不同灌溉模式稻田土壤速效氮磷存儲能力及其熵權(quán)系數(shù)評價

毛心怡，王為木，郭相平，黃雙雙，欒雅珺(1. 河海大學水利水電學院，南京 210098; 2. 河海大學南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室，南京 210098)

水稻在我國糧食生產(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，既有利于保障國家糧食安全，又有利于緩解我國水資源短缺及農(nóng)業(yè)面源污染問題[1]。目前常見的節(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道還不多見，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)計淺水勤灌、淺濕灌溉、濕潤灌溉、控制灌溉、蓄水控灌、深水淹灌等6種水稻灌溉模式，觀測其對不同土層速效氮和速效磷的影響，同時引入熵權(quán)系數(shù)評價模型，以耕層土壤速效氮、磷為主要指標，優(yōu)選灌溉模式，預(yù)期研究結(jié)論可為促進水稻穩(wěn)定增產(chǎn)、優(yōu)化水稻施肥制度及改善稻田生態(tài)環(huán)境提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015年5月-10月在河海大學南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室(31°53′N，118°48′E)進行，屬于亞熱帶濕潤氣候，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 試驗設(shè)計與方法

設(shè)計6種灌溉模式作為試驗處理，各處理及其水分控制指標見表1。試驗設(shè)3次重復(fù)。

試驗在長×寬=3.0 m×2.5 m的小區(qū)進行，每個處理重復(fù)3次，共18個小區(qū)，小區(qū)外設(shè)置保護區(qū)，防止側(cè)滲水分干擾試驗，各小區(qū)隨機布置。試驗土壤取自試驗稻田耕作土，土壤類型為黏壤土，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，有機質(zhì)質(zhì)量分數(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。

配合試驗整體設(shè)計與實施，在水稻主要生育時期的初期、中期、末期的土壤水分上限時段進行采樣。在每個小區(qū)內(nèi)按對角線選取3個取樣點，用土鉆取地表以下0～10、10～20、20～40 cm 3層土樣，將各層3個點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。

表1 不同灌溉模式下的設(shè)計灌排指標

注：①分蘗期灌溉控制指標前高后低，拔節(jié)孕穗期灌溉控制指標前低后高；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 測定項目與方法

土壤質(zhì)量含水率采用烘干法測定，土壤速效氮采用堿擴散法測定，土壤速效磷采用NH4F-HCl浸提、鉬銻抗比色法測定，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，采用單因素隨機區(qū)組法對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，顯著性檢驗采用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)。說明在本試驗中，蓄水控灌存儲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，濕潤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期剖面土壤速效氮含量 mg/kg

注：同一時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土壤速效磷含量沒有顯著差異以外，其余生育期不同灌溉模式對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)評價

2.3.1 指標體系建立

耕層土壤速效氮和速效磷含量對水稻的產(chǎn)量有較大影響。因此，評價不同灌溉模式耕層土壤速效氮磷存儲能力具有重要的現(xiàn)實意義。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)作為評價指標，如表4所示。

2.3.2 熵權(quán)系數(shù)評價模型建模

參考侯毛毛等[11]的方法建立熵權(quán)系數(shù)評價模型：

表3 不同灌溉下水稻不同生育時期剖面土壤速效磷含量 mg/kg

注：同一時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能力的評價指標和指標值

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能力的評價指標數(shù)為n個，灌溉模式有m種，m種灌溉模式對應(yīng)n個評價指標可構(gòu)成本研究中的評價矩陣，即：

R=(rij)m×n

(1)

式中：rij為第i種灌溉模式對應(yīng)的第j個指標的指標值。對于某個指標rj，有信息熵(即排除亢余后的平均信息量)：

(2)

第j個指標值的熵值為：

(3)

第j個指標的客觀權(quán)重為

(4)

評價時也考慮決策者對于不同指標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)合后的指標可獲得綜合權(quán)重如下：

(5)

由于評價矩陣中數(shù)據(jù)的量綱不一致，需對矩陣中的數(shù)據(jù)作歸一化處理。假設(shè)本研究評價矩陣R中每列的最優(yōu)值為r*j。評價指標按照性質(zhì)的不同分為兩種不同類型：收益性指標和損失性指標。對于收益性指標來說，r*j越大越優(yōu)；而對于損失性指標，r*j則越小越優(yōu)。將歸一化后的數(shù)據(jù)進行整理可得：

(6)

不同灌溉模式耕層土壤速效氮磷存儲能力的熵權(quán)系數(shù)評價值λi可表示為：

(7)

根據(jù)模型原理，某灌溉模式所對應(yīng)的熵權(quán)系數(shù)評價值λi越高，表明該灌溉模式存儲耕層土壤速效氮和速效磷的效果越好。

2.3.3 計算與分析

根據(jù)模型中步驟(4)計算可得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項指標均為收益性指標。根據(jù)式(7)計算不同節(jié)水灌溉模式耕層土壤速效氮磷存儲能力熵權(quán)系數(shù)評價值(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能力從強到弱依次為：蓄水控灌>控制灌溉 >深水淹灌>濕潤灌溉>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能力的熵權(quán)系數(shù)評價值

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)果來看，深水淹灌模式下，土壤中速效氮的儲量較高，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為淹灌時的大量水分促進了土壤有機氮的礦化和釋放。

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。這可能因為在淺水勤灌、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)評價模型對耕層土壤速效氮磷儲量進行比較和評價。相比于其他統(tǒng)計學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)評價模型可以綜合考慮分析主觀經(jīng)驗與試驗數(shù)據(jù)，避免單獨使用主觀權(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)評價模型計算結(jié)果表明，土壤速效氮磷存儲能力最優(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較低，這可能是因為該模式下，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，本研究僅分析了土壤中的速效氮和速效磷，并未考慮速效鉀。作為植物生長必需的三大大量元素之一，鉀元素不僅對產(chǎn)量，且對作物品質(zhì)起關(guān)鍵作用[21]。今后的研究中，應(yīng)將氮磷鉀元素等進行綜合考慮，從而篩選最優(yōu)模式，為促進水稻穩(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)。

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