基于土壤養分和重金屬毒害效應的寧都縣優質煙草土壤適宜性評價

曹月婷，劉金巍*，劉敬上，劉丹丹，張智印，魏建朋，劉雪松

（1.中國地質調查局 水文地質環境地質調查中心，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，但優質煙葉對土壤要求嚴格［1］，土壤養分與煙葉品質關系密切且敏感［2］，過高或過低的土壤養分含量均不利于優質煙草的種植，適宜的土壤養分是烤煙優質、適產的重要基礎［3］；土壤重金屬對煙草的生理過程和品質造成了嚴重影響［4-5］，因此煙草種植土壤的適宜性評價應包括土壤養分和重金屬因素［6］2個方面，對指導施肥和提高煙葉品質具有重要意義。一些研究成果報道了綜合土壤質量與土壤養分的評價工作，如采用疊加法將土壤污染因子引入農用地等級評價［7］，采用劃定分段函數法將重金屬污染指數引入土壤綜合質量評價［8-9］，采用包含土壤肥力和環境質量的適宜性綜合指數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、負效應因素，提高了土壤質量評價的針對性，但綜合土壤養分和重金屬毒害效應在煙草方面的適宜性評價鮮見報道，基于優質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植煙區土壤為研究對象，利用模糊數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（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，使評價結果能夠更真實地反映出土壤的質量狀況，以期為當地優質煙葉生產提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區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，丘陵紅壤通常土層深厚，自然養分含量差異較大；紅壤性土散見于丘陵山區，肥力較低；黃紅壤亞類主要分布于低海拔的谷地區域，自然肥力較高。紅壤多由花崗巖風化發育而成，常含石英砂和礫石，質地粗糙，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《土地質量地球化學評價規范》（DZ/T 0295—2016），采用網格加圖斑的原則布設土壤樣品采集點，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射光譜法測定Cr、Cd和Pb。全程質量控制結果滿足DZ/T 0295—2016質量要求。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 采用模糊數學模型隸屬函數法［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；fi、Wi分別為參評指標i的隸屬度和權重值。

1.3.2 評價指標的選擇 已有研究結果表明［17-19］：pH值對煙草品質和土壤養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調，可提高煙葉品質；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，降低有害物質和焦油量；氮素是對煙草品質、發育影響最大的因素，其含量過高時煙葉品質會大幅降低；南方煙區土壤有機質含量過高時，會嚴重影響煙葉的成熟和品質。土壤中重金屬含量過高時會對煙株產生毒害效應，嚴重抑制煙草的生長和發育［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 隸屬度函數的確定 模糊數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，在土壤評價中應用廣泛。優質煙草對土壤養分含量存在最適宜的要求，參考已有的研究結果［15-16,19-21］并采用拋物線函數模型確定土壤養分指標隸屬度函數及臨界值；參考朱青等［24］的研究結果并采用降半梯形函數模型確定土壤重金屬隸屬度函數，臨界值參考《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行） 》（GB 15618—2018）中對農產品質量、農作物生長可能存在風險的風險篩選值以及有關土壤重金屬對煙草的毒性效應的研究結果確定［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和臨界值見表1。

表1 土壤適宜性評價隸屬度函數

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

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

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，計算主成分線性組合系數（Pi），公式為：

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

（3）計算綜合得分模型系數（Zj），公式為：

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

（4）計算指標權重wi，公式為：

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

1.3.5 數據處理 利用SPSS 17.0軟件和Excel 2007軟件進行數據統計分析和計算，采用ArcGIS 10.2繪制空間分布圖b并進行塊金效應值的計算。

2 結果與分析

2.1 數據統計空間分布特征

按照變異系數（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］。按照塊金效應值將空間相關性分為強相關（塊金效應值＜0.25）、中等相關（0.25≤塊金效應值≤0.75）、弱相關（塊金效應值＞0.75）［25］。統計結果（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為0.22～0.97，變異程度中等。As、TK、Pb的塊金效應值較小，體現出較強的空間相關性，同時TK和Pb的CV值較低，這表明結構性因素是其分布特征的主要控制因素，QK、AP、TN、OM的塊金效應值較大，體現出較弱的空間相關性，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。指標相關性（斯皮爾曼）統計分析表明：TK與As、Cr、TN、OM呈負相關關系，相關系數為-0.51～-0.35；AP和TP呈顯著正相關，相關系數為0.66；AN和TN、OM呈顯著正相關，相關系數分別為0.86、0.88；Pb、TN和OM呈顯著正相關，相關系數分別為0.86、0.94。

表 2 土壤評價指標描述統計

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未超過土壤質量篩選值和煙草毒害效應臨界值，Pb超出了土壤風險篩選值但低于煙草毒害效應臨界值。

pH值、TP、AP、Hg、As高值區沿河岸分布，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高值區呈零星狀分布。

2.2 適宜性評價結果

參考李強等［25］的研究結果，將評價指標隸屬度和土壤適宜性分為優（≥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，屬于優良等級。按評價等級劃分，優良等級面積平均占比為41.7%，Cr、Hg的優良面積占比均為100%，AN、QK、TN、OM的優良面積占比均超過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未出現中等以下等級，具體結果見表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，變異系數為0.16，塊金效應值為0.66，總體適宜性為一般等級，變異程度較低，空間相關性中等。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%，優良或差等級面積占比小于0.5%，一般等級區大體呈現沿河流兩岸分布特征，適宜性評價結果空間見圖2。

圖2 土壤適宜性評價結果

3 討論

3.1 指標權重的確定

采用相關系數法和主成分分析法分別計算參評指標的權重，結果發現，相關系數計算的TK、TN權重顯著高于主成分方法權重，并高于QK、AN的權重， pH值權重較低，重金屬指標2種方法計算的權重較為一致。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相關系數分別為-0.13、0.67、0.88，這證明QK、AP、AN的權重高于其全量更加合理，同時土壤pH值是影響煙草品質的重要因素，故采用更加合理的主成分分析方法計算指標權重，結果見表4，與已有的熵權法［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，對相互關系復雜的關鍵因子進行解析，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、地質背景、土壤質地等啞變量對隸屬度的影響。結果發現：（1）pH值主要受地質背景控制，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，這與數據統計描述的結果一致。（2）OM主要受土地利用類型和地質背景的影響，水田和林地的隸屬度為0.44，這與水稻、樹木產生了豐富的植物殘體有關；旱地、草地、茶園的隸屬度均值為0.68，而地質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主要受地質背景影響，但差別較小，自然因素為主要控制因素，這與數據統計描述的結果一致，過高的TK導致其隸屬度較低。QK主要受地質背景影響，第四紀亞砂土的隸屬度均值為0.27，其他地質背景的為0.18，QK含量具有較高的CV和塊金效應系數，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，顯著高于其他地質背景的0.45，AP含量具有較高的CV和塊金效應系數，表明其受人為因素影響。TP主要受地質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和塊金效應系數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，不同地質背景間差異不明顯，該2個指標含量的CV和塊金效應值接近，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的關鍵指標，結果發現：土壤AP、QK、AN隸屬度是影響SFI的關鍵影響因素，這與胡瑞文等［20］的研究結論一致，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的相關系數分別為0.74、0.45、0.18，呈顯著正相關，結合數據統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的相關系數分別為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、地質背景、土壤質地等啞變量對SFI的影響，結果發現：種植制度是最重要的影響因素，其次為地質背景。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）。總體來看，典型種植制度體現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 結論

（1）針對優質煙葉生產而言，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，達到優等級，重金屬指標隸屬度較高，等級達到優。地質背景、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的關鍵影響因素，種植制度是SFI的首要影響因素，其次為地質背景。

（3）QK、AP含量達到一般等級，其CV和塊金效應值較大，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含量達到優良等級，其CV和塊金效應值較小，表明土壤的氮供給能力較強，可適量控制氮肥的使用。