耕地是农业生产中最基本的资源之一，决定着我国粮食生产和农民的经济收入，在保障国民经济健康发展的同时保证社会政治稳定，所以耕地的合理利用显得尤为重要^[1]。当前，耕地土壤退化是耕地面临的最为严重的问题之一，其中有机质含量降低和土壤酸化是较为突显的两个内容^[2]。耕地土壤有机质和pH是衡量耕地生产力的重要指标^[3]，也是衡量耕地质量的重要的综合指标^[4]，它们的变化直接影响土壤质量和农田生产力^[5]。东北黑土区是我国重要的粮食生产基地，在国家粮食安全和粮食战略中起到了至关重要的作用^[6]。但是当前，由于长期的不合理耕作使得东北黑土退化严重，土壤有机质不断减少、土壤持续酸化等问题突显。党中央、国务院高度重视东北黑土地保护，明确提出要采取有效措施，加快实施“藏粮于地、藏粮于技”战略，以巩固提升粮食综合生产能力、保障土地资源安全和农业生态安全为目标，依靠科技进步，加大资金投入，调整优化结构，创新服务机制，推进工程与生物、农机与农艺、用地与养地相结合，改善东北黑土区设施条件、内在质量、生态环境，切实保护好黑土地这一珍贵资源，夯实国家粮食安全的基础。因此，当前对东北黑土地退化、合理利用与保护研究显得更加重要^[7]。评估东北黑土地有机质和pH的区域变化规律和相关关系，可为深入了解东北黑土区耕地土壤酸碱性和有机质的演变趋势提供科学依据，为深入研究耕地地力提升及耕地资源合理利用提供基础资料。为此，本研究以东北典型黑土区为研究对象，利用地统计学方法和GIS技术^[8]，对东北典型黑土区有机质和pH空间变化规律及关系进行研究，旨在为进一步研究该地区土壤退化、防治耕地地力降低和恢复东北典型黑土区耕地质量提供基础理论指导。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

东北地区耕地资源自然条件优越，土壤肥沃，是我国重要的粮食生产区。该区常住人口1.09亿，占全国总人口的7.96%；粮食播种面积218万km²，共占全国的17.91%；粮食的总产量11 973.50万t，占全国19.27%。其中，东北地区的典型黑土区的土壤最为肥沃、耕地生产力最高、粮食生产能力最强^[9]。该区域是我国东北地区黑土分布的核心区域，位于东北平原中部，跨越黑龙江、吉林和辽宁三个省份。地处北纬42°23′ ~51°00′，东经123°32′ ~128°19′，位于亚洲大陆的东部，大陆性气候明显，属于温带季风性气候，冬夏温差大。地貌以平原为主，纵贯东北三省，形状呈不规则的“刀把型”。主要包括黑龙江省的25个县，吉林省的13个县以及辽宁省昌图县在内的共计39个县。研究区位置如图 1所示。

1.2 数据来源与研究方法

研究区行政区划图、耕地利用现状图、耕地采样点数据主要来自2007—2012年东北三省耕地质量调查与评价数据。根据记录的样点位置、有机质含量、pH值信息，结合行政区划图和耕地利用现状图，利用GIS技术建立了采样点分布图(图 1)。共收集采样点数据7438个，其中黑龙江省5474个(代表面积56 274.69 km²)、吉林省1688个(代表面积23 067.58 km²)、辽宁省276个(代表面积3 683.39 km²)，研究区各省份采样点的有机质和pH数据描述见表 1。本研究利用ArcGIS 9.3软件中反距离加权插值方法对采样点有机质和pH数据进行空间插值，得到的栅格数据结果通过区域统计赋值到耕地利用现状图图斑上，最终形成耕地有机质与pH分布专题图，专题图各级别断点按照第二次土壤普查有机质和pH分级标准进行分级(表 2)。

数据处理和统计分析采用Microsoft Excel 2016，有机质含量和pH的相关性分析采用SPSS软件进行。

2 结果与分析 2.1 东北典型黑土区耕地有机质空间变化

东北典型黑土区耕地有机质平均含量为26.57 g·kg^-1，其区域含量变化如图 2所示。从南北方向看，有机质的分布总体呈现由北向南逐渐降低的趋势，并且按照黑龙江省、吉林省、辽宁省的顺序依次递减。由东西方向看，有机质含量东部高西部低，且三个省份内部的有机质变化规律均呈现东部高西部低的趋势。土壤有机质很丰富(>40 g·kg^-1)的地区主要是黑龙江的嫩江县、五大连池市、克山县、克东县、海伦市等地区，而依安县、拜泉县、望奎县等地区土壤有机质含量为丰富(30~40 g·kg^-1)。吉林省的有机质平均含量为中等(20~30 g·kg^-1)，平均值24.43 g·kg^-1，在其省内大部分地区分布，少部分地区有机质含量丰富(30~40 g·kg^-1)。辽宁省内的典型黑土区面积较小，主要位于辽宁北部昌图县小部分区域，黑土区耕地有机质含量较缺乏(10~20 g·kg^-1)，平均值为17.10 g· kg^-1，最小值为8.41 g·kg^-1，最大值为39.13 g·kg^-1。

表 3为东北典型黑土区耕地有机质的面积分布，可以看出整个调查区域有机质级别范围为1~5级，分布面积最多的是3级(20~30 g · kg^-1)，面积为26 518.98 km²，占总面积的31.94%，分布面积最少的是5级(6~10 g·kg^-1)，面积为0.46 km²，占总面积的0.01%。1、2级和4级的分布面积分别为25 954.37、23 591.02 km²和6 960.83 km²，占比分别为31.26%、28.41%和8.38%。

2.2 东北黑土区耕地pH空间变化

从表 1和图 3可以看出，东北典型黑土区耕地pH平均值为6.4，总体呈弱酸性，最大值为9.4，最小值为4.1。整个调查区域由东向西pH逐渐增加，而南北向并未呈现出明显的规律。黑龙江省内典型黑土区耕地平均pH值为6.4，最大值为8.9，最小值为4.1，变异系数为11.45%。其中嫩江县、五大连池市、克东县、北安市、海伦市、巴彦县绝大部分pH值在5.5~6.5之间，呈弱酸性；讷河市、克山县pH在6.5~7.5之间，呈中性；东部的依安县、兰西县耕地呈弱碱性(pH 7.5~ 8.5)。吉林省内典型黑土区耕地pH平均值为6.6，最大值为9.4，最小值为4.1，变异系数为15.41%。其中九台区、二道区、南关区典型黑土区耕地pH值处于2级和3级，即酸性和弱酸性(pH 4.5~6.5)；农安县典型黑土区耕地土壤pH值大部分处于4级中性和弱碱性之间(pH 6.5~8.5)。辽宁省内典型黑土区耕地平均pH值为6.2，最大值为8.7，最小值为5.2，变异系数为13.25%。其中昌图县大部分处于3级，即弱酸性(pH 5.5~6.5)。

表 4为东北典型黑土区耕地pH面积分布情况。总体看，pH面积分布主要集中于3~5级(pH 5.5~ 8.5)。其中，分布最多的是3级，即弱酸性(pH 5.5~ 6.5)，面积为45 941.29 km³，占总面积的55.334%；4级中性(pH 6.5~7.5)的分布面积为23 740.93 km³，占总面积的28.595%；pH为5级(pH 7.5~8.5)的土壤面积为9 726.45 km³，占总面积的11.715%；pH为2级酸性(pH 4.5~5.5)的土地面积为3 615.29 km³，所占比重较小，占总面积的4.354%；调查区内没有1级(pH < 4.5)和7级(pH>9)的耕地土壤。

2.3 东北典型黑土区耕地有机质和pH的相关性

由表 5可以看出，东北典型黑土区耕地有机质含量和pH相关系数为-0.204，呈极显著负相关，其中三个省份的耕地有机质含量和pH均呈极显著相关(P < 0.01)，相关系数分别为0.220、0.141和-0.292，表现为辽宁省和吉林省都呈极显著正相关，而黑龙江省呈极显著负相关。从结果上看，虽然都存在显著相关性，但相关系数相对较低，说明有机质和pH区域上仍然存在其他扰动因素，而且各区域间存在扰动因素的差异性，因此未来应进一步从多因素角度进行耦合分析。

3 讨论

土壤有机质变化的影响因素包括自然因素和人为因素^[10]，有机质的含量和质量在一系列自然和人为因素综合作用下保持着动态的平衡稳定关系^[11]。研究表明有机质含量不仅与温度、降雨量等自然气候因素有显著的相关性，而且还会随地势高度和地貌类型的变化而有所差异^[12-13]。东北典型黑土区耕地有机质呈现北高南低、东高西低的空间分布趋势，一方面与北部温度低、南部温度高、东部降水多于西部等气候条件差异有关，从而直接影响了有机质的积累；同时，南部农田耕作管理及开垦时间较北部长，也加大了有机质下降的可能性。此外，局部有机质的高低也与施肥不均衡、微地形的起伏有较大的关联^[14]。

土壤酸碱度(pH)是土壤形成过程中产生的一种自然属性，受到众多自然和人为因素的影响。对于土壤本身来说，土壤处于中性和偏酸性(5.0 < pH < 7.5)，特别是中性(6.5 < pH < 7.5)范围时，对酸性物质的输入较敏感^[15]。东北典型黑土区耕地土壤pH面积分布最多的是第3级(pH 5.5~6.5)，总面积为45 941.29 km³，占总面积的55.33%，说明该地区大部分土壤酸碱度对酸性物质的输入比较敏感，自然酸化、环境的改变、农业耕作方式、管理方式(化肥的投入)等都是导致东北黑土区pH呈现西高东低的原因。

从耕地自然质量的角度来看，高质量与数量的有机质和适宜的酸碱度是从事农业生产并获得高产的良好土壤肥力供给的重要因素^[16-17]。因此，探讨耕地中有机质与酸碱度之间的变化关系显得尤为重要^[18]。研究发现，我国地带性土壤表层有机质含量与pH之间存在显著的负相关关系，即随着土壤pH升高，有机质含量显著降低^[19]，本研究中东北典型黑土区三个省份的耕地有机质含量和pH均呈极显著相关(P < 0.01)，黑龙江省呈极显著负相关，这表明在同一时期内pH对有机质含量有着一定的影响，这也与土壤酸碱性会影响有机质周转过程的研究结论较为相符。但是在分析结果中，辽宁省和吉林省都呈极显著正相关，由此分析二者变化的相互影响需要中间因素的介入来间接反映，这些因素可能包括影响土壤性质差异的各种因素，如土壤质地、气候、微生物、种群结构等^[20]。此外，也可能包含农户耕作管理等因素。所以，影响有机质含量与pH值分布的因素较复杂，并且不同地区间的变化差异及相互关系可能不一致，需要今后进一步深入研究，这将对摸清有机质和pH的空间变化规律和提升耕地质量提供重要的理论参考。

4 结论

(1)东北典型黑土区耕地有机质的分布总体呈现由北向南逐渐降低、东部高西部低的趋势，有机质平均含量为26.57 g·kg^-1，3级(20~30 g·kg^-1)分布面积最多，占总面积的31.94%，5级(6~10 g·kg^-1)分布面积最少，占总面积的0.01%。

(2)东北典型黑土区耕地pH由东向西逐渐增加，而南北方向未呈现出明显规律，平均值为6.42，总体呈弱酸性，集中分布于3~5级(pH 5.5~8.5)，其中3级(pH 5.5~6.5，弱酸性)分布面积最大，占总面积的55.33%。

(3)总体上，东北典型黑土区有机质和pH呈负相关性，但局部趋势不同，其中黑龙江省呈极显著负相关，辽宁省和吉林省呈极显著正相关，表明这两个因素在局部的作用关系受到其他因素影响。今后对不同区域耕地质量的保护和管理要重视多因素耦合关联分析。