基于熵权TOPSIS 模型的盐碱地紫花苜蓿施氮效果评价

刘名江，吴 波，李来永，张清平，张进红，王国良*

(1. 东营职业学院，山东 东营 257091；2. 农业部华东都市农业重点实验室，山东省农业可持续发展研究所，山东 济南 250100；3.东营市河口区畜牧局，山东 东营 257200；)

随着中国畜牧业的快速发展，苜蓿产业正在成为中国草产业和畜牧业发展的一个重要部分。2012年，国家启动实施“振兴奶业苜蓿发展行动”计划，2015年中央1号文件明确提出要加快发展草牧业，支持青贮玉米和苜蓿等饲草料种植，加快构建“粮经饲”统筹、种养加一体、农牧循环的现代畜牧产业体系。在全面推进草牧业发展的新形势下，苜蓿的高产栽培技术越来越受到重视，尤其是科学的施肥研究。已有结果表明，施氮可以增加苜蓿的产量，改善苜蓿的品质，并且提高紫花苜蓿干物质体外消化率[1]。然而，如何科学合理地评价施肥措施的应用效果，综合比较不同措施之间的差异，从而筛选出最为有效的施肥措施的相关研究尚鲜见报道。国际上采用多个指数进行饲草品质评价，如相对饲喂价值[2]。质量指数、相对质量指数[3-4]以及粗饲料分级指数[5]。上述评价指数以饲草的能量和粗蛋白为中心，在特定的环境条件下，忽略了饲草的生产力、生产成本以及与生长环境因子之间的关系等因素。

因此，对不同施肥措施的应用效果进行评价时，也应使用多指标综合评价的方法，这样才能比较全面地反映施肥措施的作用效果。综合评价方法又称为多变量综合评价方法、多指标综合评估技术，它是运用多指标同时进行定量评价和比较的一种方法[6]。其中TOPSIS 法对于样本资料无特殊要求，使用灵活简便，应用日趋广泛，因此成为多指标决策分析中常用的有效方法[7]。本研究选择紫花苜蓿产量、营养品质以及净能等多个评价指标，采用TOPSIS法综合评价不同氮素添加水平下紫花苜蓿生产性能和土壤肥力，以期遴选最优的施肥策略，为生产实践中苜蓿施肥管理提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于山东省农业科学院黄河三角洲(东营)现代农业试验示范基地内(118°36′ E，37°17′ N，elev. 3 m)，属暖温带半湿润地区大陆性季风气候，四季分明，雨热同期。多年平均气温12.5 ℃，年极端最高气温38.5 ℃，极端最低气温-17.5 ℃，无霜期长达206 d，平均日照时数2 596 h，年降水量550～600 mm。试验区土壤为滨海盐化潮土，土质为砂壤土，pH为7.9，全盐含量0.3%，有机质含量为16.75 g/kg，碱解氮49.3 mg/kg，速效磷8.3 mg/kg，速效钾249.5 mg/kg。

1.2 试验材料与试验设计

供试苜蓿品种为鲁苜1号，由山东省农业可持续发展研究所培育；供试肥料为尿素(含N≧46.4%)、过磷酸钙(含P2O5≧16%)和硫酸钾(含K2O≧50%)。

试验采用完全随机区组设计。其中，氮肥设置50 kg/hm2和100 kg/hm22个用量；施用方式设为全部作为底肥、底肥和返青期分两次等量施入、返青期和每次刈割后等量施入(最后一次刈割不施)3个处理；不施氮肥作为对照，共计7个处理(见表1)。3次重复，小区面积为20 m2(4 m×5 m)，区组之间间隔1 m。2015年9月30日播种，播种量15 kg/hm2，条播，行距30 cm，覆土深度1～2 cm，播后镇压保墒，使种子与土壤紧密结合。根据基础土壤的营养状况，在播种时分别施入K2O(90 kg/hm2)和P2O5(90 kg/hm2)作为底肥。氮肥根据试验设计，用作底肥或返青期、刈割后进行追肥。

表1 氮肥施用量及施肥方式Table 1 Nitrogen rates and application methods

1.3 取样与测定

在紫花苜蓿建植第二年第一茬初花期刈割，全小区测产，留茬5 cm，称取鲜重。随机抽取500 g鲜样，置于65 ℃烘箱内烘48 h，称重，用干鲜比折算干草产量。

11月初，苜蓿停止生长后进行土壤取样，在每个小区随机选取5个0～20 cm表层土样，充分混匀后，带回实验室，风干、研磨后测定土壤养分。

烘干样品粉碎后过1 mm筛，混匀后用自封袋密封保存，用于营养成分分析。采用凯氏定氮法测定全株氮含量，折算为粗蛋白质(crude protein，CP)含量。采用Goering和Van Soest 的方法测定中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)含量[8]。利用Horrocks和Vallentine 的方法计算干物质消化率(DDM)、干物质采食量(DMI)、相对饲喂价值(RFV)和净能(NE)[9]：

DDM=88.9-0.779×% ADF

DMI=120/% NDF

RFV=% DDM×%DMI×0.775

NE=(1.004-(0.10119×%ADF))×2.205

土壤有机质采用重铬酸钾-外加热法测定；全氮采用凯氏定氮法测定；全磷采用 NaOH熔融-钼锑抗显色-紫外分光光度法测定；全钾采用 NaOH 熔融-火焰光度计法测定；碱解氮采用碱解-扩散法测定；速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提法测定；速效钾采用NH4OAc 浸提法测定[10]；pH 值采用电极电位法测定。

1.4 数据统计分析

数据用Excel 2013整理输入，采用GenStat 18.0(Lawes Agricultural Trust, Roth Amsted Experimental Station, Oxford, UK)统计软件进行数据统计分析，结果用“平均值±标准差”表示。因素方差分析、多重比较采用最小显著差数法(LSD)，比较处理间紫花苜蓿干重以及营养品质间的差异。在处理间F测验为显著的前提下，计算出显著水平为α的最小显著差数LSDα两个处理间的平均数的差数，如其绝对值≧LSD，即为在α水平上差异显著；反之，则为在α水平上差异不显著。本研究是在α=0.05水平下比较各作物间的差异性。

1.5 研究方法

1.5.1 熵权法 该方法是在客观条件下，由评价指标值来确定指标权重的一种方法，具有操作性和客观性强的特点，能够反映数据隐含的信息，增强指标的分辨意义和差异性，以避免因选用指标的差异过小造成的分析困难，全面反映各类信息。其思路是评价对象在某项指标上的值相差越大越重要，权重相应也越大。根据各项指标的变异程度，可以客观地计算出各项指标的权重，为多指标综合评价提供依据。计算步骤为：

(1)计算比重Pij

(2)计算熵值ej

(3)计算熵权wj

1.5.2 TOPSIS模型 TOPSIS 模型称为“逼近理想解排序方法”，为系统工程中有限方案多目标决策分析的一种常用的决策技术，是一种距离综合评价法。具体步骤如下：(1)数据标准化。采用极值标准化法对评价指标数据进行标准化处理，以确定评价指标实际值在该指标权重中所处的位置，在此，可以直接利用熵权法中所确定的标准化决策矩阵 rij。(2)确定指标权重，构建加权的决策矩阵。通过熵权法确定的指标权重向量wi被考虑到决策矩阵中，加权规范化决策矩阵V=(vij)m×n通过矩阵R的每一行与其相应的权重wi相乘得到。

(3)确定正、负理想解。令V+表示最偏好的方案(正理想解)，V-表示最不偏好的方案(负理想解)，则有：

(5)计算历年评价对象与最优方案的贴近度Ci。

式中，Ci越大，表明施肥效果接近最优水平。当Ci=1时，施肥效果最好；当Ci=0时，施肥效果最差。

1.5.3 评价指标体系构建 基于因地制宜、全面性和可比性原则，选取总干物质产量(TDM)、粗蛋白(CP)、中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)、干物质消化率(DDM)、干物质采食量(DMI)、相对饲喂价值(RFV)以及净能(NE)等指标来构建综合评价模型。氮肥对土壤肥力影响的评价，选取全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)、碱解氮(AN)、速效磷(AP)、速效钾(AK)以及有机质(SOM)等指标来构建综合评价模型。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥处理对紫花苜蓿株高的影响

随着紫花苜蓿生长季的延长，株高呈现先增加后降低的趋势，所有处理第三茬最高，第四茬最低(表2)。第一茬到第三茬，N50-4处理最高，较对照处理分别增高了2.4%，7.0%和7.2%；第四茬，N100-1处理最高，较对照处理增高了8.8%。

2.2 不同氮肥处理对紫花苜蓿产量的影响

随紫花苜蓿生长季的延长，产量呈现先增加后降低的趋势，所有处理中第二茬干物质产量最高，第四茬最低(表2)。第一茬，在N50-2处理下，紫花苜蓿干物质产量显著高于其他处理，而N50-4处理的干物质产量最低，较N50-2降低了18.2%，差异显著(P<0.05)。第二茬，N100-1处理下干物质产量较N50-1显著提高21.2%(P<0.05)；第三茬，除N50-1和N100-4外，N50-2处理下干物质产量显著高于其他处理(P<0.05)；第四茬，N50-1和N50-2处理较N0处理干物质分别提高62.2%和61.2%(P<0.05)，其他处理之间无显著差异；N50-2处理下紫花苜蓿总干物质显著高于其他处理(P<0.05)，其次为N100-4，N0最低。

表2 不同施肥处理下紫花苜蓿株高和产量Table 2 The height and yield of alfalfa under different nitrogen treatments

注：同列肩标不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

Note: Different superscripts in the same column mean significant difference (P<0.05). The same below.

2.3 不同氮肥处理对紫花苜蓿营养品质的影响

N0和N100-2处理下酸性洗涤纤维含量较高，且N100-4处理的分别低于N0和N100-2处理11.0%和10.3%，差异显著(P<0.05)，而其他处理间无显著差异(P>0.05)；与N100-1处理相比，N50-1处理的中性洗涤纤维含量降低了16.1%(P<0.05)，而其他处理间差异不显著(P>0.05)(表3)。在不同处理下，紫花苜蓿的粗蛋白含量、干物质采食量和相对饲喂价值均无明显的差异(P>0.05)；就干物质消化率而言，N100-4处理的最高，分别高于N0和N100-2处理5.7%和5.2%，差异显著(P<0.05)，其他处理间无显著差异(P>0.05)。净能在N100-4处理下最高， 而N0处理的最低，较N100-4处理显著降低了8.5%(P<0.05)。

通过熵权法得出，总干物质产量的权重(wj)最大，其次为干物质采食量，权重值分别为0.2072和0.1139。

表3 不同施肥处理下紫花苜蓿营养品质Table 3 The alfalfa quality under different nitrogen treatments

2.4 不同氮肥处理对土壤养分的影响

在施氮肥条件下，所有处理的全氮(TN)、全磷(TP)、速效磷(AP)、有机质(SOM)以及pH均无显著差异(P>0.05)(表4)。除N50-1和N50-2处理外，N0处理的全钾(TK)含量显著高于N100-1、N100-2、N100-4和N50-4处理5.8%～10.2%(P<0.05)；碱解氮在N100-4下显著高于N100-1和N100-2(P<0.05)；除N100-4和N50-4外，速效钾(AK)在N100-2处理下显著高于其他处理(P<0.05)。

通过熵权法得出，土壤全氮(TN)的权重最大，其次为速效氮(AN)，权重值分别为0.2278和0.1305。

表4 不同施肥处理下紫花苜蓿地土壤养分Table 4 Soil nutrients under different nitrogen treatments

2.5 氮肥综合绩效

2.5.1 紫花苜蓿生产性能 不同施氮水平下，贴近度值从大到小的顺序依次为N50-2(0.690)>N100-4(0.626)>N100-1(0.509)>N50-4(0.473)>N50-1(0.463)>N100-2(0.355)>N0(0.279)(表5)。可见，N50-2处理的施肥效果最好，其次是N100-4处理。

2.5.2 土壤肥力 基于TOPSIS 综合评价模型，以TN、TP、TK、AN、AP、AK以及SOM为评价指标构建评价体系。由表6可知，土壤肥力从高到低的顺序依次为：N50-2>N50-4>N100-4>N50-1>N100-2>N0>N100-1。

3 讨 论

氮素是植物体内蛋白质、核酸、叶绿素和一些激素等的重要组成部分，是作物生长和产量形成的首要因素。已有研究表明，在湿润区以及在半干旱区，氮素添加均能增加紫花苜蓿的产量[11-12]。然而，一些研究认为氮素添加对苜蓿产量没有增产效果，甚至认为氮素添加对紫花苜蓿产量与品质有负面效应，主要表现在氮素添加会抑制根瘤的发展[13]，降低根毛侵染[14]和已接种根的固氮活性[15]，减少根瘤数[16]、根瘤干质量以及总的固氮量。Shuler等[17]通过大量的研究结果发现，土壤硝态氮含量低于15 mg/kg，有机质低于15 g/kg时，氮素添加有利于提高苜蓿产量。在干旱地区，与氮肥相比较，磷肥能显著增加苜蓿产量。还有研究认为苜蓿草地施氮会增加控制杂草的成本、影响氮素经济利用效率、增加铵态氮的挥发以及硝态氮的淋溶[12]。

表5 氮肥综合评价值Table 5 The comprehensive value of alfalfa under different nitrogen treatments

表6 土壤肥力综合评价值Table 6 The comprehensive value of soil fertility under different nitrogen treatments

施氮对1龄苜蓿具有增产效果，第1和2茬增产效果显著，第3茬增产效果不明显[18-19]。万里强等[19]研究结果表明，N60处理的1龄紫花苜蓿总根长、平均直径和分叉数最大；曾庆飞等[1]研究也表明，1龄苜蓿在第1茬施氮60 kg/hm2比 CK 增产10.7 %。而韩清芳等[20]研究表明，苜蓿施肥的增产作用主要表现在第3茬，主要原因是水肥耦合效应所致。本研究结果表明，N50-2处理下苜蓿生产性能最高，这可能是在有效根瘤形成前，施少量氮肥可促进苜蓿的生长，对苜蓿具有增产效果；有效根瘤形成后，苜蓿通过共生固氮能够满足其需求，施氮对苜蓿产量没有明显影响[19]。

苜蓿喜磷，其为根瘤的固氮作用提供能量[21]。本研究中，N50-2处理下，紫花苜蓿地全磷以及有效磷含量最低。已有研究发现，在不施肥或少施肥条件下，随着苜蓿种植年限的延长，土壤中的速效磷含量将会下降[22]，甚至土壤中不易溶解的磷也会因转化消耗而导致磷水平下降，从而导致苜蓿产量下降[23]，这与本研究结果是一致的。增施磷肥不仅能够提高土壤有效磷含量，还可以达到以磷促氮的效果。因此，在较长年限的苜蓿田通过增施磷肥可以提高生产效益。

4 结 论

不同氮素添加水平对于紫花苜蓿生产性能以及土壤养分的影响不尽相同。在紫花苜蓿生产性能方面，以产量、粗蛋白含量、中性洗涤纤维含量、酸性洗涤纤维含量、干物质消化率、干物质采食量、相对饲喂价值以及净能等指标来评价。N50-2处理下，紫花苜蓿的生产性能最高，其次是N100-4；土壤养分方面，以全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾以及有机质等指标来评价，N50-2处理下土壤肥力最高。综合紫花苜蓿的生产性能以及土壤肥力，N50-2是最佳的施肥策略。