馬建琴，崔弼峰，劉 蕾，和鵬飛

(華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045)

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)用水為主要用水消耗，其中，灌溉用水量占農(nóng)業(yè)總用水量的92%[1]。但是，我國存在水資源時空分布不均、水污染嚴(yán)重、水生態(tài)惡化等諸多問題。因此，我國需發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)，以提高農(nóng)田灌區(qū)水資源利用率，利用有限的水資源發(fā)揮最大的效益[2-4]。

節(jié)水灌溉即對作物實(shí)施一定程度的水分脅迫，目前，眾多學(xué)者根據(jù)不同作物生長需水特性對水分脅迫下作物的生長、生產(chǎn)展開研究，研究表明：適度的水分脅迫可以不同程度提高農(nóng)作物的水分利用效率[5-7]；并對夏玉米、冬小麥的光合作用特性具有促進(jìn)作用[8]；還可以減少土壤中水分的滲漏，提高灌水利用率[9]，這些結(jié)論為后續(xù)學(xué)者對水分脅迫下夏玉米需水及產(chǎn)量特性的研究提供了依據(jù)。模糊數(shù)學(xué)是一種用來解決模糊性問題的理論和方法，模糊綜合評價在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已久并且效果顯著，易金根等[10]通過對聯(lián)合收割機(jī)的一級和二級影響因素進(jìn)行評價對不同機(jī)型的聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行了排序；汪順生[11]等通過對冬小麥的耗水量和產(chǎn)量進(jìn)行模糊綜合評價優(yōu)選出了最適宜冬小麥的種植模式，其又以夏玉米需水及產(chǎn)量特性為研究對象提出了采用模糊綜合評價的方法對夏玉米的溝灌模式進(jìn)行優(yōu)選，結(jié)果表明寬垅溝灌模式較常規(guī)溝灌模式更有利于夏玉米的生產(chǎn)[12]。然而，文獻(xiàn)[11]采用專家法確定權(quán)重過程中受主觀影響過程，且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)周期僅為一年，不足以說明問題。為此，本文采用改進(jìn)的層次分析法，即在構(gòu)建判斷矩陣時用三標(biāo)度法改進(jìn)傳統(tǒng)的九標(biāo)度法，先確定夏玉米各指標(biāo)的權(quán)重，進(jìn)而建立模糊綜合評價模型，對不同灌水控制下限的夏玉米耗水量及產(chǎn)量特性進(jìn)行評價，以得出夏玉米適宜的灌水方案，并結(jié)合2015、2016年試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使模糊綜合評價結(jié)果更具準(zhǔn)確性，從而為其在節(jié)水灌溉研究中的應(yīng)用提供更有力的參考。

1 試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)在華北水利水電大學(xué)河南省重點(diǎn)試驗(yàn)室農(nóng)業(yè)高效用水試驗(yàn)場開展，試驗(yàn)場位于34°47′N、113°46′E，海拔 110.4 m，半干旱區(qū)旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，年平均氣溫14.5 ℃，多年平均降水量637.1 mm，年均相對濕度29%，多年平均日照時數(shù)約2 400 h，無霜期220 d，土壤孔隙率為40%，田間持水率為42%(以占孔隙體積的百分比計)[13]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計及數(shù)據(jù)采集

(1)試驗(yàn)開展于2015、2016年的6-9月，參照郝樹榮[14]對水分脅迫下玉米的生長研究，試驗(yàn)設(shè)計A、B、C三種處理，每種處理設(shè)置3個重復(fù)，試驗(yàn)小區(qū)面積2×2.1=4.2 m2，種植宇玉30號玉米，玉米種植行間距為50 cm、縱間距為30 cm，共種植5×8=40棵，各試驗(yàn)小區(qū)之間不發(fā)生水分及肥料的運(yùn)移。試驗(yàn)方案見表1。

表1 試驗(yàn)方案

(2)試驗(yàn)施肥采用測土施肥技術(shù)，根據(jù)土壤養(yǎng)分測試儀測定結(jié)果得到土壤中N、P、K的含量，分別以尿素、過磷酸鈣、磷酸二氫鉀為肥料計算得出夏玉米所需施肥量，施肥量見表2。

(3)每天對試驗(yàn)田測定土壤含水率，若測定值低于所設(shè)定的灌水下限，則采用微噴帶灌溉方式對該試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行灌水。灌水量方案見表3。

(4)試驗(yàn)氣象數(shù)據(jù)由設(shè)置在田間的小型自動氣象站監(jiān)測，氣象站主要測量降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、太陽能輻射、空氣濕度、氣溫、大氣壓等。

(5)夏玉米根區(qū)土壤含水率由土壤水環(huán)境檢測系統(tǒng)EnviroScan進(jìn)行實(shí)時測定，根據(jù)夏玉米根系生長特點(diǎn)和根深范圍，每個探測器在0～1 m土層內(nèi)均勻設(shè)置10個傳感器對土壤含水率進(jìn)行測定。

表2 玉米施肥量

注：8月5日、8月15日為配液濃度為1%的葉面施肥。

表3 灌水量方案 mm

(6)玉米全生育期耗水量為各階段耗水量之和，夏玉米各階段耗水量可根據(jù)水量的輸入和輸出計算，其公式為：

ET=M+Pr+ΔQ+K

(1)

式中：ET即夏玉米全生育期各生育階段耗水量，mm；M為試驗(yàn)田時段內(nèi)灌溉水量，mm；Pr為試驗(yàn)田時段內(nèi)有效降雨量，mm；ΔQ為試驗(yàn)田土壤貯水量Q變化，mm；K為該階段內(nèi)地下水補(bǔ)給量，由于農(nóng)水試驗(yàn)場的地下水埋深在5 m以下，并且通過雨后測墑試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單次降雨均未造成夏玉米計劃濕潤層的深層滲漏，因此地下水補(bǔ)給量可視為0。其中：

Q=0.1Hγθ

(1)

式中：H為土層深度，本試驗(yàn)為100 cm；γ為1 m內(nèi)土層平均干密度，本試驗(yàn)為1.35 g/cm2；θ為1 m內(nèi)土層平均含水率，%。

(7)在夏玉米成熟期隨機(jī)選取10株玉米對籽粒質(zhì)量、有效穗數(shù)、百粒重等進(jìn)行測定，并在收獲后對實(shí)際的籽粒產(chǎn)量進(jìn)行測定，折算成每公頃產(chǎn)量。

2 研究方法

2.1 改進(jìn)的層次分析法

層析分析法是把定性與定量相結(jié)合的一種系統(tǒng)分析方法[15]，傳統(tǒng)意義的層次分析法采用九標(biāo)度法構(gòu)建判斷矩陣，此方法計算量大、結(jié)果易產(chǎn)生偏差、精度不高，然而三標(biāo)度法不僅可以大大降低計算的復(fù)雜性、減少迭代次數(shù)，還可以提高計算的精確度[16,17]。因此本文采用改進(jìn)的層次分析法----三標(biāo)度法對夏玉米各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計算，使精確度更高。其步驟如下：

(1)構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)：本文建立目標(biāo)層和方案層兩個層次。

(2)構(gòu)建比較矩陣A:

(3)

(3)構(gòu)建判斷矩陣B:

(4)

(4)構(gòu)建最優(yōu)傳遞矩陣C:

(5)

(5)構(gòu)建擬優(yōu)一致矩陣D:

dij=10cij

(6)

(6)權(quán)重的確定:

Wj=1/∑dij

(7)

2.2 模糊綜合評價模型

模糊綜合評價是對受多種因素影響的事物做出全面評價的一種十分有效的多因素決策方法[18]，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛[19,20]，其步驟如下：

(1)建立評價因素集。

p={p1,p2,p3,…,pn}

(8)

根據(jù)實(shí)際情況，分析影響因素，確立評價指標(biāo)因素集p={p1,p2,p3,…,pn},當(dāng)研究夏玉米耗水指標(biāo)時，p1…pn表示不同水分下限對應(yīng)的耗水指標(biāo)，n為5；當(dāng)研究夏玉米產(chǎn)量結(jié)構(gòu)時，p1…pn表示不同水分下限對應(yīng)的夏玉米產(chǎn)量狀況，n為4。

(2)建立評價集。

V={v1,v2,v3,…,vn}

(9)

式中：v1,v2,v3,…,vn表示不同水分控制下限，本文中n為3。

(3)建立單因素評價。建立一個從P到V的模糊映射f：

f:P→F(V)

Pi→f(p)=(ri1,ri2,…,rim)∈F(V)

(10)

由模糊映射f可得模糊關(guān)系Rf∈F(P×V),即：

Rf(pi,vj)=f(pi)(vj)=rij

(11)

式中：i=1,2,…,n;j=1,2,…,m;0?rij?1。rij表示被評價因素pi對評價集vj的隸屬度，進(jìn)而可得到模糊矩陣R，即：

(12)

稱R為單因素評價矩陣。

(4)確定權(quán)重。通常情況下，n個被評價因素p1,p2,p3,…,pn非同等重要，因此需要確定每一個評價因素對于評價總體的重要程度，即模糊權(quán)重：W={w1,w2,…,wn}，其中wi為被評價因素pi相對于總體的重要程度。本文采用改進(jìn)的層次分析法確定夏玉米指標(biāo)的權(quán)重。

(5)綜合評價。將模糊權(quán)重W與單因素模糊評價矩陣R合成就得到被評價對象的模糊綜合評價結(jié)果，即：

(13)

結(jié)果中bi即為模糊評價指數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 耗水指標(biāo)的模糊綜合評價

3.1.1 確定權(quán)重

夏玉米的生長階段分為苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期5個時期，因而夏玉米耗水量的評價依據(jù)以上五個階段進(jìn)行，采用改進(jìn)的層次分析法先建立層次結(jié)構(gòu)并構(gòu)造判斷矩陣，通過計算得出夏玉米各生育階段耗水量的權(quán)重值W=(0.033,0.091,0.269,0.091,0.516)。

3.1.2 耗水指標(biāo)的模糊綜合評價

采用模糊綜合評價模型通過計算得出夏玉米不同灌水控制下限下耗水量的評價結(jié)果，如表4所示。2015、2016年A、B、C三種處理方案的評價指數(shù)分別為(0.372、0.330、0.298)、(0.375、0.328、0.297)，因而A處理方案的模糊評價指數(shù)最高(0.372、0.375)、耗水最少，C處理方案的模糊評價指數(shù)最低(0.298、0.297)、耗水最多。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，夏玉米同一階段耗水量隨著灌水控制下限的增加而增加，A方案中每個階段耗水量均最少，總耗水量(372.23、386.05 mm)最少，C方案中每個階段灌水量均最多，總耗水量(468.41、486.73 mm)最多。因此，夏玉米耗水指標(biāo)的模糊綜合評價值與夏玉米試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果相吻合。

表4 夏玉米耗水量及評價指數(shù)

3.2 產(chǎn)量的模糊綜合評價

3.2.1 確定權(quán)重

夏玉米的產(chǎn)量結(jié)構(gòu)可分為穗長、穗粗、穗粒數(shù)、百粒重4個方面，因而夏玉米產(chǎn)量的評價依據(jù)以上4個方面進(jìn)行，采用改進(jìn)的層次分析法先建立層次結(jié)構(gòu)并構(gòu)造判斷矩陣，通過計算得出夏玉米各產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的權(quán)重值W=(0,102，0.102,0.278,0.518)。

3.2.2 產(chǎn)量的模糊綜合評價

采用模糊綜合評價模型通過計算得出夏玉米不同水分控制下限的產(chǎn)量評價結(jié)果，如表5所示。2015、2016年A、B、C三種處理方案的評價指數(shù)分別為(0.304、0.353、0.343)、(0.314、0.344、0.342)，因而B處理方案的模糊評價指數(shù)最高(0.353、0.342)，產(chǎn)量最高；A處理方案的模糊評價指數(shù)最低(0.304、0.314)，產(chǎn)量最低。根據(jù)試驗(yàn)可知，A處理方案中每個產(chǎn)量結(jié)構(gòu)值均最小，總產(chǎn)量(7 448.7、8 276.4 kg/hm2)最少；C處理了方案中每個產(chǎn)量結(jié)構(gòu)值居中，總產(chǎn)量(8 862.3、9 847.05 kg/hm2)居中；B處理方案中每個產(chǎn)量結(jié)構(gòu)值最大，總產(chǎn)量(9 132.45、10 147.2 kg/hm2)最大。因此，夏玉米產(chǎn)量的模糊綜合評價值與夏玉米試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果相吻合。

表5 夏玉米產(chǎn)量結(jié)構(gòu)及評價指數(shù)

3.3 水分生產(chǎn)效率

水分生產(chǎn)效率(WUE)為夏玉米產(chǎn)量與耗水量的比值，即：

WUE=Y/N

(14)

式中：WUE為水分生產(chǎn)效率，kg/hm2；Y為夏玉米實(shí)際產(chǎn)量，kg/hm2；N為夏玉米耗水量，m3/hm2。

根據(jù)表5可知，2015、2016年A、B、C三種處理方案的水分生產(chǎn)效率(WUE)分別為(2.00、2.17、1.93)、(2.14、2.31、2.02)，因而B方案的(WUE)最高(2.17、2.31)，C方案的(WUE)最低(1.93、2.02)，而前者的產(chǎn)量不僅比后者多151.5 kg/hm2，耗水量還節(jié)省468.75 m2/hm2；雖然B處理方案比A處理方案的耗水量多 ，但產(chǎn)量卻多1 870.8 kg/hm2，并且水分生產(chǎn)效率值與夏玉米產(chǎn)量結(jié)構(gòu)評價指數(shù)相吻合，故B方案為最適宜方案。

4 結(jié) 語

基于改進(jìn)的層次分析法和模糊綜合評價模型，以2015、2016年夏玉米的整個生長周期為試驗(yàn)，以夏玉米全生育期各階段的耗水量和產(chǎn)量結(jié)構(gòu)為監(jiān)測對象，對不同灌水控制下限的夏玉米耗水量及產(chǎn)量特性進(jìn)行綜合評價，并結(jié)合夏玉米水分生產(chǎn)效率值進(jìn)行分析，結(jié)論如下。

(1)改進(jìn)的層次分析法較專家法[10]更具邏輯性和系統(tǒng)性，較傳統(tǒng)的層次分析法[21]不僅大大降低了計算過程的復(fù)雜性還提高了計算結(jié)果的精確度；而模糊綜合評價模型可以客觀地反映夏玉米各相關(guān)指標(biāo)的模糊性和連續(xù)性。因而改進(jìn)層次分析的模糊綜合評價模型可以最大限度地避免人為因素造成的誤差，使結(jié)果更具合理性和客觀性。

(2)當(dāng)灌水控制下限為70%時夏玉米的產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率均最高，產(chǎn)量模糊綜合評價指數(shù)也最高；當(dāng)灌水控制下限為60%時夏玉米的耗水量最少，耗水量模糊綜合評價指數(shù)最高，此時最節(jié)水，因此若供水量能夠滿足夏玉米的生長需求時，應(yīng)選擇灌水控制下限為70%田間持水量的灌水方案，若供水量不能滿足夏玉米生長需求時，應(yīng)選擇灌水控制下限為60%田間持水量的灌水方案。

(3)模糊綜合評價值與夏玉米種植試驗(yàn)結(jié)果相吻合，因此，也就驗(yàn)證了改進(jìn)層析分析的模糊綜合評價模型合理、可靠；模糊綜合評價模型可以用來對夏玉米耗水量和產(chǎn)量特性進(jìn)行評價，并為夏玉米灌水模式的優(yōu)選提供理論參考，從而為模糊綜合評價在節(jié)水灌溉領(lǐng)域的評價及應(yīng)用提供一定的科學(xué)借鑒。

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