基于多層次模糊評(píng)判法對(duì)小麥調(diào)虧溝灌方式的分析

　　來(lái)源：江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 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(shí)現(xiàn)水分高效利用，本研究運(yùn)用多層次的模糊綜合評(píng)判法，通過(guò)構(gòu)建多層次多因素的指標(biāo)體系對(duì)不同溝灌方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。在主觀求取權(quán)重的基礎(chǔ)上，運(yùn)用熵權(quán)法進(jìn)行修正，使得權(quán)重結(jié)果更符合實(shí)際情況，提高評(píng)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(shí)設(shè)置60%、70%、80% 3個(gè)水分控制下限，研究不同處理對(duì)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(jì)系數(shù)在水分控制下限為80%時(shí)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(shí)冬小麥水分利用效率最大(分別為1.86 kg/m3 和1.90 kg/m3 )。說(shuō)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(píng)判; 熵權(quán)法

　　作為中國(guó)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(duì)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(wú)法單純依靠降水滿足其生長(zhǎng)需要，因此需通過(guò)多次補(bǔ)充灌溉以實(shí)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(guó)民飲食生活中有著舉足輕重的地位，故實(shí)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(lái)緩解水資源供需緊張的矛盾 [2] 。近年來(lái)很多學(xué)者針對(duì)小麥栽培措施改進(jìn)進(jìn)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(shí)，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(guò)程中水流進(jìn)程快慢會(huì)受到畦田長(zhǎng)度及地面平整度的影響，造成灌溉耗時(shí)多，嚴(yán)重浪費(fèi)灌溉水等問(wèn)題。在采用機(jī)械田間開(kāi)溝起壟種植作物時(shí)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(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的脅迫，在提高作物產(chǎn)量的同時(shí)有效地提高水分利用效率 [4] 。在壟臺(tái)上種植作物時(shí)，采用壟溝灌水的灌溉方式，灌水溝內(nèi)水分在水勢(shì)差的作用下向壟體側(cè)滲以滿足作物生長(zhǎng)對(duì)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(gè)體之間的關(guān)系，促使小麥個(gè)體健壯，群體大小適中，邊行優(yōu)勢(shì)顯著，最終實(shí)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(guò)程中的未進(jìn)行灌水的溝由于其土壤含水量低對(duì)作物產(chǎn)生干旱脅迫促使其根系生長(zhǎng)以提高水分利用效率。作物本身有特定的感知和信號(hào)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(jìn)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(shì)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(duì)光合作用幾乎沒(méi)有影響 [18-23] 。常規(guī)溝灌技術(shù)的缺點(diǎn)可通過(guò)隔溝交替灌溉實(shí)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(huì)顯著降低光合速率 [29-31] 。

　　不同的溝灌方式對(duì)小麥的生長(zhǎng)發(fā)育、籽粒產(chǎn)量、水分利用效率等的影響不同，通過(guò)對(duì)這些重要指標(biāo)的分析可以選擇出適宜的溝灌方式，實(shí)現(xiàn)水分經(jīng)濟(jì)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)模型，進(jìn)而明確最佳溝灌方案具有重要意義。模糊綜合評(píng)判算法融合定性與定量分析，通過(guò)構(gòu)建多因素和多層次的指標(biāo)體系，得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，解決了不確定性的問(wèn)題。因其具有多指標(biāo)的優(yōu)越性，模糊綜合評(píng)判法在氣候變化模擬研究、農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化和精密齒輪制造等評(píng)價(jià)分析中取得了很好的應(yīng)用效果 [35-40] 。本研究旨在通過(guò)多層次模糊評(píng)價(jià)方法對(duì)小麥的產(chǎn)量三要素和水分利用效率等指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，根據(jù)此評(píng)價(jià)，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(shí)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(yàn)地點(diǎn)

　　試驗(yàn)于2016-2017年在新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院輝縣試驗(yàn)基地( 36°9′N，113°7′E) 進(jìn)行。小麥播種前土層(0～ 20 cm)土壤有機(jī)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(yàn)設(shè)計(jì)

　　本試驗(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)，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(jī)排列，小區(qū)面積20 m× 3 m，每個(gè)小區(qū)包含4個(gè)壟臺(tái)和壟溝，利用2BFL-3型多功能小麥起壟播種機(jī)起壟，種植。壟臺(tái)上種植3行小麥，壟臺(tái)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(cè)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(gè)小區(qū)的4個(gè)灌水溝全部灌水;后者一個(gè)溝灌水，隔一個(gè)溝再灌，下次灌水則對(duì)上次未灌水的溝進(jìn)行灌水，輪流交替進(jìn)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(shí)期小麥100 cm計(jì)劃濕潤(rùn)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(shí)進(jìn)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(cè)定項(xiàng)目及方法

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

　　ET= P+U-R-F+△W+I [31] (1)

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

　　該試驗(yàn)地塊地勢(shì)平坦，地下水埋深5 m 以下，降水入滲深度不超過(guò)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(jì)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(shí)期，利用Wintersteiger小區(qū)聯(lián)合收割機(jī)全區(qū)收獲，考種時(shí)測(cè)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(jì)系數(shù) 在小麥成熟期，在每個(gè)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(jì)算經(jīng)濟(jì)系數(shù)。

　　經(jīng)濟(jì)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(píng)判使用隸屬度模糊矩陣對(duì)各種相關(guān)因素進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。因素較少時(shí)，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(píng)價(jià)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(lái)評(píng)價(jià)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(jí)指標(biāo)體系和二級(jí)指標(biāo)體系。

　　1.4.2 確定評(píng)價(jià)因素集 建立評(píng)判因素集： V ={ v 1 ， v 2 ， v 3 ，…， vm }。本研究使用3個(gè)水分處理作為評(píng)價(jià)集。

　　1.4.3 建立單因素評(píng)判矩陣 每個(gè)因素[ ui ( i ≤ n )]都可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。不同的評(píng)價(jià)水平，每個(gè)因素的評(píng)價(jià)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(lái)表示。所有的單因素評(píng)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(píng)估系統(tǒng)的核心是如何求權(quán)重，權(quán)重表示每個(gè)因素的重要程度，各因素權(quán)重的確定對(duì)綜合評(píng)判模型來(lái)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(jí)指標(biāo)中的部分指標(biāo)，人們無(wú)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(shí)，判定也比較客觀。

　　1.4.4.1 專家預(yù)測(cè)確立權(quán)重 基于專家的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)或者偏好，對(duì)各個(gè)指標(biāo)的重要程度進(jìn)行比較，賦值和計(jì)算各個(gè)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(lái)確定客觀權(quán)重。由于底層的部分指標(biāo)難以通過(guò)專家確定指標(biāo)權(quán)重，在此情況下需要通過(guò)客觀的方式求出指標(biāo)的權(quán)重，來(lái)減少人為因素的影響。具體步驟參考文獻(xiàn)[41]中的算法。

　　1.4.5 計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)果 評(píng)價(jià)結(jié)果由隸屬度矩陣和權(quán)重計(jì)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(píng)價(jià)結(jié)果。 W 是指模糊權(quán)重， R 是指單因素評(píng)判矩陣， b 是指模糊評(píng)判指數(shù)。

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 基于多層次模糊評(píng)判的不同溝灌方式的綜合評(píng)價(jià)

　　2.1.1 模糊評(píng)判因素集及所屬子因素集構(gòu)成 本研究對(duì)不同溝灌方式，不同水分處理的小麥進(jìn)行模糊綜合評(píng)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(jí)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(jì)系數(shù)、總耗水量、水分利用率作為二級(jí)指標(biāo)。

　　2.1.2 隸屬函數(shù)的確定 采用Excel整理大田試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)建立隸屬函數(shù)和評(píng)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(jiàn)表3。

　　2.2 二級(jí)評(píng)判

　　在對(duì)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(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，采用熵權(quán)法進(jìn)行權(quán)重確定。產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)系數(shù)、總耗水量、水分利用率等采用專家預(yù)測(cè)確定權(quán)重。經(jīng)過(guò)計(jì)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(píng)判獲得小麥二級(jí)評(píng)判結(jié)果，結(jié)果表明，對(duì)于采用隔溝交替灌溉的小麥，T2處理評(píng)價(jià)指數(shù)(0.346 8 )最高，T3處理評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(guò)水分利用效率高低來(lái)評(píng)價(jià)灌溉方式，在水分供應(yīng)過(guò)少的情況下，勢(shì)必會(huì)影響產(chǎn)量，因此實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中該溝灌方式并不具有推廣價(jià)值;在70%水分下限條件下，水分利用效率和經(jīng)濟(jì)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(guò)多的水分供應(yīng)使得小麥營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)剩，消耗大量養(yǎng)分，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)系數(shù)較低。在常規(guī)溝灌和水分下限60%時(shí)，由于水分限制，產(chǎn)量位于3個(gè)水分控制下限的最低水平，但是與水分下限60%時(shí)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(píng)價(jià)指數(shù)為0.343 2 ，該水分下限條件下灌溉效果最好，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量、水分利用效率、經(jīng)濟(jì)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(guò)多，其對(duì)籽粒產(chǎn)量貢獻(xiàn)率下降，水分利用效率降低。

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