基于最小數據集的植煙土壤質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，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2 號 450001 2.鄭州大學農學院，鄭州市高新區科學大道157 號 450066 3.四川省煙草科學研究所，成都市武侯區世紀城路936 號 610041

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

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）49 塊煙田］采集植煙土壤樣品。煙葉采收結束后，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干。一部分土壤樣品經研磨過2 mm 篩后用于測定土壤化學和生物指標，另一部分用于測定土壤水穩性團聚體含量。此外，在每塊煙田使用100 cm3的環刀采集土壤樣品，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 總數據集植煙土壤質量評價指標選取與測定

根據文獻［3］和文獻［8］中土壤質量評價指標選取頻率，選取23 項指標（13 項土壤化學指標、7 項土壤生物指標和3項土壤物理指標）作為總數據集植煙土壤質量評價指標。

1.2.1 土壤化學指標

參考《土壤農業化學分析方法》［9］測定土壤堿解氮、全氮、速效鉀、有效磷、有機質、水溶態鈣、水溶態鎂、氯離子、有效鐵、有效錳、有效鋅、有效銅含量（質量分數）和土壤pH值。

1.2.2 土壤生物指標

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生物科技有限公司。

1.2.3 土壤物理指標

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

1.3 植煙土壤質量評價方法

1.3.1 最小數據集的構建

使用SPSS 26.0 軟件對植煙土壤質量評價指標進行主成分分析，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量評價指標進行分組并分別計算每組所有指標的Norm值。Norm值為主成分分析后該評價指標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，分析這些評價指標與該組最大Norm值指標之間的相關性，若相關系數大于0.5，則將Norm值最大的評價指標選入最小數據集，反之則該評價指標與最大Norm值指標均選入最小數據集。

1.3.2 評價指標評分函數的確定

根據煙草生長發育過程與植煙土壤質量評價指標的關系并參考文獻［15-16］，速效鉀、水溶態鈣、脲酶、活性有機碳、有效磷、水溶態鎂、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、水穩定團聚體、過氧化氫酶和酸性磷酸酶16項評價指標符合遞增型評分函數，總孔隙度、容重和氯離子符合遞減型評分函數，有機質、堿解氮、pH值和全氮符合拋物線型評分函數。

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

式中：CND為i指標的轉換值；μi為i指標測定值的平均值；σi為i 指標測定值的標準差；xi為i 指標實際測定值。

遞增型評分函數和遞減型評分函數計算公式：

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

拋物線型評分函數計算公式：

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

1.3.3 土壤質量指數的計算

基于總數據集和最小數據集的評價指標分別計算兩個數據集的公因子方差并計算各指標的權重［14］。權重計算公式：

式中：Wi為i指標的權重；Ci為i指標的公因子方差；n為評價指標數量。

根據不同數據集評價指標的權重及評分函數計算的指標得分值，計算不同數據集土壤質量指數（Soil quality index, SQI），計算公式：

式中：Sji為第j個土壤樣品第i個指標得分值。

根據TDS評價指標計算的土壤質量指數為總數據集土壤質量指數（SQITDS），根據最小數據集評價指標計算得到的土壤質量指數為最小數據集土壤質量指數（SQIMDS）。

1.3.4 最小數據集的驗證

為保證最小數據集評價指標可代替總數據集評價指標對植煙土壤質量進行評價，采用土壤質量指數比較法［7］和隨機森林分類算法［17］驗證最小數據集。

1.4 障礙因子診斷

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

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

1.5 數據處理

使用Excel 2016 軟件進行數據統計和散點圖繪制，使用SPSS 26.0 軟件進行Pearson 相關分析和主成分分析，使用Python 3.9軟件進行隨機森林分類算法構建，使用Origin 2021軟件進行熱圖繪制。

2 結果與分析

2.1 植煙土壤質量評價指標的描述統計

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；水溶態鈣、水溶態鎂、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 植煙土壤質量評價指標統計結果Tab.1 Statistical results of quality assessment indexes for tobacco planting soil

2.2 植煙土壤質量評價最小數據集的構建

由表2可知，植煙土壤質量評價指標中特征值大于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量評價指標的信息。根據主成分載荷矩陣（表2）將23 項植煙土壤質量評價指標分為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，有機質和全氮的Norm 值大于最大Norm值的0.9倍，但堿解氮與有機質和全氮的相關系數均大于0.900，故剔除有機質和全氮。此外，因為第1組指標較多，除有機質、全氮、堿解氮外，Norm值大于1.800的指標中容重和總孔隙度與其他指標的相關系數小于0.510，且容重與總孔隙度的相關系數為1.000，故將第1 組中堿解氮和容重選入最小數據集。按照上述篩選流程，將第2 組中pH 值選入最小數據集；將第3 組中氯離子選入最小數據集；將第4組中酸性磷酸酶選入最小數據集；將第5 組中有效鐵和速效鉀選入最小數據集；將第6組中脲酶選入最小數據集。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 項評價指標選入最小數據集。

表2 植煙土壤質量評價指標主成分載荷矩陣和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量評價指標間的相關系數（n = 274）①Tab.3 Correlation coefficients between quality assessment indexes for tobacco planting soil samples in different groups of principal components

2.3 最小數據集驗證結果

由表4可知，總數據集中容重和總孔隙度的公因子方差和權重最大，最小數據集中速效鉀的公因子方差和權重最大；總數據集和最小數據集中，氯離子的公因子方差和權重均最小。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，相關系數為0.545，說明建立的最小數據集可代替總數據集對植煙土壤質量進行評價。

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

表4 植煙土壤質量評價總數據集和最小數據集的公因子方差和權重Tab.4 Common factor variances and weights of total data set and minimum data set for quality assessment of tobacco planting soil

以最小數據集評價指標的得分值為自變量，以SQITDS經最大最小歸一化（MMS）計算后劃分的低、中、高3 個檔次（低質量煙田：0≤SQITDS-MMS＜0.4，44個土樣；中等質量煙田：0.4≤SQITDS-MMS＜0.7，152 個土樣；高質量煙田：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最小數據集評價指標對植煙土壤質量檔次分類結果的準確性。結果表明，最小數據集評價指標可對高、中和低3 個質量檔次的煙田土壤進行準確分類（準確率為97.3%），進一步說明最小數據集可代替總數據集對植煙土壤質量進行評價。

2.4 各縣（市、區）植煙土壤質量指數分布特征

由表5可知，四川省各縣（市、區）植煙土壤質量指數平均值在45.76～65.36之間，除喜德縣和普格縣外，其他植煙縣（區、市）的土壤質量指數平均值均大于50.00。各縣（市、區）植煙土壤質量指數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>喜德縣>普格縣。其中，除會東縣和鹽邊縣植煙土壤質量指數變異系數大于20.00%外，其他各縣（市、區）植煙土壤質量指數變異系數均小于20.00%。

表5 基于最小數據集各縣（市、區）植煙土壤質量指數統計結果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指標障礙度在3.19%～9.96%之間，四川省植煙土壤質量提升的主要障礙因子依次為總孔隙度（9.96%）、容重（9.82%）、水溶態鈣（8.12%）、水溶態鎂（7.71%）和有效鐵（7.52%）。涼山州植煙土壤質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%）、水溶態鈣（7.62%）和有效鐵（7.52%）；攀枝花市植煙土壤質量提升的主要障礙因子依次為總孔隙度（9.90%）、水溶態鈣（9.82%）、容重（9.61%）、水溶態鎂（8.43%）和有效鐵（7.08%）；瀘州市植煙土壤質量提升的主要障礙因子依次為總孔隙度（13.14%）、堿解氮（10.23%）、水溶態鎂（8.86%）、水溶態鈣（8.27%）和有效鐵（8.15%）；瀘州市植煙土壤質量提升的主要障礙因子依次為總孔隙度（14.49%）、堿解氮（12.49%）、水溶態鈣（8.80%）、水溶態鎂（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指標障礙度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項植煙土壤質量評價指標中篩選出堿解氮、pH 值、氯離子、酸性磷酸酶、容重、速效鉀、有效鐵和脲酶8 項評價指標進入最小數據集，與李桂林等［20］對稻田土壤進行土壤質量評價時建立的最小數據集中包含堿解氮、pH值和容重的結果相符，與張明發等［6］對湘西植煙土壤質量評價時建立的最小數據集中包含速效鉀的結果一致，與趙賀等［21］對稻麥輪作田進行土壤質量評價時構建的最小數據集中包含有效鐵的結果一致。土壤酸性磷酸酶直接參與土壤有機物質的分解、合成和轉化［22］，本研究中將其選入最小數據集，與曾憲禮等［23］對林場土壤質量評價時建立的最小數據集中包含酸性磷酸酶的結果一致。對比根據總數據集與最小數據集計算的植煙土壤質量指數，發現SQIMDS與SQITDS呈極顯著正相關，這與包玲鳳等［7］和趙賀等［21］的研究結果一致。本研究中發現四川省各縣（市、區）植煙土壤質量指數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>喜德縣>普格縣，這與肖鈺［15］在植煙土壤健康評價時發現古藺縣、敘永縣植煙土壤健康指數平均值高于會東縣植煙土壤健康指數平均值的結果相符。

4 結論

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