基于最小數(shù)據(jù)集的植煙土壤質(zhì)量評價及障礙因子診斷

張 恒，張艷玲，許亞東，馮文強，江 鴻，戴華鑫，翟 振，馮長春*，梁太波*

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號 450001 2.鄭州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，鄭州市高新區(qū)科學(xué)大道157 號 450066 3.四川省煙草科學(xué)研究所，成都市武侯區(qū)世紀(jì)城路936 號 610041

土壤是煙草賴以生存的基礎(chǔ)［1］，是直接影響煙葉產(chǎn)量和質(zhì)量的重要生態(tài)因子［2］。土壤質(zhì)量好壞是土壤多種功能的綜合體現(xiàn)，可根據(jù)土壤物理、化學(xué)和生物特性，采用科學(xué)合理的土壤質(zhì)量評價方法對土壤質(zhì)量進行綜合評價。通常用于土壤質(zhì)量評價的物理、化學(xué)和生物指標(biāo)越多，土壤質(zhì)量評價越準(zhǔn)確，但土壤質(zhì)量評價指標(biāo)過多可導(dǎo)致檢測費時耗力和成本過高等問題［3］。因此，選擇與土壤質(zhì)量密切相關(guān)且相對獨立的指標(biāo)是土壤質(zhì)量評價的重要環(huán)節(jié)。目前常用的土壤質(zhì)量評價指標(biāo)篩選方法主要為最小數(shù)據(jù)集（Minimum data set, MDS）法［4-5］，該方法主要通過主成分分析、相關(guān)分析和Norm 值計算從總數(shù)據(jù)集（Total data set, TDS）中篩選指標(biāo)進入評價土壤質(zhì)量的最小數(shù)據(jù)集。采用最小數(shù)據(jù)集法對我國植煙土壤質(zhì)量進行評價的研究已有報道。張明發(fā)等［6］采用最小數(shù)據(jù)集法構(gòu)建了湘西植煙土壤質(zhì)量評價的最小數(shù)據(jù)集，并根據(jù)最小數(shù)據(jù)集計算的土壤質(zhì)量指數(shù)將植煙土壤質(zhì)量劃分5個等級；包玲鳳等［7］采用最小數(shù)據(jù)集法構(gòu)建了評價保山市植煙土壤質(zhì)量的最小數(shù)據(jù)集，根據(jù)最小數(shù)據(jù)集計算的土壤質(zhì)量指數(shù)對保山市各植煙縣（市、區(qū)）土壤質(zhì)量進行評價，并使用障礙因子診斷模型分析了保山市植煙土壤的主要障礙因子。四川煙區(qū)是我國煙葉主要產(chǎn)區(qū)之一，但關(guān)于該區(qū)域植煙土壤質(zhì)量評價和障礙因子診斷的相關(guān)研究還鮮見報道。為此，以四川省耕層植煙土壤為研究對象，根據(jù)主成分分析、相關(guān)分析和Norm 值的計算結(jié)果篩選評價指標(biāo)，構(gòu)建植煙土壤質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集，采用土壤質(zhì)量指數(shù)法與隨機森林分類算法對該最小數(shù)據(jù)集進行驗證，并通過障礙因子診斷模型明確影響植煙土壤質(zhì)量提升的主要障礙因子，旨在為建立科學(xué)合理的四川植煙土壤質(zhì)量評價體系提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集與處理

于2021 年在四川省274 塊煙田［涼山州10 個縣（市）182 塊煙田、瀘州市2 個縣27 塊煙田、宜賓市3個縣16 塊煙田和攀枝花市3 個縣（區(qū)）49 塊煙田］采集植煙土壤樣品。煙葉采收結(jié)束后，采用5點取樣法在每塊煙田采集煙田0～20 cm耕層土壤樣品，四分法保留2 kg，帶回實驗室去除雜物并自然風(fēng)干。一部分土壤樣品經(jīng)研磨過2 mm 篩后用于測定土壤化學(xué)和生物指標(biāo)，另一部分用于測定土壤水穩(wěn)性團聚體含量。此外，在每塊煙田使用100 cm3的環(huán)刀采集土壤樣品，土壤樣品收集到自封袋中，帶回實驗室用于測定土壤容重和總孔隙度。

1.2 總數(shù)據(jù)集植煙土壤質(zhì)量評價指標(biāo)選取與測定

根據(jù)文獻［3］和文獻［8］中土壤質(zhì)量評價指標(biāo)選取頻率，選取23 項指標(biāo)（13 項土壤化學(xué)指標(biāo)、7 項土壤生物指標(biāo)和3項土壤物理指標(biāo)）作為總數(shù)據(jù)集植煙土壤質(zhì)量評價指標(biāo)。

1.2.1 土壤化學(xué)指標(biāo)

參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》［9］測定土壤堿解氮、全氮、速效鉀、有效磷、有機質(zhì)、水溶態(tài)鈣、水溶態(tài)鎂、氯離子、有效鐵、有效錳、有效鋅、有效銅含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和土壤pH值。

1.2.2 土壤生物指標(biāo)

參照康奈爾土壤健康評價方法［10］中的檢測步驟測定土壤蛋白和活性有機碳含量；溶解性有機碳含量采用文獻［11］中的方法測定。脲酶活性使用土壤脲酶（S-UE）測試盒測定；蔗糖酶活性使用土壤蔗糖酶（S-SC）測試盒測定；酸性磷酸酶活性使用土壤酸性磷酸酶（S-ACP）測試盒測定；過氧化氫酶活性使用土壤過氧化氫酶（S-CAT）測試盒測定。所有土壤酶活性檢測測試盒均購自上海酶聯(lián)生物科技有限公司。

1.2.3 土壤物理指標(biāo)

參考文獻［12］采用環(huán)刀法測定土壤容重和計算總孔隙度；采用濕篩法［13］測定水穩(wěn)性團聚體含量。

1.3 植煙土壤質(zhì)量評價方法

1.3.1 最小數(shù)據(jù)集的構(gòu)建

使用SPSS 26.0 軟件對植煙土壤質(zhì)量評價指標(biāo)進行主成分分析，提取主成分特征值≥1 的主成分，按照主成分載荷大小將植煙土壤質(zhì)量評價指標(biāo)進行分組并分別計算每組所有指標(biāo)的Norm值。Norm值為主成分分析后該評價指標(biāo)在主成分組成的多維空間中矢量常模的長度，可表示該評價指標(biāo)在主成分上的綜合載荷，且Norm 值越大，解釋綜合信息的能力越強［14］。Norm值計算公式：

式中：Nik為第i 個評價指標(biāo)在特征值≥1 的k 個主成分上的綜合載荷；Uip為第i個評價指標(biāo)在第p個主成分上的載荷；λp為第p個主成分的特征值。

選取每組中Norm 值大于該組最大Norm 值0.9倍的評價指標(biāo)，分析這些評價指標(biāo)與該組最大Norm值指標(biāo)之間的相關(guān)性，若相關(guān)系數(shù)大于0.5，則將Norm值最大的評價指標(biāo)選入最小數(shù)據(jù)集，反之則該評價指標(biāo)與最大Norm值指標(biāo)均選入最小數(shù)據(jù)集。

1.3.2 評價指標(biāo)評分函數(shù)的確定

根據(jù)煙草生長發(fā)育過程與植煙土壤質(zhì)量評價指標(biāo)的關(guān)系并參考文獻［15-16］，速效鉀、水溶態(tài)鈣、脲酶、活性有機碳、有效磷、水溶態(tài)鎂、有效銅、有效鋅、有效鐵、有效錳、土壤蛋白、溶解性有機碳、蔗糖酶、水穩(wěn)定團聚體、過氧化氫酶和酸性磷酸酶16項評價指標(biāo)符合遞增型評分函數(shù)，總孔隙度、容重和氯離子符合遞減型評分函數(shù)，有機質(zhì)、堿解氮、pH值和全氮符合拋物線型評分函數(shù)。

根據(jù)累計正態(tài)分布（Cumulative normal distribution，CND）法［10］將符合遞增型評分函數(shù)和遞減型評分函數(shù)的評價指標(biāo)實測值換算為轉(zhuǎn)換值（CND）。CND計算公式：

式中：CND為i指標(biāo)的轉(zhuǎn)換值；μi為i指標(biāo)測定值的平均值；σi為i 指標(biāo)測定值的標(biāo)準(zhǔn)差；xi為i 指標(biāo)實際測定值。

遞增型評分函數(shù)和遞減型評分函數(shù)計算公式：

式中：S1為符合遞增型評分函數(shù)i指標(biāo)的得分值；S2為符合遞減型評分函數(shù)i指標(biāo)的得分值。

拋物線型評分函數(shù)計算公式：

式中：f（xi）為i 指標(biāo)的得分值；x1和x4為i 指標(biāo)的下限臨界值和上限臨界值；x2和x3為i 指標(biāo)的最優(yōu)值下限臨界值和上限臨界值。

1.3.3 土壤質(zhì)量指數(shù)的計算

基于總數(shù)據(jù)集和最小數(shù)據(jù)集的評價指標(biāo)分別計算兩個數(shù)據(jù)集的公因子方差并計算各指標(biāo)的權(quán)重［14］。權(quán)重計算公式：

式中：Wi為i指標(biāo)的權(quán)重；Ci為i指標(biāo)的公因子方差；n為評價指標(biāo)數(shù)量。

根據(jù)不同數(shù)據(jù)集評價指標(biāo)的權(quán)重及評分函數(shù)計算的指標(biāo)得分值，計算不同數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)（Soil quality index, SQI），計算公式：

式中：Sji為第j個土壤樣品第i個指標(biāo)得分值。

根據(jù)TDS評價指標(biāo)計算的土壤質(zhì)量指數(shù)為總數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)（SQITDS），根據(jù)最小數(shù)據(jù)集評價指標(biāo)計算得到的土壤質(zhì)量指數(shù)為最小數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)（SQIMDS）。

1.3.4 最小數(shù)據(jù)集的驗證

為保證最小數(shù)據(jù)集評價指標(biāo)可代替總數(shù)據(jù)集評價指標(biāo)對植煙土壤質(zhì)量進行評價，采用土壤質(zhì)量指數(shù)比較法［7］和隨機森林分類算法［17］驗證最小數(shù)據(jù)集。

1.4 障礙因子診斷

為明確四川省植煙土壤質(zhì)量提升的主要障礙因子（物理和化學(xué)指標(biāo)），使用障礙因子診斷模型篩選影響植煙土壤質(zhì)量的障礙因子。障礙因子診斷模型［18-19］：

式中：Mji為第j個土壤樣品第i個指標(biāo)的障礙度；Pji=100-Sji；Mi為i指標(biāo)在m個取樣點的平均障礙度。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和散點圖繪制，使用SPSS 26.0 軟件進行Pearson 相關(guān)分析和主成分分析，使用Python 3.9軟件進行隨機森林分類算法構(gòu)建，使用Origin 2021軟件進行熱圖繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 植煙土壤質(zhì)量評價指標(biāo)的描述統(tǒng)計

由表1 可知，植煙土壤pH 值分布范圍為4.36～8.72，平均值為6.32；有機質(zhì)和全氮含量分布范圍分別為5.98～67.5 和0.31～3.13 g·kg-1，平均值分別為27.43 g·kg-1和1.45 g·kg-1；堿解氮、有效磷、速效鉀和氯離子含量分布范圍分別在18.34～251.77、4.40～145.20、60.50～775.00和12.08～167.35 mg·kg-1，平均值分別為98.75、44.31、293.12和50.36 mg·kg-1；水溶態(tài)鈣、水溶態(tài)鎂、有效銅、有效鋅、有效鐵、有效錳、活性有機碳和溶解性有機碳含量分布范圍分別為4.83～338.88、2.93～86.05、0.10～11.04、0.26～23.60、3.14～413.63、5.14～206.98、538.34～1 336.00和9.79～180.52 mg·kg-1，平均值分別為73.39、20.94、2.00、2.65、42.93、46.38、866.31 和52.33 mg·kg-1；容重分布范圍為0.77～1.60 g·cm-3，平均值為1.14 g·cm-3；總孔隙度分布范圍為39.46%～71.06%，平均值為56.83%；水穩(wěn)性團聚體含量分布范圍為9.50%～76.68%，平均值為45.00%。

表1 植煙土壤質(zhì)量評價指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 Statistical results of quality assessment indexes for tobacco planting soil

2.2 植煙土壤質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集的構(gòu)建

由表2可知，植煙土壤質(zhì)量評價指標(biāo)中特征值大于1 的6 個主成分累積貢獻率達70.333%，可代表大部分植煙土壤質(zhì)量評價指標(biāo)的信息。根據(jù)主成分載荷矩陣（表2）將23 項植煙土壤質(zhì)量評價指標(biāo)分為6組。由表2 和表3 可知，在第1 組中，堿解氮的Norm值（2.409）最大，有機質(zhì)和全氮的Norm 值大于最大Norm值的0.9倍，但堿解氮與有機質(zhì)和全氮的相關(guān)系數(shù)均大于0.900，故剔除有機質(zhì)和全氮。此外，因為第1組指標(biāo)較多，除有機質(zhì)、全氮、堿解氮外，Norm值大于1.800的指標(biāo)中容重和總孔隙度與其他指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)小于0.510，且容重與總孔隙度的相關(guān)系數(shù)為1.000，故將第1 組中堿解氮和容重選入最小數(shù)據(jù)集。按照上述篩選流程，將第2 組中pH 值選入最小數(shù)據(jù)集；將第3 組中氯離子選入最小數(shù)據(jù)集；將第4組中酸性磷酸酶選入最小數(shù)據(jù)集；將第5 組中有效鐵和速效鉀選入最小數(shù)據(jù)集；將第6組中脲酶選入最小數(shù)據(jù)集。綜上，將堿解氮、容重、pH值、氯離子、酸性磷酸酶、速效鉀、有效鐵和脲酶8 項評價指標(biāo)選入最小數(shù)據(jù)集。

表2 植煙土壤質(zhì)量評價指標(biāo)主成分載荷矩陣和Norm值Tab.2 Principal component loading matrix and Norm values of quality assessment indexes for tobacco planting soil

表3 主成分不同分組植煙土壤質(zhì)量評價指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)（n = 274）①Tab.3 Correlation coefficients between quality assessment indexes for tobacco planting soil samples in different groups of principal components

2.3 最小數(shù)據(jù)集驗證結(jié)果

由表4可知，總數(shù)據(jù)集中容重和總孔隙度的公因子方差和權(quán)重最大，最小數(shù)據(jù)集中速效鉀的公因子方差和權(quán)重最大；總數(shù)據(jù)集和最小數(shù)據(jù)集中，氯離子的公因子方差和權(quán)重均最小。由圖1 可知，SQITDS在28.66～71.78 之間，SQIMDS在23.29～81.29 之間，SQITDS和SQIMDS呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.545，說明建立的最小數(shù)據(jù)集可代替總數(shù)據(jù)集對植煙土壤質(zhì)量進行評價。

圖1 SQITDS與SQIMDS散點圖Fig.1 Scatter plot of SQITDS and SQIMDS

表4 植煙土壤質(zhì)量評價總數(shù)據(jù)集和最小數(shù)據(jù)集的公因子方差和權(quán)重Tab.4 Common factor variances and weights of total data set and minimum data set for quality assessment of tobacco planting soil

以最小數(shù)據(jù)集評價指標(biāo)的得分值為自變量，以SQITDS經(jīng)最大最小歸一化（MMS）計算后劃分的低、中、高3 個檔次（低質(zhì)量煙田：0≤SQITDS-MMS＜0.4，44個土樣；中等質(zhì)量煙田：0.4≤SQITDS-MMS＜0.7，152 個土樣；高質(zhì)量煙田：0.7≤SQITDS-MMS≤1.0，78 個土樣）為因變量，采用隨機森林分類算法驗證根據(jù)最小數(shù)據(jù)集評價指標(biāo)對植煙土壤質(zhì)量檔次分類結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，最小數(shù)據(jù)集評價指標(biāo)可對高、中和低3 個質(zhì)量檔次的煙田土壤進行準(zhǔn)確分類（準(zhǔn)確率為97.3%），進一步說明最小數(shù)據(jù)集可代替總數(shù)據(jù)集對植煙土壤質(zhì)量進行評價。

2.4 各縣（市、區(qū)）植煙土壤質(zhì)量指數(shù)分布特征

由表5可知，四川省各縣（市、區(qū)）植煙土壤質(zhì)量指數(shù)平均值在45.76～65.36之間，除喜德縣和普格縣外，其他植煙縣（區(qū)、市）的土壤質(zhì)量指數(shù)平均值均大于50.00。各縣（市、區(qū)）植煙土壤質(zhì)量指數(shù)平均值排序為寧南縣>德昌縣>西昌市>敘永縣>鹽邊縣>米易縣>冕寧縣>越西縣>古藺縣>珙縣>興文縣>會理市>筠連縣>會東縣>仁和區(qū)>喜德縣>普格縣。其中，除會東縣和鹽邊縣植煙土壤質(zhì)量指數(shù)變異系數(shù)大于20.00%外，其他各縣（市、區(qū)）植煙土壤質(zhì)量指數(shù)變異系數(shù)均小于20.00%。

表5 基于最小數(shù)據(jù)集各縣（市、區(qū)）植煙土壤質(zhì)量指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Tab.5 Statistical results of quality index of tobacco planting soil for each county/districts/cities based on minimum data set

2.5 植煙土壤障礙因子分析

由圖2可知，四川省植煙土壤物理和化學(xué)指標(biāo)障礙度在3.19%～9.96%之間，四川省植煙土壤質(zhì)量提升的主要障礙因子依次為總孔隙度（9.96%）、容重（9.82%）、水溶態(tài)鈣（8.12%）、水溶態(tài)鎂（7.71%）和有效鐵（7.52%）。涼山州植煙土壤質(zhì)量提升的主要障礙因子依次為容重（10.79%）、總孔隙度（9.17%）、速效鉀（7.87%）、水溶態(tài)鈣（7.62%）和有效鐵（7.52%）；攀枝花市植煙土壤質(zhì)量提升的主要障礙因子依次為總孔隙度（9.90%）、水溶態(tài)鈣（9.82%）、容重（9.61%）、水溶態(tài)鎂（8.43%）和有效鐵（7.08%）；瀘州市植煙土壤質(zhì)量提升的主要障礙因子依次為總孔隙度（13.14%）、堿解氮（10.23%）、水溶態(tài)鎂（8.86%）、水溶態(tài)鈣（8.27%）和有效鐵（8.15%）；瀘州市植煙土壤質(zhì)量提升的主要障礙因子依次為總孔隙度（14.49%）、堿解氮（12.49%）、水溶態(tài)鈣（8.80%）、水溶態(tài)鎂（8.49%）和有效鐵（7.77%）。

圖2 四川省及其市（州）植煙土壤物理和化學(xué)指標(biāo)障礙度Fig.2 Obstacle degree of physical and chemical indexes of tobacco planting soil for Sichuan Province and its cities/prefectures

3 討論

本研究中從23項植煙土壤質(zhì)量評價指標(biāo)中篩選出堿解氮、pH 值、氯離子、酸性磷酸酶、容重、速效鉀、有效鐵和脲酶8 項評價指標(biāo)進入最小數(shù)據(jù)集，與李桂林等［20］對稻田土壤進行土壤質(zhì)量評價時建立的最小數(shù)據(jù)集中包含堿解氮、pH值和容重的結(jié)果相符，與張明發(fā)等［6］對湘西植煙土壤質(zhì)量評價時建立的最小數(shù)據(jù)集中包含速效鉀的結(jié)果一致，與趙賀等［21］對稻麥輪作田進行土壤質(zhì)量評價時構(gòu)建的最小數(shù)據(jù)集中包含有效鐵的結(jié)果一致。土壤酸性磷酸酶直接參與土壤有機物質(zhì)的分解、合成和轉(zhuǎn)化［22］，本研究中將其選入最小數(shù)據(jù)集，與曾憲禮等［23］對林場土壤質(zhì)量評價時建立的最小數(shù)據(jù)集中包含酸性磷酸酶的結(jié)果一致。對比根據(jù)總數(shù)據(jù)集與最小數(shù)據(jù)集計算的植煙土壤質(zhì)量指數(shù)，發(fā)現(xiàn)SQIMDS與SQITDS呈極顯著正相關(guān)，這與包玲鳳等［7］和趙賀等［21］的研究結(jié)果一致。本研究中發(fā)現(xiàn)四川省各縣（市、區(qū)）植煙土壤質(zhì)量指數(shù)平均值排序為寧南縣>德昌縣>西昌市>敘永縣>鹽邊縣>米易縣>冕寧縣>越西縣>古藺縣>珙縣>興文縣>會理市>筠連縣>會東縣>仁和區(qū)>喜德縣>普格縣，這與肖鈺［15］在植煙土壤健康評價時發(fā)現(xiàn)古藺縣、敘永縣植煙土壤健康指數(shù)平均值高于會東縣植煙土壤健康指數(shù)平均值的結(jié)果相符。

4 結(jié)論

根據(jù)相關(guān)分析、主成分分析和Norm值計算的結(jié)果構(gòu)建了四川省植煙土壤質(zhì)量評價的最小數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集由堿解氮、pH 值、氯離子、酸性磷酸酶、速效鉀、容重、有效鐵和脲酶8項指標(biāo)構(gòu)成。相關(guān)分析結(jié)果表明，根據(jù)最小數(shù)據(jù)集與總數(shù)據(jù)集計算的土壤質(zhì)量指數(shù)呈極顯著正相關(guān)。隨機森林分類算法計算結(jié)果表明，最小數(shù)據(jù)集評價指標(biāo)可對根據(jù)總數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)劃分的土壤質(zhì)量檔次進行分類，分類準(zhǔn)確率為97.3%。四川省各縣（市、區(qū)）植煙土壤質(zhì)量指數(shù)平均值在45.76～65.36之間，除喜德縣和普格縣外，其他植煙縣（區(qū)、市）的土壤質(zhì)量指數(shù)平均值均大于50.00。整體來看，四川省植煙土壤質(zhì)量提升的主要障礙因子為總孔隙度、容重、水溶態(tài)鈣、水溶態(tài)鎂和有效鐵。