不同灌溉模式稻田土壤速效氮磷存储能力及其熵权系数评价

毛心怡，王为木，郭相平，黄双双，栾雅珺(1. 河海大学水利水电学院，南京 210098; 2. 河海大学南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室，南京 210098)

水稻在我国粮食生产中具有重要地位，降低水稻用水量、提高水稻水分利用效率，既有利于保障国家粮食安全，又有利于缓解我国水资源短缺及农业面源污染问题[1]。目前常见的节水灌溉模式包括“浅、湿、晒”灌溉技术[2,3]、间歇灌溉技术[4,5]、控制灌溉技术[6,7]及蓄水灌溉技术[8]。然而，这些研究大多集中在不同灌溉模式下水稻的节水和增产效应，关于稻田剖面土壤养分累积和分布特征的报道还不多见，在土壤养分尺度考虑最优灌溉模式的研究则更为匮乏。鉴此，本研究设计浅水勤灌、浅湿灌溉、湿润灌溉、控制灌溉、蓄水控灌、深水淹灌等6种水稻灌溉模式，观测其对不同土层速效氮和速效磷的影响，同时引入熵权系数评价模型，以耕层土壤速效氮、磷为主要指标，优选灌溉模式，预期研究结论可为促进水稻稳定增产、优化水稻施肥制度及改善稻田生态环境提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015年5月-10月在河海大学南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室(31°53′N，118°48′E)进行，属于亚热带湿润气候，冬冷夏热、四季分明。年均降雨量在1 021.3 mm，多年均水面蒸发量为900 mm左右，年平均气温15.7 ℃。

1.2 试验设计与方法

设计6种灌溉模式作为试验处理，各处理及其水分控制指标见表1。试验设3次重复。

试验在长×宽=3.0 m×2.5 m的小区进行，每个处理重复3次，共18个小区，小区外设置保护区，防止侧渗水分干扰试验，各小区随机布置。试验土壤取自试验稻田耕作土，土壤类型为黏壤土，田间质量持水率为30.9%，速效氮为47.4 mg/kg，速效磷为10.37 mg/kg，有机质质量分数为2.4%。

供试水稻为高产品种“南粳44”，于2015年5月育秧。6月10日选择三叶一心大小基本一致的秧苗移栽，每区9穴，每穴3株，行株距为20 cm ×15 cm。6月5日施基肥(复合肥，N∶P2O5∶K2O=15%∶15%∶15%)300 kg/hm2，6月17日、7月7日和8月19日分别施用尿素(含氮量≥46.2%)150.0、75.0和150.0 kg/hm2作为返青肥、分蘖肥和穗肥，各处理施肥量一致。全生育期除灌排措施外，其他农艺措施均相同。10月23日收获水稻。

配合试验整体设计与实施，在水稻主要生育时期的初期、中期、末期的土壤水分上限时段进行采样。在每个小区内按对角线选取3个取样点，用土钻取地表以下0～10、10～20、20～40 cm 3层土样，将各层3个点的土样分别混合均匀后，分取约300 g鲜样装入塑料卡口袋，置于4 ℃冰箱保存待测。

表1 不同灌溉模式下的设计灌排指标

注：①分蘖期灌溉控制指标前高后低，拔节孕穗期灌溉控制指标前低后高；②“mm”表示田面水深，“%”表示表层30 cm土壤的含水率占土壤饱和含水率的百分比，“*” 表示本行数据表示方式不同于同行其他数据。

1.3 测定项目与方法

土壤质量含水率采用烘干法测定，土壤速效氮采用碱扩散法测定，土壤速效磷采用NH4F-HCl浸提、钼锑抗比色法测定，具体方法步骤参考土壤农化分析(第三版)[9]。

1.4 数据分析

利用SPSS17.0软件，采用单因素随机区组法对试验数据进行方差分析，显著性检验采用Duncan's multiple range test法[10]。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉模式对稻田剖面土壤速效氮含量的影响

表2所示为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的耕层土壤速效氮含量均以蓄水控灌最高，且与其他处理差异显著(P<0.05)。说明在本试验中，蓄水控灌存储0～10和10～20 cm土壤速效氮的效果较优。而在20～40 cm土壤中，黄熟期各灌溉模式下土壤速效氮含量差异并不显著，拔节孕穗期和乳熟期时，湿润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时期剖面土壤速效氮含量 mg/kg

注：同一时期相同土层不同字母(a，b，c)表示在0.05水平上具有显著性差异。

2.2 不同灌溉模式对稻田剖面土壤速效磷含量的影响

表3所示为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土壤速效磷含量没有显著差异以外，其余生育期不同灌溉模式对土壤速效磷含量均有明显影响。不同灌溉模式中，蓄水控灌、控制灌溉、深水淹灌的条件下0～10与10～20 cm土壤速效磷含量处于较高水平。

2.3 不同灌溉模式耕层土壤速效氮磷的熵权系数评价

2.3.1 指标体系建立

耕层土壤速效氮和速效磷含量对水稻的产量有较大影响。因此，评价不同灌溉模式耕层土壤速效氮磷存储能力具有重要的现实意义。为此，本研究以拔节孕穗期、乳熟期、黄熟期耕层土壤(0～10和10～20 cm均值)速效氮含量(X1、X2、X3)和拔节孕穗期、乳熟期、黄熟期耕层土壤速效磷(X4、X5、X6)作为评价指标，如表4所示。

2.3.2 熵权系数评价模型建模

参考侯毛毛等[11]的方法建立熵权系数评价模型：

表3 不同灌溉下水稻不同生育时期剖面土壤速效磷含量 mg/kg

注：同一时期相同土层不同字母(a，b，c)表示在0.05水平上具有显著性差异。

表4 不同灌溉模式速效氮磷存储能力的评价指标和指标值

注：表中速效氮、磷含量为0～10和10～20 cm土层的均值。

设不同灌溉模式速效氮磷存储能力的评价指标数为n个，灌溉模式有m种，m种灌溉模式对应n个评价指标可构成本研究中的评价矩阵，即：

R=(rij)m×n

(1)

式中：rij为第i种灌溉模式对应的第j个指标的指标值。对于某个指标rj，有信息熵(即排除亢余后的平均信息量)：

(2)

第j个指标值的熵值为：

(3)

第j个指标的客观权重为

(4)

评价时也考虑决策者对于不同指标重要性的分析和判断，因此，本研究将决策者主观权重ω1,ω2,ω3,…,ωn与客观权重θj(j=1,2,3,…,n)结合，结合后的指标可获得综合权重如下：

(5)

由于评价矩阵中数据的量纲不一致，需对矩阵中的数据作归一化处理。假设本研究评价矩阵R中每列的最优值为r*j。评价指标按照性质的不同分为两种不同类型：收益性指标和损失性指标。对于收益性指标来说，r*j越大越优；而对于损失性指标，r*j则越小越优。将归一化后的数据进行整理可得：

(6)

不同灌溉模式耕层土壤速效氮磷存储能力的熵权系数评价值λi可表示为：

(7)

根据模型原理，某灌溉模式所对应的熵权系数评价值λi越高，表明该灌溉模式存储耕层土壤速效氮和速效磷的效果越好。

2.3.3 计算与分析

根据模型中步骤(4)计算可得X1、X2、X3、X4、X5和X6的客观权重分别为0.11、0.25、0.13、0.03、0.44和0.04。鉴于氮元素对水稻增产的突出作用，本研究赋予X1、X2、X3、X4、X5和X6主观权重0.2、0.2、0.2、0.13、0.13和0.13。根据模型步骤(5)计算得X1、X2、X3、X4、X5和X6的综合权重为0.14、0.30、0.16、0.02、0.35和0.03。本研究中，所有7项指标均为收益性指标。根据式(7)计算不同节水灌溉模式耕层土壤速效氮磷存储能力熵权系数评价值(图1)。依据图1与模型原理可知，本研究中6种灌溉模式耕层土壤速效氮磷存储能力从强到弱依次为：蓄水控灌>控制灌溉 >深水淹灌>湿润灌溉>浅湿灌溉>浅水勤灌。

图1 不同灌溉模式耕层土壤速效氮磷存储能力的熵权系数评价值

3 结论与讨论

由表2可知，蓄水控灌下，主要留在0～10、10～20、20～40 cm土壤速效氮含量均处于较高水平。茆智的研究结果[12]表明，由于地表径流、地下水渗漏等原因，传统的深水淹灌容易造成大量氮磷元素的流失。然而，从本研究所得结果来看，深水淹灌模式下，土壤中速效氮的储量较高，这可能与氮素矿化有关。杨帆[13]研究表明，土壤水分含量与土壤氮素的矿化作用呈显著正相关。因此，深水淹灌模式下的高速效氮可能是因为淹灌时的大量水分促进了土壤有机氮的矿化和释放。

本研究主要比较了不同灌溉模式下土壤速效氮的分布特征。然而，速效氮又包括铵态氮和硝态氮，两者性质不同。铵态氮容易被土壤胶体吸附，部分铵态氮形成晶格固定态铵，不易流失。而硝态氮容易随着地表径流、地下水渗漏等方式流失[14]。今后的研究中，应深入探讨水稻各灌溉模式下，不同形态氮素之间的转化过程。本研究耕层土壤速效磷含量在蓄水控灌和控制灌溉模式下较高，而在浅水勤灌等模式下较低。这可能因为在浅水勤灌、浅湿灌溉的条件下，排水量较大，磷元素容易随土壤水分流失而流失。这也充分印证了张志剑[15]的研究结果。

本研究采用熵权系数评价模型对耕层土壤速效氮磷储量进行比较和评价。相比于其他统计学模型往往只考虑主观权重或客观权重的情况，熵权系数评价模型可以综合考虑分析主观经验与试验数据，避免单独使用主观权重或客观权重造成的片面和局限[16,17]，所得结果更为客观、合理。

熵权系数评价模型计算结果表明，土壤速效氮磷存储能力最优的灌溉模式为蓄水控灌。邵孝侯等[18]研究表明，蓄水控灌对水稻增产效果最优，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，这从侧面解释了邵孝侯的研究结论。浅水勤灌下土壤速效氮和磷含量相对较低，这可能是因为该模式下，供水较少，不利于土壤中肥料态的养分向速效态转化[19,20]。

然而，本研究仅分析了土壤中的速效氮和速效磷，并未考虑速效钾。作为植物生长必需的三大大量元素之一，钾元素不仅对产量，且对作物品质起关键作用[21]。今后的研究中，应将氮磷钾元素等进行综合考虑，从而筛选最优模式，为促进水稻稳定增产、优化水稻施肥制度及改善稻田生态环境提供更全面的依据。

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