土壤为植物生长发育提供了所需的营养物质及环境条件，其养分状况是土壤的基本属性和本质特征，也是衡量土壤肥力的重要指标^[1]。就烤烟而言，土壤养分丰缺状况直接影响烟株的营养水平和生长发育，进而决定着烟叶产量和品质的形成^[2]。适宜的土壤养分是烟草优质、适产的基础^[3-4]。烟田土壤肥力适宜性通常使用养分因素的综合评分法来确定其对烤烟种植的适宜性程度^[4]，研究中大多通过易于量化的统计方法，如聚类分析、因子分析、主成分分析、模糊数学等，来构建数据集，最终形成关于植烟土壤适宜性评价的综合指标^[4-7]或者质量指数^[8-10]。

涪陵是重庆市主要产烟区县之一，同时也是全国闻名的榨菜之乡。烤烟和榨菜天然衔接的生长周期使得“烟-菜”轮作逐渐成为该区烟叶生产的主要种植模式。土壤作为一个时空连续的变异体，具有高度的空间异质性^[11]。在特定的研究区域内，人类干扰活动和小尺度生态环境变化对土壤养分含量的变化有着深远影响^[12]。近年来，由于农民习惯在榨菜上通过投入大量化肥提高产量，导致部分轮作土壤肥力水平过高，尤其是氮素营养，严重影响了烤烟的正常生长和成熟落黄。目前，针对重庆植烟土壤适宜性评价的研究主要集中于土壤肥力综合评价指标的构建^[6]、土壤养分空间变异^[13-14]及土壤速效养分含量的主要影响因子^[2]等方面，而关于土壤养分年际间的变异和评价指标构建及与烟叶产值效益的关系等方面则鲜有报道。本研究以涪陵为例，分析了2012年和2017年植烟土壤养分含量的变异趋势，通过建立植烟土壤质量评价体系来研究其对烤烟产质量的影响程度，以期为该地区优质烟叶生产提供技术支持。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

涪陵区位于重庆市中东部，川东平行岭谷与四川盆地东南边缘的交接地带，地理位置106°56′ ~ 107°43′E，29°21′ ~ 30°01′N，属中亚热带湿润季风气候区，四季分明、气候温和、降水丰沛，年均气温18.1℃，无霜期317 d，年均日照数1 248 h，年均降雨量1 072 mm。烟区主要分布在海拔500 ~ 1 200 m范围内，年植烟面积800 hm²，年产烟叶1 500 t，主要烤烟品种为K326。

1.2 样品采集与分析

分别于2012年和2017年烟叶采收后进行土壤样品采集。采样时，每8 hm²左右为一个采样单元；每单元按“S”型取样法取15个土壤样品，混匀后经4分法保留土样2 kg；同时用GPS在每个取样单元的中心位置记录地理坐标；取样深度为0 ~ 20 cm。土壤样品分别为81个(2012年)和96个(2017年)，样点分部见图 1。

土样经自然风干、去杂、研磨和过筛后，参照文献[15]的方法测定土壤pH、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾等指标。

另外，通过重庆市烟叶管理信息系统，获取2017年每个采样单元对应烟农交售的上等烟比例、均价等数据(每一个单元采集的土壤均对应一户烟农)。

1.3 土壤适宜性评价指标体系的构建 1.3.1 土壤主要养分评价标准

参照梁红^[16]和江厚龙等^[17]研究方法，本研究将土壤pH分为6个等级，有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾等分为5个等级(表 1~2)。

1.3.2 参评指标隶属度和权重的确定方法

根据相关文献^[6-8]，选取pH、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾共5项指标作为土壤肥力评价因子。利用隶属函数公式计算各参评指标的隶属度值，土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷用抛物线型隶属度函数，土壤速效钾用S型隶属度函数^[18]，函数表达式如下。

抛物型：

$ f(x)=\left\{\begin{array}{ll} 0.1 & \left(x \leqslant x_{1}, x>x_{2}\right) \\ 0.9 \times\left(x-x_{1}\right) /\left(x_{3}-x_{1}\right)+0.1 & \left(x_{1}<x<x_{3}\right) \\ 1.0 & \left(x_{3} \leqslant x \leqslant x_{4}\right) \\ 1.0-0.9 \times\left(x-x_{4}\right) /\left(x_{2}-x_{4}\right) & \left(x_{4}<x \leqslant x_{2}\right) \end{array}\right. $

(1)

S型：

$ f(x) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {0.1}&{\left( {x < {x_1}} \right)}\\ {0.9 \times \left( {x - {x_1}} \right)/\left( {{x_2} - {x_1}} \right) + 0.1}&{\left( {{x_1} \le x \le {x_2}} \right)}\\ {1.0}&{\left( {x > {x_2}} \right)} \end{array}} \right. $

(2)

权重采用各项肥力指标间的相关系数确定^[5]。其计算方法为：计算单项肥力指标之间的相关系数，然后求某项肥力指标与其他肥力指标间相关系数的平均值，并根据该平均值占所有肥力指标相关系数平均值绝对值总和的比作为该单项肥力指标的权重。

1.3.3 模糊数学综合评价方法

参考文献[19]的研究结果，依据模糊数学原理构建土壤养分指标的隶属函数，计算各项肥力指标的隶属度和权重，再利用加乘法得出土壤养分适宜性指数(soil feasibility index，SFI)。设有n个土壤样品，m个土壤养分指标，则第i个土壤养分SFI的计算公式为：

$ {\rm{SF}}{{\rm{I}}_i} = \sum\nolimits_{i = 1}^m {{W_{ij}}{N_{ij}}(i = 1, 2, \cdots , n, j = 1, 2 \cdots , m)} $

(3)

式中：N_ij和W_ij分别为第i个土壤样品的第j个土壤养分指标的隶属度值和相应的权重系数^[4]。根据隶属度函数曲线中转折点的相应取值，结合相关文献资料分类标准^{[6, 8]}，将SFI从优到劣分为4个等级，分别是I级(0.8, 1]、II级(0.6, 0.8]、III级(0.4, 0.6]和IV级(0, 0.4)。

1.4 数据处理

采用描述性统计法分析土壤养分状况，采用t检验方法和多重比较法比较不同时期土壤养分之间以及土壤养分含量在不同等级土壤下的差异性，采用Pearson相关分析和简单回归法分析土壤养分之间以及土壤养分与烤烟上等烟比例和均价的关系。数据处理采用IBM Statistics SPSS 22.0和Microsoft Excel 2016软件，绘图采用ArcGIS 10.2软件。

2 结果与分析 2.1 土壤养分的总体特征

结合土壤养分分级标准(表 1~2)及研究区土壤养分含量的统计特征(表 3)可以看出，研究区植烟土壤pH在2012年处于适宜范围的下限，2017年则达到最适宜范围；有机质和碱解氮含量在2012年和2017年均处于中等；全氮含量在2012年处于中等，2017年则处于高水平；有效磷含量在2012年处于高水平，2017年则达到极高水平；速效钾含量在2012年处于中等，2017年达到高水平。各土壤养分指标变异区间2012为17.39% ~ 53.45%，2017年为16.77% ~ 38.62%，均表现为中等变异性强度^[8]，以pH变异最小，有效磷和速效钾含量变异最大。经单样本K-S检验，有机质、碱解氮、有效磷以及速效钾含量服从正态分布，pH和全氮含量(2017年)经对数转换后，亦服从正态分布。2017年各项肥力指标均值较2012年均有不同程度提高，其中，有机质含量年际差异达到显著水平(P < 0.05)，其余各项肥力指标年际差异达到极显著水平(P < 0.01)。

2.2 土壤养分指标隶属度和权重确定

按照土壤养分丰缺评价标准(表 1~2)，确定土壤主要养分指标的隶属度函数类型、阈值、相关系数的平均值和权重(表 4)。由表 4可以看出，pH、有机质、碱解氮权重相当且年际间差异不明显，而有效磷和速效钾权重年际间差异明显。

2.3 土壤养分的适宜性指数 2.3.1 土壤养分适宜性指数及分布状况

将土壤养分实测值带入各自函数，计算各参评指标的隶属度，再将各指标隶属度和权重带入SFI计算公式，得到SFI值。由表 5可知，2017年SFI均值为0.60，变异系数为26.17%，2012年SFI均值为0.69，变异系数为25.12%。2017年SFI均值较2012年降低0.09，年际差异达到极显著水平(P < 0.01)。由图 2可知，2017年和2012年SFI均呈正态分布，II级以上土壤属于优良土壤，2017年和2012年占比分别为46.88%和69.13%，同比下降22.25个百分点；III级以下土壤属于中差等土壤，2017年和2012年占比分别为53.13%和30.86%，同比提高22.27个百分点。从年际变化看，2017年SFI整体低于2012年。

2.3.2 不同等级植烟土壤养分含量特征

从表 6可以看出，I级植烟土壤酸度适宜，有机质和碱解氮含量中等，有效磷含量中等或偏高，速效钾含量丰富；II级植烟土壤酸度适宜或偏低，有机质和碱解氮含量中等，有效磷含量高或偏高，速效钾含量丰富；Ⅲ级植烟土壤酸度偏低，有机质和碱解氮含量中等，有效磷含量低，速效钾含量丰富或偏低；IV级植烟土壤偏低或低，有机质含量中等，碱解氮含量高或中等，有效磷含量高或中等，速效钾含量丰富或偏低。pH在不同年份均以I级最高，且与其他等级差异显著(P < 0.05)；有机质和碱解氮含量在2017年均以Ⅳ级最高，且与其他等级差异显著(P < 0.05)，而2012年各等级间无显著差异；各等级土壤有效磷含量在不同年份均有显著差异(P < 0.05)，但变化趋势相反，2017年以Ⅳ级最高，2012年则以Ⅱ级最高；速效钾含量在2017年各等级间无显著差异，但在2012年随SFI等级下降而降低，且Ⅰ、Ⅱ级与Ⅲ、Ⅳ级有显著差异(P < 0.05)。

2.3.3 植烟土壤养分适宜性指数与烤烟经济指标的关系

通过2017年的收购数据和SFI的相关分析，结果显示SFI与对应烟农交售的上等烟比例呈显著正相关(P < 0.05)，与均价呈极显著正相关(P < 0.01)(图 3)。

3 讨论

植烟土壤肥力状况是烟草生长主要的生态因子之一，在很大程度上决定着烟叶的生长发育和品质优劣^[19]。烟草是一种土壤适应性较广的作物，在不同肥力的土壤上均可以生长，但烟叶品质对土壤肥力的反应十分敏感^[20]。土壤中全量养分含量非常丰富，但绝大部分对植物无效，只有少部分在短期内能被植物根系吸收利用^[2]。土壤是个复杂的环境，其中的元素不是孤立的，每个元素之间都有着紧密的联系和相互作用^[6]，而每种元素的丰缺程度都将对土壤的适宜性产生影响。本研究结果表明，当前研究区植烟土壤pH、有机质和碱解氮含量在最适宜范围，全氮和速效钾含量丰富，有效磷含量极丰富，各项肥力指标为中等变异程度；SFI范围为0.2 ~ 0.99，均值为0.6，46.88%的土壤适宜性处于较高以上水平，仅有11.46%处于低水平。作物产量及效益是土壤实际生产力的外在表现，一定程度上能够确切反映土壤质量水平^[8]。本研究通过分析SFI与烤烟等级结构和均价关系，发现两者呈显著正相关(P < 0.05)和极显著正相关(P < 0.01)，说明本研究对植烟土壤质量状况的评价结果代表了当地烤烟的实际生产状况，且当前植烟土壤质量状况总体可满足生产优质烟叶的需要。

从土壤养分变化情况来看，2017年研究区植烟土壤各项肥力指标均不同程度提高。pH从适宜范围的下限转化到最适宜范围。通常认为，生产优质烟叶最佳土壤pH范围为5.5 ~ 6.5^[21-22]，2017年土壤pH达到5.61，较2012年提高了0.54，变异系数仅为16.77%，说明经过5a的土壤调酸，研究区土壤pH明显提高。研究区植烟土壤有机质含量小幅提升，均在最适宜范围。有机质含量为24.78 g/kg，较2012年提高了1.69 g/kg，变异系数为22.65%，符合优质烤烟生产对土壤有机质含量的要求^[23]，也说明通过连续5a增施有机肥，土壤有机质含量整体提高，这与杨云高等^[24]研究结论相符。研究区植烟土壤碱解氮含量虽有较大幅度提升，但尚处于中等水平。土壤碱解氮含量能较好地反映土壤氮素供应状况和土壤氮素释放速率^[23]。2017年土壤碱解氮含量为131.59 mg/kg，较2012年提高了24.63 mg/kg，变异系数为18.23%，一方面与土壤有机质含量提高有关^[25]，另一方面可能也与前茬作物榨菜种植过程中投入大量氮素肥料有关。江叶枫等^[26]研究认为，氮肥施用量是引起土壤氮磷生态化学计量空间变异的主要因素。当前，工业企业对烤烟品质的要求越来越高，在株型上以培育“中棵烟”为追求，这就需要在生产上，特别在“烟-菜”轮作模式下，进一步减少氮肥用量，注重水肥调节，提高土壤氮的矿化分解速率。研究区植烟土壤有效磷含量提升幅度最大，由高转化为极高等级。过多的磷素营养对于烟叶品质有显著的不利影响^[27]。2017年土壤有效磷含量为55.6 mg/kg，较2012年提高了17.2 mg/kg，变异系数为37.43%，90.63%的土壤有效磷含量超标，其中73.96%为严重超标。近几年研究区肥料氮磷钾投入比例稳定在1:1.1:3左右，而烤烟磷肥的当季利用率仅为10%左右^[28]，造成植烟土壤有效磷含量不断积累^{[2-3, 29]}。鲁艳红等^[30]对水稻土不同施肥下有效磷含量演变特征的研究表明，化学磷肥的长期投入是造成土壤有效磷积累的主要原因。因此，研究区植烟土壤需要在生产上持续保持低磷投入，直到土壤有效磷含量恢复到适宜范围。研究区植烟土壤速效钾含量丰富，处于较高水平。普遍认为，土壤对烟株持续有效且充足的钾供应是提高烟叶品质的关键^{[8, 17, 31]}。2017年土壤速效钾含量为258.62 mg/kg，较2012年提高了66.6 mg/kg，变异系数为48.86%，这与研究区重视钾肥施用，特别是不同时期分段追施钾肥密切相关。

2017年与2012年SFI均值分别为0.60和0.69，呈现出极显著差异(P < 0.01)，II级以上土壤占比分别为46.88%和69.13%，说明SFI有降低趋势。根据前文所述，SFI由隶属度和权重决定，而不同年份隶属度函数是一致的，因此决定SFI大小在于各项肥力指标的权重。通过表 4可以看出，不同年份有效磷和速效钾的权重差异较大，这是由不同年份各项肥力指标的相关系数决定的。邓小华等^[23]认为植烟土壤pH与有效磷和速效钾在pH低于5.5和5.5 ~ 8.0区间分别呈现出反向或同向的曲线变化。本研究中，2017年和2012年植烟土壤pH均值分别为5.61和5.07，由于不同年份土样所处土壤pH范围不同，有效磷和速效钾含量亦呈现不同的变化趋势，造成相关系数的差异，从而影响了各自权重，最终导致SFI降低。另外，2017年有效磷含量均值从高水平到极高水平的变化也是植烟土壤适宜性下降的一个重要原因。

4 结论

研究区当前植烟土壤各项肥力指标变异性中等，总体适宜性有所下降，有46.88%的植烟土壤SFI较高，SFI一定程度上能够反映烤烟最终的生产水平和经济效益。植烟土壤的变异分析表明，随着近几年生产技术的优化，特别是平衡施肥技术的广泛推广，涪陵区植烟土壤各项肥力指标均有不同程度提高，但同时也存在高氮和高磷的风险，需要进一步调整施肥配方，将“减氮控磷”作为今后一段时期内的主要施肥策略；在施肥方式上尽可能采取水肥一体化形式补充钾肥，提高钾肥的利用率。