层次分析和灰色关联分析的青绿苔草无土草皮适宜播种量筛选

刘 炀，王 晔，李 慧，武菊英，滕文军，滕 珂，岳跃森，张 辉，温海峰，范希峰

（北京市农林科学院, 北京 100097）

随着我国社会经济的发展，城市园林绿地面积迅速增加，草坪作为城市园林中的重要组成部分，对景观的提升与生态环境的改善有重要作用。但目前草坪养护成本高[1]、耗水量大，与我国水资源紧缺的现状相矛盾；且我国草种产业起步晚、发展慢，良种繁育机制尚未完全形成[2]。近年来我国草种年进口量呈增加趋势，高质量草坪草种主要依赖进口，进口量约占每年需求量的 1/3，用于生态治理的乡土草种子田几近空缺[3]。因此开发养护成本低、节水型的乡土草坪植物对于我国的草坪业发展具有重大意义。

青绿苔草(Carex breviculmis)是莎草科苔草属多年生乡土草本植物，在作为优良牧草资源的同时有着极高的观赏价值[4]，具有耐寒、耐旱、适应性强[5]、抗逆性强[6-7]等特点，在北京地区不采取人工灌溉，通过雨养即可维持正常生长，补充灌溉110.9～191.7 mm 即可达到最佳生长状态和景观效果[8]。青绿苔草在维护生态平衡、供给农业生产等方面起着重要的作用，在园林中具有广阔的应用开发前景[9]。

青绿苔草种子出苗时间长、出芽不整齐、幼苗生长缓慢[10-11]，直播建坪存在成坪时间长、养护成本高的问题，草皮铺植能够有效解决这些问题。但传统草皮生产在耕作土地上生产，需占用大量土地资源，每生产一茬会带走2～3 cm 的表层土壤，对环境造成一定破坏[12]。无土草皮采用秸秆、畜禽粪便等工农业废弃物[13]作为生产基质，不使用原土壤，不破坏土壤表层结构，且具有品质高、质量轻、用途广、可持续性发展[14]等多个优点，是未来草皮生产的趋势。

适宜的播种量是生产优质草皮的基础，不同草种在不同地区所适宜播种量有所差异。播种量过低草坪盖度不达标，土地裸露面积较大；播种量过高会加大植株对光照、养分的竞争，影响其正常发育[15]。张雄[15]研究了草地早熟禾(Poa pratensis)、黑麦草(Lolium perenne)、高羊茅(Festuca elata)单播与三者混播的适宜播种量，结果表明草地早熟禾适宜播量为15～21 g·m-2，多年生黑麦草适宜播量为30～35 g·m-2，高羊茅适宜播量为35～40 g·m-2，三者混播在比例为4 ∶ 3 ∶ 3 的条件下适宜播量为25～35 g·m-2；刘凡荣[16]研究了不同播种量对高羊茅草皮的影响，表明最适播种量为25～30 g·m-2；张文[17]研究了3 个播种量对草皮质量的影响，表明高羊茅适宜播种量为40 g·m-2。北方地区降水量较少，适当增大植株间距可减少土壤水分消耗，减小间距可防止单株过度生长[18]。本试验拟通过研究5 个梯度播种量对青绿苔草无土草皮质量的影响，筛选出适合青绿苔草无土草皮生产的播量，为苔草无土草皮生产提供理论参考和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为‘四季’青绿苔草(Carex breviculmis‘siji’)，于2021 年采集于北京市昌平区小汤山镇北京市农林科学院试验基地，种子千粒重0.64 g，发芽率82%。该品种为北京市农林科学院从我国野生青绿苔草资源中驯化选育的国审新品种，于2010 年经国家林业局林木品种审定委员会审定(良种编号：国S-SV-CL-006-2010)。

1.2 试验方法

试验于2021 年8 月—12 月在北京市农林科学院草业花卉与景观生态研究所温室进行。试验采用育苗盘，规格为42.5 cm × 42.5 cm × 5.5 cm，其内径为40 cm × 40 cm。将育苗盘底割离，留边固定基质，先在底部铺一层300 目(87.4 μm)尼龙网作隔离层，再铺设2 cm厚的基质，所用基质为过筛处理的普通商品类型草炭土，主要指标：有机质平均含量60%、总养分含量4.1% (氮含量3.6%、磷含量0.2%、钾含量0.3%)。基质平整后，将种子均匀撒播在基质表面，播种量设置为Q1：5 g·m-2、Q2：10 g·m-2、Q3：15 g·m-2、Q4：20 g·m-2、Q5：25 g·m-2。播种后覆基质约1 mm，压实平整，设4 次重复。每天喷灌保持基质湿润，试验区域内无积水，期间不进行施肥、修剪。

1.3 测定指标与方法

播种后7 d 出苗，出苗后第96 天取样，先通过测量或打分的方式测定草皮密度、质地、颜色等指标，再取样分出地上部与地下部，分别测量生物量。

草皮颜色。目测法测定，采用9 分制打分法，由10 人观测打分，取平均值。7～9 分表示深绿到墨绿；5～7 分表示浅绿到深绿；3～5 分表示较多绿色；1～3 分表示较多枯叶，少量绿色；1 分表示休眠或枯黄[19]。

草皮密度。采用目测法评分，由10 人观测打分，取平均值。9 分表示极密，7～8 分表示较密，5～6 分表示中等密度，3～4 分表示较稀疏，1～2 分表示极稀疏[19]。

草皮质地。指草坪草叶片的宽度(mm)。每个重复随机取20 片叶片，用游标卡尺测量叶片最宽处宽度，计算平均值。叶片宽度为1 mm 或更窄，为8～9 分；叶片宽度为[1, 2] mm，为8～7 分；叶片宽度为[2, 3] mm，为7～6 分；叶片宽度为[3, 4] mm，为6～5 分；叶片宽度为[4, 5] mm，为5～4 分；叶片宽度为5 mm 以上，为4～1 分。虽然叶片较窄，但对手感不好的草坪，在以上评分的基础上略减[19]。

草皮盖度。指草坪草垂直投影面积与所占土地面积的比例。采用目测9 分制打分法，由10 人观测打分，取平均值。盖度为[97.5%, 100%]，记8～9 分；盖 度 为[95%, 97.5%]，记6 ～8 分；盖 度 为[90%,95%]，记4～6 分；盖度为[85%, 90%]，记2～4 分；盖度为[75%, 85%)，记1分；不足75%的草坪记0分[19]。

草皮均一性。指草坪外观的均一、平整程度，是草坪密度、质地、颜色差异程度的综合反映。采用目测9 分制打分法，由10 人观测打分，取平均值。9 分表示完全均匀一致，6 分表示均匀一致，1 分表示差异很大[19]。

草坪高度。每个处理取30 株植株采用直尺测量其高度，精确到mm。

草皮生物量。每个处理取10 cm × 10 cm 草块3 块，用自来水冲洗分离出植株，分出地上部和地下部两部分，分别用滤纸吸干水分，用千分之一天平称取鲜重，放入105 ℃烘箱杀青15 min，75 ℃烘干至恒重后称取干重。

1.4 数据分析

使用Excel 2019 进行数据整理分析，所得数值用平均值 ± 标准误差来表示，用SPSS 20.0 软件进行方差分析。

1.5 草皮质量综合评价体系

1.5.1 灰色关联度分析法

采用灰色关联度分析法进行草皮质量综合评价：

首先设立“理想数列”为X0，被比较数列Xi(i=1，2，3，…，n；n为处理数)，且

式中： ξi(k)为关联系数， Δi(k)=|X0(k)-Xi(k)|表示X0数列与Xi数列在第k点的绝对差， minminΔi(k)为二级最小差， maxmaxΔi(k) 为 二级最大差， ρ为分辨系数，通常取 ρ=0.5。

计算出关联系数后再以下公式求关联度(ri)

在实际情况中，反映草皮质量优劣的各项指标的重要性(权重)是有差异的，因此给予各项关联系数相应的权重 (wk)，对草皮质量的整体评价更为科学、合理[20]，据此可将上式改写为：

1.5.2 层次分析法

首先构建草皮评价体系(表1)，该评价体系共 3层：目标层、约束层和指标层，约束层包含了外观质量、生态质量两个评价因素，指标层包括了颜色、密度、质地、盖度、均一性、高度、地上部干重、地下部干重8 个评价指标，以求较为系统、全面地评价草皮质量。

表1 草皮综合评价模型Table 1 Comprehensive evaluation model of grass blanket

本次评价选用1—9 比例标度(表2) 作矩阵判断，依据各项层次结构，分别构建判断矩阵(表3、表4 和表5)。

表2 1-9 比率标度法Table 2 The 1—9 ratio scale method

表3 判断矩阵A-CiTable 3 Comparison matrix A—Ci

表4 判断矩阵C1-PiTable 4 Comparison matrix C1—Pi

表5 判断矩阵C2-PiTable 5 Comparison matrix C2—Pi

判断矩阵一致性，A—Ci、C2—Pi均为一致矩阵，不必进行一致性检验，计算C1—Pi矩阵一致性，当一致率(consistency ratio, CR)CR＜ 0.1 时，则认为

表1中大写字母下表相同。

The capital letters in Table 1 are the same as following tables as well.判断矩阵具有一致性，否则需重新调整矩阵，直至取得满意的一致性。设矩阵最大值为 λmax，相应的特征向量为W，按以下步骤计算一致性：

1)各矩阵元素按行相乘，所得乘积分别开n次方；

4)进行一致性检验CI=(λmax-n)/(n-1)，其中n为评价指标个数；

5)计算一致性比率CR=CI/RI，C1—Pi矩阵中RI取值1.26。

式中：A 为判断矩阵的第i个行向量，n为维数，W为相应特征向量。

2 结果与分析

2.1 不同播种量对青绿苔草草皮表观质量的影响

不同播种量显著影响青绿苔草草皮表观质量(表6)，随着播种量的增加，草皮颜色分值逐渐下降，播种量≥15 g·m-2时各处理间无显著差异(P＞0.05)，但均显著低于Q1与Q2处理(P＜ 0.05)；密度呈现逐渐上升的趋势，由Q1的4.70 分上升为Q5的8.28 分，Q3与Q4、Q4与Q5间差异不显著，其余各处理间均存在显著性差异；质地分值由6.53 上升到7.07，Q1与Q2、Q3与Q4间差异不显著，Q5处理与其他各处理间均存在显著差异；盖度分值逐渐增加，Q1与Q2差异显著，二者均显著低于其他处理，Q3与Q4、Q4与Q5间差异均不显著；均一度由Q1的5.42 分 增 至Q5的8.03 分，Q1和Q2间 差 异 不 显著，显著低于其他处理，其余各处理间差异不显著；高度随着播种量的增加而降低，Q1显著高于其他处理，Q2和Q5间差异显著，其余差异均不显著。

表6 不同播种量处理下青绿苔草草皮表观质量指标Table 6 Apparent quality indexes of green Carex leather under different sowing rates

2.2 不同播种量对青绿苔草草皮生物量的影响

不同播量对青绿苔草草皮地上部生物量影响不显著(表7)，各处理之间差异未达显著水平(P＞0.05)；地下部生物量随着播种量的增加先上升后下降，Q1最低，为0.82 g，显著低于其他处理(P＜ 0.05)，Q4最佳，为2.10 g，显著高于其他处理，Q2、Q3间差异显著，Q2与Q5、Q3与Q5间差异未达显著水平。

表7 不同播种量处理下青绿苔草草皮生物量Table 7 Biomass of Carex viridis turf under different seeding rates

2.3 灰色关联度分析法系统评价

如表8 所列，各指标关系系数越高，代表该指标与理想指标越接近。

表8 参试各处理与理想处理的关联系数Table 8 Correlation coefficients between each processing and ideal processing

2.4 层次分析法权重计算

根据计算步骤，得出C1—Pi一致性检验结果： λ =6.321 6，CI = 0.064 3，RI = 1.260 0，CR = 0.051 5。根据以上判断矩阵得出青绿苔草无土草皮综合评价模型及各层因子所占权重(表9)。其中约束层总权重为100%，包含了外观质量、使用质量两项。此次生产草皮主作观赏用，观赏质量所占比最高，占总权重的83.33%，是青绿苔草无土草皮质量评价体系中最重要的评价指标。使用质量总权重比例为16.67%。通过指标层对目标层所占权重比例排序可知，密度占比最高，为23.87%，表明密度是决定青绿苔草无土草皮质量的最重要因素，密度是衡量单位面积内植物株数的指标，密度越大，草皮相应的盖度会在一定程度上增加，因此在评价草皮质量时，首先应该考虑的是密度。盖度体现了草皮对于土地的覆盖度，盖度越大，土地裸露越少，是评价草皮的另一项重要指标，占比21.90%。均一性、颜色分别占比14.73%、11.71%，表明这3 个指标在草皮评价过程中，也较为重要。

表9 约束层与指标层各指标权重Table 9 Index weights of the constraint layer and index layer

2.5 层次分析和灰色关联分析综合评价

根据灰色系统中关联度分析原则，关联度越大的数列与标准数列越接近，整体草皮质量越佳。如表10 所列，等权条件下Q4得分最高，为0.767 7，加权条件下Q4得分最高，为0.735 5，且等权或加权条件下各处理排名均相同，由高到低依次为Q4、Q5、Q3、Q2、Q1，因此，在本试验条件下青绿苔草无土草皮的最适播种量为20 g·m-2(Q4)。

表10 参试草坪草各处理的关联度Table 10 Correlation degrees of turf grass treatments

3 讨论

3.1 青绿苔草草皮质量对播种量变化的响应

研究表明播种量过低，易造成杂草危害[21]，增加草皮生产阶段管理难度；播种量过高单位面积内植株数过多，植株分蘖受到影响[22]。因此合适的播种量是获得优质草皮的基础。张雄[15]研究表明，草皮密度随着播种量在一定范围内的提升显著上升，当播种量达一定水平后不再显著变化，这与本研究中青绿苔草草皮密度变化一致。青绿苔草草皮的盖度、均一度两个指标与密度对播种量的响应一致，草皮颜色得分、草皮高度随着播种量的不断增加呈现出先显著减少直至无显著变化。江海东等[23]研究表明，25、40 g·m-2的播种量处理对高羊茅草坪生物量影响不显著，与本研究青绿苔草草皮地上部生物量各处理间无显著差异结果一致。这是由于高播种量时单位面积内植株数量多，个体生物量小；低播种量时单位面积内植株数少，个体生物量大。根系不仅是植物营养物质储存的主要器官，与草皮的抗寒、抗旱、耐践踏能力息息相关，更直接关系到草皮建植后的成活率与恢复速度[24]。青绿苔草地下部生物量随着播种量的增加呈现先上升后下降的趋势，在播量为20 g·m-2时生物量最大，这与冯琴等[25]研究燕麦(Avena sativa)与毛苕子(Vicia villosa)混播所得的趋势结果一致，表明过大的播种量会限制植物根系的发育。

3.2 青绿苔草草皮生产适宜播种量

贾儒康[14]研究表明，在加权情况下草皮综合质量随着播种量的增加表现为先上升后下降，与本研究青绿苔草播种量达到20 g·m-2后继续增加播种量草皮综合质量下降的结果一致。刘凡荣[16]研究表明，草皮综合质量随着播种量的增加而显著提升，在播种量达30 g·m-2后继续增加播种量草皮质量无显著变化，这是由于当播种量过高时，加剧了植株对光照、养分等资源的竞争，其正常生长发育受到影响[22]，若继续增加播种量可能会导致草皮质量下降。本研究中Q3、Q4处理除地下部生物量外，其余指标均无显著差异，二者表观质量无显著变化。在实际生产中种子耗费多成本增加，不适宜大规模生产，因此综合考虑草皮表观质量及生产成本，本研究条件下适宜青绿苔草无土草皮生产的播种量为15～20 g·m-2。

3.3 青绿苔草无土草皮生产可行性

苔草属植物具有发达的根系和较强的分蘖能力[26]，通过直播的方式可形成稳定优质的草坪。范希峰等[27]于人工气候室研究基质厚度对青绿苔草生长和无土草皮质量的影响，表明在播种60 d 后各处理均能形成无土草皮卷，铺植后可成活。人工气候室比温室环境稳定，温度等各项条件波动较低，更有利于植物生长发育，因此草皮生产时间较本研究更短。张奇等[28]在大田环境下生产采用青绿苔草单播为对照，分别与不同比例的匍匐剪股颖(Agrostisstolonifera)、狗牙根(Cynodon dactylon)和一年生黑麦草(Lolium multiflorum)混播生产草皮卷，表明单各个处理均可形成优质草坪，但因未使用隔离层，起卷难度较高成卷完整性较差。本研究设置隔离层，避免伤害根系的同时可防止苔草根系较深而造成的起卷困难。本研究在取得一定结果后，于北京市昌平区小汤山镇国家精准农业示范基地进行青绿苔草无土草皮规模化生产展示，并将其成功应用于北京市农林科学院院内绿化，证实了青绿苔草无土草皮生产的可行性。在产业生产过程中，还需考虑基质类型、管理成本、运输成本等因素，明确灌溉、施肥等对苔草生长的影响，各方面的研究有待进一步深入开展。

3.4 数学模型综合评价草皮质量的可行性

张建[29]采用灰色关联度分析法对高羊茅草皮质量进行综合评价，表明柳枝稷(Panicum virgatum)秸秆复合基质可作为高羊茅无土草皮栽培的最佳基质，大豆(Glycine max)秸秆基质不适合作其栽培基质；何雨昭[30]采用层次分析法分别对高羊茅、黑麦草草皮卷进行评价，筛选出了两种草草皮卷生产的适宜基质厚度分别为5 和3 cm。灰色关联度分析法计算简单，但默认各指标权重相等；层次分析法可明确各指标权重，但主观因素影响较大。而实际中依据拟解决的问题不同各评价指标所占权重存在差异，权重的不同会影响评价结果：有研究表明随着播种量的增加，草皮综合质量在等权的条件下表现为逐渐上升，在加权条件下表现出先上升后下降[14]。因此将不同的评价方法结合使用，可起到扬长补短的效果：刘金荣[31]采用层次分析法与灰色关联度分析法相结合构建草坪综合评价体系，有效评价了21 种草坪草的生态引种适应性。本研究采用层次分析法计算权重，灰色关联度分析法进行加权评价，在等权与加权条件下所得结果一致，其结论更为科学、有效。

4 结论

播种量显著影响苔草密度、盖度、均一度等指标，随着播种量的提升，青绿苔草草皮综合质量呈现先上升后下降的趋势。综合考虑草皮质量及生产成本，在本研究条件下，生产青绿苔草无土草皮适宜播种量应控制在15～20 g·m-2。