川中丘陵区不同覆盖方式下农田土壤墒情综合评价

罗晓丽，梁　川，詹　存

(1.河海大学 水文水资源学院，南京　210098；2.四川大学 水利水电学院，水力学及山区河流开发保护国家重点实验室，成都　610065)

· 环境评价 ·

川中丘陵区不同覆盖方式下农田土壤墒情综合评价

罗晓丽1，梁川2，詹存2

(1.河海大学 水文水资源学院，南京210098；2.四川大学 水利水电学院，水力学及山区河流开发保护国家重点实验室，成都610065)

为了研究不同因子对农田土壤墒情影响的重要程度，采用AHP-模糊综合评价模型，构建了农田土壤墒情综合评价指标体系及相应的评价标准，并对川中丘陵区盐亭县不同覆盖方式下的农田土壤墒情状况进行了实证分析。研究结果表明：采用一定的覆盖方式可以提高土壤墒情状况。6种覆盖方式下的土壤墒情状况由好到差依次为：全膜覆盖>深挖+秸秆>半膜覆盖、深挖>秸秆>传统耕作。本文的研究结果能为川中丘陵区防旱抗旱提供科学参考。

川中丘陵区；覆盖方式；土壤墒情；AHP-模糊综合评价

1　引　言

我国是一个农业大国，每年用于农业灌溉的水量占我国总用水量的70%以上[1]。而由于传统农业灌溉的不合理性所导致的水资源浪费现象却非常的严重，农业用水供需矛盾日益突出，干旱缺水已经成为制约我国农业生产的主要因素[2]。四川省是我国的农业大省，近年来，四川干旱灾害几乎年年发生，并且分布范围广，持续时间长，灾情严重，损失巨大[3]。旱灾已经成为四川省最主要的自然灾害之一，严重影响着四川农业的可持续发展。为此分析川中丘陵区土壤干旱情况，了解造成土壤干旱的因子和土壤墒情的变化规律，建立一套科学的不同覆盖方式下农田土壤墒情综合评价指标体系和评价模型，对于促进和加强地区应对土壤干旱的能力，提高农业用水效率和社会的可持续发展有着十分重要的科学价值和现实意义。

目前，国内对于农田土壤墒情的研究主要集中在土壤墒情的监测和预报，在土壤墒情的评价方面，主要是基于单因素或几个因素与土壤墒情的相关关系的研究[4]，农田土壤墒情综合评价的研究还比较少，也没有形成公认的且较为系统的针对不同覆盖方式下的综合评价指标体系和评价模型。因此，本文通过对川中丘陵区盐亭县不同覆盖方式下的农田土壤墒情状况研究，筛选出具有代表性的评价指标，构建基于层次分析法(AHP)的农田土壤墒情综合评价指标体系和评价标准，进而利用模糊数学方法系统地评价和分析土壤墒情状况，为农业结构调整、农业防旱抗旱以及提高农业用水的效率和效益提供科学依据。

2　研究区概况与试验设计

2.1研究区概况

盐亭县属川北低山地向川中丘陵过渡地带，北高南低，一般海拔350～650m，山丘起伏，沟壑纵横，是四川盆地典型亚热带湿润季风气候区。平均年降雨量825.5mm，分布不均，春季占5.9%，夏季65.5%，秋季19.7%，冬季8.9%，无霜期294d。瞬时最大风速为37m/s。受盆地西部春夏旱区和东部伏旱区的交错影响，形成了特有的春旱、伏旱的地区性气候。气候温暖湿润，雨量充沛，四季分明，有利于农作物的生长发育。但该县灾害性天气多，春旱、夏旱、伏旱频发，秋季多绵雨，严重制约了该区域的农业发展。

2.2试验设计

为了研究不同覆盖方式下的土壤墒情情况，本次试验设置了6个实验组，分别为全膜覆盖、半膜覆盖、秸秆、深挖、深挖+秸秆和传统耕作。每组3个重复试验，每个试验田2.5m×9m，为矩形试验场，依次排开。各实验组间用隔水薄膜隔开，实验组间打起垄。测样分为两期，一期是在玉米开播前，土地整理好之后，分别测定了0～20cm、20～40cm、40～60cm土层的土壤含水量。二期在玉米抽穗期，测定内容与一期一致。

3　基于AHP的模糊综合评价模型的构建

3.1基于AHP的模糊综合评价法

基于AHP的模糊综合评价法是指将层次分析法和模糊综合评价法两者相结合的一种评价方法。

层次分析法[5](Analytic hierarchy process)是一种将多目标系统进行定量化和定性化分析，并作出决策的分析方法。AHP的特点是在对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，将决策者的定性经验判断定量化，增强了决策依据的准确性，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法。所谓模糊综合评价法，就是以模糊数学为基础，应用模糊关系合成的原理，将一些边界模糊、不易定量化的因素定量化，从多个因素对被评价事物隶属等级状况进行综合性评价的一种方法[6]。目前在自然科学、社会科学等领域的研究中应用十分广泛。运用模糊变换原理，综合考虑影响事物的各个因素，确定评判事物隶属度等级状况，从而对该事物做出综合评价。

由于在建立综合评价指标体系中会遇到很多模糊概念和定性与定量指标，因而，利用层次分析和模糊综合评价相结合的方法对不同覆盖方式下农田土壤墒情进行全面综合评价，使得评价结果更加科学，更能反映客观实际。其基本步骤如下[7,8]：

(1)建立评价指标集，即各项评价指标组成的集合；

评价指标集为：U=(u1，u2,…，un)，其中，uj(j=1，2，…，n)表示评价对象的第i项评价指标。

(2)确定评判集合V；

评判集为：V=(v1，v2，，vm)，其中，vi(i= 1，2，…，m)表示从高到低或从低到高的评价等级，每一个等级对应一个模糊子集。

(3)建立模糊关系矩阵R(隶属度矩阵)；

在建立评价指标集后，要对每一个被评价事物针对每个因素进行量化，即确定从单因素来看被评价事物对于评价等级模糊子集的隶属度，从而得到模糊关系矩阵：

(1)

在矩阵R中，rij代表第i行第j列元素，表示某一个被评价事物在因素ui的对于uj等级模糊子集的隶属度，因此R也称为隶属度矩阵。一个被评价事物在某个因素ui的反映，是通过模糊矩阵R来表现的。

(4)利用层次分析法确定评价因素的权向量W；

采用层次分析法确定评价因素的权向量：W=(w1，w2,…，wn)，求解判断矩阵得到权系数，并在合成之前进行归一化处理。

(5)综合评价，合成模糊综合评价的结果矩阵S。

(2)

其中，si表示被评价事物对vi评价等级模糊子集的隶属度。

3.2评价指标的筛选及指标体系的建立

土壤墒情，即作物根系层的土壤含水量状况。影响农田土壤墒情的因子很多，如降雨、气温、蒸发[9,10]、风速、土壤质地、地下水[10]、土层深度、植物蒸腾、光照强度、耕作措施、作物种类、前期土壤含水量[11]、需水量等等。本文根据研究区的实际情况，遵循代表性、目的性、客观性原则，筛选出了参考作物蒸发蒸腾量、SPI标准化降水指数、温度、土层深度、土壤质地和前期土壤含水量这6个主要的影响因子，构建了目标层、准则层和指标层三级组成的不同覆盖方式下的农田土壤墒情综合评价指标体系(见表1)。

表1　不同覆盖方式下的农田土壤墒情综合评价指标体系

3.3指标权重的确定

运用层次分析法对各指标层进行权重计算，计算结果见表2～表4。

表2　农田土壤墒情综合评价准则层判断矩阵及权重

表3　农田土壤墒情综合评价指标层B1判断矩阵及权重

表4　农田土壤墒情综合评价指标层B2判断矩阵及权重

3.4评价标准的确定

评价标准和等级划分由评价指标的特征和评价方法的要求共同决定。对于评价标准和评价等级的确定没有固定的方法，应依据具体的试验方案具体确定。由于目前农田土壤墒情综合评价的研究较少，参照已有指标的规范，引用均值、极值等经验值，并结合专家咨询等方法对各指标进行分级量化，建立相应的分级标准[12](表5)。由于土壤质地和土层深度是不易量化的指标，故分别采用土壤的有效含水量[13]SME和不同土层深度对应的土壤含水量来反映这两个指标对土壤墒情的影响。各个因子的评价和分级标准各有不同，但都以分值小为最优。

表5　农田土壤干旱指标等级及其划分标准

4　综合评价结果与分析

利用土壤监测数据、盐亭县1954年～2010年气象监测数据，结合专家咨询，确定各指标的监测值。结合前文得到各指标权重及评价标准，计算得到不同覆盖方式的模糊综合评价向量。每种土地整理方式测定A、B、C三组数据，每组分0～20cm、20～40cm和40～60cm三种不同土层深度。下面以A组全膜覆盖方式为例，按照公式(2)，计算得到0～20cm土层的模糊综合评价向量为：

同理计算得到20～40cm和40～60cm土层的综合评价向量，则全膜覆盖方式的模糊综合评价向量为：

将模糊综合评价向量中将各土层土壤墒情综合评价指数进行算术平均则可求得整个土壤(0～60cm)的综合评价指数。A、B、C三组不同覆盖方式土壤墒情综合评价结果见表6～表8。

表6　A组不同覆盖方式下农田土壤墒情综合评价结果

表7　B组不同覆盖方式下农田土壤墒情综合评价结果

表8　C组不同覆盖方式下农田土壤墒情综合评价结果

根据表6A组的评价结果，综合评价指数的高低表示土壤干旱程度的严重程度，分值越低，说明该种覆盖方式下土壤水分状况越好，反之分值越高，说明土壤越干旱。不同土地整理方式下，全膜覆盖和深挖+秸秆这两种覆盖方式得分最低，表示这两种方式土壤墒情状况最好。其次是秸秆覆盖，半膜覆盖和深挖这两种覆盖方式排在第3位。而传统耕作方式得分最高，排名最后，说明其土壤墒情状况最差。

根据表7B组的综合评价结果，在6种不同覆盖方式下，全膜覆盖和深挖+秸秆这两种覆盖方式下土壤墒情的状况最好，排在第一位。传统耕作整理方式下的土壤墒情状况最差，排在第5位。其余3种覆盖方式下土壤墒情状况相对较好的依次为：深挖 > 半膜覆盖 > 秸秆覆盖。

根据表8C组的综合评价结果，5种不同覆盖方式和传统耕作模式相比，传统耕作模式下土壤墒情最差，说明5种覆盖方式都能在一定程度上改善土壤墒情状况。其中又以全膜覆盖方式下土壤墒情状况最好。

通过A、B、C三组数据这6种覆盖方式土壤墒情综合评价指数的比较可以发现，在传统的耕作方式下土壤干旱程度最严重，土壤水分的散失量比较大，对作物的生长极为不利。采取全膜覆盖、半膜覆盖、秸秆覆盖、深挖和深挖+秸秆这5种覆盖方式都能在一定程度上保持土壤水分，改善土壤干旱状况。其中又以全膜覆盖方式对保持土壤水分状况的效果最好，深挖+秸秆的整理方式位于其后。半膜覆盖和深挖这两种土地整理方式对土壤的保水效果基本一致，排在第3位，最后是秸秆覆盖方式，也能在一定程度上保持土壤水分。将A、B、C三组的综合评价结果进行算术平均处理，得到的综合平均结果与A、B、C三组的评价结果一致，见表9。

表9　农田土壤墒情综合评价结果

5　结　论

5.1通过对川中丘陵区盐亭县不同覆盖方式下的农田土壤墒情状况的研究，首次构建了目标层、准则层和指标层三级组成的不同覆盖方式下的农田土壤墒情综合评价指标体系，筛选出温度、参考作物蒸发蒸腾量、标准化降雨指数、土壤质地、土层深度和前期土壤含水量这6个影响土壤墒情的指标。

5.2运用层次分析法确定评价指标的权重，结合模糊数学方法，建立了农田土壤墒情综合评价的AHP-模糊综合评价模型，系统地评价和分析了川中丘陵区不同覆盖方式下的农田土壤墒情状况。运用层次分析法(AHP)和模糊数学方法建立的AHP-模糊综合评价模型，将定性判断和定量分析有机结合起来，综合考虑了影响农田土壤墒情的各个因素，减少了主观臆断的弊端，使得评价结果更加符合客观实际。

5.3采用基于AHP的模糊综合评价法，对川中丘陵区不同覆盖方式和传统耕作方式下的农田土壤墒情状况进行综合评价。评价结果表明，全膜覆盖、半膜覆盖、秸秆、深挖和深挖+秸秆这5种覆盖方式下综合评价指数都比传统耕作的综合评价指数低，说明这五种覆盖方式下土壤墒情状况都比传统耕作模式好，都能够在一定程度上起到蓄水保墒，改善土壤墒情的作用。6种覆盖方式下土壤墒情状况由好到差依次为全膜覆盖>(深挖+秸秆)>半膜覆盖、深挖>秸秆>传统耕作。因此，可以根据当地的实际情况选取合适的蓄水保墒措施，以改善农田土壤干旱状况，提高农业生产效益。

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Comprehensive Evaluation of Farmland Soil Moisture under Different Mulching Patterns in Hilly Area of Central Sichuan

LUO Xiao-li1, LIANG Chuan2, ZHAN Cun2

(1.CollegeofHydrology&WaterResourcesHohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.SchoolofWaterConservancy&HydroelectricPower,StateKeyLaboratoryofHydraulics&MountainRiverEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)

In order to study the impact of different factors on the farmland soil moisture, the comprehensive evaluation model of AHP- fuzzy has been selected to construct a comprehensive evaluation index system and a corresponding evaluation criteria, and analyzed the farmland soil moisture conditions under different mulching patterns in Yanting county. The results indicated that some mulching patterns could help to improve the conditions of soil moisture. The sequence from good to bad is, completely film mulching, (dig + straw), half film mulching+dig, straw, conventional plowing. This paper could provide a scientific reference for drought control in the hilly area of central Sichuan.

Hilly area of central Sichuan; mulching pattern; soil moisture; AHP- fuzzy comprehensive evaluation

200145-10-30

水利部公益性资助项目(201101038，201101053)。

罗晓丽(1991-)，女，广西柳州人，河海大学水文学及水资源专业2014级在读硕士研究生，主要从事水文水资源方面的研究。

梁川，lchester@sohu.com。

X825

A

1001-3644(2015)02-0104-06