基于最優(yōu)綜合效益的節(jié)水灌溉方案熵權系數(shù)評價

張星星，王 琴，袁 靜，王 潔

(1.連云港市國土局土地整理中心，江蘇 連云港 222002；2 河海大學設計研究院有限公司，江蘇 南京 210098；3.南京市江寧區(qū)水務局，江蘇 南京 211100；4.江蘇省農(nóng)村水利科技發(fā)展中心，江蘇 南京 210029)

農(nóng)田水利方案的制訂需要考慮多項指標，不僅應重視作物的產(chǎn)量、品質(zhì)，還應關注土壤質(zhì)量及其可持續(xù)發(fā)展[1,2]。因此，節(jié)水灌溉制度的制定是典型的“多目標、多指標”方案的決策問題[2]。研究表明，農(nóng)田水利方案的設計常受到主觀經(jīng)驗的影響，而通過合理運用統(tǒng)計學先進模型，可提高方案優(yōu)選結果的客觀性[3]。現(xiàn)階段常用的統(tǒng)計學模型包括主成分分析、投影尋蹤分類模型、熵權系數(shù)評價模型等，這些模型在滴灌方案優(yōu)選、暗管排水布局及水氮耦合方案選擇等方面取得了較好的應用效果[4-6]。本研究設計不同灌溉措施和灌溉量，以設施番茄為材料，綜合考慮主觀經(jīng)驗及實測數(shù)據(jù)，引入改進熵權系數(shù)評價法，優(yōu)選節(jié)水灌溉方案，研究結論可為設施農(nóng)田合理灌溉及農(nóng)田水利中的模型應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2017年5-10月在江蘇省南通市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園中進行。試驗地屬于亞熱帶海洋性季風氣候區(qū)，受到明顯的海洋調(diào)節(jié)和季風環(huán)流影響，氣候溫和，降水充沛，光照充足，四季分明。全年平均氣溫15 ℃，適宜農(nóng)作物及蔬菜生長。試驗在設施大棚中進行，供試土壤為黃棕壤，耕層土壤鹽分質(zhì)量分數(shù)2.51 g/kg，容重1.38 g/cm3，田間持水量24.5%，有效氮含量157.3 mg/kg，有效磷含量17.2 mg/kg，有效鉀126.1 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗區(qū)共占地120 m2。采用番茄品種“大紅寶”為植物試材，育苗至六葉一心后定植，定植時間為5月12日。番茄采用起壟種植的方法，壟高5 cm，壟長3.2 m，壟寬55 cm，相鄰兩條壟之間留20 cm間距。每壟種植2行番茄，行距30 cm，株距40 cm(圖1)。每條壟的兩行共16株番茄為一個處理。不同處理之間設置塑料防滲膜，防滲膜深度60 cm，防止不同處理間水分、養(yǎng)分相互影響。肥料采用復合肥料尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O516%)和硫酸鉀(K2O 50%)，各處理施肥量為180 kg/hm2N，90 kg/hm2P2O5，54 kg/hm2K2O，按照基肥：第一穗果：第二穗果=1∶1∶1分配，另設不施肥處理用于計算氮肥利用效率。不同處理除草及病蟲害防治均保持一致，按照當?shù)亓晳T進行。

試驗設3種灌溉定額：140、180和220 m3/hm2，3種灌溉模式：噴灌(P)、滴灌(D)和澆灌(J)，共3×3=9個處理，每個處理重復3次。噴灌處理灌溉量從小至大依次記為P1，P2和P3，滴灌和澆灌處理記法與噴灌相同。噴灌采用旋轉(zhuǎn)式噴頭，壓力0.25 MPa，流量20 L/h。滴灌管為內(nèi)鑲式圓柱滴頭滴灌管，滴頭間距30 cm，內(nèi)徑8 mm，滴頭流量2 L/h，滴灌工作壓力0.3 MPa。澆灌采用人工手動澆灌。各處理均每6天灌溉1次，生育期共灌溉21次，灌溉量通過水表控制。

圖1 植株布置情況(單位：cm)

1.3 測定項目與方法

(1)番茄可售產(chǎn)量。番茄進入成熟期后，采集成熟果實并記錄其重量，統(tǒng)計番茄總產(chǎn)量，用番茄總產(chǎn)量減去畸形果和病果得出番茄可售產(chǎn)量[7]。

(2)果實糖酸比。在果實成熟期，分別對第一層果和第三層果進行總糖和總酸測定，隨機選擇各處理中發(fā)育狀況一致的果實，取2次測定的平均值作為最終結果。總糖含量用斐林試劑滴定法測定；總酸含量通過NaOH滴定法測定；總糖含量和總酸含量比值為果實糖酸比[3]。

(3)氮肥利用效率。采用差值法測定[8]。

(4)鹽分降低效率。采用五點法采集耕層(0～20 cm)土壤樣品，混合均勻后，測定其鹽分質(zhì)量分數(shù)，根據(jù)試驗前后鹽分質(zhì)量分數(shù)差值計算鹽分降低效率。

(5)根際土壤孔隙度。在番茄成熟期末期(9月15日)用環(huán)刀法測定土壤孔隙度[9]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

顯著性分析采用SPSS 17.0軟件(Duncan's multiple range test)[10]。

2 結果與分析

2.1 指標和指標體系

為選擇高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、節(jié)水節(jié)肥且具備較好生態(tài)效益的灌溉措施及灌溉量，本與研究選取可售產(chǎn)量、糖酸比、氮肥利用效率、灌溉水量、鹽分降低效率和土壤孔隙度6項指標作為評價依據(jù)，指標與指標值如表1所示。可售產(chǎn)量直接反映了農(nóng)產(chǎn)品的回報，現(xiàn)在被越來越多的研究所重視[11]。本研究中，滴灌條件下的高灌溉量處理D3可售產(chǎn)量最高，達到134.0 t/hm2，與D2產(chǎn)量差異并不明顯，但顯著高于其他處理(P<0.05)；而澆灌處理條件下的低灌溉量處理J1最低，僅為92.7 t/hm2。總體來看，在相同灌水量條件下，滴灌處理下番茄的產(chǎn)量要高于噴灌，這可能由于噴灌在作物株間有一定的無效耗水，而滴灌有利于將水分更精準地輸送至作物根部。

糖酸比是決定果實口感和品質(zhì)的關鍵指標之一[12]。本研究中，噴灌條件下低灌溉量處理P1糖酸比最高，達到11.05，與P2處理之間沒有顯著差異(P>0.05)。灌水量總體上與糖酸比呈負相關，這也印證和支持了前人的研究結論[13,14]。就改善果實品質(zhì)而言，本研究中噴灌的效果要略優(yōu)于滴灌。

研究表明，水和肥存在耦合效應，以水調(diào)肥、以肥促水是水肥耦合理論的重要內(nèi)容[15]。本研究中噴灌和滴灌處理均以中灌溉量處理(P2和D2)氮肥利用效率最高，分別達到58.3%和62.1%，但澆灌處理沒有發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律。與噴灌處理相比，滴灌處理番茄氮肥利用效率更高。

土壤次生鹽漬化和土壤板結一直以來是亟待解決的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境問題[16]。本試驗在一季番茄栽培結束后，鹽分降低率為21.1%～34.3%，灌溉量與鹽分降低效率呈正相關。然而，不同處理鹽分降低效率差異并不明顯，這可能由于土壤鹽分除了受灌溉水影響，還與蒸發(fā)量、風速等氣象要素密切相關，存在較大的時空變異性。土壤孔隙度以P2最高，達到56.4%，以J3最低，僅為44.6%，兩者存在顯著差異(P<0.05)。

表1 不同處理下主要指標及指標值

注：同一列不同字母表示在P<0.05水平差異顯著。

2.2 模型建立

本研究采用改進熵權系數(shù)法對不同節(jié)水灌溉方案進行評價，從中篩選出最優(yōu)方案。設節(jié)水灌溉方案的評價指標有n個，方案有m種，本研究中的評價指標包括可售產(chǎn)量、糖酸比、氮肥利用效率、灌溉量、鹽分降低效率和孔隙度共6項指標，灌溉方案共9種，所以n=6，m=9。因此，用m種不同灌溉方案結合n個不同指標可以得到評價矩陣[17-19]：

R=(rij)m×n

式中：rij為第i種節(jié)水灌溉方案下第j個指標值。對于某個指標rj，有信息熵：

第j個指標值的熵值按下式計算：

第j個指標的客觀權重按下式計算：

不同節(jié)水灌溉方案的綜合評價系數(shù)熵權評價值λi可通過如下公式計算：

2.3 模型計算與分析

表2所示為不同節(jié)水灌溉方案的評價指標權重。表2中可看出，計算所得可售產(chǎn)量、糖酸比、氮肥利用效率、灌溉量、鹽分降低效率和孔隙度的客觀權重分別為0.12，0.27，0.14，0.27，0.16和0.04。為獲取主觀權重值，本研究邀請具有高級職稱的專家根據(jù)指標重要性賦予不同指標權重值，其中農(nóng)業(yè)水利領域5位，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟領域5位和農(nóng)業(yè)環(huán)境領域?qū)＜?位，取均值列入表2，從表2主觀權重值可看出，產(chǎn)量和品質(zhì)仍然是最受重視的兩項指標。根據(jù)改進熵權系數(shù)評價模型權重計算結果，綜合權重較高的3項指標分別為產(chǎn)量、糖酸比和灌水量，與目前提出的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效節(jié)水灌溉目標較為吻合[20]。

表2 不同灌溉方案的評價指標權重

圖2所示為不同節(jié)水灌溉方案的熵權系數(shù)評價值。表2中可看出，D2處理(滴灌模式下中等灌水量)熵權系數(shù)評價值最高，達到0.93，表明D2節(jié)水灌溉方案具備最優(yōu)綜合效益。而澆灌處理J1～J3熵權系數(shù)評價值較低，僅為0.67～0.76。不難發(fā)現(xiàn)，低灌水量處理P1和D1熵權系數(shù)評價值也較高，這可能由于盡管低灌水量條件下產(chǎn)量有所下降，但果實糖酸比相對更高，而糖酸比指標的主觀權重、客觀權重和綜合權重都處于較高水平，因此熵權系數(shù)評價值計算結果較優(yōu)。

圖2 不同節(jié)水灌溉方案綜合效益熵權系數(shù)評價值

3 結 論

(1)改進熵權系數(shù)評價模型可將主觀和客觀權重有機結合，既充分遵循了實測數(shù)據(jù)的原始規(guī)律，又充分重視了主觀經(jīng)驗在農(nóng)田水利方案決策中的作用，所得結果科學、可靠，具有較好的推廣和應用前景。

(2)模型計算結果表明，D2處理(滴灌模式+378 mm灌溉量)熵權系數(shù)評價值最高，達到0.93，表明D2節(jié)水灌溉方案具備最優(yōu)綜合效益。在該節(jié)水灌溉方案下，番茄可售產(chǎn)量、糖酸比、氮肥利用效率、鹽分降低效率和土壤孔隙度分別為132.3 t/hm2，10.73，62.1%，33.9%和52.2%。