基于最小数据集的东北地区朝鲜淫羊藿土壤肥力评价

王英哲，国坤，孙云龙，容路生，姜大成

（长春中医药大学药学院，吉林 长春130117）

朝鲜淫羊藿（Epimedium koreanum Nakai）是2020版《中华人民共和国药典》规定的中药淫羊藿基源之一[1]。淫羊藿属植物分布广泛，但个别种的分布范围仅局限在特定地区，如黔北淫羊藿仅分布于贵州地区，川西淫羊藿仅分布于四川地区[2]，朝鲜淫羊藿仅分布在吉林省东部山区以及辽宁省东南部地区，近年来朝鲜淫羊藿野生资源蕴藏量不容乐观，呈下降趋势[3,4]。为缓解其资源紧张的状况，野生转栽培是必然趋势。朝鲜淫羊藿野生种群适宜生境为蒙古栎林、胡桃楸林及次生杂木林[5]，人工圃地栽培需加盖遮阳网至遮阴强度为70%[6]，同时准确施肥是保证产量和提高质量的重要措施。刘振成等[7]研究表明，土壤大量元素与微量元素是影响朝鲜淫羊藿生长发育与次生代谢产物含量的重要土壤生态因子，张硕等[8]研究表明朝鲜淫羊藿叶片产量与有效成分含量的最佳N、P2O5、K2O配比为1:（1.04~1.34）:（1.34~1.49）。土壤中元素组成复杂，是植物生长代谢的主要影响因子，因此合理提取土壤肥力指标是土壤质量评价的首要环节。

当前我国还未建立公认的中药材栽培地土壤评价体系，也无相关标准供参考，同时土壤中成分复杂，元素种类繁多，某些指标的检测成本较高[9]，因此前人的研究都引入了Larson和Pierce于1991年提出的最小数据集理论，即采用统计学的方法对一系列土壤指标进行筛选，从而找出互不相关的、能够代表土壤整体质量的几个指标对其进行综合评价[10]。土壤肥力的评价方法主要有模糊综合法[11]、层次分析法[12]、主成分分析法[13]和基于GIS空间数据库法等[14]。本研究采用最小数据集和模糊综合评价法对东北地区朝鲜淫羊藿土壤肥力进行评价，以期为朝鲜淫羊藿选址栽培和合理施肥提供参考[15]。

1 材料与方法

1.1 土壤样品的采集与处理

2019年7~8月，在吉林省南部山区及辽宁省东南部地区实地调查收集了20个不同产地的朝鲜淫羊藿根际土壤样品，记录经纬度、海拔等地理信息，见表1。采用多点取样法收集根际土壤约1 kg，混合均匀，用四分法将样品缩分至300~500 g，将缩分后的样品分为3份，分别全部过0.149 mm、0.25 mm、2 mm孔径土壤筛，供不同测定项目实验用，操作期间避免使用金属工具。

表1 土壤样品地理信息Table 1 The information of soil sample sites

1.2 土壤肥力指标的测定

本研究共选择13项土壤肥力指标，各指标的检测方法参考《土壤农业化学分析方法》[16]。采用电位法测定pH（水土比例2.5:1）；质量法测定可溶性盐；低温外热重铬酸钾氧化比色法测定有机质；凯氏定氮法测定全氮；碱解扩散法测定碱解氮；酸溶-钼锑抗比色法测定全磷；碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定有效磷；氢氧化钠熔融-原子吸收分光光度法测定全钾；乙酸铵浸提-原子吸收分光光度法测定速效钾；0.1 mol/L盐酸浸提-原子吸收分光光度法测定有效态锰、锌、铁和铜。每项指标的测定值为3次平行试验的均值。

1.3 最小数据集（MDS）的建立

采用IBM SPSS Statistics 22软件对20个样地13项土壤指标进行主成分分析和相关性分析，得到各指标的因子载荷矩阵与相关系数矩阵。通过统计软件的运算，保留特征值大于或等于1的主成分，在每项主成分中保留因子载荷绝对值大于或等于0.5的指标进入候选MDS。根据公式（1）计算候选MDS中各项指标的矢量常模（Norm值），在各主成分中，若某指标的Norm值在本组最大Norm值的10%范围内则保留，反之则去除，再根据相关系数表，比较各主成分项下的指标是否显著相关，若相关则保留Norm值较大的指标，若不相关则全部保留进入最终的MDS集合[17]。

公式中Nik为Norm值，uik为第i个变量在第k个主成分上的因子载荷，k为第k个主成分的特征值。

1.4 隶属度函数的选择及隶属度值的计算

隶属度函数指被选定的评价指标与植物生长效应之间的数学表达式，通过计算将其转化为0~1之间的无量纲值，根据土壤指标对植物生长的作用效应选择合适的隶属度函数，常用的隶属度函数有S型[18]、反S型[19]和抛物线型[20]。S型函数是指在一定范围内土壤对植物生长的作用随指标的增大而增大，超出该范围则趋于平缓，适合该函数的指标有有机质、氮磷钾的全量养分和速效养分以及各种微量元素，表达式为公式（2）。反S型函数是指在一定范围内土壤对植物生长的作用随指标的增大而降低，超出该范围则趋于平缓，适合该函数的指标为可溶性盐，表达式为公式（3）。抛物线型函数是指在一定范围内土壤对植物生长的作用达到峰值，超出该范围则呈现下降趋势，表达式为公式（4）。适合该函数的指标为pH。各隶属度函数的转折点设定为测定指标的两个极值，将各个指标的测定值代入函数公式中计算得出隶属度值。

1.5 土壤肥力指数的计算

土壤肥力指数（SQI）是对研究区域土壤质量的综合评价，采用基于模糊数学的综合评价方法进行计算，首先通过隶属度函数计算隶属度值，再计算各指标的权重，最后采用权重加权求和计算土壤肥力指数。土壤全量数据集（TDS）各指标的权重（W-TDS）为主成分分析中公因子方差占所有指标公因子方差总和的比例。土壤最小数据集（MDS）各指标的权重计算方法有如下3种[17]：对最小数据集包含的指标进行主成分分析，各指标的公因子方差占所有指标公因子方差总和的比例即权重（W1-MDS）；通过MDS的因子载荷矩阵计算Norm值，各指标的Norm值占Norm值总和的比例即权重（W2-MDS）；MDS每个指标在TDS主成分分析上的综合得分系数占MDS综合得分系数综合的比例即权重（W3-MDS）。根据公式（5）计算全量数据集（TDS）与最小数据集（MDS）的土壤肥力指数。

式中为指标的个数，W为权重，为隶属度值。

2 结果与分析

2.1 土壤指标的描述性统计分析

参照全国第二次土壤普查制定的土壤养分分级标准（表2）[21]，对朝鲜淫羊藿主产区土壤肥力进行单项评价与描述性统计分析。由表3可知，朝鲜淫羊藿主产区土壤pH平均值为5.51，属于弱酸性土壤，在最适pH范围内；可溶性盐平均含量极低，为0.75 g kg-1，属于非盐化土壤。有机质平均含量为150.58 g kg-1，远高于分级标准中的最大值。土壤全氮、全磷、全钾、碱解氮及有效磷的平均含量分别为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，均为极高水平；速效钾的平均含量为154.81mg kg-1，含量较高；有效态铁平均含量为1.34 mg kg-1，属于低水平；有效态锰平均含量为228.5 mg kg-1，属于高水平；有效态铜平均含量为0.33 mg kg-1，属于中等水平；有效态锌平均含量为6.76 mg kg-1，属于极高水平。所有指标中属于弱变异的为pH、全钾和速效钾；中等变异的为有机质、全磷、碱解氮、有效态锌和锰；强变异指标为可溶性盐、全氮、有效磷、有效态铁和铜。

表2 土壤养分分级标准Table 2 The classification standard of the soil nutrition status

表3 土壤各检测指标的描述性统计特征值Table 3 The descriptive statistics of soil indexes

2.2 土壤指标最小数据集的确定

根据表4，主成分分析中有5个主成分特征值大于1，累计贡献率为86.019%，表明该5个主成分对全部变量的代表性较高。将各主成分中因子载荷绝对值大于或等于0.5的指标筛选出来分为5组，第1组为碱解氮、有机质、全磷、有效铁、速效钾和全氮；第2组为有效锰、有效锌；第3组为全钾、有效磷；第4组为有效铜；第5组为可溶性盐。再根据各指标的Norm值以及相互之间的相关性筛选，以第1组为例，Norm值在最大值10%范围内的指标有有机质、碱解氮、全磷、有效铁和速效钾。由表5可知有机质与碱解氮、全磷、有效铁、速效钾相关性极显著，因此只保留有机质进入最终的MDS集合。按上述方法，有机质、有效锰、有效磷、有效铜和可溶性盐共5个指标纳入最终的最小数据集。

表4 土壤主成分分析的因子载荷值、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 土壤指标Pearson相关系数Table 5 The pearson correlation coefficient of soil indicators

2.3 土壤肥力指数的计算结果与最小数据集方法评价

根据1.5项下方法计算20个样品13项指标测定值的隶属度值，根据1.6项下方法计算各指标的权重（表6），根据公式5计算全量数据集与最小数据集的土壤肥力指数。对4种土壤肥力指数进行相关性分析，由表7可知，基于全量数据集计算求得的土壤肥力指数与3种基于最小数据集的土壤肥力指数相关性极显著，表明最小数据集包含的指标能够代表全量数据集指标来综合评价土壤肥力，同时SQI-TDS与SQIMDS3的相关系数最大，表明第3种权重计算方法为最优方法。

表6 全量数据集（TDS）和最小数据集（MDS）指标权重Table 6 Weight values of total date set(TDS)and minnimum date set(MDS)

表7 土壤肥力指数的相关性分析Table 7 The correlation analysis of soil fertility indicators

2.4 土壤肥力指数等级划分

土壤肥力指数大小在0~1之间，该值越大表明综合质量越好。运用SPSS Statistics 22统计软件，采用Ward法和欧式距离对表8数据聚类分析。由图1可知，当欧式距离小于5时，可将20份土壤样品分为5组，人为将其由高到低定义为5个等级。等级Ⅰ样品数为1，占比5%，为EK-2，SQI值为0.560；等级Ⅱ样品数为4，占比20%，为EK-3、EK-10、EK-7、EK-11，SQI值在0.354~0.410之间；等级Ⅲ样品数为4，占比20%，为EK-9、EK-12、EK-13、EK-19，SQI值在0.278~0.329之间；等级Ⅳ样品数为7，占比35%，为EK-1、EK-4、EK-5、EK-6、EK-8、EK-15、EK-17，SQI值在0.209~0.246之间；等级Ⅴ样品数为4，占比20%，为EK-14、EK-16、EK-18、EK-20，SQI值在0.146~0.192之间。

表8 各采样点土壤肥力指数SQITable 8 The values of SQI at sampling points

图1 土壤样品聚类分析Fig.1 The cluster analysis of SQI vaule

3 讨论

通过测定分析东北地区朝鲜淫羊藿土壤的肥力指标，对朝鲜淫羊藿土壤肥力状况有了初步的了解。土壤中的元素在不同的pH条件下以不同的化学形态存在，植物在pH过高或过低的土壤中均难以生长，研究表明东北地区朝鲜淫羊藿土壤呈弱酸性，pH在植物生长的最适范围内，样品分布的整个区域内pH差异较小。土壤中盐分含量过高不利于植物生长，盐渍土中的钠、钙、镁的氯化物或硫酸盐会导致作物减产[22]，测定结果表明朝鲜淫羊藿土壤属于非盐化土，变异系数较高，各地区土壤的盐化程度不同，其中EK-16（通化市虎马岭）土壤可溶盐含量达到表2中的四级水平，土壤中度盐化。陈光登等[23]研究表明土壤盐胁迫会造成淫羊藿属植物株高、叶面积及生物量显著下降，但在低浓度盐胁迫下总黄酮含量略有增加。徐尚涛等[24]研究表明土壤盐化会导致全氮、全磷、速效氮、速效磷及速效钾含量降低从而降低土壤肥力，因此在朝鲜淫羊藿栽培过程中应合理调控土壤盐分含量。朝鲜淫羊藿土壤有机质含量十分丰富，全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷及速效钾含量均达到极高或高水平，其中全氮、全磷、有效磷存在中等强度变异，表明朝鲜淫羊藿不同产区土壤中的上述3种元素具有差异性。土壤除了供给植物氮、磷、钾等大量元素之外，所含微量元素的作用是不可忽视的，缺乏微量元素的耕地或土壤会影响植物的生长和代谢，朝鲜淫羊藿土壤微量元素含量特征为有效态锌、锰含量高，有效态铜含量适中，有效态铁元素相对不足。刘振成等[6]研究表明土壤中的铁元素对朝鲜淫羊藿中朝藿定C含量具有促进作用，铜元素对淫羊藿苷含量具有促进作用，因此在后期栽培时建议合理施用铜、铁等微肥以提高药材质量。

土壤肥力评价的关键环节是对评价指标的选择，由于评价目的与侧重点不同，相关文献报道的指标成分各不相同，所选择的指标原则上应涵盖土壤物理、化学和生物等方面，同时某些指标之间存在显著的相关性，最小数据集的概念能很好地将众多测定指标删繁就简，优选出能全面代表土壤整体质量的指标。本研究利用主成分分析与相关性分析，通过计算筛选出有机质、有效锰、有效磷、有效铜和可溶性盐5个指标代替土壤的13项指标，通过各指标的隶属度值与权重值，求得最小数据集的土壤肥力指数（SQI），最小值为0.146，最大值为0.560，平均值为0.280，变异系数为34.6%。MDS与TDS相关分析结果表明所构建的最小数据集能很好地替代全量数据集评价土壤肥力。通过SQI值聚类分析将朝鲜淫羊藿土壤肥力分为5个等级，朝鲜淫羊藿土壤肥力以等级Ⅳ为主。本研究对野生朝鲜淫羊藿根际土壤肥力做了综合评价与分析，该方法与结果可为朝鲜淫羊藿栽培地质量评价与合理施肥提供参考。