耕、農(nóng)機(jī)具的壓實(shí)等，促使土壤亞表層變厚變硬，容重增大。農(nóng)業(yè)措施對(duì)土壤容重、有機(jī)質(zhì)含量帶來(lái)了垂直分布上的影響，而各地區(qū)在具體耕作管理上的不同，則造成了兩者的地域差異性，從而使兩者之間關(guān)系復(fù)雜化。本研究中，土壤有機(jī)質(zhì)和容重的LISA 集聚圖揭示了兩者在空間上的同向/異向分布特征，為區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)調(diào)控提供了一定參考。例如，對(duì)HH 型地區(qū)來(lái)說(shuō)，在維持現(xiàn)有有機(jī)質(zhì)含量的前提下，可考慮深松等耕作方式，疏松深層土壤，增大孔隙度，減小容重，為作物根系生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的土壤物理環(huán)境。LH 型地區(qū)應(yīng)在注重提高土壤有機(jī)質(zhì)含量的同時(shí)，適當(dāng)降低土壤容重，比如秸稈深耕還田等。LL 型地區(qū)則應(yīng)在維持或降低現(xiàn)有土壤容重的情況下，通過(guò)增施有機(jī)肥等方法提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。HL 型地區(qū)可認(rèn)為是相對(duì)比較理想的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)示范區(qū)，例如太行山山前平原一帶以及山東引黃灌區(qū)一帶。需要指出的是，土壤有機(jī)質(zhì)培肥、作物根系生長(zhǎng)最適容重等耕層特征的構(gòu)建，需要在現(xiàn)有實(shí)際情況的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良和完善，并結(jié)合各地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況，因地制宜實(shí)施農(nóng)業(yè)管理。

3 結(jié) 論

隨著土層深度的增加，有機(jī)質(zhì)含量的空間分布結(jié)構(gòu)趨于明顯。有機(jī)質(zhì)含量與黏粒含量之間存在顯著的數(shù)理相關(guān)關(guān)系；兩者的空間分布結(jié)構(gòu)中，HL/LH（高-低/低-高）型反映了在土壤黏粒含量影響的基礎(chǔ)上，人類(lèi)活動(dòng)等對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加或減少作用。有機(jī)質(zhì)含量與土壤容重之間無(wú)顯著的數(shù)理相關(guān)關(guān)系；兩者的空間分布結(jié)構(gòu)中，HL（高-低）型樣點(diǎn)“有機(jī)質(zhì)含量較高，同時(shí)土壤容重較低”，是相對(duì)理想的分布結(jié)構(gòu)；LH（低-高）型樣點(diǎn)“有機(jī)質(zhì)含量低，同時(shí)土壤容重高”，屬于相對(duì)不理想的空間分布結(jié)構(gòu)。有機(jī)質(zhì)與黏粒含量的空間分布結(jié)構(gòu)更明顯；0～10 cm、10～20 cm 土層較20～30 cm、30～40 cm土層的空間分布結(jié)構(gòu)更明顯；農(nóng)業(yè)管理措施及其地域差異性是造成上述分布結(jié)構(gòu)在空間水平方向及土壤垂直分層方向上差異化的重要原因。