徐露　張丹　蔣豪

摘要：對四川省4個(gè)植煙區(qū)（攀枝花、廣元、宜賓、瀘州）的土壤樣本進(jìn)行養(yǎng)分測定，選取了陽離子交換量（CEC）、有機(jī)質(zhì)、pH、速效鉀、堿解氮、全氮、全磷和全鉀8項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)。運(yùn)用主成分分析法確定各評價(jià)因子權(quán)重，隸屬度函數(shù)模型確定各評價(jià)因子隸屬度值，進(jìn)而根據(jù)加乘法原理計(jì)算出土壤肥力綜合指數(shù) （IFI），最后根據(jù)各樣地IFI得分對土壤肥力進(jìn)行分級。結(jié)果表明，攀枝花和廣元植煙區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀、堿解氮含量都偏低，瀘州植煙區(qū)除堿解氮外其他營養(yǎng)成分含量都適中，適宜煙草生長，土壤肥力較高。四川省4個(gè)植煙區(qū)土壤肥力可分為Ⅰ級（較高），Ⅱ級（中等），Ⅲ級（較低），Ⅳ級（低）四個(gè)等級。4個(gè)植煙區(qū)土壤肥力質(zhì)量排名為瀘州>廣元>宜賓>攀枝花。

關(guān)鍵詞：土壤肥力；植煙區(qū)；主成分分析法；評價(jià)

中圖分類號(hào)：S572；S158.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）18-3433-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.18.011

Abstract： In order to understand the soil fertility in the four tobacco-growing areas， several soil samples were selected as the tested materials to analyzed their nutrient index， including cation exchange capacity（CEC）， organic matter， pH， available potassium， available nitrogen， total nitrogen， total phosphorus and total potassium eight evaluation indicators. The method of principal component analysis and the model of membership function were applied to determine the weighted value and the membership degree of each soil nutrient index， according to the principal of multiplication to calculate integrated fertility index（IFI）. The results showed that the contents of organic matter， available potassium and available nitrogen were high both in Panzhihua and Guangyuan tobacco-growing areas. In Luzhou tobacco-growing area， all of the nutrition contents were moderate except available nitrogen. The area was suitable for tobacco growth， and the soil fertility was high. The soil fertility could be classified into four groups of higher， medium， low， lower on the IFI. The soil fertility rank was Luzhou>Guangyuan>Yibin>Panzhihua.

Key words： soil fertility； tobacco-growing area； principal component analysis； evaluation

土壤肥力是土壤的本質(zhì)屬性，是反映土壤肥沃性的一個(gè)重要指標(biāo)。美國土壤學(xué)會(huì)把土壤肥力定義為在內(nèi)外因素（光照、溫度和土壤物理?xiàng)l件等）都適合植物生長時(shí)，土壤以適當(dāng)?shù)牧亢推胶獾谋壤蛑参锕?yīng)養(yǎng)分的能力。煙草正常生長所需的營養(yǎng)元素主要來自土壤。土壤養(yǎng)分的豐缺直接影響煙草生長狀況、質(zhì)量及產(chǎn)量[1，2]。因此，對土壤肥力的正確認(rèn)識(shí)和客觀評價(jià)是提高煙草質(zhì)產(chǎn)量及更好利用土壤資源的依據(jù)[3]。近年來，越來越多的評價(jià)方法應(yīng)用到土壤肥力評價(jià)中。目前，使用的評價(jià)方法主要包括主成分分析法、模糊綜合評價(jià)法、聚類分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法等[4]。本研究主要采用主成分分析法和模糊綜合評價(jià)法對四川省4個(gè)植煙區(qū)土壤進(jìn)行綜合評價(jià)，旨在為不同植煙區(qū)提出適宜的施肥和管理策略提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

土壤樣品采集于四川省4個(gè)植煙區(qū)，分別是攀枝花植煙區(qū)、廣元植煙區(qū)、宜賓植煙區(qū)、瀘州植煙區(qū)。采樣分布見圖1。其中攀枝花和廣元植煙區(qū)是新墾土壤，而宜賓和瀘州植煙區(qū)屬于熟化土壤。每個(gè)樣品以一個(gè)田塊為采樣單元，按照實(shí)際情況，每個(gè)植煙區(qū)分別選取20～30個(gè)田塊，在采樣單元內(nèi)按S型路線用不銹鋼土鉆隨機(jī)取10～15個(gè)點(diǎn)的0～20 cm的土樣。用四分法取0.5 kg左右混合土樣，土樣經(jīng)登記編號(hào)后進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過風(fēng)干、磨細(xì)、過篩、混勻、裝瓶后備用。且土壤樣品的采集時(shí)間應(yīng)選在煙草尚未施用底肥和移栽以前，以反映采樣地的真實(shí)養(yǎng)分狀況和供肥能力，同時(shí)注意避開雨季[5]。

1.2 土壤樣品指標(biāo)選擇與測定

影響土壤肥力的因素很多，評級指標(biāo)體系的選擇是保證養(yǎng)分質(zhì)量評價(jià)客觀性的基礎(chǔ)，其應(yīng)包括土壤的基本化學(xué)屬性，也應(yīng)符合最小指標(biāo)集的要求[6，7]。且考慮到土壤屬性的可度量性、可測性最后選定以下8項(xiàng)肥力指標(biāo)，陽離子交換量（CEC）、有機(jī)質(zhì)、pH、速效鉀、堿解氮、全氮、全磷和全鉀。陽離子交換量的測定采用乙酸銨法；有機(jī)質(zhì)的測定采用外加熱法；pH的測定采用電位法；速效鉀的測定采用乙酸銨浸提-火焰光度法；堿解氮的測定采用堿解擴(kuò)散法；全氮的測定采用半微量開式法；全磷的測定采用氫氧化鈉熔融鉬藍(lán)比色法；全鉀的測定采用氫氧化鈉熔融火焰光度計(jì)法。以上所有指標(biāo)的具體測定方法按土壤農(nóng)化分析規(guī)劃進(jìn)行[8]。endprint

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel整理后，利用SPSS 20.0進(jìn)行描述性分析和主成分分析。并用土壤肥力指數(shù)（IFI）來綜合評價(jià)4個(gè)植煙區(qū)土壤肥力。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤肥力主成分分析

影響土壤肥力指標(biāo)的因子很多，且各因子間存在一定的相關(guān)性。主成分分析法是將多個(gè)指標(biāo)化為少數(shù)幾個(gè)指標(biāo)，能反映原來全部指標(biāo)的大部分信息，實(shí)現(xiàn)降維的一種統(tǒng)計(jì)方法，且可以很好地處理變量間的多重相關(guān)性[9-11]。

2.1.1 描述性統(tǒng)計(jì)分析 土壤肥力指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表1。由表1可以看出，四川省4個(gè)植煙區(qū)養(yǎng)分差異很大，其中土壤有機(jī)質(zhì)的變異系數(shù)最大，為97.06%，這可能與攀枝花和廣元兩個(gè)植煙區(qū)土壤為新開墾土壤，而宜賓、瀘州兩個(gè)植煙區(qū)土壤為熟化土壤有關(guān)。新墾土壤有機(jī)質(zhì)水平含量偏低，而熟化土壤有機(jī)質(zhì)含量水平較高，其中宜賓植煙區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，為100.01 g/kg。有機(jī)質(zhì)含量適中的土壤才能生產(chǎn)出產(chǎn)量高、品質(zhì)好的煙草。有研究表明，適宜煙草生長的有機(jī)質(zhì)含量南方以15～30 g/kg為宜，按照此標(biāo)準(zhǔn)4個(gè)植煙區(qū)中只有瀘州植煙區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量適合煙草生長，攀枝花和廣元有機(jī)質(zhì)含量略低，宜賓有機(jī)質(zhì)含量太高。攀枝花和廣元植煙區(qū)應(yīng)適當(dāng)增施有機(jī)肥，如餅肥等，宜賓植煙區(qū)應(yīng)減少有機(jī)肥的施用量。pH變異系數(shù)最小，比較穩(wěn)定。四川省4個(gè)植煙區(qū)土壤pH為4.53～7.68，研究普遍認(rèn)為，土壤pH 5.0～7.0為植煙土壤的適宜范圍值，pH 5.5～6.5為最適宜類型范圍值[12，13]，不適宜植煙的土壤pH>8.0和pH<4.5。因此，從土壤pH看，只有宜賓植煙區(qū)土壤處于適宜范圍內(nèi)，而攀枝花和廣元植煙區(qū)土壤pH略高，瀘州略低，這部分土壤應(yīng)進(jìn)行酸堿性土壤改良，以獲得優(yōu)質(zhì)煙草。4個(gè)植煙區(qū)中土壤陽離子交換量（CEC）的變異系數(shù)較小；煙草是喜鉀作物，鉀對煙草的品質(zhì)有重要影響。全鉀含量中等，且地區(qū)間差異不大，分布范圍在3.57～24.74 g/kg，15～20 g/kg為最適合煙草生長的全鉀含量范圍，那么廣元和瀘州植煙區(qū)土壤潛在供鉀能力高，適合煙草生長，攀枝花略高，宜賓全鉀缺乏。一般認(rèn)為速效鉀含量大于120 mg/kg適合煙草生長。熟化土壤速效鉀含量均滿足要求；新墾土壤略低，其中以攀枝花植煙區(qū)土壤最低，為87.53 mg/kg，這部分植煙區(qū)應(yīng)該增加鉀肥的施用量。4個(gè)植煙區(qū)中全磷含量都偏低，為0.70～0.05 g/kg，可見4個(gè)植煙區(qū)全磷嚴(yán)重缺乏，土壤潛在供磷能力欠缺，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充磷肥，以滿足煙草正常生長發(fā)育的需要。4個(gè)植煙區(qū)中除攀枝花植煙區(qū)外土壤全氮含量都偏高，為1.49～3.50 g/kg，攀枝花植煙區(qū)全氮為0.87 g/kg。適合煙草生長的全氮含量為1～2 g/kg，因此，廣元植煙區(qū)全氮含量適宜煙草生長，宜賓和瀘州植煙區(qū)全氮含量偏高，表明土壤潛在供氮能力強(qiáng)。四川省4個(gè)植煙區(qū)堿解氮含量都偏低，應(yīng)適當(dāng)施用氮肥。

2.1.2 各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣 對土壤樣品的肥力質(zhì)量因子進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。由表2可以看出，大部分因子間的相關(guān)系數(shù)大于0.3，說明土壤肥力評價(jià)因子間存在著密切的關(guān)系，故可用來綜合反映土壤肥力水平。

2.1.3 評價(jià)因子的權(quán)重確定 對土壤肥力評價(jià)因子進(jìn)行主成分分析，得到參評因子主成分的特征值和貢獻(xiàn)率，總方差解釋見表3。由表3可以看出，前兩個(gè)主成分的特征值大于1，且累計(jì)貢獻(xiàn)率高達(dá)83.7%，可以代表原評價(jià)因子的大部分信息，能較好地反映土壤肥力狀況[14]。根據(jù)初始因子的載荷矩陣表和各主成分對應(yīng)的特征值求得2個(gè)主成分中每個(gè)指標(biāo)所對應(yīng)的得分即特征向量（表4）。

從表4可以看出，第一主成分中主要包含全氮、全鉀、有機(jī)質(zhì)、堿解氮的信息，第二主成分中主要包含了陽離子交換量（CEC）、速效鉀、全磷、pH的信息。由各評價(jià)因子的公因子方差計(jì)算出各評價(jià)因子的權(quán)重值[15，16]（表5）。其中有機(jī)質(zhì)權(quán)重最高，為0.143；pH次之，為0.135。表明有機(jī)質(zhì)和pH對土壤肥力影響很大，事實(shí)上，有機(jī)質(zhì)含量水平能反映土壤理化性狀、土壤肥力、土壤供氮能力及土壤微生物狀況，與煙草品質(zhì)的形成密切相關(guān)[17]。

2.2 植煙區(qū)土壤肥力綜合評價(jià)及等級劃分

土壤肥力質(zhì)量的綜合性指標(biāo)（Integrated Fertility Index，IFI）是一個(gè)全面反映土壤肥力狀況的指標(biāo)值。首先根據(jù)土壤肥力指標(biāo)對作物的效應(yīng)曲線求出各指標(biāo)的隸屬度值，各指標(biāo)權(quán)重已由主成分分析法求得，然后根據(jù)模糊數(shù)學(xué)中的加乘原則計(jì)算出土壤肥力綜合評價(jià)指標(biāo)值。其計(jì)算公式[18]見式（1）。

IFI=∑（Wi×Ni） （1）

式中，Wi和Ni分別表示第i種土壤肥力因子的隸屬度值和權(quán)重值。

2.2.1 土壤肥力因子隸屬度值 隸屬度值表示某指標(biāo)屬于某種模糊集的從屬程度，用0～1之間的數(shù)值表示。在土壤肥力評價(jià)中隸屬度值表示各因子對土壤肥力的作用程度[19]。各因子隸屬度值由對應(yīng)的隸屬度函數(shù)帶入原始數(shù)據(jù)求得，而隸屬度函數(shù)是根據(jù)肥力因子與作物生長的效應(yīng)曲線得出的數(shù)學(xué)表達(dá)式[20]。常見的隸屬度函數(shù)分為S型和拋物線型隸屬度函數(shù)。為計(jì)算方便，將曲線函數(shù)轉(zhuǎn)化為折線函數(shù)，對應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式和折線圖見式（2）、式（3）和圖（2）。

F（x）=1.0 （x≥x4）0.9（x-x1）/（x4-x1）+0.1 （x1≤x≤x4）0.1 （x≤x1）（2）

F（x）=0.1 （x≤x1或x≥x4）0.9（x-x1）/（x2-x1）+0.1（x1≤x≤x2）1-0.9（x-x3）/（x4-x3） （x3≤x≤x4）1.0 x2≤x≤x3 （3）

根據(jù)當(dāng)?shù)刂矡焻^(qū)土壤的實(shí)際情況和相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果確定各評價(jià)因子的隸屬度函數(shù)和閾值[21-23，15]。其中S型曲線適用于正相關(guān)因子，包括全磷和全鉀；本次研究其余指標(biāo)則都符合拋物線型隸屬度函數(shù)（表6）。將每個(gè)樣品測得的原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后代入對應(yīng)的隸屬度函數(shù)，求出各肥力指標(biāo)隸屬度值。endprint

2.2.2 植煙區(qū)土壤肥力狀況的綜合評價(jià)及分級 經(jīng)計(jì)算，得到4個(gè)植煙區(qū)土壤肥力綜合指數(shù)，值域?yàn)?.63～0.19。為保證研究客觀、合理，在劃分等級過程中采用等間距法確定土壤肥力等級。由此，土壤肥力指標(biāo)按得分高低分為4個(gè)等級，其等級及范圍為Ⅰ級（較高，0.63～0.53），Ⅱ級（中等，0.52～0.42），Ⅲ級（較低，0.41～0.31），Ⅳ級（低，0.30～0.20）。不同地區(qū)在土壤等級上所占比例見表7。

由表7可知，土壤肥力綜合指標(biāo)得分為瀘州（0.596）>廣元（0.417）>宜賓（0.357）>攀枝花（0.298）。瀘州得分處于較高水平，表明土壤肥力狀況較好；廣元、宜賓和攀枝花處于中等及以下水平。瀘州植煙區(qū)100%的土壤肥力處于中等及以上水平，土壤肥力狀況良好。廣元和宜賓植煙區(qū)大部分處于中等水平，其中攀枝花植煙區(qū)肥力最低，其100%的土壤處于較低及低水平，土壤肥力狀況較差。從整體來看，四川省4個(gè)植煙區(qū)綜合肥力指標(biāo)值為0.45，標(biāo)準(zhǔn)差為0.122，變異系數(shù)為27.1%，且62.1%的土壤肥力處于中等及以上水平。表明4個(gè)植煙區(qū)土壤肥力狀況中等，基本能夠滿足煙草生長發(fā)育中所需營養(yǎng)物質(zhì)，但需因地制宜施肥管理。

3 小結(jié)與討論

攀枝花和廣元植煙區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀、堿解氮含量都偏低，瀘州植煙區(qū)除堿解氮外，其他營養(yǎng)成分含量均適中，適宜煙草生長，土壤肥力較高。4個(gè)植煙區(qū)堿解氮含量均偏低，pH較為穩(wěn)定，其中宜賓植煙區(qū)pH適宜，攀枝花和廣元略高，瀘州偏低。故在煙草種植過程中應(yīng)因地制宜，攀枝花和廣元植煙區(qū)應(yīng)合理施用鉀肥、氮肥和有機(jī)肥，調(diào)節(jié)養(yǎng)分含量，同時(shí)施用石膏調(diào)節(jié)pH。瀘州植煙區(qū)可施用生石灰。同時(shí)4個(gè)植煙區(qū)都應(yīng)提高氮肥的有效性。

主成分分析表明，土壤肥力參評因子中前兩個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率接近85%，基本可代表參評因子所提供的大部分信息。其中有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量對土壤肥力影響較大。

通過模糊綜合評價(jià)法計(jì)算得到土壤肥力綜合指標(biāo)得分范圍為0.63～0.19，通過等間距法將肥力等級分為Ⅰ級（較高）、Ⅱ級（中等）、Ⅲ級（較低）、Ⅳ級（低）4個(gè)等級。瀘州植煙區(qū)土壤肥力水平最高，88.9%的土壤肥力處于較高等級；攀枝花植煙區(qū)土壤肥力最低，100%的土壤肥力處于較低和低等級。4個(gè)植煙區(qū)土壤肥力質(zhì)量排名為瀘州>廣元>宜賓>攀枝花。

本研究重點(diǎn)分析了基于土壤化學(xué)指標(biāo)的土壤肥力評價(jià)，未考慮氣候包括溫度、水分、光照等條件和土壤物理性質(zhì)包括土壤顆粒機(jī)械組成、質(zhì)地、密度、黏粒及團(tuán)聚體含量等對土壤肥力的影響。在今后的研究中需要將其結(jié)合起來評價(jià)，從而得到更準(zhǔn)確和全面的評價(jià)結(jié)果[11]。

本研究用主成分分析法和模糊評價(jià)法相結(jié)合的方法對四川省4個(gè)植煙區(qū)土壤進(jìn)行肥力評價(jià)，這種組合評價(jià)法能減弱單一方法的差異，使評價(jià)結(jié)果更準(zhǔn)確。但指標(biāo)選取和隸屬度函數(shù)及其閾值的確定僅能參考已有文獻(xiàn)[15，24]，具有一定的主觀性，對最后評價(jià)結(jié)果的可靠性有一定影響。故在實(shí)際應(yīng)用中，尚需根據(jù)每個(gè)植煙區(qū)的實(shí)際情況綜合考慮，從而得到更加客觀的評價(jià)結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 邢小軍，吳曉彥.四川涼山州植煙土壤養(yǎng)分豐缺芻議[J].中國煙草科學(xué)，2007，28（2）：49-51.

[2] 陶曉秋，夏 林，黃 玫.四川省植煙土壤有效態(tài)微量元素含量評價(jià)及施肥探討[J].煙草科技，2003（11）：43-45.

[3] 吳玉紅，田霄鴻，同延安，等.基于主成分分析的土壤肥力綜合指數(shù)評價(jià)[J].生態(tài)學(xué)雜志，2010，29（1）：173-180.

[4] 鄭立臣，宇萬太，馬 強(qiáng)，等.農(nóng)田土壤肥力綜合評價(jià)研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)雜志，2004，23（5）：156-161.

[5] 劉敬珣，劉曉暉，陳長清.湘西植煙區(qū)土壤肥力狀況分析與綜合評價(jià)[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2009，25（2）：46-50.

[6] 劉 挺，何 昆，萬 輝，等.四川涼山植煙區(qū)土壤肥力綜合評價(jià)[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011，23（6）：101-104.

[7] 李 衛(wèi)，周冀衡，張一揚(yáng)，等.云南曲靖植煙區(qū)土壤肥力狀況綜合評價(jià)[J].中國煙草學(xué)報(bào)，2010，16（2）：61-65.

[8] 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1999.

[9] 張潤楚.多元統(tǒng)計(jì)分析[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[10] 袁志發(fā)，周靜芋.多元統(tǒng)計(jì)分析[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[11] 朱建平.應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)分析[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[12] 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所.中國煙草栽培學(xué)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2005.

[13] 張雯雯，李新舉，陳麗麗，等.泰安市平原土地整理項(xiàng)目區(qū)土壤質(zhì)量評價(jià)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（7）：106-109.

[14] 龐 夙，陶曉秋，黃 玫，等.四川省植煙區(qū)土壤肥力評價(jià)[J].中國煙草科學(xué)，2013，34（1）：40-44.

[15] 馬 強(qiáng)，宇萬太，趙少華，等.黑土農(nóng)田土壤肥力質(zhì)量綜合評價(jià)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，15（10）：1916-1920.

[16] 李祚泳，丁 晶，彭荔紅.環(huán)境質(zhì)量評價(jià)原理與方法[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[17] 鄒 娟，魯劍巍，周先竹，等.湖北省主要植煙區(qū)土壤肥力狀況及分析[J].長江流域資源與環(huán)境，2015，24（3）：504-510.

[18] 廖桂堂，李廷軒，王永東，等.基于GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的低山茶園土壤肥力質(zhì)量評價(jià)[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，27（5）：1978-1986.

[19] 方睿紅，常慶瑞.關(guān)中平原臺(tái)塬區(qū)土壤肥力模糊綜合評價(jià)-以西安市長安區(qū)為例[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2012，30（1）：25-42.

[20] 孫 波，張?zhí)伊?，趙其國.我國東南丘陵山區(qū)土壤肥力的綜合評價(jià)[J].土壤學(xué)報(bào)，1995，32（4）：362-368.

[21] 駱伯勝，鐘繼洪，陳俊堅(jiān).土壤肥力數(shù)值化綜合評價(jià)研究[J].土壤，2004，36（1）：104-106.

[22] 胡國松，鄭 偉，王震東，等.烤煙營養(yǎng)原理[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[23] 許自成，劉國順，劉金海，等.銅山植煙區(qū)生態(tài)因素和煙葉質(zhì)量特點(diǎn)[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，25（7）：1748-1753.

[24] 駱東奇，白 潔，謝德體.論土壤肥力評價(jià)指標(biāo)與方法[J].土壤與環(huán)境，2002，11（2）：202-205.endprint