基于最小数据集的植烟土壤质量评价及障碍因子诊断

张 恒，张艳玲，许亚东，冯文强，江 鸿，戴华鑫，翟 振，冯长春*，梁太波*

1.中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001 2.郑州大学农学院，郑州市高新区科学大道157 号 450066 3.四川省烟草科学研究所，成都市武侯区世纪城路936 号 610041

土壤是烟草赖以生存的基础［1］，是直接影响烟叶产量和质量的重要生态因子［2］。土壤质量好坏是土壤多种功能的综合体现，可根据土壤物理、化学和生物特性，采用科学合理的土壤质量评价方法对土壤质量进行综合评价。通常用于土壤质量评价的物理、化学和生物指标越多，土壤质量评价越准确，但土壤质量评价指标过多可导致检测费时耗力和成本过高等问题［3］。因此，选择与土壤质量密切相关且相对独立的指标是土壤质量评价的重要环节。目前常用的土壤质量评价指标筛选方法主要为最小数据集（Minimum data set, MDS）法［4-5］，该方法主要通过主成分分析、相关分析和Norm 值计算从总数据集（Total data set, TDS）中筛选指标进入评价土壤质量的最小数据集。采用最小数据集法对我国植烟土壤质量进行评价的研究已有报道。张明发等［6］采用最小数据集法构建了湘西植烟土壤质量评价的最小数据集，并根据最小数据集计算的土壤质量指数将植烟土壤质量划分5个等级；包玲凤等［7］采用最小数据集法构建了评价保山市植烟土壤质量的最小数据集，根据最小数据集计算的土壤质量指数对保山市各植烟县（市、区）土壤质量进行评价，并使用障碍因子诊断模型分析了保山市植烟土壤的主要障碍因子。四川烟区是我国烟叶主要产区之一，但关于该区域植烟土壤质量评价和障碍因子诊断的相关研究还鲜见报道。为此，以四川省耕层植烟土壤为研究对象，根据主成分分析、相关分析和Norm 值的计算结果筛选评价指标，构建植烟土壤质量评价最小数据集，采用土壤质量指数法与随机森林分类算法对该最小数据集进行验证，并通过障碍因子诊断模型明确影响植烟土壤质量提升的主要障碍因子，旨在为建立科学合理的四川植烟土壤质量评价体系提供依据。

1 材料与方法

1.1 土壤样品采集与处理

于2021 年在四川省274 块烟田［凉山州10 个县（市）182 块烟田、泸州市2 个县27 块烟田、宜宾市3个县16 块烟田和攀枝花市3 个县（区）49 块烟田］采集植烟土壤样品。烟叶采收结束后，采用5点取样法在每块烟田采集烟田0～20 cm耕层土壤样品，四分法保留2 kg，带回实验室去除杂物并自然风干。一部分土壤样品经研磨过2 mm 筛后用于测定土壤化学和生物指标，另一部分用于测定土壤水稳性团聚体含量。此外，在每块烟田使用100 cm3的环刀采集土壤样品，土壤样品收集到自封袋中，带回实验室用于测定土壤容重和总孔隙度。

1.2 总数据集植烟土壤质量评价指标选取与测定

根据文献［3］和文献［8］中土壤质量评价指标选取频率，选取23 项指标（13 项土壤化学指标、7 项土壤生物指标和3项土壤物理指标）作为总数据集植烟土壤质量评价指标。

1.2.1 土壤化学指标

参考《土壤农业化学分析方法》［9］测定土壤碱解氮、全氮、速效钾、有效磷、有机质、水溶态钙、水溶态镁、氯离子、有效铁、有效锰、有效锌、有效铜含量（质量分数）和土壤pH值。

1.2.2 土壤生物指标

参照康奈尔土壤健康评价方法［10］中的检测步骤测定土壤蛋白和活性有机碳含量；溶解性有机碳含量采用文献［11］中的方法测定。脲酶活性使用土壤脲酶（S-UE）测试盒测定；蔗糖酶活性使用土壤蔗糖酶（S-SC）测试盒测定；酸性磷酸酶活性使用土壤酸性磷酸酶（S-ACP）测试盒测定；过氧化氢酶活性使用土壤过氧化氢酶（S-CAT）测试盒测定。所有土壤酶活性检测测试盒均购自上海酶联生物科技有限公司。

1.2.3 土壤物理指标

参考文献［12］采用环刀法测定土壤容重和计算总孔隙度；采用湿筛法［13］测定水稳性团聚体含量。

1.3 植烟土壤质量评价方法

1.3.1 最小数据集的构建

使用SPSS 26.0 软件对植烟土壤质量评价指标进行主成分分析，提取主成分特征值≥1 的主成分，按照主成分载荷大小将植烟土壤质量评价指标进行分组并分别计算每组所有指标的Norm值。Norm值为主成分分析后该评价指标在主成分组成的多维空间中矢量常模的长度，可表示该评价指标在主成分上的综合载荷，且Norm 值越大，解释综合信息的能力越强［14］。Norm值计算公式：

式中：Nik为第i 个评价指标在特征值≥1 的k 个主成分上的综合载荷；Uip为第i个评价指标在第p个主成分上的载荷；λp为第p个主成分的特征值。

选取每组中Norm 值大于该组最大Norm 值0.9倍的评价指标，分析这些评价指标与该组最大Norm值指标之间的相关性，若相关系数大于0.5，则将Norm值最大的评价指标选入最小数据集，反之则该评价指标与最大Norm值指标均选入最小数据集。

1.3.2 评价指标评分函数的确定

根据烟草生长发育过程与植烟土壤质量评价指标的关系并参考文献［15-16］，速效钾、水溶态钙、脲酶、活性有机碳、有效磷、水溶态镁、有效铜、有效锌、有效铁、有效锰、土壤蛋白、溶解性有机碳、蔗糖酶、水稳定团聚体、过氧化氢酶和酸性磷酸酶16项评价指标符合递增型评分函数，总孔隙度、容重和氯离子符合递减型评分函数，有机质、碱解氮、pH值和全氮符合抛物线型评分函数。

根据累计正态分布（Cumulative normal distribution，CND）法［10］将符合递增型评分函数和递减型评分函数的评价指标实测值换算为转换值（CND）。CND计算公式：

式中：CND为i指标的转换值；μi为i指标测定值的平均值；σi为i 指标测定值的标准差；xi为i 指标实际测定值。

递增型评分函数和递减型评分函数计算公式：

式中：S1为符合递增型评分函数i指标的得分值；S2为符合递减型评分函数i指标的得分值。

抛物线型评分函数计算公式：

式中：f（xi）为i 指标的得分值；x1和x4为i 指标的下限临界值和上限临界值；x2和x3为i 指标的最优值下限临界值和上限临界值。

1.3.3 土壤质量指数的计算

基于总数据集和最小数据集的评价指标分别计算两个数据集的公因子方差并计算各指标的权重［14］。权重计算公式：

式中：Wi为i指标的权重；Ci为i指标的公因子方差；n为评价指标数量。

根据不同数据集评价指标的权重及评分函数计算的指标得分值，计算不同数据集土壤质量指数（Soil quality index, SQI），计算公式：

式中：Sji为第j个土壤样品第i个指标得分值。

根据TDS评价指标计算的土壤质量指数为总数据集土壤质量指数（SQITDS），根据最小数据集评价指标计算得到的土壤质量指数为最小数据集土壤质量指数（SQIMDS）。

1.3.4 最小数据集的验证

为保证最小数据集评价指标可代替总数据集评价指标对植烟土壤质量进行评价，采用土壤质量指数比较法［7］和随机森林分类算法［17］验证最小数据集。

1.4 障碍因子诊断

为明确四川省植烟土壤质量提升的主要障碍因子（物理和化学指标），使用障碍因子诊断模型筛选影响植烟土壤质量的障碍因子。障碍因子诊断模型［18-19］：

式中：Mji为第j个土壤样品第i个指标的障碍度；Pji=100-Sji；Mi为i指标在m个取样点的平均障碍度。

1.5 数据处理

使用Excel 2016 软件进行数据统计和散点图绘制，使用SPSS 26.0 软件进行Pearson 相关分析和主成分分析，使用Python 3.9软件进行随机森林分类算法构建，使用Origin 2021软件进行热图绘制。

2 结果与分析

2.1 植烟土壤质量评价指标的描述统计

由表1 可知，植烟土壤pH 值分布范围为4.36～8.72，平均值为6.32；有机质和全氮含量分布范围分别为5.98～67.5 和0.31～3.13 g·kg-1，平均值分别为27.43 g·kg-1和1.45 g·kg-1；碱解氮、有效磷、速效钾和氯离子含量分布范围分别在18.34～251.77、4.40～145.20、60.50～775.00和12.08～167.35 mg·kg-1，平均值分别为98.75、44.31、293.12和50.36 mg·kg-1；水溶态钙、水溶态镁、有效铜、有效锌、有效铁、有效锰、活性有机碳和溶解性有机碳含量分布范围分别为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，平均值分别为73.39、20.94、2.00、2.65、42.93、46.38、866.31 和52.33 mg·kg-1；容重分布范围为0.77～1.60 g·cm-3，平均值为1.14 g·cm-3；总孔隙度分布范围为39.46%～71.06%，平均值为56.83%；水稳性团聚体含量分布范围为9.50%～76.68%，平均值为45.00%。

表1 植烟土壤质量评价指标统计结果Tab.1 Statistical results of quality assessment indexes for tobacco planting soil

2.2 植烟土壤质量评价最小数据集的构建

由表2可知，植烟土壤质量评价指标中特征值大于1 的6 个主成分累积贡献率达70.333%，可代表大部分植烟土壤质量评价指标的信息。根据主成分载荷矩阵（表2）将23 项植烟土壤质量评价指标分为6组。由表2 和表3 可知，在第1 组中，碱解氮的Norm值（2.409）最大，有机质和全氮的Norm 值大于最大Norm值的0.9倍，但碱解氮与有机质和全氮的相关系数均大于0.900，故剔除有机质和全氮。此外，因为第1组指标较多，除有机质、全氮、碱解氮外，Norm值大于1.800的指标中容重和总孔隙度与其他指标的相关系数小于0.510，且容重与总孔隙度的相关系数为1.000，故将第1 组中碱解氮和容重选入最小数据集。按照上述筛选流程，将第2 组中pH 值选入最小数据集；将第3 组中氯离子选入最小数据集；将第4组中酸性磷酸酶选入最小数据集；将第5 组中有效铁和速效钾选入最小数据集；将第6组中脲酶选入最小数据集。综上，将碱解氮、容重、pH值、氯离子、酸性磷酸酶、速效钾、有效铁和脲酶8 项评价指标选入最小数据集。

表2 植烟土壤质量评价指标主成分载荷矩阵和Norm值Tab.2 Principal component loading matrix and Norm values of quality assessment indexes for tobacco planting soil

表3 主成分不同分组植烟土壤质量评价指标间的相关系数（n = 274）①Tab.3 Correlation coefficients between quality assessment indexes for tobacco planting soil samples in different groups of principal components

2.3 最小数据集验证结果

由表4可知，总数据集中容重和总孔隙度的公因子方差和权重最大，最小数据集中速效钾的公因子方差和权重最大；总数据集和最小数据集中，氯离子的公因子方差和权重均最小。由图1 可知，SQITDS在28.66～71.78 之间，SQIMDS在23.29～81.29 之间，SQITDS和SQIMDS呈极显著正相关，相关系数为0.545，说明建立的最小数据集可代替总数据集对植烟土壤质量进行评价。

图1 SQITDS与SQIMDS散点图Fig.1 Scatter plot of SQITDS and SQIMDS

表4 植烟土壤质量评价总数据集和最小数据集的公因子方差和权重Tab.4 Common factor variances and weights of total data set and minimum data set for quality assessment of tobacco planting soil

以最小数据集评价指标的得分值为自变量，以SQITDS经最大最小归一化（MMS）计算后划分的低、中、高3 个档次（低质量烟田：0≤SQITDS-MMS＜0.4，44个土样；中等质量烟田：0.4≤SQITDS-MMS＜0.7，152 个土样；高质量烟田：0.7≤SQITDS-MMS≤1.0，78 个土样）为因变量，采用随机森林分类算法验证根据最小数据集评价指标对植烟土壤质量档次分类结果的准确性。结果表明，最小数据集评价指标可对高、中和低3 个质量档次的烟田土壤进行准确分类（准确率为97.3%），进一步说明最小数据集可代替总数据集对植烟土壤质量进行评价。

2.4 各县（市、区）植烟土壤质量指数分布特征

由表5可知，四川省各县（市、区）植烟土壤质量指数平均值在45.76～65.36之间，除喜德县和普格县外，其他植烟县（区、市）的土壤质量指数平均值均大于50.00。各县（市、区）植烟土壤质量指数平均值排序为宁南县>德昌县>西昌市>叙永县>盐边县>米易县>冕宁县>越西县>古蔺县>珙县>兴文县>会理市>筠连县>会东县>仁和区>喜德县>普格县。其中，除会东县和盐边县植烟土壤质量指数变异系数大于20.00%外，其他各县（市、区）植烟土壤质量指数变异系数均小于20.00%。

表5 基于最小数据集各县（市、区）植烟土壤质量指数统计结果Tab.5 Statistical results of quality index of tobacco planting soil for each county/districts/cities based on minimum data set

2.5 植烟土壤障碍因子分析

由图2可知，四川省植烟土壤物理和化学指标障碍度在3.19%～9.96%之间，四川省植烟土壤质量提升的主要障碍因子依次为总孔隙度（9.96%）、容重（9.82%）、水溶态钙（8.12%）、水溶态镁（7.71%）和有效铁（7.52%）。凉山州植烟土壤质量提升的主要障碍因子依次为容重（10.79%）、总孔隙度（9.17%）、速效钾（7.87%）、水溶态钙（7.62%）和有效铁（7.52%）；攀枝花市植烟土壤质量提升的主要障碍因子依次为总孔隙度（9.90%）、水溶态钙（9.82%）、容重（9.61%）、水溶态镁（8.43%）和有效铁（7.08%）；泸州市植烟土壤质量提升的主要障碍因子依次为总孔隙度（13.14%）、碱解氮（10.23%）、水溶态镁（8.86%）、水溶态钙（8.27%）和有效铁（8.15%）；泸州市植烟土壤质量提升的主要障碍因子依次为总孔隙度（14.49%）、碱解氮（12.49%）、水溶态钙（8.80%）、水溶态镁（8.49%）和有效铁（7.77%）。

图2 四川省及其市（州）植烟土壤物理和化学指标障碍度Fig.2 Obstacle degree of physical and chemical indexes of tobacco planting soil for Sichuan Province and its cities/prefectures

3 讨论

本研究中从23项植烟土壤质量评价指标中筛选出碱解氮、pH 值、氯离子、酸性磷酸酶、容重、速效钾、有效铁和脲酶8 项评价指标进入最小数据集，与李桂林等［20］对稻田土壤进行土壤质量评价时建立的最小数据集中包含碱解氮、pH值和容重的结果相符，与张明发等［6］对湘西植烟土壤质量评价时建立的最小数据集中包含速效钾的结果一致，与赵贺等［21］对稻麦轮作田进行土壤质量评价时构建的最小数据集中包含有效铁的结果一致。土壤酸性磷酸酶直接参与土壤有机物质的分解、合成和转化［22］，本研究中将其选入最小数据集，与曾宪礼等［23］对林场土壤质量评价时建立的最小数据集中包含酸性磷酸酶的结果一致。对比根据总数据集与最小数据集计算的植烟土壤质量指数，发现SQIMDS与SQITDS呈极显著正相关，这与包玲凤等［7］和赵贺等［21］的研究结果一致。本研究中发现四川省各县（市、区）植烟土壤质量指数平均值排序为宁南县>德昌县>西昌市>叙永县>盐边县>米易县>冕宁县>越西县>古蔺县>珙县>兴文县>会理市>筠连县>会东县>仁和区>喜德县>普格县，这与肖钰［15］在植烟土壤健康评价时发现古蔺县、叙永县植烟土壤健康指数平均值高于会东县植烟土壤健康指数平均值的结果相符。

4 结论

根据相关分析、主成分分析和Norm值计算的结果构建了四川省植烟土壤质量评价的最小数据集，该数据集由碱解氮、pH 值、氯离子、酸性磷酸酶、速效钾、容重、有效铁和脲酶8项指标构成。相关分析结果表明，根据最小数据集与总数据集计算的土壤质量指数呈极显著正相关。随机森林分类算法计算结果表明，最小数据集评价指标可对根据总数据集土壤质量指数划分的土壤质量档次进行分类，分类准确率为97.3%。四川省各县（市、区）植烟土壤质量指数平均值在45.76～65.36之间，除喜德县和普格县外，其他植烟县（区、市）的土壤质量指数平均值均大于50.00。整体来看，四川省植烟土壤质量提升的主要障碍因子为总孔隙度、容重、水溶态钙、水溶态镁和有效铁。