基于最小數(shù)據(jù)集的東北地區(qū)朝鮮淫羊藿土壤肥力評(píng)價(jià)

王英哲，國坤，孫云龍，容路生，姜大成

（長春中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，吉林 長春130117）

朝鮮淫羊藿（Epimedium koreanum Nakai）是2020版《中華人民共和國藥典》規(guī)定的中藥淫羊藿基源之一[1]。淫羊藿屬植物分布廣泛，但個(gè)別種的分布范圍僅局限在特定地區(qū)，如黔北淫羊藿僅分布于貴州地區(qū)，川西淫羊藿僅分布于四川地區(qū)[2]，朝鮮淫羊藿僅分布在吉林省東部山區(qū)以及遼寧省東南部地區(qū)，近年來朝鮮淫羊藿野生資源蘊(yùn)藏量不容樂觀，呈下降趨勢(shì)[3,4]。為緩解其資源緊張的狀況，野生轉(zhuǎn)栽培是必然趨勢(shì)。朝鮮淫羊藿野生種群適宜生境為蒙古櫟林、胡桃楸林及次生雜木林[5]，人工圃地栽培需加蓋遮陽網(wǎng)至遮陰強(qiáng)度為70%[6]，同時(shí)準(zhǔn)確施肥是保證產(chǎn)量和提高質(zhì)量的重要措施。劉振成等[7]研究表明，土壤大量元素與微量元素是影響朝鮮淫羊藿生長發(fā)育與次生代謝產(chǎn)物含量的重要土壤生態(tài)因子，張碩等[8]研究表明朝鮮淫羊藿葉片產(chǎn)量與有效成分含量的最佳N、P2O5、K2O配比為1:（1.04~1.34）:（1.34~1.49）。土壤中元素組成復(fù)雜，是植物生長代謝的主要影響因子，因此合理提取土壤肥力指標(biāo)是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的首要環(huán)節(jié)。

當(dāng)前我國還未建立公認(rèn)的中藥材栽培地土壤評(píng)價(jià)體系，也無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)供參考，同時(shí)土壤中成分復(fù)雜，元素種類繁多，某些指標(biāo)的檢測(cè)成本較高[9]，因此前人的研究都引入了Larson和Pierce于1991年提出的最小數(shù)據(jù)集理論，即采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)一系列土壤指標(biāo)進(jìn)行篩選，從而找出互不相關(guān)的、能夠代表土壤整體質(zhì)量的幾個(gè)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[10]。土壤肥力的評(píng)價(jià)方法主要有模糊綜合法[11]、層次分析法[12]、主成分分析法[13]和基于GIS空間數(shù)據(jù)庫法等[14]。本研究采用最小數(shù)據(jù)集和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)東北地區(qū)朝鮮淫羊藿土壤肥力進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為朝鮮淫羊藿選址栽培和合理施肥提供參考[15]。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品的采集與處理

2019年7~8月，在吉林省南部山區(qū)及遼寧省東南部地區(qū)實(shí)地調(diào)查收集了20個(gè)不同產(chǎn)地的朝鮮淫羊藿根際土壤樣品，記錄經(jīng)緯度、海拔等地理信息，見表1。采用多點(diǎn)取樣法收集根際土壤約1 kg，混合均勻，用四分法將樣品縮分至300~500 g，將縮分后的樣品分為3份，分別全部過0.149 mm、0.25 mm、2 mm孔徑土壤篩，供不同測(cè)定項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)用，操作期間避免使用金屬工具。

表1 土壤樣品地理信息Table 1 The information of soil sample sites

1.2 土壤肥力指標(biāo)的測(cè)定

本研究共選擇13項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)，各指標(biāo)的檢測(cè)方法參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[16]。采用電位法測(cè)定pH（水土比例2.5:1）；質(zhì)量法測(cè)定可溶性鹽；低溫外熱重鉻酸鉀氧化比色法測(cè)定有機(jī)質(zhì)；凱氏定氮法測(cè)定全氮；堿解擴(kuò)散法測(cè)定堿解氮；酸溶-鉬銻抗比色法測(cè)定全磷；碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定有效磷；氫氧化鈉熔融-原子吸收分光光度法測(cè)定全鉀；乙酸銨浸提-原子吸收分光光度法測(cè)定速效鉀；0.1 mol/L鹽酸浸提-原子吸收分光光度法測(cè)定有效態(tài)錳、鋅、鐵和銅。每項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定值為3次平行試驗(yàn)的均值。

1.3 最小數(shù)據(jù)集（MDS）的建立

采用IBM SPSS Statistics 22軟件對(duì)20個(gè)樣地13項(xiàng)土壤指標(biāo)進(jìn)行主成分分析和相關(guān)性分析，得到各指標(biāo)的因子載荷矩陣與相關(guān)系數(shù)矩陣。通過統(tǒng)計(jì)軟件的運(yùn)算，保留特征值大于或等于1的主成分，在每項(xiàng)主成分中保留因子載荷絕對(duì)值大于或等于0.5的指標(biāo)進(jìn)入候選MDS。根據(jù)公式（1）計(jì)算候選MDS中各項(xiàng)指標(biāo)的矢量常模（Norm值），在各主成分中，若某指標(biāo)的Norm值在本組最大Norm值的10%范圍內(nèi)則保留，反之則去除，再根據(jù)相關(guān)系數(shù)表，比較各主成分項(xiàng)下的指標(biāo)是否顯著相關(guān)，若相關(guān)則保留Norm值較大的指標(biāo)，若不相關(guān)則全部保留進(jìn)入最終的MDS集合[17]。

公式中Nik為Norm值，uik為第i個(gè)變量在第k個(gè)主成分上的因子載荷，k為第k個(gè)主成分的特征值。

1.4 隸屬度函數(shù)的選擇及隸屬度值的計(jì)算

隸屬度函數(shù)指被選定的評(píng)價(jià)指標(biāo)與植物生長效應(yīng)之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，通過計(jì)算將其轉(zhuǎn)化為0~1之間的無量綱值，根據(jù)土壤指標(biāo)對(duì)植物生長的作用效應(yīng)選擇合適的隸屬度函數(shù)，常用的隸屬度函數(shù)有S型[18]、反S型[19]和拋物線型[20]。S型函數(shù)是指在一定范圍內(nèi)土壤對(duì)植物生長的作用隨指標(biāo)的增大而增大，超出該范圍則趨于平緩，適合該函數(shù)的指標(biāo)有有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀的全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分以及各種微量元素，表達(dá)式為公式（2）。反S型函數(shù)是指在一定范圍內(nèi)土壤對(duì)植物生長的作用隨指標(biāo)的增大而降低，超出該范圍則趨于平緩，適合該函數(shù)的指標(biāo)為可溶性鹽，表達(dá)式為公式（3）。拋物線型函數(shù)是指在一定范圍內(nèi)土壤對(duì)植物生長的作用達(dá)到峰值，超出該范圍則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表達(dá)式為公式（4）。適合該函數(shù)的指標(biāo)為pH。各隸屬度函數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)設(shè)定為測(cè)定指標(biāo)的兩個(gè)極值，將各個(gè)指標(biāo)的測(cè)定值代入函數(shù)公式中計(jì)算得出隸屬度值。

1.5 土壤肥力指數(shù)的計(jì)算

土壤肥力指數(shù)（SQI）是對(duì)研究區(qū)域土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)，采用基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行計(jì)算，首先通過隸屬度函數(shù)計(jì)算隸屬度值，再計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重，最后采用權(quán)重加權(quán)求和計(jì)算土壤肥力指數(shù)。土壤全量數(shù)據(jù)集（TDS）各指標(biāo)的權(quán)重（W-TDS）為主成分分析中公因子方差占所有指標(biāo)公因子方差總和的比例。土壤最小數(shù)據(jù)集（MDS）各指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算方法有如下3種[17]：對(duì)最小數(shù)據(jù)集包含的指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，各指標(biāo)的公因子方差占所有指標(biāo)公因子方差總和的比例即權(quán)重（W1-MDS）；通過MDS的因子載荷矩陣計(jì)算Norm值，各指標(biāo)的Norm值占Norm值總和的比例即權(quán)重（W2-MDS）；MDS每個(gè)指標(biāo)在TDS主成分分析上的綜合得分系數(shù)占MDS綜合得分系數(shù)綜合的比例即權(quán)重（W3-MDS）。根據(jù)公式（5）計(jì)算全量數(shù)據(jù)集（TDS）與最小數(shù)據(jù)集（MDS）的土壤肥力指數(shù)。

式中為指標(biāo)的個(gè)數(shù)，W為權(quán)重，為隸屬度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)分析

參照全國第二次土壤普查制定的土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表2）[21]，對(duì)朝鮮淫羊藿主產(chǎn)區(qū)土壤肥力進(jìn)行單項(xiàng)評(píng)價(jià)與描述性統(tǒng)計(jì)分析。由表3可知，朝鮮淫羊藿主產(chǎn)區(qū)土壤pH平均值為5.51，屬于弱酸性土壤，在最適pH范圍內(nèi)；可溶性鹽平均含量極低，為0.75 g kg-1，屬于非鹽化土壤。有機(jī)質(zhì)平均含量為150.58 g kg-1，遠(yuǎn)高于分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的最大值。土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮及有效磷的平均含量分別為3.94 g kg-1、1.26 g kg-1、32.63 g kg-1、255.89 mg kg-1和103.02mg kg-1，均為極高水平；速效鉀的平均含量為154.81mg kg-1，含量較高；有效態(tài)鐵平均含量為1.34 mg kg-1，屬于低水平；有效態(tài)錳平均含量為228.5 mg kg-1，屬于高水平；有效態(tài)銅平均含量為0.33 mg kg-1，屬于中等水平；有效態(tài)鋅平均含量為6.76 mg kg-1，屬于極高水平。所有指標(biāo)中屬于弱變異的為pH、全鉀和速效鉀；中等變異的為有機(jī)質(zhì)、全磷、堿解氮、有效態(tài)鋅和錳；強(qiáng)變異指標(biāo)為可溶性鹽、全氮、有效磷、有效態(tài)鐵和銅。

表2 土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The classification standard of the soil nutrition status

表3 土壤各檢測(cè)指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)特征值Table 3 The descriptive statistics of soil indexes

2.2 土壤指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集的確定

根據(jù)表4，主成分分析中有5個(gè)主成分特征值大于1，累計(jì)貢獻(xiàn)率為86.019%，表明該5個(gè)主成分對(duì)全部變量的代表性較高。將各主成分中因子載荷絕對(duì)值大于或等于0.5的指標(biāo)篩選出來分為5組，第1組為堿解氮、有機(jī)質(zhì)、全磷、有效鐵、速效鉀和全氮；第2組為有效錳、有效鋅；第3組為全鉀、有效磷；第4組為有效銅；第5組為可溶性鹽。再根據(jù)各指標(biāo)的Norm值以及相互之間的相關(guān)性篩選，以第1組為例，Norm值在最大值10%范圍內(nèi)的指標(biāo)有有機(jī)質(zhì)、堿解氮、全磷、有效鐵和速效鉀。由表5可知有機(jī)質(zhì)與堿解氮、全磷、有效鐵、速效鉀相關(guān)性極顯著，因此只保留有機(jī)質(zhì)進(jìn)入最終的MDS集合。按上述方法，有機(jī)質(zhì)、有效錳、有效磷、有效銅和可溶性鹽共5個(gè)指標(biāo)納入最終的最小數(shù)據(jù)集。

表4 土壤主成分分析的因子載荷值、公因子方差值、Norm值Table 4 The factor load value,common factor variance value and Norm value of soil fertility indicators

表5 土壤指標(biāo)Pearson相關(guān)系數(shù)Table 5 The pearson correlation coefficient of soil indicators

2.3 土壤肥力指數(shù)的計(jì)算結(jié)果與最小數(shù)據(jù)集方法評(píng)價(jià)

根據(jù)1.5項(xiàng)下方法計(jì)算20個(gè)樣品13項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定值的隸屬度值，根據(jù)1.6項(xiàng)下方法計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重（表6），根據(jù)公式5計(jì)算全量數(shù)據(jù)集與最小數(shù)據(jù)集的土壤肥力指數(shù)。對(duì)4種土壤肥力指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，由表7可知，基于全量數(shù)據(jù)集計(jì)算求得的土壤肥力指數(shù)與3種基于最小數(shù)據(jù)集的土壤肥力指數(shù)相關(guān)性極顯著，表明最小數(shù)據(jù)集包含的指標(biāo)能夠代表全量數(shù)據(jù)集指標(biāo)來綜合評(píng)價(jià)土壤肥力，同時(shí)SQI-TDS與SQIMDS3的相關(guān)系數(shù)最大，表明第3種權(quán)重計(jì)算方法為最優(yōu)方法。

表6 全量數(shù)據(jù)集（TDS）和最小數(shù)據(jù)集（MDS）指標(biāo)權(quán)重Table 6 Weight values of total date set(TDS)and minnimum date set(MDS)

表7 土壤肥力指數(shù)的相關(guān)性分析Table 7 The correlation analysis of soil fertility indicators

2.4 土壤肥力指數(shù)等級(jí)劃分

土壤肥力指數(shù)大小在0~1之間，該值越大表明綜合質(zhì)量越好。運(yùn)用SPSS Statistics 22統(tǒng)計(jì)軟件，采用Ward法和歐式距離對(duì)表8數(shù)據(jù)聚類分析。由圖1可知，當(dāng)歐式距離小于5時(shí)，可將20份土壤樣品分為5組，人為將其由高到低定義為5個(gè)等級(jí)。等級(jí)Ⅰ樣品數(shù)為1，占比5%，為EK-2，SQI值為0.560；等級(jí)Ⅱ樣品數(shù)為4，占比20%，為EK-3、EK-10、EK-7、EK-11，SQI值在0.354~0.410之間；等級(jí)Ⅲ樣品數(shù)為4，占比20%，為EK-9、EK-12、EK-13、EK-19，SQI值在0.278~0.329之間；等級(jí)Ⅳ樣品數(shù)為7，占比35%，為EK-1、EK-4、EK-5、EK-6、EK-8、EK-15、EK-17，SQI值在0.209~0.246之間；等級(jí)Ⅴ樣品數(shù)為4，占比20%，為EK-14、EK-16、EK-18、EK-20，SQI值在0.146~0.192之間。

表8 各采樣點(diǎn)土壤肥力指數(shù)SQITable 8 The values of SQI at sampling points

圖1 土壤樣品聚類分析Fig.1 The cluster analysis of SQI vaule

3 討論

通過測(cè)定分析東北地區(qū)朝鮮淫羊藿土壤的肥力指標(biāo)，對(duì)朝鮮淫羊藿土壤肥力狀況有了初步的了解。土壤中的元素在不同的pH條件下以不同的化學(xué)形態(tài)存在，植物在pH過高或過低的土壤中均難以生長，研究表明東北地區(qū)朝鮮淫羊藿土壤呈弱酸性，pH在植物生長的最適范圍內(nèi)，樣品分布的整個(gè)區(qū)域內(nèi)pH差異較小。土壤中鹽分含量過高不利于植物生長，鹽漬土中的鈉、鈣、鎂的氯化物或硫酸鹽會(huì)導(dǎo)致作物減產(chǎn)[22]，測(cè)定結(jié)果表明朝鮮淫羊藿土壤屬于非鹽化土，變異系數(shù)較高，各地區(qū)土壤的鹽化程度不同，其中EK-16（通化市虎馬嶺）土壤可溶鹽含量達(dá)到表2中的四級(jí)水平，土壤中度鹽化。陳光登等[23]研究表明土壤鹽脅迫會(huì)造成淫羊藿屬植物株高、葉面積及生物量顯著下降，但在低濃度鹽脅迫下總黃酮含量略有增加。徐尚濤等[24]研究表明土壤鹽化會(huì)導(dǎo)致全氮、全磷、速效氮、速效磷及速效鉀含量降低從而降低土壤肥力，因此在朝鮮淫羊藿栽培過程中應(yīng)合理調(diào)控土壤鹽分含量。朝鮮淫羊藿土壤有機(jī)質(zhì)含量十分豐富，全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷及速效鉀含量均達(dá)到極高或高水平，其中全氮、全磷、有效磷存在中等強(qiáng)度變異，表明朝鮮淫羊藿不同產(chǎn)區(qū)土壤中的上述3種元素具有差異性。土壤除了供給植物氮、磷、鉀等大量元素之外，所含微量元素的作用是不可忽視的，缺乏微量元素的耕地或土壤會(huì)影響植物的生長和代謝，朝鮮淫羊藿土壤微量元素含量特征為有效態(tài)鋅、錳含量高，有效態(tài)銅含量適中，有效態(tài)鐵元素相對(duì)不足。劉振成等[6]研究表明土壤中的鐵元素對(duì)朝鮮淫羊藿中朝藿定C含量具有促進(jìn)作用，銅元素對(duì)淫羊藿苷含量具有促進(jìn)作用，因此在后期栽培時(shí)建議合理施用銅、鐵等微肥以提高藥材質(zhì)量。

土壤肥力評(píng)價(jià)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇，由于評(píng)價(jià)目的與側(cè)重點(diǎn)不同，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的指標(biāo)成分各不相同，所選擇的指標(biāo)原則上應(yīng)涵蓋土壤物理、化學(xué)和生物等方面，同時(shí)某些指標(biāo)之間存在顯著的相關(guān)性，最小數(shù)據(jù)集的概念能很好地將眾多測(cè)定指標(biāo)刪繁就簡，優(yōu)選出能全面代表土壤整體質(zhì)量的指標(biāo)。本研究利用主成分分析與相關(guān)性分析，通過計(jì)算篩選出有機(jī)質(zhì)、有效錳、有效磷、有效銅和可溶性鹽5個(gè)指標(biāo)代替土壤的13項(xiàng)指標(biāo)，通過各指標(biāo)的隸屬度值與權(quán)重值，求得最小數(shù)據(jù)集的土壤肥力指數(shù)（SQI），最小值為0.146，最大值為0.560，平均值為0.280，變異系數(shù)為34.6%。MDS與TDS相關(guān)分析結(jié)果表明所構(gòu)建的最小數(shù)據(jù)集能很好地替代全量數(shù)據(jù)集評(píng)價(jià)土壤肥力。通過SQI值聚類分析將朝鮮淫羊藿土壤肥力分為5個(gè)等級(jí)，朝鮮淫羊藿土壤肥力以等級(jí)Ⅳ為主。本研究對(duì)野生朝鮮淫羊藿根際土壤肥力做了綜合評(píng)價(jià)與分析，該方法與結(jié)果可為朝鮮淫羊藿栽培地質(zhì)量評(píng)價(jià)與合理施肥提供參考。