2022, Vol. 59
表1(Table 1)
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 安徽省农垦集团龙亢农场有限公司, 安徽怀远 233426
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049, China;
3. Longkang Farm Co. Ltd., Anhui State Farms Group Huaiyuan, Anhui 233426, China
砂姜黑土主要分布在淮北平原，约占全国砂姜黑土面积的62%，是我国典型的中低产田[1-2]。顾名思义，砂姜黑土在土体构型上有黑土层和砂姜层，前者上覆后者，黑土层虽然颜色深，但有机质含量低（< 1%）；砂姜层一般位于20 cm以下，由粒径大小不一的碳酸钙结核组成[1]。钙质结核作为一种特殊的粗粒介质，是砂姜黑土的典型特征和重要组成部分[3]，因其状似姜形，也被称作“砂姜”。它是分散的碳酸盐在硅酸、二氧化物、三氧化物、铁和锰等吸附性物质表面与土粒胶结而成的，是一种土壤新生体[4]。砂姜一般随深度增加而增加，20~40 cm和40~100 cm土层中砂姜含量分别在0.3%左右和7%~15%[5]。砂姜的存在导致了土壤的非均质性[6]。这些粗粒介质在土壤中可起到“骨架”作用，从而影响土壤结构、持水性与导水性、入渗蒸发等水力性质的变化[7-14]，也影响土壤养分含量与分布，最终影响作物根系生长与产量[15-16]。
目前关于砂姜黑土区砂姜空间分布的研究主要集中在农田田块尺度[5-6]，研究结果表明砂姜在农田中普遍存在，并且其出现的深度和含量均有强烈的变异性，砂姜含量的变异系数最高可达300%。砂姜的形成与地下水环境、气候条件、土壤碳酸盐含量、土壤矿物组成及pH等性质密切相关[4]，它是成土过程外部环境和内在性质的共同产物，田块尺度难以反映砂姜的空间分布格局及其驱动因素。因此，本文采用经典统计学和地统计学空间变异方法，分析了淮北平原砂姜黑土区东西及南北样带中砂姜含量的空间异质性与分布特征，分析气象因子、地形因子、土壤性质与砂姜空间分布的关系，明确影响砂姜空间分布的驱动因素，以期为砂姜黑土改良提供基础数据支持。
1 材料与方法 1.1 研究区概况淮北平原位于黄淮海平原南部（114°55′~118°10′E，32°25′~34°35 N），具有明显的暖温带气候向北亚热带气候过渡的特点，年平均气温14~15℃，年平均降水介于750~950 mm，年平均蒸发量介于1 330~1 550 mm。淮北平原地势平坦，由西北向东南微倾，以黄泛平原和河间低平原地貌为主体，呈典型的堆积性地貌景观[17]。境内河网密布，广泛发育松散岩类孔隙水，有丰富的地表水和地下水资源[4]。成土母质由第四纪堆积物及黄河南泛留下的大量泥沙形成。
本文以淮北平原广泛分布的砂姜黑土为研究对象。根据淮北平原的气象和地形的分布特征，选取具有气象梯度、地形梯度的东西及南北两条代表性样带。其中南北样带北起河南省鹿邑县，南至安徽省怀远县，全长195 km，约6.5 km为间隔布设29个样点；东西样带西起河南省上蔡县，东到安徽省泗县，全长360 km，约10 km为间隔布设35个样点，如图 1所示。利用手持GPS记录各采样点的经纬度坐标。通过查阅中国土壤数据库（http://vdb3.soil.csdb.cn）得知，所研究样点覆盖的土种主要有黄姜土、白姜土、黑姜土、姜地砂姜黑土及少姜地灰黑姜土等。各样点土地利用均为旱地，轮作制度多为冬小麦夏玉米；高程变化介于19~60 m，地下水多在1~3 m之间，汛期可上升至1 m以内，地下水化学类型为HCO3–-Na（Mg）、HCO3–-Ca·Na（Ca·Mg）等[4]。
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图 1 淮北平原砂姜黑土区样点分布图 Fig. 1 Distribution of the sampling sites in the Shajiang black soil region of the Huaibei Plain |
采用电动土钻（内径10 cm）采集各样点0~100 cm剖面9个土层，分别为0~20、20~30、30~40、40~50、50~60、60~70、70~80、80~90和90~100 cm的土壤样品。将土壤样品带回实验室混合均匀后取出约1 000 g样品进行105℃烘干称重（mT），自来水冲洗泥土后收集 > 2 mm砂姜并烘干。将砂姜分为2~5 mm、5~10 mm、10~20 mm和 > 20 mm等4个粒级，分别对每一级砂姜进行称重（mRi），精确至0.01 g，计算砂姜含量：
| $ {W_i}\left( {{\rm{g}} \cdot {\rm{k}}{{\rm{g}}^{ - 1}}} \right) = \frac{{{m_{{R_i}}}}}{{{m_T}}} \times 1000 $ | (1) |
| $ W\left( {{\rm{g}} \cdot {\rm{k}}{{\rm{g}}^{ - 1}}} \right) = \sum\limits_{i = 1}^n {{W_i}} $ | (2) |
式中，Wi为不同粒级砂姜含量（g·kg–1），mRi为各粒级砂姜质量（g），mT为土壤（包含砂姜）质量（g），i代表砂姜不同粒级（n=4），W为土壤中砂姜含量（g·kg–1），即2~5 mm、5~10 mm、10~20 mm和 > 20 mm等4个粒级之和。
1.3 土壤基本性质的测定在砂姜采样点附近随机选取3个样点，采用四分法采集0~20 cm土层混合样品1 kg左右，带回实验室风干过2 mm筛后测定土壤性质[18]：土壤颗粒组成采用吸管法，阳离子交换量（CEC）采用乙酸铵交换法，pH测定采用1︰2.5土水比电位法，全钙及全镁含量采用吸收光谱法（PE900T）。
土壤矿物组成采用X射线衍射法[19]。首先将过2 mm筛后的土壤样品用稀HCL去除碳酸盐，浓H2O2去除有机质，用0.5M NaOH调节悬浮液pH为7.3左右，经过超声波分散，以自由沉降法提取 < 2μm黏粒并称重，计算土壤中 < 2μm黏粒含量；对于 < 2μm的黏粒，Mg2+饱和后，用甘油水溶液处理，制成定向薄膜，置于KNO3饱和溶液的干燥器中干燥24 h后，进行X衍射分析；对于 > 2μm粗粒，先将样品磨细后，装入玻璃试样盘中，轻轻压紧后直接进行X射线衍射分析。X射线衍射仪型号为日本理学Ultima IV，测定条件为Cu靶，管压40 kv，管流40 mA，石墨单色器滤波，扫描步长0.02°，扫描速度2°·min–1。
1.4 地形与气象数据以东西及南北样带所在区域13个气象观测站（图 1）1970—2019年气象数据为基础（中国气象数据网，http://data.cma.cn/），采用普通克里格插值的方法获取区域尺度下年均降水量、年均气温、年均蒸发量的分布图，结合研究区域的DEM图，利用地统计软件提取样带各样点的气象数据和地形因子数据。
1.5 数据处理综合利用数理统计和地统计空间变异分析方法，基于Arc GIS（ESRI® Arc MapTM 10.2）等相关软件，分析砂姜、地形、气象因子的数量特征和变异特征，采用普通克里格插值的方法构建0~100 cm剖面砂姜的空间分布图。数据的基本统计特征、相关性分析、主成分分析采用IBM Statistics SPSS 19.0。
2 结果 2.1 不同深度砂姜含量和粒级分布特征表 1显示东西和南北两条样带砂姜含量的统计结果。砂姜在这两条样带0~100 cm土层中，0~30 cm土层砂姜含量较少，均低于10 g·kg–1，随土层深度增加砂姜含量呈增加趋势；东西和南北样带的平均砂姜含量分别为14.34 g·kg–1和18.34 g·kg–1，但是极大值分别达到56.47 g·kg–1和49.87 g·kg–1。从各土层的极大值来看，东西向样带从20 cm土层开始显著增加（154.6 g·kg–1），而南北向样带则从40 cm土层开始显著增加（89.04 g·kg–1），可以说明砂姜层出现的深度。
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表 1 东西和南北两条样带中砂姜含量 Table 1 Contents of Shajiang in the west-east and north-south bands |
表 2为东西及南北两条样带不同粒径砂姜含量组成比例的统计结果。可以看出两条样带0~100 cm土层内均以2~5 mm粒级的砂姜组成比例最大，分别为39.8%和45.6%，10~20 mm粒径砂姜的平均含量其次，以大于20 mm的粒级占比最小，两条样带的含量均低于10%。在各个土层中，除东西样带20~40 cm土层外，其他均以2~5 mm粒径的砂姜含量占比最大（33.76%~57.98%），因此，2~5 mm粒径颗粒是该地区砂姜的主要组成部分。
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表 2 东西和南北两条样带中不同粒径的砂姜组成比例 Table 2 Particle size composition of Shajiang in the two bands /% |
图 2为采用普通克里格插值法得到的砂姜含量空间分布图。两条样带中砂姜含量空间分布规律相似：东西样带从西向东、南北样带从北到南，水平方向上砂姜含量逐渐增多，垂直方向上砂姜含量也明显增加，埋藏深度逐渐变浅。
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图 2 东西及南北样带中砂姜含量的空间分布特征 Fig. 2 Spatial distribution of Shajiang content in the west-east and north-south bands /(g·kg–1) |
从局部来看，两条样带的砂姜含量分布呈现出小区域聚集分布的特点。东西样带砂姜主要集中分布在样带的3个区域：西部60~120 km区域，砂姜层埋深在70 cm土层以下；中部150~200 km区域，从表层到底层均有砂姜出现但60 cm土层以下含量较多；东部230~350 km区域，此区域内砂姜埋深变化范围大，从表层至60 cm土层不等，20~40 cm土层砂姜分布最为集中。南北样带中砂姜同样集中分布于3个区域：北部13~52 km区域，砂姜埋深50~70 cm土层不等；中部65~130 km及南部130~188.5 km区域，砂姜多分布于40~50 cm土层以下，浅处在地表附近有大量砂姜分布。
2.3 土壤性质、地形及气象因子的空间分布特征从图 3可以看出，东西样带从西到东，pH无明显变化规律，CEC有增大的趋势，全钙及全镁含量除在在样带100 km附近及350 km处含量明显升高外，其他区域变化平稳。对于南北样带而言，从北向南，pH有减小的趋势，全钙及全镁含量降低明显，同样，CEC表现出增大的趋势。对于颗粒组成而言（图 4），两条样带均以粉粒含量最大，砂粒最少。在东西样带中除在100 km附近粉粒明显增多、黏粒明显降低外，其他区域土壤颗粒组成差异不大。在南北样带中，从北向南，粉粒含量逐渐降低，黏粒含量逐渐增加，砂粒含量变化趋于平稳。
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图 3 东西及南北样带土壤pH、CEC、全钙及全镁含量空间分布特征 Fig. 3 Spatial distribution of soil pH, CEC, total calcium and total magnesium separately in the two bands |
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图 4 东西及南北样带土壤颗粒组成空间分布特征 Fig. 4 Spatial distribution of soil particle composition in the two bands |
由图 5可知，在粗粒矿物组成中，两条样带均以石英组成比例最大，其次为长石。东西样带从西向东，石英组成比例逐渐增多，水云母逐渐减少，其他矿物变化规律不明显；南北样带从北向南，石英组成比例同样表现出逐渐增多的规律，水云母、绿泥石、闪石及长石逐渐减少。对于黏粒矿物组成的空间分布（图 6），两条样带均以蒙脱石组成比例最大，石英及蛭石最少，均在10%以下。东西样带内黏粒矿物变化趋势不明显，但总体来看，东部蒙脱石含量较高，西部水云母、绿泥石及高岭石含量较高，其他矿物组成比例差异不大；南北样带中从北向南蒙脱石组成比例呈增加趋势，绿泥石、高岭石和水云母呈减少的趋势，蛭石和石英组成比例差异不明显。
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图 5 东西及南北样带土壤 > 2 μm粗粒矿物组成空间分布特征 Fig. 5 Spatial distribution of > 2μm fraction of coarse minerals in the two bands |
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图 6 东西及南北样带土壤 < 2 μm黏粒矿物组成空间分布特征 Fig. 6 Spatial distribution of < 2μm fraction of clay minerals in the two bands |
图 7为两条样带中气象因子和地形因子的分布图。两条样带的地形及气象因子均存在明显的梯度变化：在东西样带从西向东，年均蒸发量（1 471~1 559 mm）、高程（19~60 m）逐渐减小，年均降水量（806~918 mm）逐渐增大，而年均气温（14.94~15.09℃）呈先升高后降低的趋势，但降低幅度小，不足0.1℃。在南北样带中，由北到南，气象因子（年均蒸发量1 494~1 544 mm、年均降水量750~924 mm）和地形因子（高程21~41 m）的变化趋势与东西样带相似，不同的是年均气温（14.89~15.16℃）呈逐增大的变化规律。
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图 7 东西及南北样带地形及气象因素空间分布特征 Fig. 7 Spatial distribution of mean annual precipitation(MAP), temperature(MAT), evaporation(MAE)and elevation(ELEV)in the two bands |
表 3为采用Pearson相关分析方法得出的土壤性质、地形及气象因素与砂姜含量之间的相关系数。从分析结果可以看出，土壤矿质元素可影响砂姜含量，全钙含量与20~80 cm土层的砂姜含量间具有显著负相关性（P < 0.05），而pH、CEC、颗粒组成与砂姜含量间的相关性均未达到显著水平。
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表 3 土壤性质、地形及气象因素与不同土层砂姜含量之间的相关性（n=64） Table 3 Relationships between content of Shajiang and its influencing factors |
土壤矿物种类不同对砂姜含量的影响程度不同，粗粒矿物石英与0~100 cm土层内砂姜含量间具有显著正相关性（P < 0.05），而黏粒矿物中高岭石与0~100 cm与之具有显著负相关性（P < 0.01）。同时，土壤矿物对不同土层砂姜含量的影响程度也不同，除上述提及石英和高岭石外，黏粒矿物蒙脱石也与20~80 cm土层的砂姜含量间具有极显著正相关性（P < 0.01），而粗粒及黏粒矿物中的水云母、绿泥石与其具有显著的负相关性（P < 0.05）。此外，只有粗粒矿物石英与0~20 cm土层的砂姜含量间呈显著正相关（P < 0.05）。通过以上分析可知，土壤矿物显著影响0~100 cm土层内砂姜的形成，主要是通过影响20~80 cm土层来实现的。
地形与气象因子显著影响砂姜含量，高程、年均蒸发量与0~100 cm土层砂姜含量间具有极显著的负相关性（P < 0.01），而年均降水量、年均温度与砂姜总含量间有极显著的正相关性（P < 0.01）。同样，地形及气象因子对不同土层砂姜含量的影响程度不同，地形及气象因子只与20~80 cm土层的砂姜含量间具有极显著的相关性（P < 0.01），而与0~20 cm及80~100 cm土层的砂姜含量间的相关性未达到显著水平。由此可以认为，地形和气象因子对砂姜的形成影响显著，且对20~80 cm土层的影响程度最大。
为了进一步量化各影响因素对砂姜含量的影响程度，确定影响砂姜含量的主控因素，根据表 3的相关分析结果，对土壤性质（土壤矿物组成及全钙含量）、地形因子（高程）及气候条件（年均蒸发量、年均降水量、年均气温）做主成分分析后计算出各指标对砂姜含量影响的权重（表 4）。从表中可以看出，研究区的地形及水热条件对砂姜含量影响的权重（分别37.47%和38.41%）较土壤性质的影响权重（24.12%）更大。在单个指标对砂姜含量的影响中，以年均降水量的影响权重最大（11.76%），其次为年均蒸发量、年均气温和高程（10.71%~10.87%）。在土壤性质中，黏粒矿物蒙脱石对砂姜含量影响的权重也较大，为9.34%。因此可以认为，研究区的地形及气候条件是影响砂姜含量的主控因素。
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表 4 单个因素对砂姜含量影响的权重 Table 4 Weight of each influencing factor on content of Shajiang |
砂姜黑土土体深厚，其中上覆黑土层是数千年前草甸潜育化过程的产物，而土体中数层砂姜则是过去和现在一直进行的成土地球化学过程[20]。本研究发现，东西向及南北向两条样带随土层的加深砂姜含量呈增大趋势，且0~100 cm土层内均以2~5 mm粒级的砂姜含量最多（表 2），这主要与砂姜的发育过程有关。大粒径砂姜的形成对土壤环境条件要求苛刻，且需长时间的积累，即使环境发生微小变化时，土壤中的CaCO3的浓度也会在临界饱和度附近波动，砂姜随之长长停停，有时甚至还会重新溶解[21]，随着土层深度的增加砂姜形成条件逐渐稳定。在工程地质中的研究也表明，土壤剖面1 m内多是粉碎的钙质结核，在下部粒径较大而质地硬，在3 m以下则形成钙质硬磐层[4]。此外，砂姜在表层中含量低，也有可能与当地农民在长期耕作过程中将大粒级的砂姜清理出去有关。
3.2 砂姜形成与分布的驱动因素本研究发现淮北平原从西北到东南砂姜含量逐渐增多，埋深由深变浅（图 2），这与研究区域的土壤性质、地形及气象因素变化规律吻合（图 3~图 7）。相关分析表明，土壤全钙、绿泥石及水云母、高程、年均蒸发量与砂姜含量间呈显著或极显著负相关性，而粗粒矿物石英、黏粒矿物蒙脱石、年均降水量、年均气温与砂姜含量间呈显著或极显著正相关（表 3），主成分分析也表明，研究区的地形及气候条件对砂姜含量影响的权重系数较土壤性质的权重系数大（表 4）。这是因为淮北平原土壤的母质来自于黄土或黄土类物质，其富含碳酸钙，这为砂姜的形成提供了物质基础，而地形因子、降水及蒸散发可显著影响碳酸钙沉淀结晶强度[1, 22]。此外，地形及气候条件会影响土壤性质，而土壤性质又可反作用于微区域的水热条件。因此，研究区的地形及气候条件对砂姜含量的影响起主导作用。有学者指出土壤pH的增大，可促进碳酸钙的沉淀[22]，但是本次研究中土壤pH、CEC对砂姜含量的影响未达到显著性（表 3）。主要原因是此次研究的土壤样品取自耕作层（0~20 cm），长期施用化肥及土壤培肥可能改变土壤相关性质[23]，掩盖了自然成土过程中pH等对砂姜形成的影响。
砂姜是成土过程中钙元素迁移和富集的结果。因此，砂姜中富集的元素正是土壤中相对亏缺的元素[24]。本研究结果发现砂姜含量与土壤Ca离子呈负相关也证实了这一现象。土壤水是重碳酸钙运动的载体，水分运动受地下水位、降雨和蒸散发等影响。本研究发现砂姜含量与高程呈极显著负相关（P < 0.01），与降雨呈正相关（P < 0.01）。可见，土壤中Ca离子含量少，主要原因受雨水淋洗作用。而砂姜的形成除了雨水淋洗所带来的钙离子外，还有来自地下水上升所带来的Ca离子。但是，砂姜中Ca离子主要来源富含HCO3-Ca2+的浅层地下水[24]。因此高程越大，越不利于砂姜的形成。淮北平原从北到南、从西到东，高程逐渐降低，地下水位则可能逐渐变浅[25-26]，这为砂姜的分布提供了地下水环境。现有研究也表明，砂姜的分布规律与地面高程的变化情况一致，在古河道高地、泛滥微高地少见有砂姜分布[4]。
淮北平原降水集中且多暴雨，是地下水补给的主要来源[27]，雨季和旱季地下水位变动在0.5~1 m，有时可达地表[20]。此外土壤淋溶强度也随降水量的增加呈对数增大[28]，淋溶作用越强，土壤溶液中易溶性重碳酸钙含量越高。降水过后土壤逐渐变干，强烈的蒸发有利于碳酸钙的沉淀，但在蒸发量大于降水量的前提下，若蒸发速率过快，含重碳酸钙的土壤水上行过程中在土体中停留时间过短，不利于砂姜的进一步长大[22]。更重要的是，蒸发速率的大小对于地下水位保持也有不可忽视的影响，两者具有负相关性[29]，而地下水在这一层位保持时间的长短也是影响砂姜进一步发育的重要因素[29]。土壤水分蒸发需要驱动力，而温度是极其重要的影响因素之一[31]，且温度与降水之间关系显著。此外温度的升高可显著提高土壤CO2的溶解度[32]，促进难溶性碳酸钙的淋溶。因此，温度主要是通过影响蒸散发作用来影响砂姜的形成。研究区从西北到东南，年均降水量逐渐增加、年均气温升高，而年均蒸发量逐渐减小，因此砂姜形成与发育的结晶动力不同，导致了砂姜含量空间分布的差异。
黏粒矿物显著影响土壤水分运动。蒙脱石具有强胀缩性，富含蒙脱石的土壤在含水量降低时即可急剧收缩而产生大量裂缝，为含重碳酸钙的地下水蒸发提供了通道[33]，促进了土体内碳酸钙的沉淀。而在土壤湿时黏粒吸水膨胀，裂隙闭合，使水分渗流异常缓慢，由于底层土壤CO2含量少，亦可造成碳酸钙的沉淀[4]。淮北平原季节性的干湿交替，有利于蒙脱石形成，且水云母、绿泥石、高岭石等矿物在此环境条件下易于向蒙脱石转换[34-35]。土壤溶液中碳酸钙开始沉淀时多以石英等碎屑为沉淀中心[36]，所以土壤中粗粒矿物石英越多，越有利于碳酸钙的沉淀。淮北平原从西北到东南，因砂姜发育对钙等元素的富集，使得土壤中的钙元素逐渐减少，而石英、蒙脱石含量逐渐增加，这为碳酸钙的持续沉淀提供了物质基础与前提条件。
本研究还发现土壤性质、地形及气象因素对各土层砂姜含量的影响程度不同，其中对20~80 cm土层内砂姜影响程度最大，主要是因为20~80 cm土层受降水入渗及蒸发影响大[27, 31]，地下水位多在此范围变动[20]，淋溶淀积作用及水分蒸发过程中碳酸盐沉淀作用强烈。砂姜的分布规律在大区域下与土壤性质、气象及地形因子变化规律吻合的同时，也出现了小区域聚集分布的特点，且砂姜的埋藏深度深浅不一，在20~60 cm土层不等（图 2），有些地区在地表处即有出现，造成这种现象的主要原因与微域地形变化（图 7）有关[4]，另一方面土壤侵蚀[4]和人为活动也会改变砂姜的垂直分布[6]，表层土壤的流失和翻耕使得砂姜出露于地表。
综上所述，河湖相沉积物及地形条件为砂姜的形成提供了物质基础，地下水环境和适宜的气候条件则为碳酸钙的沉淀结晶提供动力，在年复一年的土体干湿交替作用下，砂姜逐渐形成。也正是由于淮北平原地形、气候条件及土壤性质在空间分布上存在不均匀和差异性，导致了砂姜形成与发育的条件不同，促使了淮北平原砂姜空间分布格局的形成。其中，地形及气候条件是砂姜空间格局形成的主要驱动力。
4 结论基于淮北平原砂姜黑土区东西和南北两条样带砂姜含量及其驱动因素的分析，本研究主要结论如下：（1）砂姜含量存在明显的深度依赖性。0~100 cm的土体中，砂姜层多出现在20~60 cm以下，砂姜含量随深度增加而增加。（2）砂姜以2~5 mm的小粒级为主体，而大于20 mm的砂姜质量占比很低。（3）土壤性质、地形及气候条件是影响砂姜形成的重要因素。从内因上，砂姜常与粗粒矿物石英和黏粒矿物蒙脱石伴生；从外部因素上，地下水位埋深浅和干湿分明的温暖湿润气候条件下有利于砂姜的形成。（4）砂姜在空间上存在西低东高、北低南高的分布格局。淮北平原砂姜黑土区，从西北到东南，地势逐渐降低，温度逐步升高，降水有所增加，并且土壤性质也具有一定的空间不均匀性，外部环境及内在性质的空间格局是砂姜含量呈现西北到东南逐步升高趋势的重要驱动力。
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