基于層次分析法的水土保持牧草篩選評(píng)價(jià)

王俊宏 韓海東 王成己 鄭向麗 徐國(guó)忠 黃毅斌

摘 要：【目的】篩選適宜福建省種植的水土保持型牧草，為福建省水土流失區(qū)域治理的草種選擇提供參考?！痉椒ā吭谒亮魇?yán)重的長(zhǎng)汀地區(qū)選取11個(gè)草種，通過測(cè)定出苗率、成活率、覆蓋度、枯落物浸水容量、根系重等水土保持特性指標(biāo)，運(yùn)用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)法對(duì)試驗(yàn)品種進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，篩選福建省水土保持適宜牧草?！窘Y(jié)果】試驗(yàn)區(qū)內(nèi)表現(xiàn)優(yōu)或較優(yōu)的草種有百喜草、閩引圓葉決明、閩草1號(hào)狼尾草、閩牧6號(hào)狼尾草、大翼豆、葛藤;表現(xiàn)良好的有紅象草、鈍葉決明、扁豆、含羞草;表現(xiàn)較差的有福引圓葉決明1號(hào)。【結(jié)論】禾本科屬的百喜草、閩草1號(hào)狼尾草、閩牧6號(hào)狼尾草，豆科屬的閩引圓葉決明、大翼豆、葛藤較為適合福建長(zhǎng)汀及周邊相同氣候條件的水土流失地區(qū)種植。

關(guān)鍵詞： 水土保持;草種;篩選;評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：S 157.43文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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】農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，植被資源常常缺乏有效保護(hù)，極易遭受破壞，引起水土流失等各種災(zāi)害性連鎖效應(yīng)，特別是紅壤丘陵生態(tài)區(qū)，嚴(yán)重制約區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展[1-4]。福建省位于中國(guó)東南沿海地帶，雨季多，降雨量大，丘陵山地地貌較多[5-6]。其中長(zhǎng)汀縣是南方紅壤區(qū)水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域之一[7-9]。植被覆蓋度是衡量水土保持的重要指標(biāo)之一，我國(guó)在水土保持生態(tài)修復(fù)建設(shè)中，長(zhǎng)期以植被覆蓋度為重要目標(biāo)，努力增加實(shí)際地表植被覆蓋度。其中，草業(yè)先行是較好的水土保持策略[10-15]。研究福建省水土流失嚴(yán)重區(qū)域的植被覆蓋，篩選區(qū)域內(nèi)優(yōu)勢(shì)植物種類，對(duì)增加水土流失區(qū)域植被覆蓋、提高水土流失治理效率具有重要意義。草本植物具有對(duì)土質(zhì)要求不嚴(yán)、適應(yīng)性強(qiáng)、覆蓋地表快等自然特性，其中優(yōu)良的水土保持型牧草具有產(chǎn)草量高、根系數(shù)量多、分布密集且生物量大等特點(diǎn)[16]，在侵蝕劣地廣泛種植可以達(dá)到快速覆蓋地表、恢復(fù)植被的效果，在維護(hù)和提高土壤地力的同時(shí)，改善生態(tài)環(huán)境，最終實(shí)現(xiàn)水土流失控制[17-18]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】有效篩選和準(zhǔn)確綜合評(píng)價(jià)牧草種質(zhì)資源特性是區(qū)域性牧草引種的先決條件。目前，很多研究多限于對(duì)牧草某一性狀或單一抗性進(jìn)行單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)[19]，由于牧草品種間品質(zhì)差異由多種性狀決定，很難依據(jù)各項(xiàng)分離的單一性狀去定量化判斷一個(gè)品種的綜合特性[20]。運(yùn)用層次分析法（AHP）可以解決上述難題[21-22]。近年來，層次分析法分析已被廣泛應(yīng)用于各種作物的育種篩選和新品種區(qū)域試驗(yàn)中。嚴(yán)慧玲等利用AHP對(duì)太行山邊坡沿線的喬、灌、草等89 種植物進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，篩選出適宜山區(qū)植被生態(tài)修復(fù)應(yīng)用的優(yōu)良品種[23];梁力等為篩選適合高速公路邊坡植被恢復(fù)草種，運(yùn)用層次分析法對(duì)當(dāng)?shù)氐?種暖季型草本植物進(jìn)行生態(tài)適應(yīng)性評(píng)價(jià)[24]。【本研究切入點(diǎn)】在福建省水土流失研究區(qū)域，通過層次分析法，開展福建省水土保持優(yōu)良草本植物的篩選及評(píng)價(jià)研究是適地適草措施的前提和基礎(chǔ)，目前尚未見有關(guān)利用層次分析法進(jìn)行水土流失區(qū)牧草篩選與評(píng)價(jià)的報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本試驗(yàn)在福建省長(zhǎng)汀縣域?qū)?1個(gè)草種進(jìn)行適應(yīng)性研究，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)及層次分析法，對(duì)試驗(yàn)品種進(jìn)行水土保持功能型草種的篩選與評(píng)價(jià)，為南方水土流失區(qū)域的治理和植被恢復(fù)提供技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在長(zhǎng)汀縣河田鎮(zhèn)長(zhǎng)汀縣水土保持試驗(yàn)站的試驗(yàn)基地，東經(jīng) 116°25′，北緯25°41′，中亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，全年平均氣溫19.3℃，極端高溫39.9℃，極端低溫-4.7℃，地表極端高溫可達(dá)75.4℃。全年無霜期277 d，夏長(zhǎng)冬短，一年之中平均氣溫在20℃ 以上的有6個(gè)月。年均降雨量約1 710 mm，其中集中降雨期為4～6月，降雨量約占全年的一半，且降雨強(qiáng)度偏大。土壤為粗晶花崗巖風(fēng)化殼上發(fā)育的山地丘陵紅壤，地貌特征類型主要有構(gòu)造侵蝕低山、低丘陵、淺丘陵、高丘陵和堆積階地等。

1.2 試驗(yàn)材料

采取定點(diǎn)試驗(yàn)，在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選取在長(zhǎng)汀地區(qū)存活率較高且具有一定飼用價(jià)值的草種作為試驗(yàn)材料（見表1）。所有試驗(yàn)材料均為福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所牧草品種資源圃提供。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)時(shí)間為2014、2015兩年，試驗(yàn)小區(qū)15 m2（長(zhǎng)5 m×寬3 m）。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，4次重復(fù)，11個(gè)草品種，共44個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。其中閩草1號(hào)狼尾草、紅象草、閩牧6號(hào)狼尾草為種莖扦插，按行距30 cm（每小區(qū)10行）、深1 cm開溝，按株距50 cm（每行10株）將種莖芽尖向上斜插入溝，覆土、壓實(shí)，每小區(qū)用種莖約100段;其余材料均為種子播種，行距30 cm，每個(gè)小區(qū)播種10行，播種量為45 g，均勻條播。播種時(shí)間為2014年4月12日，2015年4月20日對(duì)一年生的草種進(jìn)行再次播種，包括福引圓葉決明1號(hào)、閩引圓葉決明、鈍葉決明、扁豆、大翼豆、葛藤、含羞草，待出苗后對(duì)出苗率、成活率、覆蓋度等生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.4.1 出苗率、成活率、覆蓋度、植株高度測(cè)定

當(dāng)幼苗長(zhǎng)到2葉期（禾本科）或子葉期（豆科）時(shí)，調(diào)查出苗株數(shù)，將小區(qū)播種量換算為播種粒數(shù)，計(jì)算各小區(qū)的出苗率;待大部分植株確認(rèn)成活后統(tǒng)計(jì)幼苗的成活率，成活率/%=成活植株數(shù)/出苗植株數(shù);覆蓋度：在牧草出苗后的第3個(gè)月和第5個(gè)月分別對(duì)小區(qū)覆蓋度進(jìn)行測(cè)定（目測(cè)法）[25];植株高度采用絕對(duì)株高測(cè)定方法，測(cè)產(chǎn)前對(duì)各小區(qū)地上植株部分進(jìn)行株高測(cè)定，每小區(qū)隨機(jī)抽取10株進(jìn)行株高測(cè)定，取平均值。

1.4.2 地上生物產(chǎn)量及根量測(cè)定

所有試驗(yàn)草品種統(tǒng)一測(cè)產(chǎn)，測(cè)產(chǎn)時(shí)先割去試驗(yàn)小區(qū)兩側(cè)邊行，再將余下的8行留足中間4 m，然后割去兩頭各50 cm，并移出小區(qū)（本部分不計(jì)入產(chǎn)量），將余下部分平地表刈割測(cè)產(chǎn)。根量（根重）測(cè)定：采用傳統(tǒng)的挖掘法進(jìn)行稱量，深約30 cm，取根經(jīng)流水沖洗干凈后稱重。

1.4.3 枯落物的浸水容量測(cè)定

在試驗(yàn)小區(qū)刈割測(cè)產(chǎn)后進(jìn)行枯落物的收集，在試驗(yàn)小區(qū)地塊內(nèi)，采用隨機(jī)取樣方法，選定1 m2 面積為樣方，收集該區(qū)域內(nèi)地上的枯落物，重復(fù)3次，待枯落物風(fēng)干后先稱重，然后浸入水中24 h后撈出，不滴水時(shí)再稱重，計(jì)算地上部分浸水容量。

1.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)集的篩選

評(píng)價(jià)指標(biāo)集的選擇應(yīng)遵循主導(dǎo)因素原則、差異性原則和穩(wěn)定性原則，在篩選評(píng)價(jià)對(duì)象的參評(píng)因子時(shí)首先要與水土保持效能有較強(qiáng)的相關(guān)性，同時(shí)又要有明顯的空間差異性和時(shí)間穩(wěn)定性。長(zhǎng)汀縣是我國(guó)花崗巖紅壤土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)之一，區(qū)域內(nèi)的地貌多以低山丘陵為主，由于長(zhǎng)期不合理開發(fā)利用，植被蓋度僅為15%～30%，土壤有機(jī)質(zhì)含量低。基于上述客觀限制條件，結(jié)合樣地的立地條件、種植經(jīng)濟(jì)價(jià)值等調(diào)查結(jié)果，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以期為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的退化修復(fù)提供有利的植物篩選資源。其中選取植株出苗率（C1）、植株成活率（C2） 作為適應(yīng)性指標(biāo)（B1），選取植株高度（C3）作為生長(zhǎng)狀況指標(biāo)（B2），選取覆蓋度（C4）、枯落物浸水容量（C5）及根系鮮重（C6）作為水土保持特性指標(biāo)（B3），選取植株地上部分生物鮮重（C7）作為經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)（B4），構(gòu)成草本試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)集C = { C1， C2， C3， C4， C5， C6， C7 };然后對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)值進(jìn)行分級(jí)，建立評(píng)判集 V = { V1， V2，V3，V4，V5}，V1～V5分別對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)級(jí)別為優(yōu)、較優(yōu)、良、較差、差。本試驗(yàn)將指標(biāo)集C j（j=1，2…，7）分成 5個(gè)級(jí)別，級(jí)距用d = （Cjmax-Cjmin）/4來計(jì)算，然后根據(jù)d值來確定Cj的分級(jí)情況。

1.6 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

水土保持植物適宜性是多種參數(shù)指標(biāo)綜合作用的結(jié)果，不僅每一種參數(shù)指標(biāo)對(duì)適宜性的影響很復(fù)雜，而且指標(biāo)之間也是相互關(guān)聯(lián)相互制約的，各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重?cái)?shù)在一定程度上也反映單個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)能力。運(yùn)用層次分析法的基本原理確定相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重在很多草種篩選評(píng)價(jià)中加以利用[26-28]。本研究利用層次分析法原理，構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣，然后確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，賦予各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值，最后進(jìn)行適宜草種的綜合評(píng)價(jià)。

1.7 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 13. 0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

對(duì)參加試驗(yàn)的草品種進(jìn)行觀測(cè)、記載，植株出苗率（C1）、植株成活率（C2）、植株高度（C3）、覆蓋度（C4）、枯落物浸水容量（C5）及根系鮮重（C6）、植株地上部分生物鮮重（C7）的觀測(cè)結(jié)果見表 2。 除福引圓葉決明1號(hào)、百喜草外，其余草種植株出苗率均在80%以上，福引圓葉決明1號(hào)、百喜草雖然出苗率略低，但成活率高，均在90%以上，所有草種的出苗及成活情況均能滿足后期其他性狀指標(biāo)測(cè)定。狼尾草屬植物由于是直立高稈作物，植株高度較高，達(dá)到3 m以上;扁豆、大翼豆、葛藤、含羞草是矮稈作物，草叢高度較低，但由于枝條相互纏繞，植株的絕對(duì)高度也會(huì)達(dá)到3 m左右;決明屬草種植株高度最低，為1～2 m。覆蓋度方面，福引圓葉決明1號(hào)明顯低于其他草種;百喜草基本沒有枯落物，因此浸水容量為0。各參試草種的根系鮮重差異較大，主要與其自身根系特點(diǎn)相關(guān)。植株地上部分生物鮮重方面，狼尾草屬草種由于生長(zhǎng)力強(qiáng)、莖葉多，因此生物量較大，決明屬草種生物量較低，主要是由于生長(zhǎng)后期莖葉生長(zhǎng)停滯且枯黃較早，扁豆、大翼豆、葛藤、含羞草生物量居中?？梢钥闯?，不同草種的指標(biāo)差異明顯，從單一指標(biāo)分析各草種很難確定其綜合效應(yīng)，需通過綜合評(píng)價(jià)來確定最適合的草種植物。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)情況

根據(jù)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)草種各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)（表3），其中出苗率、成活率和覆蓋度的級(jí)距（d）差別不大，約為5%，表現(xiàn)為良的分級(jí)界限值均在85%以上;植株高度和地上部分生物鮮重兩項(xiàng)指標(biāo)由于草種間差值較大，分級(jí)界限值范圍較大;枯落物浸水容量及根系鮮重由于測(cè)定值差值相對(duì)較小，因此級(jí)距也較小。

2.3 單因素評(píng)判矩陣分析及評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

建立單因素評(píng)判矩陣R，矩陣R中的rij為R 的隸屬函數(shù)，rij的取值范圍是0～1，表示第j個(gè)指標(biāo)對(duì)被評(píng)價(jià)植物品種各項(xiàng)指標(biāo)第i種評(píng)價(jià)的可能程度，同理可確定任何一種草品種的R值。如閩草1號(hào)狼尾草單因素評(píng)判矩陣如下：

為確定每個(gè)指標(biāo)對(duì)上一層次的相對(duì)重要性，引用Saaty的 1-9 及其倒數(shù)的比例標(biāo)度法，構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣，判斷矩陣如表4所示，其RI = 0.0645，CI = 0.0018，CR =0.0279，層次總排序一次性檢驗(yàn)CR <0.10，說明判斷矩陣符合一致性要求，權(quán)重值合理。因此，評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)可作相應(yīng)的評(píng)價(jià)因素。

2.5 綜合評(píng)判結(jié)果

通過計(jì)算單因素評(píng)判矩陣（R）與評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重集（A），建立模糊綜合評(píng)判矩陣模型y =A×R，最終計(jì)算得出各供試草種的評(píng)價(jià)結(jié)果，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的歸一化處理，依據(jù)模糊數(shù)學(xué)最大隸屬度的原則進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)（表5）。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果可知，長(zhǎng)汀試驗(yàn)區(qū)禾本科草種表現(xiàn)優(yōu)或較優(yōu)的有百喜草、閩草1號(hào)狼尾草、閩牧6號(hào)狼尾草;豆科草種表現(xiàn)優(yōu)或較優(yōu)的有閩引圓葉決明、大翼豆、葛藤;福引圓葉決明1號(hào)表現(xiàn)為較差，分析其原因主要是出苗率、成活率低，地上生物量小，難以適應(yīng)土壤條件。

3 討 論

對(duì)參試的11種草本植物進(jìn)行評(píng)判，從中篩選出6種適宜在長(zhǎng)汀地區(qū)生長(zhǎng)的水土保持型牧草品種，其中閩草1號(hào)狼尾草、閩牧6號(hào)狼尾草為狼尾草屬，相關(guān)研究也表明狼尾草在長(zhǎng)汀地區(qū)生長(zhǎng)迅速，莖葉叢生密集并覆蓋度高，耐刈割，水保能力強(qiáng)[29]。閩草1號(hào)狼尾草和其他狼尾草屬品種相比，由于莖葉含糖量高，適口性更佳，推廣應(yīng)用價(jià)值更高;同屬禾本科的百喜草雖然生物量較小，但其地下部分發(fā)達(dá)，相關(guān)研究還表明百喜草根系有著良好的抗拉力學(xué)特性，增強(qiáng)地表覆蓋程度，對(duì)土壤固持作用更好，因此水土保持應(yīng)用效果會(huì)更佳[30-31]。閩引圓葉決明相比其他圓葉決明品種屬于晚熟品種，綠葉期更長(zhǎng)，覆蓋能力更強(qiáng)，且耐輕霜，在長(zhǎng)汀及周邊有霜降地區(qū)更有優(yōu)勢(shì)[32]。葛藤生長(zhǎng)力旺盛，覆蓋度高、枯落物浸水容量大，從而提高土壤水分蓄積能力，這與防止土壤侵蝕效果方面研究結(jié)果相一致[33];深層次的研究還表明，枯葛藤覆被較鮮葛藤覆被土壤含水率顯著增加[34]。大翼豆作為藤本植物由于其纏繞性強(qiáng)，草層密，持水性強(qiáng)，也廣泛應(yīng)用于土壤修復(fù)、植被恢復(fù)等多種水土保持模式中[35]。

水土保持生態(tài)效應(yīng)的發(fā)揮很大程度取決于草種本身水土保持特性的優(yōu)劣，因此，優(yōu)良草種的培育和評(píng)價(jià)選擇成為重要的環(huán)節(jié)，培育選擇已由單因素、單目標(biāo)的定性方法發(fā)展為多因素、多指標(biāo)及多功能的綜合性定量方法。采用不同評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定方法，評(píng)價(jià)結(jié)果也會(huì)有所不同。目前使用最多的指標(biāo)權(quán)重確定法是層次分析法、專家評(píng)分法和基于熵的判定法[36-37]。本試驗(yàn)中采用層次分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定，主要考慮參試材料為不同科屬、植株高度差異大等因素，今后在此次試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上可以結(jié)合多種評(píng)價(jià)方法進(jìn)行結(jié)果比對(duì)及方法論證。

在評(píng)價(jià)體系中使用的各生長(zhǎng)指標(biāo)為兩年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為了能夠更加準(zhǔn)確地反映草種對(duì)當(dāng)?shù)貧夂?、土壤條件的適應(yīng)能力，避免當(dāng)年極端天氣的影響，在以后的深入研究中可以適當(dāng)增加試驗(yàn)?zāi)晗?，更加全面了解草種的生長(zhǎng)狀況。其次，在評(píng)價(jià)草種水土保持特性的同時(shí)也應(yīng)該關(guān)注其適口性及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，從而提高篩選草種的推廣應(yīng)用價(jià)值及綜合效益。

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（責(zé)任編輯：張 梅）