基于熵權(quán)TOPSIS 模型的鹽堿地紫花苜蓿施氮效果評(píng)價(jià)

劉名江，吳 波，李來永，張清平，張進(jìn)紅，王國(guó)良*

(1. 東營(yíng)職業(yè)學(xué)院，山東 東營(yíng) 257091；2. 農(nóng)業(yè)部華東都市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究所，山東 濟(jì)南 250100；3.東營(yíng)市河口區(qū)畜牧局，山東 東營(yíng) 257200；)

隨著中國(guó)畜牧業(yè)的快速發(fā)展，苜蓿產(chǎn)業(yè)正在成為中國(guó)草產(chǎn)業(yè)和畜牧業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要部分。2012年，國(guó)家啟動(dòng)實(shí)施“振興奶業(yè)苜蓿發(fā)展行動(dòng)”計(jì)劃，2015年中央1號(hào)文件明確提出要加快發(fā)展草牧業(yè)，支持青貯玉米和苜蓿等飼草料種植，加快構(gòu)建“糧經(jīng)飼”統(tǒng)籌、種養(yǎng)加一體、農(nóng)牧循環(huán)的現(xiàn)代畜牧產(chǎn)業(yè)體系。在全面推進(jìn)草牧業(yè)發(fā)展的新形勢(shì)下，苜蓿的高產(chǎn)栽培技術(shù)越來越受到重視，尤其是科學(xué)的施肥研究。已有結(jié)果表明，施氮可以增加苜蓿的產(chǎn)量，改善苜蓿的品質(zhì)，并且提高紫花苜蓿干物質(zhì)體外消化率[1]。然而，如何科學(xué)合理地評(píng)價(jià)施肥措施的應(yīng)用效果，綜合比較不同措施之間的差異，從而篩選出最為有效的施肥措施的相關(guān)研究尚鮮見報(bào)道。國(guó)際上采用多個(gè)指數(shù)進(jìn)行飼草品質(zhì)評(píng)價(jià)，如相對(duì)飼喂價(jià)值[2]。質(zhì)量指數(shù)、相對(duì)質(zhì)量指數(shù)[3-4]以及粗飼料分級(jí)指數(shù)[5]。上述評(píng)價(jià)指數(shù)以飼草的能量和粗蛋白為中心，在特定的環(huán)境條件下，忽略了飼草的生產(chǎn)力、生產(chǎn)成本以及與生長(zhǎng)環(huán)境因子之間的關(guān)系等因素。

因此，對(duì)不同施肥措施的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，也應(yīng)使用多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)的方法，這樣才能比較全面地反映施肥措施的作用效果。綜合評(píng)價(jià)方法又稱為多變量綜合評(píng)價(jià)方法、多指標(biāo)綜合評(píng)估技術(shù)，它是運(yùn)用多指標(biāo)同時(shí)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)和比較的一種方法[6]。其中TOPSIS 法對(duì)于樣本資料無特殊要求，使用靈活簡(jiǎn)便，應(yīng)用日趨廣泛，因此成為多指標(biāo)決策分析中常用的有效方法[7]。本研究選擇紫花苜蓿產(chǎn)量、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)以及凈能等多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用TOPSIS法綜合評(píng)價(jià)不同氮素添加水平下紫花苜蓿生產(chǎn)性能和土壤肥力，以期遴選最優(yōu)的施肥策略，為生產(chǎn)實(shí)踐中苜蓿施肥管理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院黃河三角洲(東營(yíng))現(xiàn)代農(nóng)業(yè)試驗(yàn)示范基地內(nèi)(118°36′ E，37°17′ N，elev. 3 m)，屬暖溫帶半濕潤(rùn)地區(qū)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期。多年平均氣溫12.5 ℃，年極端最高氣溫38.5 ℃，極端最低氣溫-17.5 ℃，無霜期長(zhǎng)達(dá)206 d，平均日照時(shí)數(shù)2 596 h，年降水量550～600 mm。試驗(yàn)區(qū)土壤為濱海鹽化潮土，土質(zhì)為砂壤土，pH為7.9，全鹽含量0.3%，有機(jī)質(zhì)含量為16.75 g/kg，堿解氮49.3 mg/kg，速效磷8.3 mg/kg，速效鉀249.5 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試苜蓿品種為魯苜1號(hào)，由山東省農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究所培育；供試肥料為尿素(含N≧46.4%)、過磷酸鈣(含P2O5≧16%)和硫酸鉀(含K2O≧50%)。

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。其中，氮肥設(shè)置50 kg/hm2和100 kg/hm22個(gè)用量；施用方式設(shè)為全部作為底肥、底肥和返青期分兩次等量施入、返青期和每次刈割后等量施入(最后一次刈割不施)3個(gè)處理；不施氮肥作為對(duì)照，共計(jì)7個(gè)處理(見表1)。3次重復(fù)，小區(qū)面積為20 m2(4 m×5 m)，區(qū)組之間間隔1 m。2015年9月30日播種，播種量15 kg/hm2，條播，行距30 cm，覆土深度1～2 cm，播后鎮(zhèn)壓保墑，使種子與土壤緊密結(jié)合。根據(jù)基礎(chǔ)土壤的營(yíng)養(yǎng)狀況，在播種時(shí)分別施入K2O(90 kg/hm2)和P2O5(90 kg/hm2)作為底肥。氮肥根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，用作底肥或返青期、刈割后進(jìn)行追肥。

表1 氮肥施用量及施肥方式Table 1 Nitrogen rates and application methods

1.3 取樣與測(cè)定

在紫花苜蓿建植第二年第一茬初花期刈割，全小區(qū)測(cè)產(chǎn)，留茬5 cm，稱取鮮重。隨機(jī)抽取500 g鮮樣，置于65 ℃烘箱內(nèi)烘48 h，稱重，用干鮮比折算干草產(chǎn)量。

11月初，苜蓿停止生長(zhǎng)后進(jìn)行土壤取樣，在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取5個(gè)0～20 cm表層土樣，充分混勻后，帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干、研磨后測(cè)定土壤養(yǎng)分。

烘干樣品粉碎后過1 mm篩，混勻后用自封袋密封保存，用于營(yíng)養(yǎng)成分分析。采用凱氏定氮法測(cè)定全株氮含量，折算為粗蛋白質(zhì)(crude protein，CP)含量。采用Goering和Van Soest 的方法測(cè)定中性洗滌纖維(NDF)和酸性洗滌纖維(ADF)含量[8]。利用Horrocks和Vallentine 的方法計(jì)算干物質(zhì)消化率(DDM)、干物質(zhì)采食量(DMI)、相對(duì)飼喂價(jià)值(RFV)和凈能(NE)[9]：

DDM=88.9-0.779×% ADF

DMI=120/% NDF

RFV=% DDM×%DMI×0.775

NE=(1.004-(0.10119×%ADF))×2.205

土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定；全氮采用凱氏定氮法測(cè)定；全磷采用 NaOH熔融-鉬銻抗顯色-紫外分光光度法測(cè)定；全鉀采用 NaOH 熔融-火焰光度計(jì)法測(cè)定；堿解氮采用堿解-擴(kuò)散法測(cè)定；速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提法測(cè)定；速效鉀采用NH4OAc 浸提法測(cè)定[10]；pH 值采用電極電位法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)用Excel 2013整理輸入，采用GenStat 18.0(Lawes Agricultural Trust, Roth Amsted Experimental Station, Oxford, UK)統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。因素方差分析、多重比較采用最小顯著差數(shù)法(LSD)，比較處理間紫花苜蓿干重以及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)間的差異。在處理間F測(cè)驗(yàn)為顯著的前提下，計(jì)算出顯著水平為α的最小顯著差數(shù)LSDα兩個(gè)處理間的平均數(shù)的差數(shù)，如其絕對(duì)值≧LSD，即為在α水平上差異顯著；反之，則為在α水平上差異不顯著。本研究是在α=0.05水平下比較各作物間的差異性。

1.5 研究方法

1.5.1 熵權(quán)法 該方法是在客觀條件下，由評(píng)價(jià)指標(biāo)值來確定指標(biāo)權(quán)重的一種方法，具有操作性和客觀性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠反映數(shù)據(jù)隱含的信息，增強(qiáng)指標(biāo)的分辨意義和差異性，以避免因選用指標(biāo)的差異過小造成的分析困難，全面反映各類信息。其思路是評(píng)價(jià)對(duì)象在某項(xiàng)指標(biāo)上的值相差越大越重要，權(quán)重相應(yīng)也越大。根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的變異程度，可以客觀地計(jì)算出各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，為多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)提供依據(jù)。計(jì)算步驟為：

(1)計(jì)算比重Pij

(2)計(jì)算熵值ej

(3)計(jì)算熵權(quán)wj

1.5.2 TOPSIS模型 TOPSIS 模型稱為“逼近理想解排序方法”，為系統(tǒng)工程中有限方案多目標(biāo)決策分析的一種常用的決策技術(shù)，是一種距離綜合評(píng)價(jià)法。具體步驟如下：(1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。采用極值標(biāo)準(zhǔn)化法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以確定評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值在該指標(biāo)權(quán)重中所處的位置，在此，可以直接利用熵權(quán)法中所確定的標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣 rij。(2)確定指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建加權(quán)的決策矩陣。通過熵權(quán)法確定的指標(biāo)權(quán)重向量wi被考慮到?jīng)Q策矩陣中，加權(quán)規(guī)范化決策矩陣V=(vij)m×n通過矩陣R的每一行與其相應(yīng)的權(quán)重wi相乘得到。

(3)確定正、負(fù)理想解。令V+表示最偏好的方案(正理想解)，V-表示最不偏好的方案(負(fù)理想解)，則有：

(5)計(jì)算歷年評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案的貼近度Ci。

式中，Ci越大，表明施肥效果接近最優(yōu)水平。當(dāng)Ci=1時(shí)，施肥效果最好；當(dāng)Ci=0時(shí)，施肥效果最差。

1.5.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建 基于因地制宜、全面性和可比性原則，選取總干物質(zhì)產(chǎn)量(TDM)、粗蛋白(CP)、中性洗滌纖維(NDF)、酸性洗滌纖維(ADF)、干物質(zhì)消化率(DDM)、干物質(zhì)采食量(DMI)、相對(duì)飼喂價(jià)值(RFV)以及凈能(NE)等指標(biāo)來構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)模型。氮肥對(duì)土壤肥力影響的評(píng)價(jià)，選取全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)、堿解氮(AN)、速效磷(AP)、速效鉀(AK)以及有機(jī)質(zhì)(SOM)等指標(biāo)來構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮肥處理對(duì)紫花苜蓿株高的影響

隨著紫花苜蓿生長(zhǎng)季的延長(zhǎng)，株高呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，所有處理第三茬最高，第四茬最低(表2)。第一茬到第三茬，N50-4處理最高，較對(duì)照處理分別增高了2.4%，7.0%和7.2%；第四茬，N100-1處理最高，較對(duì)照處理增高了8.8%。

2.2 不同氮肥處理對(duì)紫花苜蓿產(chǎn)量的影響

隨紫花苜蓿生長(zhǎng)季的延長(zhǎng)，產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，所有處理中第二茬干物質(zhì)產(chǎn)量最高，第四茬最低(表2)。第一茬，在N50-2處理下，紫花苜蓿干物質(zhì)產(chǎn)量顯著高于其他處理，而N50-4處理的干物質(zhì)產(chǎn)量最低，較N50-2降低了18.2%，差異顯著(P<0.05)。第二茬，N100-1處理下干物質(zhì)產(chǎn)量較N50-1顯著提高21.2%(P<0.05)；第三茬，除N50-1和N100-4外，N50-2處理下干物質(zhì)產(chǎn)量顯著高于其他處理(P<0.05)；第四茬，N50-1和N50-2處理較N0處理干物質(zhì)分別提高62.2%和61.2%(P<0.05)，其他處理之間無顯著差異；N50-2處理下紫花苜蓿總干物質(zhì)顯著高于其他處理(P<0.05)，其次為N100-4，N0最低。

表2 不同施肥處理下紫花苜蓿株高和產(chǎn)量Table 2 The height and yield of alfalfa under different nitrogen treatments

注：同列肩標(biāo)不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Note: Different superscripts in the same column mean significant difference (P<0.05). The same below.

2.3 不同氮肥處理對(duì)紫花苜蓿營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響

N0和N100-2處理下酸性洗滌纖維含量較高，且N100-4處理的分別低于N0和N100-2處理11.0%和10.3%，差異顯著(P<0.05)，而其他處理間無顯著差異(P>0.05)；與N100-1處理相比，N50-1處理的中性洗滌纖維含量降低了16.1%(P<0.05)，而其他處理間差異不顯著(P>0.05)(表3)。在不同處理下，紫花苜蓿的粗蛋白含量、干物質(zhì)采食量和相對(duì)飼喂價(jià)值均無明顯的差異(P>0.05)；就干物質(zhì)消化率而言，N100-4處理的最高，分別高于N0和N100-2處理5.7%和5.2%，差異顯著(P<0.05)，其他處理間無顯著差異(P>0.05)。凈能在N100-4處理下最高， 而N0處理的最低，較N100-4處理顯著降低了8.5%(P<0.05)。

通過熵權(quán)法得出，總干物質(zhì)產(chǎn)量的權(quán)重(wj)最大，其次為干物質(zhì)采食量，權(quán)重值分別為0.2072和0.1139。

表3 不同施肥處理下紫花苜蓿營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)Table 3 The alfalfa quality under different nitrogen treatments

2.4 不同氮肥處理對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

在施氮肥條件下，所有處理的全氮(TN)、全磷(TP)、速效磷(AP)、有機(jī)質(zhì)(SOM)以及pH均無顯著差異(P>0.05)(表4)。除N50-1和N50-2處理外，N0處理的全鉀(TK)含量顯著高于N100-1、N100-2、N100-4和N50-4處理5.8%～10.2%(P<0.05)；堿解氮在N100-4下顯著高于N100-1和N100-2(P<0.05)；除N100-4和N50-4外，速效鉀(AK)在N100-2處理下顯著高于其他處理(P<0.05)。

通過熵權(quán)法得出，土壤全氮(TN)的權(quán)重最大，其次為速效氮(AN)，權(quán)重值分別為0.2278和0.1305。

表4 不同施肥處理下紫花苜蓿地土壤養(yǎng)分Table 4 Soil nutrients under different nitrogen treatments

2.5 氮肥綜合績(jī)效

2.5.1 紫花苜蓿生產(chǎn)性能 不同施氮水平下，貼近度值從大到小的順序依次為N50-2(0.690)>N100-4(0.626)>N100-1(0.509)>N50-4(0.473)>N50-1(0.463)>N100-2(0.355)>N0(0.279)(表5)。可見，N50-2處理的施肥效果最好，其次是N100-4處理。

2.5.2 土壤肥力 基于TOPSIS 綜合評(píng)價(jià)模型，以TN、TP、TK、AN、AP、AK以及SOM為評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系。由表6可知，土壤肥力從高到低的順序依次為：N50-2>N50-4>N100-4>N50-1>N100-2>N0>N100-1。

3 討 論

氮素是植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素和一些激素等的重要組成部分，是作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成的首要因素。已有研究表明，在濕潤(rùn)區(qū)以及在半干旱區(qū)，氮素添加均能增加紫花苜蓿的產(chǎn)量[11-12]。然而，一些研究認(rèn)為氮素添加對(duì)苜蓿產(chǎn)量沒有增產(chǎn)效果，甚至認(rèn)為氮素添加對(duì)紫花苜蓿產(chǎn)量與品質(zhì)有負(fù)面效應(yīng)，主要表現(xiàn)在氮素添加會(huì)抑制根瘤的發(fā)展[13]，降低根毛侵染[14]和已接種根的固氮活性[15]，減少根瘤數(shù)[16]、根瘤干質(zhì)量以及總的固氮量。Shuler等[17]通過大量的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤硝態(tài)氮含量低于15 mg/kg，有機(jī)質(zhì)低于15 g/kg時(shí)，氮素添加有利于提高苜蓿產(chǎn)量。在干旱地區(qū)，與氮肥相比較，磷肥能顯著增加苜蓿產(chǎn)量。還有研究認(rèn)為苜蓿草地施氮會(huì)增加控制雜草的成本、影響氮素經(jīng)濟(jì)利用效率、增加銨態(tài)氮的揮發(fā)以及硝態(tài)氮的淋溶[12]。

表5 氮肥綜合評(píng)價(jià)值Table 5 The comprehensive value of alfalfa under different nitrogen treatments

表6 土壤肥力綜合評(píng)價(jià)值Table 6 The comprehensive value of soil fertility under different nitrogen treatments

施氮對(duì)1齡苜蓿具有增產(chǎn)效果，第1和2茬增產(chǎn)效果顯著，第3茬增產(chǎn)效果不明顯[18-19]。萬里強(qiáng)等[19]研究結(jié)果表明，N60處理的1齡紫花苜?？偢L(zhǎng)、平均直徑和分叉數(shù)最大；曾慶飛等[1]研究也表明，1齡苜蓿在第1茬施氮60 kg/hm2比 CK 增產(chǎn)10.7 %。而韓清芳等[20]研究表明，苜蓿施肥的增產(chǎn)作用主要表現(xiàn)在第3茬，主要原因是水肥耦合效應(yīng)所致。本研究結(jié)果表明，N50-2處理下苜蓿生產(chǎn)性能最高，這可能是在有效根瘤形成前，施少量氮肥可促進(jìn)苜蓿的生長(zhǎng)，對(duì)苜蓿具有增產(chǎn)效果；有效根瘤形成后，苜蓿通過共生固氮能夠滿足其需求，施氮對(duì)苜蓿產(chǎn)量沒有明顯影響[19]。

苜蓿喜磷，其為根瘤的固氮作用提供能量[21]。本研究中，N50-2處理下，紫花苜蓿地全磷以及有效磷含量最低。已有研究發(fā)現(xiàn)，在不施肥或少施肥條件下，隨著苜蓿種植年限的延長(zhǎng)，土壤中的速效磷含量將會(huì)下降[22]，甚至土壤中不易溶解的磷也會(huì)因轉(zhuǎn)化消耗而導(dǎo)致磷水平下降，從而導(dǎo)致苜蓿產(chǎn)量下降[23]，這與本研究結(jié)果是一致的。增施磷肥不僅能夠提高土壤有效磷含量，還可以達(dá)到以磷促氮的效果。因此，在較長(zhǎng)年限的苜蓿田通過增施磷肥可以提高生產(chǎn)效益。

4 結(jié) 論

不同氮素添加水平對(duì)于紫花苜蓿生產(chǎn)性能以及土壤養(yǎng)分的影響不盡相同。在紫花苜蓿生產(chǎn)性能方面，以產(chǎn)量、粗蛋白含量、中性洗滌纖維含量、酸性洗滌纖維含量、干物質(zhì)消化率、干物質(zhì)采食量、相對(duì)飼喂價(jià)值以及凈能等指標(biāo)來評(píng)價(jià)。N50-2處理下，紫花苜蓿的生產(chǎn)性能最高，其次是N100-4；土壤養(yǎng)分方面，以全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀以及有機(jī)質(zhì)等指標(biāo)來評(píng)價(jià)，N50-2處理下土壤肥力最高。綜合紫花苜蓿的生產(chǎn)性能以及土壤肥力，N50-2是最佳的施肥策略。