張 智 李曼寧 楊 志 蔡澤林 洪婷婷 丁 明
(1.西北農(nóng)林科技大學園藝學院, 陜西楊凌 712100; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北設(shè)施園藝重點實驗室, 陜西楊凌 712100)
草莓營養(yǎng)價值豐富,具有益心健腦的獨特功效,且采摘期較長,逐漸成為多地農(nóng)民增收致富的主導產(chǎn)業(yè)[1]。目前我國草莓種植面積和產(chǎn)量位居世界第一[2],主要采用溫室栽培方式,反季節(jié)栽培草莓的經(jīng)濟效益更高[3-4]。然而,過量的灌水和施肥不但造成大量的水分流失、肥料利用效率降低、土壤板結(jié)、地下水污染等一系列環(huán)境問題[5-6],同時還影響植株的生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)。水肥耦合可以促進植物對養(yǎng)分的快速吸收和高效利用,以達到節(jié)水節(jié)肥、增產(chǎn)增質(zhì)、省工省時和減污等目的[7]。
水肥對番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的形成起著決定性的作用[8]。前人的研究表明,水肥一體化模式可以提高肥料利用效率,適量減少施肥可以提高草莓的品質(zhì)和產(chǎn)量[9];滴灌條件下輕度虧缺灌溉可以提高草莓果實的含糖量[10]和產(chǎn)量[11];適量的灌水施肥模式可以提高溫室草莓的產(chǎn)量和水肥利用效率[12-13];水氮耦合處理可以提高草莓果實中的維生素C含量、可溶性糖含量、有機酸含量和糖酸比[14];在一定范圍內(nèi)適量施用磷肥或氮肥均可提高番茄中維生素C、可溶性糖和可溶性固形物含量[15]。
不同水肥處理對產(chǎn)量、果實品質(zhì)和水肥利用效率的影響不同,即使同一水肥處理,對不同指標的影響差異也較大。植株生長包括不同類別的多項指標,每種指標衡量標準不同,但又相互關(guān)聯(lián),僅憑單一指標進行評價具有局限性,很難準確評價草莓生長的優(yōu)劣[16]。因此,合理綜合各項指標、建立科學的評價體系是取得整體水肥施用優(yōu)化方案的基礎(chǔ)。層次分析(Analytic hierarchy process,AHP)法可以通過對客觀事實的主觀判斷,將元素的相對重要性定量描述[17]。熵權(quán)法是一種由待評價指標確定指標權(quán)重的客觀方法,具有較強的操作性,可根據(jù)指標的變異程度客觀計算出各指標的權(quán)重值。TOPSIS(Technique for order preference by similarity to ideal solution)模型可以充分利用原始數(shù)據(jù),通過比較各個指標中的最優(yōu)解和最劣解評價方案的優(yōu)劣性[18]。采用基于博弈論的組合賦權(quán)法對AHP法和熵權(quán)法得到的權(quán)重進行融合,充分利用主觀賦權(quán)法反映決策者意愿及客觀賦權(quán)法的理論依據(jù)優(yōu)勢,對定性的問題進行定量分析,同時克服單一方法的偏向性,得到更加合理的指標權(quán)重,再基于TOPSIS法構(gòu)建評價體系,可實現(xiàn)對多指標內(nèi)容的科學評價[19-20]。
本文旨在對草莓多個指標分析的基礎(chǔ)上,建立融合產(chǎn)量、品質(zhì)、水肥利用效率等多因素的綜合評價模型,提出多目標協(xié)同下的最優(yōu)水肥組合模式,為實現(xiàn)設(shè)施草莓生產(chǎn)高產(chǎn)、高品質(zhì)、高效的綜合水肥管理提供科學理論依據(jù)。
本試驗于2018年9月—2019年4月在陜西省楊凌示范區(qū)揉谷鎮(zhèn)錦田果蔬合作社(北緯34°16′,東經(jīng)108°2′)的大跨度非對稱雙層塑料大棚中進行。該試驗區(qū)地處陜西省中部關(guān)中平原腹地,海拔450 m,屬暖溫帶大陸性季風氣候。年平均降水量635.1 mm,無霜期211 d,年平均日照時數(shù)2 163.8 h。塑料大棚跨度為17 m,長度為55 m。試驗區(qū)土質(zhì)為黃土,土壤中硝銨態(tài)氮質(zhì)量比177.82 mg/g,速效磷質(zhì)量比28.16 mg/g,速效鉀質(zhì)量比248.922 mg/g,電導率(EC)為587.33 μS/cm,土壤pH值為6.50。供試草莓品種為紅顏。
試驗灌水量依據(jù)參考作物的蒸騰蒸發(fā)量(Evapotranspiration, ETC),施肥量根據(jù)目標產(chǎn)量法選擇N、P2O5、K2O比例為14∶6∶30的復合肥[21]。試驗設(shè)置兩因素,3個滴灌水平(高水W1:100% ETC、中水W2:80%ETC、低水W3:60%ETC)和3個施肥水平(高肥F1:2 199.85 kg/hm2、中肥F2:1 833.21 kg/hm2、低肥F3:1 466.57 kg/hm2),以高水(W1)和不施肥作為對照,共10個處理,每個處理進行3次重復。試驗小區(qū)呈隨機區(qū)組排列,小區(qū)長10 m、寬2 m,每小區(qū)定植60株草莓,采用一壟兩行的種植方式,壟高為0.4 m,小區(qū)之間用0.1 mm黑色塑料膜隔開,防止處理間的水肥相互影響。
試驗采用膜下滴灌技術(shù),進行水肥同時處理。草莓于2018年9月6日定植,2019年4月5日拉秧。定植和緩苗時灌水量為1 666.7 L,處理后每3~4 d灌一次水,ETC依據(jù)Penman-Monteith修正公式計算[22](參照文獻中草莓各時期灌水系數(shù)計算[23]),環(huán)境數(shù)據(jù)由小型氣象站采集(HOBO event logger, Onset Computer Corporation,美國),在整個生育期W1、W2、W3灌水總量分別為3 150、2 520、1 890 m3/hm2。由數(shù)顯電子流量計和施肥泵精確控制灌水量和施肥量。試驗水肥施用量以及進行歸一化處理的數(shù)據(jù)編碼值見表1(括號中為各因素編碼)。
表1 試驗因素編碼與試驗設(shè)計
(1)產(chǎn)量
果實成熟時,采收成熟度一致的草莓。每隔3~5 d采收一次,每次采收要分別測定單果質(zhì)量、果實數(shù)量、單株產(chǎn)量,根據(jù)單株產(chǎn)量計算果實的總產(chǎn)量。
(2)果實品質(zhì)
選取第3穗成熟度一致的果實進行果實品質(zhì)測定。維生素C含量采用鉬藍比色法;可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍-G250染色法;可溶性固形物含量和糖酸比均采用bxacid藍莓專用糖酸一體機測定;可溶性糖含量采用蒽酮比色法。
(3)水肥利用效率
采用草莓的農(nóng)學利用效率來表示草莓的水分利用效率(Water use efficiency, WUE),計算公式為
WUE=Y/L
(1)
式中Y——各處理草莓的總產(chǎn)量,kg
L——生育期內(nèi)的灌水量,m3
采用草莓的總氮利用效率來表示草莓的肥料利用效率(Apparent recovery efficiency, RE)[24],全氮含量采用H2SO4-H2O2消煮法測定,肥料利用效率計算公式為
RE=(U1-U0)/F×100%
(2)
式中U1——施肥區(qū)667 m2吸收N的量,g
U0——對照區(qū)667 m2吸收N的量,g
F——667 m2肥料施入量,g
采用SPSS軟件進行各數(shù)據(jù)的方差分析,利用Origin軟件進行圖表繪制;采用Yaaph軟件繪制草莓綜合分析層次模型及各項指標的權(quán)重分析;采用Excel軟件按照TOPSIS法計算綜合評價數(shù)值;運用DPS建立數(shù)學模型,采用Matlab解析模型。
灌水、施肥以及水肥耦合作用對草莓單果質(zhì)量的影響都達到極顯著水平(表2)。從灌水水平來看,單果質(zhì)量由大到小為W1、W2、W3;從施肥水平來看,單果質(zhì)量由大到小為F2、F1、F3。在同一施肥水平下,中肥和低肥處理時單果質(zhì)量隨灌水量增加均呈上升趨勢。相同灌水處理下,高水和低水處理時單果質(zhì)量隨施肥量增加先增大后減小。由圖1(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下同)可知,在所有處理中,中水高肥(T2)的單果質(zhì)量最高,為12.74 g;低水低肥(T9)的單果質(zhì)量最低,僅為9.81 g。灌水、施肥以及水肥耦合作用對草莓產(chǎn)量的影響都達到極顯著水平(表2)。從灌水水平來看,草莓產(chǎn)量由大到小依次為W1、W2、W3;從施肥水平來看,草莓產(chǎn)量由大到小依次為F2、F1、F3。在同一施肥水平下,在高肥和低肥處理時產(chǎn)量隨灌水量增加呈現(xiàn)上升趨勢;在同一灌水水平下,灌水量為中水和低水時,產(chǎn)量隨施肥量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢。由圖1可知,在中水中肥(T5)處理下草莓產(chǎn)量最高,為19 251.2 kg/hm2,低水低肥(T9)處理下產(chǎn)量最低,為12 598.4 kg/hm2。
可溶性糖含量受灌水的影響顯著、施肥的影響極顯著,但水肥耦合作用對其無顯著性影響(表2)。從灌水水平來看,中水處理草莓可溶性糖含量表現(xiàn)最優(yōu);從施肥水平來看,低肥最有利于草莓可溶性糖含量提升。施肥量一定的情況下,可溶性糖含量隨灌水量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(T3除外)。灌水量一定的情況下,可溶性糖含量隨施肥量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(T9除外)。在中水中肥(T5)處理下果實的可溶性糖含量最高,為7.8 mg/g,高水高肥(T1)處理下果實的可溶性糖含量最低,為6.29 mg/g(圖2a)。
施肥對草莓的糖酸比具有極顯著性的影響,灌水和水肥耦合作用對其無顯著性影響(表2)。施肥量一定的情況下,糖酸比隨灌水量由大到小表現(xiàn)為W2、W3、W1;灌水量一定的情況下,糖酸比隨施肥量增加而降低。水肥耦合作用下中水低肥(T8)處理下草莓的糖酸比最高,為6.03,高水高肥(T1)處理下草莓的糖酸比最低,為4.64(圖2b)。
表2 不同水肥處理下草莓的各項指標
注:*表示差異顯著(P<0.05),** 表示差異極顯著(P<0.01)。
圖1 水肥耦合對產(chǎn)量的影響
灌水和施肥對草莓的可溶性固形物含量具有極顯著影響,水肥耦合作用對其無顯著性影響(表2)。從灌水水平來看,可溶性固形物含量由大到小依次為W3、W2、W1;從施肥水平來看,可溶性固形物含量由大到小依次為F2、F1、F3。同一施肥水平下,可溶性固形物含量隨灌水量的增加而減??; 同一灌水水平下,可溶性固形物含量隨施肥量的增加先增大后減小。在低水中肥(T6)處理下草莓的可溶性固形物含量最佳(圖2c)。
維生素C含量受施肥和灌水的影響極顯著,水肥耦合作用對其無顯著性影響。維生素C含量隨灌水和施肥增加均呈現(xiàn)降低趨勢。低水低肥(T9)處理下果實維生素C含量最高,為221.30 mg/(100 g),高水高肥(T1)處理下果實維生素C含量最低,為140.71 mg/(100 g)(圖2d)。
可溶性蛋白質(zhì)含量只受施肥的影響極顯著(表2)。同一施肥水平下灌水量的差異對可溶性蛋白質(zhì)含量影響不顯著,從整體來看,低肥處理下可溶性蛋白質(zhì)含量最佳。如圖2e所示,中水低肥(T8)處理下果實的可溶性蛋白質(zhì)含量最佳。
圖2 水肥耦合對果實品質(zhì)的影響
灌水、施肥以及水肥耦合作用均對草莓的水分利用效率影響極顯著(表2)。施肥量一定的情況下,水分利用效率隨灌水量的增加而減小;灌水量一定的情況下,水分利用效率受施肥影響由大到小依次為F2、F1、F3。水肥耦合作用下,低水中肥(T6)處理下水分利用效率最高,達到8.36 kg/m3(圖3a)。
圖3 水肥耦合對水肥利用效率的影響
同時,灌水、施肥以及水肥耦合作用也對肥料利用效率的影響極顯著(表2)。從灌水水平來看,肥料利用效率隨灌水量增加而減??;從施肥水平來看,中肥(F2)處理下肥料利用效率最高,其次為低肥(F3),高肥處理下肥料利用效率最低,各處理間差異顯著。由圖3b可知,在低水中肥(T6)處理下肥料利用效率最高,為14.74%,在高水高肥(T1)處理下肥料利用效率最低,僅為10.49%。
2.4.1綜合評價層次模型
運用Yaaph軟件建立草莓綜合評價的層次模型(圖4)。綜合生長指標(C)目標層分為產(chǎn)量指標(C1)、果實品質(zhì)指標(C2)、水肥利用效率(C3)3個準則層;產(chǎn)量指標包括單果質(zhì)量(C11)和產(chǎn)量(C12)兩個指標層,果實品質(zhì)指標包括可溶性糖含量(C21)、糖酸比(C22)、可溶性固形物含量(C23)、維生素C含量(C24)和可溶性蛋白質(zhì)含量(C25)5個指標層,水肥利用效率包括水分利用效率(C31)和肥料利用效率(C32)2個指標層。
2.4.2指標權(quán)重
(1)基于AHP法確定權(quán)重
層次模型建立后采用1~9的比例標度法建立判斷矩陣并對矩陣的一致性進行檢驗,綜合生長指標、產(chǎn)量指標、果實品質(zhì)指標、水肥利用效率判斷矩陣分別為綜合生長指標、產(chǎn)量指標、果實品質(zhì)指標、水肥利用效率的一致性檢驗系數(shù)CR均小于0.10,一致性檢驗結(jié)果較好,所建立的判斷矩陣具有可靠性和合理性(表3,表中λmax為最大特征值)。結(jié)果表明,草莓各項指標的權(quán)重由大到小依次為:產(chǎn)量、單果質(zhì)量、肥料利用效率、可溶性糖含量、糖酸比、水分利用效率、可溶性固形物含量、維生素C含量、可溶性蛋白質(zhì)含量。
圖4 草莓綜合生長指標層次模型
(2)基于熵權(quán)法確定權(quán)重
采用熵權(quán)法對草莓的單一指標進行賦權(quán)(具體計算方法和步驟見文獻[21]),計算得出草莓各項指標的權(quán)重見表4。由表可知,熵權(quán)法確定的草莓各項指標權(quán)重由大到小依次為:產(chǎn)量、水分利用效率、維生素C含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、肥料利用效率、糖酸比、單果質(zhì)量、可溶性固形物含量、可溶性糖含量。
表3 AHP層次分析法計算權(quán)重的結(jié)果
表4 熵權(quán)法確定的草莓單一指標權(quán)重
(3)基于博弈論的組合賦權(quán)
式中αk、wk——AHP法、熵權(quán)法所得權(quán)重
表5 基于博弈論的組合賦權(quán)確定的草莓單一指標權(quán)重
2.4.3基于TOPSIS法的草莓綜合評價
基于組合賦權(quán)的TOPSIS綜合模型評價[25],將決策矩陣進行歸一化處理,建立加權(quán)矩陣,而后計算評判指標的理想解和貼合度Ci,結(jié)果如表6所示。由表可知,T5(中水中肥)處理草莓的綜合指標貼合度最大,草莓的綜合評價最優(yōu),T4(高水中肥)處理和T6(低水中肥)次之,T3處理貼合度最小,說明草莓的綜合表現(xiàn)最差。
表6 基于TOPSIS法的草莓綜合指標及其排序
注:S+為理想解、S-為逆理想解;D+為各處理與理想解的距離、D-為各處理與逆理想解的距離。
根據(jù)草莓的綜合生長評分進行二元二次回歸模擬,得到草莓綜合生長評分(Y)與灌水量編碼值(X1)、施肥量編碼值(X2)的回歸模型為
(3)
對回歸方程進行顯著性檢驗,相關(guān)系數(shù)R=0.989 4,決定系數(shù)R2=0.978 9,擬合度較高;F=37.084 2,P=0.001 9<0.01,說明回歸關(guān)系達到了極顯著水平,證明建立的回歸模型可靠。
2.5.1水肥單因素效應(yīng)
為了進一步研究單因素對草莓綜合生長的影響,對建立的二元二次回歸模型進行降維處理,得到灌水量(YW)和施肥量(YF)的單因素方程
(4)
(5)
由圖5可以看出,灌水量和施肥量對草莓的綜合評分的效應(yīng)均為開口向下的拋物線,草莓的綜合評分隨灌水量或施肥量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢,符合報酬遞減效應(yīng),即灌水量和施肥量超過一定的范圍再繼續(xù)增加綜合評分都會呈現(xiàn)下降的趨勢。隨著灌水量的增加綜合生長評分的變化比較平緩,隨著施肥量的增加產(chǎn)生比較急劇的變化,說明對施肥量的變化更加敏感。
圖5 單因素對草莓綜合評分的效應(yīng)曲線
2.5.2水肥交互作用
草莓的綜合生長受灌水量和施肥量耦合作用的影響。根據(jù)建立的回歸方程做出灌水量和施肥量對草莓的綜合生長指標互作效應(yīng)的三維關(guān)系圖(圖6)。根據(jù)回歸方程可以計算出,綜合評分Y最高為1.204 5時,X1為-0.23、X2為-0.02,即灌水量為2 375.1 m3/hm2、施肥量為1 825.88 kg/hm2。
圖6 水肥耦合對草莓綜合生長的影響
由圖6可知,以綜合評分最大值的90%劃分水肥耦合閉合區(qū)域,此閉合區(qū)域出現(xiàn)在中低灌水量水平與中等施肥水平,可得出在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上最佳的灌水和施肥區(qū)間分別為灌水量在2 268~2 520 m3/hm2、施肥量在1 759.88~1 869.87 kg/hm2之間,此水肥區(qū)間最有利于實現(xiàn)高產(chǎn)、高品質(zhì)、高效。
設(shè)施內(nèi)草莓的生長過程中,合理和良好的水肥管理是十分必要的條件。作物不同的水肥處理對草莓的耦合效應(yīng)不同。適量灌水可以提高草莓產(chǎn)量,過量產(chǎn)量反而會降低[26];水分虧缺條件下雖然草莓的產(chǎn)量和單果質(zhì)量有所下降,但是果實含糖量增加,品質(zhì)有所上升[27];適當虧缺灌溉可以減少水分的消耗,降低果實對水分的吸收,導致稀釋作用減弱,果實品質(zhì)增加[28-29]。有研究表明,田間持水率為20%時,灌水量為充分灌水的50%可以有效地提高水分利用效率[30]。本研究亦得出中低水灌溉下可以提高草莓的品質(zhì),低水灌溉有利于提高草莓的水分利用效率。
作物地下部吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)的器官是根,適當增加土壤的濕潤程度可以促進根系的發(fā)育,擴大根系與土壤的接觸面積,加快養(yǎng)分的吸收和利用,有效增加水肥利用效率[31-32]。 同樣增加適量的氮肥可以提高草莓的產(chǎn)量,過量則會增加草莓的營養(yǎng)生長,抑制生殖生長,導致植株徒長、草莓的含糖量和產(chǎn)量降低[33-34]。草莓需鉀量比較多,合理地增加施鉀量可以提高草莓的產(chǎn)量和果實中的可溶性固形物,過量可導致草莓酸度增加[5,35]。本研究結(jié)果表明,中肥灌溉最有利于產(chǎn)量的增加,中低肥灌溉可以得到最佳果實品質(zhì),中肥灌溉使水肥利用效率達到最優(yōu)效果,與前人得出結(jié)論相似。
合理的水肥配比可以增加產(chǎn)量,同時降低灌水量和施肥量[36],有研究表明充分灌水的80%和充分施肥的80%互作下可以提高草莓的產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)[37];在灌水量減少的情況下,適量的增施氮同樣可以改善根系活力[38],增加根系的吸收面積,減小水分缺失對作物的影響,同時增加氮素利用效率[39],說明灌水和施肥二者存在耦合效應(yīng),充分驗證了本試驗的結(jié)論——滴灌條件下中水中肥的灌溉施肥模式最有利于草莓的生長。
大多數(shù)對草莓水肥耦合的研究,都只針對某一指標或者某幾個指標進行主觀或者客觀的評價[40-42]。本文為了更好地對草莓的綜合指標進行評價,以高產(chǎn)、高品質(zhì)、高效為目標,運用AHP主觀賦權(quán)法、熵權(quán)客觀法和基于博弈論的分層組合賦權(quán)法進行TOPSIS評價,得出草莓的綜合生長評分最好的水肥組合為中水中肥。通過建模得出灌水量、施肥量與草莓綜合生長指標的二元二次回歸方程,降維后得到灌水量和施肥量與草莓的綜合生長指標均呈開口向下的拋物線形關(guān)系,表明隨著灌水量和施肥量的增加草莓的綜合生長指標呈現(xiàn)先增后減的趨勢,與前人結(jié)論一致[43-44]。綜合建模的三維關(guān)系圖得出,灌水量在中低水平、施肥量在中等偏低水平草莓的綜合生長情況最好。
本試驗針對滴灌灌水與施氮磷鉀復合肥兩因素對草莓的產(chǎn)量、果實品質(zhì)和水肥利用效率的影響進行研究,各指標所得出的最優(yōu)水肥組合不同,需要將各項指標綜合進行判斷。其次不同的水肥滴灌條件會影響3類因素的多個指標,進而影響綜合賦權(quán)及評價,其結(jié)果與溫室內(nèi)的小氣候、當?shù)赝寥罓顩r等外因影響有關(guān),還需要進一步研究。
(1)水肥耦合作用對草莓的產(chǎn)量和水肥利用效率等各項指標均影響顯著,對果實品質(zhì)無顯著影響。增加灌水量可以提高草莓的單果質(zhì)量和產(chǎn)量,減少灌水量有利于提高草莓的可溶性固形物含量、維生素C含量及水肥利用效率,中等灌溉水平有利于草莓可溶性糖含量、糖酸比和可溶性蛋白質(zhì)含量的提升;較低施肥量可以提升草莓的品質(zhì)及水分利用效率,中等施肥水平有利于提高草莓的單果質(zhì)量、產(chǎn)量和肥料利用效率。
(2)引入層次分析法和熵權(quán)法對3類因素9個指標進行多層賦權(quán),運用基于博弈論的組合賦權(quán)法獲得各單一指標的最終權(quán)重,賦權(quán)最高為產(chǎn)量(0.264 1),最低為可溶性蛋白質(zhì)含量(0.059 5)。根據(jù)TOPSIS法建立的草莓綜合生長評價體系,得到貼合度最好的處理為中水中肥(T5)。
(3)通過建立草莓綜合生長對水肥耦合的響應(yīng)模型得出,灌水量與施肥量單因素對草莓綜合生長的影響均呈開口向下拋物線,水肥交互作用影響顯著。當灌水量編碼值為-0.23(2 375.1 m3/hm2)、施肥量編碼值為-0.02(1 825.88 kg/hm2)時,綜合生長評分最高。以綜合評分最大值的90%劃分水肥耦合閉環(huán)區(qū)間,得到最佳灌水和施肥區(qū)間分別為灌水量2 268~2 520 m3/hm2、施肥量1 759.88~1 869.87 kg/hm2,此時產(chǎn)量、果實品質(zhì)以及水肥利用效率協(xié)同最優(yōu)。