优劣距离法筛选育苗基质矿质养分浸提方法

孙娇娇 尚庆茂

（农业农村部园艺作物生物学与种质创制重点实验室，中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京 100081）

育苗基质是幼苗养分的主要来源，基质中养分含量对培育壮苗至关重要。在选配基质时，首先应了解基质的理化性状，特别是速效氮、磷、钾的含量，可以大致了解基质的营养状态。在游莹卓等（2014）的研究中，黄瓜育苗基质的最适配比（体积比）为草炭34%～45%，蛭石20%～31%，珍珠岩35%～43%；计算得到黄瓜育苗基质适宜的养分范围是碱解氮399.0～513.5 mg · kg-1，速效钾329.0～397.5 mg · kg-1，速效磷26.4～30.1 mg ·kg-1，有机质29.5%～36.3%。季托等（2018）研究表明，茄子无土育苗基质的最适配比（体积比）为草炭36%～62%，蛭石20%～27%，珍珠岩24%～43%；计算得到茄子育苗基质适宜的养分范围是速效氮612.9～830.1 mg · kg-1，速效钾184.6～299.3 mg · kg-1， 速 效 磷61.6～103.4 mg ·kg-1，有机质30.5%～52.6%。在幼苗生长过程中，基质本身养分含量往往达不到幼苗生长要求，仅根据幼苗生长状态施肥或灌溉营养液，易对幼苗造成营养缺乏胁迫，若提前了解基质中养分的含量，便可避免这种情况的发生。因此在穴盘育苗管理过程中，及时了解基质中养分含量变化，适时供应养分，对培育健壮幼苗至关重要。

矿质养分检测是判断育苗基质养分丰缺的基础和前提。目前基质矿质养分的检测方法一般是参照土壤养分含量的检测方法。土壤养分检测方法有常规法和速测法。常规法有碱解扩散法（测定有效氮含量）、Olsen 法和Bray1 法（测定有效磷含量）、乙酸铵法（测定速效钾含量）等，测量值准确度较高。但测试时每一种有效养分采用一种浸提剂，浸提时间长，操作复杂，费工费时，效率低，且污染环境（刘春生和杨守祥，1997；刘秀珍 等；2007；郝冠军 等，2016）。而速测法因其测量快速、简便、并在较短的时间内同时浸提出土壤中的速效N、P、K 等多种成分，受到国内外研究者的重视，日益发展起来（王芸，2013）。较为著名的有1941年提出的Morgan 法，试剂由1 mol · L-1NH4ACHAC、15% CaCl2组成，它可以用于酸性和中性土壤的P、K、NO3--N、NH4+-N 的提取测定，后经Wolf 修正，加入二乙基三胺五乙酸（DTPA）可以同时提取阳离子微量元素（Wolf，1982）。1954 年，Mehlich 提出Mehlich-1 法（简称M1 法），试剂由0.012 5 mol · L-1H2SO4、0.05 mol · L-1HCl 组成，可提取P、K、Ca、Mg、Na、Mn 和Zn，适用于阳离子交换量小于0.1 mol · kg-1，有机质含量小于5%的酸性砂质土壤（Mehlich，1953；Benton，1998；张文芳，2007）。Soltanpour-Schwab 法（简称ABDTPA 法）在1977 年被提出，试剂是由1.0 mol · L-1NH4HCO3、0.005 mol · L-1DTPA 组 成，可 同 时 提取P、K、Na、Fe、Mn、Zn、As、Cd 和NO3-，适用于pH ＞7.5，但不含过量的Ca 或Na 的碱性土壤。这种试剂的pH 不稳定，须现用现配，或在矿物油中保存（Soltanpour & Schwab，1977；李立平等，2004）。1982 年Mehlich 再 次 提 出Mehlich-3法（简称M3 法），试剂是由0.015 mol · L-1NH4F、0.25 mol · L-1NH4NO3、0.001 mol · L-1乙二胺四乙酸（EDTA）、0.2 mol · L-1CH3COOH、0.13 mol ·L-1HNO3组成。M3 法能够同时提取P、K、Ca、Mg、Na、Cu、Zn、Fe、Mn、B、Mo 等多种有效养分，适用于酸性、中性和石灰性土壤；但无法提取速效氮，且含有微量氟（刘肃和李酉开，1995；刘秀珍 等，2007）。

在育苗基质矿质养分检测时，因育苗基质容重、孔隙度、缓冲性、酸碱性等都不同于土壤，测量结果与实际值偏差较大。且上述方法浸提剂配方存在较多离子，对矿质养分含量测定有干扰，浸提剂废液的处理也会污染环境。本试验以去离子水作为浸提剂，以固液比、浸提温度、振荡时间为因素组成多个处理，筛选出固液比、浸提温度、振荡时间的最优浸提处理组合，旨在探索一种高效、操作简便、绿色无污染的基质矿质养分浸提方法，既适应于各种类型基质，又能配合先进仪器如电感耦合等离子体发射光谱仪、自动流动注射仪等进行测定分析，节约成本，提高效率，为育苗基质科学精准施肥提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料

供试基质是将粉碎或解压后的进口草炭、国产草炭，按体积比1∶1 混合，并加入1 kg · m-3水溶速效复合肥花无缺（N-P-K 为20-20-20+TE，购自上海永通化工有限公司）后，与蛭石、珍珠岩按体积比7∶1∶2 配制成混合基质，搅拌均匀，自然风干，待测。供试基质理化性质为：容重0.14 g ·cm-3、总孔隙度71.10%、持水孔隙65.29%、相对含水量7.79%、pH 5.66。其中进口草炭为品氏托普草炭，粒径0～10 mm，pH 5.5，购自北京林大林业科技股份有限公司；国产草炭为敖珠牌，粒径0～10 mm，购自中蔬种业科技有限公司；蛭石和珍珠岩全部采用园艺级（粒径3～5 mm），购自河北灵寿县汇鑫蛭石厂。

1.2 方法

1.2.1 浸提液制备 以固液比（1∶5、1∶10、1∶20）（m∶m，下同）、浸提温度（25、50 ℃）、振荡时间（2、5、10 h）3 个因素进行组合，共18个处理，每个处理3 次重复。浸提液制备采用去离子水振荡浸提-真空抽滤法。用电子天平准确称取风干基质10 g（精确度±0.001 g），置于300 mL 玻璃三角瓶中，按照基质∶浸提剂为1∶5、1∶10、1∶20 分别加入浸提剂去离子水，封口膜封口，放入振荡强度为180 r · min-1，温度设定为25、50 ℃的全温振荡培养箱（HZQ-F160 型，北京博宇宝威实验设备公司）中振荡2、5、10 h，取出，待测。安装抽滤装置（布氏漏斗、1 000 mL 抽滤瓶和硅胶管，杭州绍峰科技有限公司；真空泵，AP-9950，天津奥特赛恩斯仪器有限公司），真空泵在抽滤前调至-80 kPa，在布氏漏斗中垫入2 层定量滤纸（直径9 cm，中速），将振荡液全部倒入后，用硅胶密封盖密封。启动真空泵进行抽滤（真空泵压力一直维持在-80 kPa），直至5 s 内无液滴滴落时关闭真空泵。倒出抽滤瓶中的滤液（纯色透明液体）装入聚丙乙烯塑料瓶中，置于4 ℃冰箱内保存，备用。

1.2.2 矿质养分测定 待所有处理抽滤完成后，取滤液进行矿质养分测定。NO3

--N、NH4+-N 含量测定采用流动注射法（王慧敏和唐玉霞，2016），P、K、Ca、Mg、S、Fe、Mn、Zn、Na 含量测定采用电感耦合等离子体发射光谱法（王金云和李小娜，2017），Cu 含量测定采用电感耦合等离子体质谱法（陈磊磊 等，2017），Cl 含量测定采用离子色谱法（唐静 等，2017）。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2016 软件处理数据，采用优劣距离法对数据进行分析，以综合评判矿质养分浸提效率高低，筛选出最优浸提处理组合。

2 结果与分析

2.1 固液比、浸提温度、振荡时间对育苗基质矿质养分浸提效率的影响

由表1 可知，庞大的数据不容易直观地看出13 种矿质养分综合浸提效率最好的处理，通过对比矿质养分的浸提含量，能够大致看出基质的营养状态。从浸提效率上可以看出，处理17 的浸提含量最高，处理12 的浸提含量最低。从NH4+-N浸提效率来看，处理18 的浸提效率最高，相比于最低浸提效率的处理3 高39.60%；从P 的浸提效率来看，18 个处理浸提含量在12.639 0～74.368 2 mg · kg-1范围内浮动，最高处理浸提效率是最低处理的5.88 倍；从K 的浸提效率来看，浸提含量最高的处理17 比浸提效含量最低的处理1 高49.30%。另外，从18 个处理的N、P、K 浸提含量可以观察到基质中游离N、K 的含量比P 含量高。

表1 固液比、浸提温度、振荡时间对矿质养分浸提效率的影响

基质内的中量元素Ca、Mg、S 含量的多少对育苗也相当重要。Ca、Mg、S 的浸提效率都表现为处理18 最高，处理1 最低。

微量元素含量虽然少，却是植物生长发育必不可少的。18 个处理中Fe 的浸提含量在17.525 9～49.949 1 mg · kg-1范 围 内 浮 动；Mn 的浸提含量为2.320 4～4.400 7 mg · kg-1；Cu、Zn、Na、Cl 的浸提含量分别为0.107 3～0.347 0 mg ·kg-1、1.121 7～2.558 0 mg · kg-1、0.093 0～0.171 8 g ·kg-1、0.103 7～0.121 3 g · kg-1，都表现为处理18 最高，处理1 最低。

综上，NO3--N、K 浸提效率最高的处理组合为固液比1∶20、浸提温度50 ℃、振荡时间5 h，NH4+-N、P、Ca、Mg、S、Fe、Mn、Cu、Zn、Na、Cl 浸提效率最高的处理组合为固液比1∶20、浸提温度50 ℃、振荡时间10 h。尽管利用本试验中的试验方法可以对基质中的每一种矿质养分的含量进行较为准确的测量和分析，但是在实际生产应用中往往需要综合评价基质的浸提效率，因此在本试验已获得的结果之上，利用优劣距离法来对13种养分的浸提效率进行综合描述与评价。

2.2 优劣距离法模型的建立

优劣距离法，即TOPSIS（technique for order preference by similarity to an ideal solution）法，是一种逼近理想状态的排序方法。该方法充分利用原始多项指标数据间的信息，设定理想参照值，将原始资料数据归一化后构成规范化决策矩阵，计算出各评价单位与负理想值和正理想值之间的距离，来反映各评价单位之间的差距，根据此差距得出各评价单位与正理想值的相对接近程度来进行排序，进而达到客观评价目的（张世玲 等，1997；黄焕宗，2016）。

利用优劣距离法对18 个处理组合进行综合评价，需先对13 种矿质养分浸提效率分别做出评价，若13 项指标呈现同一趋势，即矿质营养的浸提组合的优劣取决于矿质养分浸提效率高低，则可直接将数据构成原始数据矩阵A 进行后续分析。本试验结果表明，13 项指标已呈现同一趋势，因此将13 项指标的浸提含量数值形成原始数据矩阵A。

其中aij为第i 个处理的第j 个效率指标，i=1，2，…m，j=1，2，…n，见表1。

将A 矩阵利用公式归一化后构造规范决策矩阵B。

其中bij=aij/〔∑（aij）2〕0.5，见表2。

根据矩阵B 确定指标最优化状态和最劣化状态，分别构成最优向量解B+和最劣向量解B-，然后计算各处理的评价指标与最优向量解和最劣向量解的距离，用差的平方和的平方根值表示，最后计算各处理的浸提效率指标值与最优值相对接近程度。

最优化状态：B+=（b1+，b2+，…，bn+）

即B+=（0.249 2，0.270 8，0.404 6，0.283 6，0.295 6，0.271 5，0.262 3，0.392 9，0.323 8，0.378 5，0.332 8，0.322 3，0.252 6）

最劣化状态：B-=（b1-，b2-，…，bn-）

即B-=（0.225 5，0.194 0，0.068 8，0.189 9，0.196 1，0.212 0，0.205 3，0.137 8，0.170 7，0.117 0，0.145 9，0.174 5，0.215 9）bj+=Max｛b1j，b2j，…，bmj｝bj-=Min｛b1j，b2j，…，bmj｝

2.3 基质矿质养分浸提方法优选

优劣距离法对原始数据进行归一化处理后，消除了不同量之间的影响，根据对象与正理想解、负理想解之间的距离来衡量“优势程度”。相对接近程度在0～1 之间，该值越接近1，说明评价的处理接近最优水平程度越高，距离最劣水平越远，则该处理最优，反之则差（张世玲 等，1997）。通过表3 可以直观地看出，从处理1 至处理18，C+值呈递减趋势，从0.595 3 降至0.020 8，C-值呈递增趋势，从0.020 0 增至0.598 0，Di值逐渐增大，从0.032 5 增至0.966 4。处理18 的Di值排序第1，距离最优值最近，矿质养分综合浸提含量最高，即固液比1∶20，浸提温度50 ℃，振荡时间10 h 为最佳处理。

表2 各处理13 项指标归一化后的bij 值

表3 各处理指标值与最优向量解相对接近程度排序

3 结论与讨论

本试验利用优劣距离法筛选出育苗基质13种矿质养分综合浸提效率最优的组合，为固液比1∶20，浸提温度50 ℃，振荡时间10 h。对每个元素浸提效率进行方差分析，基质矿质养分的浸提效率与浸提条件有着密切的相关性，其中固液比、浸提温度最为密切，振荡时间次之。有研究表明，土壤中的有效铜、锌、铁、锰4 种微量养分含量测定值会随温度的升高而增加，与浸提温度呈显著正相关（宋钢 等，1989；李淑玲 等，2002）。固液比（基质质量∶浸提剂体积）对有效磷的提取有极显著影响，对有效钾的提取有显著影响；振荡时间对基质中NO3--N、NH4+-N、有效磷、有效钾的提取均无显著影响（谢嘉霖 等，2009，2014）。

使用中性浸提剂去离子水提取的是基质中水溶性养分，代表的是基质养分的强度因素。相对于土壤通用浸提剂M3 和AB-DTPA，去离子水虽浸提含量低但对浸提物料没有要求，无论是酸性还是碱性土壤或基质均可浸提，且浸提养分种类丰富，只要可溶于水的养分，均可被浸提；另外，去离子水作为浸提剂，对环境无污染。而ABDTPA 与M3 通用浸提剂却对浸提土壤有要求，AB-DTPA 法仅适用于pH ＞7.5，但不含过量的Ca 或Na 的碱性土壤，M3 法适用于酸性、中性和石灰性土壤；AB-DTPA 浸提剂仅可同时提取P、K、Na、Fe、Mn、Zn、As、Cd 和NO3-，M3 浸 提剂虽可同时提取P、K、Ca、Mg、Na、Cu、Zn、Fe、Mn、B、Mo 等多种有效养分，但无法提取速效氮，且含有微量氟；另外AB-DTPA 浸提剂和M3 浸提剂中的化学成分不仅污染环境，试验操作也较为危险（Soltanpour & Schwab，1977；刘肃和李酉开，1995；李立平 等，2004；刘秀珍 等，2007）。综上所述，本试验选用去离子水作为通用浸提剂，为试验提供了绿色、环保、高效的浸提介质。

优劣距离法的提出是基于对欧几里德范数测度的优劣解距离法进行分析得到的，广泛应用于多目标决策分析（蔡治华，1998）。在林建潮等（2016）的研究中，采用TOPSIS 法对某医院2008～2014 年护理质量的8 个指标进行综合评价，结果合理，应用灵活，可作为医院护理质量评价的一种方法。李亦然等（2018）利用TOPSIS 法，综合13 项水土保持效益指标，对不同混交林的水土保持综合效益进行评价，筛选出适合石灰岩山地和砂石山地的混交林。Li 等（2019）利用TOPSIS 法对碳纤维复合材料加工技术进行优化，选择最佳切削条件，通过验证结果准确。本试验利用优劣距离法，在指标较多、影响养分浸提效率因素复杂的18 个处理中筛选出最优处理组合，结果科学可靠。