基于最小数据集的黄淮海旱作区耕层土壤质量评价及障碍分析

刘湘君，乔冠宇，郭丰浩，刘冬，李勇，勾宇轩，于茹月，周文涛，黄元仿,3※

（1. 中国农业大学土地科学与技术学院，北京 100193；2. 山东省土地发展集团有限公司，济南 250014；3. 自然资源部农用地质量与监控重点实验室，北京 100035）

0 引言

良好的耕层能够满足作物生长发育所需的水、肥、气、热等多种因素，对保障粮食高产稳产具有重要的作用[1-3]。但由于农田长期机械化作业等高强度开发利用以及重用轻养的管理方式导致中国部分地区出现耕层变薄变硬、基础地力下降、结构恶化等问题，影响了粮食高产稳产以及农业可持续发展[4]。耕层土壤质量作为反映土壤肥力和生产能力的综合性指标，是粮食作物能否取得高产的关键，然而它难以通过观察某个特定指标进行判断[5-7]，因此对耕层土壤质量进行评价可以全面、准确地识别耕层的空间异质性及其驱动力因素，可为耕层土壤质量的监测与提升提供理论依据[8]。

选择适宜的评价指标构建合理的评价体系是准确评价土壤质量的先决条件。虽然土壤的物理、化学、生物等指标都可以反映土壤质量，但是所有指标同时参与耕层质量评价不仅计算复杂，而且数据获取成本高，不同指标间存在数据冗余等问题。为解决这一问题，LARSON等[9]提出应用最小数据集方法评价耕层土壤质量；李百云等[10]利用主成分分析法筛选出全氮、全磷、胡敏酸含碳量、交换性钙含量、交换性镁含量5个指标构建最小数据集对宁夏耕地质量进行评价。卓志清等[11]构建了一个最小数据集，其中包括有机质含量、全氮含量、有效磷含量、黏粒含量、耕作层穿透阻力和压实层厚度，评价东北旱作区耕层质量。陈正发等[12]运用最小数据集方法筛选pH 值、全氮、总孔隙度、抗剪强度、田面坡度5个指标分析云南坡耕地耕层土壤质量特征，结果表明，利用最小数据集方法优选的评价指标，不仅能够有效替代全部指标评价耕层土壤质量，且排除了各指标多重共线性问题，极大地精简了耕层土壤质量的评价过程。利用主成分分析法构建耕层土壤质量评价的最小数据集，可以简化土壤质量评价方法，为其他旱作区域土壤质量评价提供参考[11]。

采用合理的评价方法可以提高评价结果的准确性和可信度。目前学者们采用了不同的方法对耕层土壤进行质量评价。如韩术鑫等[13]利用内梅罗指数法提取出了关键性评价因子对耕地质量进行评价，然而内梅罗指数法侧重计算环境污染指数，评价时只考虑单因子指数算术平均根和最大值，且最大值权重过高，对环境质量评价的灵敏性不够高；杨先野等[14]在三江平原采用神经网络法进行耕地质量评价，该方法虽然自动化程度高，主观干扰少，但其学习样本选取困难，易造成评价偏差；汪权方等[15-16]利用灰色关联度分析进行耕地质量评价，但研究发现若指标值离散，则会丢失部分信息，影响了评价的准确性。卓志清等[11,17]分别利用土壤质量指数法对中国北方、南方和半干旱农业生态系统耕层土壤质量进行评价，结果均表明，土壤质量指数法能够很好地考虑评价指标实测值、权重及指标间相互作用对评价结果的共同影响，可以较为准确地评价耕层土壤质量的优劣。近年来，土壤质量指数方法以其计算简单，运用灵活，普适性强的优势，被广泛运用在土壤质量评价中。

黄淮海旱作区作为重要的粮食生产基地，已成为全国粮食主产区，对其土壤质量进行评价并探究黄淮海旱作区耕层土壤质量特征，可为准确掌握区域土壤质量状况提供数据支撑，对于保障中国粮食自给和粮食安全，实现耕地质量的可持续发展具有重要战略意义。针对黄淮海地区，杨颖等[18]构建了基于土壤多重功能的平原土壤健康评价指标体系，但仅针对野外生态试验站进行土壤健康评价，选择指标过于冗余；李颖慧等[19]采用土壤肥力数据，运用地统计学和指数和法对平原区的博兴县土壤肥力开展了综合评价；肖燕等[20]通过对农业用地自然因素和环境因素综合评价了聊城市的土地适宜性程度；WANG等[21]通过分析山东省黄淮海平原区土壤化学元素特征综合评价了土壤肥力，并识别出土壤障碍因素主要为土壤盐渍化和土壤重金属污染。综上，前人针对黄淮海土壤质量评价，评价指标均集中于肥力数据，忽略了耕作层、压实层的厚度以及穿透阻力等指标。构建科学的评价指标体系是有效评价耕层土壤地前提，不同区域、不同尺度下耕层土壤质量评价指标地选取及其阈值存在一定地差异，其识别地障碍因子也有所差异。

因此，本文以黄淮海旱作区为研究对象，基于农田土壤物理、化学及剖面特征等指标，建立研究区耕层土壤质量评价体系，并且通过主成分分析法（principal component analysis，PCA）构建耕层土壤质量评价的最小数据集（minimum data set，MDS），对研究区耕层土壤质量进行评价并验证采用最小数据集取代全指标数据集（total data set，TDS）的可行性，为实现黄淮海旱作区粮食的高产稳产目标，摸清该地区耕层土壤质量特征，识别出限制该区域农田生产力发展的关键障碍，以达到保护和提升旱作农田耕层土壤质量的目标，同时探讨耕层指标的适宜性，为黄淮海旱作区合理耕层诊断及调控提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及土样采集

已有研究把旱作区定义为1 km2网格内地形坡度S＜5°的旱地面积占耕地总面积40%以上的区域[22]。黄淮海旱作区位于中国东部，是中国重要的粮食主产区，主要由黄河、海河、淮河及其支流冲积而成，共涉及安徽、河南、山东、河北、天津及北京的274个县区，总面积达2.72×105km2，占整个旱作区面积47.22%（图1）。该区属于暖温带半湿润大陆性季风气候，区域多年平均日照时数2 300～2 800 h，≥10 ℃积温3 800～5 300 ℃，年降水量500～1 000 mm，能较好地满足作物生产需求，但是区域内降雨量空间分布不均匀，年际波动大且较强的蒸发强度会造成干旱。土壤类型主要是潮土、褐土和砂浆黑土。研究区域的地貌主要为冲积平原，地形平坦开阔，耕地破碎度较小且耕作条件良好，水、光、热资源总体配置较好，灌溉便利，农业生产条件优越，主要种植小麦、玉米等粮食作物及棉花、果树等经济作物，农作物的成熟期为一年两熟或两年三熟，因此该区域被认为是中国最大的冬麦区和夏玉米种植区。研究区的土壤类型以棕壤、潮土、褐土为主，宜农土地资源丰富，土层深厚，耕性良好，粮食总产量约占全国的四分之一，是重要的农产品生产基地和农业经济区。

图1 黄淮海旱作区位置及土壤采样点分布Fig.1 Position of dry farming region of Huang-Huai-Hai and distribution of sampling points

基于2015 年土地利用现状图，利用ArcGIS 10.5 软件（美国ESRI 公司）提取旱地斑块，将黄淮海旱作区矢量数据与相应的行政区划数据、土壤类型数据及耕地质量等级数据叠加，获得空间属性数据。然后基于空间属性数据，以15 km×15 km 网格布点，抽样时综合考虑土壤类型、耕地质量等级、种植体系和集中连片程度等因素，布设采样点270个（图1）。样品采于2017 年5—6 月，按0～10、＞10～20、＞20～30、＞30～40 cm分层采集土样，设3个重复，应用四分法采取3 kg 土壤样品带回实验室，经自然风干、研磨、过筛后，用于分析土壤理化性质。

1.2 指标测试和计算方法

1）土壤物理指标：土壤穿透阻力采用SC-900 土壤紧实度仪（spectrum Technologies,Inc.,Springfield,IL,USA）测定；基于土壤穿透阻力突变分析来判断耕作层厚度、压实层厚度，计算耕作层穿透阻力和压实层穿透阻力、耕作层压实度、压实层压实度的平均值[23]；土壤容重采用环刀法（体积100 cm3）测定；土壤含水率采用烘干法测定。

2）土壤化学指标：包括土壤颗粒组成、土壤有机质、速效钾、全氮、有效磷、阳离子交换量。采用激光粒度仪测定土壤颗粒组成，重铬酸钾外加热法测定土壤有机质，应用流动分析仪测定全氮含量，采取分光光度计比色法测定有效磷（0.5 mol/L NaHCO3浸提），火焰光度法测定速效钾（NH4OAc 浸提），电位法测定土壤pH 值，乙酸钠-火焰光度法测定阳离子交换量。

1.3 耕层土壤质量评价

1.3.1 耕层土壤质量评价体系构建

1）指标选择

综合考虑黄淮海旱作区的耕地利用特征和指标获取难易程度，通过文献调研和专家咨询的方法[24]，基于土壤管理评估框架选择适用于研究区耕层土壤质量评价的17个指标（表1），其中土壤有机质是土壤主要营养物质，可以改善土壤的结构和持水量和提高生物活性[25]，可作为耕层土壤质量评价的关键指标；阳离子交换量是衡量土壤保肥能力评估的关键指标[26]，pH 值影响很多土壤生物学性质和化学性质间的关系[27]，耕作层厚度、压实度、穿透阻力等耕层构造特征影响作物根系生长，其皆是开展旱作农田合理耕层构建的重要参考指标[11]。

表1 耕层土壤质量评价指标及其隶属函数Table 1 Cultivated horizon soil quality evaluation index and its subordinate function

2）隶属函数构建

基于评价指标影响耕层土壤质量的正负效应建立各评价指标与耕层土壤质量之间的隶属函数，对各指标量纲进行统一。根据各评价指标对耕层土壤质量的正负效应，建立指标与耕层土壤质量指数之间的隶属函数，其中评价指标与耕层土壤质量指数呈正相关，界定为S 型函数，与耕层土壤质量指数呈负相关，界定为反S 型函数，与耕层土壤质量存在适宜的临界范围，界定为抛物线型函数[17]。评价指标实测的最大值和最小值作为S 型和反S 型隶属函数的转折点，抛物线型函数指标的转折点通过综合分析研究区域实测结果及文献 [11,17]确定。

S 型隶属函数为

反S 型隶属函数为

抛物线型隶属函数为

式中u(x)为隶属度，x为实际值。

1.3.2 最小数据集建立

基于建立的耕层土壤质量全部评价指标，应用主成分分析法，通过降维将多个指标转化为少数指标，选择具有代表性且相互独立的评价指标进入最小数据集[10]。运用SPSS 23.0 对全部指标数据集进行主成分分析，提取特征值不小于1 的主成分，将同组主成分中载荷值不小于0.5 的评价指标划分为一组，如果某评价指标在每组主成分上的载荷值都小于0.5，则将该指标划归到载荷值较高的那一组中，如果某评价指标在每组主成分的载荷值都不小于0.5，则将其划分到此指标与其主成分其他指标相关性较小的一组。分别计算每组中评价指标的载荷值。选取每组中最高载荷值的90%范围内的指标，分析各指标间的相关性。考虑研究区范围较大，若相关系数大于0.3，则载荷值值大的指标进入最小数据集，若相关系数不大于0.3，则均进入最小数据集[28-29]。

式中Normik表示第i个指标在特征值不小于1 的前K个主成分上的综合载荷值；uik表示第i个指标在第k个主成分上的载荷值；λk表示第k个主成分的特征值。

1.3.3 耕层土壤质量指数

耕层土壤质量指数（Zt）是综合定量表征耕层土壤质量状况的指标，质量指数越大，耕层土壤质量水平越高，则土地生产力越高[30]。本研究分别计算全指标数据集和最小数据集的耕层土壤质量指数，以对土壤生产力进行评价，计算式如下[31]：

式中Zt为耕层土壤质量指数，数值范围在0～1 之间；t若为TDS，表示全指标数据集；t若为MDS，表示最小数据集；Wi为第i个评价指标的权重；Ni为第i个评价指标的隶属度；n为评价指标的个数。

为更加直观评价黄淮海旱作区耕层土壤质量变化水平，采用等距离法[11]对研究区耕层土壤质量进行等级划分，共分为3个等级，分别为高（0.66＜Zt≤1）、中（0.33＜Zt≤0.66）、低（0＜Zt≤0.33）。

1.3.4 耕层土壤质量评价精度验证

利用Nash 有效系数（Ef）和相对偏差系数（ER）评价基于最小数据集得出的耕层土壤质量指数的精确度。有效系数越接近1，相对偏差系数越接近于0，表示基于最小数据集计算得出的结果精确度越高。其计算式详见文献 [32]。

式中R0与Ra分别为基于全数据集计算得出的耕层土壤质量指数和耕层土壤质量指数均值，Rc为基于最小数据集计算得出的耕层土壤质量指数。

1.3.5 障碍因子诊断模型

采用文献 [33]的障碍因子诊断模型计算障碍度：

式中Mij表示第j个样点的第i个指标的障碍度，Mi为第i个指标的平均障碍度，其数值越大表示该因素的障碍性越强；Pij表示某个耕层评价指标与耕层理想状态（隶属度为1）的差距，数值越大则表示该指标对耕层土壤质量越不利，Nij表示第j个样点第i个指标的隶属度；Wi表示第i个指标的权重。

1.4 数据处理

数据统计分析在SPSS 23.0（美国IBM 公司）中完成；主成分分析、相关性分析、正态分布检验应用SPSS 23.0完成；应用ArcGIS 10.5 软件的空间分析工具进行制图。

2 结果与分析

2.1 黄淮海旱作区耕层土壤质量评价

2.1.1 黄淮海旱作区耕层土壤质量特征

土壤理化性质是反映耕层土壤质量的常用指标，制约着土壤协调水、肥、气、热的能力。对研究区耕层土壤质量特征进行描述性统计分析，由表2 可知，耕作层平均厚度为17.21 cm，略低于适宜作物生长的耕作层厚度（20 cm）[34]，压实层厚度平均厚度达到9.59 cm，砂粒、粉粒和黏粒的平均质量分数分别为57.59%、38.25%和4.16%，且压实层的平均土壤穿透阻力为2 353.88 kPa,超过了作物根系生长的临界土壤穿透阻力2 000 kPa[35]，同时压实层平均土壤压实度较高（为83.23%），这可能是因为不合理的耕作活动和长期的农业机械碾压导致，压实层较厚且紧实。

表2 黄淮海旱作区耕层土壤质量评价指标统计特征Table 2 The indicators statistical characteristics of cultivated layer soil quality evaluation of dry farming region in Huang-Huai-Hai

根据二次土壤普查养分分级标准[36]，土壤有机质平均值为17.74 g/kg，仅为四级水平，处于中度贫瘠化水平；平均全氮和速效钾水平均为三级水平，含量分别为1.02 g/kg、129.93 mg/kg；土壤有效磷平均值为20.62 mg/kg，处于二级水平，养分含量丰富；阳离子交换量平均含量为21.08 cmol/kg，具有较强的保肥性能[26]；土壤pH 平均值为8.09，土壤偏碱性。根据变异系数的等级划分标准及其代表意义，由表2 可知，耕作层压实度、压实层压实度及土壤容重为低度变异，而其他指标均为中度变异。指标变异系数越大，指标对耕层土壤质量影响程度越大，变异系数越小，影响程度越小[17]。

2.1.2 最小数据集指标的建立

基于主成分分析的结果（表3），在耕层土壤质量评价指标中，特征值大于1 的主成分共有6个，它们的累积贡献率为79.56%，满足信息提取的要求。在PC-1 中，载荷值大于0.5 的指标有土壤有机质、砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量、全氮及阳离子交换量，因此划分为第一组，土壤含水率在PC-1 和PC-3 中的载荷值均大于0.5，而其在PC-1 中含水率与其他指标的相关性较低（表4），因此土壤含水率也划分为第一组，土壤有机质与全氮的相关系数大于0.30，与与阳离子交换量的相关系数小于0.30，故Norm值最高的有机质及阳离子交换量进入最小数据集；耕作层压实度和容重2个指标在PC-2 中的载荷大于0.5，划分为第二组，压实层厚度和压实层压实度在6个主成分中的载荷值均小于0.5，则将其划分到载荷值最高的一组，即第二组，耕作层压实度与容重的相关系数大于0.3，则组内Norm值最高的耕作层压实度进入最小数据集；耕作层穿透阻力和压实层穿透阻力在PC-3 中的载荷值大于0.5，则划分为第三组，耕作层穿透阻力和压实层穿透阻力相关性较高，则结合Norm值大小剔除压实层穿透阻力；耕作层厚度和有效磷在PC-5 中的载荷值大于0.5，划分为第四组，pH 和速效钾划分为第五组，其中组内Norm值最大的耕作层厚度和pH 分别进入最小数据集。因此最终确定土壤有机质、阳离子交换量、耕作层压实度、耕作层穿透阻力、耕作层厚度及pH 共6个指标进入最小数据集。通过提取评价指标的公因子方差，进一步确定各评价指标的权重大小。

表3 评价指标主成分因子载荷及综合载荷（Norm）值Table 3 The principal component factor load and comhensive loading (Norm) of evaluation indicator

表4 黄淮海旱作区耕层土壤质量评价指标Pearson 相关系数矩阵Table 4 Pearson correlation coefficient matrix of cultivated layer soil quality evaluation indicators in dry farming region of Huang-Huai-Hai

2.1.3 最小数据集精确度的验证

验证最小数据集评价指标体系的合理性是耕层土壤质量评价中的重要步骤。计算得出不同数据集的耕层土壤质量指数，其中全数据集耕层土壤质量指数ZTDS变化范围为0.29～0.65，均值为0.53，变异系数为12.70%，最小数据集耕层土壤质量指数ZMDS为0.25～0.61，均值为0.43，变异系数为16.39%，虽然两者均属于中度变异，但ZMDS的波动幅度相对ZTDS较大。ZTDS与ZMDS的Nash 有效系数和相对偏差系数分别为0.601 和0.181，两者呈显著正相关（R2=0.61，P＜0.05）（图2），高于同类研究[13,35]R2（0.517 和0.771）。可见，ZMDS尽管指标少，但与ZTDS较为接近，相对偏差较小，可采用MDS 代替TDS 来评价研究区耕层土壤质量。

图2 基于不同数据集耕层土壤质量指数的相关性Fig.2 Correlation of soil quality index based on different data sets

2.2 合理耕层指标阈值诊断及障碍类型划分

2.2.1 合理耕层指标阈值诊断

ZMDS取值范围在0～1，值越大，表示各评价指标对作物生长的贡献越大，作物产量也相应高[6]。根据耕层质量指数与作物产量的相关关系，划分ZMDS≤0.33为低产耕层，0.33＜ZMDS≤0.66 为中产耕层、ZMDS＞0.66 为高产耕层，研究区并没有高产耕层分布（表5）。通过实现合理的耕层管理，可以最大程度地提高土壤水、肥、气、热的蓄积和协调效应，从而为作物的生长和发育提供更加稳定的环境条件，进而保障粮食的高产稳产[5]。一般认为，合理的耕层为实现保水保肥和增产潜力应具备较厚的耕作层厚度，较高的土壤有机质和阳离子交换量，较低的土壤穿透阻力和土壤压实度。综合分析野外调查、实测结果及评价指标隶属函数类型可知，最小数据集中耕作层厚度、土壤有机质和阳离子交换量越高越好，耕作层穿透阻力和耕作层压实度则越低越好，土壤pH 值则存在一个适宜的区间，过高或过低均将成为限制因子。基于划分的不同质量类型耕层，由于研究区没有高产耕层类型，因此选择中产耕层（0.33＜ZMDS≤0.66）各指标的范围为参考值，初步界定黄淮海旱作区合理耕层最小数据集中耕作层厚度应不小于17.20 cm，耕作层穿透阻力不大于896.10 kPa，耕作层土壤压实度不大于78.01%，土壤pH 值为8.01～9.37，土壤有机质不小于17.87 g/kg，阳离子交换量不小于21.13 cmol/kg。

表5 黄淮海旱作区耕层评价指标适宜性阈值Table 5 Diagnosis of reasonable threshold of cultivated horizon in dry farming region of HuangHuai-Hai

2.2.2 障碍类型划分

明确影响耕层土壤质量的主要障碍因子和变化特征，对耕层土壤质量的提升和保护具有重要意义。因此，本研究基于研究区划分的耕层类型，以合理耕层指标的阈值为参考，应用障碍因子诊断模型计算分析了各指标的障碍度[37]。由图3 可知，耕作层厚度的障碍度为0.12（第1 类）＞0.09（第2 类）＞0.08（第3 类），且第1 类耕层的耕作层厚度的障碍度显著高于其他2 种类型（P＜0.05）；第2 类、第3 类的土壤有机质、阳离子交换量障碍度显著高于第3 类（P＜0.05）；耕作层穿透阻力的障碍度为0.16（第3 类）＞0.11（第2 类）＞0.05（第1 类）；不同耕层类型的土壤pH 值障碍度间差异不显著（P＞0.05）。综合分析比较不同耕层类型的指标障碍度发现，第1 类耕层的耕作层厚度、耕作层压实度、土壤有机质和阳离子交换量的障碍度均较高，呈现耕作层薄、压实度大、土壤有机质及阳离子交换量较低的特点，属于薄化紧实与养分贫瘠共存型障碍耕层；与第1类耕层相比，第2 类耕层仅土壤有机质和土壤阳离子交换量的障碍度较高，属于养分贫瘠型障碍耕层；与其他2 类耕层类型相比，第3 类耕层仅耕作层穿透阻力的障碍度较高，呈现耕作层穿透阻力较大的特点，属于土壤紧实型障碍耕层。

图3 黄淮海旱作区耕层指标障碍度Fig.3 Obstacles of cultivated horizon quality indicators in dry farming region of Huang-Huai-Hai

另外，从研究区综合障碍度看，黄淮海旱作区耕层土壤质量的主要障碍因子为土壤有机质含量、阳离子交换量、耕作层厚度及耕作层压实度。因此在当今农业发展的现状下，研究区需要进一步提高土壤有机质含量并配套科学的耕作技术方法，从而提高土壤保水保肥能力以达到耕层土壤质量提升的目的。

3 讨论

3.1 最小数据集的构建

本研究以黄淮海旱作区为研究对象，针对土壤物理、化学、剖面特征构建了耕层土壤质量评价，初选指标有17个，运用主成分分析法选取了耕作层厚度、耕作层穿透阻力、压实层穿透阻力、土壤有机质含量、土壤pH和阳离子交换量构建最小数据集，并通过对比基于最小数据集和全数据集计算得出的耕层土壤质量指数，验证了最小数据集在黄淮海旱作区进行耕层土壤评价的适用性。诸多研究表明[10-11,17]，一般从土壤理化性质选取指标进行基于最小数据集的土壤质量评价，在多种评价指标中，土壤有机质出现频率最高，可达96.6%，其次是容重、pH、全氮和速效钾等指标，选取频率也均达50%以上，而土壤生物指标的选取频率较低，仅在10%左右；另外，因操作性不强和数据不宜获取等原因，剖面特征指标很少在土壤质量评价中应用[38]。而本研究中选择土壤有机质和土壤pH 2个指标进入最小数据集，这与大多数研究结果相同[37]。而前人研究中选取频率较高的容重、全氮和速效钾均未进入最小数据集，主要是因为在MDS指标筛选过程中容重和耕作层压实度、全氮和有机质、有效磷和耕作层厚度分别进入了同一组，容重、全氮和有效磷的Norm值最小且与其他指标相关性较大，因此未进入最小数据集，同时研究区域尺度和样点数量也是影响最小数据集构成的重要因素[39]。前人研究土壤质量评价过于注重土壤的化学和物理特性，而没有充分考虑到耕层的垂直结构，忽略了土壤的分层结构和不同土层之间的相互作用[40]。研究表明，近年来黄淮海旱作区因连年大型机械耕作压实土壤，引起的土壤耕层变浅、压实层紧实上移等问题愈发严重[41]，耕层的剖面特征指标更是研究区合理耕层构建的重要指标。因此在今后的耕层质量保护和提升过程中应多关注以上指标。

3.2 耕层土壤合理指标阈值与障碍度分析

本研究表明，黄淮海旱作区耕层土壤质量特征差异明显，耕层土壤质量总体处于中等水平，但存在明显的障碍因素，其主要障碍因子为土壤有机质含量、阳离子交换量、耕作层厚度及耕作层压实度，其中薄化紧实与养分贫瘠共存型障碍耕层和养分贫瘠型耕层是研究区主要的障碍耕层类型，说明养分贫瘠、耕作层薄且硬是黄淮海旱作区耕地面临的主要障碍因素。本研究以中产耕层各种评价指标的范围为参考，初步界定了黄淮海旱作区的合理耕层的指标：耕作层厚度不小于17.20 cm，耕作层穿透阻力不大于896.10 kPa，耕作层土壤压实度不超过78.01%，土壤pH 值在8.01 至9.37 之间，土壤有机质不小于17.87 g/kg，阳离子交换量不小于21.13 cmol/kg。其中土壤有机质含量的阈值显著低于卓志清等[11]（≥37.51 g/kg）和梅楠等[30]（≥35.81 g/kg）在东北区域的研究结果，这主要是因为东北区域的土壤有机质本底值较高，独特的气候条件也促进了该区域有机质的积累。土壤pH 的变化范围小于吉林省黑土耕层4.74～6.96，但大于南方丘陵红壤坡耕地耕层5.04～5.38，但研究区土壤pH 较高，偏碱性。从耕层的剖面特征来看，耕作层厚度的阈值与前人在东北旱作区的研究结果（≥18.57 cm）相近[16]，却较低于红壤坡耕地的耕作层厚度（≥20.39 cm）。耕作层穿透阻力显著低于东北辽宁棕壤区（≤440.17 kPa）和南方丘陵区红壤（≤121.00 kPa），这主要与耕地利用强度和农业耕作方式有关[5,42]。综上表明，不同地区具有不同的耕层评价指标及其阈值，因此，在未来的研究中，需要结合当地的实际条件，对评价指标的阈值进行一定的调整，以建立更加精确的耕层土壤质量评价指标体系。

4 结论

本文以黄淮海旱作区耕层土壤为研究对象，综合考虑土壤物理、化学及剖面特征指标，构建基于最小数据集的耕层土壤质量评价指标体系，评价研究区的耕层土壤质量，探讨合理耕层指标的适宜性，识别耕层土壤质量的障碍因子。结果表明：

1）基于主成分分析法筛选出的土壤有机质、土壤阳离子交换量、土壤pH、耕作层厚度、耕作层穿透阻力和耕作层压实度6个指标构建的最小数据集，能够代替全部数据集对黄淮海旱作区耕层土壤质量进行评价。基于最小数据集，黄淮海旱作区耕层土壤质量指数范围在0.25～0.61，均值为0.43，耕层土壤质量总体处于中等水平。

2）黄淮海旱作区合理耕层指标的适宜值如下：耕作层厚度不小于17.20 cm，耕作层穿透阻力不超过896.10 kPa，耕作层土壤压实度不超过78.01%，土壤pH值在8.01 至9.37 范围内，土壤有机质不小于17.87 g/kg，阳离子交换量不小于21.13 cmol/kg。研究区障碍耕层类型可分为薄化紧实与养分贫瘠共存型障碍耕层（第1 类）、养分贫瘠型耕层（第2 类）、土壤紧实型障碍耕层（第3 类）。从整体来看，土壤有机质含量、阳离子交换量、耕作层厚度及耕作层压实度是主要的障碍因素，需对以上指标采取针对性的耕作和培肥措施。