基于模糊综合评价法对环渤海潮土区棉花施用控释氮肥的效益评价

刘全凤，刘贞贞，孙 一，赖德强，李雅静，曹金锋，武 婷，张忠波

(沧州市农林科学院，河北 沧州 061001)

【研究意义】模糊综合评价法是根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价，该方法能较好地解决模糊的、难以量化的问题[1-2]，是一种简便、清晰、灵活而又实用的多准则决策方法被广泛应用，如石晓翠[3]、范丽娟[4]、俞丹萍[5-6]、于春燕[7-8]等利用模糊数学对土壤重金属污染、土地集约利用、温室黄瓜种植最优化施肥模式和生物质秸秆发电的效益都进行了有效的评价。环渤海潮土区土壤有机质低，理化性质差，养分不平衡，而且盐渍化的特点，一定程度上限制了该地区农业经济的发展[9]。棉花抗逆性强，能够很好地利用环渤海暖温带充沛的光热资源，所以，环渤海潮土区是发展棉花生产的重要基地。氮素是影响棉花产量和品质的关键因素之一[10]，在环渤海潮土区，棉花生长往往出现供氮不足、早衰的现象，但是过量施用氮肥，又可能造成土壤有机质含量下降，团粒结构遭到破坏，理化性质变差，保水保肥能力降低，大量氮素损失(渗漏、反硝化和气态损失等)和土壤残留等一系列问题，增加了环境风险系数，过量施用化肥被认为是引起面源污染的主要来源之一[11-12]。控释氮肥具有氮素释放时间和强度与作物养分吸收规律基本吻合的优点[13]，能够使根际土壤有效养分维持在较高的水平，有效地提高了氮素的利用率[14]，施入控释氮肥，对棉株生育中后期植株养分积累具有重要意义。【前人研究进展】孙强生[15]、李学刚[16]、李伶俐[17]等对不同地区棉花施用控释氮肥的光合特性、产量、肥效都有相关报道，目前此领域大都局限在研究氮素对棉花产量和品质方面的研究，由于施肥对社会效益以及生态效益的影响用常规方法难以量化，所以这方面的研究较少。【本研究切入点】本文采用模糊综合评价法对沧州盐渍化潮土区棉花施用控释氮肥的社会效益、经济效益和生态效益进行量化评价，根据综合评价值，选择适合该地区的最佳控释氮肥用量，使施肥更加科学有效，【拟解决的关键问题】旨在为该地区的棉花生产建立生态环境友好型的农业生产模式提供理论支持。

表1 供试土壤的基本性质Table 1 Basic properties of soil used for the trial

1 材料与方法

1.1 试验材料和设计

试验于2017年4月到9月于沧州市农科院试验基地开展，供试棉花品种为转基因抗虫棉“沧198”抗病系，播期4月16日，土壤属于中壤质潮土，基肥施用前采集0～20 cm土壤混合样品，测定土壤的基础理化性状指标(表1)。控释氮肥为控释4个月树脂包膜尿素，由山东金正大生态工程股份有限公司生产，其含氮量为42 %。

本试验采用随机区组设计，共设5个处理，3个控释氮肥用量处理，分别为等量控释氮肥(225 kg·hm-2，CF1)；80 %控释氮肥(180 kg·hm-2，CF2)；60 %控释氮肥(135 kg·hm-2，CF3)，全部用于基肥，另设不施肥对照处理CK和常规氮肥尿素(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次重复，共15个小区，小区面积66.7 m2，等行距种植，行距100 cm，株距22.2 cm，密度45 000株·hm-2。常规氮、磷、钾肥分别为尿素、重过磷酸钙、硫酸钾，磷(P2O5)、钾(K2O)用量均为102 kg·hm-2，一次性基施。各处理均采用简化整枝的方式，其他管理同当地棉田。

1.2 测定项目与方法

土壤性质：采用常规分析法测定。测产：每个小区选取中间3行，实收计产。棉纤维品质的测定：收获期取植株的中部和下部各10朵，依据ASTM5867-95《HVI900大容量纤维测试仪试验方法》进行。

1.3 指标计算方法

氮肥利用率 =(施肥区植株养分吸收量-无肥区植株养分吸收量)×100/施肥量

土壤养分贡献率 = 未施肥区棉株养分吸收量×100 /施肥区棉株养分吸收量

1.4 综合评价计算方法

1.4.1 利用变异系数法建立评价因子权重[1]计算各指标的变异公式。

(1)

进行归一化处理，即得到各指标的权数。

(2)

1.4.2 采用线性插值法建立综合评价指标隶属度函数R[18]指标值越高效益越好的指标计算公式。

(3)

指标值越低效益越好的指标计算公式：

(4)

表2 不同处理对棉铃(10月)纤维品质的影响Table 2 Effect of different fertilizer treatments on cotton fiber quality under (October)

1.4.3 综合评价合成运算选择M(·，﹢)模型进行运算[19]运算公式如下。

(5)

1.5 数据处理

采用SPSS 17. 0数据处理系统进行数据统计和模糊数学法进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 对棉花施用控释氮肥评价指标体系的建立

棉花施用控释氮肥效益评价指标体系建立的目的是要提供一个科学的、可供操作的评价系统，以便能对棉花施用控释氮肥的效益进行有效地多层次多因素地综合评价。评价因子的选择是否合理对评价结果的正确性有极为重要的影响，评价因子要选灵敏的、便于度量而且有代表性的指标[5]。对棉花施用控释氮肥效益评价的目的是建立生态环境友好型的生产模式，摈弃导致环境污染和生态退化的高耗低效的生产方式，达到生态合理性、经济可行性和社会可接受性。因此，把评价指标划分为生态效益、经济效益和社会效益三类评价指标。

在构建指标时，由于棉花纤维的品质直接影响其利用方式和经济价值，在考虑棉花施用控释氮肥的社会效益时，通过评价棉花纤维品质的指标：纤维长度、整齐度指数、马克隆值、断裂比强度、伸长率来定量表征；经济效益方面主要考虑皮棉产量和肥料的投入，计算出棉花生产的收益；生态环境效益方面主要考虑土壤-作物系统中，肥料的利用率和土壤养分贡献率，肥料利用率是反映作物、土壤、肥料之间关系的动态参数，土壤养分贡献率则反映出土壤基本养分的平衡状况。

根据综合评价指标体系确定评价的因素集为：

U={U1，U2，U3}={社会效益，经济效益，生态环境效益}

U1={u11，u12，u13，u14，u15}={纤维长度，整齐度指数，马克隆值，伸长率，断裂比强度}

U2={u21}={棉产收益}

U3={u31，u32}={氮肥利用率，土壤养分贡献率}

2.2 以社会效益为单一目标的棉花施用控释氮肥的评价

表2为棉花施用控释氮肥社会效益的各指标值，根据公式(1)、(2)，计算得θ1(纤维长度)=0.0164，θ2(整齐度指数)=0.0074，θ3(马克隆值)=0.0648，θ4(伸长率)=0.0107，θ5(断裂比强度)=0.0148，5项评价指标的权重分别为ω1= 0.1435，ω2= 0.0648，ω3= 0.5682，ω4= 0.0938，ω5= 0.1297，可以看出马克隆值的指标所占权重较大。马克隆值是反映棉花纤维粗度和成熟度的指标，其数值越高，证明纤维粗度和成熟度越大。国家棉花标准马克隆值按优劣依次分为：A级(范围为3.7～4.2)，B1级(范围为3.5～3.6)，B2级(范围为4.3～4.9)，C1(范围为3.4及以下)，C2级(范围为5.0及以上)[7]，环渤海潮土区棉花的马克隆值属C2级，所以在采用线性插值法建立综合评价指标隶属度函数时，选择指标值越低效益越好，指标计算公式(4)。

根据公式(3)、(4)求得隶属度矩阵为：

将社会效益指标权重向量A和不同氮肥用量处理的隶属矩阵R进行模糊复合运算，根据公式(5)，其评价结果为：

表3 不同施肥处理对棉花产量及其构成的影响Table 3 Effects of different fertilizer treatments on cotton yield and yield components

注：籽棉价格：15.6 元/kg；控释氮肥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]

由模糊数学评价结果可以看出，棉花施用控释氮肥社会效益较高的是施等量控释氮肥(CF1)，其评价值达到0.9，而社会效益最低的是常规氮肥尿素(F)和60 %控释氮肥(CF3)，评价值为0.3左右，说明氮素对棉花品质影响的重要性，这与邓忠等[10]的研究结果是一致的。

2.3 以经济效益为单一目标的棉花施用控释氮肥的评价

本研究考虑经济效益的2个变量，一个为棉花的产值，另一个为肥料的消耗量，其收益见表3，因只考虑了棉花的收益，所以其评价指标的权重为ω= 1。

根据公式(3)、(4)求得隶属度矩阵为：

R2=[0 1 0.3029 0.6094 0.3327]

模糊综合评价的结果为：

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

由模糊数学评价结果可以看出，对棉花施用控释氮肥的经济效益最高的是常规氮肥尿素(F)，5个不同处理的经济效益从高到低的顺序为：常规氮肥尿素(F)>80 %控释氮肥(CF2)>等量控释氮肥(CF1)> 60 %控释氮肥(CF3)>不施氮肥对照处理CK，由此看出，由于控释肥料技术和工艺水平的限制，控施氮肥的成本还很高，在诸如棉花此类的大田作物施用控释氮肥，投入相对还比较大，从经济效益角度考虑，略显劣势。

2.4 以生态效益为单一目标的棉花施用控释氮肥的评价

表4为棉花施用控释氮肥生态效益的各指标值，根据公式(1)、(2)，计算得θ1(氮肥利用率)= 0.5944，θ2(土壤养分贡献率)= 0.5643，二项评价指标的权重分别为ω1= 0.5130，ω2= 0.4870。

根据公式(3)、(4)求得隶属度矩阵为：

根据公式(5)，进行模糊复合运算，其评价结果为：

B3=A3·R3=[0.5130 0.4870]·

0.5001 0.3468 0.5740 0.4333]

由模糊数学评价结果可以看出，棉花施用控释氮肥生态效益最高的是80 %控释氮肥(CF2)，而不是不施肥对照处理CK，因为不施肥处理消耗了土壤中贮存的氮素养分，打破了原有土壤系统的氮素平衡，80 %控释氮肥(CF2)在养分匮乏，保肥能力差的潮土上，其缓慢释放氮素的特点体现出了优势。

2.5 以3种效益为综合目标的施氮量评价

本文借鉴了俞丹萍[6]在评价温室黄瓜种植最优化施肥模式中，利用专家打分法得出3项效益指标的权重，分别为：ω1(社会效益)= 0.279，ω2(经济效益)= 0.326，ω3(生态环境效益)= 0.395。

根据B1、B2、B3，得到隶属度矩阵R：

R=

由运用公式(5)计算得：

B=A·R=[0.279 0.326 0.395]·

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

指标CKFCF1CF2CF3生态效益氮肥利用率-36.1726.8442.9836.30土壤养分贡献率-64.7071.1865.8475.27

[0.3271 0.6158 0.4943 0.6480 0.4406]

由此可得，棉花种植中施用控释氮肥，综合效益最高的是80 %控释氮肥(CF2)，其评价值为0.65，常规氮肥尿素(F)处理的尿素的价格优势，使其经济效益较高，综合评价值为0.62。

3 讨 论

本研究对棉花施用控释氮肥的效益进行多层次多因素地综合评价，借助模糊数学理论，构建了棉花施用控释氮肥的社会效益、经济效益、生态效益3项主体指标，8项分指标的隶属函数，主要通过变异系数法确定了各分指标的权重，通过比较综合评价值的大小指导控释氮肥用量。在本次评价中所选的评价指标体系可以科学有效的评价棉花施用氮肥的综合效益，基于模糊评价法的特点，评价体系还可以不断完善，如生态环境效益指标除了关注土壤系统，还可将水体和大气相关指标纳入到评价体系中。对于肥料利用率的指标，不适于两种不同土壤的比较，王火焰等[20]对当前肥料利用率的计算公式提出了异议，明确表示，当前算法的肥料利用率并不是越高越好，如土壤保肥能力越强，土壤供应养分的缓冲能力也越强，即使不施肥养分供应水平也通常较高，因而肥料利用率会比较低。所以，不同土壤上农业生产的效益评价，可以选择肥料的农学效率，它反映了单位施肥量增加作物产量的能力，因为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)，农学效率一定程度上反映了肥料的利用情况。

由评价值可以看出，环渤海潮土区棉花施用控释氮肥的社会效益和生态环境效益都要高出常规氮肥尿素，但经济效益却显劣势，因为控释肥料生产成本高，价格一般相当于普通化肥价格的2～8倍，在该地区施用控释氮肥推荐用量为等养分常规尿素的80 %。在今后的研究中，一方面要提高缓控释肥料施用的经济效益；另一方面要研究缓控释肥料施用在环渤海潮土区棉花上的增产能力。应用模糊综合评价法来评价棉花施用控释氮肥肥料效应，既可兼顾环境风险，又可得到理想的经济收入，此方法可以推广到其他作物、其他肥料的效益评价，以较好地指导肥料的科学有效利用。

4 结 论

在棉花施用控释氮肥的效益评价中，只考虑社会效益时，施等量控释氮肥(CF1)最高，其评价值达到0.9，而社会效益最低的是常规氮肥尿素(F)和60 %控释氮肥(CF3)，评价值为0.3左右；仅考虑经济效益时，5个不同处理的经济效益从高到低的顺序为：常规氮肥尿素(F)>80 %控释氮肥(CF2)>等量控释氮肥(CF1)> 60 %控释氮肥(CF3)>不施氮肥对照处理CK；只考虑生态环境效益时，80 %控释氮肥(CF2)而不是不施肥对照处理CK生态效益最高；将社会效益、经济效益、生态环境效益三因素综合考虑时，综合效益最高的是80 %控释氮肥(CF2)，可作为环渤海潮土区棉花施用控释氮肥推荐用量。