基于最小數(shù)據(jù)集的黃淮海旱作區(qū)耕層土壤質(zhì)量評價及障礙分析

劉湘君，喬冠宇，郭豐浩，劉冬，李勇，勾宇軒，于茹月，周文濤，黃元仿,3※

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學土地科學與技術(shù)學院，北京 100193；2. 山東省土地發(fā)展集團有限公司，濟南 250014；3. 自然資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點實驗室，北京 100035）

0 引言

良好的耕層能夠滿足作物生長發(fā)育所需的水、肥、氣、熱等多種因素，對保障糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要的作用[1-3]。但由于農(nóng)田長期機械化作業(yè)等高強度開發(fā)利用以及重用輕養(yǎng)的管理方式導致中國部分地區(qū)出現(xiàn)耕層變薄變硬、基礎(chǔ)地力下降、結(jié)構(gòu)惡化等問題，影響了糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[4]。耕層土壤質(zhì)量作為反映土壤肥力和生產(chǎn)能力的綜合性指標，是糧食作物能否取得高產(chǎn)的關(guān)鍵，然而它難以通過觀察某個特定指標進行判斷[5-7]，因此對耕層土壤質(zhì)量進行評價可以全面、準確地識別耕層的空間異質(zhì)性及其驅(qū)動力因素，可為耕層土壤質(zhì)量的監(jiān)測與提升提供理論依據(jù)[8]。

選擇適宜的評價指標構(gòu)建合理的評價體系是準確評價土壤質(zhì)量的先決條件。雖然土壤的物理、化學、生物等指標都可以反映土壤質(zhì)量，但是所有指標同時參與耕層質(zhì)量評價不僅計算復雜，而且數(shù)據(jù)獲取成本高，不同指標間存在數(shù)據(jù)冗余等問題。為解決這一問題，LARSON等[9]提出應用最小數(shù)據(jù)集方法評價耕層土壤質(zhì)量；李百云等[10]利用主成分分析法篩選出全氮、全磷、胡敏酸含碳量、交換性鈣含量、交換性鎂含量5個指標構(gòu)建最小數(shù)據(jù)集對寧夏耕地質(zhì)量進行評價。卓志清等[11]構(gòu)建了一個最小數(shù)據(jù)集，其中包括有機質(zhì)含量、全氮含量、有效磷含量、黏粒含量、耕作層穿透阻力和壓實層厚度，評價東北旱作區(qū)耕層質(zhì)量。陳正發(fā)等[12]運用最小數(shù)據(jù)集方法篩選pH 值、全氮、總孔隙度、抗剪強度、田面坡度5個指標分析云南坡耕地耕層土壤質(zhì)量特征，結(jié)果表明，利用最小數(shù)據(jù)集方法優(yōu)選的評價指標，不僅能夠有效替代全部指標評價耕層土壤質(zhì)量，且排除了各指標多重共線性問題，極大地精簡了耕層土壤質(zhì)量的評價過程。利用主成分分析法構(gòu)建耕層土壤質(zhì)量評價的最小數(shù)據(jù)集，可以簡化土壤質(zhì)量評價方法，為其他旱作區(qū)域土壤質(zhì)量評價提供參考[11]。

采用合理的評價方法可以提高評價結(jié)果的準確性和可信度。目前學者們采用了不同的方法對耕層土壤進行質(zhì)量評價。如韓術(shù)鑫等[13]利用內(nèi)梅羅指數(shù)法提取出了關(guān)鍵性評價因子對耕地質(zhì)量進行評價，然而內(nèi)梅羅指數(shù)法側(cè)重計算環(huán)境污染指數(shù)，評價時只考慮單因子指數(shù)算術(shù)平均根和最大值，且最大值權(quán)重過高，對環(huán)境質(zhì)量評價的靈敏性不夠高；楊先野等[14]在三江平原采用神經(jīng)網(wǎng)絡法進行耕地質(zhì)量評價，該方法雖然自動化程度高，主觀干擾少，但其學習樣本選取困難，易造成評價偏差；汪權(quán)方等[15-16]利用灰色關(guān)聯(lián)度分析進行耕地質(zhì)量評價，但研究發(fā)現(xiàn)若指標值離散，則會丟失部分信息，影響了評價的準確性。卓志清等[11,17]分別利用土壤質(zhì)量指數(shù)法對中國北方、南方和半干旱農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)耕層土壤質(zhì)量進行評價，結(jié)果均表明，土壤質(zhì)量指數(shù)法能夠很好地考慮評價指標實測值、權(quán)重及指標間相互作用對評價結(jié)果的共同影響，可以較為準確地評價耕層土壤質(zhì)量的優(yōu)劣。近年來，土壤質(zhì)量指數(shù)方法以其計算簡單，運用靈活，普適性強的優(yōu)勢，被廣泛運用在土壤質(zhì)量評價中。

黃淮海旱作區(qū)作為重要的糧食生產(chǎn)基地，已成為全國糧食主產(chǎn)區(qū)，對其土壤質(zhì)量進行評價并探究黃淮海旱作區(qū)耕層土壤質(zhì)量特征，可為準確掌握區(qū)域土壤質(zhì)量狀況提供數(shù)據(jù)支撐，對于保障中國糧食自給和糧食安全，實現(xiàn)耕地質(zhì)量的可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。針對黃淮海地區(qū)，楊穎等[18]構(gòu)建了基于土壤多重功能的平原土壤健康評價指標體系，但僅針對野外生態(tài)試驗站進行土壤健康評價，選擇指標過于冗余；李穎慧等[19]采用土壤肥力數(shù)據(jù)，運用地統(tǒng)計學和指數(shù)和法對平原區(qū)的博興縣土壤肥力開展了綜合評價；肖燕等[20]通過對農(nóng)業(yè)用地自然因素和環(huán)境因素綜合評價了聊城市的土地適宜性程度；WANG等[21]通過分析山東省黃淮海平原區(qū)土壤化學元素特征綜合評價了土壤肥力，并識別出土壤障礙因素主要為土壤鹽漬化和土壤重金屬污染。綜上，前人針對黃淮海土壤質(zhì)量評價，評價指標均集中于肥力數(shù)據(jù)，忽略了耕作層、壓實層的厚度以及穿透阻力等指標。構(gòu)建科學的評價指標體系是有效評價耕層土壤地前提，不同區(qū)域、不同尺度下耕層土壤質(zhì)量評價指標地選取及其閾值存在一定地差異，其識別地障礙因子也有所差異。

因此，本文以黃淮海旱作區(qū)為研究對象，基于農(nóng)田土壤物理、化學及剖面特征等指標，建立研究區(qū)耕層土壤質(zhì)量評價體系，并且通過主成分分析法（principal component analysis，PCA）構(gòu)建耕層土壤質(zhì)量評價的最小數(shù)據(jù)集（minimum data set，MDS），對研究區(qū)耕層土壤質(zhì)量進行評價并驗證采用最小數(shù)據(jù)集取代全指標數(shù)據(jù)集（total data set，TDS）的可行性，為實現(xiàn)黃淮海旱作區(qū)糧食的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)目標，摸清該地區(qū)耕層土壤質(zhì)量特征，識別出限制該區(qū)域農(nóng)田生產(chǎn)力發(fā)展的關(guān)鍵障礙，以達到保護和提升旱作農(nóng)田耕層土壤質(zhì)量的目標，同時探討耕層指標的適宜性，為黃淮海旱作區(qū)合理耕層診斷及調(diào)控提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及土樣采集

已有研究把旱作區(qū)定義為1 km2網(wǎng)格內(nèi)地形坡度S＜5°的旱地面積占耕地總面積40%以上的區(qū)域[22]。黃淮海旱作區(qū)位于中國東部，是中國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，主要由黃河、海河、淮河及其支流沖積而成，共涉及安徽、河南、山東、河北、天津及北京的274個縣區(qū)，總面積達2.72×105km2，占整個旱作區(qū)面積47.22%（圖1）。該區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，區(qū)域多年平均日照時數(shù)2 300～2 800 h，≥10 ℃積溫3 800～5 300 ℃，年降水量500～1 000 mm，能較好地滿足作物生產(chǎn)需求，但是區(qū)域內(nèi)降雨量空間分布不均勻，年際波動大且較強的蒸發(fā)強度會造成干旱。土壤類型主要是潮土、褐土和砂漿黑土。研究區(qū)域的地貌主要為沖積平原，地形平坦開闊，耕地破碎度較小且耕作條件良好，水、光、熱資源總體配置較好，灌溉便利，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件優(yōu)越，主要種植小麥、玉米等糧食作物及棉花、果樹等經(jīng)濟作物，農(nóng)作物的成熟期為一年兩熟或兩年三熟，因此該區(qū)域被認為是中國最大的冬麥區(qū)和夏玉米種植區(qū)。研究區(qū)的土壤類型以棕壤、潮土、褐土為主，宜農(nóng)土地資源豐富，土層深厚，耕性良好，糧食總產(chǎn)量約占全國的四分之一，是重要的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟區(qū)。

圖1 黃淮海旱作區(qū)位置及土壤采樣點分布Fig.1 Position of dry farming region of Huang-Huai-Hai and distribution of sampling points

基于2015 年土地利用現(xiàn)狀圖，利用ArcGIS 10.5 軟件（美國ESRI 公司）提取旱地斑塊，將黃淮海旱作區(qū)矢量數(shù)據(jù)與相應的行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)及耕地質(zhì)量等級數(shù)據(jù)疊加，獲得空間屬性數(shù)據(jù)。然后基于空間屬性數(shù)據(jù)，以15 km×15 km 網(wǎng)格布點，抽樣時綜合考慮土壤類型、耕地質(zhì)量等級、種植體系和集中連片程度等因素，布設(shè)采樣點270個（圖1）。樣品采于2017 年5—6 月，按0～10、＞10～20、＞20～30、＞30～40 cm分層采集土樣，設(shè)3個重復，應用四分法采取3 kg 土壤樣品帶回實驗室，經(jīng)自然風干、研磨、過篩后，用于分析土壤理化性質(zhì)。

1.2 指標測試和計算方法

1）土壤物理指標：土壤穿透阻力采用SC-900 土壤緊實度儀（spectrum Technologies,Inc.,Springfield,IL,USA）測定；基于土壤穿透阻力突變分析來判斷耕作層厚度、壓實層厚度，計算耕作層穿透阻力和壓實層穿透阻力、耕作層壓實度、壓實層壓實度的平均值[23]；土壤容重采用環(huán)刀法（體積100 cm3）測定；土壤含水率采用烘干法測定。

2）土壤化學指標：包括土壤顆粒組成、土壤有機質(zhì)、速效鉀、全氮、有效磷、陽離子交換量。采用激光粒度儀測定土壤顆粒組成，重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機質(zhì)，應用流動分析儀測定全氮含量，采取分光光度計比色法測定有效磷（0.5 mol/L NaHCO3浸提），火焰光度法測定速效鉀（NH4OAc 浸提），電位法測定土壤pH 值，乙酸鈉-火焰光度法測定陽離子交換量。

1.3 耕層土壤質(zhì)量評價

1.3.1 耕層土壤質(zhì)量評價體系構(gòu)建

1）指標選擇

綜合考慮黃淮海旱作區(qū)的耕地利用特征和指標獲取難易程度，通過文獻調(diào)研和專家咨詢的方法[24]，基于土壤管理評估框架選擇適用于研究區(qū)耕層土壤質(zhì)量評價的17個指標（表1），其中土壤有機質(zhì)是土壤主要營養(yǎng)物質(zhì)，可以改善土壤的結(jié)構(gòu)和持水量和提高生物活性[25]，可作為耕層土壤質(zhì)量評價的關(guān)鍵指標；陽離子交換量是衡量土壤保肥能力評估的關(guān)鍵指標[26]，pH 值影響很多土壤生物學性質(zhì)和化學性質(zhì)間的關(guān)系[27]，耕作層厚度、壓實度、穿透阻力等耕層構(gòu)造特征影響作物根系生長，其皆是開展旱作農(nóng)田合理耕層構(gòu)建的重要參考指標[11]。

表1 耕層土壤質(zhì)量評價指標及其隸屬函數(shù)Table 1 Cultivated horizon soil quality evaluation index and its subordinate function

2）隸屬函數(shù)構(gòu)建

基于評價指標影響耕層土壤質(zhì)量的正負效應建立各評價指標與耕層土壤質(zhì)量之間的隸屬函數(shù)，對各指標量綱進行統(tǒng)一。根據(jù)各評價指標對耕層土壤質(zhì)量的正負效應，建立指標與耕層土壤質(zhì)量指數(shù)之間的隸屬函數(shù)，其中評價指標與耕層土壤質(zhì)量指數(shù)呈正相關(guān)，界定為S 型函數(shù)，與耕層土壤質(zhì)量指數(shù)呈負相關(guān)，界定為反S 型函數(shù)，與耕層土壤質(zhì)量存在適宜的臨界范圍，界定為拋物線型函數(shù)[17]。評價指標實測的最大值和最小值作為S 型和反S 型隸屬函數(shù)的轉(zhuǎn)折點，拋物線型函數(shù)指標的轉(zhuǎn)折點通過綜合分析研究區(qū)域?qū)崪y結(jié)果及文獻 [11,17]確定。

S 型隸屬函數(shù)為

反S 型隸屬函數(shù)為

拋物線型隸屬函數(shù)為

式中u(x)為隸屬度，x為實際值。

1.3.2 最小數(shù)據(jù)集建立

基于建立的耕層土壤質(zhì)量全部評價指標，應用主成分分析法，通過降維將多個指標轉(zhuǎn)化為少數(shù)指標，選擇具有代表性且相互獨立的評價指標進入最小數(shù)據(jù)集[10]。運用SPSS 23.0 對全部指標數(shù)據(jù)集進行主成分分析，提取特征值不小于1 的主成分，將同組主成分中載荷值不小于0.5 的評價指標劃分為一組，如果某評價指標在每組主成分上的載荷值都小于0.5，則將該指標劃歸到載荷值較高的那一組中，如果某評價指標在每組主成分的載荷值都不小于0.5，則將其劃分到此指標與其主成分其他指標相關(guān)性較小的一組。分別計算每組中評價指標的載荷值。選取每組中最高載荷值的90%范圍內(nèi)的指標，分析各指標間的相關(guān)性?？紤]研究區(qū)范圍較大，若相關(guān)系數(shù)大于0.3，則載荷值值大的指標進入最小數(shù)據(jù)集，若相關(guān)系數(shù)不大于0.3，則均進入最小數(shù)據(jù)集[28-29]。

式中Normik表示第i個指標在特征值不小于1 的前K個主成分上的綜合載荷值；uik表示第i個指標在第k個主成分上的載荷值；λk表示第k個主成分的特征值。

1.3.3 耕層土壤質(zhì)量指數(shù)

耕層土壤質(zhì)量指數(shù)（Zt）是綜合定量表征耕層土壤質(zhì)量狀況的指標，質(zhì)量指數(shù)越大，耕層土壤質(zhì)量水平越高，則土地生產(chǎn)力越高[30]。本研究分別計算全指標數(shù)據(jù)集和最小數(shù)據(jù)集的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)，以對土壤生產(chǎn)力進行評價，計算式如下[31]：

式中Zt為耕層土壤質(zhì)量指數(shù)，數(shù)值范圍在0～1 之間；t若為TDS，表示全指標數(shù)據(jù)集；t若為MDS，表示最小數(shù)據(jù)集；Wi為第i個評價指標的權(quán)重；Ni為第i個評價指標的隸屬度；n為評價指標的個數(shù)。

為更加直觀評價黃淮海旱作區(qū)耕層土壤質(zhì)量變化水平，采用等距離法[11]對研究區(qū)耕層土壤質(zhì)量進行等級劃分，共分為3個等級，分別為高（0.66＜Zt≤1）、中（0.33＜Zt≤0.66）、低（0＜Zt≤0.33）。

1.3.4 耕層土壤質(zhì)量評價精度驗證

利用Nash 有效系數(shù)（Ef）和相對偏差系數(shù)（ER）評價基于最小數(shù)據(jù)集得出的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)的精確度。有效系數(shù)越接近1，相對偏差系數(shù)越接近于0，表示基于最小數(shù)據(jù)集計算得出的結(jié)果精確度越高。其計算式詳見文獻 [32]。

式中R0與Ra分別為基于全數(shù)據(jù)集計算得出的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)和耕層土壤質(zhì)量指數(shù)均值，Rc為基于最小數(shù)據(jù)集計算得出的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)。

1.3.5 障礙因子診斷模型

采用文獻 [33]的障礙因子診斷模型計算障礙度：

式中Mij表示第j個樣點的第i個指標的障礙度，Mi為第i個指標的平均障礙度，其數(shù)值越大表示該因素的障礙性越強；Pij表示某個耕層評價指標與耕層理想狀態(tài)（隸屬度為1）的差距，數(shù)值越大則表示該指標對耕層土壤質(zhì)量越不利，Nij表示第j個樣點第i個指標的隸屬度；Wi表示第i個指標的權(quán)重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析在SPSS 23.0（美國IBM 公司）中完成；主成分分析、相關(guān)性分析、正態(tài)分布檢驗應用SPSS 23.0完成；應用ArcGIS 10.5 軟件的空間分析工具進行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃淮海旱作區(qū)耕層土壤質(zhì)量評價

2.1.1 黃淮海旱作區(qū)耕層土壤質(zhì)量特征

土壤理化性質(zhì)是反映耕層土壤質(zhì)量的常用指標，制約著土壤協(xié)調(diào)水、肥、氣、熱的能力。對研究區(qū)耕層土壤質(zhì)量特征進行描述性統(tǒng)計分析，由表2 可知，耕作層平均厚度為17.21 cm，略低于適宜作物生長的耕作層厚度（20 cm）[34]，壓實層厚度平均厚度達到9.59 cm，砂粒、粉粒和黏粒的平均質(zhì)量分數(shù)分別為57.59%、38.25%和4.16%，且壓實層的平均土壤穿透阻力為2 353.88 kPa,超過了作物根系生長的臨界土壤穿透阻力2 000 kPa[35]，同時壓實層平均土壤壓實度較高（為83.23%），這可能是因為不合理的耕作活動和長期的農(nóng)業(yè)機械碾壓導致，壓實層較厚且緊實。

表2 黃淮海旱作區(qū)耕層土壤質(zhì)量評價指標統(tǒng)計特征Table 2 The indicators statistical characteristics of cultivated layer soil quality evaluation of dry farming region in Huang-Huai-Hai

根據(jù)二次土壤普查養(yǎng)分分級標準[36]，土壤有機質(zhì)平均值為17.74 g/kg，僅為四級水平，處于中度貧瘠化水平；平均全氮和速效鉀水平均為三級水平，含量分別為1.02 g/kg、129.93 mg/kg；土壤有效磷平均值為20.62 mg/kg，處于二級水平，養(yǎng)分含量豐富；陽離子交換量平均含量為21.08 cmol/kg，具有較強的保肥性能[26]；土壤pH 平均值為8.09，土壤偏堿性。根據(jù)變異系數(shù)的等級劃分標準及其代表意義，由表2 可知，耕作層壓實度、壓實層壓實度及土壤容重為低度變異，而其他指標均為中度變異。指標變異系數(shù)越大，指標對耕層土壤質(zhì)量影響程度越大，變異系數(shù)越小，影響程度越小[17]。

2.1.2 最小數(shù)據(jù)集指標的建立

基于主成分分析的結(jié)果（表3），在耕層土壤質(zhì)量評價指標中，特征值大于1 的主成分共有6個，它們的累積貢獻率為79.56%，滿足信息提取的要求。在PC-1 中，載荷值大于0.5 的指標有土壤有機質(zhì)、砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量、全氮及陽離子交換量，因此劃分為第一組，土壤含水率在PC-1 和PC-3 中的載荷值均大于0.5，而其在PC-1 中含水率與其他指標的相關(guān)性較低（表4），因此土壤含水率也劃分為第一組，土壤有機質(zhì)與全氮的相關(guān)系數(shù)大于0.30，與與陽離子交換量的相關(guān)系數(shù)小于0.30，故Norm值最高的有機質(zhì)及陽離子交換量進入最小數(shù)據(jù)集；耕作層壓實度和容重2個指標在PC-2 中的載荷大于0.5，劃分為第二組，壓實層厚度和壓實層壓實度在6個主成分中的載荷值均小于0.5，則將其劃分到載荷值最高的一組，即第二組，耕作層壓實度與容重的相關(guān)系數(shù)大于0.3，則組內(nèi)Norm值最高的耕作層壓實度進入最小數(shù)據(jù)集；耕作層穿透阻力和壓實層穿透阻力在PC-3 中的載荷值大于0.5，則劃分為第三組，耕作層穿透阻力和壓實層穿透阻力相關(guān)性較高，則結(jié)合Norm值大小剔除壓實層穿透阻力；耕作層厚度和有效磷在PC-5 中的載荷值大于0.5，劃分為第四組，pH 和速效鉀劃分為第五組，其中組內(nèi)Norm值最大的耕作層厚度和pH 分別進入最小數(shù)據(jù)集。因此最終確定土壤有機質(zhì)、陽離子交換量、耕作層壓實度、耕作層穿透阻力、耕作層厚度及pH 共6個指標進入最小數(shù)據(jù)集。通過提取評價指標的公因子方差，進一步確定各評價指標的權(quán)重大小。

表3 評價指標主成分因子載荷及綜合載荷（Norm）值Table 3 The principal component factor load and comhensive loading (Norm) of evaluation indicator

表4 黃淮海旱作區(qū)耕層土壤質(zhì)量評價指標Pearson 相關(guān)系數(shù)矩陣Table 4 Pearson correlation coefficient matrix of cultivated layer soil quality evaluation indicators in dry farming region of Huang-Huai-Hai

2.1.3 最小數(shù)據(jù)集精確度的驗證

驗證最小數(shù)據(jù)集評價指標體系的合理性是耕層土壤質(zhì)量評價中的重要步驟。計算得出不同數(shù)據(jù)集的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)，其中全數(shù)據(jù)集耕層土壤質(zhì)量指數(shù)ZTDS變化范圍為0.29～0.65，均值為0.53，變異系數(shù)為12.70%，最小數(shù)據(jù)集耕層土壤質(zhì)量指數(shù)ZMDS為0.25～0.61，均值為0.43，變異系數(shù)為16.39%，雖然兩者均屬于中度變異，但ZMDS的波動幅度相對ZTDS較大。ZTDS與ZMDS的Nash 有效系數(shù)和相對偏差系數(shù)分別為0.601 和0.181，兩者呈顯著正相關(guān)（R2=0.61，P＜0.05）（圖2），高于同類研究[13,35]R2（0.517 和0.771）?？梢?，ZMDS盡管指標少，但與ZTDS較為接近，相對偏差較小，可采用MDS 代替TDS 來評價研究區(qū)耕層土壤質(zhì)量。

圖2 基于不同數(shù)據(jù)集耕層土壤質(zhì)量指數(shù)的相關(guān)性Fig.2 Correlation of soil quality index based on different data sets

2.2 合理耕層指標閾值診斷及障礙類型劃分

2.2.1 合理耕層指標閾值診斷

ZMDS取值范圍在0～1，值越大，表示各評價指標對作物生長的貢獻越大，作物產(chǎn)量也相應高[6]。根據(jù)耕層質(zhì)量指數(shù)與作物產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，劃分ZMDS≤0.33為低產(chǎn)耕層，0.33＜ZMDS≤0.66 為中產(chǎn)耕層、ZMDS＞0.66 為高產(chǎn)耕層，研究區(qū)并沒有高產(chǎn)耕層分布（表5）。通過實現(xiàn)合理的耕層管理，可以最大程度地提高土壤水、肥、氣、熱的蓄積和協(xié)調(diào)效應，從而為作物的生長和發(fā)育提供更加穩(wěn)定的環(huán)境條件，進而保障糧食的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[5]。一般認為，合理的耕層為實現(xiàn)保水保肥和增產(chǎn)潛力應具備較厚的耕作層厚度，較高的土壤有機質(zhì)和陽離子交換量，較低的土壤穿透阻力和土壤壓實度。綜合分析野外調(diào)查、實測結(jié)果及評價指標隸屬函數(shù)類型可知，最小數(shù)據(jù)集中耕作層厚度、土壤有機質(zhì)和陽離子交換量越高越好，耕作層穿透阻力和耕作層壓實度則越低越好，土壤pH 值則存在一個適宜的區(qū)間，過高或過低均將成為限制因子?；趧澐值牟煌|(zhì)量類型耕層，由于研究區(qū)沒有高產(chǎn)耕層類型，因此選擇中產(chǎn)耕層（0.33＜ZMDS≤0.66）各指標的范圍為參考值，初步界定黃淮海旱作區(qū)合理耕層最小數(shù)據(jù)集中耕作層厚度應不小于17.20 cm，耕作層穿透阻力不大于896.10 kPa，耕作層土壤壓實度不大于78.01%，土壤pH 值為8.01～9.37，土壤有機質(zhì)不小于17.87 g/kg，陽離子交換量不小于21.13 cmol/kg。

表5 黃淮海旱作區(qū)耕層評價指標適宜性閾值Table 5 Diagnosis of reasonable threshold of cultivated horizon in dry farming region of HuangHuai-Hai

2.2.2 障礙類型劃分

明確影響耕層土壤質(zhì)量的主要障礙因子和變化特征，對耕層土壤質(zhì)量的提升和保護具有重要意義。因此，本研究基于研究區(qū)劃分的耕層類型，以合理耕層指標的閾值為參考，應用障礙因子診斷模型計算分析了各指標的障礙度[37]。由圖3 可知，耕作層厚度的障礙度為0.12（第1 類）＞0.09（第2 類）＞0.08（第3 類），且第1 類耕層的耕作層厚度的障礙度顯著高于其他2 種類型（P＜0.05）；第2 類、第3 類的土壤有機質(zhì)、陽離子交換量障礙度顯著高于第3 類（P＜0.05）；耕作層穿透阻力的障礙度為0.16（第3 類）＞0.11（第2 類）＞0.05（第1 類）；不同耕層類型的土壤pH 值障礙度間差異不顯著（P＞0.05）。綜合分析比較不同耕層類型的指標障礙度發(fā)現(xiàn)，第1 類耕層的耕作層厚度、耕作層壓實度、土壤有機質(zhì)和陽離子交換量的障礙度均較高，呈現(xiàn)耕作層薄、壓實度大、土壤有機質(zhì)及陽離子交換量較低的特點，屬于薄化緊實與養(yǎng)分貧瘠共存型障礙耕層；與第1類耕層相比，第2 類耕層僅土壤有機質(zhì)和土壤陽離子交換量的障礙度較高，屬于養(yǎng)分貧瘠型障礙耕層；與其他2 類耕層類型相比，第3 類耕層僅耕作層穿透阻力的障礙度較高，呈現(xiàn)耕作層穿透阻力較大的特點，屬于土壤緊實型障礙耕層。

圖3 黃淮海旱作區(qū)耕層指標障礙度Fig.3 Obstacles of cultivated horizon quality indicators in dry farming region of Huang-Huai-Hai

另外，從研究區(qū)綜合障礙度看，黃淮海旱作區(qū)耕層土壤質(zhì)量的主要障礙因子為土壤有機質(zhì)含量、陽離子交換量、耕作層厚度及耕作層壓實度。因此在當今農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀下，研究區(qū)需要進一步提高土壤有機質(zhì)含量并配套科學的耕作技術(shù)方法，從而提高土壤保水保肥能力以達到耕層土壤質(zhì)量提升的目的。

3 討論

3.1 最小數(shù)據(jù)集的構(gòu)建

本研究以黃淮海旱作區(qū)為研究對象，針對土壤物理、化學、剖面特征構(gòu)建了耕層土壤質(zhì)量評價，初選指標有17個，運用主成分分析法選取了耕作層厚度、耕作層穿透阻力、壓實層穿透阻力、土壤有機質(zhì)含量、土壤pH和陽離子交換量構(gòu)建最小數(shù)據(jù)集，并通過對比基于最小數(shù)據(jù)集和全數(shù)據(jù)集計算得出的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)，驗證了最小數(shù)據(jù)集在黃淮海旱作區(qū)進行耕層土壤評價的適用性。諸多研究表明[10-11,17]，一般從土壤理化性質(zhì)選取指標進行基于最小數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量評價，在多種評價指標中，土壤有機質(zhì)出現(xiàn)頻率最高，可達96.6%，其次是容重、pH、全氮和速效鉀等指標，選取頻率也均達50%以上，而土壤生物指標的選取頻率較低，僅在10%左右；另外，因操作性不強和數(shù)據(jù)不宜獲取等原因，剖面特征指標很少在土壤質(zhì)量評價中應用[38]。而本研究中選擇土壤有機質(zhì)和土壤pH 2個指標進入最小數(shù)據(jù)集，這與大多數(shù)研究結(jié)果相同[37]。而前人研究中選取頻率較高的容重、全氮和速效鉀均未進入最小數(shù)據(jù)集，主要是因為在MDS指標篩選過程中容重和耕作層壓實度、全氮和有機質(zhì)、有效磷和耕作層厚度分別進入了同一組，容重、全氮和有效磷的Norm值最小且與其他指標相關(guān)性較大，因此未進入最小數(shù)據(jù)集，同時研究區(qū)域尺度和樣點數(shù)量也是影響最小數(shù)據(jù)集構(gòu)成的重要因素[39]。前人研究土壤質(zhì)量評價過于注重土壤的化學和物理特性，而沒有充分考慮到耕層的垂直結(jié)構(gòu)，忽略了土壤的分層結(jié)構(gòu)和不同土層之間的相互作用[40]。研究表明，近年來黃淮海旱作區(qū)因連年大型機械耕作壓實土壤，引起的土壤耕層變淺、壓實層緊實上移等問題愈發(fā)嚴重[41]，耕層的剖面特征指標更是研究區(qū)合理耕層構(gòu)建的重要指標。因此在今后的耕層質(zhì)量保護和提升過程中應多關(guān)注以上指標。

3.2 耕層土壤合理指標閾值與障礙度分析

本研究表明，黃淮海旱作區(qū)耕層土壤質(zhì)量特征差異明顯，耕層土壤質(zhì)量總體處于中等水平，但存在明顯的障礙因素，其主要障礙因子為土壤有機質(zhì)含量、陽離子交換量、耕作層厚度及耕作層壓實度，其中薄化緊實與養(yǎng)分貧瘠共存型障礙耕層和養(yǎng)分貧瘠型耕層是研究區(qū)主要的障礙耕層類型，說明養(yǎng)分貧瘠、耕作層薄且硬是黃淮海旱作區(qū)耕地面臨的主要障礙因素。本研究以中產(chǎn)耕層各種評價指標的范圍為參考，初步界定了黃淮海旱作區(qū)的合理耕層的指標：耕作層厚度不小于17.20 cm，耕作層穿透阻力不大于896.10 kPa，耕作層土壤壓實度不超過78.01%，土壤pH 值在8.01 至9.37 之間，土壤有機質(zhì)不小于17.87 g/kg，陽離子交換量不小于21.13 cmol/kg。其中土壤有機質(zhì)含量的閾值顯著低于卓志清等[11]（≥37.51 g/kg）和梅楠等[30]（≥35.81 g/kg）在東北區(qū)域的研究結(jié)果，這主要是因為東北區(qū)域的土壤有機質(zhì)本底值較高，獨特的氣候條件也促進了該區(qū)域有機質(zhì)的積累。土壤pH 的變化范圍小于吉林省黑土耕層4.74～6.96，但大于南方丘陵紅壤坡耕地耕層5.04～5.38，但研究區(qū)土壤pH 較高，偏堿性。從耕層的剖面特征來看，耕作層厚度的閾值與前人在東北旱作區(qū)的研究結(jié)果（≥18.57 cm）相近[16]，卻較低于紅壤坡耕地的耕作層厚度（≥20.39 cm）。耕作層穿透阻力顯著低于東北遼寧棕壤區(qū)（≤440.17 kPa）和南方丘陵區(qū)紅壤（≤121.00 kPa），這主要與耕地利用強度和農(nóng)業(yè)耕作方式有關(guān)[5,42]。綜上表明，不同地區(qū)具有不同的耕層評價指標及其閾值，因此，在未來的研究中，需要結(jié)合當?shù)氐膶嶋H條件，對評價指標的閾值進行一定的調(diào)整，以建立更加精確的耕層土壤質(zhì)量評價指標體系。

4 結(jié)論

本文以黃淮海旱作區(qū)耕層土壤為研究對象，綜合考慮土壤物理、化學及剖面特征指標，構(gòu)建基于最小數(shù)據(jù)集的耕層土壤質(zhì)量評價指標體系，評價研究區(qū)的耕層土壤質(zhì)量，探討合理耕層指標的適宜性，識別耕層土壤質(zhì)量的障礙因子。結(jié)果表明：

1）基于主成分分析法篩選出的土壤有機質(zhì)、土壤陽離子交換量、土壤pH、耕作層厚度、耕作層穿透阻力和耕作層壓實度6個指標構(gòu)建的最小數(shù)據(jù)集，能夠代替全部數(shù)據(jù)集對黃淮海旱作區(qū)耕層土壤質(zhì)量進行評價?；谧钚?shù)據(jù)集，黃淮海旱作區(qū)耕層土壤質(zhì)量指數(shù)范圍在0.25～0.61，均值為0.43，耕層土壤質(zhì)量總體處于中等水平。

2）黃淮海旱作區(qū)合理耕層指標的適宜值如下：耕作層厚度不小于17.20 cm，耕作層穿透阻力不超過896.10 kPa，耕作層土壤壓實度不超過78.01%，土壤pH值在8.01 至9.37 范圍內(nèi)，土壤有機質(zhì)不小于17.87 g/kg，陽離子交換量不小于21.13 cmol/kg。研究區(qū)障礙耕層類型可分為薄化緊實與養(yǎng)分貧瘠共存型障礙耕層（第1 類）、養(yǎng)分貧瘠型耕層（第2 類）、土壤緊實型障礙耕層（第3 類）。從整體來看，土壤有機質(zhì)含量、陽離子交換量、耕作層厚度及耕作層壓實度是主要的障礙因素，需對以上指標采取針對性的耕作和培肥措施。