李青容，陳建軍，祖艷群，何永美，湛方棟，李博，李元

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201）

由于各種化學(xué)和生物化學(xué)反應(yīng)，土壤特征表現(xiàn)出不同的酸性或堿性。我國(guó)是繼歐洲、北美之后的第三大酸雨區(qū)，其中南方地區(qū)的酸性紅壤面積約占全國(guó)土地總面積的22.7%。農(nóng)田土壤酸化會(huì)使土壤板結(jié)、土壤孔隙減少、土壤中重金屬有效性提高、作物對(duì)養(yǎng)分的吸收減少，影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育和品質(zhì)。隨著“綠水青山就是金山銀山”的環(huán)保理念越來越深入人心，土壤污染問題愈發(fā)受到重視，如何降低土壤酸度，提高土壤肥力，利用有效的改良手段創(chuàng)造良好的土壤生態(tài)環(huán)境是眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。

研究發(fā)現(xiàn)，石灰類、工業(yè)廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物、高分子材料和硅鈣鎂磷肥類等均對(duì)改良酸性土壤有一定效果，其判斷依據(jù)通常是酸性土壤的某項(xiàng)指標(biāo)或作物的單一特征。通過對(duì)一種指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得出改良措施具體效果的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。然而不同的改良劑對(duì)土壤性質(zhì)和作物的影響各有不同。施加石灰可以有效降低土壤酸度，但對(duì)土壤養(yǎng)分無顯著影響；施加礦物類改良劑可以提高土壤中鈣、鎂、鉀含量，但缺乏有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)充；施加鋼渣、粉煤灰等工業(yè)廢棄物既可以降低土壤酸度，也能提高土壤中鈣、鎂等營(yíng)養(yǎng)成分，但是有重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)。油菜秸稈處理不能明顯降低土壤酸度，卻可以促進(jìn)大麥幼苗生長(zhǎng)。由此可見，這種方法并不能反映酸性土壤改良劑的整體效果。為了更加直觀地對(duì)不同改良劑效果進(jìn)行比較，需要全面客觀地對(duì)土壤改良作用進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)與改良效果相關(guān)的多個(gè)因子進(jìn)行分析，將錯(cuò)綜復(fù)雜的多個(gè)因子簡(jiǎn)化成幾個(gè)相互獨(dú)立的綜合因子，然后利用綜合因子評(píng)價(jià)改良劑對(duì)土壤的改良作用。

當(dāng)前的酸性土壤改良技術(shù)與政策中并沒有系統(tǒng)規(guī)范的技術(shù)選擇和綜合評(píng)價(jià)方法，不同學(xué)者提出的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法也參差不齊，其結(jié)果存在較大的不確定性，甄選經(jīng)濟(jì)、合理、適用的酸性土壤改良方法是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，故當(dāng)前急需形成酸性土壤改良技術(shù)選擇的綜合評(píng)價(jià)體系，采用科學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法，提高技術(shù)選擇過程的透明性，降低主觀性。現(xiàn)代綜合評(píng)價(jià)方法有很多，如主成分分析法、灰色關(guān)聯(lián)度法、層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等。由于評(píng)價(jià)對(duì)象的所屬目標(biāo)范圍不同，現(xiàn)代綜合評(píng)價(jià)方法在選用與實(shí)際技術(shù)應(yīng)用時(shí)存在一定的差異。劉桂民等運(yùn)用因子分析法基于土壤質(zhì)量、土壤容重、土壤養(yǎng)分對(duì)不同人工林的土壤改良效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。吳瑞華等在研究改良劑對(duì)土壤及稻米重金屬含量、水稻及其秸稈產(chǎn)量的影響中，開展了地積累指數(shù)法和Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)。周昊等利用層次分析法在復(fù)合基質(zhì)的pH值、營(yíng)養(yǎng)成分以及植物生長(zhǎng)狀況的基礎(chǔ)上構(gòu)建了復(fù)合基質(zhì)方案選取的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

層次分析法（Analytic hierarchy process，AHP）應(yīng)用于環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等方面的行業(yè)中已有相當(dāng)廣泛的文獻(xiàn)基礎(chǔ)。本研究選用層次分析法建立全面可行的農(nóng)田酸性土壤改良效果綜合評(píng)價(jià)體系，為酸性農(nóng)田土壤改良技術(shù)的遴選和評(píng)價(jià)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大田實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選在云南省梁河縣河西鄉(xiāng)（24°53'02.79″N，98°18'44.41″E），由于當(dāng)?shù)劐a礦的開采，該地區(qū)農(nóng)田土壤平均pH值為4.58，屬于嚴(yán)重酸性土壤，且全鎘（Cd）平均含量為0.33 mg·kg、全銅（Cu）平均含量為58.39 mg·kg，依照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018），該地區(qū)重金屬Cd、Cu輕微超標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)共設(shè)置18個(gè)處理小區(qū)，標(biāo)號(hào)1～18，每個(gè)小區(qū)面積為6.5 m×2.6 m。2020年3月施改良劑（表1），穩(wěn)定60 d后種植玉米和皇竹草，待作物成熟后采集土樣和植物樣。改良劑由云南省圣清環(huán)保股份有限公司提供，施加量為其推薦添加量。

表1 大田實(shí)驗(yàn)處理Table 1 Field experimental treatments

1.2 研究方法

1.2.1 基于AHP的酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

20世紀(jì)70年代，薩蒂（Saaty）提出了一種通過計(jì)算決策權(quán)重將定性與定量分析相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法——層次分析法（AHP），該方法可將主觀判斷進(jìn)行量化。AHP能夠通過對(duì)專家打分進(jìn)行一致性驗(yàn)證，剔除明顯存在邏輯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，從而提高決定性數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為最終結(jié)果的計(jì)算提供更好的依據(jù)。文獻(xiàn)分析法是指通過數(shù)據(jù)庫搜集、鑒別、整理某一研究主題的相關(guān)文獻(xiàn)，并對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)性分析來獲取信息，進(jìn)而形成對(duì)事實(shí)科學(xué)認(rèn)識(shí)的一種研究方法。

（1）評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選

評(píng)價(jià)指標(biāo)是進(jìn)行評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，是反映評(píng)價(jià)客體的基本要素，制定有效的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是改良效果評(píng)價(jià)的核心環(huán)節(jié)和重要步驟，更是評(píng)價(jià)成功的保證。評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)滿足科學(xué)性、代表性和可操作性3個(gè)原則。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的初步確定是通過文獻(xiàn)分析法，在查閱相關(guān)文獻(xiàn)、摘錄指標(biāo)并統(tǒng)計(jì)分析各項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)后確定。本研究查閱與酸性土壤改良相關(guān)的有效文獻(xiàn)共125篇，摘錄文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)102個(gè)，共755組（按添加改良劑處理計(jì)算），摘錄指標(biāo)名稱見表2。

表2 文獻(xiàn)摘錄指標(biāo)及出現(xiàn)頻度Table 2 Index and frequency of literature extract

本文立足于指標(biāo)頻度分析和理論分析，結(jié)合實(shí)例驗(yàn)證時(shí)測(cè)樣可獲得性，從表2中選取土壤pH、有機(jī)質(zhì)等31個(gè)指標(biāo)，初步確定了酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，見表3。土壤容重通過影響土壤孔隙狀況來調(diào)節(jié)土壤水分入滲情況及土壤持水能力，用以反映土壤的物理性質(zhì)；土壤酶活性作為表征土壤微生物性質(zhì)的重要指標(biāo)被廣泛使用。故以土壤容重和孔隙度代表土壤物理因素的變化，以脲酶和過氧化氫酶活性表示土壤生物因素的變化，以此體現(xiàn)本體系指標(biāo)的獨(dú)立性和綜合性，同時(shí)為減輕工作量，根據(jù)專家咨詢結(jié)果，將土壤含水率等7個(gè)指標(biāo)刪除，再綜合研究指標(biāo)數(shù)據(jù)的可評(píng)性、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的可確定性等因素，構(gòu)建了1個(gè)最高層指標(biāo)、3個(gè)中間層指標(biāo)和24個(gè)最低層指標(biāo)的酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，詳見表4。

續(xù)表2文獻(xiàn)摘錄指標(biāo)及出現(xiàn)頻度Continued table 2 Index and frequency of literature extract

表3 初步酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 3 Preliminary comprehensive evaluation index of acid farmland soil improvement effect

（2）構(gòu)造判斷矩陣

對(duì)表4中的各指標(biāo)組數(shù)頻率和文獻(xiàn)頻度歸一化至1～9區(qū)間，并通過專家問卷調(diào)查對(duì)各指標(biāo)重要性進(jìn)行打分，計(jì)算3種得分的平均值，依照Satty的1～9比例標(biāo)度（表5），兩兩比較最低層所有評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)中間層某一指標(biāo)和中間層所有評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)最高層指標(biāo)相對(duì)的重要性來構(gòu)建判斷矩陣，判斷矩陣見表6～表9。

表4 酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 4 Comprehensive evaluation index of acid farmland soil improvement effect

表5 判斷矩陣標(biāo)度及含義Table 5 Scale and meaning of judgment matrix

表6 最高層對(duì)于中間層的判斷矩陣Table 6 Judgment matrix of the top layer to the middle layer

表9 中間層M3對(duì)于最低層的判斷矩陣Table 9 Judgment matrix of the middle layer M3 to the lowest layer

（3）權(quán)重系數(shù)的計(jì)算和檢驗(yàn)

對(duì)各個(gè)判斷矩陣進(jìn)行AHP研究（計(jì)算方法為和積法），得到特征向量和權(quán)重值。根據(jù)特征向量計(jì)算出最大特征根，然后利用最大特征根值計(jì)算得到值，值用于一致性檢驗(yàn)使用。研究評(píng)價(jià)權(quán)重計(jì)算結(jié)果的一致性檢驗(yàn)結(jié)果，即計(jì)算一致性指標(biāo)值。通常情況下值越小，說明判斷矩陣一致性越好。一般情況下值小于0.1，則判斷矩陣滿足一致性檢驗(yàn)；如果值大于0.1，則說明不具有一致性，應(yīng)該對(duì)判斷矩陣進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整后再次分析。具體步驟如下：

（1）按式（1）將判斷矩陣每一列正規(guī)化。

式中：為比較矩陣階數(shù)，也表示指標(biāo)個(gè)數(shù)，下同。

（2）按式（2）將每一列正規(guī)化后的判斷矩陣按行相加，得到向量矩陣——式（3）。按式（4）正規(guī)化。

所得到的=[，，…，w]即為所求特征向量。

（3）按式（5）計(jì)算判斷矩陣最大特征值。

式中：（）表示向量的第個(gè)元素。

（4）一致性檢驗(yàn)：按式（6）計(jì)算一致性指標(biāo)。

由表10查找隨機(jī)一致性指標(biāo)，由式（7）計(jì)算一致性比率。

表10 隨機(jī)一致性RI表格Table 10 Random consistency RI table

1.2.2 評(píng)價(jià)結(jié)果計(jì)算

逼近理想解排序法（Technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS）在數(shù)學(xué)上是一種趨于理想解的排序，可以較為客觀地在多指標(biāo)條件下對(duì)各方案進(jìn)行排序。通過判斷評(píng)價(jià)對(duì)象與正、負(fù)理想解的距離來對(duì)方案做出評(píng)價(jià)。若方案最靠近正理想解和最遠(yuǎn)離負(fù)理想解，則為最佳方案。

為了消除不同數(shù)據(jù)指標(biāo)量綱的影響，有必要對(duì)各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行正向標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Z=（z）（為不同處理，為評(píng)價(jià)指標(biāo)）。定義正理想解=（max{，，...，z}，...，max{，，...，z}），負(fù)理想解=（min{，，...，z}，...，min{，，...，z}）。評(píng)價(jià)指標(biāo)與的距離（）和與的距離（）的計(jì)算公式為：

式中：w表示各指標(biāo)權(quán)重；z和z分別表示各指標(biāo)正理想解和負(fù)理想解；z為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。

綜合得分為：

對(duì)S進(jìn)行歸一化處理，得到相對(duì)接近度，0≤≤1，越高即越小，該處理結(jié)果與正理想解距離越小時(shí)處理效果越好，越低代表處理效果越差。

2 結(jié)果與討論

2.1 酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重系數(shù)

根據(jù)層次分析法得出各層指標(biāo)的分析結(jié)果見表11。

表11 各指標(biāo)層AHP層次分析結(jié)果Table 11 AHPanalysis results of each indicator level

本次分析的值均小于0.1，一致性檢驗(yàn)均通過，說明AHP得出的權(quán)重系數(shù)具有合理性。最后得出酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表12所示。該指標(biāo)體系顯示權(quán)重比較大的指標(biāo)集中在土壤肥力和玉米生長(zhǎng)與安全兩個(gè)方面，分別為0.633與0.261；在最低指標(biāo)層中，pH、生物量、有機(jī)質(zhì)指標(biāo)權(quán)重最大，分別為0.149、0.086和0.086。

表7 中間層M1對(duì)于最低層的判斷矩陣Table 7 Judgment matrix of the middle layer M1 to the lowest layer

表8 中間層M2對(duì)于最低層的判斷矩陣Table 8 Judgment matrix of the middle layer M2 to the lowest layer

表12 酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 12 Comprehensive evaluation index system of soil improvement effect of acid farmland

2.2 酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的驗(yàn)證及應(yīng)用

2.2.1 基于大田實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系驗(yàn)證

主成分分析（Principal component analysis，PCA）是建立最小數(shù)據(jù)集的主要方法，通過降維將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)指標(biāo)，消除眾多指標(biāo)間的相關(guān)性，因此可以用作指標(biāo)篩選和綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)大田實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用主成分分析篩選出對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大的指標(biāo)，以此驗(yàn)證評(píng)價(jià)體系指標(biāo)權(quán)重的合理性。

利用SPSS20.0軟件對(duì)大田實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的評(píng)價(jià)指標(biāo)（未測(cè)數(shù)據(jù)不進(jìn)入統(tǒng)計(jì)）進(jìn)行主成分分析，得到主成分1和主成分2，計(jì)算出各主成分的表達(dá)式為：

主 成 分1：=-0.098 L1+0.133 L3+0.190 L4-0.015 L5+0.337 L8-0.221 L10-0.101 L12-0.0337 L13+0.149 L14-0.239 L15+0.186 L16+0.239 L17+0.236 L18-0.162 L19+0.0213 L21+0.224 L22+0.224 L23-0.221 L24

主成分2：=0.282 L1-0.257 L3+0.187 L4+0.309 L5+0.387 L8-0.117 L10+0.157 L12+0.177 L13-0.241 L14+0.002 L15+0.194 L16-0.008 L17+0.047 L18+0.178 L19-0.006 L21+0.106 L22+0.106 L23+0.118 L24

由上述主成分的表達(dá)式可知：在第1主成分的表達(dá)式中，土壤pH（L8）、生物量（L17）的系數(shù)較大；在第2主成分的表達(dá)式中，土壤pH（L8）、速效鉀（L5）、有機(jī)質(zhì)（L1）的系數(shù)較大。綜合分析上述結(jié)果，土壤pH（L8）、生物量（L17）、速效鉀（L5）、有機(jī)質(zhì)（L1）對(duì)改良效果影響較大。這與本研究構(gòu)建的指標(biāo)體系中指標(biāo)權(quán)重相符合，進(jìn)一步證明了該評(píng)價(jià)體系的合理性。

2.2.2 大田實(shí)驗(yàn)改良效果評(píng)價(jià)

針對(duì)不同的作物（玉米、皇竹草），將改良劑處理得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)正向化處理（標(biāo)準(zhǔn)差法），得出各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值（表13），用于后續(xù)加權(quán)處理。

表13 大田實(shí)驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化值Table 13 Standardized values of field experiment results

根據(jù)表12中的權(quán)重值，對(duì)處理過的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算并根據(jù)TOPSIS法進(jìn)行排序，最終得到該實(shí)驗(yàn)中酸性農(nóng)田土壤改良效果的綜合評(píng)價(jià)排名。由表14可以看出，改良效果最好的是SQC204，其次是SQC201，這兩種改良劑處理雖然降低了土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，但都提高了土壤pH，增加了玉米的生物量，對(duì)于土壤肥力、玉米生長(zhǎng)與安全和經(jīng)濟(jì)效益都有重要意義，所以其綜合改良效果仍比CK組好。而SQFC-00S對(duì)土壤的改良效果較差，這可能與其處理下評(píng)價(jià)體系中權(quán)重較大的土壤pH降低和生物量減少有關(guān)。

表14 大田實(shí)驗(yàn)改良效果綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Table 14 Comprehensive evaluation results of field experiment improvement effect

在我國(guó)南方地區(qū)，酸性土壤改良已成為一個(gè)重要的研究課題，相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜抑鲗?dǎo)的大型或小型土壤環(huán)境保護(hù)項(xiàng)目也愈發(fā)增多，然而對(duì)于改良效果，仍缺乏分類別、分目標(biāo)、系統(tǒng)化的客觀評(píng)價(jià)體系，大多采用以往文獻(xiàn)中提及過的個(gè)別的、離散化的指標(biāo)，通過指標(biāo)值的升高或降低片面地得出某些結(jié)論，不利于從中尋求效果最優(yōu)的模式進(jìn)行凝練和推廣。本研究利用層次分析法定量和定性相結(jié)合地分析問題的特點(diǎn)，將人的主觀判斷和客觀現(xiàn)象進(jìn)行量化表達(dá)，提高了評(píng)價(jià)方法本身的客觀性和有效性。評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選以及判斷矩陣的得分綜合考慮了各個(gè)指標(biāo)在文獻(xiàn)中出現(xiàn)的頻率和組數(shù)、專家評(píng)價(jià)以及實(shí)驗(yàn)過程的可獲得性，且得出的權(quán)重系數(shù)均通過了一致性檢驗(yàn)，具有較強(qiáng)的客觀性和合理性。

研究表明，當(dāng)今對(duì)于酸性農(nóng)田土壤改良效果的評(píng)價(jià)，土壤pH仍是最主要的核心因素，是影響土地環(huán)境質(zhì)量、限制作物產(chǎn)量的重要指標(biāo)之一。從評(píng)價(jià)體系指標(biāo)權(quán)重來看，權(quán)重最高的也是土壤pH，但土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、生物量等反映土壤養(yǎng)分和作物生長(zhǎng)的因素也不能忽視。就中間層權(quán)重分布看，權(quán)重比較大的指標(biāo)集中在土壤肥力（0.633），土壤肥力中權(quán)重較高的是營(yíng)養(yǎng)和化學(xué)因素指標(biāo)，物理和生物因素的指標(biāo)權(quán)重較低，其原因可能是當(dāng)前土壤物理和生物因素對(duì)土壤改良效果的影響研究較少。就最低層指標(biāo)來說，除土壤pH外，土壤有機(jī)質(zhì)、玉米生物量權(quán)重最大，均為0.086。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果中由于SQC204的施加顯著提高了土壤pH和有效磷含量以及玉米生物量，所以其改良效果最好，與之相反的SQFC-00S效果則最差。這與本文構(gòu)建的綜合評(píng)價(jià)體系中的最低層指標(biāo)權(quán)重最大為土壤pH、有機(jī)質(zhì)、生物量關(guān)系一致。評(píng)價(jià)體系中各個(gè)指標(biāo)權(quán)重在一定程度上反映了各指標(biāo)對(duì)總體評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，說明本文構(gòu)建的綜合指標(biāo)體系結(jié)合了土壤pH、營(yíng)養(yǎng)成分、植物的生長(zhǎng)狀況及經(jīng)濟(jì)效益多方面因素，實(shí)現(xiàn)了對(duì)酸性農(nóng)田土壤改良效果的整體性評(píng)價(jià)，符合酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評(píng)價(jià)要求。

3 結(jié)論

（1）通過文獻(xiàn)分析法選取最能反映酸性農(nóng)田土壤改良效果的指標(biāo)，構(gòu)建了酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評(píng)價(jià)體系，針對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)系，利用層次分析法確定權(quán)重系數(shù)，建立了一個(gè)酸性農(nóng)田土壤改良效果綜合評(píng)價(jià)體系。

（2）將本研究建立的評(píng)價(jià)體系應(yīng)用于酸性農(nóng)田土壤改良實(shí)驗(yàn)中，得出綜合評(píng)價(jià)效果，纖維素改良劑效果最好的是SQC204，同時(shí)利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了其合理性。