基于专利数据挖掘的中国蔬菜育苗基质配方用料分析

宋 鹏，卢 江，曹 盼，张铭轩，田光明，刘欣宇

（1.中国农业大学有机循环研究院，江苏苏州 215100；2.中国农业大学资源与环境学院，北京 100083；3.安徽农业大学马克思主义学院，合肥 230036；4.浙江大学环境与资源学院，杭州 310058）

育苗是蔬菜栽培过程中的重要技术环节，是从播种到定植的全部操作过程。除少量可以进行直播外，绝大多数蔬菜均需要育苗移栽［1］。在中国，主要的育苗方式有地床育苗、营养土方育苗、塑料钵育苗、基质育苗等，其中基质育苗已成为中国育苗行业产业化的主流方式［2，3］。传统的蔬菜育苗基质多以草炭、蛭石、珍珠岩等不可再生资源为主要原材料，出于对生态环境的保护，众多学者开展了大量关于新型育苗基质的研究，并形成了相应的蔬菜育苗基质配方。景丙欣等［4］以菌菇渣为主要原料，通过与蛭石、珍珠岩的简单复配形成了1 种适宜生菜穴盘育苗的基质。此外，畜禽粪便［5］、中药渣［6］、餐厨废弃物［7］等有机废弃物同样在蔬菜育苗基质的配制过程中有所应用。不同原料所配制的基质对不同蔬菜作物的育苗效果和效益存在较大差异，主要表现在育苗基质的理化性质和配制成本上［8］。农业行业标准《NY/T 2118—2012》［9］对蔬菜育苗基质的理化指标、安全指标和出苗效果作出了详细的规定，部分学者研制的蔬菜育苗基质基本可以保证不小于90%的出苗率，但在孔隙度、pH、EC 等理化性质方面却与农业行业标准所规定的限值有所偏差［10］。另一方面，蔬菜育苗基质所需原料的价格也存在明显差别，如餐厨堆肥的价格基本在600 元/t，酒糟的价格则可以高达1 200 元/t［11］。从成本的角度出发，研究人员会因地制宜选取所在地的相关物资作为蔬菜育苗基质的配制原料，这也进一步形成了蔬菜育苗基质的多样化。面对中国庞大的育苗市场需求并结合生态效益考虑，加速中国新型环保蔬菜育苗基质的研发进程势在必行，明确蔬菜育苗基质配方用料规律或习惯则不可或缺。

Apriori 关联规则算法（analytic hierarchy process）是数据挖掘中较活跃的研究方法［12］，借助Apriori 方法可以明确不同原料间的关联程度，即可以明确配方中若存在原料A，则同时出现原料B 的可能性。马嘉慕等［13］以Apriori 方法为基础，对348条中药类批文进行数据挖掘，完成了白及保胃护肝保健食品的配方设计与评价。类似的研究在农业领应用较少，在蔬菜育苗基质研制方面的应用则鲜见相关报道。为此，本研究以相关专利数据为研究对象，利用地理统计、频数分析及Apriori 方法对中国蔬菜育苗基质专利分布进行探讨，并重点分析中国蔬菜育苗基质的配方成分信息，旨在明确蔬菜育苗基质的配方用料规律或习惯，为中国蔬菜育苗基质的研制开发提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

检索国家专利知识产权局（www.cnipa.gov.cn），以“蔬菜育苗基质”为关键词，收集2002 年1 月1 日至2022 年5 月4 日收录的所有蔬菜育苗基质发明专利信息。共收集到专利142 项，其中法律状态为在审的专利112 项，有权专利30 项，未纳入驳回专利，提取相关专利中的配方原料组成信息。

1.2 数据库的建立与标准化

将收集得到的数据信息分别导入Microsoft Excel 2019 软件中并建立3 个数据库，分别为总专利信息数据库、授权专利信息数据库和审查专利信息数据库。在数据处理过程中对专利配方原料信息进行如下标准化处理，①将同种原料进行名称的统一化，如“泥炭”统一为“草炭”等。②将同种原料的不同发酵产物改为原料名，如“鸡粪堆肥”统一为“鸡粪”等。③将多种二级原料统一为一级原料，如“枯草芽孢杆菌”“淡紫拟青霉菌”等统一为“微生物菌剂”“水稻秸秆”“玉米秸秆”等统一为“秸秆”等。④规范化过程中如有改变名称后理化性质改变显著者，则保留原有记录，分别录入处理，如“稻壳”和“稻壳炭”等。

1.3 分析方法

利用Microsoft Excel 2019 软件对数据库中的数据信息按公开地点、资源类型和原料种类进行频数统计并分析，通过ArcGIS 10.3 和Adobe Illustrator 2022 软件对数据地理信息进行统计分析并绘制地图。利用SPSS Modeler 18.0 软件中的Apriori 关联规则算法和网格图对整理得到的数据进行挖掘与统计分析，得到蔬菜育苗基质中原料之间的二次关联度和高频组合。

2 结果与分析

2.1 专利地域分布情况分析

依据所收集专利的法律状态，分别绘制31 个省级行政区（未统计中国香港、中国澳门及中国台湾地区）蔬菜育苗基质专利占有率（图1）。总体来看，处于审查阶段的蔬菜育苗基质专利主要集中于黄淮海和长江中下游地区（图1a），如山东、河南及江苏等省均为中国传统的蔬菜高产地区。根据国家统计局（www.data.stats.gov.cn）公布的数据可知，2020 年山东、河南及江苏3 省的蔬菜产量分别为8.43×107、7.61×107t 和5.73×107t。庞大的蔬菜市场规模引起了蔬菜育苗基质的需求，进而激发了相关专利产品的研发工作。在112 项处于审查阶段的蔬菜育苗基质专利中，江苏省拥有21 项，占比为18.75%；山东省拥有14 项，占比为12.50%；安徽省拥有11 项，占比9.82%；河北省拥有10 项，占比8.93%（图1b）。其余省（市、区）所拥有的审查阶段的蔬菜育苗基质发明专利均在10 项以下，如黑龙江等省则无相关发明专利。对于已获得授权的蔬菜育苗基质发明专利，其仍主要集中于蔬菜高产地区，其中以江苏省所拥有的发明专利最多，达到12 项，占比40.00%。其次为浙江省，拥有3 项相关专利，占比10.00%。部分省（市、区）如安徽、江西等，虽具有一定数量的处于审查阶段的蔬菜育苗基质发明专利，但在获得授权方面却暂时未获进展。

图1 中国蔬菜育苗基质专利地域分布情况

2.2 原料频数统计分析

在112 项处于专利审查阶段的蔬菜育苗基质发明专利配方中（表1），共涉及到原料33 种，出现频次≥5 次的共有26 种原料，占总频次的78.79%。排名前10 位的原料分别为蛭石、珍珠岩、秸秆、草炭、化肥、鸡粪、微生物、菌料、园林废弃物和牛粪，出现频次合计占总频次的67.25%。对33 种原料按照资源类型进行分类发现，出现频次5 次及以上的原料中，不可再生资源共6 种，分别为蛭石、珍珠岩、草炭、自然土壤、细沙及煤灰，出现频次为186 次。可再生资源共27 种，出现频次为382 次。在可再生资源中，农业废弃物共16 种，出现频次为230 次，工业产品共5种，分别为化肥、微生物、化学物质、海藻粉及农药，共出现频次为103 次。工业废弃物共6 种，分别为中药渣、酒糟、炉渣灰、生物炭、调料渣及沼渣，出现频次为49 次。

表1 审查阶段的蔬菜育苗基质发明专利配方原料频次分析

在30 项处于具有专利授权的蔬菜育苗基质配方中（表2），共涉及到原料25 种，出现频次≥3 次的共有18 种原料，占总频次的91.53%。排名前5 位的原料分别为蛭石、珍珠岩、秸秆、鸡粪、草炭，出现频次合计占总频次的43.22%。对25 种原料按照资源类型进行分类发现，出现频次3 次及以上的原料中，不可再生资源共5 种，分别为蛭石、珍珠岩、草炭、自然土壤、细沙，出现频次为39 次。可再生资源共20种，出现频次为79 次。在可再生资源中，农业废弃物共11 种，出现频次为55 次，工业产品共4 种，分别为化肥、微生物、化学物质及农药，共出现频次为15次。工业废弃物共5 种，分别为中药渣、茶叶渣、煤灰、调料渣及沼渣，出现频次为9 次。

表2 具有授权的蔬菜育苗基质发明专利配方原料频次

2.3 原料关联度及网络分析

支持度表示在所有数据中关联原料出现频次的比例；置信度表示关联原料之间的联系强度；增益主要用来衡量关联规则的前项与后项间的独立性，若增益＞1，则表示前项原料和后项原料之间具有良好的相关性，相关性的强弱与数字大小呈正相关。分别对处于审查阶段和已获授权的蔬菜育苗基质发明专利进行Apriori 算法分析和网络图分析，以支持度≥10%、置信度≥55%作为筛选条件，得到高频原料组合和网络图，结果见表3 和图2。

由表3 可知，2 种法律状态下的蔬菜育苗基质原料组合的增益均大于1.00，说明前项原料和后项原料间均具备良好的相关性，尤其在已获授权的蔬菜育苗基质发明专利中珍珠岩和蛭石的组合的增益达到了最高的10.00。在处于审查阶段的蔬菜育苗基质发明专利中，关联性较强的分别是珍珠岩和椰糠及蛭石和珍珠岩的组合。在已获授权的蔬菜育苗基质发明专利中，关联性较强的分别是蛭石和珍珠岩以及沼渣和椰糠、珍珠岩和椰糠。在支持度和置信度的设置条件下，从原料组合出现的频次方面来看，在审查阶段，蛭石和珍珠岩的组合出现频次最高，为54 次。其次为蛭石或珍珠岩与草炭的组合，均为44次。说明草炭、蛭石和珍珠岩仍是蔬菜育苗基质的主要组合原料。在授权方面，草炭作为后项原料的组合共出现了14 次，椰糠与草炭相接近，共出现12次。为进一步揭示高频原料间的关系，进行网络图分析，可以看出原料间的关联强度基本符合二次关联分析的结果（图2）。

图2 审查阶段（a）和已获授权（b）蔬菜育苗基质发明专利中高频次原料网络分析

表3 基于Apriori关联规则算法的蔬菜育苗基质配方高频原料间的关联分析

3 讨论与结论

随着中国蔬菜产业的蓬勃发展，育苗基质的市场需求与日俱增，与其相关的研发工作逐步深入。本研究共统计了142 项中国蔬菜育苗基质的发明专利，其中审查阶段的发明专利112 项，已获授权的发明专利30 项。从地理分布情况来看，蔬菜产量越大的省份，其所占据的蔬菜育苗基质发明专利比例越高。从配方原料出现频次方面来看，中国蔬菜育苗基质发明专利中的配方原料共有34 种一级原料，其中蛭石、珍珠岩和草炭等仍是相关配方中的高频原料。出于育苗效果的考虑，在可再生能源中尚无对草炭完全等效替代的物料。普遍认为椰糠能够对草炭进行较高比例的替代，代惠洁等［14］研究认为椰糠与草炭、蛭石、珍珠岩按2∶2∶4∶4 比例混配使用的育苗效果与草炭相当，然而受产量等因素的影响，椰糠价格普遍居高，因此从经济角度来看，椰糠对草炭的适宜替代比例仍有待探索。禽畜粪便或餐厨废弃物等有机物料的堆肥虽然具有较好的经济性，但从相关研究结果可知，上述2 种有机废弃物的大量添加会使蔬菜育苗基质的理化性质产生恶化［15，16］，因此只能在较低比例程度上对草炭进行添加替代。此外，本研究同时还发现微生物在蔬菜育苗基质研制过程中也属于高频原料，除促进有机物料腐熟的作用外，还存在一定数量的具有促生防病功能的微生物，如淡紫拟青霉菌、枯草芽孢杆菌等［17，18］。幼苗期的病虫害对作物的生长发育有严重影响，而在育苗基质中添加具有促生防病功能的微生物可以有效地降低胁迫的出现，这一特点类似于农业生产中常用的种衣剂。

为更加精准地对蔬菜育苗基质配方用料特点进行分析，本研究将相关发明专利分为审查阶段和已获授权2 种类型，并分别研究其原料间的关联度。对于处于审查阶段的发明专利，关联性较强的分别是珍珠岩和椰糠及蛭石和珍珠岩的组合。对于已获授权的发明专利，关联性较强的分别是蛭石和珍珠岩、沼渣和椰糠、珍珠岩和椰糠。从原料组合出现的频次方面来看，在审查阶段，蛭石和珍珠岩的组合出现频次最高，为54 次。其次为蛭石或珍珠岩与草炭的组合，均为44 次。在授权方面，草炭作为后项原料的组合共出现了14 次，椰糠与草炭相接近，共出现12 次。上述结果表明，草炭、蛭石和珍珠岩仍是蔬菜育苗基质研制过程中的首选原料。由此可见，蔬菜育苗基质的配方用料仍未能彻底摆脱对不可再生能源的依赖，但随着相关研究的继续开展，草炭等不可再生能源在蔬菜育苗基质中的应用比例可望实现逐步降低。