羅曉麗，梁　川，詹　存

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，南京　210098；2.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，水力學(xué)及山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都　610065)

· 環(huán)境評價 ·

川中丘陵區(qū)不同覆蓋方式下農(nóng)田土壤墑情綜合評價

羅曉麗1，梁川2，詹存2

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，南京210098；2.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，水力學(xué)及山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都610065)

為了研究不同因子對農(nóng)田土壤墑情影響的重要程度，采用AHP-模糊綜合評價模型，構(gòu)建了農(nóng)田土壤墑情綜合評價指標體系及相應(yīng)的評價標準，并對川中丘陵區(qū)鹽亭縣不同覆蓋方式下的農(nóng)田土壤墑情狀況進行了實證分析。研究結(jié)果表明：采用一定的覆蓋方式可以提高土壤墑情狀況。6種覆蓋方式下的土壤墑情狀況由好到差依次為：全膜覆蓋>深挖+秸稈>半膜覆蓋、深挖>秸稈>傳統(tǒng)耕作。本文的研究結(jié)果能為川中丘陵區(qū)防旱抗旱提供科學(xué)參考。

川中丘陵區(qū)；覆蓋方式；土壤墑情；AHP-模糊綜合評價

1　引　言

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，每年用于農(nóng)業(yè)灌溉的水量占我國總用水量的70%以上[1]。而由于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉的不合理性所導(dǎo)致的水資源浪費現(xiàn)象卻非常的嚴重，農(nóng)業(yè)用水供需矛盾日益突出，干旱缺水已經(jīng)成為制約我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素[2]。四川省是我國的農(nóng)業(yè)大省，近年來，四川干旱災(zāi)害幾乎年年發(fā)生，并且分布范圍廣，持續(xù)時間長，災(zāi)情嚴重，損失巨大[3]。旱災(zāi)已經(jīng)成為四川省最主要的自然災(zāi)害之一，嚴重影響著四川農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。為此分析川中丘陵區(qū)土壤干旱情況，了解造成土壤干旱的因子和土壤墑情的變化規(guī)律，建立一套科學(xué)的不同覆蓋方式下農(nóng)田土壤墑情綜合評價指標體系和評價模型，對于促進和加強地區(qū)應(yīng)對土壤干旱的能力，提高農(nóng)業(yè)用水效率和社會的可持續(xù)發(fā)展有著十分重要的科學(xué)價值和現(xiàn)實意義。

目前，國內(nèi)對于農(nóng)田土壤墑情的研究主要集中在土壤墑情的監(jiān)測和預(yù)報，在土壤墑情的評價方面，主要是基于單因素或幾個因素與土壤墑情的相關(guān)關(guān)系的研究[4]，農(nóng)田土壤墑情綜合評價的研究還比較少，也沒有形成公認的且較為系統(tǒng)的針對不同覆蓋方式下的綜合評價指標體系和評價模型。因此，本文通過對川中丘陵區(qū)鹽亭縣不同覆蓋方式下的農(nóng)田土壤墑情狀況研究，篩選出具有代表性的評價指標，構(gòu)建基于層次分析法(AHP)的農(nóng)田土壤墑情綜合評價指標體系和評價標準，進而利用模糊數(shù)學(xué)方法系統(tǒng)地評價和分析土壤墑情狀況，為農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)業(yè)防旱抗旱以及提高農(nóng)業(yè)用水的效率和效益提供科學(xué)依據(jù)。

2　研究區(qū)概況與試驗設(shè)計

2.1研究區(qū)概況

鹽亭縣屬川北低山地向川中丘陵過渡地帶，北高南低，一般海拔350～650m，山丘起伏，溝壑縱橫，是四川盆地典型亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。平均年降雨量825.5mm，分布不均，春季占5.9%，夏季65.5%，秋季19.7%，冬季8.9%，無霜期294d。瞬時最大風(fēng)速為37m/s。受盆地西部春夏旱區(qū)和東部伏旱區(qū)的交錯影響，形成了特有的春旱、伏旱的地區(qū)性氣候。氣候溫暖濕潤，雨量充沛，四季分明，有利于農(nóng)作物的生長發(fā)育。但該縣災(zāi)害性天氣多，春旱、夏旱、伏旱頻發(fā)，秋季多綿雨，嚴重制約了該區(qū)域的農(nóng)業(yè)發(fā)展。

2.2試驗設(shè)計

為了研究不同覆蓋方式下的土壤墑情情況，本次試驗設(shè)置了6個實驗組，分別為全膜覆蓋、半膜覆蓋、秸稈、深挖、深挖+秸稈和傳統(tǒng)耕作。每組3個重復(fù)試驗，每個試驗田2.5m×9m，為矩形試驗場，依次排開。各實驗組間用隔水薄膜隔開，實驗組間打起壟。測樣分為兩期，一期是在玉米開播前，土地整理好之后，分別測定了0～20cm、20～40cm、40～60cm土層的土壤含水量。二期在玉米抽穗期，測定內(nèi)容與一期一致。

3　基于AHP的模糊綜合評價模型的構(gòu)建

3.1基于AHP的模糊綜合評價法

基于AHP的模糊綜合評價法是指將層次分析法和模糊綜合評價法兩者相結(jié)合的一種評價方法。

層次分析法[5](Analytic hierarchy process)是一種將多目標系統(tǒng)進行定量化和定性化分析，并作出決策的分析方法。AHP的特點是在對復(fù)雜的決策問題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關(guān)系等進行深入分析的基礎(chǔ)上，將決策者的定性經(jīng)驗判斷定量化，增強了決策依據(jù)的準確性，從而為多目標、多準則或無結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問題提供簡便的決策方法。所謂模糊綜合評價法，就是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，將一些邊界模糊、不易定量化的因素定量化，從多個因素對被評價事物隸屬等級狀況進行綜合性評價的一種方法[6]。目前在自然科學(xué)、社會科學(xué)等領(lǐng)域的研究中應(yīng)用十分廣泛。運用模糊變換原理，綜合考慮影響事物的各個因素，確定評判事物隸屬度等級狀況，從而對該事物做出綜合評價。

由于在建立綜合評價指標體系中會遇到很多模糊概念和定性與定量指標，因而，利用層次分析和模糊綜合評價相結(jié)合的方法對不同覆蓋方式下農(nóng)田土壤墑情進行全面綜合評價，使得評價結(jié)果更加科學(xué)，更能反映客觀實際。其基本步驟如下[7,8]：

(1)建立評價指標集，即各項評價指標組成的集合；

評價指標集為：U=(u1，u2,…，un)，其中，uj(j=1，2，…，n)表示評價對象的第i項評價指標。

(2)確定評判集合V；

評判集為：V=(v1，v2，，vm)，其中，vi(i= 1，2，…，m)表示從高到低或從低到高的評價等級，每一個等級對應(yīng)一個模糊子集。

(3)建立模糊關(guān)系矩陣R(隸屬度矩陣)；

在建立評價指標集后，要對每一個被評價事物針對每個因素進行量化，即確定從單因素來看被評價事物對于評價等級模糊子集的隸屬度，從而得到模糊關(guān)系矩陣：

(1)

在矩陣R中，rij代表第i行第j列元素，表示某一個被評價事物在因素ui的對于uj等級模糊子集的隸屬度，因此R也稱為隸屬度矩陣。一個被評價事物在某個因素ui的反映，是通過模糊矩陣R來表現(xiàn)的。

(4)利用層次分析法確定評價因素的權(quán)向量W；

采用層次分析法確定評價因素的權(quán)向量：W=(w1，w2,…，wn)，求解判斷矩陣得到權(quán)系數(shù)，并在合成之前進行歸一化處理。

(5)綜合評價，合成模糊綜合評價的結(jié)果矩陣S。

(2)

其中，si表示被評價事物對vi評價等級模糊子集的隸屬度。

3.2評價指標的篩選及指標體系的建立

土壤墑情，即作物根系層的土壤含水量狀況。影響農(nóng)田土壤墑情的因子很多，如降雨、氣溫、蒸發(fā)[9,10]、風(fēng)速、土壤質(zhì)地、地下水[10]、土層深度、植物蒸騰、光照強度、耕作措施、作物種類、前期土壤含水量[11]、需水量等等。本文根據(jù)研究區(qū)的實際情況，遵循代表性、目的性、客觀性原則，篩選出了參考作物蒸發(fā)蒸騰量、SPI標準化降水指數(shù)、溫度、土層深度、土壤質(zhì)地和前期土壤含水量這6個主要的影響因子，構(gòu)建了目標層、準則層和指標層三級組成的不同覆蓋方式下的農(nóng)田土壤墑情綜合評價指標體系(見表1)。

表1　不同覆蓋方式下的農(nóng)田土壤墑情綜合評價指標體系

3.3指標權(quán)重的確定

運用層次分析法對各指標層進行權(quán)重計算，計算結(jié)果見表2～表4。

表2　農(nóng)田土壤墑情綜合評價準則層判斷矩陣及權(quán)重

表3　農(nóng)田土壤墑情綜合評價指標層B1判斷矩陣及權(quán)重

表4　農(nóng)田土壤墑情綜合評價指標層B2判斷矩陣及權(quán)重

3.4評價標準的確定

評價標準和等級劃分由評價指標的特征和評價方法的要求共同決定。對于評價標準和評價等級的確定沒有固定的方法，應(yīng)依據(jù)具體的試驗方案具體確定。由于目前農(nóng)田土壤墑情綜合評價的研究較少，參照已有指標的規(guī)范，引用均值、極值等經(jīng)驗值，并結(jié)合專家咨詢等方法對各指標進行分級量化，建立相應(yīng)的分級標準[12](表5)。由于土壤質(zhì)地和土層深度是不易量化的指標，故分別采用土壤的有效含水量[13]SME和不同土層深度對應(yīng)的土壤含水量來反映這兩個指標對土壤墑情的影響。各個因子的評價和分級標準各有不同，但都以分值小為最優(yōu)。

表5　農(nóng)田土壤干旱指標等級及其劃分標準

4　綜合評價結(jié)果與分析

利用土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)、鹽亭縣1954年～2010年氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合專家咨詢，確定各指標的監(jiān)測值。結(jié)合前文得到各指標權(quán)重及評價標準，計算得到不同覆蓋方式的模糊綜合評價向量。每種土地整理方式測定A、B、C三組數(shù)據(jù)，每組分0～20cm、20～40cm和40～60cm三種不同土層深度。下面以A組全膜覆蓋方式為例，按照公式(2)，計算得到0～20cm土層的模糊綜合評價向量為：

同理計算得到20～40cm和40～60cm土層的綜合評價向量，則全膜覆蓋方式的模糊綜合評價向量為：

將模糊綜合評價向量中將各土層土壤墑情綜合評價指數(shù)進行算術(shù)平均則可求得整個土壤(0～60cm)的綜合評價指數(shù)。A、B、C三組不同覆蓋方式土壤墑情綜合評價結(jié)果見表6～表8。

表6　A組不同覆蓋方式下農(nóng)田土壤墑情綜合評價結(jié)果

表7　B組不同覆蓋方式下農(nóng)田土壤墑情綜合評價結(jié)果

表8　C組不同覆蓋方式下農(nóng)田土壤墑情綜合評價結(jié)果

根據(jù)表6A組的評價結(jié)果，綜合評價指數(shù)的高低表示土壤干旱程度的嚴重程度，分值越低，說明該種覆蓋方式下土壤水分狀況越好，反之分值越高，說明土壤越干旱。不同土地整理方式下，全膜覆蓋和深挖+秸稈這兩種覆蓋方式得分最低，表示這兩種方式土壤墑情狀況最好。其次是秸稈覆蓋，半膜覆蓋和深挖這兩種覆蓋方式排在第3位。而傳統(tǒng)耕作方式得分最高，排名最后，說明其土壤墑情狀況最差。

根據(jù)表7B組的綜合評價結(jié)果，在6種不同覆蓋方式下，全膜覆蓋和深挖+秸稈這兩種覆蓋方式下土壤墑情的狀況最好，排在第一位。傳統(tǒng)耕作整理方式下的土壤墑情狀況最差，排在第5位。其余3種覆蓋方式下土壤墑情狀況相對較好的依次為：深挖 > 半膜覆蓋 > 秸稈覆蓋。

根據(jù)表8C組的綜合評價結(jié)果，5種不同覆蓋方式和傳統(tǒng)耕作模式相比，傳統(tǒng)耕作模式下土壤墑情最差，說明5種覆蓋方式都能在一定程度上改善土壤墑情狀況。其中又以全膜覆蓋方式下土壤墑情狀況最好。

通過A、B、C三組數(shù)據(jù)這6種覆蓋方式土壤墑情綜合評價指數(shù)的比較可以發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)的耕作方式下土壤干旱程度最嚴重，土壤水分的散失量比較大，對作物的生長極為不利。采取全膜覆蓋、半膜覆蓋、秸稈覆蓋、深挖和深挖+秸稈這5種覆蓋方式都能在一定程度上保持土壤水分，改善土壤干旱狀況。其中又以全膜覆蓋方式對保持土壤水分狀況的效果最好，深挖+秸稈的整理方式位于其后。半膜覆蓋和深挖這兩種土地整理方式對土壤的保水效果基本一致，排在第3位，最后是秸稈覆蓋方式，也能在一定程度上保持土壤水分。將A、B、C三組的綜合評價結(jié)果進行算術(shù)平均處理，得到的綜合平均結(jié)果與A、B、C三組的評價結(jié)果一致，見表9。

表9　農(nóng)田土壤墑情綜合評價結(jié)果

5　結(jié)　論

5.1通過對川中丘陵區(qū)鹽亭縣不同覆蓋方式下的農(nóng)田土壤墑情狀況的研究，首次構(gòu)建了目標層、準則層和指標層三級組成的不同覆蓋方式下的農(nóng)田土壤墑情綜合評價指標體系，篩選出溫度、參考作物蒸發(fā)蒸騰量、標準化降雨指數(shù)、土壤質(zhì)地、土層深度和前期土壤含水量這6個影響土壤墑情的指標。

5.2運用層次分析法確定評價指標的權(quán)重，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)方法，建立了農(nóng)田土壤墑情綜合評價的AHP-模糊綜合評價模型，系統(tǒng)地評價和分析了川中丘陵區(qū)不同覆蓋方式下的農(nóng)田土壤墑情狀況。運用層次分析法(AHP)和模糊數(shù)學(xué)方法建立的AHP-模糊綜合評價模型，將定性判斷和定量分析有機結(jié)合起來，綜合考慮了影響農(nóng)田土壤墑情的各個因素，減少了主觀臆斷的弊端，使得評價結(jié)果更加符合客觀實際。

5.3采用基于AHP的模糊綜合評價法，對川中丘陵區(qū)不同覆蓋方式和傳統(tǒng)耕作方式下的農(nóng)田土壤墑情狀況進行綜合評價。評價結(jié)果表明，全膜覆蓋、半膜覆蓋、秸稈、深挖和深挖+秸稈這5種覆蓋方式下綜合評價指數(shù)都比傳統(tǒng)耕作的綜合評價指數(shù)低，說明這五種覆蓋方式下土壤墑情狀況都比傳統(tǒng)耕作模式好，都能夠在一定程度上起到蓄水保墑，改善土壤墑情的作用。6種覆蓋方式下土壤墑情狀況由好到差依次為全膜覆蓋>(深挖+秸稈)>半膜覆蓋、深挖>秸稈>傳統(tǒng)耕作。因此，可以根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況選取合適的蓄水保墑措施，以改善農(nóng)田土壤干旱狀況，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。

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Comprehensive Evaluation of Farmland Soil Moisture under Different Mulching Patterns in Hilly Area of Central Sichuan

LUO Xiao-li1, LIANG Chuan2, ZHAN Cun2

(1.CollegeofHydrology&WaterResourcesHohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.SchoolofWaterConservancy&HydroelectricPower,StateKeyLaboratoryofHydraulics&MountainRiverEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)

In order to study the impact of different factors on the farmland soil moisture, the comprehensive evaluation model of AHP- fuzzy has been selected to construct a comprehensive evaluation index system and a corresponding evaluation criteria, and analyzed the farmland soil moisture conditions under different mulching patterns in Yanting county. The results indicated that some mulching patterns could help to improve the conditions of soil moisture. The sequence from good to bad is, completely film mulching, (dig + straw), half film mulching+dig, straw, conventional plowing. This paper could provide a scientific reference for drought control in the hilly area of central Sichuan.

Hilly area of central Sichuan; mulching pattern; soil moisture; AHP- fuzzy comprehensive evaluation

200145-10-30

水利部公益性資助項目(201101038，201101053)。

羅曉麗(1991-)，女，廣西柳州人，河海大學(xué)水文學(xué)及水資源專業(yè)2014級在讀碩士研究生，主要從事水文水資源方面的研究。

梁川，lchester@sohu.com。

X825

A

1001-3644(2015)02-0104-06