基于熵權法的餐廚垃圾沼液農田利用綜合評價

喬宇穎，李娜，奚輝，胡振華，干瑩瑩，陳喜靖，喻曼*

(1.浙江省農業科學院 環境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021；2.浙江恒海農業科技集團有限公司，浙江 寧波 315100)

餐廚垃圾沼液是餐廚垃圾經厭氧消化產生的有機廢水，含鹽量較高，若利用不善，可能會導致土壤鹽分積累和次生鹽漬化問題[1]。國內外眾多學者認為施用沼液能提高土壤中氮、磷、鉀及有機質的含量，改善作物品質[2-3]，沼液在改善土壤鹽堿性[4]、提高土壤微生物多樣性[5-6]方面也有較好的作用。但是，在濱海灘涂鹽土地區存在土壤本身含鹽量較高、地下水埋淺、灌溉水礦化度較高和降水量相對豐富但分布不均等問題[7]，限制了餐廚垃圾沼液的安全有效利用，進而影響土壤環境和生態安全。黃繼川等[8]研究表明，施用適量沼液能夠提高土壤微生物群落結構多樣性，過多則效果降低，連續施用沼液對微生物群落結構的影響具有累積疊加效應。徐曉萌[9]對土壤細菌群落結構進行多樣性分析發現，施用沼液可以增加土壤微生物群落多樣性，在正常的沼液處理水平下，不會顯著破壞土壤微生物生態區系的健康穩定。耿青云等[10]研究發現，沼液農田利用需要綜合同時考慮施用量和施用位置，在1～5 cm土層施用沼液，其施用量不適宜會導致電導率和pH值升高。王宗壽[11]和倪亮等[12]研究發現，施用沼液不同程度地提高了土壤的pH值，防止土壤電導率的增加，減少鹽害。因此，在濱海灘涂鹽土地區施用沼液要求不僅要從作物產量或某項單一品質指標考慮，更要從產量、品質、土壤環境、土壤生態等多指標進行綜合評價。

熵權法是一種客觀賦權法，能有效避免人為確定各指標重要性或極值影響造成的誤差[13]。熵理論反映了信息的無序程度，當某項指標承載的信息越多，它對決策的影響就越大[14]。基于熵權法的特性與優點，越來越多的研究者選擇運用熵權法對自己的研究區域進行綜合評價。蘭道云等[15]運用熵權法對不同密度油松人工林的土壤保育功能進行了評價；邱陸旸等[13]選擇了5種主要林地類型的土壤為評價對象，建立了包含11項指標的評價體系，應用熵權法綜合研究了不同林地土壤的抗蝕性差異和主要影響因素；林坤等[16]運用熵權法對黃土丘陵區賀莊溝流域土壤水分各影響因子在不同土層深度下的權重進行分析，描述了各影響因子對土壤水分的影響程度；Hasan等[17]利用熵權法對橫河下游盆地流域地下水水質進行了評價；周榮興等[18]以安徽省為例，建立了基于熵權組合權重的區域水資源承載力和相應的等級標準預警模式。基于此，本文以餐廚垃圾沼液不同施用比例下西蘭花試驗為基礎，選取了3大類指標(作物、土壤養分和土壤微生物)，19項指標(含作物產量、品質、土壤鹽分、土壤養分、土壤細菌、土壤真菌等)，運用熵權法綜合評價餐廚垃圾沼液施用對農田的綜合影響，以期為餐廚垃圾沼液在濱海鹽堿地的利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗所用西蘭花品種為炎秀，供試沼液為餐廚垃圾沼液，取自寧波有機固廢處理公司，其總氮、總磷和總鉀含量分別為1 340 mg·L-1、69 mg·L-1和714 mg·L-1。供試化肥為當地市售尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。

1.2 試驗設計

田間試驗于2020年9月至2021年3月在浙江省寧波市慈溪市觀海衛鎮海涂試驗基地進行。試驗共設置5個處理，純化肥(CF)；沼液25%+化肥75%(以氮計，下同，T25)；沼液50%+化肥50%(T50)；沼液75%+化肥25%(T75)；沼液100%(T100)。每個處理重復3次，共計15個小區，小區面積4 m×8 m。田間管理同當地常規管理一致，沼液和化肥施用采用滴灌方式。

在西蘭花收獲期記錄產量，并采集可食部位測定可溶性糖、蛋白質以及維生素C的含量；采用五點取樣法采集土壤表層樣品(0～20 cm)，混合均勻，一部分放入保溫箱帶回實驗室后放入-20 ℃冰箱保存，另一部分待自然風干后，過2 mm篩備用。

1.3 測定項目與方法

土壤養分指標檢測參照《土壤農業化學分析方法》[19]。土壤微生物總量、細菌、真菌、放線菌、革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌含量采用磷脂脂肪酸法(phospholipid fatty acid，PLFA)進行檢測[20]。西蘭花可食部位可溶性糖含量采用3，5-二硝基水楊酸法測定；蛋白質含量采用考馬斯亮藍G-250染色法測定；維生素C含量測定采用2，6-二氯靛酚滴定法。

2 研究方法

采用熵權法分別對各大類指標的權重進行計算，一般情況下，評價指標的離散度越大，信息量和權重越大。相反，評價指標的離散度越小，信息量和權重越小。通常需對數據進行標準化處理，以消除各評價指標的量綱，從而實現數據之間的可比性。熵權法的具體計算過程如下：

(1)構建原始評價指標矩陣

X=(xij)m×n。

(1)

并對矩陣進行標準化處理，標準化方法如下。

正向指標：

yij=[xij-minj(xij)]/[maxj(xij)-minj(xij)]。

(2)

負向指標：

yij=[maxj(xij)-xij]/[maxj(xij)-minj(xij)]。

(3)

式中，xij為第i個試驗處理的第j個指標值，yij為相應的標準化值。

(2)計算各指標信息熵。

(4)

(3)計算指標的權重。

(5)

3 結果與分析

3.1 餐廚垃圾沼液農田利用后各指標變化情況

試驗結果表明(表1)，T25、T50、T75和T100處理與CF處理下的西蘭花產量之間沒有明顯的差別，說明沼液滴灌基本不影響西蘭花的產量。沼液滴灌后，西蘭花的維生素C含量和蛋白質含量有所下降，可溶性糖含量有所上升，并且在T75和T100處理下上升明顯，表明沼液滴灌對西蘭花品質的影響有好有壞。與CF處理相比，沼液替代處理的西蘭花品質差異不大。從土壤養分指標來看，pH值在常規施肥和沼液滴灌處理中均有所降低，但在T100處理下，pH值有所升高；土壤有機質和全氮在常規施肥和沼液滴灌處理中均呈現降低趨勢，且沼液T25和T100處理中降低得最明顯，表明過少或過多的沼液都會使得土壤有機質和全氮有較大的損失；土壤有效磷含量在T50處理中明顯較低，土壤速效鉀含量在T75和CF處理中明顯較低。試驗樣本中共提取到44條有效的單體PLFA，通過比較不同比例餐廚垃圾沼液滴灌后土壤微生物群落結構變化(表1)，結果表明，沼液替代處理中土壤微生物總量、細菌、真菌和放線菌含量均明顯高于常規施肥處理。張無敵等[21]的研究結果表明，沼液灌溉能不同程度增加表層土壤細菌、真菌數量和微生物多樣性指數。在等氮條件下，化肥合理配施沼液能增加土壤微生物數量[22]，能提高土壤氨氧化速率和氮素礦化能力，提高微生物活性[23]。長期定位研究[24-25]表明，沼液能促進土壤中微生物的繁殖，有利于土壤中多種微生物的均衡生長和土壤微生物種群的均勻分布，從而改善微生物群落結構。這與本文研究較為一致。

3.2 餐廚垃圾沼液農田利用不同處理的指標熵權

以產量、可溶性糖含量、維生素C含量和蛋白質含量為指標，計算不同處理的熵權值(表2)，信息熵為0.39～0.55，其中信息熵最高的為西蘭花產量，對應權重0.21，信息熵最低的為維生素C含量，對應權重0.28，這說明西蘭花維生素C含量在不同處理間的敏感度大于西蘭花產量。進一步計算土壤各養分指標熵權值(表2)，各指標信息熵為0.43～0.57，信息熵最低的為全氮含量和ECe，對應權重分別為0.17和0.16，其中全氮含量為正向指標，ECe為負向指標。說明在沼液滴灌條件下，土壤全氮和ECe較其他指標更敏感。不同群落指標的信息熵為0.40～0.54，最高信息熵為細菌含量/真菌含量指標，權重為0.11，最低信息熵為革蘭氏陽性含量/革蘭氏陰性含量指標，權重為0.14，該結果表明，在沼液滴灌條件下，革蘭氏陽性含量/革蘭氏陰性含量指標比細菌含量/真菌含量指標更為敏感。

3.3 餐廚垃圾沼液農田利用不同處理評分

以產量、可溶性糖含量、維生素C含量、蛋白質含量為指標對不同處理進行評分，排序如表3所示，綜合分排序從大到小依次為CF>T25>T75>T50>T100，說明沼液滴灌模式下對西蘭花產量和品質整體還是有一定影響，且隨沼液施用比例增加，影響增大。基于土壤養分指標對各處理進行綜合評分(表3)，處理T50和T25接近，排序分別為1和2，處理CF和T100接近，排序分別為3和4。基于PLFA微生物群落指標對各處理進行綜合評分(表3)，處理T25和T50接近，排序分別為1和2，處理CF和T75接近，排序分別為4和5。

表3 基于西蘭花品質和產量的不同處理評價分

4 結論

沼液滴灌模式下對西蘭花產量、品質、土壤微生物群落、土壤養分均有一定影響，其中西蘭花品質和產量的綜合評分隨沼液施用比例增加而下降，說明沼液替代比例需嚴格控制，西蘭花維生素C含量可作為沼液施用量的指示指標。土壤微生物群落和土壤養分對沼液施用比例響應較為一致，土壤微生物革蘭氏陽性含量/革蘭氏陰性菌含量、土壤全氮含量和ECe可作為餐廚垃圾沼液施用生態風險評估的最小數據集。