基于最小數據集的黃淮海旱作區耕層土壤質量評價及障礙分析

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. 中國農業大學土地科學與技術學院，北京 100193；2. 山東省土地發展集團有限公司，濟南 250014；3. 自然資源部農用地質量與監控重點實驗室，北京 100035）

0 引言

良好的耕層能夠滿足作物生長發育所需的水、肥、氣、熱等多種因素，對保障糧食高產穩產具有重要的作用[1-3]。但由于農田長期機械化作業等高強度開發利用以及重用輕養的管理方式導致中國部分地區出現耕層變薄變硬、基礎地力下降、結構惡化等問題，影響了糧食高產穩產以及農業可持續發展[4]。耕層土壤質量作為反映土壤肥力和生產能力的綜合性指標，是糧食作物能否取得高產的關鍵，然而它難以通過觀察某個特定指標進行判斷[5-7]，因此對耕層土壤質量進行評價可以全面、準確地識別耕層的空間異質性及其驅動力因素，可為耕層土壤質量的監測與提升提供理論依據[8]。

選擇適宜的評價指標構建合理的評價體系是準確評價土壤質量的先決條件。雖然土壤的物理、化學、生物等指標都可以反映土壤質量，但是所有指標同時參與耕層質量評價不僅計算復雜，而且數據獲取成本高，不同指標間存在數據冗余等問題。為解決這一問題，LARSON等[9]提出應用最小數據集方法評價耕層土壤質量；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個指標構建最小數據集對寧夏耕地質量進行評價。卓志清等[11]構建了一個最小數據集，其中包括有機質含量、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，評價東北旱作區耕層質量。陳正發等[12]運用最小數據集方法篩選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量特征，結果表明，利用最小數據集方法優選的評價指標，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量的評價過程。利用主成分分析法構建耕層土壤質量評價的最小數據集，可以簡化土壤質量評價方法，為其他旱作區域土壤質量評價提供參考[11]。

采用合理的評價方法可以提高評價結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量評價。如韓術鑫等[13]利用內梅羅指數法提取出了關鍵性評價因子對耕地質量進行評價，然而內梅羅指數法側重計算環境污染指數，評價時只考慮單因子指數算術平均根和最大值，且最大值權重過高，對環境質量評價的靈敏性不夠高；楊先野等[14]在三江平原采用神經網絡法進行耕地質量評價，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；汪權方等[15-16]利用灰色關聯度分析進行耕地質量評價，但研究發現若指標值離散，則會丟失部分信息，影響了評價的準確性。卓志清等[11,17]分別利用土壤質量指數法對中國北方、南方和半干旱農業生態系統耕層土壤質量進行評價，結果均表明，土壤質量指數法能夠很好地考慮評價指標實測值、權重及指標間相互作用對評價結果的共同影響，可以較為準確地評價耕層土壤質量的優劣。近年來，土壤質量指數方法以其計算簡單，運用靈活，普適性強的優勢，被廣泛運用在土壤質量評價中。

黃淮海旱作區作為重要的糧食生產基地，已成為全國糧食主產區，對其土壤質量進行評價并探究黃淮海旱作區耕層土壤質量特征，可為準確掌握區域土壤質量狀況提供數據支撐，對于保障中國糧食自給和糧食安全，實現耕地質量的可持續發展具有重要戰略意義。針對黃淮海地區，楊穎等[18]構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]采用土壤肥力數據，運用地統計學和指數和法對平原區的博興縣土壤肥力開展了綜合評價；肖燕等[20]通過對農業用地自然因素和環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量評價，評價指標均集中于肥力數據，忽略了耕作層、壓實層的厚度以及穿透阻力等指標。構建科學的評價指標體系是有效評價耕層土壤地前提，不同區域、不同尺度下耕層土壤質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為研究對象，基于農田土壤物理、化學及剖面特征等指標，建立研究區耕層土壤質量評價體系，并且通過主成分分析法（principal component analysis，PCA）構建耕層土壤質量評價的最小數據集（minimum data set，MDS），對研究區耕層土壤質量進行評價并驗證采用最小數據集取代全指標數據集（total data set，TDS）的可行性，為實現黃淮海旱作區糧食的高產穩產目標，摸清該地區耕層土壤質量特征，識別出限制該區域農田生產力發展的關鍵障礙，以達到保護和提升旱作農田耕層土壤質量的目標，同時探討耕層指標的適宜性，為黃淮海旱作區合理耕層診斷及調控提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況及土樣采集

已有研究把旱作區定義為1 km2網格內地形坡度S＜5°的旱地面積占耕地總面積40%以上的區域[22]。黃淮海旱作區位于中國東部，是中國重要的糧食主產區，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，總面積達2.72×105km2，占整個旱作區面積47.22%（圖1）。該區屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，區域多年平均日照時數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需求，但是區域內降雨量空間分布不均勻，年際波動大且較強的蒸發強度會造成干旱。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，農業生產條件優越，主要種植小麥、玉米等糧食作物及棉花、果樹等經濟作物，農作物的成熟期為一年兩熟或兩年三熟，因此該區域被認為是中國最大的冬麥區和夏玉米種植區。研究區的土壤類型以棕壤、潮土、褐土為主，宜農土地資源豐富，土層深厚，耕性良好，糧食總產量約占全國的四分之一，是重要的農產品生產基地和農業經濟區。

圖1 黃淮海旱作區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，將黃淮海旱作區矢量數據與相應的行政區劃數據、土壤類型數據及耕地質量等級數據疊加，獲得空間屬性數據。然后基于空間屬性數據，以15 km×15 km 網格布點，抽樣時綜合考慮土壤類型、耕地質量等級、種植體系和集中連片程度等因素，布設采樣點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3個重復，應用四分法采取3 kg 土壤樣品帶回實驗室，經自然風干、研磨、過篩后，用于分析土壤理化性質。

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、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，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 耕層土壤質量評價

1.3.1 耕層土壤質量評價體系構建

1）指標選擇

綜合考慮黃淮海旱作區的耕地利用特征和指標獲取難易程度，通過文獻調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耕層土壤質量評價的17個指標（表1），其中土壤有機質是土壤主要營養物質，可以改善土壤的結構和持水量和提高生物活性[25]，可作為耕層土壤質量評價的關鍵指標；陽離子交換量是衡量土壤保肥能力評估的關鍵指標[26]，pH 值影響很多土壤生物學性質和化學性質間的關系[27]，耕作層厚度、壓實度、穿透阻力等耕層構造特征影響作物根系生長，其皆是開展旱作農田合理耕層構建的重要參考指標[11]。

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

2）隸屬函數構建

基于評價指標影響耕層土壤質量的正負效應建立各評價指標與耕層土壤質量之間的隸屬函數，對各指標量綱進行統一。根據各評價指標對耕層土壤質量的正負效應，建立指標與耕層土壤質量指數之間的隸屬函數，其中評價指標與耕層土壤質量指數呈正相關，界定為S 型函數，與耕層土壤質量指數呈負相關，界定為反S 型函數，與耕層土壤質量存在適宜的臨界范圍，界定為拋物線型函數[17]。評價指標實測的最大值和最小值作為S 型和反S 型隸屬函數的轉折點，拋物線型函數指標的轉折點通過綜合分析研究區域實測結果及文獻 [11,17]確定。

S 型隸屬函數為

反S 型隸屬函數為

拋物線型隸屬函數為

式中u(x)為隸屬度，x為實際值。

1.3.2 最小數據集建立

基于建立的耕層土壤質量全部評價指標，應用主成分分析法，通過降維將多個指標轉化為少數指標，選擇具有代表性且相互獨立的評價指標進入最小數據集[10]。運用SPSS 23.0 對全部指標數據集進行主成分分析，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%范圍內的指標，分析各指標間的相關性。考慮研究區范圍較大，若相關系數大于0.3，則載荷值值大的指標進入最小數據集，若相關系數不大于0.3，則均進入最小數據集[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 耕層土壤質量指數

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

式中Zt為耕層土壤質量指數，數值范圍在0～1 之間；t若為TDS，表示全指標數據集；t若為MDS，表示最小數據集；Wi為第i個評價指標的權重；Ni為第i個評價指標的隸屬度；n為評價指標的個數。

為更加直觀評價黃淮海旱作區耕層土壤質量變化水平，采用等距離法[11]對研究區耕層土壤質量進行等級劃分，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 耕層土壤質量評價精度驗證

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

式中R0與Ra分別為基于全數據集計算得出的耕層土壤質量指數和耕層土壤質量指數均值，Rc為基于最小數據集計算得出的耕層土壤質量指數。

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（隸屬度為1）的差距，數值越大則表示該指標對耕層土壤質量越不利，Nij表示第j個樣點第i個指標的隸屬度；Wi表示第i個指標的權重。

1.4 數據處理

數據統計分析在SPSS 23.0（美國IBM 公司）中完成；主成分分析、相關性分析、正態分布檢驗應用SPSS 23.0完成；應用ArcGIS 10.5 軟件的空間分析工具進行制圖。

2 結果與分析

2.1 黃淮海旱作區耕層土壤質量評價

2.1.1 黃淮海旱作區耕層土壤質量特征

土壤理化性質是反映耕層土壤質量的常用指標，制約著土壤協調水、肥、氣、熱的能力。對研究區耕層土壤質量特征進行描述性統計分析，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量分數分別為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業機械碾壓導致，壓實層較厚且緊實。

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

根據二次土壤普查養分分級標準[36]，土壤有機質平均值為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。根據變異系數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。指標變異系數越大，指標對耕層土壤質量影響程度越大，變異系數越小，影響程度越小[17]。

2.1.2 最小數據集指標的建立

基于主成分分析的結果（表3），在耕層土壤質量評價指標中，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、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性較低（表4），因此土壤含水率也劃分為第一組，土壤有機質與全氮的相關系數大于0.30，與與陽離子交換量的相關系數小于0.30，故Norm值最高的有機質及陽離子交換量進入最小數據集；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系數大于0.3，則組內Norm值最高的耕作層壓實度進入最小數據集；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性較高，則結合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Norm值最大的耕作層厚度和pH 分別進入最小數據集。因此最終確定土壤有機質、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個指標進入最小數據集。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 黃淮海旱作區耕層土壤質量評價指標Pearson 相關系數矩陣Table 4 Pearson correlation coefficient matrix of cultivated layer soil quality evaluation indicators in dry farming region of Huang-Huai-Hai

2.1.3 最小數據集精確度的驗證

驗證最小數據集評價指標體系的合理性是耕層土壤質量評價中的重要步驟。計算得出不同數據集的耕層土壤質量指數，其中全數據集耕層土壤質量指數ZTDS變化范圍為0.29～0.65，均值為0.53，變異系數為12.70%，最小數據集耕層土壤質量指數ZMDS為0.25～0.61，均值為0.43，變異系數為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 有效系數和相對偏差系數分別為0.601 和0.181，兩者呈顯著正相關（R2=0.61，P＜0.05）（圖2），高于同類研究[13,35]R2（0.517 和0.771）。可見，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 來評價研究區耕層土壤質量。

圖2 基于不同數據集耕層土壤質量指數的相關性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，作物產量也相應高[6]。根據耕層質量指數與作物產量的相關關系，劃分ZMDS≤0.33為低產耕層，0.33＜ZMDS≤0.66 為中產耕層、ZMDS＞0.66 為高產耕層，研究區并沒有高產耕層分布（表5）。通過實現合理的耕層管理，可以最大程度地提高土壤水、肥、氣、熱的蓄積和協調效應，從而為作物的生長和發育提供更加穩定的環境條件，進而保障糧食的高產穩產[5]。一般認為，合理的耕層為實現保水保肥和增產潛力應具備較厚的耕作層厚度，較高的土壤有機質和陽離子交換量，較低的土壤穿透阻力和土壤壓實度。綜合分析野外調查、實測結果及評價指標隸屬函數類型可知，最小數據集中耕作層厚度、土壤有機質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間，過高或過低均將成為限制因子。基于劃分的不同質量類型耕層，由于研究區沒有高產耕層類型，因此選擇中產耕層（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合理耕層最小數據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量的主要障礙因子和變化特征，對耕層土壤質量的提升和保護具有重要意義。因此，本研究基于研究區劃分的耕層類型，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、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現，第1 類耕層的耕作層厚度、耕作層壓實度、土壤有機質和陽離子交換量的障礙度均較高，呈現耕作層薄、壓實度大、土壤有機質及陽離子交換量較低的特點，屬于薄化緊實與養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和土壤陽離子交換量的障礙度較高，屬于養分貧瘠型障礙耕層；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，從研究區綜合障礙度看，黃淮海旱作區耕層土壤質量的主要障礙因子為土壤有機質含量、陽離子交換量、耕作層厚度及耕作層壓實度。因此在當今農業發展的現狀下，研究區需要進一步提高土壤有機質含量并配套科學的耕作技術方法，從而提高土壤保水保肥能力以達到耕層土壤質量提升的目的。

3 討論

3.1 最小數據集的構建

本研究以黃淮海旱作區為研究對象，針對土壤物理、化學、剖面特征構建了耕層土壤質量評價，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、土壤有機質含量、土壤pH和陽離子交換量構建最小數據集，并通過對比基于最小數據集和全數據集計算得出的耕層土壤質量指數，驗證了最小數據集在黃淮海旱作區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選取指標進行基于最小數據集的土壤質量評價，在多種評價指標中，土壤有機質出現頻率最高，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，因操作性不強和數據不宜獲取等原因，剖面特征指標很少在土壤質量評價中應用[38]。而本研究中選擇土壤有機質和土壤pH 2個指標進入最小數據集，這與大多數研究結果相同[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據集，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、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性較大，因此未進入最小數據集，同時研究區域尺度和樣點數量也是影響最小數據集構成的重要因素[39]。前人研究土壤質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構，忽略了土壤的分層結構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嚴重[41]，耕層的剖面特征指標更是研究區合理耕層構建的重要指標。因此在今后的耕層質量保護和提升過程中應多關注以上指標。

3.2 耕層土壤合理指標閾值與障礙度分析

本研究表明，黃淮海旱作區耕層土壤質量特征差異明顯，耕層土壤質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，其中薄化緊實與養分貧瘠共存型障礙耕層和養分貧瘠型耕層是研究區主要的障礙耕層類型，說明養分貧瘠、耕作層薄且硬是黃淮海旱作區耕地面臨的主要障礙因素。本研究以中產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）在東北區域的研究結果，這主要是因為東北區域的土壤有機質本底值較高，獨特的氣候條件也促進了該區域有機質的積累。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的研究結果（≥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（≤440.17 kPa）和南方丘陵區紅壤（≤121.00 kPa），這主要與耕地利用強度和農業耕作方式有關[5,42]。綜上表明，不同地區具有不同的耕層評價指標及其閾值，因此，在未來的研究中，需要結合當地的實際條件，對評價指標的閾值進行一定的調整，以建立更加精確的耕層土壤質量評價指標體系。

4 結論

本文以黃淮海旱作區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，構建基于最小數據集的耕層土壤質量評價指標體系，評價研究區的耕層土壤質量，探討合理耕層指標的適宜性，識別耕層土壤質量的障礙因子。結果表明：

1）基于主成分分析法篩選出的土壤有機質、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個指標構建的最小數據集，能夠代替全部數據集對黃淮海旱作區耕層土壤質量進行評價。基于最小數據集，黃淮海旱作區耕層土壤質量指數范圍在0.25～0.61，均值為0.43，耕層土壤質量總體處于中等水平。

2）黃淮海旱作區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，土壤有機質不小于17.87 g/kg，陽離子交換量不小于21.13 cmol/kg。研究區障礙耕層類型可分為薄化緊實與養分貧瘠共存型障礙耕層（第1 類）、養分貧瘠型耕層（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。