基于层次分析法的水土保持牧草筛选评价

王俊宏 韩海东 王成己 郑向丽 徐国忠 黄毅斌

摘 要：【目的】筛选适宜福建省种植的水土保持型牧草，为福建省水土流失区域治理的草种选择提供参考。【方法】在水土流失严重的长汀地区选取11个草种，通过测定出苗率、成活率、覆盖度、枯落物浸水容量、根系重等水土保持特性指标，运用层次分析法和模糊数学法对试验品种进行综合评价，筛选福建省水土保持适宜牧草。【结果】试验区内表现优或较优的草种有百喜草、闽引圆叶决明、闽草1号狼尾草、闽牧6号狼尾草、大翼豆、葛藤;表现良好的有红象草、钝叶决明、扁豆、含羞草;表现较差的有福引圆叶决明1号。【结论】禾本科属的百喜草、闽草1号狼尾草、闽牧6号狼尾草，豆科属的闽引圆叶决明、大翼豆、葛藤较为适合福建长汀及周边相同气候条件的水土流失地区种植。

关键词： 水土保持;草种;筛选;评价

中图分类号：S 157.43文献标识码：A文章编号：1008-0384（2019）04-471-08

Abstract： 【Objective】Varieties of grass were evaluated  for soil and water conservation in Fujian area. 【Method】In Changting， the area where soil erosion and water conservation have become a serious concern， 11 varieties of grass for forage were screened according to their characteristics on the rates of germination， survival， coverage， and litter water-holding capacity as well as the weight of root mass. Analytic hierarchy process and fuzzy mathematics method were applied for the selection of best adaptable grass in the area. 【Result】Paspalum notatum Flugge， Chamaecrista rotundifolia cv. Minyin， Pennisetum americanum×P.purpureum Mincao 1， Penniseturn americanum×P.purpureum cv. Minmu 6， Pueraria lobata， and Macroptilium  atropurpureum， were considered superior or desirable varieties. Pennisetun purpureum cv. red， Cassia obtusifolia， Lablab purpureus （L.） Sweet， Mimosa pudica  exhibited good performance， whereas， Chamaecrista rotundifolia cv. Fuyin 1 did not perform well. 【Conclusion】The gramineous grass， Paspalum notatum Flugge， Pennisetum americanum× P.purpureum Mincao 1， Penniseturn americanum×P.purpureum cv. Minmu 6， and leguminous grass， Chamaecrista rotundifolia cv. Minyin， Pueraria lobate， Macroptilium atropurpureum， appeared to be suitable for cultivation in the areas around Changting.

Key words： water and soil conservation; grass; screening; evaluation

0 引言

【研究意義】农业生态系统中，植被资源常常缺乏有效保护，极易遭受破坏，引起水土流失等各种灾害性连锁效应，特别是红壤丘陵生态区，严重制约区域社会经济的可持续性发展[1-4]。福建省位于中国东南沿海地带，雨季多，降雨量大，丘陵山地地貌较多[5-6]。其中长汀县是南方红壤区水土流失最为严重的区域之一[7-9]。植被覆盖度是衡量水土保持的重要指标之一，我国在水土保持生态修复建设中，长期以植被覆盖度为重要目标，努力增加实际地表植被覆盖度。其中，草业先行是较好的水土保持策略[10-15]。研究福建省水土流失严重区域的植被覆盖，筛选区域内优势植物种类，对增加水土流失区域植被覆盖、提高水土流失治理效率具有重要意义。草本植物具有对土质要求不严、适应性强、覆盖地表快等自然特性，其中优良的水土保持型牧草具有产草量高、根系数量多、分布密集且生物量大等特点[16]，在侵蚀劣地广泛种植可以达到快速覆盖地表、恢复植被的效果，在维护和提高土壤地力的同时，改善生态环境，最终实现水土流失控制[17-18]。【前人研究进展】有效筛选和准确综合评价牧草种质资源特性是区域性牧草引种的先决条件。目前，很多研究多限于对牧草某一性状或单一抗性进行单项指标评价[19]，由于牧草品种间品质差异由多种性状决定，很难依据各项分离的单一性状去定量化判断一个品种的综合特性[20]。运用层次分析法（AHP）可以解决上述难题[21-22]。近年来，层次分析法分析已被广泛应用于各种作物的育种筛选和新品种区域试验中。严慧玲等利用AHP对太行山边坡沿线的乔、灌、草等89 种植物进行综合评价，筛选出适宜山区植被生态修复应用的优良品种[23];梁力等为筛选适合高速公路边坡植被恢复草种，运用层次分析法对当地的8种暖季型草本植物进行生态适应性评价[24]。【本研究切入点】在福建省水土流失研究区域，通过层次分析法，开展福建省水土保持优良草本植物的筛选及评价研究是适地适草措施的前提和基础，目前尚未见有关利用层次分析法进行水土流失区牧草筛选与评价的报道。【拟解决的关键问题】本试验在福建省长汀县域对11个草种进行适应性研究，运用模糊数学及层次分析法，对试验品种进行水土保持功能型草种的筛选与评价，为南方水土流失区域的治理和植被恢复提供技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地点

试验地点设在长汀县河田镇长汀县水土保持试验站的试验基地，东经 116°25′，北纬25°41′，中亚热带季风性湿润气候，全年平均气温19.3℃，极端高温39.9℃，极端低温-4.7℃，地表极端高温可达75.4℃。全年无霜期277 d，夏长冬短，一年之中平均气温在20℃ 以上的有6个月。年均降雨量约1 710 mm，其中集中降雨期为4～6月，降雨量约占全年的一半，且降雨强度偏大。土壤为粗晶花岗岩风化壳上发育的山地丘陵红壤，地貌特征类型主要有构造侵蚀低山、低丘陵、浅丘陵、高丘陵和堆积阶地等。

1.2 试验材料

采取定点试验，在前期试验的基础上选取在长汀地区存活率较高且具有一定饲用价值的草种作为试验材料（见表1）。所有试验材料均为福建省农业科学院农业生态研究所牧草品种资源圃提供。

1.3 试验设计

试验时间为2014、2015两年，试验小区15 m2（长5 m×宽3 m）。采用随机区组设计，4次重复，11个草品种，共44个试验小区。其中闽草1号狼尾草、红象草、闽牧6号狼尾草为种茎扦插，按行距30 cm（每小区10行）、深1 cm开沟，按株距50 cm（每行10株）将种茎芽尖向上斜插入沟，覆土、压实，每小区用种茎约100段;其余材料均为种子播种，行距30 cm，每个小区播种10行，播种量为45 g，均匀条播。播种时间为2014年4月12日，2015年4月20日对一年生的草种进行再次播种，包括福引圆叶决明1号、闽引圆叶决明、钝叶决明、扁豆、大翼豆、葛藤、含羞草，待出苗后对出苗率、成活率、覆盖度等生长指标进行观测。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 出苗率、成活率、覆盖度、植株高度测定

当幼苗长到2叶期（禾本科）或子叶期（豆科）时，调查出苗株数，将小区播种量换算为播种粒数，计算各小区的出苗率;待大部分植株确认成活后统计幼苗的成活率，成活率/%=成活植株数/出苗植株数;覆盖度：在牧草出苗后的第3个月和第5个月分别对小区覆盖度进行测定（目测法）[25];植株高度采用绝对株高测定方法，测产前对各小区地上植株部分进行株高测定，每小区随机抽取10株进行株高测定，取平均值。

1.4.2 地上生物产量及根量测定

所有试验草品种统一测产，测产时先割去试验小区两侧边行，再将余下的8行留足中间4 m，然后割去两头各50 cm，并移出小区（本部分不计入产量），将余下部分平地表刈割测产。根量（根重）测定：采用传统的挖掘法进行称量，深约30 cm，取根经流水冲洗干净后称重。

1.4.3 枯落物的浸水容量测定

在试验小区刈割测产后进行枯落物的收集，在试验小区地块内，采用随机取样方法，选定1 m2 面积为样方，收集该区域内地上的枯落物，重复3次，待枯落物风干后先称重，然后浸入水中24 h后捞出，不滴水时再称重，计算地上部分浸水容量。

1.5 评价指标集的筛选

评价指标集的选择应遵循主导因素原则、差异性原则和稳定性原则，在筛选评价对象的参评因子时首先要与水土保持效能有较强的相关性，同时又要有明显的空间差异性和时间稳定性。长汀县是我国花岗岩红壤土壤侵蚀最严重的地区之一，区域内的地貌多以低山丘陵为主，由于长期不合理开发利用，植被盖度仅为15%～30%，土壤有机质含量低。基于上述客观限制条件，结合样地的立地条件、种植经济价值等调查结果，建立评价指标体系，以期为当地生态系统的退化修复提供有利的植物筛选资源。其中选取植株出苗率（C1）、植株成活率（C2） 作为适应性指标（B1），选取植株高度（C3）作为生长状况指标（B2），选取覆盖度（C4）、枯落物浸水容量（C5）及根系鲜重（C6）作为水土保持特性指标（B3），选取植株地上部分生物鲜重（C7）作为经济效益指标（B4），构成草本试验的评价指标集C = { C1， C2， C3， C4， C5， C6， C7 };然后对评价指标值进行分级，建立评判集 V = { V1， V2，V3，V4，V5}，V1～V5分别对应评价级别为优、较优、良、较差、差。本试验将指标集C j（j=1，2…，7）分成 5个级别，级距用d = （Cjmax-Cjmin）/4来计算，然后根据d值来确定Cj的分级情况。

1.6 评价指标权重的确定

水土保持植物适宜性是多种参数指标综合作用的结果，不仅每一种参数指标对适宜性的影响很复杂，而且指标之间也是相互关联相互制约的，各评价指标的权重数在一定程度上也反映单个评价指标的等级能力。运用层次分析法的基本原理确定相应评价指标的权重在很多草种筛选评价中加以利用[26-28]。本研究利用层次分析法原理，构造两两比较判断矩阵，然后确定各个评价指标的权重，赋予各评价指标权重值，最后进行适宜草种的综合评价。

1.7 數据处理

采用SPSS 13. 0对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 评价指标测定结果

对参加试验的草品种进行观测、记载，植株出苗率（C1）、植株成活率（C2）、植株高度（C3）、覆盖度（C4）、枯落物浸水容量（C5）及根系鲜重（C6）、植株地上部分生物鲜重（C7）的观测结果见表 2。 除福引圆叶决明1号、百喜草外，其余草种植株出苗率均在80%以上，福引圆叶决明1号、百喜草虽然出苗率略低，但成活率高，均在90%以上，所有草种的出苗及成活情况均能满足后期其他性状指标测定。狼尾草属植物由于是直立高秆作物，植株高度较高，达到3 m以上;扁豆、大翼豆、葛藤、含羞草是矮秆作物，草丛高度较低，但由于枝条相互缠绕，植株的绝对高度也会达到3 m左右;决明属草种植株高度最低，为1～2 m。覆盖度方面，福引圆叶决明1号明显低于其他草种;百喜草基本没有枯落物，因此浸水容量为0。各参试草种的根系鲜重差异较大，主要与其自身根系特点相关。植株地上部分生物鲜重方面，狼尾草属草种由于生长力强、茎叶多，因此生物量较大，决明属草种生物量较低，主要是由于生长后期茎叶生长停滞且枯黄较早，扁豆、大翼豆、葛藤、含羞草生物量居中。可以看出，不同草种的指标差异明显，从单一指标分析各草种很难确定其综合效应，需通过综合评价来确定最适合的草种植物。

2.2 评价指标分级情况

根据实测统计数据对草种各评价指标进行分级（表3），其中出苗率、成活率和覆盖度的级距（d）差别不大，约为5%，表现为良的分级界限值均在85%以上;植株高度和地上部分生物鲜重两项指标由于草种间差值较大，分级界限值范围较大;枯落物浸水容量及根系鲜重由于测定值差值相对较小，因此级距也较小。

2.3 单因素评判矩阵分析及评价指标权重确定

建立单因素评判矩阵R，矩阵R中的rij为R 的隶属函数，rij的取值范围是0～1，表示第j个指标对被评价植物品种各项指标第i种评价的可能程度，同理可确定任何一种草品种的R值。如闽草1号狼尾草单因素评判矩阵如下：

为确定每个指标对上一层次的相对重要性，引用Saaty的 1-9 及其倒数的比例标度法，构造两两比较判断矩阵，判断矩阵如表4所示，其RI = 0.0645，CI = 0.0018，CR =0.0279，层次总排序一次性检验CR <0.10，说明判断矩阵符合一致性要求，权重值合理。因此，评价指标权重系数可作相应的评价因素。

2.5 综合评判结果

通过计算单因素评判矩阵（R）与评价指标权重集（A），建立模糊综合评判矩阵模型y =A×R，最终计算得出各供试草种的评价结果，并对计算结果进行相对应的归一化处理，依据模糊数学最大隶属度的原则进行综合评价（表5）。根据评价结果可知，长汀试验区禾本科草种表现优或较优的有百喜草、闽草1号狼尾草、闽牧6号狼尾草;豆科草种表现优或较优的有闽引圆叶决明、大翼豆、葛藤;福引圆叶决明1号表现为较差，分析其原因主要是出苗率、成活率低，地上生物量小，难以适应土壤条件。

3 讨 论

对参试的11种草本植物进行评判，从中筛选出6种适宜在长汀地区生长的水土保持型牧草品种，其中闽草1号狼尾草、闽牧6号狼尾草为狼尾草属，相关研究也表明狼尾草在长汀地区生长迅速，茎叶丛生密集并覆盖度高，耐刈割，水保能力强[29]。闽草1号狼尾草和其他狼尾草属品种相比，由于茎叶含糖量高，适口性更佳，推广应用价值更高;同属禾本科的百喜草虽然生物量较小，但其地下部分发达，相关研究还表明百喜草根系有着良好的抗拉力学特性，增强地表覆盖程度，对土壤固持作用更好，因此水土保持应用效果会更佳[30-31]。闽引圆叶决明相比其他圆叶决明品种属于晚熟品种，绿叶期更长，覆盖能力更强，且耐轻霜，在长汀及周边有霜降地区更有优势[32]。葛藤生长力旺盛，覆盖度高、枯落物浸水容量大，从而提高土壤水分蓄积能力，这与防止土壤侵蚀效果方面研究结果相一致[33];深层次的研究还表明，枯葛藤覆被较鲜葛藤覆被土壤含水率显著增加[34]。大翼豆作为藤本植物由于其缠绕性强，草层密，持水性强，也广泛应用于土壤修复、植被恢复等多种水土保持模式中[35]。

水土保持生态效应的发挥很大程度取决于草种本身水土保持特性的优劣，因此，优良草种的培育和评价选择成为重要的环节，培育选择已由单因素、单目标的定性方法发展为多因素、多指标及多功能的综合性定量方法。采用不同评价指标权重确定方法，评价结果也会有所不同。目前使用最多的指标权重确定法是层次分析法、专家评分法和基于熵的判定法[36-37]。本试验中采用层次分析法进行评价指标的确定，主要考虑参试材料为不同科属、植株高度差异大等因素，今后在此次试验结果的基础上可以结合多种评价方法进行结果比对及方法论证。

在评价体系中使用的各生长指标为两年的试验数据，为了能够更加准确地反映草种对当地气候、土壤条件的适应能力，避免当年极端天气的影响，在以后的深入研究中可以适当增加试验年限，更加全面了解草种的生长状况。其次，在评价草种水土保持特性的同时也应该关注其适口性及营养价值，从而提高筛选草种的推广应用价值及综合效益。

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（责任编辑：张 梅）