運用功效函數(shù)對藜麥種植可持續(xù)性的研究

魏志敏 劉 猛 夏雪巖 崔紀菡 趙 宇 劉建軍 李順國 劉秋紅

（1 河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所/河北省雜糧研究實驗室/國家谷子改良中心，石家莊 050035；2 河北省雜糧產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，邯鄲 056001；3 河北醫(yī)科大學(xué)，石家莊 050035）

藜麥（Cheuopodium quinoaWilld.）原產(chǎn)于安第斯山脈，有5000 多年的種植歷史，藜麥營養(yǎng)價值高且全，具有多種開發(fā)利用價值[1]。目前在我國新疆、西藏、甘肅、寧夏、青海、內(nèi)蒙古、山西、河北等高海拔冷涼地區(qū)均有種植。藜麥品種繁多、生態(tài)類型豐富，且品種表現(xiàn)隨環(huán)境變化而產(chǎn)生差異[2]。

一個藜麥品種在不同地區(qū)種植會有不同的表現(xiàn)，其可持續(xù)性主要體現(xiàn)在產(chǎn)量、籽粒的品質(zhì)以及對生態(tài)環(huán)境的影響上。影響產(chǎn)量的因素有很多，主要受株高、倒伏率和收獲指數(shù)影響，在一定條件下株高越低抗倒伏性就越強，越能提高產(chǎn)量；收獲指數(shù)低說明藜麥在這個區(qū)域種植的生殖生長受到影響，會降低產(chǎn)量[3]。籽粒的品質(zhì)主要體現(xiàn)在蛋白質(zhì)、脂肪和淀粉含量上，蛋白質(zhì)含量越高品質(zhì)越好[4]。對環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在對水資源以及農(nóng)藥化肥的使用量上[5]。一個藜麥品種適合種植在哪個區(qū)域需要量化指標來衡量，近年來多指標綜合評價方法發(fā)展較快，其中功效函數(shù)在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

功效函數(shù)評價法通過功效函數(shù)將不同量綱指標實際值轉(zhuǎn)化為無量綱的功效數(shù)值，然后采用線性或者非線性方法將同度量的功效函數(shù)綜合起來，得到綜合評價值[6]。功效函數(shù)是一種簡單、有效、合理的計算方法，尤其適用于對系統(tǒng)現(xiàn)階段的基本狀況評價分析[7]。但是使用在農(nóng)作物方面的研究很少，本課題組首次運用功效函數(shù)對藜麥種植的可持續(xù)性進行量化分析。本文基于系統(tǒng)論、運用功效函數(shù)模型評價法對藜麥種植系統(tǒng)進行評價，通過定量分析，對藜麥種植系統(tǒng)及其子系統(tǒng)的可持續(xù)性作出判斷[8]，以此提出促進藜麥種植可持續(xù)發(fā)展的對策，這對藜麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料試驗品種燕藜1號，生育期113～116d，株高165.90～168.91cm，分枝數(shù)20～26 個，單株穗重110.2～115.2g，單株粒重70.5～81.3g。穗型為緊穗型，穗長60.4～62.7cm，千粒重3.19g。粒白色，藥片形，米白色。植株整齊，根系發(fā)達，莖稈粗壯、堅韌，抗倒伏、抗旱能力強，灌漿速度快。

1.2 試驗方法2021年在河北省北部的沽源縣、張北縣、豐寧縣和圍場縣4 縣種植燕藜1號，每個試驗點種植2000m2，3 次重復(fù)。5 月20 日覆膜種植，膜下鋪設(shè)滴灌帶，行距均為40cm，株距20cm。為了模擬當?shù)貙嶋H種植情況，施肥、灌溉和噴施農(nóng)藥均以當?shù)胤N植實際情況為依據(jù)，不做統(tǒng)一規(guī)定。

1.3 指標體系的建立及權(quán)重確定借鑒國內(nèi)外有關(guān)作物種植指標體系中的成功經(jīng)驗，結(jié)合藜麥種植特點，進行評價指標的篩選，共搜集評價指標15個。建立一個由3 個層、5 個系統(tǒng)、15 個具體指標組成的藜麥種植指標體系。采用AHP 法通過兩兩比較的方式，計算出各項評價指標的相對權(quán)重值（表1）[9]。

表1 藜麥種植評價指標體系及其權(quán)重

1.4 評價方法功效函數(shù)評價方法，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，狀態(tài)方程為線性；函數(shù)的極值點是系統(tǒng)穩(wěn)定區(qū)域的臨界點；變量在系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)時也有量的變化，這種量的變化對系統(tǒng)有序度有兩種功效：一種是正功效，即隨變量的增大，系統(tǒng)有序度趨勢增大；一種是負功效，即隨變量的增大，系統(tǒng)有序度趨勢減少[6]。假設(shè)藜麥種植系統(tǒng)的序參數(shù)為Ui（i=1，2...，n），系統(tǒng)序參量對系統(tǒng)有序的功效可表示如下。

式中，Xi為各指標變量值，Ui為變量Xi對系統(tǒng)有序的功效；αi、βi分別是系統(tǒng)穩(wěn)定臨界點的序參數(shù)量的上、下限值。

系統(tǒng)可持續(xù)性的功效函數(shù)可用以下兩種方法表示。

Wi為第i 項評價指標的權(quán)重。

在上述2 個計算模型中，幾何平均法假設(shè)各指標對系統(tǒng)持續(xù)性具有相同的重要性，不涉及到指標權(quán)重的確定，計算各子系統(tǒng)的持續(xù)性時應(yīng)用幾何平均法計算模型；但是在藜麥種植可持續(xù)性系統(tǒng)分析中，各個指標的權(quán)重并非完全一致，計算藜麥種植系統(tǒng)綜合持續(xù)性時應(yīng)用線性加權(quán)和法計算模型[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 藜麥評價指標數(shù)據(jù)將2021年燕藜1號在河北省沽源縣、張北縣、豐寧縣和圍場縣種植試驗數(shù)據(jù)匯總，通過咨詢專家，得到藜麥種植系統(tǒng)中各指標的上下限臨界值，根據(jù)指標體系要求，整理成表2。

表2 燕藜1號種植評價指標體系各指標數(shù)值及臨界值

2.2 燕藜1號15 個評價指標的功效值根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)，應(yīng)用上述功效函數(shù)得出燕藜1號在河北壩上4 個區(qū)域種植的各評價指標的可持續(xù)性值（表3）。

表3 燕藜1號在4 個區(qū)域種植體系中評價指標的可持續(xù)性值

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，運用功效函數(shù)的幾何平均法得出燕藜1號在4 個區(qū)域種植中5 個子系統(tǒng)的持續(xù)性（表4）。農(nóng)藝性狀子系統(tǒng)（B1）可持續(xù)性的優(yōu)劣順序是：沽源縣>張北縣>豐寧縣>圍場縣；農(nóng)藝性狀子系統(tǒng)主要由株高、收獲指數(shù)和抗倒伏率組成，在沽源縣種植的燕藜1號這3 個指標均高于其他3 個縣，圍場縣種植表現(xiàn)最低，主要原因是株高較高和收獲指數(shù)較低。土壤肥力子系統(tǒng)（B2）可持續(xù)性的優(yōu)劣順序是：圍場縣>沽源縣>張北縣>豐寧縣；由此可見圍場縣的土壤肥力均高于其他3 個縣，豐寧縣的土壤肥力最低。籽粒營養(yǎng)子系統(tǒng)（B3）可持續(xù)性的優(yōu)劣順序是：張北縣>沽源縣>豐寧縣>圍場縣；在張北縣種植的燕藜1號籽粒中蛋白質(zhì)含量最高，高蛋白是藜麥的最大優(yōu)勢。由此可以得出在張北縣種植的藜麥品質(zhì)最高，其次是沽源縣，再次是豐寧縣，最后是圍場縣。張家口（沽源縣和張北縣）種植的藜麥品質(zhì)高于承德（豐寧縣和圍場縣）種植的藜麥。作物產(chǎn)能子系統(tǒng)（B4）可持續(xù)性的優(yōu)劣順序是：沽源縣>張北縣>豐寧縣>圍場縣；從產(chǎn)能來看張家口2 縣均高于承德2 縣。也說明燕藜1號在張家口壩上種植優(yōu)勢更大。生態(tài)環(huán)保子系統(tǒng)（B5）可持續(xù)性的優(yōu)劣順序是：沽源縣>圍場縣>豐寧縣>張北縣。張北縣種植藜麥對環(huán)境的影響最大，這與張北縣水資源短缺也有很大關(guān)系，其次就是與化肥的用量較大有關(guān)。

表4 燕藜1號在4 個區(qū)域種植各子系統(tǒng)的可持續(xù)性值

2.3 燕藜1號在4 個區(qū)域種植的綜合可持續(xù)性據(jù)表4的數(shù)據(jù)可知，應(yīng)用功效函數(shù)線性加權(quán)和法計算出這些指標在4 個地區(qū)總功效值，得出燕藜1號在4 個區(qū)域的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展度（表5）。燕藜1號在這4 個區(qū)域總的可持續(xù)性優(yōu)劣順序是：沽源縣>張北縣>圍場縣>豐寧縣。可以看出燕藜1號在沽源縣種植可持續(xù)性較高，沽源縣的海拔高度平均為1536m，年日照時數(shù)最長3246h，最短2616h，年降水量426mm，無霜期120d，沽源縣的生態(tài)環(huán)境很適合燕藜1號生長，豐寧縣可持續(xù)性最低，與種植地的海拔較低有關(guān)。

表5 燕藜1號在4 個區(qū)域種植的可持續(xù)性值

3 結(jié)論與討論

本評價體系對燕藜1號在河北壩上4 縣種植的可持續(xù)性進行評價，得出綜合可持續(xù)性。在農(nóng)藝性狀子系統(tǒng)、土壤肥力子系統(tǒng)、籽粒營養(yǎng)子系統(tǒng)、作物產(chǎn)能子系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)保子系統(tǒng)均給予了相應(yīng)的評價和分析，得到每個指標無量化數(shù)值（功效值），使得對燕藜1號在4 縣種植情況一目了然，各個指標通過無量化處理也能夠使各指標縱向比較，為藜麥品種選擇適宜種植區(qū)提供數(shù)字化參考。

本文在已建立的藜麥種植系統(tǒng)評價指標體系和權(quán)重的基礎(chǔ)上，首次應(yīng)用功效函數(shù)評價模型對燕藜1號在河北壩上4縣種植的可持續(xù)性進行了評價，評價的結(jié)果和客觀情況基本相符，但經(jīng)專家討論認為本研究得到的綜合可持續(xù)性值比實際值偏低，鑒于誤差小于0.2，結(jié)果仍可取。功效函數(shù)評價方法還存在一定局限性，例如只能較準確地反映系統(tǒng)過去及目前的狀況，不能準確預(yù)測系統(tǒng)未來的持續(xù)發(fā)展狀況，有待科學(xué)家們探索新的方法。