基于最小數據集的東北地區朝鮮淫羊藿土壤肥力評價

王英哲，國坤，孫云龍，容路生，姜大成

（長春中醫藥大學藥學院，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》規定的中藥淫羊藿基源之一[1]。淫羊藿屬植物分布廣泛，但個別種的分布范圍僅局限在特定地區，如黔北淫羊藿僅分布于貴州地區，川西淫羊藿僅分布于四川地區[2]，朝鮮淫羊藿僅分布在吉林省東部山區以及遼寧省東南部地區，近年來朝鮮淫羊藿野生資源蘊藏量不容樂觀，呈下降趨勢[3,4]。為緩解其資源緊張的狀況，野生轉栽培是必然趨勢。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至遮陰強度為70%[6]，同時準確施肥是保證產量和提高質量的重要措施。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育與次生代謝產物含量的重要土壤生態因子，張碩等[8]研究表明朝鮮淫羊藿葉片產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是土壤質量評價的首要環節。

當前我國還未建立公認的中藥材栽培地土壤評價體系，也無相關標準供參考，同時土壤中成分復雜，元素種類繁多，某些指標的檢測成本較高[9]，因此前人的研究都引入了Larson和Pierce于1991年提出的最小數據集理論，即采用統計學的方法對一系列土壤指標進行篩選，從而找出互不相關的、能夠代表土壤整體質量的幾個指標對其進行綜合評價[10]。土壤肥力的評價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空間數據庫法等[14]。本研究采用最小數據集和模糊綜合評價法對東北地區朝鮮淫羊藿土壤肥力進行評價，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，在吉林省南部山區及遼寧省東南部地區實地調查收集了20個不同產地的朝鮮淫羊藿根際土壤樣品，記錄經緯度、海拔等地理信息，見表1。采用多點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，供不同測定項目實驗用，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 土壤肥力指標的測定

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

1.3 最小數據集（MDS）的建立

采用IBM SPSS Statistics 22軟件對20個樣地13項土壤指標進行主成分分析和相關性分析，得到各指標的因子載荷矩陣與相關系數矩陣。通過統計軟件的運算，保留特征值大于或等于1的主成分，在每項主成分中保留因子載荷絕對值大于或等于0.5的指標進入候選MDS。根據公式（1）計算候選MDS中各項指標的矢量常模（Norm值），在各主成分中，若某指標的Norm值在本組最大Norm值的10%范圍內則保留，反之則去除，再根據相關系數表，比較各主成分項下的指標是否顯著相關，若相關則保留Norm值較大的指標，若不相關則全部保留進入最終的MDS集合[17]。

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

1.4 隸屬度函數的選擇及隸屬度值的計算

隸屬度函數指被選定的評價指標與植物生長效應之間的數學表達式，通過計算將其轉化為0~1之間的無量綱值，根據土壤指標對植物生長的作用效應選擇合適的隸屬度函數，常用的隸屬度函數有S型[18]、反S型[19]和拋物線型[20]。S型函數是指在一定范圍內土壤對植物生長的作用隨指標的增大而增大，超出該范圍則趨于平緩，適合該函數的指標有有機質、氮磷鉀的全量養分和速效養分以及各種微量元素，表達式為公式（2）。反S型函數是指在一定范圍內土壤對植物生長的作用隨指標的增大而降低，超出該范圍則趨于平緩，適合該函數的指標為可溶性鹽，表達式為公式（3）。拋物線型函數是指在一定范圍內土壤對植物生長的作用達到峰值，超出該范圍則呈現下降趨勢，表達式為公式（4）。適合該函數的指標為pH。各隸屬度函數的轉折點設定為測定指標的兩個極值，將各個指標的測定值代入函數公式中計算得出隸屬度值。

1.5 土壤肥力指數的計算

土壤肥力指數（SQI）是對研究區域土壤質量的綜合評價，采用基于模糊數學的綜合評價方法進行計算，首先通過隸屬度函數計算隸屬度值，再計算各指標的權重，最后采用權重加權求和計算土壤肥力指數。土壤全量數據集（TDS）各指標的權重（W-TDS）為主成分分析中公因子方差占所有指標公因子方差總和的比例。土壤最小數據集（MDS）各指標的權重計算方法有如下3種[17]：對最小數據集包含的指標進行主成分分析，各指標的公因子方差占所有指標公因子方差總和的比例即權重（W1-MDS）；通過MDS的因子載荷矩陣計算Norm值，各指標的Norm值占Norm值總和的比例即權重（W2-MDS）；MDS每個指標在TDS主成分分析上的綜合得分系數占MDS綜合得分系數綜合的比例即權重（W3-MDS）。根據公式（5）計算全量數據集（TDS）與最小數據集（MDS）的土壤肥力指數。

式中為指標的個數，W為權重，為隸屬度值。

2 結果與分析

2.1 土壤指標的描述性統計分析

參照全國第二次土壤普查制定的土壤養分分級標準（表2）[21]，對朝鮮淫羊藿主產區土壤肥力進行單項評價與描述性統計分析。由表3可知，朝鮮淫羊藿主產區土壤pH平均值為5.51，屬于弱酸性土壤，在最適pH范圍內；可溶性鹽平均含量極低，為0.75 g kg-1，屬于非鹽化土壤。有機質平均含量為150.58 g kg-1，遠高于分級標準中的最大值。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；有效態鐵平均含量為1.34 mg kg-1，屬于低水平；有效態錳平均含量為228.5 mg kg-1，屬于高水平；有效態銅平均含量為0.33 mg kg-1，屬于中等水平；有效態鋅平均含量為6.76 mg kg-1，屬于極高水平。所有指標中屬于弱變異的為pH、全鉀和速效鉀；中等變異的為有機質、全磷、堿解氮、有效態鋅和錳；強變異指標為可溶性鹽、全氮、有效磷、有效態鐵和銅。

表2 土壤養分分級標準Table 2 The classification standard of the soil nutrition status

表3 土壤各檢測指標的描述性統計特征值Table 3 The descriptive statistics of soil indexes

2.2 土壤指標最小數據集的確定

根據表4，主成分分析中有5個主成分特征值大于1，累計貢獻率為86.019%，表明該5個主成分對全部變量的代表性較高。將各主成分中因子載荷絕對值大于或等于0.5的指標篩選出來分為5組，第1組為堿解氮、有機質、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。再根據各指標的Norm值以及相互之間的相關性篩選，以第1組為例，Norm值在最大值10%范圍內的指標有有機質、堿解氮、全磷、有效鐵和速效鉀。由表5可知有機質與堿解氮、全磷、有效鐵、速效鉀相關性極顯著，因此只保留有機質進入最終的MDS集合。按上述方法，有機質、有效錳、有效磷、有效銅和可溶性鹽共5個指標納入最終的最小數據集。

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Pearson相關系數Table 5 The pearson correlation coefficient of soil indicators

2.3 土壤肥力指數的計算結果與最小數據集方法評價

根據1.5項下方法計算20個樣品13項指標測定值的隸屬度值，根據1.6項下方法計算各指標的權重（表6），根據公式5計算全量數據集與最小數據集的土壤肥力指數。對4種土壤肥力指數進行相關性分析，由表7可知，基于全量數據集計算求得的土壤肥力指數與3種基于最小數據集的土壤肥力指數相關性極顯著，表明最小數據集包含的指標能夠代表全量數據集指標來綜合評價土壤肥力，同時SQI-TDS與SQIMDS3的相關系數最大，表明第3種權重計算方法為最優方法。

表6 全量數據集（TDS）和最小數據集（MDS）指標權重Table 6 Weight values of total date set(TDS)and minnimum date set(MDS)

表7 土壤肥力指數的相關性分析Table 7 The correlation analysis of soil fertility indicators

2.4 土壤肥力指數等級劃分

土壤肥力指數大小在0~1之間，該值越大表明綜合質量越好。運用SPSS Statistics 22統計軟件，采用Ward法和歐式距離對表8數據聚類分析。由圖1可知，當歐式距離小于5時，可將20份土壤樣品分為5組，人為將其由高到低定義為5個等級。等級Ⅰ樣品數為1，占比5%，為EK-2，SQI值為0.560；等級Ⅱ樣品數為4，占比20%，為EK-3、EK-10、EK-7、EK-11，SQI值在0.354~0.410之間；等級Ⅲ樣品數為4，占比20%，為EK-9、EK-12、EK-13、EK-19，SQI值在0.278~0.329之間；等級Ⅳ樣品數為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Ⅴ樣品數為4，占比20%，為EK-14、EK-16、EK-18、EK-20，SQI值在0.146~0.192之間。

表8 各采樣點土壤肥力指數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

通過測定分析東北地區朝鮮淫羊藿土壤的肥力指標，對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形態存在，植物在pH過高或過低的土壤中均難以生長，研究表明東北地區朝鮮淫羊藿土壤呈弱酸性，pH在植物生長的最適范圍內，樣品分布的整個區域內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導致作物減產[22]，測定結果表明朝鮮淫羊藿土壤屬于非鹽化土，變異系數較高，各地區土壤的鹽化程度不同，其中EK-16（通化市虎馬嶺）土壤可溶鹽含量達到表2中的四級水平，土壤中度鹽化。陳光登等[23]研究表明土壤鹽脅迫會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導致全氮、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合理調控土壤鹽分含量。朝鮮淫羊藿土壤有機質含量十分豐富，全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷及速效鉀含量均達到極高或高水平，其中全氮、全磷、有效磷存在中等強度變異，表明朝鮮淫羊藿不同產區土壤中的上述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鋅、錳含量高，有效態銅含量適中，有效態鐵元素相對不足。劉振成等[6]研究表明土壤中的鐵元素對朝鮮淫羊藿中朝藿定C含量具有促進作用，銅元素對淫羊藿苷含量具有促進作用，因此在后期栽培時建議合理施用銅、鐵等微肥以提高藥材質量。

土壤肥力評價的關鍵環節是對評價指標的選擇，由于評價目的與側重點不同，相關文獻報道的指標成分各不相同，所選擇的指標原則上應涵蓋土壤物理、化學和生物等方面，同時某些指標之間存在顯著的相關性，最小數據集的概念能很好地將眾多測定指標刪繁就簡，優選出能全面代表土壤整體質量的指標。本研究利用主成分分析與相關性分析，通過計算篩選出有機質、有效錳、有效磷、有效銅和可溶性鹽5個指標代替土壤的13項指標，通過各指標的隸屬度值與權重值，求得最小數據集的土壤肥力指數（SQI），最小值為0.146，最大值為0.560，平均值為0.280，變異系數為34.6%。MDS與TDS相關分析結果表明所構建的最小數據集能很好地替代全量數據集評價土壤肥力。通過SQI值聚類分析將朝鮮淫羊藿土壤肥力分為5個等級，朝鮮淫羊藿土壤肥力以等級Ⅳ為主。本研究對野生朝鮮淫羊藿根際土壤肥力做了綜合評價與分析，該方法與結果可為朝鮮淫羊藿栽培地質量評價與合理施肥提供參考。