卓志清 李 勇 勾宇軒 趙云澤 黃元仿 興 安

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 北京 100193； 2.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)

0 引言

農(nóng)田耕層是指人類為了栽培農(nóng)作物，利用工具對(duì)土壤進(jìn)行擾動(dòng)的深度層，其能夠協(xié)調(diào)土壤水、肥、氣、熱的關(guān)系，維持作物的生產(chǎn)[1]。但長(zhǎng)期高強(qiáng)度的開發(fā)利用以及重用輕養(yǎng)的管理方式導(dǎo)致我國(guó)局部地區(qū)農(nóng)田耕層出現(xiàn)基礎(chǔ)地力下降、耕層結(jié)構(gòu)惡化等問題，直接影響了農(nóng)作物的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[2]。耕層質(zhì)量是反映耕層土壤肥力和生產(chǎn)性能的綜合性指標(biāo)，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)農(nóng)田耕層質(zhì)量并識(shí)別其主要障礙因素，對(duì)區(qū)域合理耕層的構(gòu)建具有重要意義。由于耕層質(zhì)量受多種自然因素及人為因素共同作用的影響，尚未有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和固定(可靠)的方法。目前，常用的耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)方法包括多變量指標(biāo)克立格法、土壤質(zhì)量動(dòng)力學(xué)方法、綜合指數(shù)法及相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)法等[3]。其中，綜合指數(shù)法是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的一種耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，其將各相對(duì)獨(dú)立的評(píng)價(jià)指標(biāo)值，通過(guò)德爾菲法、層次分析法、主成分分析法、聚類分析法等方法賦予權(quán)重后加權(quán)求和，得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果[4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已采用上述方法在不同區(qū)域尺度上對(duì)耕層質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，如貢璐等[5]和金慧芳等[6]采用綜合指數(shù)法分別對(duì)干旱區(qū)綠洲和紅壤坡耕地耕層質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)；SANTOS-FRANCéS等[7]則在半干旱農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中比較了綜合指數(shù)法和內(nèi)梅羅法對(duì)耕層質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)果表明綜合指數(shù)法能夠更準(zhǔn)確地反映當(dāng)?shù)剞r(nóng)田耕層質(zhì)量。此外，ASKARI等[8]和TURAN等[9]采用光譜法對(duì)耕層質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，結(jié)果表明在一定區(qū)域尺度下光譜法是一種快速有效的耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，其能夠預(yù)測(cè)退化地區(qū)耕層質(zhì)量的變化。

在針對(duì)不同評(píng)價(jià)方法的指標(biāo)選取上，高旺盛等[10]通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研和專家咨詢，篩選出理論上適用于大空間尺度下耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的14個(gè)指標(biāo)，其中有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、土壤質(zhì)地、容重及土層厚度等指標(biāo)出現(xiàn)的頻率較高[4]。實(shí)踐研究表明，基于全部指標(biāo)的大空間尺度耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)方法數(shù)據(jù)可獲取性較低，指標(biāo)間重疊且存在大量冗余信息；同時(shí)在指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算過(guò)程中增加了不確定性。因此有學(xué)者提出了基于最小數(shù)據(jù)集的耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，并采用土壤質(zhì)量指數(shù)比較法、作物產(chǎn)量與最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)相關(guān)性分析法，最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)與未入選指標(biāo)相關(guān)性分析法等方法來(lái)驗(yàn)證指標(biāo)篩選的合理性[5]。如陳正發(fā)等[11]采用最小數(shù)據(jù)集方法對(duì)云南省坡耕地的耕層質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并比較了不同耕作條件、土壤類型下耕層質(zhì)量的差異；鄧紹歡等[12]和CHAHAL等[13]分別應(yīng)用最小數(shù)據(jù)集方法評(píng)價(jià)了水田和旱地的耕層質(zhì)量，驗(yàn)證結(jié)果均表明該方法能夠替代全部指標(biāo)數(shù)據(jù)集對(duì)耕層質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。雖然目前基于最小數(shù)據(jù)集的耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)減少了參評(píng)指標(biāo)的數(shù)量，但在指標(biāo)選取過(guò)程中仍側(cè)重于農(nóng)田表層土壤的理化性質(zhì)，而忽略了耕層的結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)耕層質(zhì)量的影響，特別是針對(duì)區(qū)域尺度的耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)中，缺少量化耕層結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)[14]。此外，科學(xué)選取評(píng)價(jià)指標(biāo)的最小數(shù)據(jù)集、確定其隸屬度函數(shù)及其臨界值、驗(yàn)證評(píng)價(jià)結(jié)果仍是耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。本文以東北旱作區(qū)為研究對(duì)象，基于反映耕層土壤理化性狀及耕作層、壓實(shí)層的厚度及穿透阻力等指標(biāo)，構(gòu)建旱作農(nóng)田耕層質(zhì)量指數(shù)評(píng)價(jià)模型(Plough horizon integrated quality index, PHIQI)，并采用最小數(shù)據(jù)集(Minimum data set, MDS)法篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)研究區(qū)耕層質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，探討區(qū)域耕層質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)的適宜范圍，以期為東北旱作區(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

基于2015年黑龍江省、吉林省和遼寧省的1 km2網(wǎng)格土地利用現(xiàn)狀圖，根據(jù)有關(guān)坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將地形坡度小于5°、1 km2網(wǎng)格內(nèi)旱地占耕地面積40%以上的區(qū)域作為旱作區(qū)[15-16]。區(qū)域涵蓋黑龍江省、吉林省和遼寧省各自的46、19、20個(gè)縣(市)，涉及縣級(jí)行政單元總面積約29.56萬(wàn)km2。區(qū)域多年平均日照時(shí)數(shù)2 400～2 700 h，大于等于10℃積溫2 000～3 400℃。黑龍江省東部、北部和吉林省東部等半濕潤(rùn)易旱區(qū)年降水量500～600 mm，土壤類型以黑土、白漿土和草甸土為主；黑龍江省西部、吉林省西部和遼寧省西部等半干旱區(qū)和半干旱偏濕潤(rùn)區(qū)年降水量350～500 mm，土壤類型主要為黑鈣土、棕壤和鹽漬土。研究區(qū)地貌屬于山麓沖洪積平原及臺(tái)地，耕地破碎度較小且耕作條件良好，主要種植玉米、小麥等糧食作物和大豆、甜菜等經(jīng)濟(jì)作物，是我國(guó)北方重要旱作作物種植區(qū)及商品糧基地(圖1)。

1.2 樣品采集與分析

利用ArcGIS 10.3軟件提取土地利用類型現(xiàn)狀圖中的旱地斑塊(含水澆地)，將所提取數(shù)據(jù)和研究區(qū)行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)疊置，獲得空間屬性數(shù)據(jù)。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)合土壤亞類進(jìn)行分層抽樣，抽樣時(shí)考慮種植體系、分布面積和集中程度等因素，主要在黑土、黑鈣土、棕壤、潮土、草甸土等土類布設(shè)，保證每個(gè)土壤亞類均有樣點(diǎn)分布。根據(jù)上述樣點(diǎn)布設(shè)和抽樣規(guī)則共確定132個(gè)采樣點(diǎn)，其中黑土采樣點(diǎn)35個(gè)；黑鈣土采樣點(diǎn)33個(gè)；棕壤、暗棕壤采樣點(diǎn)18個(gè)；潮土、草甸土采樣點(diǎn)36個(gè)，其余土類采樣點(diǎn)共計(jì)10個(gè)。土樣采于2017年5—6月，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定土壤緊實(shí)度，并用GPS記錄樣點(diǎn)經(jīng)緯度。按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm分層采集土樣，同時(shí)采用環(huán)刀法取原狀土測(cè)定各層土壤容重(Bulk density, BD)。將各樣品按四分法取1 kg土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)自然風(fēng)干、研磨、過(guò)篩后，用于分析土壤理化性質(zhì)。土壤顆粒組成采用激光粒度儀測(cè)定；基于土壤穿透阻力突變分析的結(jié)果判斷耕作層厚度(Plough layer thickness, PLT)、壓實(shí)層厚度(Compacted layer thickness, CLT)，并計(jì)算耕作層穿透阻力(Plough layer penetration resistance, PLP)和壓實(shí)層穿透阻力(Compacted layer penetration resistance, CLP)的平均值[17]。土壤有機(jī)質(zhì)(Soil organic matter, SOM)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；全氮(Total nitrogen, TN)、全磷(Total phosphorus, TP)含量采用流動(dòng)分析儀測(cè)定；有效磷(Available phosphorus, AP)含量采用Olsen法測(cè)定；速效鉀(Available K, AK)含量采用NH4OAc提取-火焰光度法測(cè)定；土壤碳氮比(C/N)采用質(zhì)量比；土壤電導(dǎo)率(Electrical conductivity, EC)采用電極法測(cè)定；土壤pH值采用電位法測(cè)定。研究區(qū)糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)源于2017年?yáng)|北各省統(tǒng)計(jì)年鑒，為消除因行政區(qū)劃調(diào)整對(duì)數(shù)據(jù)分析的影響，本文以研究區(qū)最新行政區(qū)劃為準(zhǔn)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)

1.3.1評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及隸屬函數(shù)選擇

基于土壤管理評(píng)估框架，同時(shí)考慮東北旱作區(qū)耕地利用特征，分別從耕層土壤物理、化學(xué)及剖面特征3方面選擇耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)(表1)，構(gòu)建初選指標(biāo)評(píng)價(jià)體系[18]。根據(jù)研究區(qū)土壤特點(diǎn)及評(píng)價(jià)指標(biāo)與耕層質(zhì)量的相關(guān)性情況，建立指標(biāo)與耕層質(zhì)量之間的隸屬函數(shù)，有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量、有效磷含量、有效鉀含量和耕作層厚度界定為S型隸屬函數(shù)；壓實(shí)層厚度、壓實(shí)層和耕作層的穿透阻力和電導(dǎo)率則界定為反S型隸屬函數(shù)，粘粒(Clay)含量、容重及pH值與碳氮比存在適宜臨界范圍，則界定為拋物線型隸屬函數(shù)。S型和反S型隸屬函數(shù)以東北旱作區(qū)采樣點(diǎn)各指標(biāo)參數(shù)實(shí)測(cè)值的最小值m1和最大值m2作為函數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，拋物線型隸屬函數(shù)對(duì)應(yīng)指標(biāo)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)通過(guò)文獻(xiàn)資料和野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果獲得[19]，采用主成分分析法確定各指標(biāo)權(quán)重。

表1 東北旱作區(qū)耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)Tab.1 Subordinate function of plough horizon quality evaluation index in dry farming region of Northeast China

1.3.2最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)篩選

為剔除初選各指標(biāo)之間的重疊信息，減少參評(píng)指標(biāo)的數(shù)量，建立基于MDS的耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。具體步驟如下：運(yùn)用SPSS 21.0軟件對(duì)初選評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，提取特征值大于等于1的主成分(Principal component, PC)，將同一PC上載荷大于等于0.5的指標(biāo)分為一組，若某一項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)同時(shí)在兩個(gè)PC上的載荷均大于等于0.5，則將其歸并到與其他參數(shù)相關(guān)性較低的一組；若評(píng)價(jià)指標(biāo)在各PC上的載荷均小于0.5，則將其劃分到載荷最高的一組。分別計(jì)算各組中指標(biāo)的Norm值，并選取每組中Norm值在該組最大Norm值的10%范圍內(nèi)的指標(biāo)，分析每組中所選指標(biāo)間的相關(guān)性，若相關(guān)系數(shù)大于等于0.5，則選擇Norm值最高的指標(biāo)進(jìn)入MDS；反之，若相關(guān)系數(shù)小于0.5，則二者均進(jìn)入MDS[20]。Norm值越大則表明其解釋綜合信息的能力越強(qiáng)，評(píng)價(jià)指標(biāo)的Norm值計(jì)算式為

(1)

式中Nik——第i個(gè)變量在特征值大于等于1的前k個(gè)主成分上的綜合載荷

Uik——第i個(gè)變量在第k個(gè)主成分上的載荷

λk——第k個(gè)主成分的特征值

1.3.3耕層質(zhì)量指數(shù)

耕層質(zhì)量指數(shù)(Plough horizon integrated quality index, PHIQI)集成了農(nóng)田土壤物理、化學(xué)及剖面特征評(píng)價(jià)指標(biāo)，耕層質(zhì)量指數(shù)越高，則耕層質(zhì)量越好。本研究參照土壤質(zhì)量和農(nóng)用地質(zhì)量評(píng)價(jià)模型[18]，通過(guò)全指標(biāo)(Total data set, TDS)和最小數(shù)據(jù)集(Minimum data set, MDS)的方法構(gòu)建耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，對(duì)東北旱作區(qū)耕層質(zhì)量進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)，耕層質(zhì)量指數(shù)計(jì)算式為

(2)

式中PHIQI——耕層質(zhì)量指數(shù)，為0～1

Ki——第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度

Ci——第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

n——評(píng)價(jià)指標(biāo)總數(shù)

通過(guò)TDS指標(biāo)計(jì)算得到的耕層質(zhì)量指數(shù)用TSD-PHIQI表示，以MDS指標(biāo)計(jì)算得到的耕層質(zhì)量指數(shù)用MSD-PHIQI表示。根據(jù)MSD-PHIQI，將其等距劃分為3個(gè)等級(jí)[5]，分別為低((0,0.33])、中((0.33,0.66])和高((0.66,1])。

1.3.4耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于MDS耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的精度，采用模型有效系數(shù)Ef和相對(duì)偏差系數(shù)Er來(lái)評(píng)價(jià)模型的精度[21]。有效系數(shù)越接近于1，表示MDS法計(jì)算結(jié)果與基準(zhǔn)值越接近，計(jì)算精度較高；相對(duì)偏差系數(shù)越接近于0，表明MDS法計(jì)算值相對(duì)于基準(zhǔn)值的偏差越小，結(jié)果越精確。

1.3.5障礙因素診斷

障礙度模型采用因子貢獻(xiàn)度Cn、指標(biāo)偏離度Dn和障礙度Yn進(jìn)行診斷，然后對(duì)障礙度進(jìn)行排序，從而確定各障礙因子的主要和次要關(guān)系。本研究主要參照匡麗花等[22]的分析方法，其中Cn表示因子對(duì)總目標(biāo)的貢獻(xiàn)度，即因子的權(quán)重Wn。Dn表示指標(biāo)與最大目標(biāo)之間的差距，設(shè)為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值與1之間的差距；Yn表示指標(biāo)對(duì)研究區(qū)耕層質(zhì)量的影響，公式為

(3)

其中

Dn=1-X′n

(4)

式中X′n——指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值

Di——第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的障礙度

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析在Microsoft Excel 2017和SPSS 24.0中完成；應(yīng)用SPSS 24.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)、方差分析、主成分分析和相關(guān)性分析；應(yīng)用ArcGIS 10.5軟件中的空間分析工具制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)的最小數(shù)據(jù)集建立及驗(yàn)證

2.1.1最小數(shù)據(jù)集建立

通過(guò)主成分分析表明，研究區(qū)耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)中特征值大于1的5個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)70.79%，滿足信息提取的要求，但各主成分指標(biāo)對(duì)總體方差解釋能力存在差異性(表2)。在PC1中載荷絕對(duì)值大于0.50的初選指標(biāo)有粘粒含量、容重、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、有效鉀含量，其中有機(jī)質(zhì)含量的Norm值最高，為1.72，且在其10%范圍內(nèi)的指標(biāo)中，有機(jī)質(zhì)含量與容重、全氮含量及有效鉀含量的相關(guān)系數(shù)均大于0.50，與粘粒含量的相關(guān)系數(shù)則小于0.50，因此有機(jī)質(zhì)含量和粘粒含量進(jìn)入MSD(表3)。在PC2中載荷絕對(duì)值大于0.50的初選指標(biāo)為有效磷含量和pH值，由于有效磷含量與pH值的相關(guān)系數(shù)大于0.50，所以有效磷含量進(jìn)入MSD。在PC3中載荷絕對(duì)值大于0.50的初選指標(biāo)有全氮含量、全磷含量和電導(dǎo)率，其中全氮含量的Norm值最高，為1.63，而全磷含量和電導(dǎo)率的Norm值均不在其10%范圍內(nèi)，因此僅Norm值最高的全氮含量進(jìn)入MSD。在PC4中載荷絕對(duì)值大于0.50的指標(biāo)有耕作層穿透阻力、壓實(shí)層穿透阻力和碳氮比，其中耕作層穿透阻力的Norm值最高，為0.98，而壓實(shí)層穿透阻力和碳氮比的Norm值不在其10%范圍內(nèi)，所以耕作層穿透阻力進(jìn)入MSD。在PC5中載荷絕對(duì)值大于0.50的指標(biāo)有耕作層厚度和壓實(shí)層厚度，其中壓實(shí)層厚度的Norm值最高，為1.08，而耕作層厚度的Norm值不在其10%范圍內(nèi)，所以壓實(shí)層厚度進(jìn)入MSD。最終入選MSD的指標(biāo)包括有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、有效磷含量、粘粒含量、耕作層穿透阻力和壓實(shí)層厚度共計(jì)6項(xiàng)指標(biāo)。

表2 主成分載荷矩陣及Norm值計(jì)算結(jié)果Tab.2 Principal component loading matrix and calculated Norm values

表3 東北旱作區(qū)耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)初選指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Perason correlation coefficient matrix of plough horizon quality evaluation index in dry farming region of Northeast China

2.1.2最小數(shù)據(jù)集驗(yàn)證

為驗(yàn)證MDS指標(biāo)體系評(píng)價(jià)的精度，比較基于TDS計(jì)算的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)(TDS-PHIQI)和基于MDS計(jì)算的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)(MDS-PHIQI)的一致性。結(jié)果表明MDS-PHIQI的均值為0.30，變異系數(shù)為0.35；TDS-PHIQI的均值為0.38，變異系數(shù)為0.29，MDS-PHIQI變異系數(shù)的波動(dòng)幅度相對(duì)TDS-PHIQI較大。通過(guò)對(duì)MDS-PHIQI和TDS-PHIQI進(jìn)行回歸分析對(duì)MDS指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證(圖2)。結(jié)果表明MDS-PHIQI與TDS-PHIQI呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.517,n=132)，說(shuō)明MDS指標(biāo)能夠較好代替TDS指標(biāo)，這與前人的研究結(jié)果相一致[23]。MDS-PHIQI與TDS-PHIQI之間的有效系數(shù)(Ef)為0.682，相對(duì)偏差系數(shù)(Er)為0.128，說(shuō)明MDS-PHIQI與TDS-PHIQI較為接近，且相對(duì)偏差較小，評(píng)價(jià)精度較高，可知基于MDS的耕層質(zhì)量指數(shù)可用于東北旱作區(qū)耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)。

2.2 合理耕層最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)閾值診斷

假設(shè)MDS-PHIQI越高，對(duì)作物生長(zhǎng)貢獻(xiàn)率越大[24]，據(jù)此劃分研究區(qū)耕層質(zhì)量指數(shù)的范圍。其中MDS-PHIQI大于0小于等于0.33為低質(zhì)量耕層，MDS-PHIQI大于0.33小于等于0.66為中質(zhì)量耕層，MDS-PHIQI大于0.66小于等于1為高質(zhì)量耕層，并以MDS指標(biāo)(有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、有效磷含量、粘粒含量、耕作層穿透阻力和壓實(shí)層厚度)作為東北旱作區(qū)合理耕層診斷指標(biāo)。結(jié)果表明，研究區(qū)低質(zhì)量耕層、中質(zhì)量耕層的樣點(diǎn)比例分別為64%、36%，無(wú)高質(zhì)量耕層樣點(diǎn)分布。因此將具備一定保水、保土、保肥能力及增產(chǎn)潛力的中質(zhì)量耕層作為合理耕層評(píng)價(jià)的參照，并以中質(zhì)量耕層中各指標(biāo)的平均值為參考基準(zhǔn)(表4)。對(duì)于S型隸屬函數(shù)的耕層質(zhì)量指標(biāo)，中質(zhì)量耕層所對(duì)應(yīng)各項(xiàng)指標(biāo)的平均值可作為適宜范圍的下限，指標(biāo)值越大，對(duì)耕層質(zhì)量提升的貢獻(xiàn)率也越大；對(duì)于反S型隸屬函數(shù)的耕層質(zhì)量指標(biāo)，中質(zhì)量耕層所對(duì)應(yīng)各項(xiàng)指標(biāo)的平均值可作為適宜范圍的上限，指標(biāo)值越大，對(duì)耕層質(zhì)量提升的貢獻(xiàn)率越小；而對(duì)于拋物線型隸屬函數(shù)的耕層質(zhì)量指標(biāo)，其合理耕層適宜范圍由上限值和下限值構(gòu)成。綜合分析中質(zhì)量耕層對(duì)應(yīng)的各指標(biāo)參數(shù)變化，并結(jié)合各指標(biāo)本身的適宜范圍，初步界定東北旱作區(qū)合理耕層適宜性閾值為：土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比大于等于37.16 g/kg，全氮質(zhì)量比大于等于1.75 g/kg，有效磷質(zhì)量比大于等于26.38 mg/kg，粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.60%～6.19%，耕作層穿透阻力小于等于364.56 kPa，壓實(shí)層厚度小于等于8.18 cm。

表4 東北旱作區(qū)合理耕層MDS指標(biāo)閾值及適宜范圍Tab.4 Threshold value and suitable range of MDS index in reasonable tillage in dry farming region of Northeast China

2.3 不同糧食產(chǎn)量區(qū)耕層質(zhì)量及障礙因素分析

依照全國(guó)耕地類型區(qū)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，將東北旱作區(qū)各縣域單位劃分為糧食高產(chǎn)區(qū)(大于等于6.0 t/hm2)、中產(chǎn)區(qū)(4.5～6.0 t/hm2)和低產(chǎn)區(qū)(小于等于4.5 t/hm2)。分析研究區(qū)糧食產(chǎn)量及基于最小數(shù)據(jù)集的耕層質(zhì)量指數(shù)空間分布特征(圖3)，結(jié)果表明糧食高產(chǎn)區(qū)和中產(chǎn)區(qū)集中分布在黑龍江、吉林兩省旱作區(qū)中部以及遼寧省旱作區(qū)北部，低產(chǎn)區(qū)主要分布在黑龍江省旱作區(qū)北部及吉林省、遼寧省旱作區(qū)局部地區(qū)。研究區(qū)耕層質(zhì)量指數(shù)的變化范圍在0.10～0.53之間，均值為0.30，整體呈現(xiàn)出東北高、西南低的空間分布格局。黑龍江省旱作區(qū)北部及三江平原大部耕層質(zhì)量較高，而遼寧省、吉林省旱作區(qū)西部邊緣地區(qū)的耕層質(zhì)量整體較低，這與糧食產(chǎn)量的空間分布特征存在一定差異。

以合理耕層指標(biāo)的閾值為參考，分析各指標(biāo)在不同糧食產(chǎn)量區(qū)的障礙度[22](圖4，圖中不同小寫字母表示區(qū)域間差異顯著(P<0.05))。結(jié)果表明，各糧食產(chǎn)量區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量的障礙度由大到小均表現(xiàn)為高產(chǎn)區(qū)、中產(chǎn)區(qū)、低產(chǎn)區(qū)，且高產(chǎn)區(qū)土壤全氮含量的障礙度顯著高于低產(chǎn)區(qū)(P<0.05)。土壤粘粒含量、耕作層穿透阻力的障礙度在低產(chǎn)區(qū)最大，分別為0.20、0.38；其中低產(chǎn)區(qū)耕作層穿透阻力的障礙度顯著高于高產(chǎn)區(qū)(P<0.05)。中產(chǎn)區(qū)土壤有效磷含量、壓實(shí)層厚度的障礙度分別為0.15、0.18，均高于其他類型區(qū)，但其在各類型區(qū)間差異不顯著(P>0.05)。從不同耕層障礙類型來(lái)看，研究區(qū)糧食低產(chǎn)區(qū)耕層多存在結(jié)構(gòu)型障礙，主要表現(xiàn)為耕作層穿透阻力、粘粒含量障礙度高；有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷含量障礙度較小的特征。相對(duì)低產(chǎn)區(qū)而言，中產(chǎn)區(qū)耕層結(jié)構(gòu)型障礙和養(yǎng)分型障礙共存，主要表現(xiàn)為全氮、有效磷含量和耕層穿透阻力障礙度較高；而高產(chǎn)區(qū)耕層總體呈現(xiàn)養(yǎng)分型障礙，且主要表現(xiàn)為全氮含量障礙度高，有效磷、有機(jī)質(zhì)含量和其他結(jié)構(gòu)性指標(biāo)障礙度相對(duì)較小的特點(diǎn)。從研究區(qū)各指標(biāo)障礙度均值的變化可知，東北旱作區(qū)耕層質(zhì)量的主要障礙因素為耕作層穿透阻力和土壤全氮、有機(jī)質(zhì)含量，表明在現(xiàn)有耕地利用條件下，研究區(qū)需改進(jìn)耕作技術(shù)方法、改善耕層土壤結(jié)構(gòu)及肥力，從而實(shí)現(xiàn)耕層質(zhì)量的提升[25-26]。

3 討論

3.1 最小數(shù)據(jù)集構(gòu)建

本研究以東北旱作區(qū)農(nóng)田耕層為研究對(duì)象，利用多項(xiàng)土壤養(yǎng)分、環(huán)境及剖面特征指標(biāo)構(gòu)建了旱地耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。通過(guò)對(duì)比MDS法和TDS法計(jì)算所得的耕層質(zhì)量指數(shù)，驗(yàn)證了MDS法在研究區(qū)耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)的適用性。初選指標(biāo)共14個(gè)，經(jīng)MDS法篩選后的指標(biāo)包含有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、有效磷含量、粘粒含量、耕作層穿透阻力和壓實(shí)層厚度6項(xiàng)指標(biāo)。指標(biāo)篩選過(guò)濾率達(dá)到50%以上。國(guó)內(nèi)外基于MDS建立的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中入選MDS頻率較高的指標(biāo)包括土壤容重、粘粒含量、pH值、全氮含量、粉粒含量、砂粒含量、有機(jī)質(zhì)含量和孔隙度、有效磷含量等[27]。而本研究中有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、有效磷含量、粘粒含量4個(gè)指標(biāo)進(jìn)入MDS，這與大多數(shù)國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果一致[28]，但前人研究中入選頻率較高的土壤容重、pH值等指標(biāo)未進(jìn)入MDS。這主要由于在MDS指標(biāo)篩選過(guò)程中容重與有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)入同一組，有機(jī)質(zhì)含量的Norm值最大且與同組的其余各項(xiàng)指標(biāo)高度相關(guān)，因此僅有機(jī)質(zhì)含量入選MDS。此外，區(qū)域尺度和樣本量也是影響MDS指標(biāo)構(gòu)成的重要因素[29]。在田塊尺度或小樣本量的條件下，因受較多外在因素的影響，容重、pH值與有機(jī)質(zhì)含量并不一定存在較高的相關(guān)性，所以在評(píng)價(jià)過(guò)程中以上指標(biāo)入選頻率較高；而本研究的區(qū)域尺度及樣本量均較大，土壤容重與土壤穿透阻力、pH值與有效磷含量等指標(biāo)本身存在較強(qiáng)的共線性[30]，因此二者均未進(jìn)入MDS。本研究耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)中特征值大于1的5個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率雖然達(dá)到了70.79%，但同時(shí)說(shuō)明仍有其他指標(biāo)沒有納入初選指標(biāo)體系，未考慮指標(biāo)的篩選及其對(duì)區(qū)域耕層質(zhì)量的影響。在指標(biāo)組成上，本研究也與前人的研究成果存在一定差異，主要體現(xiàn)在耕層的剖面特征指標(biāo)上。前人在耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取過(guò)程中更多關(guān)注土壤理化參數(shù)，而忽略了耕層的垂直構(gòu)造(結(jié)構(gòu))特征[14]。但農(nóng)田耕層質(zhì)量不僅受表層土壤肥力的影響，耕層構(gòu)造特征也是開展旱作農(nóng)田合理耕層構(gòu)建的重要參考指標(biāo)。因此，根據(jù)MDS指標(biāo)的確定方法，耕作層穿透阻力、壓實(shí)層厚度均進(jìn)入MDS，且在后續(xù)耕層質(zhì)量監(jiān)控過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注上述幾項(xiàng)指標(biāo)。

3.2 合理耕層指標(biāo)閾值及障礙度分析

本研究以中質(zhì)量耕層各項(xiàng)指標(biāo)的平均值作為合理耕層評(píng)價(jià)的參考基準(zhǔn)，探討了東北旱作區(qū)合理耕層的指標(biāo)閾值。結(jié)果表明研究區(qū)MDS指標(biāo)的適宜性閾值為：土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比大于等于37.16 g/kg，全氮質(zhì)量比大于等于1.75 g/kg，有效磷質(zhì)量比大于等于26.38 mg/kg，粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.60%～6.19%，耕作層穿透阻力小于等于364.56 kPa，壓實(shí)層厚度小于等于8.18 cm。其中土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量的閾值與韓曉增等[1]對(duì)松嫩平原中部及三江平原地區(qū)的研究結(jié)果一致，但高于前人針對(duì)紅壤、紫色土坡耕地合理耕層有機(jī)質(zhì)含量的下限值，這主要是因?yàn)闁|北旱作區(qū)的中質(zhì)量耕層樣點(diǎn)主要分布于松嫩平原，以中質(zhì)量耕層為參照的土壤有機(jī)質(zhì)含量整體高于南方坡耕地[31-32]。從耕層的剖面特征來(lái)看，研究區(qū)耕作層穿透阻力的適宜性閾值與關(guān)中平原、皖北地區(qū)及遼寧棕壤區(qū)的研究結(jié)果較為一致，說(shuō)明該指標(biāo)的閾值具有合理性[33-34]。不同糧食產(chǎn)量區(qū)耕層質(zhì)量的差異能夠反映出人類活動(dòng)(土地利用強(qiáng)度、農(nóng)機(jī)投入、化肥投入)對(duì)耕層質(zhì)量的影響，本研究的結(jié)果表明糧食中、高產(chǎn)區(qū)的耕層質(zhì)量指數(shù)以中等水平為主，耕作層穿透阻力、全氮含量障礙度高，耕層結(jié)構(gòu)障礙和養(yǎng)分限制共存。這主要是由于長(zhǎng)期高投入高產(chǎn)出的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，導(dǎo)致耕地高強(qiáng)度超負(fù)荷利用，從而出現(xiàn)基礎(chǔ)地力下降、耕層退化等現(xiàn)象[2]。因此，改善耕層結(jié)構(gòu)，提升耕層土壤肥力，保持增產(chǎn)潛力是糧食產(chǎn)量中、高產(chǎn)區(qū)合理耕層構(gòu)建的主要目標(biāo)。此外，本研究中的糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)是各縣市統(tǒng)計(jì)的面狀數(shù)據(jù)，可能與以點(diǎn)位數(shù)據(jù)劃分的結(jié)果存在一定誤差，今后的研究中需考慮將作物遙感估產(chǎn)數(shù)據(jù)與耕層質(zhì)量相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的分析，從而提升區(qū)域耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)閾值診斷的精度。

4 結(jié)論

(1)基于最小數(shù)據(jù)集(MDS)篩選出的土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、有效磷含量、粘粒含量、耕作層穿透阻力和壓實(shí)層厚度6項(xiàng)指標(biāo)，能夠替代全部初選指標(biāo)對(duì)東北旱作區(qū)耕層質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。東北旱作區(qū)耕層質(zhì)量指數(shù)分布在0.10～0.53之間，均值為0.30，整體處于低和中等水平。

(2)東北旱作區(qū)合理耕層指標(biāo)參數(shù)的適宜范圍分別為：有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比大于等于37.16 g/kg，全氮質(zhì)量比大于等于1.75 g/kg，有效磷質(zhì)量比大于等于26.38 mg/kg，粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.60%～6.19%，耕作層穿透阻力小于等于364.56 kPa，壓實(shí)層厚度小于等于8.18 cm。

(3)東北旱作區(qū)不同糧食產(chǎn)量區(qū)耕層障礙類型存在差異，低產(chǎn)區(qū)耕層多存在結(jié)構(gòu)型障礙，中產(chǎn)區(qū)耕層結(jié)構(gòu)型障礙和養(yǎng)分限制共存，而高產(chǎn)區(qū)耕層主要表現(xiàn)為養(yǎng)分限制型障礙。從區(qū)域整體來(lái)看，研究區(qū)耕層質(zhì)量的主要障礙因素為耕作層穿透阻力、土壤全氮含量和有機(jī)質(zhì)含量，需針對(duì)上述指標(biāo)采取針對(duì)性的耕作和培肥措施。