環(huán)境功能材料水肥保持性能的綜合評價(jià)

李嘉竹，黃占斌，鮑 芳，陳 威

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所,100091,北京；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京),化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,100083,北京；3.北京尚洋東方環(huán)境科技有限公司,100070,北京)

我國干旱缺水問題嚴(yán)重,全國有30個(gè)省份的889個(gè)縣(旗、區(qū))分布有沙化土地,50%以上的國土面積處于干旱半干旱區(qū)[1],且這些地區(qū)土地往往還面臨著土壤持水持肥能力差、養(yǎng)分含量低等問題,使當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展受到了極大的制約；因此,如何更好地保持土壤水肥,提高水肥利用效率,是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展和區(qū)域環(huán)境綜合治理,特別是西北地區(qū)亟待解決的問題。

環(huán)境功能材料又稱生態(tài)材料或環(huán)境材料,是一類兼具良好功能性、環(huán)境協(xié)調(diào)性和經(jīng)濟(jì)性[2]的材料的總稱。當(dāng)前已有學(xué)者將保水劑、泥炭、沸石、農(nóng)林廢棄物等環(huán)境材料應(yīng)用在農(nóng)林生產(chǎn)實(shí)踐中,以提高水分利用效率、促進(jìn)種子萌發(fā)、增強(qiáng)肥效等,這成為干旱半干旱地區(qū)水土保持、化學(xué)節(jié)水增產(chǎn)的新技術(shù)與新途徑[3-7]。在當(dāng)下環(huán)境材料研發(fā)火熱、新型材料層出不窮的形勢下,許多學(xué)者探討不同環(huán)境材料的組合及配比,得到諸多水肥保持效果顯著的環(huán)境材料配方[7-12]。在比對不同配方優(yōu)劣的過程中,往往需要對影響效果的因子進(jìn)行綜合評價(jià)。當(dāng)前較多采用常規(guī)的方差分析或正交試驗(yàn)結(jié)合Z分綜合評價(jià)法以對比不同材料(配方)或?qū)嶒?yàn)方案[13-15],為環(huán)境功能材料的研發(fā)及應(yīng)用提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)；但這些方法通常只能得到單項(xiàng)指標(biāo)的定性對比結(jié)果,而無法實(shí)現(xiàn)多因子綜合定量評價(jià),或易于引入主觀因素,且在評價(jià)過程中,對于材料選擇和應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性更是極少涉及。這在很大程度上影響了環(huán)境功能材料的科學(xué)評價(jià)和應(yīng)用推廣,因此,有必要探討、引入合適的數(shù)學(xué)方法對環(huán)境材料的綜合性能給予定量評估。

筆者在前期研究基礎(chǔ)上嘗試采用層次分析法與模糊綜合評價(jià)相結(jié)合的方法,對一種復(fù)合材料的不同配方從保水、保肥、經(jīng)濟(jì)性等多方面進(jìn)行綜合評價(jià),一方面能夠克服由于主觀偏差而產(chǎn)生的隨意性,另一方面又可避免單純模糊評價(jià)方法中的模糊不確定性,同時(shí),以傳統(tǒng)土柱淋溶實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),驗(yàn)證方法的可行性。本研究的目的是為環(huán)境功能材料在干旱半干旱地區(qū)化學(xué)節(jié)水和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中的效果評估及選擇應(yīng)用提供定量的方法及參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

土壤:取自北京市房山區(qū)的農(nóng)田表層土,土壤pH值為8.3,電導(dǎo)率0.12,堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)39.8 mg/g,飽和含水率約為35%。土壤自然風(fēng)干后,過2 mm篩備用。

環(huán)境材料:綜合考察目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的環(huán)境材料類型,結(jié)合已有的研究結(jié)果[10],選擇保水劑(SAP,聚丙烯酰胺-無機(jī)礦物復(fù)合型)、沸石(ZL)和腐殖酸(HA)為供試材料。材料來源均為市場購買,使用前過1 mm篩。

氮肥:選取尿素[(NH2)2CO]和硝銨(NH4NO3)作為尿素態(tài)氮肥和硝態(tài)銨態(tài)氮氮肥。按照田間通常用氮量,每千克土添加200 mg N。

1.2 試驗(yàn)方法

在自制的有機(jī)玻璃土柱淋溶裝置中進(jìn)行淋溶實(shí)驗(yàn)。在內(nèi)徑10 cm、高30 cm的有機(jī)玻璃柱底部放置2塊孔徑較大的濾板,2塊濾板之間夾有一層200目濾布,在濾板上鋪墊50 g粒徑為4～7 mm的潔凈石英砂。按照處理設(shè)置,將供試環(huán)境材料和供試氮肥添加至1 400 g供試土壤中,并使其與土壤充分混勻。以相同密度裝入土肥混合物(柱內(nèi)土高約15 cm)。土柱上面再以50 g粒徑4～7 mm的潔凈石英砂覆蓋以防加水時(shí)擾亂土層。以醫(yī)用吊瓶緩慢加水。

水分處理:以實(shí)際田間灌溉750 m3/(hm2·次)的澆水量為參考,按地表層土約225萬kg/hm2計(jì)算,則每次灌溉量約每kg土300 mL水。綜合考慮降水等因素,則土柱準(zhǔn)備好后,先加入500 mL水使土壤水分接近飽和。靜置1 d使土肥充分溶合后再用吊瓶緩慢均勻加入500 mL水進(jìn)行土柱淋溶,收集24 h淋溶液。土柱在室溫下自然蒸發(fā),稱量,至土壤含水率約為60%～70%時(shí),用500 mL水進(jìn)行第2次淋溶,以后各次按同樣操作進(jìn)行。以玉米生長的特性為例,在其生長周期,模擬設(shè)置4次灌溉淋溶試驗(yàn)(分別表示播種、出苗到拔節(jié)、拔節(jié)到灌漿、灌漿至成熟4個(gè)階段)。

測定指標(biāo)與方法:淋溶液體積直接應(yīng)用量筒進(jìn)行稱量；淋溶液硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用紫外分光光度法進(jìn)行測定；淋溶液銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用納氏試劑光度法進(jìn)行測定；淋溶液全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法進(jìn)行測定。

1.3 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)采取3因素3水平的正交設(shè)計(jì)(L9(33))方法。3種供試環(huán)境功能材料為3因素,每個(gè)因素根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果[3],設(shè)置3個(gè)用量水平(表1),同時(shí),在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)無任何功能材料添加的處理作為對照。其氮素添加水平與其他處理相同。具體實(shí)驗(yàn)設(shè)置如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)置表Tab.1 Design of orthogonal experiment

2 結(jié)果與分析

1)不同處理對氮、水的保持效果及其經(jīng)濟(jì)性:進(jìn)行4次土柱淋溶試驗(yàn)后,不同環(huán)境功能材料配比處理對水分、不同類型氮素的保持效果如表2和表3所示。

同時(shí),根據(jù)市場價(jià)格,計(jì)算不同材料配比處理的經(jīng)濟(jì)代價(jià),結(jié)果如表4所示。

2)保水性能評判:對于不同材料配比保水性能的優(yōu)劣,綜合考慮植物各生長時(shí)期對水分的需求量,以玉米需水規(guī)律為例進(jìn)行綜合評價(jià)。玉米需水總趨勢為播種到出苗需水量少。播種是田間持水量應(yīng)在60% ～70%以保證全苗；出苗到拔節(jié)需水量增加,土壤持水量應(yīng)保持在60%；拔節(jié)到抽雄期需水劇增,抽雄至灌漿,需水達(dá)到高峰；開花前8～10 d開始,30 d內(nèi)耗水量約占總耗水量的一半,要求田間持水量80%左右為宜；灌漿至成熟,仍耗水較多。

根據(jù)玉米生長周期各階段(播種、出苗到拔節(jié)、拔節(jié)到灌漿、灌漿至成熟4個(gè)階段)對水和氮肥的需求量,采用層次分析法[16-17]確定相應(yīng)淋溶次數(shù)的權(quán)重W(表5),并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果,判斷矩陣具有滿意的一致性[16-17]。

保水性能的評價(jià)采用模糊綜合評價(jià)法[16-17],以土壤空白對照(即處理10,表1)的保水量為基準(zhǔn)(設(shè)其分值為0),以每次淋溶后的最大累計(jì)保水體積為最優(yōu)保水效果(分值為1分),結(jié)合公式

式中:Aij為各處理的保水性能評分值(量綱為1)；xij為第j次淋溶后,第i種處理的保水量(mL)；a1j,a2j分別為第j次淋溶后,未添加環(huán)境材料的土壤(空白對照)的保水量,及各環(huán)境功能材料處理中的最大保水量),評價(jià)不同材料配方的保水性能(表6)。結(jié)果表明,處理9的保水性能最優(yōu)。

表2 不同材料配比處理對水分的保持Tab.2 Volume of conserved water at the treatments with different material ratios

表3 不同材料配比處理對各氮素類型的保持效果Tab.3 Amount of leached nitrogen at the treatments with different material ratios mg

表4 每種不同材料配比處理的經(jīng)濟(jì)性Tab.4 Cost of each treatment with different material ratio

表5 保水性能判斷矩陣表Tab.5 Judgement matrix of water-conserving capacity

表6 每種不同材料配比處理下保水性能評分結(jié)果Tab.6 Rank of the water-conserving capacity at each treatment with different material ratio

3)保氮性能評判:對于不同材料配比對氮素保持效果的優(yōu)劣,需綜合考慮植物各生長時(shí)期對氮素的需要程度。仍以玉米需肥規(guī)律為例進(jìn)行綜合評價(jià)。玉米苗期生長量小,對氮素吸收量也?。贿M(jìn)入穗期,氮素吸收量隨生長量的增大而加快；到開花至灌漿,有機(jī)養(yǎng)分集中向籽粒輸送,氮素吸收量仍較多；以后養(yǎng)分吸收逐漸減少。依此規(guī)律,結(jié)合層次分析法確定相應(yīng)淋溶次數(shù)權(quán)重W(表7),并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果,判斷矩陣具有滿意的一致性[16- 17]。

表7 保氮性能判斷矩陣表Tab.7 Judgement matrix of nitrogen-conserving capacity

保氮性能的評價(jià)同樣采用模糊綜合評價(jià)法[16-17],以土壤空白對照(處理10,表1)的累計(jì)氮淋出量為基準(zhǔn)(設(shè)其分值為0),以每次淋溶后的最小累計(jì)氮淋出量為最優(yōu)效果(記其分值為1),根據(jù)公式

式中:Bij為各處理的保氮性能評分值(量綱為1)；yij為第j次淋溶后,第i種處理的淋出量,mg；b1j,b2j分別為第j次淋溶后,各環(huán)境功能材料處理中的最小氮累計(jì)淋出量,及空白對照處理的氮累計(jì)淋出量),評價(jià)不同配比處理對不同形態(tài)氮的保持能力。結(jié)果如表8～11所示。其中,材料對三種形態(tài)氮的保持性能在綜合評價(jià)時(shí)的權(quán)重相同。

根據(jù)表9～11,處理3對銨態(tài)氮的保持效果最好,處理1對硝態(tài)氮的保持效果最好,而對于尿素態(tài)氮,保持效果最好的是處理6。

表8 每種不同材料配比處理下對銨態(tài)氮保持性能評分結(jié)果Tab.8 Comprehensive assessment rank on the-nitrogen-conserving capacity at each treatment with different material ratio

表8 每種不同材料配比處理下對銨態(tài)氮保持性能評分結(jié)果Tab.8 Comprehensive assessment rank on the-nitrogen-conserving capacity at each treatment with different material ratio

處理Treatment___________________________________________________________Assessment_results第1次淋溶1stleaching評分結(jié)果_________________________________________________第2次淋溶2ndleaching第3次淋溶3rdleaching第4次淋溶4thleaching綜合評價(jià)Comprehensive排序Rank____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________assessment 1 0.21 0.12 0.06 0.04 0.10 5 2 0.00 0 0 0 0 8 3 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1 4 0.57 0.64 0.75 0.89 0.70 2 5 0.40 0.36 0.28 0.18 0.31 3 6 0.56 0.26 0 0 0.16 4 7 0.15 0.11 0.05 0.03 0.08 6 8 0.18 0 0 0 0.03 7_______90_________________0_________________0_________________0_________________0_________________8______

表9 每種不同材料配比處理方式下對硝態(tài)氮保持性能評分結(jié)果Tab.9 Comprehensive assessment rank on the -nitrogen-conserving capacity at each treatment with different material ratio

表9 每種不同材料配比處理方式下對硝態(tài)氮保持性能評分結(jié)果Tab.9 Comprehensive assessment rank on the -nitrogen-conserving capacity at each treatment with different material ratio

_________________________________________________________________________評分結(jié)果處理Treatment Assessment results__________________________________第1次淋溶1stleaching第2次淋溶2ndleaching第3次淋溶3rdleaching第4次淋溶4thleaching綜合評價(jià)Comprehensive排序Rank____________________________________________________________________________________________assessment 1 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1 2 0.31 0.31 0.31 0.30 0.31 4 3 0 0 0 0 0 5 4 0.85 0.81 0.83 0.84 0.83 2 5 0 0 0 0 0 5 6 0 0 0 0 0 5 7 0.84 0.81 0.82 0.83 0.82 3 8 0 0 0 0 0 5_____________________________90_________________0_________________0_________________0_________________0_________________5______

表10 每種不同材料配比處理方式下對尿素態(tài)氮保持性能評分結(jié)果Tab.10 Comprehensive assessment rank on the urea-nitrogen-conserving capacity at each treatment with different material component ratio

表11 每種不同材料配比處理方式下對氮素保持性能綜合評分結(jié)果Tab.11 Comprehensive assessment rank on nitrogen-conserving capacity at each treatment with different of material component ratio

4)經(jīng)濟(jì)性評判:經(jīng)濟(jì)性的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以耗用最小金額的第i種材料組合的費(fèi)用為最優(yōu)(設(shè)其分值為1),將耗用最大金額的第i種材料組合的費(fèi)用作為最差的經(jīng)濟(jì)效果(設(shè)分值為0),根據(jù)公式

式中:Ci為第i種處理的經(jīng)濟(jì)性評分值；zi為第i種處理的費(fèi)用,元；對不同材料配比處理的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評價(jià),結(jié)果表明處理1的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)(表12)。

5)綜合性評價(jià):應(yīng)用模糊綜合評價(jià)法[16-17]對不同材料配比方式處理對水分、氮素的保持效果及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合評價(jià),結(jié)果如表13所示。其中,各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重相同。

表12 每種不同材料配比處理方式下的經(jīng)濟(jì)性評分結(jié)果Tab.12 Rank of the economic efficiency at each treatment with different material component ratio

表13 不同材料配比處理方式下對水分、氮素保持性能及經(jīng)濟(jì)性綜合評分結(jié)果Tab.13 Rank of comprehensively assessing water conservation,nitrogen conservation,and economic efficiency at the treatments with different material component ratios

從表13可知,處理1,即當(dāng)保水劑、沸石、腐殖酸的添加量分別為土壤質(zhì)量的0.01%、0.1%和0.01%,即3種材料間的配比關(guān)系為1∶10∶1時(shí),綜合效果最好。

6)評價(jià)驗(yàn)證:將通過層次分析-模糊綜合評價(jià)法優(yōu)選出的材料配方與空白對照的相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行對比,驗(yàn)證模型評價(jià)的結(jié)果,結(jié)果如表14所示。

表14 材料最優(yōu)配比方式對水分和氮素的保持效果Tab.14 Effects of the optimal material composition ratio on water and nitrogen conservation

比較結(jié)果看出,每次淋溶后的累計(jì)保水量,經(jīng)層次分析-模糊綜合評價(jià)法篩選出的最優(yōu)材料配比處理除在第2次淋溶時(shí)累計(jì)保水體積為空白對照的90%外,其余3次淋溶最優(yōu)配比材料組合累計(jì)保水量均大于空白對照,最好的保水效果是空白對照土壤的1.22倍(第1次淋溶后,表14)；最優(yōu)材料配比處理對氨氮的保持效果為空白對照的1.02～1.2倍；對硝氮的保持效果優(yōu)勢明顯,其保氮量達(dá)空白對照的2.98～4.12倍；對于尿素態(tài)氮,其保持效果是是空白對照的1.17～1.19倍。因此使用該配比方式下的組合材料將獲得很好的保水、保氮效果,尤其是該配方還保證了材料選擇經(jīng)濟(jì)上的最高性價(jià)比。

3 討論與結(jié)論

作為化學(xué)節(jié)水增產(chǎn)的新途徑,環(huán)境功能材料的研發(fā)及應(yīng)用受到了日益廣泛的關(guān)注。探討多種環(huán)境材料的組合及配比,開發(fā)復(fù)合材料,從而更充分地發(fā)揮單種環(huán)境材料的優(yōu)勢及復(fù)合材料的效果,是環(huán)境材料研究的新增長點(diǎn)。在對比材料效果或探討復(fù)合配方功能的過程中,客觀、定性、綜合的評價(jià)方法必不可少。正如本研究中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)處理,對于保水、保氮、經(jīng)濟(jì)性等不同的考察因素表現(xiàn)出不同的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中,通常只對這些單因素進(jìn)行分別評價(jià)[14],而現(xiàn)有一些研究中采用的常規(guī)的方差分析或正交試驗(yàn)結(jié)合Z分綜合評價(jià)法[13],雖然也簡便易行,但得到的直接結(jié)果也主要為單因子的評價(jià)結(jié)果,而在最終的選取過程中,扔摻雜了較多的主觀因素。但本研究采用層次分析法與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合的評價(jià)方法,結(jié)合土柱淋溶試驗(yàn),從保水性、保肥性和經(jīng)濟(jì)性等3方面對環(huán)境材料進(jìn)行綜合評價(jià),定量的給出了最優(yōu)的材料配比方式,即當(dāng)保水劑、沸石、腐殖酸的添加量分別為土壤質(zhì)量的0.01%、0.1%和0.01%時(shí),綜合效果最好。該方法避免了層次分析法的的主觀性,以及模糊評價(jià)中不確定性的影響。

通過將優(yōu)選出的材料配方與空白對照的相關(guān)指標(biāo)相比較進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明:與空白對照相比,最好的保水效果是未添加材料的空白對照的1.22倍；最好的氨氮保持效果是空白對照的1.2倍；最好的硝氮保持效果達(dá)空白對照的4.12倍；最好的尿素氮保持效果是空白對照的1.19倍,證明了該評價(jià)方法的可靠性。

同時(shí),經(jīng)濟(jì)性是生產(chǎn)中最直接和被重視的問題,但在現(xiàn)有材料的評價(jià)過程中,對于材料選擇和應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性極少涉及。這在很大程度上影響了環(huán)境功能材料的應(yīng)用推廣。本研究中將經(jīng)濟(jì)性納入評價(jià)指標(biāo)。結(jié)果表明,最優(yōu)材料配比也是單位面積資金投入最低的配比方式,具有最高的性價(jià)比,從而能夠?yàn)樯a(chǎn)實(shí)踐提供應(yīng)用依據(jù)。

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