基于熵權法的餐廚垃圾沼液農(nóng)田利用綜合評價

喬宇穎，李娜，奚輝，胡振華，干瑩瑩，陳喜靖，喻曼*

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021；2.浙江恒海農(nóng)業(yè)科技集團有限公司，浙江 寧波 315100)

餐廚垃圾沼液是餐廚垃圾經(jīng)厭氧消化產(chǎn)生的有機廢水，含鹽量較高，若利用不善，可能會導致土壤鹽分積累和次生鹽漬化問題[1]。國內(nèi)外眾多學者認為施用沼液能提高土壤中氮、磷、鉀及有機質的含量，改善作物品質[2-3]，沼液在改善土壤鹽堿性[4]、提高土壤微生物多樣性[5-6]方面也有較好的作用。但是，在濱海灘涂鹽土地區(qū)存在土壤本身含鹽量較高、地下水埋淺、灌溉水礦化度較高和降水量相對豐富但分布不均等問題[7]，限制了餐廚垃圾沼液的安全有效利用，進而影響土壤環(huán)境和生態(tài)安全。黃繼川等[8]研究表明，施用適量沼液能夠提高土壤微生物群落結構多樣性，過多則效果降低，連續(xù)施用沼液對微生物群落結構的影響具有累積疊加效應。徐曉萌[9]對土壤細菌群落結構進行多樣性分析發(fā)現(xiàn)，施用沼液可以增加土壤微生物群落多樣性，在正常的沼液處理水平下，不會顯著破壞土壤微生物生態(tài)區(qū)系的健康穩(wěn)定。耿青云等[10]研究發(fā)現(xiàn)，沼液農(nóng)田利用需要綜合同時考慮施用量和施用位置，在1～5 cm土層施用沼液，其施用量不適宜會導致電導率和pH值升高。王宗壽[11]和倪亮等[12]研究發(fā)現(xiàn)，施用沼液不同程度地提高了土壤的pH值，防止土壤電導率的增加，減少鹽害。因此，在濱海灘涂鹽土地區(qū)施用沼液要求不僅要從作物產(chǎn)量或某項單一品質指標考慮，更要從產(chǎn)量、品質、土壤環(huán)境、土壤生態(tài)等多指標進行綜合評價。

熵權法是一種客觀賦權法，能有效避免人為確定各指標重要性或極值影響造成的誤差[13]。熵理論反映了信息的無序程度，當某項指標承載的信息越多，它對決策的影響就越大[14]?；陟貦喾ǖ奶匦耘c優(yōu)點，越來越多的研究者選擇運用熵權法對自己的研究區(qū)域進行綜合評價。蘭道云等[15]運用熵權法對不同密度油松人工林的土壤保育功能進行了評價；邱陸旸等[13]選擇了5種主要林地類型的土壤為評價對象，建立了包含11項指標的評價體系，應用熵權法綜合研究了不同林地土壤的抗蝕性差異和主要影響因素；林坤等[16]運用熵權法對黃土丘陵區(qū)賀莊溝流域土壤水分各影響因子在不同土層深度下的權重進行分析，描述了各影響因子對土壤水分的影響程度；Hasan等[17]利用熵權法對橫河下游盆地流域地下水水質進行了評價；周榮興等[18]以安徽省為例，建立了基于熵權組合權重的區(qū)域水資源承載力和相應的等級標準預警模式。基于此，本文以餐廚垃圾沼液不同施用比例下西蘭花試驗為基礎，選取了3大類指標(作物、土壤養(yǎng)分和土壤微生物)，19項指標(含作物產(chǎn)量、品質、土壤鹽分、土壤養(yǎng)分、土壤細菌、土壤真菌等)，運用熵權法綜合評價餐廚垃圾沼液施用對農(nóng)田的綜合影響，以期為餐廚垃圾沼液在濱海鹽堿地的利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗所用西蘭花品種為炎秀，供試沼液為餐廚垃圾沼液，取自寧波有機固廢處理公司，其總氮、總磷和總鉀含量分別為1 340 mg·L-1、69 mg·L-1和714 mg·L-1。供試化肥為當?shù)厥惺勰蛩亍⑦^磷酸鈣和氯化鉀。

1.2 試驗設計

田間試驗于2020年9月至2021年3月在浙江省寧波市慈溪市觀海衛(wèi)鎮(zhèn)海涂試驗基地進行。試驗共設置5個處理，純化肥(CF)；沼液25%+化肥75%(以氮計，下同，T25)；沼液50%+化肥50%(T50)；沼液75%+化肥25%(T75)；沼液100%(T100)。每個處理重復3次，共計15個小區(qū)，小區(qū)面積4 m×8 m。田間管理同當?shù)爻Ｒ?guī)管理一致，沼液和化肥施用采用滴灌方式。

在西蘭花收獲期記錄產(chǎn)量，并采集可食部位測定可溶性糖、蛋白質以及維生素C的含量；采用五點取樣法采集土壤表層樣品(0～20 cm)，混合均勻，一部分放入保溫箱帶回實驗室后放入-20 ℃冰箱保存，另一部分待自然風干后，過2 mm篩備用。

1.3 測定項目與方法

土壤養(yǎng)分指標檢測參照《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》[19]。土壤微生物總量、細菌、真菌、放線菌、革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌含量采用磷脂脂肪酸法(phospholipid fatty acid，PLFA)進行檢測[20]。西蘭花可食部位可溶性糖含量采用3，5-二硝基水楊酸法測定；蛋白質含量采用考馬斯亮藍G-250染色法測定；維生素C含量測定采用2，6-二氯靛酚滴定法。

2 研究方法

采用熵權法分別對各大類指標的權重進行計算，一般情況下，評價指標的離散度越大，信息量和權重越大。相反，評價指標的離散度越小，信息量和權重越小。通常需對數(shù)據(jù)進行標準化處理，以消除各評價指標的量綱，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的可比性。熵權法的具體計算過程如下：

(1)構建原始評價指標矩陣

X=(xij)m×n。

(1)

并對矩陣進行標準化處理，標準化方法如下。

正向指標：

yij=[xij-minj(xij)]/[maxj(xij)-minj(xij)]。

(2)

負向指標：

yij=[maxj(xij)-xij]/[maxj(xij)-minj(xij)]。

(3)

式中，xij為第i個試驗處理的第j個指標值，yij為相應的標準化值。

(2)計算各指標信息熵。

(4)

(3)計算指標的權重。

(5)

3 結果與分析

3.1 餐廚垃圾沼液農(nóng)田利用后各指標變化情況

試驗結果表明(表1)，T25、T50、T75和T100處理與CF處理下的西蘭花產(chǎn)量之間沒有明顯的差別，說明沼液滴灌基本不影響西蘭花的產(chǎn)量。沼液滴灌后，西蘭花的維生素C含量和蛋白質含量有所下降，可溶性糖含量有所上升，并且在T75和T100處理下上升明顯，表明沼液滴灌對西蘭花品質的影響有好有壞。與CF處理相比，沼液替代處理的西蘭花品質差異不大。從土壤養(yǎng)分指標來看，pH值在常規(guī)施肥和沼液滴灌處理中均有所降低，但在T100處理下，pH值有所升高；土壤有機質和全氮在常規(guī)施肥和沼液滴灌處理中均呈現(xiàn)降低趨勢，且沼液T25和T100處理中降低得最明顯，表明過少或過多的沼液都會使得土壤有機質和全氮有較大的損失；土壤有效磷含量在T50處理中明顯較低，土壤速效鉀含量在T75和CF處理中明顯較低。試驗樣本中共提取到44條有效的單體PLFA，通過比較不同比例餐廚垃圾沼液滴灌后土壤微生物群落結構變化(表1)，結果表明，沼液替代處理中土壤微生物總量、細菌、真菌和放線菌含量均明顯高于常規(guī)施肥處理。張無敵等[21]的研究結果表明，沼液灌溉能不同程度增加表層土壤細菌、真菌數(shù)量和微生物多樣性指數(shù)。在等氮條件下，化肥合理配施沼液能增加土壤微生物數(shù)量[22]，能提高土壤氨氧化速率和氮素礦化能力，提高微生物活性[23]。長期定位研究[24-25]表明，沼液能促進土壤中微生物的繁殖，有利于土壤中多種微生物的均衡生長和土壤微生物種群的均勻分布，從而改善微生物群落結構。這與本文研究較為一致。

3.2 餐廚垃圾沼液農(nóng)田利用不同處理的指標熵權

以產(chǎn)量、可溶性糖含量、維生素C含量和蛋白質含量為指標，計算不同處理的熵權值(表2)，信息熵為0.39～0.55，其中信息熵最高的為西蘭花產(chǎn)量，對應權重0.21，信息熵最低的為維生素C含量，對應權重0.28，這說明西蘭花維生素C含量在不同處理間的敏感度大于西蘭花產(chǎn)量。進一步計算土壤各養(yǎng)分指標熵權值(表2)，各指標信息熵為0.43～0.57，信息熵最低的為全氮含量和ECe，對應權重分別為0.17和0.16，其中全氮含量為正向指標，ECe為負向指標。說明在沼液滴灌條件下，土壤全氮和ECe較其他指標更敏感。不同群落指標的信息熵為0.40～0.54，最高信息熵為細菌含量/真菌含量指標，權重為0.11，最低信息熵為革蘭氏陽性含量/革蘭氏陰性含量指標，權重為0.14，該結果表明，在沼液滴灌條件下，革蘭氏陽性含量/革蘭氏陰性含量指標比細菌含量/真菌含量指標更為敏感。

3.3 餐廚垃圾沼液農(nóng)田利用不同處理評分

以產(chǎn)量、可溶性糖含量、維生素C含量、蛋白質含量為指標對不同處理進行評分，排序如表3所示，綜合分排序從大到小依次為CF>T25>T75>T50>T100，說明沼液滴灌模式下對西蘭花產(chǎn)量和品質整體還是有一定影響，且隨沼液施用比例增加，影響增大?；谕寥鲤B(yǎng)分指標對各處理進行綜合評分(表3)，處理T50和T25接近，排序分別為1和2，處理CF和T100接近，排序分別為3和4?；赑LFA微生物群落指標對各處理進行綜合評分(表3)，處理T25和T50接近，排序分別為1和2，處理CF和T75接近，排序分別為4和5。

表3 基于西蘭花品質和產(chǎn)量的不同處理評價分

4 結論

沼液滴灌模式下對西蘭花產(chǎn)量、品質、土壤微生物群落、土壤養(yǎng)分均有一定影響，其中西蘭花品質和產(chǎn)量的綜合評分隨沼液施用比例增加而下降，說明沼液替代比例需嚴格控制，西蘭花維生素C含量可作為沼液施用量的指示指標。土壤微生物群落和土壤養(yǎng)分對沼液施用比例響應較為一致，土壤微生物革蘭氏陽性含量/革蘭氏陰性菌含量、土壤全氮含量和ECe可作為餐廚垃圾沼液施用生態(tài)風險評估的最小數(shù)據(jù)集。