土壤肥力质量是衡量土壤提供作物生长所需各种养分能力的重要指标，是保障作物生产和粮食安全的根本^[1-2]。健康土壤是保障现代农业高质量发展的根基，而土壤退化则会对生态环境和粮食安全造成深刻的影响^[3]。因此，保护土壤健康，提升土壤肥力质量，维持土壤生态系统多功能性，促进作物优质绿色生产，在现代农业绿色发展中显得尤为重要^[3-4]。目前，土壤肥力质量评价方法有很多种，其中运用最多的是综合指数法和内梅罗指数法^[5-7]。测定指标涉及物理、化学和生物 3 个方面，目前许多评价体系多采用理化指标，涉及的生物指标不多^[3]。前人通过运用内梅罗指数法发现，该方法计算的综合肥力指数能较好地反映土壤肥力状况^[8-9]；也有研究表明，土壤肥力综合指数法也可客观表征土壤肥力质量^[5]。

肥料作为粮食安全的物质基础，在支撑我国粮食产量、农产品品质、人类营养健康等方面发挥了至关重要的作用^[10]，合理施肥是改善土壤肥力的重要措施之一，施用化肥可快速改善土壤的理化性质，从而达到作物增产的效果^[11-12]，但长期单施化肥或过量施用化肥也可导致作物产量和品质下降、土壤板结、有机质含量降低、肥料利用率低等问题^[13-14]；而长期施用有机肥可以改良土壤物理结构，提高土壤有机质含量^[15-16]；化肥减量合理配施有机肥可提高作物产量、改善作物品质、提高化肥利用率^[17-18]，提高土壤微生物量和多样性^[19]，改善土壤微生物群落结构^[20-21]。

烟草作为云南省高原特色经济作物之一，是云南农业农村经济的重要支柱产业。对于植烟土壤来说，适宜的土壤条件是获得优质烟叶的基础，适宜的土壤养分能促进烟株的生长发育，其土壤肥力直接影响烟叶的产量和品质^[22-23]。目前，有机无机合理配施是提升植烟土壤肥力的主要技术措施之一，且关于有机无机配施对土壤肥力的提升作用也有大量研究报道^[18，22-23]，但该方面的研究多集中于土壤单项肥力指标的变化，鲜有对土壤肥力指标进行综合评价分析。而有关连续化肥减量条件下，配施有机肥提升土壤肥力的综合效应尚缺乏系统评价。因此，本文基于连续 7 年的田间定位试验，选择反映土壤肥力质量的主要因子，利用广泛应用于土壤肥力综合评价的因子分析法、相关系数法、内梅罗指数法，对连续 7 年化肥减量配施不同有机肥模式下的植烟土壤肥力进行定量化评价，分析不同评价方法下土壤综合肥力指数与作物产量之间的相关性，探讨影响烤烟产量的主控因素。以期为植烟土壤质量提升和烤烟的优质绿色可持续生产提供科学依据和技术基础。

1 材料与方法

1.1 试验地点和供试材料

田间定位试验始于 2013 年，试验区位于云南省昆明市寻甸县大河桥农场（25 °56′N， 103°25′E，海拔 1860 m），属亚热带季风气候，年平均气温 14.7℃，年日照数 2077 h 左右，无霜期 257 d 左右，年降水量 1040 mm，降水集中在 7—9 月，土壤类型为红壤。本研究为 2019 年 5—9 月的田间试验结果。

2013 年供试土壤理化性状见表1，供试烤烟品种为云烟 87，供试化肥为当地推荐烟草专用复合肥（N 15%、P₂O₅ 8%、K₂O 25%），烟苗和烟草专用复合肥由当地烟站提供。有机肥与生物有机肥由江苏联业生物科技有限公司提供，其中，有机肥含有机质≥ 35%，氮、磷、钾≥ 5%；生物有机肥含有机质≥ 25%，氮、磷、钾≥ 6%，所含微生物为多黏类芽孢杆菌（Paenibacillus polymyxa），有效活菌数≥ 0.5×10⁸ 个·g^-1。

1.2 试验设计

田间定位试验共设 4 个处理，分别为不施肥 （CK）；当地推荐常规施肥（100% 化肥）（CF）； 化肥减量 20% 配施有机肥（80% 化肥 + 有机肥 3000 kg·hm^-2）（OF）； 化肥减量 20% 配施生物有机肥（80% 化肥 + 生物有机肥 3000 kg·hm^-2） （BIO）。每处理 3 次重复，共 12 个小区，小区面积为 24 m²，每小区 5 墒，每墒 7 株，共 35 株。采用随机区组排列，每公顷按 15000 株烟计，烟株行距 55 cm×120 cm。

当地推荐常规施肥（100% 化肥）氮肥用量按 105 kg·hm^-2 纯氮施入，其中基肥 60 kg·hm^-2，追肥 45 kg·hm^-2，总养分比例为 N∶P₂O₅∶K₂O=1∶1∶ 2.5。OF 和 BIO 处理的化肥用量均在 CF 基础上减少 20%，基肥与追肥均减量，追肥时间为移栽后 30 d，两种有机肥均为基肥，在进行移栽前一次性拌塘施入，环施覆土。此外，在后续田间试验期间不施用任何农药，其他技术措施均按优质烤烟生产要求进行和管理。

1.3 样品采集与测定方法

在烤烟最后一次收获后采集土壤样品。多点混合采集 0～20 cm 根区土壤。自然风干、研磨过筛，相关土壤指标测定方法参照鲍士旦^[24]的《土壤农化分析》。

在烤烟收获且烘烤结束后，参照《烤烟》（GB 2635—1992）分级标准，计算各个小区干烟烟叶产量及中上等烟叶比例。

参照《 烟草病虫害分级及调查方法 》（GB/T23222—2008）对成熟期烤烟青枯病和黑胫病进行病害调查并分级，并计算发病率和病情指数。

发病率 = 发病株数 / 调查总株数 ×100%

病情指数 = ∑（各级病株数 × 该病级值）/ （调查总株数 × 最高级值）×100%

1.4 土壤肥力参评指标的选取

在选取评价指标时通常选用土壤化学指标（有效养分、有机质等）来评价土壤综合肥力^[3]。通过参照前人^[25-26]研究方法，并综合考虑了评价指标的客观性、易获得性、全面性，本研究选取了长期定位试验下第 7 年测定的土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、pH 值 6 项指标作为参评指标综合反映土壤肥力状况。

1.5 土壤肥力综合得分计算

1.5.1 相关系数法和因子分析法

二者均属于模糊综合评判法，首先对评价指标进行数据归一化处理，然后根据隶属度函数计算出每个评价指标的权重。相关系数法和因子分析法确定权重参照包耀贤等^[27]的计算方法。

根据模糊数学加乘法原则，土壤综合肥力指数^[27]（IFI）按下式计算：

式中，W_i 与 P_i 分别为第 i 项评价指标的权重和隶属度值；n 为评价指标个数。IFI 取值在 0～1，其值越高，表明综合土壤肥力质量越好。

1.5.2 内梅罗指数法

参考全国第二次土壤养分分级标准来确定内梅罗综合评价方法中各土壤属性的分级标准^[28]（表2），对植烟土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质和 pH 值 6 个指标进行评级，计算分肥力系数 （IFI_i）和土壤综合肥力。

IFI_i 的计算：

式中，IFI_i 为土壤单项肥力指数，x 为该属性测定值，x_a 为分级标准下限，x_p 为分级标准上限，x_c 为上下限之间的分级指标。

此外，由于适宜烤烟生长及优质烟叶生产的土壤 pH 值在 5.5～7.5，而该试验地 pH 值 >7，故应该用如下方法对 pH 值标准化做特殊处理，具体方法如下：

采用修正的内梅罗公式^[29] 计算土壤综合肥力：

式中，IFI 表示土壤肥力综合指数，IFI _平均表示土壤各单项肥力指数的平均值，IFI _最小表示土壤单项肥力指数的最小值，n 表示本次肥力综合评价的参评因子数，IFI 介于 0～3，其值越大，代表土壤综合肥力越高。

1.6 数据处理与统计分析

烤烟产量稳定性指数计算：SI 表示各处理产量稳定性，数值越低，代表产量越稳定^[8]。计算公式如下：

烤烟产量可持续性指数计算：SYI 表示各处理生产可持续性，SYI 范围在 0～1，数值越大则产量越稳定^[8]。计算公式如下：

式中，Y 表示每个处理平均产量，SD 代表每个处理产量的标准差，Y_max 表示产量最大值。

运用 SPSS 24.0，采用最小显著差数法（LSD） 检验各处理间的差异显著性（P<0.05）。采用 Origin 2018 进行作图，采用 R 语言中的“randomForest” 和“rfPermute”程序包进行随机森林回归分析。

2 结果与分析

2.1 烤烟病害发生率和病情指数

连续 7 年化肥减量配施不同有机肥对烤烟青枯病和黑胫病的影响如表3所示。各处理间烤烟青枯病和发病率的大小顺序均为 CK>CF>OF>BIO。与 CF 处理相比，OF 和 BIO 处理的烤烟青枯病和黑胫病的发病率和病情指数均显著降低。其中，OF 处理青枯病发病率和病情指数降幅分别为 27.31% 和 30.87%，黑胫病发病率和病情指数降幅分别为 32.05% 和 33.15%；BIO 处理的青枯病发病率和病情指数降幅分别为 52.34% 和 61.23%，黑胫病发病率和病情指数降幅分别为 46.46% 和 69.84%。此外，OF 与 BIO 处理间存在显著差异，说明同等减量 20% 化肥，配施生物有机肥对防控烤烟土传病害的效果更优。

注：同列数据后不同小写字母表示在 P<0.05 水平差异显著。下同。

2.2 烤烟经济性状与产量稳定性及持续性

连续 7 年化肥减量配施不同有机肥对烤烟经济性状的影响如表4 所示。CK 处理显著降低了烤烟产量、产值和中上等烟比例。与 CF 处理相比，化肥减量 20% 配施不同的有机肥明显提升烤烟的产量和经济效益，其中，OF 和 BIO 处理的烤烟产量、产值、中上等烟比例增幅分别为 10.26%、 19.24%、17.31% 和 36.18%、53.06%、31.37%。与 OF 处理相比，BIO 处理的烤烟产量显著增加2 2.61%，产值与中上等烟比例也呈现明显地提升效果。

采用各处理作物产量、稳定性指数和可持续性指数的平均值划分 4 个象限，分析作物产量与稳定性、可持续性的关系（图1）。结果表明，CK 处理低产，并且产量稳定性和可持续性低；CF 处理产量和稳定性较高，但产量可持续性较低；OF 和 BIO 处理在获得高产的同时，能够维持产量的高稳定性和高可持续性。

注：Q1、Q2、Q3、Q4 分别代表低产和低稳定性、高产和低稳定性、低产和高稳定性、高产和高稳定性；Z1、Z2、Z3、Z4 分别代表低产和高可持续性、高产和高可持续性、低产和低可持续性、高产和低可持续性。

2.3 植烟土壤单项肥力指标

由表5 可知，与 CK 相比，除 CF 处理的全氮，其余 3 个施肥处理的土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质含量均有所提高；与 CF 处理相比，OF 与 BIO 处理除 pH 值外，其余各项肥力指标也均有提高的趋势；OF 与 BIO 处理间各项指标皆未达显著性差异，但 BIO 处理的各项肥力指标总体高于 OF 处理。说明化肥减量配施有机肥与配施生物有机肥均能提高植烟土壤中的全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质含量，其中，以配施生物有机肥的效果更佳。

2.4 影响烤烟产量的主控土壤肥力因素

由表6 可知，单项土壤肥力指标与烤烟产量的相关性分析表明，植烟土壤有效磷、碱解氮均与烤烟产量呈极显著正相关（P<0.01），有机质、速效钾、全氮与烤烟产量呈显著正相关（P<0.05）。由此说明，除 pH 值外，其余 5 项指标均对植烟土壤肥力产生了一定的贡献，是表征植烟土壤肥力的重要指标。

注：** 表示 P<0.01；* 表示 P<0.05。

通过将烤烟产量与土壤单项肥力指标进行随机森林分析（图2），发现该模型总方差解释率 R² =98.2%，且土壤有效磷、碱解氮、全氮是影响烤烟产量的决定因素，其解释率分别为 19.66%、 15.38%、12.07%。

注：AP 为有效磷，AN 为碱解氮，TN 为全氮，SOM 为有机质，AK 为速效钾。*** 表示 P<0.001；** 表示 P<0.01。

2.5 植烟土壤肥力综合评价

由图3 可知，3 种评价方法下，不同处理的土壤肥力综合指数 IFI 从大到小均为 BIO>OF>CF>CK。结果表明，连续 7 年化肥减量条件下，配施有机肥和生物有机肥均显著提高了植烟土壤综合肥力，配施生物有机肥提升土壤综合肥力的效应更为显著。

注：不同小写字母表示不同处理间在 0.05 水平差异显著。

因子分析法和相关系数法的 IFI 分别在 0.46～0.83 和 0.38～0.77 范围内，其 IFI 大小接近且变化趋势一致，表明这两种方法评价土壤的综合肥力时表现出一致性和通用性。而内梅罗指数法的 IFI 在 1.26～1.87 范围内，该方法的 IFI 变化趋势与前两者方法一致，但变化幅度较大，总体差异明显。

相比于 CF 处理，连续 7 年不施肥，3 种评价方法的植烟土壤肥力综合指数下降了 17.11%～37.70%，而 OF 和 BIO 处理的 IFI 在内梅罗指数法中分别提高了 6.58% 和 23.03%，在因子分析法中分别提高了 7.94% 和 31.75%，在相关系数法中分别提高了 4.92% 和 26.23%。综合比较，连续 7 年化肥减量 20% 配施生物有机肥的植烟土壤综合肥力可提升 23.03%～31.75%，化肥减量配施有机肥可使植烟土壤综合肥力提高 4.92%～7.94%。

2.6 土壤综合肥力指数与相对产量的关系

作物产量在一定程度上可以反映出土壤生产力的水平，故一般采用产量与综合肥力指数的相关关系来验证评价结果的准确性。由图4 可知，通过对 3 种评价方法下植烟土壤的 IFI 与烤烟相对产量进行线性回归分析发现，其 IFI 与烤烟相对产量（认为 CK 的产量为 100，其他处理的产量为与 CK 的比值 ×100）均呈显著或极显著的正相关关系，且 3 种评价方法的精确性通过计算相关系数可知，内梅罗指数法（R=0.884）>因子分析法（R=0.867）>相关系数法（R=0.747）。表明 3 种方法均适宜进行植烟土壤综合肥力评价，其中以内梅罗指数法更佳，在实践中应优先选择该方法。

3 讨论

目前，烟草根茎类土传病害是限制烟叶绿色可持续发展的主要因子。本试验结果表明，连续 7 年化肥减量 20% 配施有机肥与配施生物有机肥相较于常规施肥处理均能显著降低烤烟青枯病和黑胫病的发病率和病情指数，且以配施生物有机肥的防治效果更优。其原因可能是一方面生物有机肥的施用为烟株生长提供所需要的养分，促进烟株根系生长发育，生长健壮，增强抗病性^[30]；另一方面生物有机肥中含有大量有益微生物，施入土壤后在烟株根系周围生长繁殖，与根系形成互惠互利的共生关系，同时和土传病原菌进行“营养竞争”和“生态位竞争”，从而抑制病原菌的生长繁殖，减少病原菌的侵染和危害^[19，30]。

作物产量是衡量施肥效果的一项重要指标。本长期定位试验结果表明，当地推荐施肥、化肥减量 20% 配施有机肥和配施生物有机肥相较于不施肥处理均能显著提高烟叶产量、产值和中上等烟比例，这与农传江等^[30]研究结果一致。另外，有研究报道，有机无机合理配合施用可以维持较高的作物产量及其稳定性和可持续性^[8，31]。本研究也表明，对比连续 7 年不施肥或当地推荐施肥处理，化肥减量 20% 配施不同的有机肥能有效提高作物产量稳定性与可持续性，其中，以配施生物有机肥的提升效果最优。

植烟土壤养分含量在维持烟叶的产量和品质的形成中发挥着重要作用。本研究表明，化肥减量配施不同有机肥相较于常规施肥均能提高植烟土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质含量，且以配施生物有机肥的提升效果较优。聂庆凯等^[23]研究表明，有机肥部分替代无机肥可以提高中、后期植烟土壤速效养分含量，与本试验研究结果一致。此外，通过分析土壤单项肥力指标与烤烟产量的相关分析表明，植烟土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质均与产量呈显著或极显著的正相关关系，表明这 5 个指标是表征植烟土壤肥力的重要指标，这与黄兴成等^[8]、陈轩敬等^[9]研究结果一致。通过将烤烟产量与土壤单项肥力指标进行随机森林分析，发现植烟土壤有效磷、全氮、碱解氮是影响烤烟产量的决定因素，这与巨晓棠等^[32]、 Wang 等^[33]研究结果一致，他们也指出氮、磷是限制作物产量的重要因素，如果没有额外的氮、磷养分来源，会造成显著减产。

根据土壤质量现状并结合等距划分法，参考各土壤质量水平及文献^[26，29]，因子分析法和相关系数法的土壤质量分级参考标准如下：IFI ≥ 0.6、 0.4 ≤ IFI<0.6、IFI<0.4 分别为高、中、低等级； 内梅罗指数法的土壤质量分级参考标准如下： IFI ≥ 2.7、1.8 ≤ IFI<2.7、0.9 ≤ IFI<1.8、IFI<0.9 分别为Ⅰ级（很肥沃）、Ⅱ级（肥沃）、Ⅲ级（中等）、Ⅳ级（瘠）。从 3 种不同评价方法得出的 IFI 来看，不同处理的土壤综合肥力指数 IFI 从高到低均为 BIO>OF>CF>CK，且相关系数法与因子分析法得出的 IFI 比较相近，均在 0.38～0.83 之间，OF 与 BIO 处理在这两种评价方法下植烟土壤质量均达到了“高级”，表明这两种方法在评价土壤肥力时具有高度的通用性与一致性；内梅罗指数法的 IFI 在 1.26～1.87 之间，BIO 处理的肥力等级在该评价方法下也达到了“肥沃”。说明化肥减量配施不同有机肥使土壤肥力从中等肥力水平向肥沃水平转变，对土壤肥力与土壤质量的提升有持续促进作用。这与前人^[5，34]研究结果基本一致。主要原因是有机肥和生物有机肥中含有大量有机质及部分氮、磷、钾，养分全面且肥效长，能够改善土壤物理化学及生物学性质、微生物群落结构，改良土壤、培肥地力^[35-36]，故长期有机无机配施对土壤肥力提升效果明显。此外，运用内梅罗指数法发现，BIO 处理的 IFI 为 1.87，其相对产量也达到最大值，为 211.28，这证实了陈轩敬等^[9]的结果，他们指出 IFI 在 1.63～2.01 之间，作物可获得相对最高产量。

最后，通过采用产量与土壤 IFI 指数的相关性检验评价结果的准确性，发现内梅罗指数法、因子分析法、相关系数法的 IFI 值与烤烟相对产量均呈显著或极显著的正相关关系（P<0.05；P<0.01），这与于寒青等^[26]、包耀贤等^[27]、谢军等^[31] 的研究结果基本一致，表明这 3 种方法均可用来评价土壤综合肥力。从 IFI 与产量的相关系数来看，内梅罗指数法 （0.884）>因子分析法（0.867）>相关系数法（0.747），表明在评价植烟土壤肥力时，内梅罗指数法优于因子分析法和相关系数法，可在生产实践中优先使用。

4 结论

（1）与当地常规推荐施肥相比，连续 7 年减量 20% 化肥条件下，配施有机肥和配施生物有机肥均能有效提升烟叶产量产值、产量稳定性与可持续性，降低烤烟青枯病和黑胫病的发病率和病情指数。土壤有效磷、碱解氮、全氮是决定烤烟产量的关键土壤肥力因素。

（2）连续 7 年化肥减量配施不同有机肥能培肥土壤，有效提高植烟土壤综合肥力，且以化肥减量配施生物有机肥的肥力提升效果最优，其植烟土壤综合肥力指数增幅为 23.03%～31.75%，土壤肥力质量从中等肥力水平提升到肥沃水平。

参考文献