一种用于综合评价微生物解磷-解钾功能的方法

本发明涉及微生物功能评价，具体为一种用于综合评价微生物解磷-解钾功能的方法。

背景技术：

1、磷和钾是植物生长发育必需的营养元素，但土壤中相当部分磷和钾以难溶性矿物态存在，有效磷和有效钾含量较低，难以被植物直接吸收利用。长期过量施用化学磷钾肥不仅造成资源浪费，还可能导致土壤板结、酸化、盐碱化及水体富营养化等生态环境问题。

2、解磷菌和解钾菌能够通过分泌有机酸、胞外酶及螯合作用，将土壤中难溶性的磷、钾转化为植物可吸收的有效形态，是重要的植物根际促生菌资源。从土壤中筛选兼具高效解磷和解钾能力的多功能菌株，对于开发复合微生物菌肥、减少化肥施用量具有重要意义。

3、现有解磷-解钾功能菌评价方法通常仅以单一指标作为评判标准，或者将解磷能力和解钾能力分开独立评价，缺乏对菌株同时解磷和解钾的协同能力的综合度量。部分研究虽然涉及多指标检测，但多采用简单加权求和、主观赋权或熵权法。主观赋权受人为因素影响，客观性和重复性不足；熵权法在每个功能维度仅包含单一核心指标时，子数据集内权重恒为100%，不能体现解磷维度和解钾维度之间的相对重要性差异。

4、此外，在微生物功能菌株筛选中，常存在少数极端高值菌株。例如，在本发明的实施数据中，少数菌株的有效磷释放量可达到1135.29mg/l，而其余多数菌株处于0～458.42mg/l区间。若直接采用常规min-max归一化，极端最大值会将绝大多数菌株的归一化值压缩至接近0，使菌株之间的真实差异被掩盖，并进一步影响后续权重计算和综合评价结果。

5、因此，需要建立一种既能抑制极端值干扰、又能客观体现解磷和解钾两个功能维度重要性差异，并能保持综合评价值在[0,1]区间内稳定分布的评价方法，以实现解磷-解钾功能菌的精准分级筛选。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于综合评价微生物解磷-解钾功能的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种用于综合评价微生物解磷-解钾功能的方法，包括以下步骤：

3、s1：菌株分离与鉴定，采集土壤样品，采用稀释涂布法分离纯化获得多株候选功能菌株，对每株候选功能菌株进行一代测序以获得菌株的分类鉴定信息，并分别测定各候选功能菌株的有效磷释放量和有效钾释放量；

4、s2：构建评价指标体系，将所述有效磷释放量作为解磷能力指标，将所述有效钾释放量作为解钾能力指标，构建总数据集，并根据指标性质将总数据集划分为解磷能力数据集和解钾能力数据集；

5、s3：数据标准化，分别对所述有效磷释放量和所述有效钾释放量进行稳健归一化处理，将超过95%分位数的极端值缩尾至对应的95%分位数，再通过min-max归一化映射至[0,1]区间，得到解磷维度评价值vp和解钾维度评价值vk；

6、s4：幂指数权重确定，将vp和vk作为输入变量构建数据矩阵并进行主成分分析，得到主成分特征值、方差解释率和载荷矩阵；根据载荷绝对值确定各主成分对应的主导评价维度，并将对应主成分的方差解释率分配给该主导评价维度，得到解磷维度的幂指数权重α和解钾维度的幂指数权重β，其中α+β=1，且α>0、β>0；

7、s5：综合协同度计算，采用幂指数加权几何协同模型计算各候选功能菌株的综合协同度c，公式为：

8、

9、其中，0≤vp≤1，0≤vk≤1，α为解磷维度的幂指数权重，β为解钾维度的幂指数权重；

10、s6：功能等级划分，根据综合协同度c按绝对阈值进行分级，其中c≥0.8为高效菌株，0.6≤c<0.8为优良菌株，0.4≤c<0.6为一般菌株，c<0.4为低效菌株。

11、根据上述技术方案，所述候选功能菌株的数量为100～200株，优选为135株；所述一代测序的靶基因为16srrna基因序列，测序结果用于菌株属种水平的分类鉴定和不同类群菌株功能分布统计，不作为菌种保藏依据。

12、根据上述技术方案，步骤s1和步骤s2中，所述有效磷释放量采用钼锑抗比色法测定，所述有效钾释放量采用火焰光度法测定；所述候选功能菌株分别接种于液体无机磷培养基和液体硅酸盐培养基中，每株菌设置3个平行重复并设置不含菌株的空白培养基对照，于30℃、180r/min条件下振荡培养3天，培养结束后取发酵液于4℃、10000r/min条件下离心10min，取上清液待测。

13、根据上述技术方案，所述无机磷培养基用于解磷菌筛选与发酵，每1000ml蒸馏水中含葡萄糖10.0g、(nh4)2so40.5g、nacl0.3g、kcl0.3g、mgso4·7h2o0.3g、feso4·7h2o0.03g、mnso4·4h2o0.03g、ca3(po4)25.0g，ph为7.0～7.5；制备固体培养基时加入琼脂15.0g。所述硅酸盐培养基用于解钾菌筛选与发酵，每1000ml蒸馏水中含蔗糖5.0g、na2hpo42.0g、mgso4·7h2o0.5g、fecl30.005g、caco30.1g、钾长石粉1.0g，ph为7.0～7.5；制备固体培养基时加入琼脂15.0g。

14、根据上述技术方案，所述稳健归一化的具体方式为：对于任一评价指标向量x={x1,x2,...,xn}，计算其95%分位数q95，将超过q95的值替换为q95，得到缩尾向量x′=min(x,q95)，再按照以下公式进行min-max归一化：

15、

16、其中，yi为第i株候选功能菌株在对应评价指标上的归一化值，xi′为第i株候选功能菌株经缩尾处理后的指标值，min(x′)和max(x′)分别为缩尾向量x′中的最小值和最大值；当max(x′)=min(x′)时，令全部yi=0.5。

17、根据上述技术方案，步骤s4中，主成分分析采用协方差矩阵进行，且不对解磷维度评价值vp和解钾维度评价值vk再次进行z-score标准化；设第一主成分和第二主成分的特征值分别为λ1和λ2，则第一主成分的方差解释率η1为，第二主成分的方差解释率η2为；当vp在第一主成分上的载荷绝对值大于vk在第一主成分上的载荷绝对值，且vk在第二主成分上的载荷绝对值大于vp在第二主成分上的载荷绝对值时，将η1作为解磷维度的幂指数权重α，将η2作为解钾维度的幂指数权重β。

18、根据上述技术方案，步骤s5中，所述综合协同度c的理论取值范围为[0,1]，当且仅当vp=1且vk=1时，c取得理论最大值1；当vp和vk中的任一值趋近于0时，c同步趋近于0。

19、一种基于主成分分析-幂指数加权几何协同模型的解磷-解钾功能菌综合评价系统，包括：菌株分离模块、指标测定模块、标准化模块、权重确定模块、协同度计算模块和分级评价模块；所述菌株分离模块用于采集土壤样品、分离纯化候选功能菌株并获得分类鉴定信息；所述指标测定模块用于测定有效磷释放量和有效钾释放量并构建评价数据集；所述标准化模块用于进行稳健归一化处理；所述权重确定模块用于进行主成分分析并确定幂指数权重α和β；所述协同度计算模块用于计算综合协同度c；所述分级评价模块用于根据综合协同度c按绝对阈值进行功能等级划分。

20、所述标准化模块配置为执行权利要求5所述的稳健归一化处理，使有效磷释放量和有效钾释放量分别被映射为解磷维度评价值vp和解钾维度评价值vk。

21、所述协同度计算模块配置为采用幂指数加权几何协同模型进行计算，并将计算结果输出至所述分级评价模块，以形成包括菌株编号、有效磷释放量、有效钾释放量、vp、vk、c值和功能等级的评价结果表。

22、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：第一，本发明采用95%分位数缩尾的稳健归一化方法，能够抑制少数极端高值菌株对归一化结果的支配作用，使中等水平菌株在[0,1]区间内重新获得可区分的评价值，避免常规min-max归一化被极端最大值绑架。

23、第二，本发明采用主成分分析确定幂指数权重，权重由当前批次数据的协方差结构、方差解释率和载荷主导关系确定，能够避免主观赋权造成的人为偏差，也避免熵权法在单指标子数据集中权重恒为100%而无法体现功能维度相对重要性的缺陷。

24、第三，本发明采用幂指数加权几何协同模型。该模型通过乘法结构对短板维度进行惩罚，当任一维度严重偏低时综合协同度同步降低，能够抑制偏磷型或偏钾型菌株因单一维度突出而获得过高综合得分的问题，更符合复合微生物菌肥对双高均衡型菌株的筛选需求。

25、第四，由于α+β=1，且vp、vk均处于[0,1]区间，综合协同度c的理论最大值为1，可以直接采用0.4、0.6、0.8等绝对阈值进行分级，不需要针对不同批次数据重新设定百分位阈值，提高了评价标准的统一性和可操作性。

26、第五，本发明不依赖特定菌株保藏信息，一代测序仅用于分类鉴定和功能分布统计，核心评价过程依赖于有效磷释放量和有效钾释放量的定量测定，实施门槛低，适合实验室对100～200株候选菌株进行大批量快速筛选。