基于模糊綜合評價法對環渤海潮土區棉花施用控釋氮肥的效益評價

劉全鳳，劉貞貞，孫 一，賴德強，李雅靜，曹金鋒，武 婷，張忠波

(滄州市農林科學院，河北 滄州 061001)

【研究意義】模糊綜合評價法是根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，即用模糊數學對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體的評價，該方法能較好地解決模糊的、難以量化的問題[1-2]，是一種簡便、清晰、靈活而又實用的多準則決策方法被廣泛應用，如石曉翠[3]、范麗娟[4]、俞丹萍[5-6]、于春燕[7-8]等利用模糊數學對土壤重金屬污染、土地集約利用、溫室黃瓜種植最優化施肥模式和生物質秸稈發電的效益都進行了有效的評價。環渤海潮土區土壤有機質低，理化性質差，養分不平衡，而且鹽漬化的特點，一定程度上限制了該地區農業經濟的發展[9]。棉花抗逆性強，能夠很好地利用環渤海暖溫帶充沛的光熱資源，所以，環渤海潮土區是發展棉花生產的重要基地。氮素是影響棉花產量和品質的關鍵因素之一[10]，在環渤海潮土區，棉花生長往往出現供氮不足、早衰的現象，但是過量施用氮肥，又可能造成土壤有機質含量下降，團粒結構遭到破壞，理化性質變差，保水保肥能力降低，大量氮素損失(滲漏、反硝化和氣態損失等)和土壤殘留等一系列問題，增加了環境風險系數，過量施用化肥被認為是引起面源污染的主要來源之一[11-12]。控釋氮肥具有氮素釋放時間和強度與作物養分吸收規律基本吻合的優點[13]，能夠使根際土壤有效養分維持在較高的水平，有效地提高了氮素的利用率[14]，施入控釋氮肥，對棉株生育中后期植株養分積累具有重要意義。【前人研究進展】孫強生[15]、李學剛[16]、李伶俐[17]等對不同地區棉花施用控釋氮肥的光合特性、產量、肥效都有相關報道，目前此領域大都局限在研究氮素對棉花產量和品質方面的研究，由于施肥對社會效益以及生態效益的影響用常規方法難以量化，所以這方面的研究較少。【本研究切入點】本文采用模糊綜合評價法對滄州鹽漬化潮土區棉花施用控釋氮肥的社會效益、經濟效益和生態效益進行量化評價，根據綜合評價值，選擇適合該地區的最佳控釋氮肥用量，使施肥更加科學有效，【擬解決的關鍵問題】旨在為該地區的棉花生產建立生態環境友好型的農業生產模式提供理論支持。

表1 供試土壤的基本性質Table 1 Basic properties of soil used for the trial

1 材料與方法

1.1 試驗材料和設計

試驗于2017年4月到9月于滄州市農科院試驗基地開展，供試棉花品種為轉基因抗蟲棉“滄198”抗病系，播期4月16日，土壤屬于中壤質潮土，基肥施用前采集0～20 cm土壤混合樣品，測定土壤的基礎理化性狀指標(表1)。控釋氮肥為控釋4個月樹脂包膜尿素，由山東金正大生態工程股份有限公司生產，其含氮量為42 %。

本試驗采用隨機區組設計，共設5個處理，3個控釋氮肥用量處理，分別為等量控釋氮肥(225 kg·hm-2，CF1)；80 %控釋氮肥(180 kg·hm-2，CF2)；60 %控釋氮肥(135 kg·hm-2，CF3)，全部用于基肥，另設不施肥對照處理CK和常規氮肥尿素(基施112.5 kg·hm-2+初花期追施67.5 kg·hm-2+盛花期追施45 kg·hm-2，F)，3次重復，共15個小區，小區面積66.7 m2，等行距種植，行距100 cm，株距22.2 cm，密度45 000株·hm-2。常規氮、磷、鉀肥分別為尿素、重過磷酸鈣、硫酸鉀，磷(P2O5)、鉀(K2O)用量均為102 kg·hm-2，一次性基施。各處理均采用簡化整枝的方式，其他管理同當地棉田。

1.2 測定項目與方法

土壤性質：采用常規分析法測定。測產：每個小區選取中間3行，實收計產。棉纖維品質的測定：收獲期取植株的中部和下部各10朵，依據ASTM5867-95《HVI900大容量纖維測試儀試驗方法》進行。

1.3 指標計算方法

氮肥利用率 =(施肥區植株養分吸收量-無肥區植株養分吸收量)×100/施肥量

土壤養分貢獻率 = 未施肥區棉株養分吸收量×100 /施肥區棉株養分吸收量

1.4 綜合評價計算方法

1.4.1 利用變異系數法建立評價因子權重[1]計算各指標的變異公式。

(1)

進行歸一化處理，即得到各指標的權數。

(2)

1.4.2 采用線性插值法建立綜合評價指標隸屬度函數R[18]指標值越高效益越好的指標計算公式。

(3)

指標值越低效益越好的指標計算公式：

(4)

表2 不同處理對棉鈴(10月)纖維品質的影響Table 2 Effect of different fertilizer treatments on cotton fiber quality under (October)

1.4.3 綜合評價合成運算選擇M(·，﹢)模型進行運算[19]運算公式如下。

(5)

1.5 數據處理

采用SPSS 17. 0數據處理系統進行數據統計和模糊數學法進行數據處理。

2 結果與分析

2.1 對棉花施用控釋氮肥評價指標體系的建立

棉花施用控釋氮肥效益評價指標體系建立的目的是要提供一個科學的、可供操作的評價系統，以便能對棉花施用控釋氮肥的效益進行有效地多層次多因素地綜合評價。評價因子的選擇是否合理對評價結果的正確性有極為重要的影響，評價因子要選靈敏的、便于度量而且有代表性的指標[5]。對棉花施用控釋氮肥效益評價的目的是建立生態環境友好型的生產模式，擯棄導致環境污染和生態退化的高耗低效的生產方式，達到生態合理性、經濟可行性和社會可接受性。因此，把評價指標劃分為生態效益、經濟效益和社會效益三類評價指標。

在構建指標時，由于棉花纖維的品質直接影響其利用方式和經濟價值，在考慮棉花施用控釋氮肥的社會效益時，通過評價棉花纖維品質的指標：纖維長度、整齊度指數、馬克隆值、斷裂比強度、伸長率來定量表征；經濟效益方面主要考慮皮棉產量和肥料的投入，計算出棉花生產的收益；生態環境效益方面主要考慮土壤-作物系統中，肥料的利用率和土壤養分貢獻率，肥料利用率是反映作物、土壤、肥料之間關系的動態參數，土壤養分貢獻率則反映出土壤基本養分的平衡狀況。

根據綜合評價指標體系確定評價的因素集為：

U={U1，U2，U3}={社會效益，經濟效益，生態環境效益}

U1={u11，u12，u13，u14，u15}={纖維長度，整齊度指數，馬克隆值，伸長率，斷裂比強度}

U2={u21}={棉產收益}

U3={u31，u32}={氮肥利用率，土壤養分貢獻率}

2.2 以社會效益為單一目標的棉花施用控釋氮肥的評價

表2為棉花施用控釋氮肥社會效益的各指標值，根據公式(1)、(2)，計算得θ1(纖維長度)=0.0164，θ2(整齊度指數)=0.0074，θ3(馬克隆值)=0.0648，θ4(伸長率)=0.0107，θ5(斷裂比強度)=0.0148，5項評價指標的權重分別為ω1= 0.1435，ω2= 0.0648，ω3= 0.5682，ω4= 0.0938，ω5= 0.1297，可以看出馬克隆值的指標所占權重較大。馬克隆值是反映棉花纖維粗度和成熟度的指標，其數值越高，證明纖維粗度和成熟度越大。國家棉花標準馬克隆值按優劣依次分為：A級(范圍為3.7～4.2)，B1級(范圍為3.5～3.6)，B2級(范圍為4.3～4.9)，C1(范圍為3.4及以下)，C2級(范圍為5.0及以上)[7]，環渤海潮土區棉花的馬克隆值屬C2級，所以在采用線性插值法建立綜合評價指標隸屬度函數時，選擇指標值越低效益越好，指標計算公式(4)。

根據公式(3)、(4)求得隸屬度矩陣為：

將社會效益指標權重向量A和不同氮肥用量處理的隸屬矩陣R進行模糊復合運算，根據公式(5)，其評價結果為：

表3 不同施肥處理對棉花產量及其構成的影響Table 3 Effects of different fertilizer treatments on cotton yield and yield components

注：籽棉價格：15.6 元/kg；控釋氮肥N：12.6元/kg；尿素N：4.0元/kg ；P2O5：3.7元/kg；K2O：5.2元/kg。

[0.4830 0.3308 0.9269 0.7980 0.3619]

由模糊數學評價結果可以看出，棉花施用控釋氮肥社會效益較高的是施等量控釋氮肥(CF1)，其評價值達到0.9，而社會效益最低的是常規氮肥尿素(F)和60 %控釋氮肥(CF3)，評價值為0.3左右，說明氮素對棉花品質影響的重要性，這與鄧忠等[10]的研究結果是一致的。

2.3 以經濟效益為單一目標的棉花施用控釋氮肥的評價

本研究考慮經濟效益的2個變量，一個為棉花的產值，另一個為肥料的消耗量，其收益見表3，因只考慮了棉花的收益，所以其評價指標的權重為ω= 1。

根據公式(3)、(4)求得隸屬度矩陣為：

R2=[0 1 0.3029 0.6094 0.3327]

模糊綜合評價的結果為：

B2=A2·R2=R2=[1]·[0 1 0.3029 0.6094 0.3327]=[0 1 0.3029 0.6094 0.3327]

由模糊數學評價結果可以看出，對棉花施用控釋氮肥的經濟效益最高的是常規氮肥尿素(F)，5個不同處理的經濟效益從高到低的順序為：常規氮肥尿素(F)>80 %控釋氮肥(CF2)>等量控釋氮肥(CF1)> 60 %控釋氮肥(CF3)>不施氮肥對照處理CK，由此看出，由于控釋肥料技術和工藝水平的限制，控施氮肥的成本還很高，在諸如棉花此類的大田作物施用控釋氮肥，投入相對還比較大，從經濟效益角度考慮，略顯劣勢。

2.4 以生態效益為單一目標的棉花施用控釋氮肥的評價

表4為棉花施用控釋氮肥生態效益的各指標值，根據公式(1)、(2)，計算得θ1(氮肥利用率)= 0.5944，θ2(土壤養分貢獻率)= 0.5643，二項評價指標的權重分別為ω1= 0.5130，ω2= 0.4870。

根據公式(3)、(4)求得隸屬度矩陣為：

根據公式(5)，進行模糊復合運算，其評價結果為：

B3=A3·R3=[0.5130 0.4870]·

0.5001 0.3468 0.5740 0.4333]

由模糊數學評價結果可以看出，棉花施用控釋氮肥生態效益最高的是80 %控釋氮肥(CF2)，而不是不施肥對照處理CK，因為不施肥處理消耗了土壤中貯存的氮素養分，打破了原有土壤系統的氮素平衡，80 %控釋氮肥(CF2)在養分匱乏，保肥能力差的潮土上，其緩慢釋放氮素的特點體現出了優勢。

2.5 以3種效益為綜合目標的施氮量評價

本文借鑒了俞丹萍[6]在評價溫室黃瓜種植最優化施肥模式中，利用專家打分法得出3項效益指標的權重，分別為：ω1(社會效益)= 0.279，ω2(經濟效益)= 0.326，ω3(生態環境效益)= 0.395。

根據B1、B2、B3，得到隸屬度矩陣R：

R=

由運用公式(5)計算得：

B=A·R=[0.279 0.326 0.395]·

表4 不同處理氮素的利用效果Table 4 Nitrogen use effect under different fertilizer treatments

指標CKFCF1CF2CF3生態效益氮肥利用率-36.1726.8442.9836.30土壤養分貢獻率-64.7071.1865.8475.27

[0.3271 0.6158 0.4943 0.6480 0.4406]

由此可得，棉花種植中施用控釋氮肥，綜合效益最高的是80 %控釋氮肥(CF2)，其評價值為0.65，常規氮肥尿素(F)處理的尿素的價格優勢，使其經濟效益較高，綜合評價值為0.62。

3 討 論

本研究對棉花施用控釋氮肥的效益進行多層次多因素地綜合評價，借助模糊數學理論，構建了棉花施用控釋氮肥的社會效益、經濟效益、生態效益3項主體指標，8項分指標的隸屬函數，主要通過變異系數法確定了各分指標的權重，通過比較綜合評價值的大小指導控釋氮肥用量。在本次評價中所選的評價指標體系可以科學有效的評價棉花施用氮肥的綜合效益，基于模糊評價法的特點，評價體系還可以不斷完善，如生態環境效益指標除了關注土壤系統，還可將水體和大氣相關指標納入到評價體系中。對于肥料利用率的指標，不適于兩種不同土壤的比較，王火焰等[20]對當前肥料利用率的計算公式提出了異議，明確表示，當前算法的肥料利用率并不是越高越好，如土壤保肥能力越強，土壤供應養分的緩沖能力也越強，即使不施肥養分供應水平也通常較高，因而肥料利用率會比較低。所以，不同土壤上農業生產的效益評價，可以選擇肥料的農學效率，它反映了單位施肥量增加作物產量的能力，因為棉花吸收氮素的能力是一定的(每百千克皮棉吸收氮素5 kg左右)，農學效率一定程度上反映了肥料的利用情況。

由評價值可以看出，環渤海潮土區棉花施用控釋氮肥的社會效益和生態環境效益都要高出常規氮肥尿素，但經濟效益卻顯劣勢，因為控釋肥料生產成本高，價格一般相當于普通化肥價格的2～8倍，在該地區施用控釋氮肥推薦用量為等養分常規尿素的80 %。在今后的研究中，一方面要提高緩控釋肥料施用的經濟效益；另一方面要研究緩控釋肥料施用在環渤海潮土區棉花上的增產能力。應用模糊綜合評價法來評價棉花施用控釋氮肥肥料效應，既可兼顧環境風險，又可得到理想的經濟收入，此方法可以推廣到其他作物、其他肥料的效益評價，以較好地指導肥料的科學有效利用。

4 結 論

在棉花施用控釋氮肥的效益評價中，只考慮社會效益時，施等量控釋氮肥(CF1)最高，其評價值達到0.9，而社會效益最低的是常規氮肥尿素(F)和60 %控釋氮肥(CF3)，評價值為0.3左右；僅考慮經濟效益時，5個不同處理的經濟效益從高到低的順序為：常規氮肥尿素(F)>80 %控釋氮肥(CF2)>等量控釋氮肥(CF1)> 60 %控釋氮肥(CF3)>不施氮肥對照處理CK；只考慮生態環境效益時，80 %控釋氮肥(CF2)而不是不施肥對照處理CK生態效益最高；將社會效益、經濟效益、生態環境效益三因素綜合考慮時，綜合效益最高的是80 %控釋氮肥(CF2)，可作為環渤海潮土區棉花施用控釋氮肥推薦用量。