我国是世界烟叶生产第一大国，云南作为我国最大的烟叶生产省域，烟草种植成为其农业生产的重要组成部分，在经济发展中有着举足轻重的地位。烤烟的种植与生长离不开优质的土壤，适宜的烟田是优质烟草生产的基础，与烟草的产量品质密切相关^[1]。土壤养分是土壤肥力的核心部分，土壤pH、有机质、氮、磷、钾含量是决定土壤肥力、农产品产量品质的重要因素^[2]。在第二次土壤普查之后，我国大部分区域土壤肥力呈上升趋势，但仍存在养分非均衡化、空间变异大等特点^[3]，影响着烟叶品质的提升和区域烟田的可持续利用。基于地理信息系统探究植烟土壤养分时空变异具有管理空间资源不均匀分布的功能，可直接反映区域烟田施肥策略及耕作方式等农业制度的合理性，为不同区域烟草种植及施肥管理策略的选择提供依据。

土壤肥力是衡量土壤能够提供作物生长所需各种养分的能力，是影响作物产量的重要因素^[4]。土壤肥力评价是烟田培肥管理的基础，可通过科学方法和技术手段对土壤自然环境等方面进行分析归纳，做出科学的综合评价。土壤综合肥力指数(IFI)是在对各土壤肥力指标评价后，将单因素评价结果转换为由各指标所构成的综合土壤肥力评价结果，能更好地反映植烟土壤肥力的高低^[5]。李颖慧和姜小三^[6]运用综合评价法探究山东博兴县14年来土壤肥力的时空变化特征，为指导土壤养分管理提供了建议。倪明等^[7]研究保山市烟田土壤养分时空变异特征，并根据土壤综合肥力指数进行综合评价，为烟区土壤养分管理提供了依据。王远鹏等^[8]运用模糊数学法对东北典型县域稻田土壤进行综合肥力评价，为合理利用土壤资源提供了依据。尽管已有众多研究运用土壤综合肥力指数全面评价了农田土壤肥力水平，但不同地区的环境条件与田间管理制度不同，导致土壤综合肥力的时空变异规律不同。目前烟田土壤肥力评价仅停留在经典数理统计层面且大多集中在短期内或一个时间段内，缺乏长期多时间段植烟土壤养分和综合肥力时空演变特征的定量评价。因此，本研究突破以往烟田土壤肥力指标的基础统计与时间尺度层面，对县域植烟土壤主要肥力指标的长期演变特征进行综合评价，为更加精准指导典型县域植烟区合理施肥策略提供理论基础。

云南省是中国重要的烤烟产区，大理州宾川县为烟草种植最适宜区之一，植烟面积较大，具有典型性。目前对宾川县植烟土壤pH和养分时空变化的研究较少，仅考虑了影响烤烟种植分布的关键因素^[9]，未对土壤肥力指标进行定量定性分析，更缺乏对长期植烟土壤主要肥力指标的综合评价。因此，本研究对近40年来宾川县植烟土壤pH和主要养分指标，运用主成分分析、模糊评价及地统计学方法定量分析烟田土壤主要肥力指标及综合肥力的时空演变特征，为宾川县烟田养分管理及平衡施肥提供科学依据，进而为宾川县烟田精准科学施肥提供参考。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

宾川县位于我国云南省大理白族自治州，地处云贵高原西南部、金沙江干热河谷南岸(25°23′ N ~ 26°12′ N，100°16′ E ~ 100°59′ E)。县域地势东西高、中部低，地形起伏大，山高坡陡，海拔在1 104 ~ 3 320 m，属中亚热带冬干夏湿低纬高原季风气候区，年均气温17.9 ℃，年均降水量559.4 mm，光热充足，干旱少雨。烟区土壤类型主要为黄棕壤和红壤。全县国土面积253 300 hm²，年均烤烟种植面积约4 000 hm²，分布于10个乡镇，居大理州第二位^[9]。

1.2 样品采集与分析

2012年、2018年和2022年选取宾川县具有代表性的连片烟田，采用五点采样法分别采集115、202和373个烟田耕层(0 ~ 20 cm)土壤样品(图 1)。不同年份土壤样品采集虽不是原位采样，但均具有较强的代表性。样品采集综合考虑地形地貌等因素，每个取样单元采用对角线法，每条对角线均匀分布10个点，20个点土样混合为1个土壤样品，除去杂物并充分混匀，按四分法留取土样，同时利用GPS记录采样点经纬度和海拔等信息。采集的土样经室内风干，磨细，过筛后保存，用于土壤理化性质的测定。土壤pH测定采用玻璃电极法，有机质测定采用重铬酸钾氧化–外加热法，碱解氮的测定采用碱解扩散法，有效磷测定采用碳酸氢钠浸提–钼锑抗比色法，土壤速效钾测定采用NH₄OAc浸提–火焰光度法^[10]。1982年的数据来源为大理州第二次土壤普查资料，其中宾川县共计13个烟田耕层(0 ~ 20 cm)土壤样品。

1.3 研究方法

根据《大理州植烟土壤分析评价及应用》^[10]以及徐建明等^[11]《土壤质量指标与评价》，植烟土壤肥力指标分为Ⅰ(低)、Ⅱ(较低)、Ⅲ(中)、Ⅳ(较高)、Ⅴ(高)5个等级(表 1)，其中Ⅲ级为烟叶生长适宜等级^[10-11]，宾川县位于大理州内，亦参考此评价体系。

为全面评价土壤养分肥力状况，引入烟田土壤综合肥力指数(Integrated fertility index，IFI)的概念，按照该值给土壤综合肥力划分等级。其中隶属度函数采用模糊评价，表示评价指标与作物效应之间的关系曲线^[12]，达到原始数据标准化的作用。根据烤烟研究资料^[12]和云南省宾川县烟田实际情况，pH、有机质及碱解氮采用抛物线型隶属度函数(公式(1))，有效磷和速效钾采用“S”型隶属度函数(公式(2))，并按《大理州植烟土壤分析与评价》^[10]中隶属度函数的阈值计算，最后根据模糊数学中的加乘原则，利用各指标的权重值和隶属度值计算土壤IFI ^[12-14](公式(3))。

抛物线型隶属度函数表达式：

$ \mathrm{f}(x)= \begin{cases}1.0 & \mathrm{~b} \leqslant x \leqslant \mathrm{c} \\ 0.9(x-\mathrm{a}) /(\mathrm{b}-\mathrm{a})+0.1 & \mathrm{a}<x<\mathrm{b} \\ 0.9(d-\mathrm{x}) /(\mathrm{d}-\mathrm{c})+0.1 & \mathrm{c}<x<\mathrm{d} \\ 0.1 & x \leqslant \mathrm{a} ; x \geqslant \mathrm{~d}\end{cases} $

(1)

“S”型隶属度函数表达式：

$ \mathrm{f}(x)= \begin{cases}1.0 & x \geqslant \mathrm{~d} \\ 0.9(x-\mathrm{a}) /(\mathrm{d}-\mathrm{a})+0.1 & \mathrm{a}<x<\mathrm{d} \\ 0.1 & \mathrm{a} \leqslant x\end{cases} $

(2)

公式(1)和(2)中阈值的相应取值如下，pH：a=5.0，b=5.5，c=6.5，d=7.0；有机质：a=15 g/kg，b=25 g/kg，c=35 g/kg，d=65 g/kg；碱解氮：a=65 mg/kg，b=100 mg/kg，c=150 mg/kg，d=18 mg/kg；有效磷：a=20 mg/kg，b=50 mg/kg；速效钾：a=50 mg/kg，d=300 mg/kg。

土壤IFI计算如公式：

$ {\text{IFI}} = \sum\limits_1^n {NiWi} $

(3)

式中：n表示每个样品中土壤肥力指标的个数；N_i和W_i分别为第i项评价指标的权重和隶属度。IFI取值范围为0 ~ 1，越接近于1，土壤肥力越高。根据相关文献资料分类标准，将宾川县植烟土壤肥力分为5个等级：Ⅰ级(IFI≥0.80)为高，Ⅱ级(0.60≤IFI < 0.80)为较高，Ⅲ级(0.40≤IFI < 0.60)为中等，Ⅳ级(0.20≤IFI < 0.40)为较低，Ⅴ级(IFI < 0.20)为低^[14]。

1.4 数据处理

利用Excel 2019整理数据，变异系数分为弱变异(0.0% ~ 15.0%)、中等变异(15.0% ~ 35.0%)、强变异(> 35.0%)三类^[15]。异常值剔除、描述性统计、正态性检验、单因素方差分析(one-way ANOVA)、主成分分析(PCA)均由SPSS 26.0软件完成。在Minitab 19.2中对数据进行对数或者Box-Cox变换，使其服从正态分布。土壤IFI空间分布图在Arc GIS 10.6的地统计分析模块(Geostatistical Analyst)中采用普通克里格插值法完成，最后运用重分类(Reclassify)计算每个等级面积占比。

2 结果与分析 2.1 宾川县植烟土壤肥力指标的时间变化

近40年来，随烟草种植年限的增加，土壤pH和有机质含量呈下降趋势，有效磷和速效钾含量呈上升趋势，碱解氮含量变化不显著。从表 2可以看出，除2022年pH外，1982—2022年的土壤pH、有机质、有效磷、速效钾、碱解氮含量均服从正态分布(K-S检验，P < 0.05)。1982—2022年土壤pH年均下降速率为0.02个单位，其中2012—2018年下降速率最大(0.09个单位)。1982年和2012年土壤pH的变异系数为弱变异，2018年和2022年的变异系数为中等变异。1982—2022年土壤有机质含量年均下降速率为0.19 g/(kg·a)，其中2012—2018年下降速率最大(0.72 g/(kg·a))。1982—2022年土壤有效磷含量呈上升趋势，年均增加速率为0.97 mg/(kg·a)，4个年份变异系数均属强变异，其中1982年变异性最强(132.6%)。1982—2022年土壤速效钾含量年均增加速率为4.1 mg/(kg·a)，其中2018—2022年土壤速效钾含量年均增加速率最大(21 mg/(kg·a))。土壤碱解氮含量在4个年份间均无显著差异。

由不同时期各土壤肥力指标等级分布(图 2)可以看出，土壤pH在4个时期Ⅲ级占比均最高，整体适合烟草生长。1982年和2012年土壤有机质Ⅴ级占比最大，分别为38.5% 和40.0%；2018年和2022年Ⅴ级占比分别下降至21.9% 和26.3%，Ⅲ级占比分别增加至32.3% 和30.7%。1982年有效磷Ⅰ级占比高达63.6%，2012年Ⅲ级占比最高(39.1%)，2018年和2022年Ⅳ级占比均为最高(27.4%、32.3%)。速效钾含量等级整体呈上升趋势，1982年占比最高为Ⅱ级(46.2%)，2012年、2018年、2022年占比最高为Ⅳ级或Ⅴ级。1982—2022年碱解氮含量等级占比分布变化不大，Ⅲ级占比均最高。

2.2 不同时期烟田土壤综合肥力评价

运用主成分分析法探究宾川县1982年、2012年、2018年和2022年4个时期土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾5个肥力指标对土壤综合肥力的影响(表 3)，并对IFI进行描述性统计分析(表 4)。1982年有机质和碱解氮所占权重较大；2012年有效磷和速效钾所占权重较大；2018年和2022年pH、有效磷、速效钾所占权重较大，分别为0.220、0.236、0.244和0.226、0.220、0.245，说明1982—2022年影响宾川县烟田土壤肥力空间分布特征的关键因素发生变化，由有机质、碱解氮变为有效磷和速效钾，随后转变为pH、有效磷和速效钾。同时1982—2022年近40年来，IFI由Ⅲ级(0.49)显著增加为Ⅱ级(0.62)，年均增加速率为0.003，土壤综合肥力指数升高。

2.3 植烟土壤综合肥力时空演变特征

通过ArcGIS地统计分析模块中的普通克里格插值法绘制土壤IFI分布图(图 3)，并计算各等级面积占比(表 5)。4个时期研究区土壤综合肥力指数IFI普通克里格插值的模型均为指数型，标准均方根误差分别为0.97、0.95、1.04、1.07，该值越接近于1，表明普通克里格插值结果的精度越高，对于各指标的空间预测效果越好。1982年宾川县植烟土壤IFI为0.49，Ⅲ级面积占比最大(59.4%)，Ⅳ级次之(40.6%)，且Ⅳ级主要分布在拉乌彝族乡、州城镇、钟英傈僳族彝族乡西部以及宾居镇北部。2012年IFI为0.55，Ⅱ级面积占比为39.8%，主要分布在平川镇中部、拉乌彝族乡中部以及鸡足山镇东北部，处于Ⅲ级和Ⅳ级的面积占比分别为49.6% 和10.4%，仅有0.2% 面积的烟田IFI处于Ⅴ级，且集中分布在钟英傈僳族彝族乡。2018年IFI为0.54，Ⅲ级面积占比最大(64.8%)，其次为Ⅱ级(25.6%)，且Ⅱ级主要分布在平川镇中部和东北部、宾居镇中部以及州城镇西南部。2022年IFI为0.62，Ⅱ级面积占比最大(60.0%)，Ⅲ级次之(33.9%)，且Ⅲ级集中分布在鸡足山镇西南部、大营镇、力角镇、乔甸镇中部及拉乌彝族乡中部；Ⅰ级面积占比增加为1.3%，集中在州城镇西南部和平川镇东北部。1982—2022年近40年来，宾川县植烟土壤肥力不断提高，平川镇、拉乌彝族乡、州城镇以及宾居镇植烟土壤IFI增加幅度最大，提高了两个肥力等级。到2022年，植烟土壤肥力处于Ⅱ级以上的面积占比由1982年的0% 提高到61.3%，说明高肥力土壤占比增大，有利于烟草高产以及优质烟草的生产。因此，应合理调整施肥结构，进一步提高当前烟田肥力水平。

3 讨论

土壤肥力是衡量土壤提供作物生长所需各种养分的能力、影响烟叶产量的重要因素。土壤肥力评价是根据土壤各肥力指标的数量和特点对土壤肥力综合水平的评定，每种元素的丰缺程度都将影响土壤肥力水平。当前研究区植烟土壤pH和碱解氮含量在适宜范围，有机质、有效磷和速效钾含量处于较高水平，土壤综合肥力指数(IFI)为Ⅱ级，表明当前植烟土壤状况总体可满足生产优质烟叶的需要。1982—2022年土壤pH均值下降0.9个单位，但仍处于Ⅲ级，适宜烟叶生长。张福锁团队成员在Science上报道了我国主要农田出现显著酸化现象，农田耕作20年，pH平均下降了约0.5个单位，这可能与过度施用氮肥有关^[16]，一些研究也证实了这一结果^[17]。本研究中，2022年宾川县植烟土壤pH等级中Ⅲ级占比最大(37.9%)，整体适合烟叶生长，其次为Ⅰ级和Ⅱ级，共计31.2%。王新中等^[18]研究也发现，2012年前大理州植烟土壤酸碱度适中，表现偏酸性。同时，研究区土壤pH的变异系数相较其他指标最小，表明宾川县植烟土壤pH呈弱空间变异性。因此，针对土壤偏酸性地区，如平川镇、钟英傈僳族彝族乡及拉乌彝族乡可施用适量石灰，但要注意配合农家肥施用，这样既能提高土壤pH，还能保持土壤肥力，而对于酸化并不严重区域，可适量施用碱性肥料。

宾川县植烟土壤有机质含量丰富，总体呈下降趋势。40年间有机质平均含量下降了7.59 g/kg，年均变化速率先增加后降低，1982年等级占比最大的为Ⅴ级(38.5%)，2022年占比最大的为Ⅲ级(30.7%)，且Ⅳ、Ⅴ级占比降为26.1% 和26.3%。有研究表明，外源碳投入直接决定土壤有机碳水平，影响有机质含量^[19]，进而影响土壤供肥能力。20世纪90年代，随着该县化肥大面积使用，烟农重视无机肥施用^[20]，有机肥逐渐被忽视，导致一些环境问题发生。此外，烟田外源碳投入量减少，土壤中有机物来源也会减少，导致有机质含量降低^[21]。Wu等^[22]研究表明，连续酸雨可减缓有机物分解，因此酸雨减少也是近些年有机质含量下降的原因。土壤有机质是土壤稳定的关键因素，其耗损会加速土壤退化过程。因此，需重视有机肥的施用，但需关注农业废弃物带来的环境风险。

土壤碱解氮含量能反映土壤氮素供应状况和释放速率^[23]。1982—2022年宾川县碱解氮含量无显著变化。有研究表明，烟株生长前期需吸收大量氮素^[24]，但烟叶中可累积氮素较少，单季施入土壤中的氮肥淋失较快，难以被土壤吸附与保存，因此土壤碱解氮含量变化不大。40年来，研究区植烟土壤有效磷和速效钾含量呈显著上升趋势，其中速效钾增加幅度最大(162.37 mg/kg)，年均增加速率为4.1 mg/(kg·a)，等级占比最高由1982年Ⅱ级(46.2%)变为2022年Ⅴ级(37.6%)。肥料钾素易被土壤固定，固定率随施钾量增加而增加^[25]。烟叶是喜钾作物，钾素为烟叶品质元素，烟株对钾吸收量大，有效且充足的钾可提高烟叶品质。根据2003年提出的“稳糖、控氮降碱、减农药残留、增钾、留香”技术路线，烟草公司制定“控氮、稳磷、增钾”原则，在复合肥基础上增施钾肥，烟农也为提高烟叶品质，加大钾肥投入量，从而提高了土壤速效钾含量。当前土壤速效钾含量丰富，基本可以满足烤烟正常生长需要，可稳定土壤钾肥供应，调整施肥水平。增加幅度其次的为有效磷，等级占比最高由1982年Ⅰ级(63.6%)变为2022年Ⅳ级(32.3%)，变异系数由1982年的强变异(132.6%)降为中等变异，年均增加速率较快(约1.0 mg/(kg·a))，这可能与过量施用磷肥有关。有研究表明，在一定范围内，土壤有效磷的含量随施磷量的增加而上升，烤烟磷肥当季利用率仅为约10%^[26]，化学磷肥长期投入以及种植制度差异会导致有效磷积累。同时，磷素在土壤中易发生吸附、沉积和转化作用，大部分以难溶性的化合物形式被土壤固定，较差的移动性加剧了其空间分布的差异性^[27]。过高的磷素不利于高质烟叶形成，同时会造成土壤质量下降、淋失导致水体富营养化等问题，对生态环境造成潜在威胁。因此，针对宾川县烟田氮磷钾养分资源现状和烤烟养分吸收特征，应稳氮、稳钾、减磷，维持植烟土壤氮磷钾养分协调，生产优质烟叶。这也与郭迎新等^[28]在洱海植烟土壤提出的“控氮、减磷、稳钾”总体施肥方案相似。

植烟土壤综合肥力评价可为烤烟精准施肥和提升烟叶产质量提供依据。土壤综合肥力指数IFI与烤烟产质量呈正相关，可代表区域内烤烟实际生产状况^[29]。因此，IFI较高地区可针对性降低肥料用量、引种耐肥性好的烟草品种；而IFI较低地区可增施有机肥改善土壤养分状况，引进肥料吸收能力好的品种。从时间尺度看，研究区1982—2022年IFI提高了0.13，等级由Ⅲ级(0.49)增加至Ⅱ级(0.62)，年均增加速率为0.003。1982年烟田分散，管理方式还未完善，经过40年来烟农加大对植烟土壤的养分投入以及烟田管理模式的不断优化，宾川县烟田土壤肥力水平总体得到提高。当前宾川县烟田土壤肥力水平整体处于Ⅱ级水平。大部分烟田土壤有机质、有效磷和速效钾含量达到较高水平，但土壤养分失衡问题突出。4个时期植烟土壤肥力指标权重系数最高分别为有机质(1982年)、有效磷(2012年)、速效钾(2018年)、速效钾(2022年)，表明不同时期影响土壤肥力的关键因素不同，贡献率存在较大差异，其土壤综合肥力指数IFI有所变化，这也与当地施肥习惯不断变化有关。从空间分布格局看，高肥力区域主要分布在县东北部和南部，也是烟草种植面积较大的区域，表明烟田质量整体较优，土壤肥力较高，可为烟株提供良好生长发育条件，可引种耐肥性较高的烟草品种。然而高肥力土壤往往存在较大养分淋失风险，流失的营养元素会导致周边区域生态系统遭受破坏，所以如何高效利用土壤养分资源成为提升县烟田经济效益和环境效益的关键。低肥力区域集中分布在鸡足山镇北部和钟英傈僳族彝族乡中部，可适时适量增加肥料用量。综合而言，宾川县植烟土壤有机质、有效磷和速效钾含量丰富，IFI较高，因此针对县域内烟田养分分布不均衡等问题，应减少磷肥施用，提高肥料利用效率，减少养分流失的环境风险；应加强土壤改良、增施有机肥等措施，提高土壤pH，进而提高烟叶产量和质量。

4 结论

1982—2022年40年间，云南省宾川县烟田土壤pH和有机质含量呈下降趋势，有效磷和速效钾含量呈显著上升趋势，碱解氮含量无显著变化，土壤肥力水平明显提高，IFI等级提升至Ⅱ级。随时间推移，影响宾川县植烟土壤综合肥力的主要内在因素由有机质变为速效钾。当前高肥力区域主要分布于县东北部和南部，低肥力区域分布于西北部，肥力自西向东、自北向南逐渐增加。全县养分非均衡化问题凸显，有效磷含量过高，应减少磷肥，稳定氮肥钾肥，维持植烟土壤营养平衡，进一步提高烟田肥力水平。