四川省四大植煙區土壤肥力評價

徐露　張丹　蔣豪

摘要：對四川省4個植煙區（攀枝花、廣元、宜賓、瀘州）的土壤樣本進行養分測定，選取了陽離子交換量（CEC）、有機質、pH、速效鉀、堿解氮、全氮、全磷和全鉀8項評價指標。運用主成分分析法確定各評價因子權重，隸屬度函數模型確定各評價因子隸屬度值，進而根據加乘法原理計算出土壤肥力綜合指數 （IFI），最后根據各樣地IFI得分對土壤肥力進行分級。結果表明，攀枝花和廣元植煙區土壤有機質、速效鉀、堿解氮含量都偏低，瀘州植煙區除堿解氮外其他營養成分含量都適中，適宜煙草生長，土壤肥力較高。四川省4個植煙區土壤肥力可分為Ⅰ級（較高），Ⅱ級（中等），Ⅲ級（較低），Ⅳ級（低）四個等級。4個植煙區土壤肥力質量排名為瀘州>廣元>宜賓>攀枝花。

關鍵詞：土壤肥力；植煙區；主成分分析法；評價

中圖分類號：S572；S158.2 文獻標識碼：A 文章編號：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屬性，是反映土壤肥沃性的一個重要指標。美國土壤學會把土壤肥力定義為在內外因素（光照、溫度和土壤物理條件等）都適合植物生長時，土壤以適當的量和平衡的比例向植物供應養分的能力。煙草正常生長所需的營養元素主要來自土壤。土壤養分的豐缺直接影響煙草生長狀況、質量及產量[1，2]。因此，對土壤肥力的正確認識和客觀評價是提高煙草質產量及更好利用土壤資源的依據[3]。近年來，越來越多的評價方法應用到土壤肥力評價中。目前，使用的評價方法主要包括主成分分析法、模糊綜合評價法、聚類分析法、灰色關聯分析法等[4]。本研究主要采用主成分分析法和模糊綜合評價法對四川省4個植煙區土壤進行綜合評價，旨在為不同植煙區提出適宜的施肥和管理策略提供依據。

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個植煙區，分別是攀枝花植煙區、廣元植煙區、宜賓植煙區、瀘州植煙區。采樣分布見圖1。其中攀枝花和廣元植煙區是新墾土壤，而宜賓和瀘州植煙區屬于熟化土壤。每個樣品以一個田塊為采樣單元，按照實際情況，每個植煙區分別選取20～30個田塊，在采樣單元內按S型路線用不銹鋼土鉆隨機取10～15個點的0～20 cm的土樣。用四分法取0.5 kg左右混合土樣，土樣經登記編號后進行預處理，經過風干、磨細、過篩、混勻、裝瓶后備用。且土壤樣品的采集時間應選在煙草尚未施用底肥和移栽以前，以反映采樣地的真實養分狀況和供肥能力，同時注意避開雨季[5]。

1.2 土壤樣品指標選擇與測定

影響土壤肥力的因素很多，評級指標體系的選擇是保證養分質量評價客觀性的基礎，其應包括土壤的基本化學屬性，也應符合最小指標集的要求[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項肥力指標，陽離子交換量（CEC）、有機質、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；有機質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比色法；全鉀的測定采用氫氧化鈉熔融火焰光度計法。以上所有指標的具體測定方法按土壤農化分析規劃進行[8]。endprint

1.3 數據處理

數據經Excel整理后，利用SPSS 20.0進行描述性分析和主成分分析。并用土壤肥力指數（IFI）來綜合評價4個植煙區土壤肥力。

2 結果與分析

2.1 土壤肥力主成分分析

影響土壤肥力指標的因子很多，且各因子間存在一定的相關性。主成分分析法是將多個指標化為少數幾個指標，能反映原來全部指標的大部分信息，實現降維的一種統計方法，且可以很好地處理變量間的多重相關性[9-11]。

2.1.1 描述性統計分析 土壤肥力指標描述性統計分析結果見表1。由表1可以看出，四川省4個植煙區養分差異很大，其中土壤有機質的變異系數最大，為97.06%，這可能與攀枝花和廣元兩個植煙區土壤為新開墾土壤，而宜賓、瀘州兩個植煙區土壤為熟化土壤有關。新墾土壤有機質水平含量偏低，而熟化土壤有機質含量水平較高，其中宜賓植煙區土壤有機質含量最高，為100.01 g/kg。有機質含量適中的土壤才能生產出產量高、品質好的煙草。有研究表明，適宜煙草生長的有機質含量南方以15～30 g/kg為宜，按照此標準4個植煙區中只有瀘州植煙區土壤有機質含量適合煙草生長，攀枝花和廣元有機質含量略低，宜賓有機質含量太高。攀枝花和廣元植煙區應適當增施有機肥，如餅肥等，宜賓植煙區應減少有機肥的施用量。pH變異系數最小，比較穩定。四川省4個植煙區土壤pH為4.53～7.68，研究普遍認為，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，只有宜賓植煙區土壤處于適宜范圍內，而攀枝花和廣元植煙區土壤pH略高，瀘州略低，這部分土壤應進行酸堿性土壤改良，以獲得優質煙草。4個植煙區中土壤陽離子交換量（CEC）的變異系數較小；煙草是喜鉀作物，鉀對煙草的品質有重要影響。全鉀含量中等，且地區間差異不大，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土壤最低，為87.53 mg/kg，這部分植煙區應該增加鉀肥的施用量。4個植煙區中全磷含量都偏低，為0.70～0.05 g/kg，可見4個植煙區全磷嚴重缺乏，土壤潛在供磷能力欠缺，應及時補充磷肥，以滿足煙草正常生長發育的需要。4個植煙區中除攀枝花植煙區外土壤全氮含量都偏高，為1.49～3.50 g/kg，攀枝花植煙區全氮為0.87 g/kg。適合煙草生長的全氮含量為1～2 g/kg，因此，廣元植煙區全氮含量適宜煙草生長，宜賓和瀘州植煙區全氮含量偏高，表明土壤潛在供氮能力強。四川省4個植煙區堿解氮含量都偏低，應適當施用氮肥。

2.1.2 各指標的相關系數矩陣 對土壤樣品的肥力質量因子進行相關性分析，結果見表2。由表2可以看出，大部分因子間的相關系數大于0.3，說明土壤肥力評價因子間存在著密切的關系，故可用來綜合反映土壤肥力水平。

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

從表4可以看出，第一主成分中主要包含全氮、全鉀、有機質、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。由各評價因子的公因子方差計算出各評價因子的權重值[15，16]（表5）。其中有機質權重最高，為0.143；pH次之，為0.135。表明有機質和pH對土壤肥力影響很大，事實上，有機質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，與煙草品質的形成密切相關[17]。

2.2 植煙區土壤肥力綜合評價及等級劃分

土壤肥力質量的綜合性指標（Integrated Fertility Index，IFI）是一個全面反映土壤肥力狀況的指標值。首先根據土壤肥力指標對作物的效應曲線求出各指標的隸屬度值，各指標權重已由主成分分析法求得，然后根據模糊數學中的加乘原則計算出土壤肥力綜合評價指標值。其計算公式[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重值。

2.2.1 土壤肥力因子隸屬度值 隸屬度值表示某指標屬于某種模糊集的從屬程度，用0～1之間的數值表示。在土壤肥力評價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的隸屬度函數帶入原始數據求得，而隸屬度函數是根據肥力因子與作物生長的效應曲線得出的數學表達式[20]。常見的隸屬度函數分為S型和拋物線型隸屬度函數。為計算方便，將曲線函數轉化為折線函數，對應的函數表達式和折線圖見式（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）

根據當地植煙區土壤的實際情況和相關文獻的研究結果確定各評價因子的隸屬度函數和閾值[21-23，15]。其中S型曲線適用于正相關因子，包括全磷和全鉀；本次研究其余指標則都符合拋物線型隸屬度函數（表6）。將每個樣品測得的原始數據標準化處理后代入對應的隸屬度函數，求出各肥力指標隸屬度值。endprint

2.2.2 植煙區土壤肥力狀況的綜合評價及分級 經計算，得到4個植煙區土壤肥力綜合指數，值域為0.63～0.19。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，土壤肥力指標按得分高低分為4個等級，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。廣元和宜賓植煙區大部分處于中等水平，其中攀枝花植煙區肥力最低，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個植煙區綜合肥力指標值為0.45，標準差為0.122，變異系數為27.1%，且62.1%的土壤肥力處于中等及以上水平。表明4個植煙區土壤肥力狀況中等，基本能夠滿足煙草生長發育中所需營養物質，但需因地制宜施肥管理。

3 小結與討論

攀枝花和廣元植煙區土壤有機質、速效鉀、堿解氮含量都偏低，瀘州植煙區除堿解氮外，其他營養成分含量均適中，適宜煙草生長，土壤肥力較高。4個植煙區堿解氮含量均偏低，pH較為穩定，其中宜賓植煙區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因地制宜，攀枝花和廣元植煙區應合理施用鉀肥、氮肥和有機肥，調節養分含量，同時施用石膏調節pH。瀘州植煙區可施用生石灰。同時4個植煙區都應提高氮肥的有效性。

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

通過模糊綜合評價法計算得到土壤肥力綜合指標得分范圍為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個等級。瀘州植煙區土壤肥力水平最高，88.9%的土壤肥力處于較高等級；攀枝花植煙區土壤肥力最低，100%的土壤肥力處于較低和低等級。4個植煙區土壤肥力質量排名為瀘州>廣元>宜賓>攀枝花。

本研究重點分析了基于土壤化學指標的土壤肥力評價，未考慮氣候包括溫度、水分、光照等條件和土壤物理性質包括土壤顆粒機械組成、質地、密度、黏粒及團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合起來評價，從而得到更準確和全面的評價結果[11]。

本研究用主成分分析法和模糊評價法相結合的方法對四川省4個植煙區土壤進行肥力評價，這種組合評價法能減弱單一方法的差異，使評價結果更準確。但指標選取和隸屬度函數及其閾值的確定僅能參考已有文獻[15，24]，具有一定的主觀性，對最后評價結果的可靠性有一定影響。故在實際應用中，尚需根據每個植煙區的實際情況綜合考慮，從而得到更加客觀的評價結果。

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