不同種植模式冬小麥產量與耗水量的模糊綜合評判

汪順生，劉東鑫，孟鵬濤，王康三，李歡歡（華北水利水電大學水利學院，鄭州450000）

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不同種植模式冬小麥產量與耗水量的模糊綜合評判

汪順生，劉東鑫，孟鵬濤，王康三，李歡歡
（華北水利水電大學水利學院，鄭州450000）

摘要：產量和耗水量是作物節水高產栽培的參考依據。該文采用改進的模糊綜合評判模型，從種植方式、灌水處理2個層次和7個指標對冬小麥的耗水量和產量進行了模糊綜合評價。結果表明：在寬壟種植、水分處理為70%的控制下限的條件下，小麥的水分生產效率最高，即水分處理為田間持水量70%的寬壟種植方式為最優種植模式。水分處理為田間持水量70%的寬壟種植和水分處理為田間持水量60%的寬壟種植處理的水分生產效率分別為1.91、1.88 kg/m3，兩者相差僅為0.03 kg/m3。因此，當水資源較充足時，種植灌溉方式采取水分處理為田間持水量70%的寬壟種植處理模式；當水資源較匱乏時，種植灌溉方式采取水分處理為田間持水量60%的寬壟種植處理模式。模糊綜合評判方法得出水分處理為田間持水量70%的寬壟種植方式，冬小麥產能最優，與大田試驗得出的結論相吻合，故而模糊綜合評判方法可以應用于節水灌溉評價方面。

關鍵詞：作物；水分；灌溉；模糊綜合評判；種植模式；冬小麥；水分生產效率

汪順生，劉東鑫，孟鵬濤，王康三，李歡歡.不同種植模式冬小麥產量與耗水量的模糊綜合評判[J].農業工程學報，2016，32（01）：161-166.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.022 http://www.tcsae.org

Wang Shunsheng, Liu Dongxin, Meng Pengtao, Wang Kangsan, Li Huanhuan.Fuzzy comprehensive evaluation on yield and water consumption of winter wheat with different cropping patterns[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）, 2016, 32（01）: 161－166.（in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.022 http://www.tcsae.org

0　引言

小麥的生長特性和產量是小麥大田試驗研究中重要的研究內容，但目前為止，較多學者對小麥生長特性及產量的研究大多是在常規種植模式下[1-5]。近年來，國內一些學者開始研究壟作種植，并取得了一系列成果[6-10]。但以上的研究中，作者采用的都是一般的大田試驗方法，本文筆者通過大田試驗與數學上的模糊綜合評判相結合的方法對冬小麥的種植模式和灌水方式進行了初步研究，冬小麥的生長特性、耗水量以及產量不僅與施肥、灌水量有關，還與冬小麥的種植方式、灌溉方式有關。中國95%以上農田灌溉面積仍采用地面灌溉技術，畦灌和溝灌在中國農業灌溉中占主導地位，但地面灌溉效率不高，河南是農業大省，是中國的糧食主產區之一，每年的農業耗水量較大，研究寬壟溝灌種植模式，能為以后的農業節水工程提供借鑒。模糊數學是由美國加利福尼亞大學控制論專家在1965年提出來的，模糊數學誕生以來，為我們解決了許多常規數學難以解決的難題[11]。模糊綜合評價方法甚廣，其中就廣泛應用于水資源評價、節水灌溉項目后評價指標權重問題和煙草等方面[11-20]，本文將在不同種植方式、不同灌水方式條件下小麥產量和耗水量方面的模糊評判方面展開一些初步研究，結合模糊綜合評判的方法在冬小麥種植研究中，對試驗結果進行綜合評判，為以后的試驗研究提供一定的借鑒。在實際工作中，處理數據一般都是通過DPS（data processing system）、SNK（student-newman-keuls）、WinSRFR、MATLAB （matrix＆laboratory）以及最基本的EXCEL進行處理，而少有采用數學方法中的模糊綜合評判法。為此，本文以冬小麥耗水特性及產量數據處理為例，引入模糊綜合評判方法，與基本的EXCEL軟件相結合，對冬小麥的耗水特性及產量數據進行處理及驗證。

1　材料與方法

1.1材料來源

本文所用數據來源于大田實測數據，試驗于2012年10月-2013年6月在華北水利水電大學河南省節水農業重點實驗室農水試驗場進行。試驗田地勢平坦，灌排方便，地力均勻一致，土壤為粉沙壤土，田間持水量（質量比）為24%，土壤容重1.35g/cm3。試驗場內設有自動氣象站，自動監測太陽輻射、空氣溫度與濕度、降雨量、風速等相關氣象資料。

本試驗設計2種種植模式，3種水分控制下限，共6個處理，每個處理設置3個重復，種植模式分別為常規種植和寬壟溝灌種植。常規情況下，小麥為20 cm等行距種植；寬壟溝灌種植的灌水溝斷面采用梯形形式，平均行距為22 cm，根據以前寬壟溝灌灌水參數試驗研究，溝、壟面規格分別為40 cm和70 cm時灌水效果最佳，因此，本試驗采用寬壟溝灌的溝、壟面規格分別為40 cm和70 cm。3種水分控制下限分別為田間持水量的60%、70%和80%，在每次灌水前后和下雨后進行田間土壤水分的測定，以冬小麥不同生育期100 cm深的計劃濕潤層的土壤含水量為標準，當相應的深度計劃濕潤層的含水量下降到水分控制下限時，根據灌溉標準進行灌水，每次灌水量為45 mm，詳細的灌水方案由表1可見。冬小麥品種采用花培8號，其抗寒性較好，幼苗時期直立性好，苗勢較壯。

表1　冬小麥灌水方案Table 1 Irrigation program of winter wheat

1.2研究方法

1.2.1模糊綜合評判

模糊綜合評判決策是對受多種因素影響的事物作出全面評價的一種十分有效的多因素決策方法，能夠解決生活和生產中存在的模糊概念，并用定量的方法表示出來，從而為提高定性評價的客觀性提供了一種輔助手段，具有對多層次、多因素復雜問題評價效果的優點[21]，模糊綜合評判的具體步驟[10]如下：

1）評判因素集U={u1，u2，u3，…，un}

根據實際情況，分析影響因素，建立不同種植模式下冬小麥生長特性的評判體系，確立評判指標因素集U={u1，u2，u3，…，un}。

2）評判集V={v1，v2，v3，…，vm}

如果被評判的因素u有v1，v2，v3，…，vm種評判（m為有限值），則可確定評判集V={v1，v2，v3，…，vm}，其中每一種評判對應一個模糊子集。

3）單因素評判

建立一個從U到V的模糊映射f：

f：U→F（V），

ui→f（u）=（ri1，ri2，…，rim）∈F（V）

由模糊映射f可得到模糊關系Rf∈F（U×V）,即：

其中i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，m；0≤rij≤1。rij表示某個被評判因素ui對評判vj的隸屬度，進而可得到模糊矩陣R，即

稱R為單因素評判矩陣。

4）綜合評判

通常情況下，n個評判因素u1，u2，u3，…，un是非等同的，并且各因素對總體的影響不一，故而需要確定每一個評判因素的權重A=（a1，a2，…，an），采用改進的綜合評判模型（·，+），即可得綜合評判

1.2.2試驗數據的常規統計法

全生育期耗水量的測定：根據階段耗水量公式，算出冬小麥各個生育階段的耗水量，最后得到整個生育期的耗水量。利用水量平衡方程計算各處理冬小麥階段耗水量，公式為

式中ET1-2為階段耗水量，mm；i為土層編號；γ為1 m內土層平均干容重，g/cm3；Hi為第層土壤厚度，cm；M為時段內灌溉水量，mm；P為時段內有效降雨量，mm；K為地下水補給量，mm，由于試驗場內地下水埋深在5 m以下，且通過雨后測墑發現單次降雨量均未造成計劃濕潤層深層滲漏，故地下水補給量可視為0。

產量指標的測定：大田實驗結束之際，在試驗小區隨機選取30株小麥分別進行考種，測產指標有：穗長、穗粒數、千粒質量和籽粒質量。實際產量由最后收獲的子粒產量構成，根據各試驗小區的實際產量，折算成每公頃產量[22]。

2　結果與分析

2.1因素集的確定

本文對不同種植、不同灌水控制下限的冬小麥{u1，u2，u3，u4，u5，u6}進行模糊綜合評判，其中其中u1、u2、u3分別表示寬壟種植下冬小麥的3種灌水控制下限60%、70%、80%的處理，u4、u5、u6分別表示常規種植下冬小麥的3種灌水控制下限60%、70%、80%的處理，將上述因素作為二級評判因素。對于一級因素，我們選取冬小麥全生育期耗水量、穗數、穗粒數、籽粒質量、千粒質量、產量、水分生產函數7個因素作為一級評判因素。當然，模糊決策中考慮以上因素的同時，還需考慮其他因素，比如寬壟種植的挖溝準備工作、降雨、溫度等因素，但由于這些因素的量化工作較難，本文暫不考慮，隨著研究的深入，再作考慮。

2.2各因素隸屬函數的確定

筆者通過冬小麥的大田試驗研究，得到以下數據，見表2，根據表中數據可以建立各因素的隸屬函數，并得到單因素評判矩陣。

關于隸屬函數的確定，首先各類數據單位應統一，對于單位不同的數據，可根據模糊數學中的數據標準化方法，采取一種較為合適的，對數據進行標準變化。分別對冬小麥全生育期及各個生育階段耗水量數據取其倒數，再根據以下公式將數據標準化，即

表2中數據處理之后如表3所示。

表2　冬小麥的耗水與產量指標Table 2 Index of winter wheat yield and water consumption

表3　冬小麥的耗水與產量單因素評判集Table 3 Single factor evaluation set of winter wheat yield and water consumption

2.3一級評判

2.3.1權重的確定

在模糊綜合評判決策中，權重反映了各個因素在綜合決策過程中占有的地位或所起的作用，直接影響到決策的結構，故而至關重要。權重的確定方法多種多樣，有專家預測法、加權統計法、頻數統計法、模糊協調決策法、模糊關系方程法、層次分析法等，本文采用專家預測法，選10位節水灌溉專家及長期從事節水灌溉試驗的技術人員對試驗田及試驗過程進行實地考察，進而分別對7個指進行評判，得到權重A1=（0.2,0.1,0.1,0.1,0.1,0.1,0.3）。

2.3.2一級模糊綜合評判

綜合評判模型有M（∧，∨），M（·，∨）以及諸多改進模型，本文采用改進模型中的M（·，+）。

由一級評價結果可知：對于寬壟種植的冬小麥來講，灌水控制下限為70%時評價最高，即S2處理（灌水控制下限為70%）評價最高，S1處理（灌水控制下限為60%）其次，S3處理（灌水控制下限為80%）評價最低；而常規種植中，評價最高的為70%的灌水控制下限，最低者為60%的控制下限。由表2可知，大田試驗結果寬壟種植中，雖然S3處理小麥產量最大，但是其全生育期耗水量也是最多，S2處理耗水量較S3處理相對較少，最終從水分利用效率來看S2處理達到最大，其次為S3處理，最小為S1處理；常規種植中水分利用效率為S5處理（灌水控制下限為70%）>S4處理（灌水控制下限為60%）>S6處理（灌水控制下限為80%）。因此，在選擇最佳灌水方式應該選擇控制下限為70%的灌水方式，評價結果與本次大田試驗結果相吻合。

2.4二級評判

2.4.1權重的確定

本次試驗中設置了3種灌水控制下限，控制下限的不同，灌水次數不同，從而導致冬小麥在整個生育期灌水總量的不同。灌水頻率和灌水量的不同，也就意味著小麥在不同生育階段的灌水不一樣，眾所周知，小麥在中后期的生長旺盛，耗水量較大，所以不同的灌水頻率和灌水量可對冬小麥的生長發育產生不一樣的效果，從而導致對產量和水分生產函數造成一定的影響。綜合考慮其他因素，根據小麥灌水控制下限和種植方式的不同，對其權重設置為：0．4，0．4，0．2，即A2＝（0．4，0．4，0．2）。

2.4.2二級模糊綜合評判

二級評判的模糊關系為B=（BT1BT2），即

從以上的評判結果可知：寬壟溝灌種植情況下，評價最高為0.334 21，因此，寬壟種植與常規種植相比較優，即冬小麥在寬壟種植條件下比常規種植條件下節水。在一級評判中，寬壟種植中灌水控制下限為70%時即S2處理的試驗效果最佳，綜合來看，應該采取S2處理的種植模式，可以取得最優產量，對照表2中可知，雖然S2處理種植模式下其產量不是最大，耗水量也不是最少，但其水分利用效率卻為最高。再者，從表2中可看出，在同一灌水控制下限條件下，寬壟種植模式下的小麥水分利用效率較常規常規種植高，因而得出在寬壟種植，灌水控制下限為70%的條件下可以得到冬小麥最優產。

2.5模糊綜合評判在大田試驗中的應用

不同的種植方式和不同的灌水標準只是一種手段，作物最終的產量多少才是我們的目的。因此，本文采取水分生產效率作為評判最終目標的工具手段，即最終目標體現在作物產量與灌溉水量的對應關系上，從而采取水分生產效率來評估不同種植模式條件下的節水效果和產生的經濟效益。

由表2可知：寬壟種植模式條件下，3種水分處理的水分利用效率較常規常規種植高，其中S2處理的水分利用效率最高，S1其次，S6處理的最低，分別為1.91 kg/m3、1.88 kg/m3和1.64 kg/m3。水分處理相同時，寬壟種植的水分利用效率高于常規種植，這與小麥的寬壟種植模式有關。寬壟種植灌水時，灌水速率較常規顯著提高，溝內水分在流動時向溝內兩側的壟體慢慢入滲，與大水漫灌相比較為節水；寬壟種植條件下，雨水能夠匯聚到溝內，可以有效利用雨水；寬壟種植與常規種植相比，前者可以有效減少土壤水分蒸發面積。綜合上述原因可知，寬壟種植可降低冬小麥籽粒單位產出所消耗的水量。再者，寬壟種植與常規平作種植相比，前者條件下冬小麥生長初期光照充足、水分蒸發較少，其生育進程較后者稍快，作物相對產量較高、水分利用效率相對較高。由表2可知，S1處理和S2處理的水分利用效率分別為1.88 kg/m3、19.1 kg/m3，兩者相差僅為0.3 kg/m3，因此，在水資源較為充足的情況下，可以采用寬壟種植的S2處理進行冬小麥耕作種植，當水資源缺乏的情況下，可以采用S1處理進行冬小麥耕作種植。

模糊綜合評判方法得出S2種植模式下，冬小麥產能最優，與大田試驗得出的結論相吻合，故而模糊綜合評判方法可以應用于節水灌溉評價方面，但是該模型仍有其他因素沒有考慮進去，筆者下一步的研究方向就是多因素、多層次的模糊綜合評判研究。

3　結論

本文以常規種植模式為對照，初步探究寬壟溝灌種植模式不同水分控制下限對冬小麥的耗水量、產量和水分利用效率的影響，結論如下：

1）通過模糊綜合評判的方法對冬小麥的產量和耗水量關系進行了評價，發現冬小麥在寬壟種植、灌水控制下限為70%的種植模式下，冬小麥的水分生產效率最高，寬壟種植較常規種植節水。

2）寬壟種植模式條件下，3種水分處理的水分生產效率較常規常規種植高，其中水分處理為田間持水量70%的寬壟種植處理的水分生產效率最高，水分處理為田間持水量80%的常規種植處理的最低，分別為1.91 kg/m3和1.64 kg/m3。與模糊綜合評判法相比較，兩者吻合性較好。因此，模糊綜合評判法可以較好地應用于節水灌溉評價。

3）由于水分處理為田間持水量60%的寬壟種植處理和水分處理為田間持水量70%的寬壟種植處理的水分生產函數相差較小，故而在水資源較為充足的情況下，可以采用寬壟種植的水分處理為田間持水量70%的寬壟種植進行冬小麥耕作栽培，當水資源缺乏的情況下，可以采用水分處理為田間持水量70%的寬壟種植進行冬小麥耕作栽培。

4）該模型不僅適用于冬小麥生長過程的耗水量與產量關系的綜合評判，只要把相關因素輸入，利用該模型同樣能對其他作物得出較為客觀的結論，但是該模型仍有未考慮到的因素，下一步將更加深入研究模糊綜合評判法在節水灌溉中的應用。

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Fuzzy comprehensive evaluation on yield and water consumption of winter wheat with different cropping patterns

Wang Shunsheng, Liu Dongxin, Meng Pengtao, Wang Kangsan, Li Huanhuan
（School of Water Conservancy, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450000, China）

Abstract:Yield and water consumption are the reference of crop water-saving and high-yield cultivation.In this paper, the improved fuzzy comprehensive evaluation model was used to evaluate fuzzily and comprehensively the water consumption and yield of winter wheat from the 2 levels and 7 indicators of cropping patterns and irrigation treatments.The experiment, from October 2012 to June 2013, was conducted at water test site（34°51′N, 113°49′E）in Henan Province Key Laboratory of Water-saving Agriculture Farming, North China University of Water Conservancy and Electric Power.Two kinds of planting patterns were designed in the experiment, which were respectively the wide ridge planting pattern and conventional planting pattern.Meanwhile, 3 kinds of irrigation ways were designed for each planting pattern, which were respectively 60%, 70% and 80% of field moisture capacity.The yield and water consumption of winter wheat through field trials were studied using the method of fuzzy comprehensive evaluation.The results showed that the yields under the wide ridge planting pattern with 60%, 70% and 80% of field moisture capacity were respectively 6 352.97, 7 589.96 and 7 963.77 kg/hm2; and the water consumption amounts during the whole growth period were respectively 337.91, 398.24 and 443.59 mm.While the corresponding yields and water consumption amounts of conventional planting pattern were respectively 6 202.4, 7 352.33 and 7 801.04 kg/hm2and 364.17, 424.75 and 475.51 mm.Compared with the conventional planting pattern, the yield under the wide ridge planting pattern was higher, and the amount of water consumption during the whole growth period was less.The wide ridge planting pattern had a number of advantages compared with the conventional planting pattern.For example, when it was watering under the wide ridge planting, the rate of flooding was significantly faster, and water in the trench flowed slowly to infiltrate into both sides of the ridge body during the irrigation time.Therefore, the wide ridge planting pattern was much more saving water than the conventional planting pattern.In addition, the wide ridge planting could effectively reduce soil moisture evaporation area, and reduce the amount of water consumption per unit output of winter wheat.The water use efficiency of the treatment with wide ridge planting and 70% of field moisture capacity was 1.91 kg/m3, while that with conventional planting and 60% of field moisture capacity was 1.88 kg/m3.The water use efficiency of winter wheat under the condition of wide ridge planting and 70% of field moisture capacity was the highest, which meant that it was the optimal planting and irrigation mode.The difference between maximum and minimum of water use efficiency was 0.03 kg/m3.Therefore, when the water resource of the area was abundant, the planting and irrigation mode with wide ridge planting and 70% of field moisture capacity could be taken as the best choice; when the water resource of the area was relatively scarce, the best choice was the conventional planting combined with 60% of field moisture capacity.The fuzzy comprehensive evaluation results are in agreement with the field test results, which indicates the feasibility of this method in the application of water saving irrigation.

Keywords:crops; moisture; irrigation; fuzzy comprehensive evaluation；planting patterns; winter wheat；water use efficiency

作者簡介：汪順生，男，安徽安慶人，博士，副教授，主要從事農業水土與環境方面的教學和研究工作，鄭州華北水利水電大學水利學院，450000。Email：wangshunsheng@ncwu.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金項目（51279157）；河南省教育廳科學技術研究重點項目（12A210018）；河南省高等學校青年骨干教師資助計劃項目；華北水利水電大學高層次人才科研啟動項目

收稿日期：2015-07-16

修訂日期：2015-11-03

中圖分類號：S275.3

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6819（2016）-01-0161-06

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.022