基于模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)環(huán)渤海潮土區(qū)棉花施用控釋氮肥的效益評(píng)價(jià)

劉全鳳，劉貞貞，孫 一，賴德強(qiáng)，李雅靜，曹金鋒，武 婷，張忠波

(滄州市農(nóng)林科學(xué)院，河北 滄州 061001)

【研究意義】模糊綜合評(píng)價(jià)法是根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)，該方法能較好地解決模糊的、難以量化的問題[1-2]，是一種簡(jiǎn)便、清晰、靈活而又實(shí)用的多準(zhǔn)則決策方法被廣泛應(yīng)用，如石曉翠[3]、范麗娟[4]、俞丹萍[5-6]、于春燕[7-8]等利用模糊數(shù)學(xué)對(duì)土壤重金屬污染、土地集約利用、溫室黃瓜種植最優(yōu)化施肥模式和生物質(zhì)秸稈發(fā)電的效益都進(jìn)行了有效的評(píng)價(jià)。環(huán)渤海潮土區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)低，理化性質(zhì)差，養(yǎng)分不平衡，而且鹽漬化的特點(diǎn)，一定程度上限制了該地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[9]。棉花抗逆性強(qiáng)，能夠很好地利用環(huán)渤海暖溫帶充沛的光熱資源，所以，環(huán)渤海潮土區(qū)是發(fā)展棉花生產(chǎn)的重要基地。氮素是影響棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一[10]，在環(huán)渤海潮土區(qū)，棉花生長(zhǎng)往往出現(xiàn)供氮不足、早衰的現(xiàn)象，但是過量施用氮肥，又可能造成土壤有機(jī)質(zhì)含量下降，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)遭到破壞，理化性質(zhì)變差，保水保肥能力降低，大量氮素?fù)p失(滲漏、反硝化和氣態(tài)損失等)和土壤殘留等一系列問題，增加了環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，過量施用化肥被認(rèn)為是引起面源污染的主要來源之一[11-12]?？蒯尩示哂械蒯尫艜r(shí)間和強(qiáng)度與作物養(yǎng)分吸收規(guī)律基本吻合的優(yōu)點(diǎn)[13]，能夠使根際土壤有效養(yǎng)分維持在較高的水平，有效地提高了氮素的利用率[14]，施入控釋氮肥，對(duì)棉株生育中后期植株養(yǎng)分積累具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】孫強(qiáng)生[15]、李學(xué)剛[16]、李伶俐[17]等對(duì)不同地區(qū)棉花施用控釋氮肥的光合特性、產(chǎn)量、肥效都有相關(guān)報(bào)道，目前此領(lǐng)域大都局限在研究氮素對(duì)棉花產(chǎn)量和品質(zhì)方面的研究，由于施肥對(duì)社會(huì)效益以及生態(tài)效益的影響用常規(guī)方法難以量化，所以這方面的研究較少?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本文采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)滄州鹽漬化潮土區(qū)棉花施用控釋氮肥的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，根據(jù)綜合評(píng)價(jià)值，選擇適合該地區(qū)的最佳控釋氮肥用量，使施肥更加科學(xué)有效，【擬解決的關(guān)鍵問題】旨在為該地區(qū)的棉花生產(chǎn)建立生態(tài)環(huán)境友好型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式提供理論支持。

表1 供試土壤的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of soil used for the trial

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年4月到9月于滄州市農(nóng)科院試驗(yàn)基地開展，供試棉花品種為轉(zhuǎn)基因抗蟲棉“滄198”抗病系，播期4月16日，土壤屬于中壤質(zhì)潮土，基肥施用前采集0～20 cm土壤混合樣品，測(cè)定土壤的基礎(chǔ)理化性狀指標(biāo)(表1)。控釋氮肥為控釋4個(gè)月樹脂包膜尿素，由山東金正大生態(tài)工程股份有限公司生產(chǎn)，其含氮量為42 %。

本試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)5個(gè)處理，3個(gè)控釋氮肥用量處理，分別為等量控釋氮肥(225 kg·hm-2，CF1)；80 %控釋氮肥(180 kg·hm-2，CF2)；60 %控釋氮肥(135 kg·hm-2，CF3)，全部用于基肥，另設(shè)不施肥對(duì)照處理CK和常規(guī)氮肥尿素(基施112.5 kg·hm-2+初花期追施67.5 kg·hm-2+盛花期追施45 kg·hm-2，F(xiàn))，3次重復(fù)，共15個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積66.7 m2，等行距種植，行距100 cm，株距22.2 cm，密度45 000株·hm-2。常規(guī)氮、磷、鉀肥分別為尿素、重過磷酸鈣、硫酸鉀，磷(P2O5)、鉀(K2O)用量均為102 kg·hm-2，一次性基施。各處理均采用簡(jiǎn)化整枝的方式，其他管理同當(dāng)?shù)孛尢铩?/p>

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤性質(zhì)：采用常規(guī)分析法測(cè)定。測(cè)產(chǎn)：每個(gè)小區(qū)選取中間3行，實(shí)收計(jì)產(chǎn)。棉纖維品質(zhì)的測(cè)定：收獲期取植株的中部和下部各10朵，依據(jù)ASTM5867-95《HVI900大容量纖維測(cè)試儀試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

1.3 指標(biāo)計(jì)算方法

氮肥利用率 =(施肥區(qū)植株養(yǎng)分吸收量-無肥區(qū)植株養(yǎng)分吸收量)×100/施肥量

土壤養(yǎng)分貢獻(xiàn)率 = 未施肥區(qū)棉株養(yǎng)分吸收量×100 /施肥區(qū)棉株養(yǎng)分吸收量

1.4 綜合評(píng)價(jià)計(jì)算方法

1.4.1 利用變異系數(shù)法建立評(píng)價(jià)因子權(quán)重[1]計(jì)算各指標(biāo)的變異公式。

(1)

進(jìn)行歸一化處理，即得到各指標(biāo)的權(quán)數(shù)。

(2)

1.4.2 采用線性插值法建立綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度函數(shù)R[18]指標(biāo)值越高效益越好的指標(biāo)計(jì)算公式。

(3)

指標(biāo)值越低效益越好的指標(biāo)計(jì)算公式：

(4)

表2 不同處理對(duì)棉鈴(10月)纖維品質(zhì)的影響Table 2 Effect of different fertilizer treatments on cotton fiber quality under (October)

1.4.3 綜合評(píng)價(jià)合成運(yùn)算選擇M(·，﹢)模型進(jìn)行運(yùn)算[19]運(yùn)算公式如下。

(5)

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17. 0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和模糊數(shù)學(xué)法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)棉花施用控釋氮肥評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

棉花施用控釋氮肥效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立的目的是要提供一個(gè)科學(xué)的、可供操作的評(píng)價(jià)系統(tǒng)，以便能對(duì)棉花施用控釋氮肥的效益進(jìn)行有效地多層次多因素地綜合評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)因子的選擇是否合理對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的正確性有極為重要的影響，評(píng)價(jià)因子要選靈敏的、便于度量而且有代表性的指標(biāo)[5]。對(duì)棉花施用控釋氮肥效益評(píng)價(jià)的目的是建立生態(tài)環(huán)境友好型的生產(chǎn)模式，擯棄導(dǎo)致環(huán)境污染和生態(tài)退化的高耗低效的生產(chǎn)方式，達(dá)到生態(tài)合理性、經(jīng)濟(jì)可行性和社會(huì)可接受性。因此，把評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益三類評(píng)價(jià)指標(biāo)。

在構(gòu)建指標(biāo)時(shí)，由于棉花纖維的品質(zhì)直接影響其利用方式和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在考慮棉花施用控釋氮肥的社會(huì)效益時(shí)，通過評(píng)價(jià)棉花纖維品質(zhì)的指標(biāo)：纖維長(zhǎng)度、整齊度指數(shù)、馬克隆值、斷裂比強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率來定量表征；經(jīng)濟(jì)效益方面主要考慮皮棉產(chǎn)量和肥料的投入，計(jì)算出棉花生產(chǎn)的收益；生態(tài)環(huán)境效益方面主要考慮土壤-作物系統(tǒng)中，肥料的利用率和土壤養(yǎng)分貢獻(xiàn)率，肥料利用率是反映作物、土壤、肥料之間關(guān)系的動(dòng)態(tài)參數(shù)，土壤養(yǎng)分貢獻(xiàn)率則反映出土壤基本養(yǎng)分的平衡狀況。

根據(jù)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系確定評(píng)價(jià)的因素集為：

U={U1，U2，U3}={社會(huì)效益，經(jīng)濟(jì)效益，生態(tài)環(huán)境效益}

U1={u11，u12，u13，u14，u15}={纖維長(zhǎng)度，整齊度指數(shù)，馬克隆值，伸長(zhǎng)率，斷裂比強(qiáng)度}

U2={u21}={棉產(chǎn)收益}

U3={u31，u32}={氮肥利用率，土壤養(yǎng)分貢獻(xiàn)率}

2.2 以社會(huì)效益為單一目標(biāo)的棉花施用控釋氮肥的評(píng)價(jià)

表2為棉花施用控釋氮肥社會(huì)效益的各指標(biāo)值，根據(jù)公式(1)、(2)，計(jì)算得θ1(纖維長(zhǎng)度)=0.0164，θ2(整齊度指數(shù))=0.0074，θ3(馬克隆值)=0.0648，θ4(伸長(zhǎng)率)=0.0107，θ5(斷裂比強(qiáng)度)=0.0148，5項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重分別為ω1= 0.1435，ω2= 0.0648，ω3= 0.5682，ω4= 0.0938，ω5= 0.1297，可以看出馬克隆值的指標(biāo)所占權(quán)重較大。馬克隆值是反映棉花纖維粗度和成熟度的指標(biāo)，其數(shù)值越高，證明纖維粗度和成熟度越大。國家棉花標(biāo)準(zhǔn)馬克隆值按優(yōu)劣依次分為：A級(jí)(范圍為3.7～4.2)，B1級(jí)(范圍為3.5～3.6)，B2級(jí)(范圍為4.3～4.9)，C1(范圍為3.4及以下)，C2級(jí)(范圍為5.0及以上)[7]，環(huán)渤海潮土區(qū)棉花的馬克隆值屬C2級(jí)，所以在采用線性插值法建立綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度函數(shù)時(shí)，選擇指標(biāo)值越低效益越好，指標(biāo)計(jì)算公式(4)。

根據(jù)公式(3)、(4)求得隸屬度矩陣為：

將社會(huì)效益指標(biāo)權(quán)重向量A和不同氮肥用量處理的隸屬矩陣R進(jìn)行模糊復(fù)合運(yùn)算，根據(jù)公式(5)，其評(píng)價(jià)結(jié)果為：

表3 不同施肥處理對(duì)棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響Table 3 Effects of different fertilizer treatments on cotton yield and yield components

注：籽棉價(jià)格：15.6 元/kg；控釋氮肥N：12.6元/kg；尿素N：4.0元/kg ；P2O5：3.7元/kg；K2O：5.2元/kg。

[0.4830 0.3308 0.9269 0.7980 0.3619]

由模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，棉花施用控釋氮肥社會(huì)效益較高的是施等量控釋氮肥(CF1)，其評(píng)價(jià)值達(dá)到0.9，而社會(huì)效益最低的是常規(guī)氮肥尿素(F)和60 %控釋氮肥(CF3)，評(píng)價(jià)值為0.3左右，說明氮素對(duì)棉花品質(zhì)影響的重要性，這與鄧忠等[10]的研究結(jié)果是一致的。

2.3 以經(jīng)濟(jì)效益為單一目標(biāo)的棉花施用控釋氮肥的評(píng)價(jià)

本研究考慮經(jīng)濟(jì)效益的2個(gè)變量，一個(gè)為棉花的產(chǎn)值，另一個(gè)為肥料的消耗量，其收益見表3，因只考慮了棉花的收益，所以其評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重為ω= 1。

根據(jù)公式(3)、(4)求得隸屬度矩陣為：

R2=[0 1 0.3029 0.6094 0.3327]

模糊綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果為：

B2=A2·R2=R2=[1]·[0 1 0.3029 0.6094 0.3327]=[0 1 0.3029 0.6094 0.3327]

由模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，對(duì)棉花施用控釋氮肥的經(jīng)濟(jì)效益最高的是常規(guī)氮肥尿素(F)，5個(gè)不同處理的經(jīng)濟(jì)效益從高到低的順序?yàn)椋撼Ｒ?guī)氮肥尿素(F)>80 %控釋氮肥(CF2)>等量控釋氮肥(CF1)> 60 %控釋氮肥(CF3)>不施氮肥對(duì)照處理CK，由此看出，由于控釋肥料技術(shù)和工藝水平的限制，控施氮肥的成本還很高，在諸如棉花此類的大田作物施用控釋氮肥，投入相對(duì)還比較大，從經(jīng)濟(jì)效益角度考慮，略顯劣勢(shì)。

2.4 以生態(tài)效益為單一目標(biāo)的棉花施用控釋氮肥的評(píng)價(jià)

表4為棉花施用控釋氮肥生態(tài)效益的各指標(biāo)值，根據(jù)公式(1)、(2)，計(jì)算得θ1(氮肥利用率)= 0.5944，θ2(土壤養(yǎng)分貢獻(xiàn)率)= 0.5643，二項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重分別為ω1= 0.5130，ω2= 0.4870。

根據(jù)公式(3)、(4)求得隸屬度矩陣為：

根據(jù)公式(5)，進(jìn)行模糊復(fù)合運(yùn)算，其評(píng)價(jià)結(jié)果為：

B3=A3·R3=[0.5130 0.4870]·

0.5001 0.3468 0.5740 0.4333]

由模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，棉花施用控釋氮肥生態(tài)效益最高的是80 %控釋氮肥(CF2)，而不是不施肥對(duì)照處理CK，因?yàn)椴皇┓侍幚硐牧送寥乐匈A存的氮素養(yǎng)分，打破了原有土壤系統(tǒng)的氮素平衡，80 %控釋氮肥(CF2)在養(yǎng)分匱乏，保肥能力差的潮土上，其緩慢釋放氮素的特點(diǎn)體現(xiàn)出了優(yōu)勢(shì)。

2.5 以3種效益為綜合目標(biāo)的施氮量評(píng)價(jià)

本文借鑒了俞丹萍[6]在評(píng)價(jià)溫室黃瓜種植最優(yōu)化施肥模式中，利用專家打分法得出3項(xiàng)效益指標(biāo)的權(quán)重，分別為：ω1(社會(huì)效益)= 0.279，ω2(經(jīng)濟(jì)效益)= 0.326，ω3(生態(tài)環(huán)境效益)= 0.395。

根據(jù)B1、B2、B3，得到隸屬度矩陣R：

R=

由運(yùn)用公式(5)計(jì)算得：

B=A·R=[0.279 0.326 0.395]·

表4 不同處理氮素的利用效果Table 4 Nitrogen use effect under different fertilizer treatments

指標(biāo)CKFCF1CF2CF3生態(tài)效益氮肥利用率-36.1726.8442.9836.30土壤養(yǎng)分貢獻(xiàn)率-64.7071.1865.8475.27

[0.3271 0.6158 0.4943 0.6480 0.4406]

由此可得，棉花種植中施用控釋氮肥，綜合效益最高的是80 %控釋氮肥(CF2)，其評(píng)價(jià)值為0.65，常規(guī)氮肥尿素(F)處理的尿素的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，使其經(jīng)濟(jì)效益較高，綜合評(píng)價(jià)值為0.62。

3 討 論

本研究對(duì)棉花施用控釋氮肥的效益進(jìn)行多層次多因素地綜合評(píng)價(jià)，借助模糊數(shù)學(xué)理論，構(gòu)建了棉花施用控釋氮肥的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益3項(xiàng)主體指標(biāo)，8項(xiàng)分指標(biāo)的隸屬函數(shù)，主要通過變異系數(shù)法確定了各分指標(biāo)的權(quán)重，通過比較綜合評(píng)價(jià)值的大小指導(dǎo)控釋氮肥用量。在本次評(píng)價(jià)中所選的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系可以科學(xué)有效的評(píng)價(jià)棉花施用氮肥的綜合效益，基于模糊評(píng)價(jià)法的特點(diǎn)，評(píng)價(jià)體系還可以不斷完善，如生態(tài)環(huán)境效益指標(biāo)除了關(guān)注土壤系統(tǒng)，還可將水體和大氣相關(guān)指標(biāo)納入到評(píng)價(jià)體系中。對(duì)于肥料利用率的指標(biāo)，不適于兩種不同土壤的比較，王火焰等[20]對(duì)當(dāng)前肥料利用率的計(jì)算公式提出了異議，明確表示，當(dāng)前算法的肥料利用率并不是越高越好，如土壤保肥能力越強(qiáng)，土壤供應(yīng)養(yǎng)分的緩沖能力也越強(qiáng)，即使不施肥養(yǎng)分供應(yīng)水平也通常較高，因而肥料利用率會(huì)比較低。所以，不同土壤上農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益評(píng)價(jià)，可以選擇肥料的農(nóng)學(xué)效率，它反映了單位施肥量增加作物產(chǎn)量的能力，因?yàn)槊藁ㄎ盏氐哪芰κ且欢ǖ?每百千克皮棉吸收氮素5 kg左右)，農(nóng)學(xué)效率一定程度上反映了肥料的利用情況。

由評(píng)價(jià)值可以看出，環(huán)渤海潮土區(qū)棉花施用控釋氮肥的社會(huì)效益和生態(tài)環(huán)境效益都要高出常規(guī)氮肥尿素，但經(jīng)濟(jì)效益卻顯劣勢(shì)，因?yàn)榭蒯尫柿仙a(chǎn)成本高，價(jià)格一般相當(dāng)于普通化肥價(jià)格的2～8倍，在該地區(qū)施用控釋氮肥推薦用量為等養(yǎng)分常規(guī)尿素的80 %。在今后的研究中，一方面要提高緩控釋肥料施用的經(jīng)濟(jì)效益；另一方面要研究緩控釋肥料施用在環(huán)渤海潮土區(qū)棉花上的增產(chǎn)能力。應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)法來評(píng)價(jià)棉花施用控釋氮肥肥料效應(yīng)，既可兼顧環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，又可得到理想的經(jīng)濟(jì)收入，此方法可以推廣到其他作物、其他肥料的效益評(píng)價(jià)，以較好地指導(dǎo)肥料的科學(xué)有效利用。

4 結(jié) 論

在棉花施用控釋氮肥的效益評(píng)價(jià)中，只考慮社會(huì)效益時(shí)，施等量控釋氮肥(CF1)最高，其評(píng)價(jià)值達(dá)到0.9，而社會(huì)效益最低的是常規(guī)氮肥尿素(F)和60 %控釋氮肥(CF3)，評(píng)價(jià)值為0.3左右；僅考慮經(jīng)濟(jì)效益時(shí)，5個(gè)不同處理的經(jīng)濟(jì)效益從高到低的順序?yàn)椋撼Ｒ?guī)氮肥尿素(F)>80 %控釋氮肥(CF2)>等量控釋氮肥(CF1)> 60 %控釋氮肥(CF3)>不施氮肥對(duì)照處理CK；只考慮生態(tài)環(huán)境效益時(shí)，80 %控釋氮肥(CF2)而不是不施肥對(duì)照處理CK生態(tài)效益最高；將社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)環(huán)境效益三因素綜合考慮時(shí)，綜合效益最高的是80 %控釋氮肥(CF2)，可作為環(huán)渤海潮土區(qū)棉花施用控釋氮肥推薦用量。