基于熵权法的餐厨垃圾沼液农田利用综合评价

乔宇颖，李娜，奚辉，胡振华，干莹莹，陈喜靖，喻曼*

(1.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021；2.浙江恒海农业科技集团有限公司，浙江 宁波 315100)

餐厨垃圾沼液是餐厨垃圾经厌氧消化产生的有机废水，含盐量较高，若利用不善，可能会导致土壤盐分积累和次生盐渍化问题[1]。国内外众多学者认为施用沼液能提高土壤中氮、磷、钾及有机质的含量，改善作物品质[2-3]，沼液在改善土壤盐碱性[4]、提高土壤微生物多样性[5-6]方面也有较好的作用。但是，在滨海滩涂盐土地区存在土壤本身含盐量较高、地下水埋浅、灌溉水矿化度较高和降水量相对丰富但分布不均等问题[7]，限制了餐厨垃圾沼液的安全有效利用，进而影响土壤环境和生态安全。黄继川等[8]研究表明，施用适量沼液能够提高土壤微生物群落结构多样性，过多则效果降低，连续施用沼液对微生物群落结构的影响具有累积叠加效应。徐晓萌[9]对土壤细菌群落结构进行多样性分析发现，施用沼液可以增加土壤微生物群落多样性，在正常的沼液处理水平下，不会显著破坏土壤微生物生态区系的健康稳定。耿青云等[10]研究发现，沼液农田利用需要综合同时考虑施用量和施用位置，在1～5 cm土层施用沼液，其施用量不适宜会导致电导率和pH值升高。王宗寿[11]和倪亮等[12]研究发现，施用沼液不同程度地提高了土壤的pH值，防止土壤电导率的增加，减少盐害。因此，在滨海滩涂盐土地区施用沼液要求不仅要从作物产量或某项单一品质指标考虑，更要从产量、品质、土壤环境、土壤生态等多指标进行综合评价。

熵权法是一种客观赋权法，能有效避免人为确定各指标重要性或极值影响造成的误差[13]。熵理论反映了信息的无序程度，当某项指标承载的信息越多，它对决策的影响就越大[14]。基于熵权法的特性与优点，越来越多的研究者选择运用熵权法对自己的研究区域进行综合评价。兰道云等[15]运用熵权法对不同密度油松人工林的土壤保育功能进行了评价；邱陆旸等[13]选择了5种主要林地类型的土壤为评价对象，建立了包含11项指标的评价体系，应用熵权法综合研究了不同林地土壤的抗蚀性差异和主要影响因素；林坤等[16]运用熵权法对黄土丘陵区贺庄沟流域土壤水分各影响因子在不同土层深度下的权重进行分析，描述了各影响因子对土壤水分的影响程度；Hasan等[17]利用熵权法对横河下游盆地流域地下水水质进行了评价；周荣兴等[18]以安徽省为例，建立了基于熵权组合权重的区域水资源承载力和相应的等级标准预警模式。基于此，本文以餐厨垃圾沼液不同施用比例下西兰花试验为基础，选取了3大类指标(作物、土壤养分和土壤微生物)，19项指标(含作物产量、品质、土壤盐分、土壤养分、土壤细菌、土壤真菌等)，运用熵权法综合评价餐厨垃圾沼液施用对农田的综合影响，以期为餐厨垃圾沼液在滨海盐碱地的利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验所用西兰花品种为炎秀，供试沼液为餐厨垃圾沼液，取自宁波有机固废处理公司，其总氮、总磷和总钾含量分别为1 340 mg·L-1、69 mg·L-1和714 mg·L-1。供试化肥为当地市售尿素、过磷酸钙和氯化钾。

1.2 试验设计

田间试验于2020年9月至2021年3月在浙江省宁波市慈溪市观海卫镇海涂试验基地进行。试验共设置5个处理，纯化肥(CF)；沼液25%+化肥75%(以氮计，下同，T25)；沼液50%+化肥50%(T50)；沼液75%+化肥25%(T75)；沼液100%(T100)。每个处理重复3次，共计15个小区，小区面积4 m×8 m。田间管理同当地常规管理一致，沼液和化肥施用采用滴灌方式。

在西兰花收获期记录产量，并采集可食部位测定可溶性糖、蛋白质以及维生素C的含量；采用五点取样法采集土壤表层样品(0～20 cm)，混合均匀，一部分放入保温箱带回实验室后放入-20 ℃冰箱保存，另一部分待自然风干后，过2 mm筛备用。

1.3 测定项目与方法

土壤养分指标检测参照《土壤农业化学分析方法》[19]。土壤微生物总量、细菌、真菌、放线菌、革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌含量采用磷脂脂肪酸法(phospholipid fatty acid，PLFA)进行检测[20]。西兰花可食部位可溶性糖含量采用3，5-二硝基水杨酸法测定；蛋白质含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定；维生素C含量测定采用2，6-二氯靛酚滴定法。

2 研究方法

采用熵权法分别对各大类指标的权重进行计算，一般情况下，评价指标的离散度越大，信息量和权重越大。相反，评价指标的离散度越小，信息量和权重越小。通常需对数据进行标准化处理，以消除各评价指标的量纲，从而实现数据之间的可比性。熵权法的具体计算过程如下：

(1)构建原始评价指标矩阵

X=(xij)m×n。

(1)

并对矩阵进行标准化处理，标准化方法如下。

正向指标：

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

(2)

负向指标：

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

(3)

式中，xij为第i个试验处理的第j个指标值，yij为相应的标准化值。

(2)计算各指标信息熵。

(4)

(3)计算指标的权重。

(5)

3 结果与分析

3.1 餐厨垃圾沼液农田利用后各指标变化情况

试验结果表明(表1)，T25、T50、T75和T100处理与CF处理下的西兰花产量之间没有明显的差别，说明沼液滴灌基本不影响西兰花的产量。沼液滴灌后，西兰花的维生素C含量和蛋白质含量有所下降，可溶性糖含量有所上升，并且在T75和T100处理下上升明显，表明沼液滴灌对西兰花品质的影响有好有坏。与CF处理相比，沼液替代处理的西兰花品质差异不大。从土壤养分指标来看，pH值在常规施肥和沼液滴灌处理中均有所降低，但在T100处理下，pH值有所升高；土壤有机质和全氮在常规施肥和沼液滴灌处理中均呈现降低趋势，且沼液T25和T100处理中降低得最明显，表明过少或过多的沼液都会使得土壤有机质和全氮有较大的损失；土壤有效磷含量在T50处理中明显较低，土壤速效钾含量在T75和CF处理中明显较低。试验样本中共提取到44条有效的单体PLFA，通过比较不同比例餐厨垃圾沼液滴灌后土壤微生物群落结构变化(表1)，结果表明，沼液替代处理中土壤微生物总量、细菌、真菌和放线菌含量均明显高于常规施肥处理。张无敌等[21]的研究结果表明，沼液灌溉能不同程度增加表层土壤细菌、真菌数量和微生物多样性指数。在等氮条件下，化肥合理配施沼液能增加土壤微生物数量[22]，能提高土壤氨氧化速率和氮素矿化能力，提高微生物活性[23]。长期定位研究[24-25]表明，沼液能促进土壤中微生物的繁殖，有利于土壤中多种微生物的均衡生长和土壤微生物种群的均匀分布，从而改善微生物群落结构。这与本文研究较为一致。

3.2 餐厨垃圾沼液农田利用不同处理的指标熵权

以产量、可溶性糖含量、维生素C含量和蛋白质含量为指标，计算不同处理的熵权值(表2)，信息熵为0.39～0.55，其中信息熵最高的为西兰花产量，对应权重0.21，信息熵最低的为维生素C含量，对应权重0.28，这说明西兰花维生素C含量在不同处理间的敏感度大于西兰花产量。进一步计算土壤各养分指标熵权值(表2)，各指标信息熵为0.43～0.57，信息熵最低的为全氮含量和ECe，对应权重分别为0.17和0.16，其中全氮含量为正向指标，ECe为负向指标。说明在沼液滴灌条件下，土壤全氮和ECe较其他指标更敏感。不同群落指标的信息熵为0.40～0.54，最高信息熵为细菌含量/真菌含量指标，权重为0.11，最低信息熵为革兰氏阳性含量/革兰氏阴性含量指标，权重为0.14，该结果表明，在沼液滴灌条件下，革兰氏阳性含量/革兰氏阴性含量指标比细菌含量/真菌含量指标更为敏感。

3.3 餐厨垃圾沼液农田利用不同处理评分

以产量、可溶性糖含量、维生素C含量、蛋白质含量为指标对不同处理进行评分，排序如表3所示，综合分排序从大到小依次为CF>T25>T75>T50>T100，说明沼液滴灌模式下对西兰花产量和品质整体还是有一定影响，且随沼液施用比例增加，影响增大。基于土壤养分指标对各处理进行综合评分(表3)，处理T50和T25接近，排序分别为1和2，处理CF和T100接近，排序分别为3和4。基于PLFA微生物群落指标对各处理进行综合评分(表3)，处理T25和T50接近，排序分别为1和2，处理CF和T75接近，排序分别为4和5。

表3 基于西兰花品质和产量的不同处理评价分

4 结论

沼液滴灌模式下对西兰花产量、品质、土壤微生物群落、土壤养分均有一定影响，其中西兰花品质和产量的综合评分随沼液施用比例增加而下降，说明沼液替代比例需严格控制，西兰花维生素C含量可作为沼液施用量的指示指标。土壤微生物群落和土壤养分对沼液施用比例响应较为一致，土壤微生物革兰氏阳性含量/革兰氏阴性菌含量、土壤全氮含量和ECe可作为餐厨垃圾沼液施用生态风险评估的最小数据集。