宋 鵬，盧 江，曹 盼，張銘軒，田光明，劉欣宇

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)有機(jī)循環(huán)研究院，江蘇蘇州 215100；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)馬克思主義學(xué)院，合肥 230036；4.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，杭州 310058）

育苗是蔬菜栽培過程中的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，是從播種到定植的全部操作過程。除少量可以進(jìn)行直播外，絕大多數(shù)蔬菜均需要育苗移栽［1］。在中國，主要的育苗方式有地床育苗、營養(yǎng)土方育苗、塑料缽育苗、基質(zhì)育苗等，其中基質(zhì)育苗已成為中國育苗行業(yè)產(chǎn)業(yè)化的主流方式［2，3］。傳統(tǒng)的蔬菜育苗基質(zhì)多以草炭、蛭石、珍珠巖等不可再生資源為主要原材料，出于對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，眾多學(xué)者開展了大量關(guān)于新型育苗基質(zhì)的研究，并形成了相應(yīng)的蔬菜育苗基質(zhì)配方。景丙欣等［4］以菌菇渣為主要原料，通過與蛭石、珍珠巖的簡單復(fù)配形成了1 種適宜生菜穴盤育苗的基質(zhì)。此外，畜禽糞便［5］、中藥渣［6］、餐廚廢棄物［7］等有機(jī)廢棄物同樣在蔬菜育苗基質(zhì)的配制過程中有所應(yīng)用。不同原料所配制的基質(zhì)對不同蔬菜作物的育苗效果和效益存在較大差異，主要表現(xiàn)在育苗基質(zhì)的理化性質(zhì)和配制成本上［8］。農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NY/T 2118—2012》［9］對蔬菜育苗基質(zhì)的理化指標(biāo)、安全指標(biāo)和出苗效果作出了詳細(xì)的規(guī)定，部分學(xué)者研制的蔬菜育苗基質(zhì)基本可以保證不小于90%的出苗率，但在孔隙度、pH、EC 等理化性質(zhì)方面卻與農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的限值有所偏差［10］。另一方面，蔬菜育苗基質(zhì)所需原料的價(jià)格也存在明顯差別，如餐廚堆肥的價(jià)格基本在600 元/t，酒糟的價(jià)格則可以高達(dá)1 200 元/t［11］。從成本的角度出發(fā)，研究人員會(huì)因地制宜選取所在地的相關(guān)物資作為蔬菜育苗基質(zhì)的配制原料，這也進(jìn)一步形成了蔬菜育苗基質(zhì)的多樣化。面對中國龐大的育苗市場需求并結(jié)合生態(tài)效益考慮，加速中國新型環(huán)保蔬菜育苗基質(zhì)的研發(fā)進(jìn)程勢在必行，明確蔬菜育苗基質(zhì)配方用料規(guī)律或習(xí)慣則不可或缺。

Apriori 關(guān)聯(lián)規(guī)則算法（analytic hierarchy process）是數(shù)據(jù)挖掘中較活躍的研究方法［12］，借助Apriori 方法可以明確不同原料間的關(guān)聯(lián)程度，即可以明確配方中若存在原料A，則同時(shí)出現(xiàn)原料B 的可能性。馬嘉慕等［13］以Apriori 方法為基礎(chǔ)，對348條中藥類批文進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，完成了白及保胃護(hù)肝保健食品的配方設(shè)計(jì)與評價(jià)。類似的研究在農(nóng)業(yè)領(lǐng)應(yīng)用較少，在蔬菜育苗基質(zhì)研制方面的應(yīng)用則鮮見相關(guān)報(bào)道。為此，本研究以相關(guān)專利數(shù)據(jù)為研究對象，利用地理統(tǒng)計(jì)、頻數(shù)分析及Apriori 方法對中國蔬菜育苗基質(zhì)專利分布進(jìn)行探討，并重點(diǎn)分析中國蔬菜育苗基質(zhì)的配方成分信息，旨在明確蔬菜育苗基質(zhì)的配方用料規(guī)律或習(xí)慣，為中國蔬菜育苗基質(zhì)的研制開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

檢索國家專利知識產(chǎn)權(quán)局（www.cnipa.gov.cn），以“蔬菜育苗基質(zhì)”為關(guān)鍵詞，收集2002 年1 月1 日至2022 年5 月4 日收錄的所有蔬菜育苗基質(zhì)發(fā)明專利信息。共收集到專利142 項(xiàng)，其中法律狀態(tài)為在審的專利112 項(xiàng)，有權(quán)專利30 項(xiàng)，未納入駁回專利，提取相關(guān)專利中的配方原料組成信息。

1.2 數(shù)據(jù)庫的建立與標(biāo)準(zhǔn)化

將收集得到的數(shù)據(jù)信息分別導(dǎo)入Microsoft Excel 2019 軟件中并建立3 個(gè)數(shù)據(jù)庫，分別為總專利信息數(shù)據(jù)庫、授權(quán)專利信息數(shù)據(jù)庫和審查專利信息數(shù)據(jù)庫。在數(shù)據(jù)處理過程中對專利配方原料信息進(jìn)行如下標(biāo)準(zhǔn)化處理，①將同種原料進(jìn)行名稱的統(tǒng)一化，如“泥炭”統(tǒng)一為“草炭”等。②將同種原料的不同發(fā)酵產(chǎn)物改為原料名，如“雞糞堆肥”統(tǒng)一為“雞糞”等。③將多種二級原料統(tǒng)一為一級原料，如“枯草芽孢桿菌”“淡紫擬青霉菌”等統(tǒng)一為“微生物菌劑”“水稻秸稈”“玉米秸稈”等統(tǒng)一為“秸稈”等。④規(guī)范化過程中如有改變名稱后理化性質(zhì)改變顯著者，則保留原有記錄，分別錄入處理，如“稻殼”和“稻殼炭”等。

1.3 分析方法

利用Microsoft Excel 2019 軟件對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息按公開地點(diǎn)、資源類型和原料種類進(jìn)行頻數(shù)統(tǒng)計(jì)并分析，通過ArcGIS 10.3 和Adobe Illustrator 2022 軟件對數(shù)據(jù)地理信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并繪制地圖。利用SPSS Modeler 18.0 軟件中的Apriori 關(guān)聯(lián)規(guī)則算法和網(wǎng)格圖對整理得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘與統(tǒng)計(jì)分析，得到蔬菜育苗基質(zhì)中原料之間的二次關(guān)聯(lián)度和高頻組合。

2 結(jié)果與分析

2.1 專利地域分布情況分析

依據(jù)所收集專利的法律狀態(tài)，分別繪制31 個(gè)省級行政區(qū)（未統(tǒng)計(jì)中國香港、中國澳門及中國臺灣地區(qū)）蔬菜育苗基質(zhì)專利占有率（圖1）?？傮w來看，處于審查階段的蔬菜育苗基質(zhì)專利主要集中于黃淮海和長江中下游地區(qū)（圖1a），如山東、河南及江蘇等省均為中國傳統(tǒng)的蔬菜高產(chǎn)地區(qū)。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局（www.data.stats.gov.cn）公布的數(shù)據(jù)可知，2020 年山東、河南及江蘇3 省的蔬菜產(chǎn)量分別為8.43×107、7.61×107t 和5.73×107t。龐大的蔬菜市場規(guī)模引起了蔬菜育苗基質(zhì)的需求，進(jìn)而激發(fā)了相關(guān)專利產(chǎn)品的研發(fā)工作。在112 項(xiàng)處于審查階段的蔬菜育苗基質(zhì)專利中，江蘇省擁有21 項(xiàng)，占比為18.75%；山東省擁有14 項(xiàng)，占比為12.50%；安徽省擁有11 項(xiàng)，占比9.82%；河北省擁有10 項(xiàng)，占比8.93%（圖1b）。其余?。ㄊ小^(qū)）所擁有的審查階段的蔬菜育苗基質(zhì)發(fā)明專利均在10 項(xiàng)以下，如黑龍江等省則無相關(guān)發(fā)明專利。對于已獲得授權(quán)的蔬菜育苗基質(zhì)發(fā)明專利，其仍主要集中于蔬菜高產(chǎn)地區(qū)，其中以江蘇省所擁有的發(fā)明專利最多，達(dá)到12 項(xiàng)，占比40.00%。其次為浙江省，擁有3 項(xiàng)相關(guān)專利，占比10.00%。部分?。ㄊ?、區(qū)）如安徽、江西等，雖具有一定數(shù)量的處于審查階段的蔬菜育苗基質(zhì)發(fā)明專利，但在獲得授權(quán)方面卻暫時(shí)未獲進(jìn)展。

圖1 中國蔬菜育苗基質(zhì)專利地域分布情況

2.2 原料頻數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

在112 項(xiàng)處于專利審查階段的蔬菜育苗基質(zhì)發(fā)明專利配方中（表1），共涉及到原料33 種，出現(xiàn)頻次≥5 次的共有26 種原料，占總頻次的78.79%。排名前10 位的原料分別為蛭石、珍珠巖、秸稈、草炭、化肥、雞糞、微生物、菌料、園林廢棄物和牛糞，出現(xiàn)頻次合計(jì)占總頻次的67.25%。對33 種原料按照資源類型進(jìn)行分類發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)頻次5 次及以上的原料中，不可再生資源共6 種，分別為蛭石、珍珠巖、草炭、自然土壤、細(xì)沙及煤灰，出現(xiàn)頻次為186 次?？稍偕Y源共27 種，出現(xiàn)頻次為382 次。在可再生資源中，農(nóng)業(yè)廢棄物共16 種，出現(xiàn)頻次為230 次，工業(yè)產(chǎn)品共5種，分別為化肥、微生物、化學(xué)物質(zhì)、海藻粉及農(nóng)藥，共出現(xiàn)頻次為103 次。工業(yè)廢棄物共6 種，分別為中藥渣、酒糟、爐渣灰、生物炭、調(diào)料渣及沼渣，出現(xiàn)頻次為49 次。

表1 審查階段的蔬菜育苗基質(zhì)發(fā)明專利配方原料頻次分析

在30 項(xiàng)處于具有專利授權(quán)的蔬菜育苗基質(zhì)配方中（表2），共涉及到原料25 種，出現(xiàn)頻次≥3 次的共有18 種原料，占總頻次的91.53%。排名前5 位的原料分別為蛭石、珍珠巖、秸稈、雞糞、草炭，出現(xiàn)頻次合計(jì)占總頻次的43.22%。對25 種原料按照資源類型進(jìn)行分類發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)頻次3 次及以上的原料中，不可再生資源共5 種，分別為蛭石、珍珠巖、草炭、自然土壤、細(xì)沙，出現(xiàn)頻次為39 次?？稍偕Y源共20種，出現(xiàn)頻次為79 次。在可再生資源中，農(nóng)業(yè)廢棄物共11 種，出現(xiàn)頻次為55 次，工業(yè)產(chǎn)品共4 種，分別為化肥、微生物、化學(xué)物質(zhì)及農(nóng)藥，共出現(xiàn)頻次為15次。工業(yè)廢棄物共5 種，分別為中藥渣、茶葉渣、煤灰、調(diào)料渣及沼渣，出現(xiàn)頻次為9 次。

表2 具有授權(quán)的蔬菜育苗基質(zhì)發(fā)明專利配方原料頻次

2.3 原料關(guān)聯(lián)度及網(wǎng)絡(luò)分析

支持度表示在所有數(shù)據(jù)中關(guān)聯(lián)原料出現(xiàn)頻次的比例；置信度表示關(guān)聯(lián)原料之間的聯(lián)系強(qiáng)度；增益主要用來衡量關(guān)聯(lián)規(guī)則的前項(xiàng)與后項(xiàng)間的獨(dú)立性，若增益＞1，則表示前項(xiàng)原料和后項(xiàng)原料之間具有良好的相關(guān)性，相關(guān)性的強(qiáng)弱與數(shù)字大小呈正相關(guān)。分別對處于審查階段和已獲授權(quán)的蔬菜育苗基質(zhì)發(fā)明專利進(jìn)行Apriori 算法分析和網(wǎng)絡(luò)圖分析，以支持度≥10%、置信度≥55%作為篩選條件，得到高頻原料組合和網(wǎng)絡(luò)圖，結(jié)果見表3 和圖2。

由表3 可知，2 種法律狀態(tài)下的蔬菜育苗基質(zhì)原料組合的增益均大于1.00，說明前項(xiàng)原料和后項(xiàng)原料間均具備良好的相關(guān)性，尤其在已獲授權(quán)的蔬菜育苗基質(zhì)發(fā)明專利中珍珠巖和蛭石的組合的增益達(dá)到了最高的10.00。在處于審查階段的蔬菜育苗基質(zhì)發(fā)明專利中，關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的分別是珍珠巖和椰糠及蛭石和珍珠巖的組合。在已獲授權(quán)的蔬菜育苗基質(zhì)發(fā)明專利中，關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的分別是蛭石和珍珠巖以及沼渣和椰糠、珍珠巖和椰糠。在支持度和置信度的設(shè)置條件下，從原料組合出現(xiàn)的頻次方面來看，在審查階段，蛭石和珍珠巖的組合出現(xiàn)頻次最高，為54 次。其次為蛭石或珍珠巖與草炭的組合，均為44次。說明草炭、蛭石和珍珠巖仍是蔬菜育苗基質(zhì)的主要組合原料。在授權(quán)方面，草炭作為后項(xiàng)原料的組合共出現(xiàn)了14 次，椰糠與草炭相接近，共出現(xiàn)12次。為進(jìn)一步揭示高頻原料間的關(guān)系，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)圖分析，可以看出原料間的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度基本符合二次關(guān)聯(lián)分析的結(jié)果（圖2）。

圖2 審查階段（a）和已獲授權(quán)（b）蔬菜育苗基質(zhì)發(fā)明專利中高頻次原料網(wǎng)絡(luò)分析

表3 基于Apriori關(guān)聯(lián)規(guī)則算法的蔬菜育苗基質(zhì)配方高頻原料間的關(guān)聯(lián)分析

3 討論與結(jié)論

隨著中國蔬菜產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，育苗基質(zhì)的市場需求與日俱增，與其相關(guān)的研發(fā)工作逐步深入。本研究共統(tǒng)計(jì)了142 項(xiàng)中國蔬菜育苗基質(zhì)的發(fā)明專利，其中審查階段的發(fā)明專利112 項(xiàng)，已獲授權(quán)的發(fā)明專利30 項(xiàng)。從地理分布情況來看，蔬菜產(chǎn)量越大的省份，其所占據(jù)的蔬菜育苗基質(zhì)發(fā)明專利比例越高。從配方原料出現(xiàn)頻次方面來看，中國蔬菜育苗基質(zhì)發(fā)明專利中的配方原料共有34 種一級原料，其中蛭石、珍珠巖和草炭等仍是相關(guān)配方中的高頻原料。出于育苗效果的考慮，在可再生能源中尚無對草炭完全等效替代的物料。普遍認(rèn)為椰糠能夠?qū)Σ萏窟M(jìn)行較高比例的替代，代惠潔等［14］研究認(rèn)為椰糠與草炭、蛭石、珍珠巖按2∶2∶4∶4 比例混配使用的育苗效果與草炭相當(dāng)，然而受產(chǎn)量等因素的影響，椰糠價(jià)格普遍居高，因此從經(jīng)濟(jì)角度來看，椰糠對草炭的適宜替代比例仍有待探索。禽畜糞便或餐廚廢棄物等有機(jī)物料的堆肥雖然具有較好的經(jīng)濟(jì)性，但從相關(guān)研究結(jié)果可知，上述2 種有機(jī)廢棄物的大量添加會(huì)使蔬菜育苗基質(zhì)的理化性質(zhì)產(chǎn)生惡化［15，16］，因此只能在較低比例程度上對草炭進(jìn)行添加替代。此外，本研究同時(shí)還發(fā)現(xiàn)微生物在蔬菜育苗基質(zhì)研制過程中也屬于高頻原料，除促進(jìn)有機(jī)物料腐熟的作用外，還存在一定數(shù)量的具有促生防病功能的微生物，如淡紫擬青霉菌、枯草芽孢桿菌等［17，18］。幼苗期的病蟲害對作物的生長發(fā)育有嚴(yán)重影響，而在育苗基質(zhì)中添加具有促生防病功能的微生物可以有效地降低脅迫的出現(xiàn)，這一特點(diǎn)類似于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的種衣劑。

為更加精準(zhǔn)地對蔬菜育苗基質(zhì)配方用料特點(diǎn)進(jìn)行分析，本研究將相關(guān)發(fā)明專利分為審查階段和已獲授權(quán)2 種類型，并分別研究其原料間的關(guān)聯(lián)度。對于處于審查階段的發(fā)明專利，關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的分別是珍珠巖和椰糠及蛭石和珍珠巖的組合。對于已獲授權(quán)的發(fā)明專利，關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的分別是蛭石和珍珠巖、沼渣和椰糠、珍珠巖和椰糠。從原料組合出現(xiàn)的頻次方面來看，在審查階段，蛭石和珍珠巖的組合出現(xiàn)頻次最高，為54 次。其次為蛭石或珍珠巖與草炭的組合，均為44 次。在授權(quán)方面，草炭作為后項(xiàng)原料的組合共出現(xiàn)了14 次，椰糠與草炭相接近，共出現(xiàn)12 次。上述結(jié)果表明，草炭、蛭石和珍珠巖仍是蔬菜育苗基質(zhì)研制過程中的首選原料。由此可見，蔬菜育苗基質(zhì)的配方用料仍未能徹底擺脫對不可再生能源的依賴，但隨著相關(guān)研究的繼續(xù)開展，草炭等不可再生能源在蔬菜育苗基質(zhì)中的應(yīng)用比例可望實(shí)現(xiàn)逐步降低。