滨海玉米涝渍胁迫模式熵权系数评价

张扬，林志远，谢修会，金秋

（1.江苏省土地开发整理中心，江苏 南京 210000；2.福建农林大学园艺学院，福建 福州 350002；3.连云港市赣榆区国土资源局，江苏 连云港 222002；4.南京水利科学研究院，江苏 南京 210000）

滨海农区在世界范围内分布广泛，在世界农业发展进程中占有重要地位。中国滨海农区的分布面积广，农业发展潜力巨大，是重要的粮食生产基地。滨海农区的农业可持续发展是保障国家粮食安全的重要途径之一[1]。玉米是我国重要的粮食作物，利用滨海农区发展玉米生产对于保障我国粮食安全具有重要意义。

滨海地区淡水资源匮乏，夏季降水集中易造成涝渍灾害，海水淡化成本高，建设排涝设施难度大且成本高等问题日益凸显。滨海地区微咸水资源丰富[2，3]，若能加以合理利用，可以有效缓解淡水资源短缺的问题。研究表明，合理盐度的微咸水灌溉能增加玉米产量[4]，有效缓解淡水资源不足。朱成立等[5]利用微咸水对玉米进行咸淡水交替灌溉，结果显示，灌浆期用含盐量5 g/L的微咸水灌溉不会造成玉米明显减产。滨海地区淹水涝渍胁迫也是阻碍作物生产的重要因子。土壤中过多的水分阻碍了根系与大气环境之间的气体交换，组织出现缺氧，玉米的生长和发育常受到极为严重的影响，从而导致大幅度减产[6]。前人在涝渍或微咸水灌溉对玉米生长的影响方面研究较多，而有关涝渍和微咸水灌溉同时出现时玉米响应规律的研究较为匮乏。

目前，农业水利中常用的评价方法包括主成分分析法、神经网络分析法、层次分析法等[7]，在作物产量、水分利用率、土壤盐分等多指标综合模式的优选和评价中应用广泛。本研究利用熵权法进行涝渍胁迫模式评价，其基本原理是指标值相差较大会产生更小的信息熵，该指标的权重更大，提供的信息更多；相反，指标值的差异越小则产生的信息熵就越大，该指标的权重更小，提供的信息更少[8]。因此，可以在具体分析过程中，利用熵计算出各指标权重后再对所有指标进行主观加权，从而得出较为合理的综合评价结果。本研究采用盆栽试验，在玉米灌浆期设计不同的灌溉水矿化度与不同的涝渍持续时间组合处理，采用改进熵权系数评价法，以玉米产量、灌溉成本、水分利用效率（WUE）、土壤盐分浓度为主要指标，在玉米不显著减产的前提下对不同微咸水涝渍胁迫模式进行评价，以期降低排涝成本并充分利用微咸水资源，为滨海地区玉米生产提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究采用盆栽试验，于2017年7月7日至11月25日在浙江省宁波市杭州湾（北纬 30°18′53″、东经121°09′53″） 温室内进行。温室土壤容重 1.32～1.35g/cm3；田间持水量30.3%～31.4%，pH值5.7～6.5，土壤总孔隙度50.4%～51.1%，毛管孔隙度31.0%～32.8%，沙粒粒径29.2～41.2 mm，粉粒粒径38.5～40.6 mm。土壤自然干燥后过2 mm筛，然后装入直径35 cm、高65 cm的盆中，装土量80.2 kg/盆，盆底部钻有4个排水孔。

1.2 试验材料

试验玉米品种为苏玉29。

盐分为NaCl（分析纯），购自北京宏盛苑化工有限公司。

灌溉用淡水取自当地自来水，盐度0.12 g/L；灌溉用盐水由NaCl与灌溉用淡水混合制备而成。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 将盆内0～20 cm土层土壤与肥料（N 175 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2） 混合均匀后播种，1粒/盆，田间常规管理。在幼苗抽穗期、拔节期和灌浆期（涝期除外），土壤含水率下限分别控制在65%～80%、75%～90%和75%～90%。定植后84 d（灌浆期）同时进行微咸水和涝渍（水位控制在土壤上方2 cm处）处理，其中，微咸水矿化程度（NaCl浓度，S） 设 1 （S1）、3 （S3） 和 5 g/L （S5） 3 个水平，涝渍持续时间（淹水时间，D）设2（D2）、4（D4）和6 d（D6）3个水平，以淡水灌溉且无涝渍胁迫处理作为对照（CK）。每处理均9次重复。除涝期外，其他时间均采用淡水进行灌溉。

1.3.2 测定项目与方法

1.3.2.1 玉米灌溉成本。田间玉米全生育期灌溉用淡水采用大功率柴油机从河道抽取。玉米淹水末期，采用明沟排水，将微咸水引入排水井后用柴油机从排水井抽水排涝。灌溉成本包括淡水运输成本和排涝成本2个部分。计算公式为：

式中，P为灌溉成本（元/hm2），P1为淡水运输成本（元/hm2），P2为排涝成本（元/hm2）；ET0为夏玉米全生育期单位面积需水量（mm/hm2），按816.76 mm/hm2[9]计；S为种植面积（m2）；Q柴为柴油机额定流量（m3/h），按60m3/h计；H为田间淹水高度，按2 cm计；G为0号柴油单价（元/L），按6.48元/L计；F表示柴油机单位时间的耗油量（L/h），按11 L/h计。

1.3.2.2 玉米产量。定植后129 d，每处理随机收获6株，测定产量，换算成单位面积产量。

1.3.2.3 玉米WUE。根据各生育期盆内土壤水分平衡估算作物蒸散量（ET）[10]，根据公式计算WUE：

WUE=产量/ET

1.3.2.4 土壤盐分浓度。玉米最后一次灌水结束2 d后，用土钻钻取0～40 cm土样，经风干、充分研磨后过孔径1 mm的筛子，按照土水比1∶5的比例配制土壤饱和浸提液，用DS-307A型电导率仪测定土壤饱和提取物的电导率。

1.3.3 盐涝胁迫模式优选

1.3.3.1 指标权重。采用熵权系数法，设盐涝胁迫模式的评价指标为n个，处理模式有m种，m种处理模式对应n个指标的指标值构成评价矩阵为：

R= （rij）m×n

式中，rij为第i种盐涝胁迫下第j个指标值。对于某个指标rj，其信息熵（Ej）的计算公式为：

第j个指标值的熵值（ej）的计算公式为：

第j个指标的客观权重（θj）的计算公式为：

1.3.3.2 熵权评价值。矩阵R中每列的最理想值为rj*，对矩阵中的数值进行标准化计算，rj*数值优劣与指标性质密切相关。rj*越大越优的指标，如产量和WUE，称作收益性指标；越小越优的指标，如灌溉成本和土壤盐分，称作损失性指标。dij为标准化后的指标值，max指收益性指标的最大值，min指损失性指标的最小值。整理可得：

不同盐涝胁迫模式的综合评价系数熵权评价值λi计算公式为：

式中，i=1，2，3，…，m。

1.3.4 数据处理 采用SPSS 17.0软件Duncan's法进行数据显著性分析[11，12]，采用Excel 2016软件对试验数据进行计算与做图。

2 结果与分析

2.1 玉米生产的灌溉成本

按玉米田间种植密度行距50 cm、株距40 cm，对玉米生产过程中的淡水运输成本和排涝成本进行测算。结果（表1）显示，微咸水淹水时间越长，所需要的淡水量越少，淡水运输成本就越低；相反，微咸水淹水时间越长，排涝成本就越高。微咸水胁迫时间越长，越有利于灌溉总成本的降低。

表1 玉米生产的灌溉成本构成（元/hm2）Table 1 Components of irrigation cost in maize production

2.2 微咸水涝渍胁迫对玉米水分利用效率的影响

微咸水矿化程度、淹水天数以及二者的交互作用均对玉米WUE无显著影响（图1）。

图1 微咸水涝渍胁迫对玉米水分利用效率的影响Fig.1 Effect of waterlogging stress with brackish water on WUE of maize

不同微咸水涝渍胁迫处理的玉米WUE均＜CK，降幅为6.1%～21.0%。3种微咸水矿化度下，随着淹水天数的增加，WUE呈现不同的变化趋势。微咸水矿化度为1 g/L时，随着淹水时间的延长，WUE呈现先降后升的趋势，但各处理间差异均不显著。微咸水矿化度为3 g/L时，随着淹水时间的延长，WUE逐渐增大，淹水4 d和6 d处理的WUE分别较淹水2 d处理增加了6.3%和13.6%。微咸水矿化度为5 g/L时，随着淹水天数的增加，WUE呈下降趋势，与淹水2 d处理相比，淹水4 d和6 d处理的WUE分别降低了9.7%和13.3%。根据WUE计算公式WUE与产量密切相关，因此推测，淹水后WUE降低可能与淹水导致玉米减产有关。

2.3 微咸水涝渍胁迫对土壤盐分的影响

微咸水矿化程度、淹水天数以及二者的交互作用均对土壤盐分浓度有显著影响，其中，微咸水矿化度的影响达到了极显著水平（图2）。

图2 微咸水涝渍胁迫对土壤盐分的影响Fig.2 Effect of waterlogging stress with brackish water on soil salt concentration

不同微咸水涝渍胁迫处理的土壤盐分浓度均＞CK，增幅为7.0%～34.8%。在相同微咸水矿化度条件下，随着淹水天数的延长，土壤盐分浓度呈增加趋势；在相同淹水天数条件下，土壤盐分浓度随着微咸水矿化度的增加而增加。

2.4 不同微咸水涝渍胁迫模式的熵权系数评价

不同微咸水涝渍胁迫处理的玉米产量均＜CK，其中，S1D2、S1D4、S1D6、S3D2和 S5D2处理与 CK 差异不显著（表2）。表明玉米灌浆期1 g/L微咸水灌溉涝渍胁迫2～6 d，或者3、5 g/L微咸水灌溉涝渍胁迫2 d，均不会造成玉米显著减产。

根据玉米产量、灌溉成本、WUE、土壤盐分浓度4个盐涝胁迫模式评价指标值，计算得到其客观权重分别为0.432、0.013、0.181和0.374。综合考虑滨海地区玉米的实际生产状况，分别赋予玉米产量、灌溉成本、WUE和土壤盐分浓度客观权重为0.300、0.400、0.150和0.150。将主观权重和客观权重结合，计算得到盐涝胁迫模式4个评价指标的综合权重分别为0.595、0.024、0.124和0.257。

表2 盐涝胁迫模式的评价指标Table 2 Evaluation indicator of salt and waterlogging stress of maize

根据玉米产量、灌溉成本、WUE和土壤盐分浓度确定9种盐涝胁迫模式的综合评价系数熵权评价值，熵权系数评价值越高，表明盐涝胁迫模式包括玉米产量、灌溉成本、WUE和土壤盐分浓度4个指标在内的综合效益越优。从图3可以看出，S1D2处理的熵权系数评价值最高，达到了0.987，表明该组合综合效益最优；其次是S3D2（0.970）和S5D2（0.969）处理，二者效果相差微小；S5D6处理的熵权系数评价值最低，仅0.790，表明该组合综合效益最差。

图3 不同盐涝胁迫模式处理的熵权系数评价值Fig.3 Entropy weight coefficient evaluation of different salt and waterlogging stress of maize

3 结论与讨论

本研究结果表明，除S1D2、S1D4、S1D6、S3D2和S5D2处理玉米减产不显著外，其他处理的玉米产量均明显降低。研究表明，涝渍胁迫下土壤水分过多导致玉米根系缺氧，有氧呼吸转变为无氧呼吸，导致大量有害物质（H2S、FeS等）累积，进而影响玉米根系的生理活动[13]。土壤水分过多、根系缺氧导致叶片气孔关闭，CO2向叶片扩散的阻力增大，影响光合作用酶的活性，抑制光合作用的正常进行[14]，间接影响了玉米产量的提高。

本研究条件下，所有盐涝胁迫处理的土壤盐分浓度均高于CK组，且微咸水矿化度和淹水天数均对土壤盐分浓度有显著影响。高盐水灌溉会造成明显的土壤表层积盐，且积盐量与盐分浓度呈显著正相关。微咸水灌溉在带入水分的同时也带入了大量的NaCl，随着NaCl浓度的提高，土壤入渗能力逐步减弱[15]，多数灌溉水滞留在土壤表层，盐分向下移动受到阻碍，在土壤表层造成明显的盐分积累。微咸水胁迫处理会明显提高土壤表层含盐量，因此在实际生产过程中，需充分考虑可持续发展，在不影响下季作物种植的前提下进行微咸水灌溉处理。

熵权系数评价法是分析和处理高维数据的有效手段之一，其优势在于能够避免单独使用主观权重或单独使用客观权重的片面性，将主观权重与客观权重有机结合，提高评价结果的科学性。苏恒强等[16]利用熵权系数法对土壤环境指标进行转换，综合评价了土壤环境质量；邵光成等[17]在综合考虑作物产量、品质和灌溉量情况下，采用熵权模型对南方防雨栽培地下排水布置模式进行了优化。本研究运用熵权系数法优选灌溉成本和土壤盐分相对低，但产量和WUE相对高的盐涝胁迫处理模式。熵权系数评价模型计算结果表明，实际生产中，综合考虑生产效益、水资源利用效率和可持续发展，可允许玉米在1g/L微咸水下受涝2 d。

熵权系数模型评价法在样本数量大、指标数目多的条件下评价结果更为精确。因此，在今后的研究中，可综合考虑玉米病虫害发生率、肥料利用率、玉米根系形态，以及玉米糯性、甜度、色泽等品质指标，建立更为全面的评价指标体系。