酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評價指標體系的構(gòu)建及驗證

李青容，陳建軍，祖艷群，何永美，湛方棟，李博，李元

（云南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，昆明 650201）

由于各種化學和生物化學反應，土壤特征表現(xiàn)出不同的酸性或堿性。我國是繼歐洲、北美之后的第三大酸雨區(qū)，其中南方地區(qū)的酸性紅壤面積約占全國土地總面積的22.7%。農(nóng)田土壤酸化會使土壤板結(jié)、土壤孔隙減少、土壤中重金屬有效性提高、作物對養(yǎng)分的吸收減少，影響作物的生長發(fā)育和品質(zhì)。隨著“綠水青山就是金山銀山”的環(huán)保理念越來越深入人心，土壤污染問題愈發(fā)受到重視，如何降低土壤酸度，提高土壤肥力，利用有效的改良手段創(chuàng)造良好的土壤生態(tài)環(huán)境是眾多學者關(guān)注的焦點。

研究發(fā)現(xiàn)，石灰類、工業(yè)廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物、高分子材料和硅鈣鎂磷肥類等均對改良酸性土壤有一定效果，其判斷依據(jù)通常是酸性土壤的某項指標或作物的單一特征。通過對一種指標進行實驗前后數(shù)據(jù)對比分析，得出改良措施具體效果的實驗結(jié)論。然而不同的改良劑對土壤性質(zhì)和作物的影響各有不同。施加石灰可以有效降低土壤酸度，但對土壤養(yǎng)分無顯著影響；施加礦物類改良劑可以提高土壤中鈣、鎂、鉀含量，但缺乏有機質(zhì)的補充；施加鋼渣、粉煤灰等工業(yè)廢棄物既可以降低土壤酸度，也能提高土壤中鈣、鎂等營養(yǎng)成分，但是有重金屬污染的風險。油菜秸稈處理不能明顯降低土壤酸度，卻可以促進大麥幼苗生長。由此可見，這種方法并不能反映酸性土壤改良劑的整體效果。為了更加直觀地對不同改良劑效果進行比較，需要全面客觀地對土壤改良作用進行評價，對與改良效果相關(guān)的多個因子進行分析，將錯綜復雜的多個因子簡化成幾個相互獨立的綜合因子，然后利用綜合因子評價改良劑對土壤的改良作用。

當前的酸性土壤改良技術(shù)與政策中并沒有系統(tǒng)規(guī)范的技術(shù)選擇和綜合評價方法，不同學者提出的評價標準和方法也參差不齊，其結(jié)果存在較大的不確定性，甄選經(jīng)濟、合理、適用的酸性土壤改良方法是一個比較復雜的問題，故當前急需形成酸性土壤改良技術(shù)選擇的綜合評價體系，采用科學的綜合評價方法，提高技術(shù)選擇過程的透明性，降低主觀性。現(xiàn)代綜合評價方法有很多，如主成分分析法、灰色關(guān)聯(lián)度法、層次分析法、模糊綜合評價法等。由于評價對象的所屬目標范圍不同，現(xiàn)代綜合評價方法在選用與實際技術(shù)應用時存在一定的差異。劉桂民等運用因子分析法基于土壤質(zhì)量、土壤容重、土壤養(yǎng)分對不同人工林的土壤改良效果進行綜合評價。吳瑞華等在研究改良劑對土壤及稻米重金屬含量、水稻及其秸稈產(chǎn)量的影響中，開展了地積累指數(shù)法和Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法評價。周昊等利用層次分析法在復合基質(zhì)的pH值、營養(yǎng)成分以及植物生長狀況的基礎(chǔ)上構(gòu)建了復合基質(zhì)方案選取的綜合評價指標體系。

層次分析法（Analytic hierarchy process，AHP）應用于環(huán)境、經(jīng)濟和社會等方面的行業(yè)中已有相當廣泛的文獻基礎(chǔ)。本研究選用層次分析法建立全面可行的農(nóng)田酸性土壤改良效果綜合評價體系，為酸性農(nóng)田土壤改良技術(shù)的遴選和評價提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大田實驗地點選在云南省梁河縣河西鄉(xiāng)（24°53'02.79″N，98°18'44.41″E），由于當?shù)劐a礦的開采，該地區(qū)農(nóng)田土壤平均pH值為4.58，屬于嚴重酸性土壤，且全鎘（Cd）平均含量為0.33 mg·kg、全銅（Cu）平均含量為58.39 mg·kg，依照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018），該地區(qū)重金屬Cd、Cu輕微超標。

實驗共設(shè)置18個處理小區(qū)，標號1～18，每個小區(qū)面積為6.5 m×2.6 m。2020年3月施改良劑（表1），穩(wěn)定60 d后種植玉米和皇竹草，待作物成熟后采集土樣和植物樣。改良劑由云南省圣清環(huán)保股份有限公司提供，施加量為其推薦添加量。

表1 大田實驗處理Table 1 Field experimental treatments

1.2 研究方法

1.2.1 基于AHP的酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評價體系的構(gòu)建

20世紀70年代，薩蒂（Saaty）提出了一種通過計算決策權(quán)重將定性與定量分析相結(jié)合的多目標決策分析方法——層次分析法（AHP），該方法可將主觀判斷進行量化。AHP能夠通過對專家打分進行一致性驗證，剔除明顯存在邏輯錯誤的數(shù)據(jù)，從而提高決定性數(shù)據(jù)的準確性，為最終結(jié)果的計算提供更好的依據(jù)。文獻分析法是指通過數(shù)據(jù)庫搜集、鑒別、整理某一研究主題的相關(guān)文獻，并對其進行系統(tǒng)性分析來獲取信息，進而形成對事實科學認識的一種研究方法。

（1）評價指標篩選

評價指標是進行評價的基礎(chǔ)，是反映評價客體的基本要素，制定有效的評價指標體系是改良效果評價的核心環(huán)節(jié)和重要步驟，更是評價成功的保證。評價指標應滿足科學性、代表性和可操作性3個原則。評價指標體系的初步確定是通過文獻分析法，在查閱相關(guān)文獻、摘錄指標并統(tǒng)計分析各項指標的相關(guān)數(shù)據(jù)后確定。本研究查閱與酸性土壤改良相關(guān)的有效文獻共125篇，摘錄文獻中的實驗指標102個，共755組（按添加改良劑處理計算），摘錄指標名稱見表2。

表2 文獻摘錄指標及出現(xiàn)頻度Table 2 Index and frequency of literature extract

本文立足于指標頻度分析和理論分析，結(jié)合實例驗證時測樣可獲得性，從表2中選取土壤pH、有機質(zhì)等31個指標，初步確定了酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評價指標，見表3。土壤容重通過影響土壤孔隙狀況來調(diào)節(jié)土壤水分入滲情況及土壤持水能力，用以反映土壤的物理性質(zhì)；土壤酶活性作為表征土壤微生物性質(zhì)的重要指標被廣泛使用。故以土壤容重和孔隙度代表土壤物理因素的變化，以脲酶和過氧化氫酶活性表示土壤生物因素的變化，以此體現(xiàn)本體系指標的獨立性和綜合性，同時為減輕工作量，根據(jù)專家咨詢結(jié)果，將土壤含水率等7個指標刪除，再綜合研究指標數(shù)據(jù)的可評性、評價標準的可確定性等因素，構(gòu)建了1個最高層指標、3個中間層指標和24個最低層指標的酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評價指標體系，詳見表4。

續(xù)表2文獻摘錄指標及出現(xiàn)頻度Continued table 2 Index and frequency of literature extract

表3 初步酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評價指標Table 3 Preliminary comprehensive evaluation index of acid farmland soil improvement effect

（2）構(gòu)造判斷矩陣

對表4中的各指標組數(shù)頻率和文獻頻度歸一化至1～9區(qū)間，并通過專家問卷調(diào)查對各指標重要性進行打分，計算3種得分的平均值，依照Satty的1～9比例標度（表5），兩兩比較最低層所有評價指標對中間層某一指標和中間層所有評價指標對最高層指標相對的重要性來構(gòu)建判斷矩陣，判斷矩陣見表6～表9。

表4 酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評價指標體系Table 4 Comprehensive evaluation index of acid farmland soil improvement effect

表5 判斷矩陣標度及含義Table 5 Scale and meaning of judgment matrix

表6 最高層對于中間層的判斷矩陣Table 6 Judgment matrix of the top layer to the middle layer

表9 中間層M3對于最低層的判斷矩陣Table 9 Judgment matrix of the middle layer M3 to the lowest layer

（3）權(quán)重系數(shù)的計算和檢驗

對各個判斷矩陣進行AHP研究（計算方法為和積法），得到特征向量和權(quán)重值。根據(jù)特征向量計算出最大特征根，然后利用最大特征根值計算得到值，值用于一致性檢驗使用。研究評價權(quán)重計算結(jié)果的一致性檢驗結(jié)果，即計算一致性指標值。通常情況下值越小，說明判斷矩陣一致性越好。一般情況下值小于0.1，則判斷矩陣滿足一致性檢驗；如果值大于0.1，則說明不具有一致性，應該對判斷矩陣進行適當調(diào)整后再次分析。具體步驟如下：

（1）按式（1）將判斷矩陣每一列正規(guī)化。

式中：為比較矩陣階數(shù)，也表示指標個數(shù)，下同。

（2）按式（2）將每一列正規(guī)化后的判斷矩陣按行相加，得到向量矩陣——式（3）。按式（4）正規(guī)化。

所得到的=[，，…，w]即為所求特征向量。

（3）按式（5）計算判斷矩陣最大特征值。

式中：（）表示向量的第個元素。

（4）一致性檢驗：按式（6）計算一致性指標。

由表10查找隨機一致性指標，由式（7）計算一致性比率。

表10 隨機一致性RI表格Table 10 Random consistency RI table

1.2.2 評價結(jié)果計算

逼近理想解排序法（Technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS）在數(shù)學上是一種趨于理想解的排序，可以較為客觀地在多指標條件下對各方案進行排序。通過判斷評價對象與正、負理想解的距離來對方案做出評價。若方案最靠近正理想解和最遠離負理想解，則為最佳方案。

為了消除不同數(shù)據(jù)指標量綱的影響，有必要對各指標數(shù)據(jù)進行正向標準化，得到標準化矩陣Z=（z）（為不同處理，為評價指標）。定義正理想解=（max{，，...，z}，...，max{，，...，z}），負理想解=（min{，，...，z}，...，min{，，...，z}）。評價指標與的距離（）和與的距離（）的計算公式為：

式中：w表示各指標權(quán)重；z和z分別表示各指標正理想解和負理想解；z為標準化數(shù)據(jù)。

綜合得分為：

對S進行歸一化處理，得到相對接近度，0≤≤1，越高即越小，該處理結(jié)果與正理想解距離越小時處理效果越好，越低代表處理效果越差。

2 結(jié)果與討論

2.1 酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評價指標體系權(quán)重系數(shù)

根據(jù)層次分析法得出各層指標的分析結(jié)果見表11。

表11 各指標層AHP層次分析結(jié)果Table 11 AHPanalysis results of each indicator level

本次分析的值均小于0.1，一致性檢驗均通過，說明AHP得出的權(quán)重系數(shù)具有合理性。最后得出酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評價指標體系，如表12所示。該指標體系顯示權(quán)重比較大的指標集中在土壤肥力和玉米生長與安全兩個方面，分別為0.633與0.261；在最低指標層中，pH、生物量、有機質(zhì)指標權(quán)重最大，分別為0.149、0.086和0.086。

表7 中間層M1對于最低層的判斷矩陣Table 7 Judgment matrix of the middle layer M1 to the lowest layer

表8 中間層M2對于最低層的判斷矩陣Table 8 Judgment matrix of the middle layer M2 to the lowest layer

表12 酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評價指標體系Table 12 Comprehensive evaluation index system of soil improvement effect of acid farmland

2.2 酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評價指標體系的驗證及應用

2.2.1 基于大田實驗結(jié)果的評價指標體系驗證

主成分分析（Principal component analysis，PCA）是建立最小數(shù)據(jù)集的主要方法，通過降維將多個指標轉(zhuǎn)化為少數(shù)指標，消除眾多指標間的相關(guān)性，因此可以用作指標篩選和綜合評價。根據(jù)大田實驗數(shù)據(jù)，利用主成分分析篩選出對實驗結(jié)果影響較大的指標，以此驗證評價體系指標權(quán)重的合理性。

利用SPSS20.0軟件對大田實驗結(jié)果中的評價指標（未測數(shù)據(jù)不進入統(tǒng)計）進行主成分分析，得到主成分1和主成分2，計算出各主成分的表達式為：

主 成 分1：=-0.098 L1+0.133 L3+0.190 L4-0.015 L5+0.337 L8-0.221 L10-0.101 L12-0.0337 L13+0.149 L14-0.239 L15+0.186 L16+0.239 L17+0.236 L18-0.162 L19+0.0213 L21+0.224 L22+0.224 L23-0.221 L24

主成分2：=0.282 L1-0.257 L3+0.187 L4+0.309 L5+0.387 L8-0.117 L10+0.157 L12+0.177 L13-0.241 L14+0.002 L15+0.194 L16-0.008 L17+0.047 L18+0.178 L19-0.006 L21+0.106 L22+0.106 L23+0.118 L24

由上述主成分的表達式可知：在第1主成分的表達式中，土壤pH（L8）、生物量（L17）的系數(shù)較大；在第2主成分的表達式中，土壤pH（L8）、速效鉀（L5）、有機質(zhì)（L1）的系數(shù)較大。綜合分析上述結(jié)果，土壤pH（L8）、生物量（L17）、速效鉀（L5）、有機質(zhì)（L1）對改良效果影響較大。這與本研究構(gòu)建的指標體系中指標權(quán)重相符合，進一步證明了該評價體系的合理性。

2.2.2 大田實驗改良效果評價

針對不同的作物（玉米、皇竹草），將改良劑處理得到的實驗數(shù)據(jù)進行標準正向化處理（標準差法），得出各指標標準化值（表13），用于后續(xù)加權(quán)處理。

表13 大田實驗結(jié)果標準化值Table 13 Standardized values of field experiment results

根據(jù)表12中的權(quán)重值，對處理過的實驗指標數(shù)據(jù)進行加權(quán)運算并根據(jù)TOPSIS法進行排序，最終得到該實驗中酸性農(nóng)田土壤改良效果的綜合評價排名。由表14可以看出，改良效果最好的是SQC204，其次是SQC201，這兩種改良劑處理雖然降低了土壤中的有機質(zhì)含量，但都提高了土壤pH，增加了玉米的生物量，對于土壤肥力、玉米生長與安全和經(jīng)濟效益都有重要意義，所以其綜合改良效果仍比CK組好。而SQFC-00S對土壤的改良效果較差，這可能與其處理下評價體系中權(quán)重較大的土壤pH降低和生物量減少有關(guān)。

表14 大田實驗改良效果綜合評價結(jié)果Table 14 Comprehensive evaluation results of field experiment improvement effect

在我國南方地區(qū)，酸性土壤改良已成為一個重要的研究課題，相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜抑鲗У拇笮突蛐⌒屯寥拉h(huán)境保護項目也愈發(fā)增多，然而對于改良效果，仍缺乏分類別、分目標、系統(tǒng)化的客觀評價體系，大多采用以往文獻中提及過的個別的、離散化的指標，通過指標值的升高或降低片面地得出某些結(jié)論，不利于從中尋求效果最優(yōu)的模式進行凝練和推廣。本研究利用層次分析法定量和定性相結(jié)合地分析問題的特點，將人的主觀判斷和客觀現(xiàn)象進行量化表達，提高了評價方法本身的客觀性和有效性。評價指標的篩選以及判斷矩陣的得分綜合考慮了各個指標在文獻中出現(xiàn)的頻率和組數(shù)、專家評價以及實驗過程的可獲得性，且得出的權(quán)重系數(shù)均通過了一致性檢驗，具有較強的客觀性和合理性。

研究表明，當今對于酸性農(nóng)田土壤改良效果的評價，土壤pH仍是最主要的核心因素，是影響土地環(huán)境質(zhì)量、限制作物產(chǎn)量的重要指標之一。從評價體系指標權(quán)重來看，權(quán)重最高的也是土壤pH，但土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、生物量等反映土壤養(yǎng)分和作物生長的因素也不能忽視。就中間層權(quán)重分布看，權(quán)重比較大的指標集中在土壤肥力（0.633），土壤肥力中權(quán)重較高的是營養(yǎng)和化學因素指標，物理和生物因素的指標權(quán)重較低，其原因可能是當前土壤物理和生物因素對土壤改良效果的影響研究較少。就最低層指標來說，除土壤pH外，土壤有機質(zhì)、玉米生物量權(quán)重最大，均為0.086。實驗評價結(jié)果中由于SQC204的施加顯著提高了土壤pH和有效磷含量以及玉米生物量，所以其改良效果最好，與之相反的SQFC-00S效果則最差。這與本文構(gòu)建的綜合評價體系中的最低層指標權(quán)重最大為土壤pH、有機質(zhì)、生物量關(guān)系一致。評價體系中各個指標權(quán)重在一定程度上反映了各指標對總體評價結(jié)果的影響，說明本文構(gòu)建的綜合指標體系結(jié)合了土壤pH、營養(yǎng)成分、植物的生長狀況及經(jīng)濟效益多方面因素，實現(xiàn)了對酸性農(nóng)田土壤改良效果的整體性評價，符合酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評價要求。

3 結(jié)論

（1）通過文獻分析法選取最能反映酸性農(nóng)田土壤改良效果的指標，構(gòu)建了酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評價體系，針對各個評價指標之間的關(guān)系，利用層次分析法確定權(quán)重系數(shù)，建立了一個酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評價體系。

（2）將本研究建立的評價體系應用于酸性農(nóng)田土壤改良實驗中，得出綜合評價效果，纖維素改良劑效果最好的是SQC204，同時利用實驗數(shù)據(jù)證明了其合理性。