不同灌溉模式稻田土壤速效氮磷存儲(chǔ)能力及其熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)

毛心怡，王為木，郭相平，黃雙雙，欒雅珺(1. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098; 2. 河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098)

水稻在我國(guó)糧食生產(chǎn)中具有重要地位，降低水稻用水量、提高水稻水分利用效率，既有利于保障國(guó)家糧食安全，又有利于緩解我國(guó)水資源短缺及農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題[1]。目前常見(jiàn)的節(jié)水灌溉模式包括“淺、濕、曬”灌溉技術(shù)[2,3]、間歇灌溉技術(shù)[4,5]、控制灌溉技術(shù)[6,7]及蓄水灌溉技術(shù)[8]。然而，這些研究大多集中在不同灌溉模式下水稻的節(jié)水和增產(chǎn)效應(yīng)，關(guān)于稻田剖面土壤養(yǎng)分累積和分布特征的報(bào)道還不多見(jiàn)，在土壤養(yǎng)分尺度考慮最優(yōu)灌溉模式的研究則更為匱乏。鑒此，本研究設(shè)計(jì)淺水勤灌、淺濕灌溉、濕潤(rùn)灌溉、控制灌溉、蓄水控灌、深水淹灌等6種水稻灌溉模式，觀測(cè)其對(duì)不同土層速效氮和速效磷的影響，同時(shí)引入熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)模型，以耕層土壤速效氮、磷為主要指標(biāo)，優(yōu)選灌溉模式，預(yù)期研究結(jié)論可為促進(jìn)水稻穩(wěn)定增產(chǎn)、優(yōu)化水稻施肥制度及改善稻田生態(tài)環(huán)境提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015年5月-10月在河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(31°53′N(xiāo)，118°48′E)進(jìn)行，屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候，冬冷夏熱、四季分明。年均降雨量在1 021.3 mm，多年均水面蒸發(fā)量為900 mm左右，年平均氣溫15.7 ℃。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

設(shè)計(jì)6種灌溉模式作為試驗(yàn)處理，各處理及其水分控制指標(biāo)見(jiàn)表1。試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)。

試驗(yàn)在長(zhǎng)×寬=3.0 m×2.5 m的小區(qū)進(jìn)行，每個(gè)處理重復(fù)3次，共18個(gè)小區(qū)，小區(qū)外設(shè)置保護(hù)區(qū)，防止側(cè)滲水分干擾試驗(yàn)，各小區(qū)隨機(jī)布置。試驗(yàn)土壤取自試驗(yàn)稻田耕作土，土壤類(lèi)型為黏壤土，田間質(zhì)量持水率為30.9%，速效氮為47.4 mg/kg，速效磷為10.37 mg/kg，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.4%。

供試水稻為高產(chǎn)品種“南粳44”，于2015年5月育秧。6月10日選擇三葉一心大小基本一致的秧苗移栽，每區(qū)9穴，每穴3株，行株距為20 cm ×15 cm。6月5日施基肥(復(fù)合肥，N∶P2O5∶K2O=15%∶15%∶15%)300 kg/hm2，6月17日、7月7日和8月19日分別施用尿素(含氮量≥46.2%)150.0、75.0和150.0 kg/hm2作為返青肥、分蘗肥和穗肥，各處理施肥量一致。全生育期除灌排措施外，其他農(nóng)藝措施均相同。10月23日收獲水稻。

配合試驗(yàn)整體設(shè)計(jì)與實(shí)施，在水稻主要生育時(shí)期的初期、中期、末期的土壤水分上限時(shí)段進(jìn)行采樣。在每個(gè)小區(qū)內(nèi)按對(duì)角線選取3個(gè)取樣點(diǎn)，用土鉆取地表以下0～10、10～20、20～40 cm 3層土樣，將各層3個(gè)點(diǎn)的土樣分別混合均勻后，分取約300 g鮮樣裝入塑料卡口袋，置于4 ℃冰箱保存待測(cè)。

表1 不同灌溉模式下的設(shè)計(jì)灌排指標(biāo)

注：①分蘗期灌溉控制指標(biāo)前高后低，拔節(jié)孕穗期灌溉控制指標(biāo)前低后高；②“mm”表示田面水深，“%”表示表層30 cm土壤的含水率占土壤飽和含水率的百分比，“*” 表示本行數(shù)據(jù)表示方式不同于同行其他數(shù)據(jù)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤質(zhì)量含水率采用烘干法測(cè)定，土壤速效氮采用堿擴(kuò)散法測(cè)定，土壤速效磷采用NH4F-HCl浸提、鉬銻抗比色法測(cè)定，具體方法步驟參考土壤農(nóng)化分析(第三版)[9]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS17.0軟件，采用單因素隨機(jī)區(qū)組法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，顯著性檢驗(yàn)采用Duncan's multiple range test法[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉模式對(duì)稻田剖面土壤速效氮含量的影響

表2所示為不同灌溉模式下水稻不同生育期土壤中剖面速效氮含量。可以看出，在0～10和10～20 cm的耕層土壤速效氮含量均以蓄水控灌最高，且與其他處理差異顯著(P<0.05)。說(shuō)明在本試驗(yàn)中，蓄水控灌存儲(chǔ)0～10和10～20 cm土壤速效氮的效果較優(yōu)。而在20～40 cm土壤中，黃熟期各灌溉模式下土壤速效氮含量差異并不顯著，拔節(jié)孕穗期和乳熟期時(shí)，濕潤(rùn)灌溉模式下速效氮含量最高。

表2 不同灌溉模式下水稻不同生育時(shí)期剖面土壤速效氮含量 mg/kg

注：同一時(shí)期相同土層不同字母(a，b，c)表示在0.05水平上具有顯著性差異。

2.2 不同灌溉模式對(duì)稻田剖面土壤速效磷含量的影響

表3所示為不同灌溉模式下水稻不同生育期剖面速效磷含量。由表3中可以看出，除乳熟期20～40 cm土壤速效磷含量沒(méi)有顯著差異以外，其余生育期不同灌溉模式對(duì)土壤速效磷含量均有明顯影響。不同灌溉模式中，蓄水控灌、控制灌溉、深水淹灌的條件下0～10與10～20 cm土壤速效磷含量處于較高水平。

2.3 不同灌溉模式耕層土壤速效氮磷的熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)

2.3.1 指標(biāo)體系建立

耕層土壤速效氮和速效磷含量對(duì)水稻的產(chǎn)量有較大影響。因此，評(píng)價(jià)不同灌溉模式耕層土壤速效氮磷存儲(chǔ)能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。為此，本研究以拔節(jié)孕穗期、乳熟期、黃熟期耕層土壤(0～10和10～20 cm均值)速效氮含量(X1、X2、X3)和拔節(jié)孕穗期、乳熟期、黃熟期耕層土壤速效磷(X4、X5、X6)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，如表4所示。

2.3.2 熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)模型建模

參考侯毛毛等[11]的方法建立熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)模型：

表3 不同灌溉下水稻不同生育時(shí)期剖面土壤速效磷含量 mg/kg

注：同一時(shí)期相同土層不同字母(a，b，c)表示在0.05水平上具有顯著性差異。

表4 不同灌溉模式速效氮磷存儲(chǔ)能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)和指標(biāo)值

注：表中速效氮、磷含量為0～10和10～20 cm土層的均值。

設(shè)不同灌溉模式速效氮磷存儲(chǔ)能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)為n個(gè)，灌溉模式有m種，m種灌溉模式對(duì)應(yīng)n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)可構(gòu)成本研究中的評(píng)價(jià)矩陣，即：

R=(rij)m×n

(1)

式中：rij為第i種灌溉模式對(duì)應(yīng)的第j個(gè)指標(biāo)的指標(biāo)值。對(duì)于某個(gè)指標(biāo)rj，有信息熵(即排除亢余后的平均信息量)：

(2)

第j個(gè)指標(biāo)值的熵值為：

(3)

第j個(gè)指標(biāo)的客觀權(quán)重為

(4)

評(píng)價(jià)時(shí)也考慮決策者對(duì)于不同指標(biāo)重要性的分析和判斷，因此，本研究將決策者主觀權(quán)重ω1,ω2,ω3,…,ωn與客觀權(quán)重θj(j=1,2,3,…,n)結(jié)合，結(jié)合后的指標(biāo)可獲得綜合權(quán)重如下：

(5)

由于評(píng)價(jià)矩陣中數(shù)據(jù)的量綱不一致，需對(duì)矩陣中的數(shù)據(jù)作歸一化處理。假設(shè)本研究評(píng)價(jià)矩陣R中每列的最優(yōu)值為r*j。評(píng)價(jià)指標(biāo)按照性質(zhì)的不同分為兩種不同類(lèi)型：收益性指標(biāo)和損失性指標(biāo)。對(duì)于收益性指標(biāo)來(lái)說(shuō)，r*j越大越優(yōu)；而對(duì)于損失性指標(biāo)，r*j則越小越優(yōu)。將歸一化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理可得：

(6)

不同灌溉模式耕層土壤速效氮磷存儲(chǔ)能力的熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)值λi可表示為：

(7)

根據(jù)模型原理，某灌溉模式所對(duì)應(yīng)的熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)值λi越高，表明該灌溉模式存儲(chǔ)耕層土壤速效氮和速效磷的效果越好。

2.3.3 計(jì)算與分析

根據(jù)模型中步驟(4)計(jì)算可得X1、X2、X3、X4、X5和X6的客觀權(quán)重分別為0.11、0.25、0.13、0.03、0.44和0.04。鑒于氮元素對(duì)水稻增產(chǎn)的突出作用，本研究賦予X1、X2、X3、X4、X5和X6主觀權(quán)重0.2、0.2、0.2、0.13、0.13和0.13。根據(jù)模型步驟(5)計(jì)算得X1、X2、X3、X4、X5和X6的綜合權(quán)重為0.14、0.30、0.16、0.02、0.35和0.03。本研究中，所有7項(xiàng)指標(biāo)均為收益性指標(biāo)。根據(jù)式(7)計(jì)算不同節(jié)水灌溉模式耕層土壤速效氮磷存儲(chǔ)能力熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)值(圖1)。依據(jù)圖1與模型原理可知，本研究中6種灌溉模式耕層土壤速效氮磷存儲(chǔ)能力從強(qiáng)到弱依次為：蓄水控灌>控制灌溉 >深水淹灌>濕潤(rùn)灌溉>淺濕灌溉>淺水勤灌。

圖1 不同灌溉模式耕層土壤速效氮磷存儲(chǔ)能力的熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)值

3 結(jié)論與討論

由表2可知，蓄水控灌下，主要留在0～10、10～20、20～40 cm土壤速效氮含量均處于較高水平。茆智的研究結(jié)果[12]表明，由于地表徑流、地下水滲漏等原因，傳統(tǒng)的深水淹灌容易造成大量氮磷元素的流失。然而，從本研究所得結(jié)果來(lái)看，深水淹灌模式下，土壤中速效氮的儲(chǔ)量較高，這可能與氮素礦化有關(guān)。楊帆[13]研究表明，土壤水分含量與土壤氮素的礦化作用呈顯著正相關(guān)。因此，深水淹灌模式下的高速效氮可能是因?yàn)檠凸鄷r(shí)的大量水分促進(jìn)了土壤有機(jī)氮的礦化和釋放。

本研究主要比較了不同灌溉模式下土壤速效氮的分布特征。然而，速效氮又包括銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，兩者性質(zhì)不同。銨態(tài)氮容易被土壤膠體吸附，部分銨態(tài)氮形成晶格固定態(tài)銨，不易流失。而硝態(tài)氮容易隨著地表徑流、地下水滲漏等方式流失[14]。今后的研究中，應(yīng)深入探討水稻各灌溉模式下，不同形態(tài)氮素之間的轉(zhuǎn)化過(guò)程。本研究耕層土壤速效磷含量在蓄水控灌和控制灌溉模式下較高，而在淺水勤灌等模式下較低。這可能因?yàn)樵跍\水勤灌、淺濕灌溉的條件下，排水量較大，磷元素容易隨土壤水分流失而流失。這也充分印證了張志劍[15]的研究結(jié)果。

本研究采用熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)模型對(duì)耕層土壤速效氮磷儲(chǔ)量進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)。相比于其他統(tǒng)計(jì)學(xué)模型往往只考慮主觀權(quán)重或客觀權(quán)重的情況，熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)模型可以綜合考慮分析主觀經(jīng)驗(yàn)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，避免單獨(dú)使用主觀權(quán)重或客觀權(quán)重造成的片面和局限[16,17]，所得結(jié)果更為客觀、合理。

熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)模型計(jì)算結(jié)果表明，土壤速效氮磷存儲(chǔ)能力最優(yōu)的灌溉模式為蓄水控灌。邵孝侯等[18]研究表明，蓄水控灌對(duì)水稻增產(chǎn)效果最優(yōu)，本研究中蓄水控灌模式下，土壤速效氮和速效磷的含量最高，這從側(cè)面解釋了邵孝侯的研究結(jié)論。淺水勤灌下土壤速效氮和磷含量相對(duì)較低，這可能是因?yàn)樵撃Ｊ较?，供水較少，不利于土壤中肥料態(tài)的養(yǎng)分向速效態(tài)轉(zhuǎn)化[19,20]。

然而，本研究?jī)H分析了土壤中的速效氮和速效磷，并未考慮速效鉀。作為植物生長(zhǎng)必需的三大大量元素之一，鉀元素不僅對(duì)產(chǎn)量，且對(duì)作物品質(zhì)起關(guān)鍵作用[21]。今后的研究中，應(yīng)將氮磷鉀元素等進(jìn)行綜合考慮，從而篩選最優(yōu)模式，為促進(jìn)水稻穩(wěn)定增產(chǎn)、優(yōu)化水稻施肥制度及改善稻田生態(tài)環(huán)境提供更全面的依據(jù)。

[1] 姚 林，鄭華斌，劉建霞，等. 中國(guó)水稻節(jié)水灌溉技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2014,11(5):1 381-1 387.

[2] Guang Chu，Zhiqin Wang，Hao Zhang，等. Alternate wetting and moderate drying increases rice yield and reduces methane emission in paddy field with wheat straw residue incorporation[J]. Food and Energy Security, 2015,4(3):238-254.

[3] 呂國(guó)安，李遠(yuǎn)華，沙宗堯，等. 節(jié)水灌溉對(duì)水稻磷素營(yíng)養(yǎng)的影響[J]. 灌溉排水, 2000, 9(4):10-12.

[4] 呂 露，馮常萍，崔遠(yuǎn)來(lái). 水稻不同節(jié)水灌溉模式的水分利用效率比較----以荊門(mén)、桂林為例[J]. 節(jié)水灌溉, 2011,(3):15-17,22.

[5] 彭世彰，郝樹(shù)榮，劉 慶，等. 節(jié)水灌溉水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)成因分析[J]. 灌溉排水, 2000,19(3):3-7.

[6] Guangcheng Shao，Jintao Cui，Shuang'en Yu，et al. Impacts of controlled irrigation and drainage on the yield and physiological attributes of rice[J]. Agricultural Water Management, 2015,149:156-165.

[7] Guang-Cheng Shao，Sheng Deng，Na Liu，et al. Effects of controlled irrigation and drainage on growth, grain yield and water use in paddy rice[J]. European Journal of Agronomy, 2014,53:1-9.

[8] 劉 晗. 節(jié)水灌溉水稻水氮利用與肥料氮量平衡研究[D]. 武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué), 2005.

[9] 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 3版. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2000.

[10] Maomao Hou，Xiaohou Shao，Yaming Zhai，et al. Analysis on reutilization characters of fertilizer N in tobacco field with15N tracing technique[J]. Nongye Gongcheng Xuebao/Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016,32:118-123.

[11] 侯毛毛，邵孝侯，陳競(jìng)楠，等. EM保水劑施用對(duì)烤煙的影響及其施用制度的優(yōu)選研究[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2016,24(5):628-636.

[12] 茆 智. 水稻節(jié)水灌溉及其對(duì)環(huán)境的影響[J]. 中國(guó)工程科學(xué), 2002,4(7):8-16.

[13] 楊 帆. 水分對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化影響的研究進(jìn)展[C]∥ 中國(guó)氣象學(xué)會(huì).第32屆中國(guó)氣象學(xué)會(huì)年會(huì)S15提升氣象為農(nóng)服務(wù)能力，保障農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效.,2015:7.

[14] Maomao Hou，Danyan Chen，Xiaohou Shao，et al. Mulching and organic-inorganic fertilizer application reduce runoff losses of nitrogen from tobacco fields[J]. Fresenius environmental bulletin, 2016,25(25):1-12.

[15] 張志劍,王兆德,姚菊祥,等. 水文因素影響稻田氮磷流失的研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)環(huán)境,2007,16(6):1 789-1 794.

[16] Guang-cheng Shao，Ming-hui Wang，Na Liu，et al. Growth and Comprehensive Quality Index of Tomato under Rain Shelters in Response to Different Irrigation and Drainage Treatments[J]. Scientific World Journal, 2014.

[17] Maomao Hou，Xiaohou Shao. Optimization of irrigation-drainage scheme for tomato crop based on multi-index analysis and projection pursuit model[J]. Zemdirbyste-Agriculture, 2016,103(2):221-228.

[18] Yuanyuan Li，Xiaohou Shao. Effects of controlled and mid-gathering irrigation on paddy rice height and yield[J]. Journa of food agriculture and environment, 2012,10(3-4):659-663.

[19] 侯毛毛，邵孝侯，翟亞明，等. 基于～(15)N示蹤技術(shù)的煙田肥料氮素再利用分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016, 32(S1):118-123.

[20] Maomao Hou，Xiaohou Shao，Qiu Jin，等. A 15N tracing technique-based analysis of the fate of fertilizer N: a 4-year case study in eastern China[J]. Archives of Agronomy and Soil Science, 2017, 63(1): 74-83.

[21] 石媛媛. 基于數(shù)字圖像的水稻氮磷鉀營(yíng)養(yǎng)診斷與建模研究[D]. 杭州：浙江大學(xué), 2011.