Tobacco Area Soil Quality Evaluation and Barrier Diagnosis in Intercropping System of Tobacco and Rice in Southern Hunan Based on Minimal Data Set

doi:10.11924/j.issn.1000-6850.casb2024-0611

Abstract

Abstract:

Soil samples were collected from the tobacco-rice rotation area of southern Hunan to analyze the physical, chemical and biological characteristics of the soil. To evaluate soil quality and diagnose obstacles, providing a scientific basis for nutrient management, reduction of limiting factors, and improving the yield and quality of tobacco leaves in this region, a total of 124 soil samples were collected from 11 tobacco stations. 18 indicators, including soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), total potassium (TK), available nitrogen (AN), available phosphorus (AP), available potassium (AK), exchangeable calcium (ECa), exchangeable magnesium (EMg), available manganese (AMn), available boron (AB), available molybdenum (AMo), microbial biomass carbon (MBC), microbial biomass nitrogen (MBN), microbial biomass phosphorus (MBP), water-soluble chloride ion (Cl), bulk density (BD) and pH, were selected as the total data set (TDS). Using principal component analysis combined with the Norm value method, a minimum data set (MDS) was constructed to derive the soil quality index (SQI). An obstacle factor diagnosis model was employed to identify the main limiting factors. The results showed that the MDS for the tobacco-rice rotation area in southern Hunan consisted of bulk density, total nitrogen, pH, microbial biomass carbon, microbial biomass nitrogen, microbial biomass phosphorus, available phosphorus, total potassium and available manganese. The MDS-based soil quality index (MDS-SQI) exhibited a highly significant positive correlation with the TDS-SQI (R²=0.479，P<0.05), with a relative deviation coefficient of 0.053. This indicated a good fit between the two indices, with minimal relative deviation, suggesting that the MDS could effectively replace the TDS for soil quality evaluation in this region. Obstacle factor analysis revealed that the main limiting factors in the tobacco-rice rotation area were total nitrogen (average obstacle degree of 0.093) and available manganese (average obstacle degree of 0.090). The established MDS evaluation method accurately reflected actual soil quality, balancing representativeness and accuracy while simplifying workload. It was suitable for soil quality evaluation and obstacle diagnosis in tobacco-rice rotation systems. The soil quality index in the tobacco-rice rotation area ranged from 0.221 to 0.614, with an average value of 0.417, indicating that overall soil quality is at a moderate level.

Key words: tobacco-rice rotation, tobacco-planted soil, principal component analysis, minimum data set, soil quality, impedance

XIAO Ziman, HAO Hanchi, FAN Haijin, HE Rujing, XIAO Yansong, LI Xiaohui, LIU Yongjun, LONG Jian, HOU Hongbo, PENG Peiqin. Tobacco Area Soil Quality Evaluation and Barrier Diagnosis in Intercropping System of Tobacco and Rice in Southern Hunan Based on Minimal Data Set[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2025, 41(20): 80-90.

Figures/Tables 12

采样区域		作物类型	样点编号	采样深度/cm	经度/E	纬度/N
市	烟站	作物类型	样点编号	采样深度/cm	经度/E	纬度/N
郴州	浩塘	烟草	1~6	0~20	112°33′55″—112°55′37″	25°45′31″—25°58′29″
	敖泉		7~12		112°34′35″—112°10′27″	25°55′45″—25°13′41″
	城郊		13~18		112°66′88″—112°74′58″	25°76′30″—25°78′23″
	仁义		19~24		112°32′26″—112°36′46″	25°37′15″—25°11′30″
	方元		25~30		112°13′26″—112°31′03″	25°29′15″—25°27′16″
	安平		61~75		113°21′58″—113°05′24″	26°33′42″—26°57′21″
	黄沙		76~91		112°43′33″—112°27′31″	25°09′13″—25°27′35″
永州	大石桥	烟草	31~45	0~20	111°30′43″—111°44′01″	24°52′31″—24°51′27″
	白芒营		46~60		111°30′45″—111°03′46″	24°56′40″—24°38′08″
	土市		92~108		112°18′05″—112°32′26″	25°31′38″—25°14′14″
	太平		109~124		112°07′31″—112°24′08″	25°39′52″—25°50′06″

函数类型	评价指标	指标代码	隶属度函数	隶属度函数参数
函数类型	评价指标	指标代码	隶属度函数	a₁	b₁	b₂	a₂
S型	有机碳	SOC	$u x = 0.1, x ≤ a 1 0.1 + 0.9 x - a 1 a 1 - a 1, a 1 x a 2 1, x ≥ a 2$	8.9			41.5
	全氮	TN		0.83			4.42
	全磷	TP		0.42			2.10
	全钾	TK		0.53			24.20
	碱解氮	AN		0.06			0.27
	有效磷	AP		3.12			325.5
	速效钾	AK		33.0			531.0
	交换性钙	ECa		2.0			44.96
	交换性镁	EMg		0.3			32.37
	有效锰	AMn		0.54			324.3
	有效硼	AB		0.54			2.51
	有效钼	AMo		0.02			0.42
	微生物量碳	MBC		23.8			505.5
	微生物量氮	MBN		9.5			122.5
	微生物量磷	MBP		-0.5			144.8
反S型	氯离子	Cl^-		14.2			74.45
反S型	容重	BD		1.38			2.04
抛物线型	pH	pH	$f x = 0.1, x ≤ a 1, x ≥ a 2 0.9 × x - a 1 b 1 - a 1 + 0.1, a 1 x b 1 1.0, b 1 ≤ x ≤ b 2 1.0 - 0.9 × x - b 2 a 2 - b 2, b 2 x a 2$	4.83	5.5	6.5	8.07

函数类型	评价指标	指标代码	隶属度函数	隶属度函数参数
函数类型	评价指标	指标代码	隶属度函数	a₁	b₁	b₂	a₂
S型	有机碳	SOC	$u x = 0.1, x ≤ a 1 0.1 + 0.9 x - a 1 a 1 - a 1, a 1 x a 2 1, x ≥ a 2$	8.9			41.5
	全氮	TN		0.83			4.42
	全磷	TP		0.42			2.10
	全钾	TK		0.53			24.20
	碱解氮	AN		0.06			0.27
	有效磷	AP		3.12			325.5
	速效钾	AK		33.0			531.0
	交换性钙	ECa		2.0			44.96
	交换性镁	EMg		0.3			32.37
	有效锰	AMn		0.54			324.3
	有效硼	AB		0.54			2.51
	有效钼	AMo		0.02			0.42
	微生物量碳	MBC		23.8			505.5
	微生物量氮	MBN		9.5			122.5
	微生物量磷	MBP		-0.5			144.8
反S型	氯离子	Cl^-		14.2			74.45
反S型	容重	BD		1.38			2.04
抛物线型	pH	pH	$f x = 0.1, x ≤ a 1, x ≥ a 2 0.9 × x - a 1 b 1 - a 1 + 0.1, a 1 x b 1 1.0, b 1 ≤ x ≤ b 2 1.0 - 0.9 × x - b 2 a 2 - b 2, b 2 x a 2$	4.83	5.5	6.5	8.07

指标	最小值	最大值	均值	标准差	偏度		峰度		变异系数/%		K-S检验
BD/(g/cm³)	1.38	2.04	1.69	0.12	0.00		0.35		7.20		0.83
SOC/(g/kg)	8.90	41.47	21.03	6.15	0.56		0.87		29.26		0.01
AN/(g/kg)	0.06	0.27	0.16	0.04	0.24		-0.19		25.93		0.51
ECa/(cmol/kg)	2.00	44.96	14.44	9.17	1.36		2.00		63.49		0.00
EMg/(cmol/kg)	0.30	32.37	4.15	5.16	2.54		8.76		124.40		0.00
pH	4.83	8.07	7.08	0.87	-1.18		0.33		12.23		0.00
TN/(g/kg)	0.83	4.42	2.22	0.73	0.56		0.02		32.87		0.01
TP/(g/kg)	0.42	2.10	1.15	0.34	0.12		-0.29		29.65		0.87
TK/(g/kg)	0.53	24.20	7.46	4.65	1.47		2.40		62.31		0.00
AP/(mg/kg)	3.12	114.48	47.59	22.53	0.48		0.00		47.35		0.07
AK/(mg/kg)	33.0	531.00	218.9	116.97	0.55		-0.26		53.43		0.00
Amn/(mg/kg)	0.54	324.34	49.59	61.23	2.49		8.02		123.47		0.00
AB/(mg/kg)	0.54	2.51	1.19	0.39	1.20		1.23		32.58		0.00
Amo/(mg/kg)	0.02	0.42	0.07	0.06	4.11		19.40		90.00		0.00
Cl^-/(mg/kg)	14.18	74.45	37.05	13.53	0.80		-0.04		36.51		0.00
MBC/(mg/kg)	23.86	505.50	165.2	102.80	1.41		1.85		62.21		0.00
MBN/(mg/kg)	9.46	122.57	49.02	22.63		0.65		0.38		46.17	0.01
MBP/(mg/kg)	-0.50	144.80	45.14	29.33	1.03		1.31		64.97		0.00

指标	分组		PC1		PC2		PC3		PC4		PC5		PC6		Norm值
指标	分组		载荷	W1	载荷	W2	载荷	W3	载荷	W4	载荷	W5	载荷	W6	Norm值
AN	1		0.805	0.148	0.234	0.052	0.292	0.062	0.252	0.060	-0.076	0.020	0.044	0.014	1.843
TN	1		0.785	0.144	0.426	0.094	0.261	0.056	0.118	0.028	-0.034	0.009	0.057	0.019	1.856
SOC	1		0.752	0.138	0.277	0.061	0.320	0.068	0.256	0.061	-0.117	0.031	0.066	0.021	1.762
BD	1		-0.749	0.138	0.144	0.032	0.017	0.004	0.188	0.045	0.205	0.053	0.155	0.050	1.674
AB	1		0.538	0.099	-0.244	0.054	-0.185	0.040	0.124	0.030	-0.140	0.037	0.356	0.116	1.313
Emg	1		0.080	0.015	0.492	0.109	-0.113	0.024	0.477	0.114	0.021	0.005	0.035	0.011	0.961
TP		1	0.264	0.049	0.373	0.083	0.446	0.095	0.438	0.105	0.094	0.025	0.299	0.097	1.156
AK		1	0.051	0.009	0.074	0.016	-0.056	0.012	0.825	0.198	0.034	0.009	-0.097	0.032	0.979
Cl-		1	-0.190	0.035	0.067	0.015	-0.172	0.037	0.138	0.033	0.443	0.116	0.467	0.152	0.855
pH		2	0.015	0.003	0.844	0.187	0.259	0.055	0.006	0.001	0.076	0.020	-0.109	0.036	1.337
Eca		2	0.143	0.026	0.673	0.149	-0.063	0.013	0.056	0.013	-0.067	0.017	0.019	0.006	1.080
MBP		3	-0.015	0.003	0.111	0.025	0.791	0.169	-0.012	0.003	-0.174	0.045	0.058	0.019	1.045
MBN		3	0.351	0.065	0.034	0.008	0.666	0.142	0.058	0.014	0.157	0.041	-0.058	0.019	1.158
MBC		3	0.270	0.050	-0.356	0.079	0.508	0.108	0.158	0.038	-0.310	0.081	-0.099	0.032	1.107
AP		4	0.112	0.021	-0.043	0.010	0.249	0.053	0.743	0.178	-0.174	0.045	-0.065	0.021	0.976
AMo		5	-0.072	0.013	0.028	0.006	-0.126	0.027	-0.045	0.011	0.859	0.224	-0.099	0.032	1.015
Amn		5	-0.152	0.028	-0.049	0.011	0.064	0.014	-0.075	0.018	0.838	0.219	0.136	0.044	1.032
TK		6	0.095	0.017	-0.043	0.010	0.095	0.020	-0.207	0.050	0.014	0.004	0.851	0.277	0.924
主成分特征值			4.684		2.328		1.628		1.349		1.308		1.015
主成分方差贡献率			17.005		11.649		11.238		10.816		10.67		7.015
主成分累积贡献率			17.005		28.654		39.892		50.709		61.379		68.394

指标	TDS		MDS
指标	公因子方差	权重	公因子方差	权重
BD	0.682	0.055	0.772	0.126
SOC	0.828	0.067
AN	0.859	0.070
ECa	0.486	0.039
EMg	0.49	0.040
pH	0.798	0.065	0.849	0.139
TN	0.885	0.072	0.805	0.132
TP	0.698	0.057
TK	0.787	0.064	0.702	0.115
AP	0.663	0.054	0.495	0.081
AK	0.702	0.057
AMn	0.756	0.061	0.609	0.100
AB	0.544	0.044
AMo	0.772	0.063
Cl^-	0.503	0.041
MBC	0.588	0.048	0.7	0.115
MBN	0.598	0.049	0.619	0.101
MBP	0.672	0.055	0.561	0.092

地区	浩塘	敖泉	城郊	仁义	方元	大石桥	白芒营	安平	黄沙	土市	太平
最大值	0.527	0.542	0.434	0.472	0.474	0.614	0.447	0.484	0.484	0.622	0.526
最小值	0.421	0.411	0.365	0.365	0.315	0.351	0.303	0.221	0.281	0.331	0.244
均值	0.462	0.459	0.402	0.427	0.383	0.441	0.379	0.411	0.407	0.421	0.425
标准偏差	0.037	0.050	0.027	0.037	0.060	0.072	0.042	0.062	0.058	0.077	0.082
变异系数/%	7.970	10.94	6.750	8.770	15.81	16.38	11.04	15.16	14.18	18.25	19.22

部位	指标	地区
部位	指标	浩塘	敖泉	城郊	仁义	方元	大石桥	白芒营	安平	黄沙	土市	太平
中部烟	RS/(g/kg)	2.318	2.018	1.728	2.557	1.723	2.243	2.309	1.949	1.948	2.459	1.805
	TS/(g/kg)	2.800	2.482	2.560	3.165	2.500	2.519	2.554	2.605	2.277	2.741	2.134
	TA/(g/kg)	0.181	0.215	0.256	0.143	0.225	0.231	0.239	0.216	0.211	0.200	0.248
	TN/(g/kg)	0.185	0.197	0.193	0.165	0.197	0.195	0.190	0.193	0.203	0.181	0.208
	TK/(g/kg)	0.240	0.252	0.205	0.279	0.241	0.221	0.229	0.286	0.272	0.266	0.249
	Cl^-/(g/kg)	0.020	0.019	0.022	0.028	0.016	0.019	0.029	0.023	0.028	0.022	0.020
上部烟	RS/(g/kg)	2.238	1.603	1.375	2.047	1.509	1.967	1.634	1.790	1.614	1.595	1.457
	TS/(g/kg)	2.607	1.902	2.020	2.367	2.218	2.208	1.871	2.250	1.817	1.803	1.785
	TA/(g/kg)	0.224	0.303	0.329	0.239	0.261	0.298	0.350	0.278	0.305	0.330	0.315
	TN/(g/kg)	0.208	0.246	0.242	0.215	0.230	0.212	0.223	0.218	0.250	0.251	0.247
	TK/(g/kg)	0.191	0.199	0.182	0.238	0.235	0.193	0.198	0.220	0.236	0.203	0.222
	Cl^-/(g/kg)	0.029	0.032	0.035	0.053	0.019	0.027	0.028	0.024	0.035	0.035	0.026
	TY/(kg/hm²)	2124	2181	2080	2308	1915	2074	1641	1764	1731	2071	1824

指标	地区
指标	浩塘	敖泉	城郊	仁义	方元	大石桥	白芒营	安平	黄沙	土市	太平	均值
EMg	0.070	0.055	0.053	0.060	0.060	0.061	0.053	0.063	0.063	0.063	0.065	0.061
Ao	0.073	0.066	0.064	0.081	0.074	0.094	0.082	0.080	0.082	0.085	0.082	0.078
AMn	0.072	0.081	0.070	0.085	0.094	0.109	0.095	0.095	0.101	0.100	0.090	0.090
TK	0.070	0.067	0.058	0.063	0.052	0.062	0.059	0.055	0.059	0.055	0.034	0.058
AB	0.065	0.063	0.056	0.060	0.054	0.051	0.052	0.041	0.039	0.043	0.050	0.052
Ca	0.058	0.060	0.042	0.057	0.036	0.051	0.046	0.064	0.045	0.051	0.057	0.052
SOC	0.102	0.099	0.099	0.090	0.087	0.084	0.086	0.094	0.083	0.086	0.083	0.090
TN	0.103	0.098	0.101	0.088	0.098	0.100	0.088	0.108	0.081	0.082	0.079	0.093
AP	0.075	0.066	0.068	0.070	0.066	0.042	0.062	0.068	0.076	0.061	0.085	0.067
AK	0.057	0.057	0.064	0.046	0.071	0.057	0.065	0.071	0.063	0.094	0.105	0.068
Cl^-	0.021	0.029	0.046	0.035	0.043	0.058	0.051	0.051	0.054	0.050	0.041	0.044
TP	0.057	0.054	0.057	0.053	0.066	0.049	0.057	0.073	0.079	0.055	0.051	0.059
AN	0.080	0.072	0.086	0.072	0.090	0.061	0.074	0.080	0.065	0.069	0.062	0.074
BD	0.023	0.043	0.043	0.074	0.032	0.048	0.042	0.048	0.064	0.057	0.055	0.048
pH	0.075	0.089	0.092	0.064	0.076	0.072	0.088	0.009	0.046	0.051	0.060	0.066

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