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土壤不仅是人类赖以生存的物质基础,还是生态系统最基本的组成部分。土壤作为元素的储存库,其元素的丰缺状况直接影响着农产品的产量与质量。近年来,随着人口增长和社会经济的高度发展,工业的迅速发展和一些不适当的人为活动,土地利用开发程度不断增大,土地退化日益严重,使土壤环境污染日益严重,农业土壤环境质量下降,影响了农作物的生长,也危害了人体健康。人类的生存繁衍与农业生态息息相关,而农业生态的基本资源是土壤,因此土壤环境质量受到社会的广泛重视,是当今环境科学的重要研究内容。东北地区是大豆的生态适宜区,也是我国最大的大豆产区,大豆播种面积和产量均占全国的一半。吉林省种植大豆历史悠久,素有大豆之乡的美称。本研究共采集表层土壤样品2667个,深层土壤样品659个;大豆主产区研究区位于农安县前岗乡和榆树市的八号镇和向阳镇,共采集表层土壤样品90个,分析检测土壤元素23项,土壤理化指标3项,土壤元素有效态13项;共采集大豆籽实样品14个,分析检测大豆籽实元素含量17项,营养成分23项;野外工作和室内分析数据基本满足统计分析要求;获得了一批重要的野外基础数据和室内分析数据,为进行大豆生态环境地球化学特征分析和相关性分析奠定了基础。本研究以榆树市黑土地大豆种植区为重点研究区,并选择农安县不同生态环境大豆种植区作为参照区,研究土壤和大豆籽实有害和有益营养元素的组成和分布特征,查明营养元素丰缺状况;通过研究营养元素的有效含量特征,查明大豆质量形成的地球化学特征及其影响大豆质量的相关因素;结合环境、气候、土壤元素等农业生态环境因素,综合评价土壤环境质量和土壤肥力;最后利用偏最小二乘法(PLS)建立土壤元素及土壤理化性质与大豆产量/质量的定量关系模型,并利用区间两阶段和机会随机约束方法建立大豆产量的优化模型,为提出发展高产量、高蛋白大豆区域种植提供依据。本研究得出的主要结论如下:土壤元素的地球化学分布特征方面,土壤大量元素与微量元素含量充足,土壤有益元素及健康元素均与土壤环境背景值接近,土壤有害元素含量均未超过土壤环境质量标准二级标准限值;土壤元素相关性方面,研究区土壤中Mo、Hg等16种元素与土壤元素全量在0.01水平上显著相关,有P、A1等3种元素与土壤元素全量在0.05水平上显著相关;研究区土壤有效Fe、有效Mn、有效Zn、Mg-exc与土壤元素全量在0.01水平上呈显著正相关关系,有效B、Ca-exc与土壤元素全量在0.01 水平上呈显著负相关关系,NO3-N与速效K与土壤元素全量在0.05水平上呈显著相关关系;研究区Ca-exc、有效Fe、有效B与土壤理化指标在0.01水平上呈显著相关关系,硝态氮、有效Zn与土壤CEC和pH在0.01水平上呈显著相关关系,速效K与有机质和CEC在0.01 水平上呈显著相关关系;有效P、Mg-exc与有机质在0.05水平上呈显著相关关系;研究区域大豆籽实元素含量均值由高到低依次是:K>P>Mg>Ca>Fe>Zn>Mn>Cu>Ni>Mo>F>Cr>Cd>Se>Pb>As>Hg,元素间含量差异明显,最高值K元素含量为17705.02mg/kg,而最低值Hg元素含量只有0.0008mg/kg;研究区大豆籽实中营养成分全量地区差异表现为:农安前岗营养元素含量<榆树向阳营养元素含量<榆树八号营养元素含量;研究区域土壤环境质量总体符合《土壤环境质量标准》GB15618—1995二级标准,较适宜种植大豆,但在农安县前岗乡的局部区Cd含量超标。研究区域榆树八号镇土壤肥力最丰富,其次是榆树向阳镇和农安县前岗乡,均适宜种植大豆,但土壤酸碱度条件需要改善。研究区土壤肥力大小排序是:榆树八号>榆树向阳>农安前岗。分别以已知的某大豆主产区大豆产量/质量(以氨基酸为评价指标)24/11组数据为训练集、6/3组数据为验证集,采用SPSS软件,用偏最小二乘(Partial least square,PLS)方法构建大豆产量/质量与土壤质量(土壤元素、土壤pH、有机质含量以及阳离子交换量)间的定量关系。模型模拟显示,模型相关系数R分别为 0.909、0.912、0.900 和 0.899,R2 分别为 0.826、0.832、0.810 和 0.808,R2adj分别为0.802、0.821、0.804和0.801,所有回归系数均通过了统计学检验(P<0.05);此外,模型的实验数据和预测数据的相关系数R2pred分别为0.961、0.935、0.923和0.956,说明所建立模型具有良好的预测能力。此外,土壤元素B、Mo、Se、K、N、P、Zn、As以及土壤pH、阳离子交换量对大豆产量有正效应作用,而元素B、Mo、Se、K、N对大豆质量有正效应作用,为今后改良土壤以提高该地区大豆产量、质量提供了理论支撑。本研究针对吉林省社会经济、大豆发展概况以及大豆发展存在的问题,结合研究区域土地资源可持续利用的要求以及大豆主产区的土地资源状况和社会经济条件等,采用区间两阶段和机会随机约束建立了研究区域大豆产量、质量优化模型(如(?)得到相应大豆的产量/质量值,并针对该地区大豆种植现状,从大豆生长的有利土壤元素、有害元素、有机质以及其它理化性质角度提出了相应的改良措施。