濱海玉米澇漬脅迫模式熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)

張揚(yáng)，林志遠(yuǎn)，謝修會(huì)，金秋

（1.江蘇省土地開發(fā)整理中心，江蘇 南京 210000；2.福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院，福建 福州 350002；3.連云港市贛榆區(qū)國(guó)土資源局，江蘇 連云港 222002；4.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210000）

濱海農(nóng)區(qū)在世界范圍內(nèi)分布廣泛，在世界農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程中占有重要地位。中國(guó)濱海農(nóng)區(qū)的分布面積廣，農(nóng)業(yè)發(fā)展?jié)摿薮螅侵匾募Z食生產(chǎn)基地。濱海農(nóng)區(qū)的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是保障國(guó)家糧食安全的重要途徑之一[1]。玉米是我國(guó)重要的糧食作物，利用濱海農(nóng)區(qū)發(fā)展玉米生產(chǎn)對(duì)于保障我國(guó)糧食安全具有重要意義。

濱海地區(qū)淡水資源匱乏，夏季降水集中易造成澇漬災(zāi)害，海水淡化成本高，建設(shè)排澇設(shè)施難度大且成本高等問題日益凸顯。濱海地區(qū)微咸水資源豐富[2，3]，若能加以合理利用，可以有效緩解淡水資源短缺的問題。研究表明，合理鹽度的微咸水灌溉能增加玉米產(chǎn)量[4]，有效緩解淡水資源不足。朱成立等[5]利用微咸水對(duì)玉米進(jìn)行咸淡水交替灌溉，結(jié)果顯示，灌漿期用含鹽量5 g/L的微咸水灌溉不會(huì)造成玉米明顯減產(chǎn)。濱海地區(qū)淹水澇漬脅迫也是阻礙作物生產(chǎn)的重要因子。土壤中過多的水分阻礙了根系與大氣環(huán)境之間的氣體交換，組織出現(xiàn)缺氧，玉米的生長(zhǎng)和發(fā)育常受到極為嚴(yán)重的影響，從而導(dǎo)致大幅度減產(chǎn)[6]。前人在澇漬或微咸水灌溉對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響方面研究較多，而有關(guān)澇漬和微咸水灌溉同時(shí)出現(xiàn)時(shí)玉米響應(yīng)規(guī)律的研究較為匱乏。

目前，農(nóng)業(yè)水利中常用的評(píng)價(jià)方法包括主成分分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法、層次分析法等[7]，在作物產(chǎn)量、水分利用率、土壤鹽分等多指標(biāo)綜合模式的優(yōu)選和評(píng)價(jià)中應(yīng)用廣泛。本研究利用熵權(quán)法進(jìn)行澇漬脅迫模式評(píng)價(jià)，其基本原理是指標(biāo)值相差較大會(huì)產(chǎn)生更小的信息熵，該指標(biāo)的權(quán)重更大，提供的信息更多；相反，指標(biāo)值的差異越小則產(chǎn)生的信息熵就越大，該指標(biāo)的權(quán)重更小，提供的信息更少[8]。因此，可以在具體分析過程中，利用熵計(jì)算出各指標(biāo)權(quán)重后再對(duì)所有指標(biāo)進(jìn)行主觀加權(quán)，從而得出較為合理的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。本研究采用盆栽試驗(yàn)，在玉米灌漿期設(shè)計(jì)不同的灌溉水礦化度與不同的澇漬持續(xù)時(shí)間組合處理，采用改進(jìn)熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)法，以玉米產(chǎn)量、灌溉成本、水分利用效率（WUE）、土壤鹽分濃度為主要指標(biāo)，在玉米不顯著減產(chǎn)的前提下對(duì)不同微咸水澇漬脅迫模式進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期降低排澇成本并充分利用微咸水資源，為濱海地區(qū)玉米生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本研究采用盆栽試驗(yàn)，于2017年7月7日至11月25日在浙江省寧波市杭州灣（北緯 30°18′53″、東經(jīng)121°09′53″） 溫室內(nèi)進(jìn)行。溫室土壤容重 1.32～1.35g/cm3；田間持水量30.3%～31.4%，pH值5.7～6.5，土壤總孔隙度50.4%～51.1%，毛管孔隙度31.0%～32.8%，沙粒粒徑29.2～41.2 mm，粉粒粒徑38.5～40.6 mm。土壤自然干燥后過2 mm篩，然后裝入直徑35 cm、高65 cm的盆中，裝土量80.2 kg/盆，盆底部鉆有4個(gè)排水孔。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)玉米品種為蘇玉29。

鹽分為NaCl（分析純），購(gòu)自北京宏盛苑化工有限公司。

灌溉用淡水取自當(dāng)?shù)刈詠硭}度0.12 g/L；灌溉用鹽水由NaCl與灌溉用淡水混合制備而成。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 將盆內(nèi)0～20 cm土層土壤與肥料（N 175 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2） 混合均勻后播種，1粒/盆，田間常規(guī)管理。在幼苗抽穗期、拔節(jié)期和灌漿期（澇期除外），土壤含水率下限分別控制在65%～80%、75%～90%和75%～90%。定植后84 d（灌漿期）同時(shí)進(jìn)行微咸水和澇漬（水位控制在土壤上方2 cm處）處理，其中，微咸水礦化程度（NaCl濃度，S） 設(shè) 1 （S1）、3 （S3） 和 5 g/L （S5） 3 個(gè)水平，澇漬持續(xù)時(shí)間（淹水時(shí)間，D）設(shè)2（D2）、4（D4）和6 d（D6）3個(gè)水平，以淡水灌溉且無(wú)澇漬脅迫處理作為對(duì)照（CK）。每處理均9次重復(fù)。除澇期外，其他時(shí)間均采用淡水進(jìn)行灌溉。

1.3.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.2.1 玉米灌溉成本。田間玉米全生育期灌溉用淡水采用大功率柴油機(jī)從河道抽取。玉米淹水末期，采用明溝排水，將微咸水引入排水井后用柴油機(jī)從排水井抽水排澇。灌溉成本包括淡水運(yùn)輸成本和排澇成本2個(gè)部分。計(jì)算公式為：

式中，P為灌溉成本（元/hm2），P1為淡水運(yùn)輸成本（元/hm2），P2為排澇成本（元/hm2）；ET0為夏玉米全生育期單位面積需水量（mm/hm2），按816.76 mm/hm2[9]計(jì)；S為種植面積（m2）；Q柴為柴油機(jī)額定流量（m3/h），按60m3/h計(jì)；H為田間淹水高度，按2 cm計(jì)；G為0號(hào)柴油單價(jià)（元/L），按6.48元/L計(jì)；F表示柴油機(jī)單位時(shí)間的耗油量（L/h），按11 L/h計(jì)。

1.3.2.2 玉米產(chǎn)量。定植后129 d，每處理隨機(jī)收獲6株，測(cè)定產(chǎn)量，換算成單位面積產(chǎn)量。

1.3.2.3 玉米WUE。根據(jù)各生育期盆內(nèi)土壤水分平衡估算作物蒸散量（ET）[10]，根據(jù)公式計(jì)算WUE：

WUE=產(chǎn)量/ET

1.3.2.4 土壤鹽分濃度。玉米最后一次灌水結(jié)束2 d后，用土鉆鉆取0～40 cm土樣，經(jīng)風(fēng)干、充分研磨后過孔徑1 mm的篩子，按照土水比1∶5的比例配制土壤飽和浸提液，用DS-307A型電導(dǎo)率儀測(cè)定土壤飽和提取物的電導(dǎo)率。

1.3.3 鹽澇脅迫模式優(yōu)選

1.3.3.1 指標(biāo)權(quán)重。采用熵權(quán)系數(shù)法，設(shè)鹽澇脅迫模式的評(píng)價(jià)指標(biāo)為n個(gè)，處理模式有m種，m種處理模式對(duì)應(yīng)n個(gè)指標(biāo)的指標(biāo)值構(gòu)成評(píng)價(jià)矩陣為：

R= （rij）m×n

式中，rij為第i種鹽澇脅迫下第j個(gè)指標(biāo)值。對(duì)于某個(gè)指標(biāo)rj，其信息熵（Ej）的計(jì)算公式為：

第j個(gè)指標(biāo)值的熵值（ej）的計(jì)算公式為：

第j個(gè)指標(biāo)的客觀權(quán)重（θj）的計(jì)算公式為：

1.3.3.2 熵權(quán)評(píng)價(jià)值。矩陣R中每列的最理想值為rj*，對(duì)矩陣中的數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，rj*數(shù)值優(yōu)劣與指標(biāo)性質(zhì)密切相關(guān)。rj*越大越優(yōu)的指標(biāo)，如產(chǎn)量和WUE，稱作收益性指標(biāo)；越小越優(yōu)的指標(biāo)，如灌溉成本和土壤鹽分，稱作損失性指標(biāo)。dij為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值，max指收益性指標(biāo)的最大值，min指損失性指標(biāo)的最小值。整理可得：

不同鹽澇脅迫模式的綜合評(píng)價(jià)系數(shù)熵權(quán)評(píng)價(jià)值λi計(jì)算公式為：

式中，i=1，2，3，…，m。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理 采用SPSS 17.0軟件Duncan's法進(jìn)行數(shù)據(jù)顯著性分析[11，12]，采用Excel 2016軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米生產(chǎn)的灌溉成本

按玉米田間種植密度行距50 cm、株距40 cm，對(duì)玉米生產(chǎn)過程中的淡水運(yùn)輸成本和排澇成本進(jìn)行測(cè)算。結(jié)果（表1）顯示，微咸水淹水時(shí)間越長(zhǎng)，所需要的淡水量越少，淡水運(yùn)輸成本就越低；相反，微咸水淹水時(shí)間越長(zhǎng)，排澇成本就越高。微咸水脅迫時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于灌溉總成本的降低。

表1 玉米生產(chǎn)的灌溉成本構(gòu)成（元/hm2）Table 1 Components of irrigation cost in maize production

2.2 微咸水澇漬脅迫對(duì)玉米水分利用效率的影響

微咸水礦化程度、淹水天數(shù)以及二者的交互作用均對(duì)玉米WUE無(wú)顯著影響（圖1）。

圖1 微咸水澇漬脅迫對(duì)玉米水分利用效率的影響Fig.1 Effect of waterlogging stress with brackish water on WUE of maize

不同微咸水澇漬脅迫處理的玉米WUE均＜CK，降幅為6.1%～21.0%。3種微咸水礦化度下，隨著淹水天數(shù)的增加，WUE呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。微咸水礦化度為1 g/L時(shí)，隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)，WUE呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)，但各處理間差異均不顯著。微咸水礦化度為3 g/L時(shí)，隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)，WUE逐漸增大，淹水4 d和6 d處理的WUE分別較淹水2 d處理增加了6.3%和13.6%。微咸水礦化度為5 g/L時(shí)，隨著淹水天數(shù)的增加，WUE呈下降趨勢(shì)，與淹水2 d處理相比，淹水4 d和6 d處理的WUE分別降低了9.7%和13.3%。根據(jù)WUE計(jì)算公式WUE與產(chǎn)量密切相關(guān)，因此推測(cè)，淹水后WUE降低可能與淹水導(dǎo)致玉米減產(chǎn)有關(guān)。

2.3 微咸水澇漬脅迫對(duì)土壤鹽分的影響

微咸水礦化程度、淹水天數(shù)以及二者的交互作用均對(duì)土壤鹽分濃度有顯著影響，其中，微咸水礦化度的影響達(dá)到了極顯著水平（圖2）。

圖2 微咸水澇漬脅迫對(duì)土壤鹽分的影響Fig.2 Effect of waterlogging stress with brackish water on soil salt concentration

不同微咸水澇漬脅迫處理的土壤鹽分濃度均＞CK，增幅為7.0%～34.8%。在相同微咸水礦化度條件下，隨著淹水天數(shù)的延長(zhǎng)，土壤鹽分濃度呈增加趨勢(shì)；在相同淹水天數(shù)條件下，土壤鹽分濃度隨著微咸水礦化度的增加而增加。

2.4 不同微咸水澇漬脅迫模式的熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)

不同微咸水澇漬脅迫處理的玉米產(chǎn)量均＜CK，其中，S1D2、S1D4、S1D6、S3D2和 S5D2處理與 CK 差異不顯著（表2）。表明玉米灌漿期1 g/L微咸水灌溉澇漬脅迫2～6 d，或者3、5 g/L微咸水灌溉澇漬脅迫2 d，均不會(huì)造成玉米顯著減產(chǎn)。

根據(jù)玉米產(chǎn)量、灌溉成本、WUE、土壤鹽分濃度4個(gè)鹽澇脅迫模式評(píng)價(jià)指標(biāo)值，計(jì)算得到其客觀權(quán)重分別為0.432、0.013、0.181和0.374。綜合考慮濱海地區(qū)玉米的實(shí)際生產(chǎn)狀況，分別賦予玉米產(chǎn)量、灌溉成本、WUE和土壤鹽分濃度客觀權(quán)重為0.300、0.400、0.150和0.150。將主觀權(quán)重和客觀權(quán)重結(jié)合，計(jì)算得到鹽澇脅迫模式4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重分別為0.595、0.024、0.124和0.257。

表2 鹽澇脅迫模式的評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 2 Evaluation indicator of salt and waterlogging stress of maize

根據(jù)玉米產(chǎn)量、灌溉成本、WUE和土壤鹽分濃度確定9種鹽澇脅迫模式的綜合評(píng)價(jià)系數(shù)熵權(quán)評(píng)價(jià)值，熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)值越高，表明鹽澇脅迫模式包括玉米產(chǎn)量、灌溉成本、WUE和土壤鹽分濃度4個(gè)指標(biāo)在內(nèi)的綜合效益越優(yōu)。從圖3可以看出，S1D2處理的熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)值最高，達(dá)到了0.987，表明該組合綜合效益最優(yōu)；其次是S3D2（0.970）和S5D2（0.969）處理，二者效果相差微??；S5D6處理的熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)值最低，僅0.790，表明該組合綜合效益最差。

圖3 不同鹽澇脅迫模式處理的熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)值Fig.3 Entropy weight coefficient evaluation of different salt and waterlogging stress of maize

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，除S1D2、S1D4、S1D6、S3D2和S5D2處理玉米減產(chǎn)不顯著外，其他處理的玉米產(chǎn)量均明顯降低。研究表明，澇漬脅迫下土壤水分過多導(dǎo)致玉米根系缺氧，有氧呼吸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)氧呼吸，導(dǎo)致大量有害物質(zhì)（H2S、FeS等）累積，進(jìn)而影響玉米根系的生理活動(dòng)[13]。土壤水分過多、根系缺氧導(dǎo)致葉片氣孔關(guān)閉，CO2向葉片擴(kuò)散的阻力增大，影響光合作用酶的活性，抑制光合作用的正常進(jìn)行[14]，間接影響了玉米產(chǎn)量的提高。

本研究條件下，所有鹽澇脅迫處理的土壤鹽分濃度均高于CK組，且微咸水礦化度和淹水天數(shù)均對(duì)土壤鹽分濃度有顯著影響。高鹽水灌溉會(huì)造成明顯的土壤表層積鹽，且積鹽量與鹽分濃度呈顯著正相關(guān)。微咸水灌溉在帶入水分的同時(shí)也帶入了大量的NaCl，隨著NaCl濃度的提高，土壤入滲能力逐步減弱[15]，多數(shù)灌溉水滯留在土壤表層，鹽分向下移動(dòng)受到阻礙，在土壤表層造成明顯的鹽分積累。微咸水脅迫處理會(huì)明顯提高土壤表層含鹽量，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中，需充分考慮可持續(xù)發(fā)展，在不影響下季作物種植的前提下進(jìn)行微咸水灌溉處理。

熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)法是分析和處理高維數(shù)據(jù)的有效手段之一，其優(yōu)勢(shì)在于能夠避免單獨(dú)使用主觀權(quán)重或單獨(dú)使用客觀權(quán)重的片面性，將主觀權(quán)重與客觀權(quán)重有機(jī)結(jié)合，提高評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性。蘇恒強(qiáng)等[16]利用熵權(quán)系數(shù)法對(duì)土壤環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，綜合評(píng)價(jià)了土壤環(huán)境質(zhì)量；邵光成等[17]在綜合考慮作物產(chǎn)量、品質(zhì)和灌溉量情況下，采用熵權(quán)模型對(duì)南方防雨栽培地下排水布置模式進(jìn)行了優(yōu)化。本研究運(yùn)用熵權(quán)系數(shù)法優(yōu)選灌溉成本和土壤鹽分相對(duì)低，但產(chǎn)量和WUE相對(duì)高的鹽澇脅迫處理模式。熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)模型計(jì)算結(jié)果表明，實(shí)際生產(chǎn)中，綜合考慮生產(chǎn)效益、水資源利用效率和可持續(xù)發(fā)展，可允許玉米在1g/L微咸水下受澇2 d。

熵權(quán)系數(shù)模型評(píng)價(jià)法在樣本數(shù)量大、指標(biāo)數(shù)目多的條件下評(píng)價(jià)結(jié)果更為精確。因此，在今后的研究中，可綜合考慮玉米病蟲害發(fā)生率、肥料利用率、玉米根系形態(tài)，以及玉米糯性、甜度、色澤等品質(zhì)指標(biāo)，建立更為全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。