曹月婷，劉金巍*，劉敬上，劉丹丹，張智印，魏建朋，劉雪松

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051；2.河北省地礦局 國土資源勘查中心，河北 石家莊 050081）

煙草可在多種土壤上種植，但優(yōu)質(zhì)煙葉對土壤要求嚴格［1］，土壤養(yǎng)分與煙葉品質(zhì)關(guān)系密切且敏感［2］，過高或過低的土壤養(yǎng)分含量均不利于優(yōu)質(zhì)煙草的種植，適宜的土壤養(yǎng)分是烤煙優(yōu)質(zhì)、適產(chǎn)的重要基礎(chǔ)［3］；土壤重金屬對煙草的生理過程和品質(zhì)造成了嚴重影響［4-5］，因此煙草種植土壤的適宜性評價應(yīng)包括土壤養(yǎng)分和重金屬因素［6］2個方面，對指導(dǎo)施肥和提高煙葉品質(zhì)具有重要意義。一些研究成果報道了綜合土壤質(zhì)量與土壤養(yǎng)分的評價工作，如采用疊加法將土壤污染因子引入農(nóng)用地等級評價［7］，采用劃定分段函數(shù)法將重金屬污染指數(shù)引入土壤綜合質(zhì)量評價［8-9］，采用包含土壤肥力和環(huán)境質(zhì)量的適宜性綜合指數(shù)對茶園土壤適宜性進行等級劃分［10］，這些研究綜合了土壤的正、負效應(yīng)因素，提高了土壤質(zhì)量評價的針對性，但綜合土壤養(yǎng)分和重金屬毒害效應(yīng)在煙草方面的適宜性評價鮮見報道，基于優(yōu)質(zhì)煙草種植的土壤適宜性未見報道。

以我國南方典型紅壤地區(qū)植煙區(qū)土壤為研究對象，利用模糊數(shù)學模型隸屬度方法分別對土壤中全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、堿解氮（AN）、有效磷（AP）、速效鉀（QK）、有機質(zhì)（OM）、pH值等8項理化指標及鉻（Cr）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、汞（Hg）等4項重金屬指標進行植煙土壤適宜性評價，使評價結(jié)果能夠更真實地反映出土壤的質(zhì)量狀況，以期為當?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省東南部的寧都縣，屬典型亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫19.7 ℃，年均降水量1507 mm，年日照時數(shù)1621.9h，年均無霜期305 d。土壤類型以紅壤為主，可細分為紅壤、紅壤性土、黃紅壤這3個亞類，其中紅壤亞類分布最廣，山地紅壤坡度大并夾有半風化碎母質(zhì)，丘陵紅壤通常土層深厚，自然養(yǎng)分含量差異較大；紅壤性土散見于丘陵山區(qū)，肥力較低；黃紅壤亞類主要分布于低海拔的谷地區(qū)域，自然肥力較高。紅壤多由花崗巖風化發(fā)育而成，常含石英砂和礫石，質(zhì)地粗糙，漏水漏肥，但鉀含量豐富。土地利用類型主要有耕地、林地、園地和草地等，其中耕地以水田、旱地和水旱輪作3種利用方式為主。

1.2 樣品采集

按照《土地質(zhì)量地球化學評價規(guī)范》（DZ/T 0295—2016），采用網(wǎng)格加圖斑的原則布設(shè)土壤樣品采集點，采集0～20 cm表層土壤。中心樣點盡量位于采集單元中部，中心樣品和周邊50 m范圍采集的3～5個子樣混合為一組土壤樣品，樣品總量不低于1 kg，采樣點如圖1所示。土壤樣品經(jīng)自然風干、去雜、研磨和過篩后送至實驗室進行分析，TN采用凱氏定氮法測定；TP、TK采用波長色散X熒光光譜法測定；AN采用堿解擴散容量法測定；AP采用浸提比色法測定；OM采用硫酸、重鉻酸鉀消解容量法測定；pH值采用水土混勻電位法測定。重金屬采用酸溶法分解，原子熒光光度計測定Hg，電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定Cr、Cd和Pb。全程質(zhì)量控制結(jié)果滿足DZ/T 0295—2016質(zhì)量要求。采集和分析的土壤樣品共計1522組。

圖1 采樣點分布

1.3 土壤適宜性評價指標體系

1.3.1 評價方法 采用模糊數(shù)學模型隸屬函數(shù)法［11-16］評價土壤的適宜性，計算公式為：

式（1）中：SFI為土壤適宜性指數(shù)；fi、Wi分別為參評指標i的隸屬度和權(quán)重值。

1.3.2 評價指標的選擇 已有研究結(jié)果表明［17-19］：pH值對煙草品質(zhì)和土壤養(yǎng)分的有效化都有重要的影響，適宜的土壤pH值有利于煙葉化學成分的協(xié)調(diào)，可提高煙葉品質(zhì)；土壤磷素缺乏或過多均會降低煙草香味和含油量；適量的鉀能改善煙葉的燃燒性，降低有害物質(zhì)和焦油量；氮素是對煙草品質(zhì)、發(fā)育影響最大的因素，其含量過高時煙葉品質(zhì)會大幅降低；南方煙區(qū)土壤有機質(zhì)含量過高時，會嚴重影響煙葉的成熟和品質(zhì)。土壤中重金屬含量過高時會對煙株產(chǎn)生毒害效應(yīng)，嚴重抑制煙草的生長和發(fā)育［22-23］；煙草中富集的Cd等重金屬威脅到吸食人員的身體健康。綜合上述因素確定參評的指標為pH值、OM、TN、TP、TK、AN、AP、QK以及Cr、Cd、Pb、Hg。

1.3.3 隸屬度函數(shù)的確定 模糊數(shù)學模型綜合評價能夠有效解決土壤級別概念的模糊性問題，其物理意義明確，分辨率較高，在土壤評價中應(yīng)用廣泛。優(yōu)質(zhì)煙草對土壤養(yǎng)分含量存在最適宜的要求，參考已有的研究結(jié)果［15-16,19-21］并采用拋物線函數(shù)模型確定土壤養(yǎng)分指標隸屬度函數(shù)及臨界值；參考朱青等［24］的研究結(jié)果并采用降半梯形函數(shù)模型確定土壤重金屬隸屬度函數(shù)，臨界值參考《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行） 》（GB 15618—2018）中對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、農(nóng)作物生長可能存在風險的風險篩選值以及有關(guān)土壤重金屬對煙草的毒性效應(yīng)的研究結(jié)果確定［5，22-23］，將較低的限值作為x1臨界值，較高的限值作為x4臨界值。評價指標的隸屬度函數(shù)和臨界值見表1。

表1 土壤適宜性評價隸屬度函數(shù)

1.3.4 指標權(quán)重的確定 權(quán)重系數(shù)可以量化表達評價指標對土壤適宜性的相對重要程度，計算方法有熵權(quán)法［1］、相關(guān)系數(shù)法［10-11］、公因子方差法［15］、主成分分析法［16］、層次分析方法［20，25］，本文采用相關(guān)系數(shù)法和主成分分析法確定指標權(quán)重，主觀判斷合理性。相關(guān)系數(shù)法計算公式為：

式（2）中：wi為評價指標i的權(quán)重系數(shù)；Ri為評價指標i與其他指標相關(guān)系數(shù)的平均值，∑Ri為各評價指標相關(guān)系數(shù)平均值的和。

采用SPSS 17.0軟件進行主成分分析，方法步驟如下：

（1）進行KMO檢驗標準，KMO值為 0.768，Bartlett 球形度檢驗顯著性值為0.000，滿足主成分分析要求。

（2）提取主成分及其特征根和載荷系數(shù)，計算主成分線性組合系數(shù)（Pi），公式為：

式（3）中：Pi為線性組合中第i個主成分的系數(shù)；Li為第i個主成分的載荷系數(shù)；Ti為第i個主成分的特征根。

（3）計算綜合得分模型系數(shù)（Zj），公式為：

式（4）中：Zj為第j個指標的綜合得分系數(shù)；Vi為第i個主成分的方差貢獻率。

（4）計算指標權(quán)重wi，公式為：

式（5）中：wi為評價指標i的權(quán)重系數(shù)；Zj為第j個指標的綜合得分模型系數(shù)；∑Zj為指標綜合得分模型系數(shù)的和。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理 利用SPSS 17.0軟件和Excel 2007軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和計算，采用ArcGIS 10.2繪制空間分布圖b并進行塊金效應(yīng)值的計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計空間分布特征

按照變異系數(shù)（CV）將變異程度分為低變異（CV＜0.1）、中等變異（0.1≤CV≤1）、強變異（CV＞1）［26］。按照塊金效應(yīng)值將空間相關(guān)性分為強相關(guān)（塊金效應(yīng)值＜0.25）、中等相關(guān)（0.25≤塊金效應(yīng)值≤0.75）、弱相關(guān)（塊金效應(yīng)值＞0.75）［25］。統(tǒng)計結(jié)果（表2）表明：pH值的CV為0.05，變異程度較低，其他指標的變異系數(shù)為0.22～0.97，變異程度中等。As、TK、Pb的塊金效應(yīng)值較小，體現(xiàn)出較強的空間相關(guān)性，同時TK和Pb的CV值較低，這表明結(jié)構(gòu)性因素是其分布特征的主要控制因素，QK、AP、TN、OM的塊金效應(yīng)值較大，體現(xiàn)出較弱的空間相關(guān)性，AP、QK的CV值較高，這表明隨機性因素是其分布特征的主要控制因素。指標相關(guān)性（斯皮爾曼）統(tǒng)計分析表明：TK與As、Cr、TN、OM呈負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.51～-0.35；AP和TP呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.66；AN和TN、OM呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.86、0.88；Pb、TN和OM呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.86、0.94。

表 2 土壤評價指標描述統(tǒng)計

從均值較適宜性來看，pH值較低，土壤偏酸性，OM、TK含量較高，TN、AN、AP含量適宜煙草種植，TP、QK含量偏低，重金屬Cr、Cd、Hg未超過土壤質(zhì)量篩選值和煙草毒害效應(yīng)臨界值，Pb超出了土壤風險篩選值但低于煙草毒害效應(yīng)臨界值。

pH值、TP、AP、Hg、As高值區(qū)沿河岸分布，Pb含量西低東高， Cr含量西高東低，TN、AN、QK含量中部高南北低，Cd高值區(qū)呈零星狀分布。

2.2 適宜性評價結(jié)果

參考李強等［25］的研究結(jié)果，將評價指標隸屬度和土壤適宜性分為優(yōu)（≥0.8）、良好（0.7～0.8）、一般（0.6～0.7）、中等（0.5～0.6）、差（＜0.5） 這5個等級。

2.2.1 評價指標的適宜性 評價指標隸屬度均值為0.62，總體適宜性為一般等級，其中pH值、TK、TP的隸屬度最低，隸屬度均值均低于0.20，屬于差等級；QK、AP、Pb、OM的隸屬度均值介于0.40～0.50，接近中等等級；AN、TN和重金屬隸屬度均值均大于0.80，屬于優(yōu)良等級。按評價等級劃分，優(yōu)良等級面積平均占比為41.7%，Cr、Hg的優(yōu)良面積占比均為100%，AN、QK、TN、OM的優(yōu)良面積占比均超過30%。差等級的面積平均占比為58.5%，其中TP、TK的差等級面積占比較大，超過了75%；pH值、QK、AP、AN、Pb、OM的 差 等 級 面積平均占比超過50%；As、Cd、Cr、Hg未出現(xiàn)中等以下等級，具體結(jié)果見表3。

表 3 評價指標隸屬度

2.2.2 SFI評價 本研究SFI范圍為0.27～0.93，均值為0.57，變異系數(shù)為0.16，塊金效應(yīng)值為0.66，總體適宜性為一般等級，變異程度較低，空間相關(guān)性中等。土壤適宜性中等等級面積占比均為85.1%，一般等級面積占比均為14.4%，優(yōu)良或差等級面積占比小于0.5%，一般等級區(qū)大體呈現(xiàn)沿河流兩岸分布特征，適宜性評價結(jié)果空間見圖2。

圖2 土壤適宜性評價結(jié)果

3 討論

3.1 指標權(quán)重的確定

采用相關(guān)系數(shù)法和主成分分析法分別計算參評指標的權(quán)重，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相關(guān)系數(shù)計算的TK、TN權(quán)重顯著高于主成分方法權(quán)重，并高于QK、AN的權(quán)重， pH值權(quán)重較低，重金屬指標2種方法計算的權(quán)重較為一致。由于TK、TN并不能反映煙草可利用的土壤中鉀素、氮素含量，QK和TK、AP和TP、AN和TN含量的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為-0.13、0.67、0.88，這證明QK、AP、AN的權(quán)重高于其全量更加合理，同時土壤pH值是影響煙草品質(zhì)的重要因素，故采用更加合理的主成分分析方法計算指標權(quán)重，結(jié)果見表4，與已有的熵權(quán)法［1］、公因子方差法［15］、層次分析方法［25］的相對重要程度均值更加類似。

表 4 采用主成分分析法計算評價指標的權(quán)重

3.2 指標隸屬度的影響因素

回歸樹分析逐層分解影響因子，對相互關(guān)系復(fù)雜的關(guān)鍵因子進行解析，并不受變量共線性的影響［27］。本研究采用回歸樹（EXHAUSTIVE CHAID增長法）分析了坡度、土地利用類型、種植制度、地質(zhì)背景、土壤質(zhì)地等啞變量對隸屬度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）pH值主要受地質(zhì)背景控制，第四紀亞砂土和志留紀花崗巖土壤隸屬度均值為0.19，其他地質(zhì)背景的為0.15，pH值隸屬度變化較小，自然因素為主要影響因素，這與數(shù)據(jù)統(tǒng)計描述的結(jié)果一致。（2）OM主要受土地利用類型和地質(zhì)背景的影響，水田和林地的隸屬度為0.44，這與水稻、樹木產(chǎn)生了豐富的植物殘體有關(guān)；旱地、草地、茶園的隸屬度均值為0.68，而地質(zhì)背景為志留紀花崗巖的旱地、草地隸屬度均值最大，為0.77。（3）TK主要受地質(zhì)背景影響，但差別較小，自然因素為主要控制因素，這與數(shù)據(jù)統(tǒng)計描述的結(jié)果一致，過高的TK導(dǎo)致其隸屬度較低。QK主要受地質(zhì)背景影響，第四紀亞砂土的隸屬度均值為0.27，其他地質(zhì)背景的為0.18，QK含量具有較高的CV和塊金效應(yīng)系數(shù)，表明其受自然和人為因素共同控制影響。（4）AP主要受典型種植制度和地質(zhì)背景影響，其中水稻田和蔬菜、水果等種植用地隸屬度均值為0.54，顯著高于林木種植用地的0.26，第四紀亞砂土和志留紀花崗巖的隸屬度均值為0.60，顯著高于其他地質(zhì)背景的0.45，AP含量具有較高的CV和塊金效應(yīng)系數(shù)，表明其受人為因素影響。TP主要受地質(zhì)背景典型種植制度影響，第四紀亞砂土的隸屬度均值為0.23，志留紀花崗巖的隸屬度均值為0.20，其他地質(zhì)背景的為0.14，水稻田和蔬菜、水果等種植用地隸屬度為0.26，高于其他典型種植制度的0.12，TP含量的CV和塊金效應(yīng)系數(shù)表明其受自然因素影響為主，人為因素影響為輔。（5）AN、TN主要影響因素為土地利用類型，水田和茶園的隸屬度均值分別為0.84、0.95，其他類型均值分別為0.71、0.84，不同地質(zhì)背景間差異不明顯，該2個指標含量的CV和塊金效應(yīng)值接近，表明其主控因素相同。（6）重金屬指標含量較低，隸屬度較高，各因素間隸屬度無明顯差異。

3.3 土壤適宜性影響因素

采用回歸樹（CRT增長法）分析影響SFI的關(guān)鍵指標，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：土壤AP、QK、AN隸屬度是影響SFI的關(guān)鍵影響因素，這與胡瑞文等［20］的研究結(jié)論一致，其影響相對重要程度分別為100%、35%、32%，此外OM、TN的影響相對重要程度分別為28%、26%。SFI與AP、AK、AN的Spearman的相關(guān)系數(shù)分別為0.74、0.45、0.18，呈顯著正相關(guān)，結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計和空間分布特征可知SFI主要受AP、AN的人為因素以及OM控制的QK自然因素影響。AP/TP、AN/TN、QK/TK的Spearman的相關(guān)系數(shù)分別為0.66、0.88、-0.15，這表明土壤供給AP、AN的能力較強，供給QK的能力較差。采用回歸樹分析坡度、土地利用、種植制度、地質(zhì)背景、土壤質(zhì)地等啞變量對SFI的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：種植制度是最重要的影響因素，其次為地質(zhì)背景。蓮子、蔬菜、煙葉等作物田中SFI的均值最大為0.60，其次為水稻田的SFI，其均值為0.58，較作物田的稍低，最后為林地和水果地，其SFI均值為0.52。在不同種植制度下，地質(zhì)背景為第四紀亞砂土、志留紀花崗巖的SFI均值均高于侏羅紀花崗巖的，第四紀亞砂土和志留紀花崗巖上的水稻田SFI均值為最大值（0.59），侏羅紀花崗巖上的林地和水果地SFI均值為最小值（0.50）?？傮w來看，典型種植制度體現(xiàn)了人為因素可以改變土壤AP、QK、AN的含量，這是影響SFI的重要因素。

4 結(jié)論

（1）針對優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)而言，pH值、TK、TP隸屬度均值均低于0.20，QK、AP、Pb、OM的隸屬度均值均接近0.50，AN、TN的隸屬度均值均大于0.80，達到優(yōu)等級，重金屬指標隸屬度較高，等級達到優(yōu)。地質(zhì)背景、典型種植制度、土地利用類型是隸屬度的主要控制因素。

（2）研究區(qū)SFI范圍為0.39～0.79，均值為0.57，總體適宜性為一般等級，中等等級面積占比為85.1%，一般等級面積占比為14.4%，沿河流兩岸分布。土壤AP、QK、AN是SFI的關(guān)鍵影響因素，種植制度是SFI的首要影響因素，其次為地質(zhì)背景。

（3）QK、AP含量達到一般等級，其CV和塊金效應(yīng)值較大，建議加強科學施肥或間作管理，提高鉀肥、磷肥的使用效率。AN含量達到優(yōu)良等級，其CV和塊金效應(yīng)值較小，表明土壤的氮供給能力較強，可適量控制氮肥的使用。