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        基于熵值法、AHP與TOPSIS模型對(duì)河西制種玉米優(yōu)化灌溉的研究

        2022-09-29 08:08:02繆純慶蔡子文鄭榮白靜王娟王托和王學(xué)強(qiáng)
        湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2022年16期
        關(guān)鍵詞:純收入制種灌溉

        繆純慶,蔡子文,鄭榮,白靜,王娟,王托和,王學(xué)強(qiáng)

        (1.張掖市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,甘肅 張掖 734000;2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院張掖節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站,甘肅 張掖 734000;3.酒泉市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,甘肅 酒泉 735000)

        玉米在中國(guó)糧食作物中的比重越來(lái)越大,成為中國(guó)種植面積最大的作物[1,2],其產(chǎn)量主要依賴(lài)于玉米雜交種品種的質(zhì)量[3]。因此,繼內(nèi)蒙古、遼寧、山東等省的規(guī)?;品N基地面積逐年減少之后,全國(guó)的玉米制種基地開(kāi)始轉(zhuǎn)移到西北地區(qū)[2]。河西走廊因其地勢(shì)平坦、耕地集中、土地肥沃、光照資源充足以及良好的天然隔離條件,成了中國(guó)最大而且理想的雜交玉米種子生產(chǎn)基地,常年制種面積穩(wěn)定在1 000 km2左右,生產(chǎn)的玉米種子占全國(guó)玉米用種量的45%[4,5],然 而該 區(qū) 域多 年 平均 降水 量 在88.2~130.5 mm,多年平均年蒸發(fā)能力在1 200~2 200 mm,屬于資源性缺水地區(qū),水分已成為影響作物生長(zhǎng)發(fā)育重要的環(huán)境因子[6]。不同的灌水技術(shù)形成的土壤濕潤(rùn)方式不同,進(jìn)而影響作物的根系結(jié)構(gòu)、吸水特征及地上部分的生長(zhǎng)發(fā)育,最終導(dǎo)致作物產(chǎn)量的變化[7]。尋求合理的作物灌溉量,保證作物產(chǎn)量及水分利用效率,減少水資源浪費(fèi)成為區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[8]。為此,本研究結(jié)合張掖市制種玉米生產(chǎn)實(shí)際,研究了制種玉米在壟膜溝灌、覆膜漫灌栽培模式下的水分利用效率、產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益的變化,為生產(chǎn)中確立高效節(jié)水及高經(jīng)濟(jì)效益的栽培模式提供依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

        試驗(yàn)于2018年在張掖市甘州區(qū)黨寨鎮(zhèn)(38°51′34″N,100°28′45″E)進(jìn)行,海拔1 518.6 m,年均降雨量116 mm,年均蒸發(fā)量1 900 mm,無(wú)霜期160 d,土壤為中壤土。年平均氣溫5.4℃。0~20 cm耕作層含有機(jī)質(zhì)25.6 g/kg,速效氮61.9 mg/kg,速效鉀190.4 mg/kg,速效磷13.4 mg/kg,容重2.7 g/cm3,pH 8.4。播種前按常規(guī)施肥量施入0~20 cm耕作層作為底肥,并于播種前10 d鋪好地膜,地膜厚度為0.008 mm的透明聚乙烯膜,播種時(shí)間為2018年4月25日,播種深度3~5 m,播種密度75 000株/hm2。母本株距為26 cm,行距為50 cm,父母本行比為1∶6,配置父本為GY3-1品種,行距為50 cm。分別在出苗-抽穗期,抽穗-灌漿期,灌漿-完熟期按試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行灌水,玉米收獲時(shí)間為2018年9月28日。

        1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)的方法,設(shè)計(jì)2個(gè)控制因素指標(biāo):灌溉方式與灌水量,在不同的灌溉模式(覆膜漫灌、壟膜溝灌)對(duì)照下,將制種玉米完整生長(zhǎng)期劃分為3個(gè)階段(出苗-抽穗期,抽穗-灌漿期,灌漿-完熟期)。針對(duì)制種玉米不同生長(zhǎng)期做灌水控制,分別為適宜水分處理(田間土壤持水量下限為80%)與水分虧缺處理(田間土壤持水量下限為60%)。本試驗(yàn)共設(shè)8個(gè)處理:F1、F2、F3、FC、T1、T2、T3、TC。前4個(gè)處理采用覆膜漫灌模式,后4個(gè)處理采用壟膜溝灌模式,且FC與TC分別為水分適宜灌溉處理,其余各處理都對(duì)制種玉米各生長(zhǎng)期做了水分虧缺處理,每個(gè)處理3次重復(fù),每個(gè)小區(qū)面積為56 m2(11.2 m×5.0 m),保護(hù)行寬度為2 m。采用土壤水分測(cè)量?jī)x進(jìn)行多點(diǎn)平均監(jiān)測(cè),當(dāng)土壤含水率達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)值時(shí)即進(jìn)行灌水,灌水定額為50 mm,并記錄各處理灌溉次數(shù)。詳見(jiàn)表1。

        表1 各處理灌水方案

        1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2003進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,采用SPSS 22.0版軟件進(jìn)行方差分析。

        1.3.1 層次分析法層次分析法(AHP)是美國(guó)著名運(yùn)籌學(xué)研究者Satty等提出的一種定性與定量相結(jié)合的多準(zhǔn)則多決策評(píng)價(jià)研究方法。通過(guò)兩兩因素比較構(gòu)建矩陣,這種方法可以很好地將人的決策思維分類(lèi)細(xì)化比對(duì),并求出各決策指標(biāo)的權(quán)重比例,但這一方法很難排除人為主觀(guān)因素干擾,因此在本試驗(yàn)中需與熵權(quán)法結(jié)合使用。

        1)計(jì)算指標(biāo)權(quán)重值。

        2)判斷矩陣一致性檢驗(yàn)。

        當(dāng)CR小于0.1,則判斷矩陣符合一致性檢驗(yàn),判斷矩陣構(gòu)造合理,反之則需要重新調(diào)整判斷矩陣。

        1.3.2 熵權(quán)法熵值(Entropy)是一種物理計(jì)量單位;熵越大說(shuō)明數(shù)據(jù)越混亂,攜帶的信息越少,效用值越小,因而權(quán)重也越小。熵權(quán)法則是結(jié)合熵值提供的信息值來(lái)確定權(quán)重的一種研究方法(https://www.spssau.com)。熵權(quán)法的基本思路是通過(guò)構(gòu)建制種玉米各項(xiàng)關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)的矩陣,計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的信息熵,可以用信息熵值來(lái)判斷具體指標(biāo)的離散程度,其信息熵值越小,該指標(biāo)的離散程度越大,說(shuō)明該項(xiàng)指標(biāo)內(nèi)所包含的信息量越大,該指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)的影響(即權(quán)重)就越大,反之就越小。因此,利用熵權(quán)法,計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重,為多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)提供依據(jù)。這一方法可以很好地排除人為主觀(guān)思維因素干擾,但往往也會(huì)忽視決策者主觀(guān)的意圖,計(jì)算如下。

        1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。

        式中,Xij為第i個(gè)指標(biāo)的第j個(gè)數(shù)值,Yij為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后第i個(gè)指標(biāo)的第j個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。

        2)指標(biāo)的信息熵。

        根據(jù)信息論中信息熵的定義,一組數(shù)據(jù)的信息熵計(jì)算公式如下:

        式中,Ej為第j組指標(biāo)的信息熵值。

        3)指標(biāo)權(quán)重。

        各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算公式如下:

        式中,Wi為第i組指標(biāo)的特征向量,歸一化后得到權(quán)重百分比。

        1.3.3 TOPSIS法綜合評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

        1)TOPSIS法計(jì)算綜合評(píng)價(jià)研究指標(biāo)數(shù)據(jù)處理。重要性狀指標(biāo)分為兩類(lèi):①正向指標(biāo):以該指標(biāo)最大值做分母,分別對(duì)應(yīng)各指標(biāo)去除最大值;②逆向指標(biāo):以該指標(biāo)的最大值做分子,分別對(duì)應(yīng)各指標(biāo)去除以最大值;即進(jìn)行無(wú)量綱化處理。

        2)確定權(quán)重。為了客觀(guān)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)的重要性,有必要將不同分析方法的權(quán)重集化。將各項(xiàng)指標(biāo)的主、客觀(guān)值權(quán)重融合并確定最終權(quán)重值。

        計(jì)算綜合權(quán)重Rij,式中取主觀(guān)偏好系數(shù)α=0.5,θj與wi分別為層次分析法和權(quán)熵法所確定的第j組和第i組的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值。

        3)建立決策矩陣。建立決策矩陣W,即用無(wú)量綱化值分別對(duì)應(yīng)乘以各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重。

        4)求正理想解Xi+與負(fù)理想解Xi-。分析決策矩陣W,求取各項(xiàng)指標(biāo)的最大值與最小值作為正理想解Xi+與負(fù)理想解Xi-。

        5)計(jì)算相對(duì)接近度。計(jì)算參試雜交組合對(duì)理想解的相對(duì)接近度Ci,根據(jù)公式得出各參試組合與正負(fù)理想解Xi+、Xi-之間的距離Si+、Si-。

        其中,W代表決策矩陣,Xi+代表正理想解,Xi-代表負(fù)理想解,Si+代表第i個(gè)指標(biāo)與正理想解之間的距離,Si-代表第i個(gè)指標(biāo)與負(fù)理想解之間的距離,Ci代表相對(duì)接近度Ci∈[0,1],i=1,2,…m,j=1,2,…n。

        TOPSIS表明,Ci越大,參試雜交組合對(duì)理想解的相對(duì)接近度越高,表明參試組合的綜合表現(xiàn)越理想,排名也越靠前。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 各處理方差分析

        利用方差分析去研究各處理對(duì)于穗長(zhǎng)、穗粗、株高、莖粗、產(chǎn)量、人工農(nóng)資費(fèi)、總毛收入、總支出、純收入共9項(xiàng)的差異性(表2),不同重復(fù)樣本對(duì)于穗長(zhǎng)、穗粗、莖粗3項(xiàng)指標(biāo)不會(huì)表現(xiàn)出顯著性差異(P>0.05),意味著不同處理的重復(fù)樣本對(duì)于以上3項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)出一致性,并沒(méi)有差異性??赡苁窃撈贩N穩(wěn)定的農(nóng)藝性狀造成了兩種灌溉模式下的差異不明顯,但其余6項(xiàng)指標(biāo)都呈現(xiàn)出極顯著差異(P<0.01),所以通過(guò)單一指標(biāo)的方差分析很難判斷出河西走廊制種玉米最佳的灌溉處理與經(jīng)濟(jì)效益,有必要通過(guò)綜合評(píng)價(jià)方法來(lái)整體判斷。

        表2 各處理方差分析

        2.2 單一指標(biāo)間的Pearson系數(shù)

        不同處理下的單一指標(biāo)Pearson系數(shù)如表3所示,表中穗長(zhǎng)與產(chǎn)量、純收入呈顯著正相關(guān),與灌溉量呈顯著負(fù)相關(guān);株高與莖粗呈顯著正相關(guān),與產(chǎn)量、純收入呈極顯著正相關(guān);產(chǎn)量與純收入成極顯著正相關(guān),與灌溉量呈極顯著負(fù)相關(guān);灌溉量與純收入呈極顯著負(fù)相關(guān),通過(guò)分析得知不同灌溉處理下的純收入受多個(gè)指標(biāo)的綜合影響,指標(biāo)間效應(yīng)既重疊,又不可被相互代替,需要通過(guò)綜合分析的方法,建立數(shù)據(jù)模型進(jìn)行準(zhǔn)確分析。

        表3 單一指標(biāo)間的Pearson系數(shù)

        2.3 綜合分析評(píng)價(jià)

        2.3.1 基于A(yíng)HP層次分析法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重值基于層次分析法評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,可以很好地將定性與定量結(jié)合起來(lái),在處理復(fù)雜交互交叉的問(wèn)題分析中很好地給出客觀(guān)的權(quán)重評(píng)價(jià)。從表4可知,針對(duì)總目標(biāo)層A(選擇最優(yōu)處理)而言,標(biāo)準(zhǔn)層B的標(biāo)準(zhǔn)是穗長(zhǎng)(B1)、穗粗(B2)、株高(B3)、莖粗(B4)、產(chǎn)量(B5)、灌溉量(B6)、純收入(B7),總共7項(xiàng),構(gòu)建7階判斷矩陣進(jìn)行AHP層次法研究,根據(jù)指標(biāo)間的層次關(guān)系,建立具有不完全層次關(guān)系的評(píng)價(jià)指標(biāo)模型(表4),將各指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較并構(gòu)建矩陣模型來(lái)分析局部權(quán)重,計(jì)算整體權(quán)重(表5)。計(jì)算權(quán)重結(jié)果表明,純收入(B7)這個(gè)指標(biāo)的權(quán)重最高為36.58%,其次為產(chǎn)量(B5)為26.38%;權(quán)重占比最小的指標(biāo)是株高(B3)為3.58%。除此之外還對(duì)層次分析法的判斷矩陣做了一致性檢驗(yàn)(表5),通常情況下CR越小,則說(shuō)明判斷矩陣一致性越好,一般情況下CR小于0.1,則判斷矩陣滿(mǎn)足一致性檢驗(yàn);如果CR大于0.1,則說(shuō)明不具有一致性。本次針對(duì)7階判斷矩陣計(jì)算得到Ci為0.116,針對(duì)RI查表為1.36,因此計(jì)算得到CR為0.085<0.1,意味著本研究判斷矩陣滿(mǎn)足一致性檢驗(yàn),計(jì)算所得權(quán)重具有一致性,即說(shuō)明計(jì)算權(quán)重具有科學(xué)性。

        表4 AHP層次分析法判斷矩陣

        表5 AHP層次分析法權(quán)重及一致性檢驗(yàn)

        2.3.2 基于熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重值使用熵值法對(duì)穗長(zhǎng)(B1)、穗粗(B2)、株高(B3)、莖粗(B4)、產(chǎn)量(B5)、灌溉量(B6)、純收入(B7)總共7項(xiàng)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算,從表6可以看出產(chǎn)量(B5)這個(gè)指標(biāo)的權(quán)重最高為21.41%,其次為純收入(B7)為21.18%;權(quán)重占比最小的指標(biāo)是穗粗(B2)為6.13%。并且各項(xiàng)間的權(quán)重相對(duì)較為均勻,均在14.3%附近。根據(jù)AHP法與熵權(quán)法權(quán)重賦值不同,將AHP的主觀(guān)權(quán)重與熵權(quán)法的客觀(guān)權(quán)重相結(jié)合見(jiàn)表7,得出各項(xiàng)指標(biāo)最終權(quán)重用于TOPSIS綜合分析法的求解中。

        表6 熵值法計(jì)算權(quán)重結(jié)果

        表7 基于A(yíng)HP層次分析法與熵權(quán)法綜合權(quán)重

        2.3.3 基于TOPSIS法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)TOPSIS法用于研究與理想方案相似性的順序選優(yōu)技術(shù),通俗理解即為數(shù)據(jù)大小有優(yōu)劣關(guān)系,數(shù)據(jù)越大越優(yōu),數(shù)據(jù)越小越劣,因此結(jié)合數(shù)據(jù)間的大小找出正負(fù)理想解以及正負(fù)理想解距離,并且在最終得到接近程序Ci,并且結(jié)合Ci排序得出優(yōu)劣方案排序[9]。從表8可知,針對(duì)8個(gè)處理(F1-FC,T1-TC)的評(píng)價(jià)對(duì)象以及7個(gè)指標(biāo)穗長(zhǎng)(B1)、穗粗(B2)、株高(B3)、莖粗(B4)、產(chǎn)量(B5)、灌溉量(B6)、純收入(B7)進(jìn)行TOPSIS評(píng)價(jià),首先找出評(píng)價(jià)指標(biāo)的正負(fù)理想解(X+和X-),接著計(jì)算出各處理分別與正負(fù)理想解的距離值D+和D-。根據(jù)D+和D-大小最終計(jì)算得出各評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案的接近程度(Ci),并可針對(duì)Ci進(jìn)行排序,由表8可知,根據(jù)相對(duì)接近度,處理F3相對(duì)接近度最高,排名最前,意味該處理在不同灌溉模式及水分處理下所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益最好,是所有處理中的最優(yōu)方案;如要確定更精確的水分處理方案,還需設(shè)置水分梯度進(jìn)行進(jìn)一步探究。其他處理依次是F2、FC、F1、T2、T3、T1、TC;結(jié)果表明,T組處理排名全部低于F組處理,也更揭示了覆膜漫灌栽培模式在相同水分條件下更優(yōu)于壟膜溝灌栽培模式。

        表8 TOPSIS評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果

        3 結(jié)論與討論

        水資源是農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)資源,在中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中處于戰(zhàn)略地位[10]。土壤水分是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量及水分利用效率的主要環(huán)境因子之一[11],而提高水分利用效率是緩解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水資源匱乏壓力的有效途徑[12]。本研究壟膜溝灌節(jié)水模式下的制種玉米產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益、灌溉水的利用效率均低于覆膜漫灌,可能是壟膜溝灌相較覆膜漫灌,土地被農(nóng)膜覆蓋面積減少,水分蒸發(fā)強(qiáng),壟溝灌水易造成土壤肥料流失,中耕除草增加人工成本等原因引起。

        近年來(lái),地膜在干旱、半干旱地區(qū)大力被推廣使用[13],已證明地膜不僅能夠改進(jìn)土壤表面的小氣候[14],而且可以明顯提高作物的光合生產(chǎn)能力[15]。河西走廊制種玉米在覆膜漫灌的栽培模式下,整個(gè)生育期灌水7次,灌水定額50 mm,灌溉定額350 mm,3段生育期水分控制為80%、60%、60%時(shí),在試驗(yàn)所有處理中經(jīng)濟(jì)效益最大化。因?yàn)楣嗨繙p少造成的成本下降,適宜的干旱使得土壤墑情增大,增加土壤透氣程度及改善根系呼吸作用,并且適宜干旱使得玉米根系拓展更為發(fā)達(dá),支持根在干燥的土壤中支撐能力更強(qiáng),減少根倒、莖折的情況發(fā)生,提高田間保苗數(shù),從而保證產(chǎn)量的提升。進(jìn)一步確定更精確的水分處理方案,以及水分處理后玉米根系的影響,還需再設(shè)置多個(gè)水分梯度進(jìn)行進(jìn)一步探究。

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