基于多層次模糊評判法對小麥調(diào)虧溝灌方式的分析

　　來源：江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報 2022年3期

　　作者：李曉航; 盛坤; 蔣志凱

　　摘要： 為選擇適宜的冬小麥農(nóng)田溝灌方式實現(xiàn)水分高效利用，本研究運用多層次的模糊綜合評判法，通過構(gòu)建多層次多因素的指標(biāo)體系對不同溝灌方式進行評價。在主觀求取權(quán)重的基礎(chǔ)上，運用熵權(quán)法進行修正，使得權(quán)重結(jié)果更符合實際情況，提高評判結(jié)果的準(zhǔn)確性。本研究設(shè)置隔溝交替灌溉和常規(guī)溝灌2種溝灌方式，同時設(shè)置60%、70%、80% 3個水分控制下限，研究不同處理對冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響，篩選出兼顧冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的調(diào)虧溝灌方式。結(jié)果表明，隨著水分控制下限的增加，冬小麥在2種溝灌方式下產(chǎn)量亦隨之增加，但水分利用效率和經(jīng)濟系數(shù)在水分控制下限為80%時降低。常規(guī)溝灌和隔溝交替灌溉2種溝灌方式下，水分控制下限為70%時冬小麥水分利用效率最大(分別為1.86 kg/m3 和1.90 kg/m3 )。說明，適度水分虧缺有利于水分利用效率的提高，隔溝交替灌溉可大幅降低灌溉耗水總量，因此在灌溉水充足的地區(qū)推薦采用常規(guī)溝灌，在水資源緊缺的地區(qū)則適合使用隔溝交替灌溉方式。

　　關(guān)鍵詞： 小麥; 調(diào)虧溝灌; 水分利用效率; 模糊綜合評判; 熵權(quán)法

　　作為中國小麥主產(chǎn)區(qū)之一的華北平原，每年約有50%的小麥從該地區(qū)產(chǎn)出 [1] ，然而該區(qū)域降水相對較少的階段正好與小麥生育期重合，造成小麥發(fā)育階段無法單純依靠降水滿足其生長需要，因此需通過多次補充灌溉以實現(xiàn)小麥的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)。以小麥為原料的食物制品在國民飲食生活中有著舉足輕重的地位，故實現(xiàn)小麥生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。現(xiàn)階段通常采用高效節(jié)水技術(shù)和提高小麥的水分利用效率的方法來緩解水資源供需緊張的矛盾 [2] 。近年來很多學(xué)者針對小麥栽培措施改進進行研究，用小麥壟作溝灌取代傳統(tǒng)地面灌溉，有利于提高水分利用效率。同時，小麥壟作溝灌后，土壤結(jié)構(gòu)得以改善，有利于提高降水和灌溉水的利用效率和降低小麥的耗水量。前人研究結(jié)果 [3] 表明，傳統(tǒng)畦田種植小麥在灌溉過程中水流進程快慢會受到畦田長度及地面平整度的影響，造成灌溉耗時多，嚴(yán)重浪費灌溉水等問題。在采用機械田間開溝起壟種植作物時不僅可以提高灌溉的工作效率，而且有利于降水在溝內(nèi)匯集，這些自然降水更加接近作物根部，田間土壤的水分含量隨之增加，外界的水分供應(yīng)得到改善，有效減少干旱對作物生長發(fā)育的脅迫，在提高作物產(chǎn)量的同時有效地提高水分利用效率 [4] 。在壟臺上種植作物時，采用壟溝灌水的灌溉方式，灌水溝內(nèi)水分在水勢差的作用下向壟體側(cè)滲以滿足作物生長對水分的需要。因此改變傳統(tǒng)平作種植模式為壟上種植可以有效協(xié)調(diào)小麥群體與個體之間的關(guān)系，促使小麥個體健壯，群體大小適中，邊行優(yōu)勢顯著，最終實現(xiàn)畝穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量三因素協(xié)調(diào)發(fā)展，在此種植模式下小麥可增產(chǎn)約10% [5] 。Wang等 [6] 的研究結(jié)果顯示，起壟溝灌比傳統(tǒng)畦灌可減少用水量約30%。馬麗等 [7] 的研究結(jié)果表明，在栽培作物生育期內(nèi)采用壟作方式總耗水量有顯著降低且水分利用效率得到提高。

　　將交替灌溉與溝灌種植模式結(jié)合即為隔溝交替灌溉 [8-12] 。隔溝交替灌溉過程中的未進行灌水的溝由于其土壤含水量低對作物產(chǎn)生干旱脅迫促使其根系生長以提高水分利用效率。作物本身有特定的感知和信號傳遞系統(tǒng)，可以迅速感知土壤含水量的變化，并傳遞給位于葉片上的保衛(wèi)細(xì)胞，促使氣孔的導(dǎo)度降低，進而降低植物的蒸騰作用 [13-17] 。其中，氣孔導(dǎo)度的變化與蒸騰作用和耗水作用的變化趨勢是不一致的，前者為線性關(guān)系，而后者為漸趨飽和關(guān)系。氣孔導(dǎo)度適當(dāng)降低，可出現(xiàn)蒸騰耗水顯著減低，而對光合作用幾乎沒有影響 [18-23] 。常規(guī)溝灌技術(shù)的缺點可通過隔溝交替灌溉實現(xiàn)重大改善，具有顯著減少棵間蒸發(fā)、降低作物蒸騰耗水和提高作物水分利用效率的顯著效果 [24-28] 。研究結(jié)果顯示，采用隔溝交替灌溉方式可大幅度降低葉片蒸騰的水分耗失而不會顯著降低光合速率 [29-31] 。

　　不同的溝灌方式對小麥的生長發(fā)育、籽粒產(chǎn)量、水分利用效率等的影響不同，通過對這些重要指標(biāo)的分析可以選擇出適宜的溝灌方式，實現(xiàn)水分經(jīng)濟效益和生態(tài)效益協(xié)調(diào)發(fā)展。目前一般采用綜合分析法作為評價方法，該方法用指標(biāo)之間的相關(guān)性或因果性比較從而得出分析結(jié)論 [32-33] 。綜合分析法容易受到研究者自身主觀思維的影響，造成評價結(jié)果的不確定性 [34] 。因此，借助數(shù)學(xué)原理建立科學(xué)的評價模型，進而明確最佳溝灌方案具有重要意義。模糊綜合評判算法融合定性與定量分析，通過構(gòu)建多因素和多層次的指標(biāo)體系，得到綜合評價結(jié)果，解決了不確定性的問題。因其具有多指標(biāo)的優(yōu)越性，模糊綜合評判法在氣候變化模擬研究、農(nóng)業(yè)機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化和精密齒輪制造等評價分析中取得了很好的應(yīng)用效果 [35-40] 。本研究旨在通過多層次模糊評價方法對小麥的產(chǎn)量三要素和水分利用效率等指標(biāo)進行科學(xué)評價，根據(jù)此評價，可得出適合華北井灌區(qū)較好的節(jié)水高效溝灌方式，并為實現(xiàn)小麥的科學(xué)灌溉及高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)提供理論依據(jù)。

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗地點

　　試驗于2016-2017年在新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院輝縣試驗基地( 36°9′N，113°7′E) 進行。小麥播種前土層(0～ 20 cm)土壤有機質(zhì)14.14 g/kg 、全氮1.08 g/kg 、速效磷11.39 mg/kg 、速效鉀111.20 mg/kg 、pH 8.16，0～ 200 cm土層容質(zhì)量1.45 g/cm 3 ，田間持水率為32%(飽和質(zhì)量含水率)。

　　1.2 試驗設(shè)計

　　本試驗設(shè)置了常規(guī)溝灌和隔溝交替灌溉2種節(jié)水灌溉方式。采用溝灌方式和水分控制下限的雙因子裂區(qū)試驗設(shè)計，溝灌方式為主區(qū)，水分控制下限為副區(qū)，3次重復(fù)，隨機排列，小區(qū)面積20 m× 3 m，每個小區(qū)包含4個壟臺和壟溝，利用2BFL-3型多功能小麥起壟播種機起壟，種植。壟臺上種植3行小麥，壟臺寬為45 cm，壟溝寬為30 cm，壟溝深度為18 cm，壟上小麥小行距為15 cm，大行距為45 cm(圖1)，基本苗約1 hm 2 3.00× 10 6 。不同壟作小區(qū)間設(shè)1.5 m平作隔離區(qū)，防止不同處理小區(qū)間水分測滲的影響。

　　設(shè)置2 種溝灌方式：常規(guī)溝灌和隔溝交替灌溉(表1)，前者每個小區(qū)的4個灌水溝全部灌水;后者一個溝灌水，隔一個溝再灌，下次灌水則對上次未灌水的溝進行灌水，輪流交替進行。常規(guī)溝灌和隔溝交替灌溉設(shè)置水分控制下限分別為60%、70%、80%，根據(jù)不同生育時期小麥100 cm計劃濕潤層土壤水分含量為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)土壤水分含量降低到水分控制下限時進行灌水，常規(guī)溝灌每次灌水量是60 mm，隔溝交替灌溉每次灌水量是30 mm。小麥品種為新麥26。

　　1.3 測定項目及方法

　　1.3.1 耗水量和水分利用效率測定 在小麥播種前和成熟期用土鉆取土，烘干法測定0～ 200 cm土層水分含量，按20 cm 深度為1個土壤層次進行取土。作物生育期耗水量計算則采用水量平衡公式計算：

　　ET= P+U-R-F+△W+I [31] (1)

　　△W ：土壤貯水消耗量; P ：該時段降水量(mm); U ：地下水通過毛管作用上移補給作物水量(mm); R ：地表徑流量(mm); F ：補給地下水量(mm); I ：灌水量(mm)。

　　該試驗地塊地勢平坦，地下水埋深5 m 以下，降水入滲深度不超過2 m，因此 U 、 R 、 F 均為0。

　　1.3.2 水分利用效率 籽粒產(chǎn)量水分利用效率計算公式為：

　　WUE = Y / ET (2)

　　Y ：籽粒產(chǎn)量(kg/hm 2 ) ， ET ：作物全生育期總耗水量(m 3 /hm 2 ) 。

　　1.3.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成 在小麥?zhǔn)斋@時期，利用Wintersteiger小區(qū)聯(lián)合收割機全區(qū)收獲，考種時測定其穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量等，籽粒風(fēng)干后稱質(zhì)量，折算 為含水量13%的每公頃產(chǎn)量。

　　1.3.4 經(jīng)濟系數(shù) 在小麥成熟期，在每個小區(qū)選定樣方面積1 m 2 ，獲取所有植株樣品，風(fēng)干后稱量生物產(chǎn)量，然后脫粒稱量籽粒質(zhì)量，計算經(jīng)濟系數(shù)。

　　經(jīng)濟系數(shù)=籽粒產(chǎn)量/生物產(chǎn)量(3)

　　1.4 研究方法

　　模糊綜合評判使用隸屬度模糊矩陣對各種相關(guān)因素進行模糊綜合評價。因素較少時，可以使用一層指標(biāo)體系。由于溝灌模式篩選是一種多因素多層次的評價方式，需要使用2到3層指標(biāo)體系。本研究使用2層指標(biāo)體系來評價不同溝灌方式的優(yōu)劣。

　　1.4.1 建立多層次的指標(biāo)體系 篩選不同溝灌方式，公式為 U ={ u 1 ， u 2 ， u 3 ，…， un }。需要建立一級指標(biāo)體系和二級指標(biāo)體系。

　　1.4.2 確定評價因素集 建立評判因素集： V ={ v 1 ， v 2 ， v 3 ，…， vm }。本研究使用3個水分處理作為評價集。

　　1.4.3 建立單因素評判矩陣 每個因素[ ui ( i ≤ n )]都可以對結(jié)果進行評估。不同的評價水平，每個因素的評價集都可以用模糊向量[ Ri =( ri 1 ， ri 2 ， ri 4 ，…， rim )， i =1，2，…， n ， Ri ∈ u ( V ) ]來表示。所有的單因素評判由模糊關(guān)系組成。模糊關(guān)系如下：

　　R = r11 r12 r13 … r1m r21 r22 r23 … r2m rn1 rn2 rn3 … rnm

　　1.4.4 確定指標(biāo)權(quán)重 評估系統(tǒng)的核心是如何求權(quán)重，權(quán)重表示每個因素的重要程度，各因素權(quán)重的確定對綜合評判模型來講，是非常關(guān)鍵的一步。權(quán)重確定的方法分為主觀和客觀2種方式，二級指標(biāo)中的部分指標(biāo)，人們無法主觀判定，故而需要用客觀的方法求權(quán)重。本研究結(jié)合主觀和客觀的方式求得權(quán)重，結(jié)合專家智慧的同時，判定也比較客觀。

　　1.4.4.1 專家預(yù)測確立權(quán)重 基于專家的知識經(jīng)驗或者偏好，對各個指標(biāo)的重要程度進行比較，賦值和計算各個指標(biāo)權(quán)重，如專家調(diào)查法，AHP法等 [41] 。

　　1.4.4.2 熵權(quán)法 熵權(quán)法是根據(jù)指標(biāo)變異性的大小來確定客觀權(quán)重。由于底層的部分指標(biāo)難以通過專家確定指標(biāo)權(quán)重，在此情況下需要通過客觀的方式求出指標(biāo)的權(quán)重，來減少人為因素的影響。具體步驟參考文獻[41]中的算法。

　　1.4.5 計算評價結(jié)果 評價結(jié)果由隸屬度矩陣和權(quán)重計算求得，公式為：

　　B = W·R =( b 1 ， b 2 ， b 3 ，…， b m)(4)

　　B 是所有因素指標(biāo)體系的評價結(jié)果。 W 是指模糊權(quán)重， R 是指單因素評判矩陣， b 是指模糊評判指數(shù)。

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 基于多層次模糊評判的不同溝灌方式的綜合評價

　　2.1.1 模糊評判因素集及所屬子因素集構(gòu)成 本研究對不同溝灌方式，不同水分處理的小麥進行模糊綜合評判，其中隔溝交替灌溉水分控制下限為60%、70%、80%的處理分別用T1、T2、T3表示，常規(guī)溝灌水分控制下限為60%、70%、80%的處理分別用T4、T5、T6表示，將溝灌灌溉方式和水分控制下限作為一級指標(biāo)。將穗數(shù)、穗粒數(shù)、不孕穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量，產(chǎn)量、經(jīng)濟系數(shù)、總耗水量、水分利用率作為二級指標(biāo)。

　　2.1.2 隸屬函數(shù)的確定 采用Excel整理大田試驗數(shù)據(jù)，得到關(guān)于小麥產(chǎn)量和耗水量指標(biāo)的數(shù)據(jù)(表2)。依據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立隸屬函數(shù)和評判矩陣，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)中數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的適當(dāng)方法 [38] ，將表2中的原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)果見表3。

　　2.2 二級評判

　　在對不同溝灌處理冬小麥的農(nóng)藝性狀指標(biāo)(穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、不孕穗粒數(shù))進行評價時，采用熵權(quán)法進行權(quán)重確定。產(chǎn)量、經(jīng)濟系數(shù)、總耗水量、水分利用率等采用專家預(yù)測確定權(quán)重。經(jīng)過計算，權(quán)重為0.067、0.051、0.051、0.035、0.150、0.046、0.250、0.350，即：

　　采用模糊綜合評判獲得小麥二級評判結(jié)果，結(jié)果表明，對于采用隔溝交替灌溉的小麥，T2處理評價指數(shù)(0.346 8 )最高，T3處理評價指數(shù)最低，常規(guī)溝灌處理得出與隔溝交替灌溉相同的評價結(jié)果。由表1、表2和表3可知，在隔溝交替灌溉和60%水分下限條件下，由于受低水分脅迫嚴(yán)重，導(dǎo)致小麥產(chǎn)量較低，減產(chǎn)嚴(yán)重，不能僅通過水分利用效率高低來評價灌溉方式，在水分供應(yīng)過少的情況下，勢必會影響產(chǎn)量，因此實際生產(chǎn)過程中該溝灌方式并不具有推廣價值;在70%水分下限條件下，水分利用效率和經(jīng)濟系數(shù)最高，灌溉效果最佳;在80%水分下限條件下，產(chǎn)量并未隨著灌水量增多而增加，增產(chǎn)效果不明顯，水分利用效率低，過多的水分供應(yīng)使得小麥營養(yǎng)生長過剩，消耗大量養(yǎng)分，導(dǎo)致經(jīng)濟系數(shù)較低。在常規(guī)溝灌和水分下限60%時，由于水分限制，產(chǎn)量位于3個水分控制下限的最低水平，但是與水分下限60%時的隔溝交替灌溉相比，灌水量增加30 mm，籽粒產(chǎn)量增加明顯，原因在于其灌水均勻性高于隔溝交替灌溉;在70%水分下限條件下，評價指數(shù)為0.343 2 ，該水分下限條件下灌溉效果最好，實現(xiàn)產(chǎn)量、水分利用效率、經(jīng)濟系數(shù)的協(xié)調(diào)增加;在80%水分下限條件下，由于灌水量過多，其對籽粒產(chǎn)量貢獻率下降，水分利用效率降低。

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