基于生态位适宜度模型和TOPSIS模型的间作模式评价

王琳琳 于海业 张 蕾 田东旭 张雨晴 赵国罡

(1.吉林大学生物与农业工程学院， 长春 130022； 2.吉林大学工程仿生教育部重点实验室， 长春 130022)

基于生态位适宜度模型和TOPSIS模型的间作模式评价

王琳琳1,2于海业1,2张 蕾1,2田东旭1,2张雨晴1,2赵国罡1,2

(1.吉林大学生物与农业工程学院， 长春 130022； 2.吉林大学工程仿生教育部重点实验室， 长春 130022)

基于生态位适宜度模型对生菜与小白菜、樱桃萝卜、豌豆苗和香菜间作4种模式下作物对生境条件的适宜程度进行了初步评价，并采用TOPSIS模型对评价结果进行优选，以揭示生菜各间作模式中的最优模式。结果表明：模式1、模式2和模式3的生态位适宜度值较高且较接近，其生境环境较能满足作物的需求，其中，生菜和樱桃萝卜的间作模式与理想方案的相对接近程度最大，即生菜与樱桃萝卜的间作模式为4种模式中最优间作模式。采用生态位适宜度模型和TOPSIS模型对间作模式进行优选的结果与实际栽培效果一致，通过限制因子分析确定生菜和樱桃萝卜间作模式的限制因子为营养液中钾元素含量。

间作模式； 气雾培； 硝酸盐； 生态位适宜度模型； TOPSIS模型； 限制因子模型

引言

生菜(LactucasativaL.)作为常见叶菜类蔬菜，深受消费者喜爱，但同时也是一种易富集硝酸盐的作物。气雾培作为无土栽培的一种，是未来农业发展的趋势，但是，由于在栽培中通常使用硝酸盐作为氮源，蔬菜中的硝酸盐含量往往较高。据统计，人体摄入硝酸盐的80%以上来自蔬菜[1]，而过量硝酸盐的摄入易致癌、致畸形以及诱发白血病和高铁血红蛋白症等[2]，对人体健康存在潜在威胁。目前，主要通过低硝酸盐积累品种的筛选、农艺手段、遗传育种和基因工程手段、合理进行蔬菜贮存和烹调[3]以及间作等手段降低蔬菜硝酸盐含量，其中，间作是指在同一田地上于同一生长期内分行或分带相间种植两种或两种以上作物的种植方式[4]，是中国传统精细农艺的精华。间作可以降低蔬菜硝酸盐含量已经被有关研究[5-6]证实，但相关研究还是以土培蔬菜为研究对象，对于气雾培蔬菜还未见报道，并且间作作物的选择还是以栽培经验为主，缺乏一定的定量分析依据。

20世纪90年代以来，生态位(Niche)这一概念在生态学界受到关注[7]。在生态位理论的进展中，最有影响的是HUTCHINSON提出的生态位多维超位积(n-dimensional hypervolume)模式，生态位适宜度理论则是在此基础上提出的新理论，它描述了一个物种居住地的现实生境条件与最适生境条件之间的贴近程度，表征了拥有一定资源谱系生物种对其生境条件的适宜性，即生境资源条件对物种特定需求的满足程度[8]。目前，生态位适宜度理论多用于土地评价与利用[9-11]以及产业研究[12-13]方面。文献[8，14-17]针对春小麦和当归，将生态位适宜度理论应用到了作物生长系统中，建立了土壤温度、土壤含水率、土壤氮含量、土壤磷含量和土壤钾含量等环境资源因子对产量影响程度的定量分析方法。

TOPSIS模型为接近理想点模型(接近理想方案的排序模型)[18]，其基本思路是定义决策问题的正理想方案和负理想方案，然后在可行方案集中找到一个方案，使其既距离正理想方案最近，又距离负理想方案最远[19]。TOPSIS模型是多属性决策分析中常用模型，对于原始数据有一定的客观性，且对样本数据没有特殊的要求，具有应用灵活和简便的优点，在农业生产中主要应用于作物水肥管理评价[20-21]、抗虫性评价[22-23]以及产量和品质评价[24-25]等方面，具有一定的指导意义。文献[26-28]以溶解氧、总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数等为评价指标，将TOPSIS模型应用到了水环境质量评价中，具有一定的可行性。

本文结合相关文献与气雾培实际实验条件，以营养液温度、空气溶解氧、营养液溶解氧、营养液中氮元素含量、营养液中磷元素含量和营养液中钾元素含量为生态因子，选取不同科、不同食用部位且生长期相近的4种常见蔬菜分别与生菜进行间作，采用生态位适宜度模型和TOPSIS模型，对生菜与小白菜、樱桃萝卜、豌豆苗和香菜分别间作的4种模式进行优选，以期从模型计算的角度揭示生菜各间作模式中的最优模式。

1 模型介绍

1.1 生态位适宜度模型

目前，计算生态位适宜度的常用模型有加权平均模型、限制因子模型和希尔伯脱空间模型[8]等，其中限制因子模型为

(1)

式中Fi——第i种实验下的作物生态位适宜度x″ij——第i种实验下第j个生态因子的观测值x″aj——第j个生态因子的最适值n——生态因子个数

但当各组实验条件下的每组观测值有较大变幅时，采用以上模型计算出的生态位适宜度在区间[0,1]上的分布范围较窄，因此，本文选用生态位适宜度的贴近度模型[29]。

以气雾培蔬菜为研究对象，将生态位适宜度模型用于定量评价蔬菜对不同间作模式实验条件的适宜程度，其评价模型描述如下：

假设对作物进行了m种实验：生菜分别与小白菜、樱桃萝卜、豌豆、香菜等进行间作，在各种实验条件下，观测n个生态因子：营养液温度、空气溶解氧、营养液溶解氧、营养液中氮元素含量、营养液中磷元素含量和营养液中钾元素含量等，将各生态因子的量化指标分别记作x1(t)，x2(t)，…，xn(t)，则t种实验条件下的观测值可记作Xt=(x1(t)，x2(t)，…，xn(t))，Xt表示作物在t种实验下的现实资源位。若n个生态因子相应的最适值分别记作x1(a)，x2(a)，…，xn(a)，则全部最适值构成的Xa=(x1(a)，x2(a)，…，xn(a))即为作物的最适生态位。其数学模型的一般形式为

F=Φ(Xa,Xt) (Xa、Xt∈En)

(2)

式中F——作物生态位适宜度En——表征作物生态位的n维空间中的区域Φ(Xa,Xt)——Xa和Xt的相似性测度

其中，F∈[0,1]，在区间[0,1]上F值越大，表示作物对生境条件的适宜程度越高。据此生态位适宜度的贴近度模型表示为

(i=1,2,…,m;0≤T≤1)

(3)

式中xij——第i种实验下第j个生态因子标准化后观测值

xaj——第j个生态因子标准化后最适值

T——模型参数

Wij=|xij-xaj|

(4)

(5)

(6)

由此解出T值。

1.2TOPSIS模型

采用TOPSIS模型对间作模式进行优选，其模型描述如下：

设有m种实验和n个生态因子，则原始矩阵为

X=(xij)m×n

(7)

经归一化处理

(8)

得到新的矩阵

Y=(yij)m×n

(9)

在TOPSIS法的运用中，权重的设计是一项重要的内容，对评价结果有重要影响，本文采用变异系数法确定各评价因子的权重，为W=(w1,w2,…,wn)，wn为第n个评价因子权重，由规范化的矩阵Y和W计算加权规范化矩阵

Z=[WY]m×n=(zij)m×n

(10)

式中zij——xij经归一化和加权处理后的值

由于效益型指标是正向指标，越大越好；成本型指标是逆向指标，越小越好。因此，可确定评价问题的正理想方案Z+和负理想方案Z-。然后计算每一个方案与正理想方案和负理想方案的距离S*和S0，即

(11)

(12)

最后计算每一个方案对理想方案的相对接近程度，即

S=S0/(S*+S0)

(13)

相对接近程度最大的为最优方案，即本文的最优间作模式。

2 实验材料与方法

2.1 实验材料与设计

实验于2015年1月9日—2月8日在吉林大学生物与农业工程学院玻璃温室(43°51′05″N、125°19′51″E)内进行，由于实验是在北方的冬季进行，温室内白天温度控制在(22±4)℃，夜晚温度控制在(15±2)℃。补光采用人工LED补光系统，补光时间为08:00—18:00，其中11:30—14:30光照强度可达5.5～6.5 klx，其余时间段光照强度达4.5～5.5 klx。营养液中大量元素配方采用日本园式配方，微量元素配方采用霍兰德通用配方。设置循环喷雾定时器，白天为每间隔15 min喷施15 min，夜间为每间隔60 min喷施5 min。实验过程中，每天测量并调节营养液的pH值和电导率(EC)，使营养液的pH值和EC值分别控制在5.8～6.2和1 800～2 200 μS/cm之间，以确保植株的正常生长。

供实验的生菜为意大利生菜，生菜种子与小白菜、樱桃萝卜、豌豆、香菜种子均购于吉林省科丰种业有限公司，其中豌豆仅作为芽菜类蔬菜进行栽培。将种子催芽后于培养箱内进行育苗，当生菜和小白菜、樱桃萝卜、香菜长出3～4片真叶，豌豆苗株高达5～6 cm时进行移苗。生菜与4种蔬菜分别以1∶1模式间作，同时设置生菜的单作模式，定植于气雾栽培箱(3×4孔)，用于实验。单作与间作模式如图1所示。

图1 单作与间作模式示意图Fig.1 Sketches of sole cropping and intercropping patterns

2.2 测量指标及方法

以下指标于每日12:00进行测量，记录值为各指标30 d内的平均值。

(1)营养液温度：使用上海雷磁JPB-607A型便携式溶氧仪进行测量，测量部位为膜帽顶端距离营养液液面下6 cm高度处。

(2)空气溶解氧：使用便携式溶氧仪进行测量，测量部位为膜帽顶端距离营养液液面上5 cm高度处。

(3)营养液溶解氧：使用便携式溶氧仪进行测量，测量部位为膜帽顶端距离营养液液面下6 cm高度处，测量时用手捏住电极帽以20～30 cm/s的速度水平晃动电极。

以下指标均于植株定植30 d后进行测定，记录值为各指标重复测定3次的平均值。

(4)营养液中氮元素含量：采用过硫酸钾氧化法[30]测定。

(5)营养液中磷元素含量：采用钼锑抗分光光度法[30]测定。

(6)营养液中钾元素含量：送样至中国科学院(长春)应用化学研究所进行测量。

(7)生长指标：对植株的地上部分鲜质量、地上部分干质量、叶面积和叶片个数进行测定。其中叶面积的测定采用 EU-88 型 WinRHIZO图像分析软件进行分析处理。

(8)植物体内硝酸盐含量：采用水杨酸法[31]测定，测量部位为生菜植株的叶片。

2.3 数据分析与数据计算

采用Microsoft Excel 2007进行数据整理与计算，采用SPSS 17.0进行相关性检验和差异显著性检验。

采用实际观测值与观测的最大值之比对变量进行无量纲化处理，即

x′ij=x″ij/maxx″ij

(14)

式中x′ij——无量纲化后的变量值

数据标准化处理计算式为

(15)

3 结果与分析

3.1 基于生态位适宜度模型计算的最优化间作模式

3.1.1 确定评价因子

生态位适宜度评价因子的选取要遵循差异性、主导性、综合性和可操作性原则[32]。具体应用中，评价因子应先通过显著性水平P<0.05及相关系数R<0.7的相关性检验[32-33]。本文采用特尔菲法与实际实验相结合确定生菜的评价因子为营养液温度、空气溶解氧、营养液溶解氧、营养液中氮元素含量、营养液中磷元素含量和营养液中钾元素含量。

3.1.2 确定生态因子最适值

各生态因子最适值的估算对于生态位适宜度的计算起着重要作用。作物对各生态因子作用和反应具有明显特征——三基点，即上限值、最适值和下限值。参照文献[34]，结合实际实验条件和文献[16]，确定营养液温度、空气溶解氧和营养液溶解氧的最适值为实际实验条件下所能测定的最大值，同时，确定营养液中氮元素含量、营养液中磷元素含量和营养液中钾元素含量的最适值为营养液原始配方中相应元素含量。

3.1.3 数据标准化

数据标准化处理主要包括数据同趋化处理和无量纲化处理，主要解决不同性质数据问题以及消除量纲影响和变量自身变异的影响。

定义生菜与小白菜、樱桃萝卜、豌豆和香菜间作分别为模式1、模式2、模式3和模式4，生菜单作为模式5。

评价因子的观测变量分别为营养液温度、空气溶解氧、营养液溶解氧、营养液中氮元素含量、营养液中磷元素含量和营养液中钾元素含量，分别用x1、x2、x3、x4、x5和x6表示以上各变量经无量纲化和标准化处理后的变量，则各变量和相应最适值经标准化后的值如表1所示。

表1 标准化值

3.1.4 生态位适宜度计算结果

根据表1标准化值及相关公式，经计算得各间作模式下生菜的生态位适宜度分别为0.544、0.585、0.548和0.503。其中模式2的生态位适宜度最高，模式1和模式3的生态位适宜度较高且较接近，说明这3种间作模式下的生境环境较能满足作物的需求，较适合其生长。

3.2 基于TOPSIS模型计算的最优化间作模式

由生态位适宜度模型对各间作模式进行初选，可以看出模式1、模式2和模式3是较适宜的间作模式，同时，采用TOPSIS模型对这3种间作模式进行进一步优选。

采用变异系数法确定各评价因子的权重，得到W=(0.062，0.070，0.048，0.136，0.553，0.131)，进而通过计算得到加权规范化矩阵，如表2所示。由于实验是在冬季的温室内进行，温度较低，所以营养液温度越高越好；而溶解氧和营养元素含量尤其在实验的最后阶段也应越高越好，因此正理想方案为对应列的最大值，而负理想方案则为对应列的最小值，结果如表3所示。

计算每一个方案与理想方案的相对接近程度，模式1、模式2和模式3分别为0.557、0.800和0.265，可见模式2的相对接近程度最大，即生菜与樱桃萝卜的间作模式为备选模式中的最优间作模式。

表2 备选模式加权规范化矩阵

注：z1～z6表示相应模式下各评价因子观测值经归一化和加权处理后的值。

表3 正理想方案和负理想方案取值

3.3 限制因子分析

采用限制因子模型对最优间作模式进行限制因子分析 ，结果如表4所示，表中数值为生态因子观测值与该生态因子最适值之比，由限制因子模型可知，比值越小，该生态因子对作物需求的满足程度越低，则该生态因子为限制因子，由此可知，模式2的限制因子为营养液中钾元素含量。模式2中樱桃萝卜的很大部分是其肉质根，而根的生长又与钾元素密切相关，因此，营养液中钾元素含量为模式2的限制因子是有依据可循的。

表4 限制因子分析

3.4 最优间作模式硝酸盐控制效果评价

不同间作模式对生菜生长和硝酸盐含量的影响如表5所示，可以看出，模式1和模式2对生菜生长有良好的促进作用，模式3次之，而模式4表现较差，但均优于模式5。可以说，生菜与所选择的间作作物间表现出竞争作用小于促进作用，即间作优势[35-36]，显示出较好的增产增收效益。

植物体内硝酸盐含量是衡量蔬菜品质的重要指标[37]。由表5可以看出，模式1、模式2和模式3在降低生菜叶片硝酸盐含量方面较模式5表现出了间作优势，与文献[5-6]表明的间作有降低蔬菜中硝酸盐含量的趋势相符。其中，模式2和模式3均与模式5差异显著，从降低生菜叶片硝酸盐含量方面考虑，是较优的间作模式。

表5 不同间作模式对生菜生长和品质的影响

注：不同小写字母表示在P<0.05水平差异显著。

综合考虑生菜生长指标和叶片硝酸盐含量可知，模式2是对于气雾栽培生菜生长和降低叶片硝酸盐含量均有较好影响的模式。因此，在实际生产中，建议选择模式2(生菜与樱桃萝卜间作)进行栽培。

4 结论

(1)采用生态位适宜度模型和TOPSIS模型，从间作蔬菜气雾栽培箱内环境资源因子角度，对生菜4种间作模式进行优选，结果表明模式2即生菜与樱桃萝卜间作为最优间作模式。生态位适宜度模型和TOPSIS模型对间作模式进行优选的结果与实际栽培效果一致，可用于生菜不同间作模式的优选。

(2)通过限制因子分析确定限制模式2中作物生产潜力发挥的主要因子为营养液中钾元素含量，这为以模式2方式进行无土栽培后期需要注意营养液中钾元素的补充提供了一定的理论依据。

(3)小白菜和樱桃萝卜与生菜间作是适宜的间作模式，其中樱桃萝卜作为根菜类蔬菜与叶菜类生菜间作具有更加良好的效果。

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Evaluation of Intercropping Pattern Based on Niche-fitness Model and TOPSIS Model

WANG Linlin1,2YU Haiye1,2ZHANG Lei1,2TIAN Dongxu1,2ZHANG Yuqing1,2ZHAO Guogang1,2

(1.CollegeofBiologicalandAgriculturalEngineering,JilinUniversity,Changchun130022,China2.KeyLaboratoryofBionicEngineering,MinistryofEducation,JilinUniversity,Changchun130022,China)

Based on niche-fitness model, the suitability to habitat conditions of crops under four patterns was evaluated in order to reveal the optimal intercropping pattern of lettuce. And the four patterns were intercropping of lettuce with Chinese cabbage, radish, pea seedling and coriander, respectively. The niche-fitness values of intercropping patterns of lettuce with Chinese cabbage, radish and pea seedling were higher and closer, which showed that the habitat conditions of the three patterns can meet the needs of crops and the habitat conditions were more suitable for their growth. Then TOPSIS model was used to optimize the evaluation results. The relative approaching degrees of the three intercropping patterns with the ideal scheme were 0.557, 0.800 and 0.265, respectively. It was showed that the intercropping pattern of lettuce with radish was relatively close to the ideal scheme, which meant that the intercropping pattern of lettuce with radish was the best pattern among the four intercropping patterns. Considering the actual physiological indexes, it can be drawn that the intercropping pattern of lettuce with radish not only had better effect on the growth of aerosol cultured lettuce, but also had better effect on reducing the nitrate content in lettuce leaves. The combination of niche-fitness model and TOPSIS model had a certain practical significance and it can be used for the optimal selection of different intercropping patterns of lettuce. Limiting factor model was used to analyze, and the results showed that the limiting factor of the intercropping pattern of lettuce with radish was the content of potassium in nutrient solution. The results provided reference for the quantitative analysis of optimization of intercropping patterns.

intercropping pattern; aeroponics; nitrate; niche-fitness model; TOPSIS model; limiting factor model

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.038

2016-12-21

2017-02-07

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2013AA103005-04)

王琳琳(1989—)，女，博士生，主要从事农业设施调控与节能技术研究，E-mail： linlinw14@mails.jlu.edu.cn

张蕾(1979—)，女，副教授，主要从事农业生物环境测控与生态农业研究，E-mail： z_lei@jlu.edu.cn

S314； S317

A

1000-1298(2017)04-0291-07