基于最優綜合效益的節水灌溉方案熵權系數評價

張星星，王 琴，袁 靜，王 潔

(1.連云港市國土局土地整理中心，江蘇 連云港 222002；2 河海大學設計研究院有限公司，江蘇 南京 210098；3.南京市江寧區水務局，江蘇 南京 211100；4.江蘇省農村水利科技發展中心，江蘇 南京 210029)

農田水利方案的制訂需要考慮多項指標，不僅應重視作物的產量、品質，還應關注土壤質量及其可持續發展[1,2]。因此，節水灌溉制度的制定是典型的“多目標、多指標”方案的決策問題[2]。研究表明，農田水利方案的設計常受到主觀經驗的影響，而通過合理運用統計學先進模型，可提高方案優選結果的客觀性[3]。現階段常用的統計學模型包括主成分分析、投影尋蹤分類模型、熵權系數評價模型等，這些模型在滴灌方案優選、暗管排水布局及水氮耦合方案選擇等方面取得了較好的應用效果[4-6]。本研究設計不同灌溉措施和灌溉量，以設施番茄為材料，綜合考慮主觀經驗及實測數據，引入改進熵權系數評價法，優選節水灌溉方案，研究結論可為設施農田合理灌溉及農田水利中的模型應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2017年5-10月在江蘇省南通市現代農業產業園中進行。試驗地屬于亞熱帶海洋性季風氣候區，受到明顯的海洋調節和季風環流影響，氣候溫和，降水充沛，光照充足，四季分明。全年平均氣溫15 ℃，適宜農作物及蔬菜生長。試驗在設施大棚中進行，供試土壤為黃棕壤，耕層土壤鹽分質量分數2.51 g/kg，容重1.38 g/cm3，田間持水量24.5%，有效氮含量157.3 mg/kg，有效磷含量17.2 mg/kg，有效鉀126.1 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗區共占地120 m2。采用番茄品種“大紅寶”為植物試材，育苗至六葉一心后定植，定植時間為5月12日。番茄采用起壟種植的方法，壟高5 cm，壟長3.2 m，壟寬55 cm，相鄰兩條壟之間留20 cm間距。每壟種植2行番茄，行距30 cm，株距40 cm(圖1)。每條壟的兩行共16株番茄為一個處理。不同處理之間設置塑料防滲膜，防滲膜深度60 cm，防止不同處理間水分、養分相互影響。肥料采用復合肥料尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O516%)和硫酸鉀(K2O 50%)，各處理施肥量為180 kg/hm2N，90 kg/hm2P2O5，54 kg/hm2K2O，按照基肥：第一穗果：第二穗果=1∶1∶1分配，另設不施肥處理用于計算氮肥利用效率。不同處理除草及病蟲害防治均保持一致，按照當地習慣進行。

試驗設3種灌溉定額：140、180和220 m3/hm2，3種灌溉模式：噴灌(P)、滴灌(D)和澆灌(J)，共3×3=9個處理，每個處理重復3次。噴灌處理灌溉量從小至大依次記為P1，P2和P3，滴灌和澆灌處理記法與噴灌相同。噴灌采用旋轉式噴頭，壓力0.25 MPa，流量20 L/h。滴灌管為內鑲式圓柱滴頭滴灌管，滴頭間距30 cm，內徑8 mm，滴頭流量2 L/h，滴灌工作壓力0.3 MPa。澆灌采用人工手動澆灌。各處理均每6天灌溉1次，生育期共灌溉21次，灌溉量通過水表控制。

圖1 植株布置情況(單位：cm)

1.3 測定項目與方法

(1)番茄可售產量。番茄進入成熟期后，采集成熟果實并記錄其重量，統計番茄總產量，用番茄總產量減去畸形果和病果得出番茄可售產量[7]。

(2)果實糖酸比。在果實成熟期，分別對第一層果和第三層果進行總糖和總酸測定，隨機選擇各處理中發育狀況一致的果實，取2次測定的平均值作為最終結果。總糖含量用斐林試劑滴定法測定；總酸含量通過NaOH滴定法測定；總糖含量和總酸含量比值為果實糖酸比[3]。

(3)氮肥利用效率。采用差值法測定[8]。

(4)鹽分降低效率。采用五點法采集耕層(0～20 cm)土壤樣品，混合均勻后，測定其鹽分質量分數，根據試驗前后鹽分質量分數差值計算鹽分降低效率。

(5)根際土壤孔隙度。在番茄成熟期末期(9月15日)用環刀法測定土壤孔隙度[9]。

1.4 數據分析

顯著性分析采用SPSS 17.0軟件(Duncan's multiple range test)[10]。

2 結果與分析

2.1 指標和指標體系

為選擇高產、優質、節水節肥且具備較好生態效益的灌溉措施及灌溉量，本與研究選取可售產量、糖酸比、氮肥利用效率、灌溉水量、鹽分降低效率和土壤孔隙度6項指標作為評價依據，指標與指標值如表1所示。可售產量直接反映了農產品的回報，現在被越來越多的研究所重視[11]。本研究中，滴灌條件下的高灌溉量處理D3可售產量最高，達到134.0 t/hm2，與D2產量差異并不明顯，但顯著高于其他處理(P<0.05)；而澆灌處理條件下的低灌溉量處理J1最低，僅為92.7 t/hm2。總體來看，在相同灌水量條件下，滴灌處理下番茄的產量要高于噴灌，這可能由于噴灌在作物株間有一定的無效耗水，而滴灌有利于將水分更精準地輸送至作物根部。

糖酸比是決定果實口感和品質的關鍵指標之一[12]。本研究中，噴灌條件下低灌溉量處理P1糖酸比最高，達到11.05，與P2處理之間沒有顯著差異(P>0.05)。灌水量總體上與糖酸比呈負相關，這也印證和支持了前人的研究結論[13,14]。就改善果實品質而言，本研究中噴灌的效果要略優于滴灌。

研究表明，水和肥存在耦合效應，以水調肥、以肥促水是水肥耦合理論的重要內容[15]。本研究中噴灌和滴灌處理均以中灌溉量處理(P2和D2)氮肥利用效率最高，分別達到58.3%和62.1%，但澆灌處理沒有發現類似規律。與噴灌處理相比，滴灌處理番茄氮肥利用效率更高。

土壤次生鹽漬化和土壤板結一直以來是亟待解決的設施農業環境問題[16]。本試驗在一季番茄栽培結束后，鹽分降低率為21.1%～34.3%，灌溉量與鹽分降低效率呈正相關。然而，不同處理鹽分降低效率差異并不明顯，這可能由于土壤鹽分除了受灌溉水影響，還與蒸發量、風速等氣象要素密切相關，存在較大的時空變異性。土壤孔隙度以P2最高，達到56.4%，以J3最低，僅為44.6%，兩者存在顯著差異(P<0.05)。

表1 不同處理下主要指標及指標值

注：同一列不同字母表示在P<0.05水平差異顯著。

2.2 模型建立

本研究采用改進熵權系數法對不同節水灌溉方案進行評價，從中篩選出最優方案。設節水灌溉方案的評價指標有n個，方案有m種，本研究中的評價指標包括可售產量、糖酸比、氮肥利用效率、灌溉量、鹽分降低效率和孔隙度共6項指標，灌溉方案共9種，所以n=6，m=9。因此，用m種不同灌溉方案結合n個不同指標可以得到評價矩陣[17-19]：

R=(rij)m×n

式中：rij為第i種節水灌溉方案下第j個指標值。對于某個指標rj，有信息熵：

第j個指標值的熵值按下式計算：

第j個指標的客觀權重按下式計算：

不同節水灌溉方案的綜合評價系數熵權評價值λi可通過如下公式計算：

2.3 模型計算與分析

表2所示為不同節水灌溉方案的評價指標權重。表2中可看出，計算所得可售產量、糖酸比、氮肥利用效率、灌溉量、鹽分降低效率和孔隙度的客觀權重分別為0.12，0.27，0.14，0.27，0.16和0.04。為獲取主觀權重值，本研究邀請具有高級職稱的專家根據指標重要性賦予不同指標權重值，其中農業水利領域5位，農業經濟領域5位和農業環境領域專家5位，取均值列入表2，從表2主觀權重值可看出，產量和品質仍然是最受重視的兩項指標。根據改進熵權系數評價模型權重計算結果，綜合權重較高的3項指標分別為產量、糖酸比和灌水量，與目前提出的高產、優質、高效節水灌溉目標較為吻合[20]。

表2 不同灌溉方案的評價指標權重

圖2所示為不同節水灌溉方案的熵權系數評價值。表2中可看出，D2處理(滴灌模式下中等灌水量)熵權系數評價值最高，達到0.93，表明D2節水灌溉方案具備最優綜合效益。而澆灌處理J1～J3熵權系數評價值較低，僅為0.67～0.76。不難發現，低灌水量處理P1和D1熵權系數評價值也較高，這可能由于盡管低灌水量條件下產量有所下降，但果實糖酸比相對更高，而糖酸比指標的主觀權重、客觀權重和綜合權重都處于較高水平，因此熵權系數評價值計算結果較優。

圖2 不同節水灌溉方案綜合效益熵權系數評價值

3 結 論

(1)改進熵權系數評價模型可將主觀和客觀權重有機結合，既充分遵循了實測數據的原始規律，又充分重視了主觀經驗在農田水利方案決策中的作用，所得結果科學、可靠，具有較好的推廣和應用前景。

(2)模型計算結果表明，D2處理(滴灌模式+378 mm灌溉量)熵權系數評價值最高，達到0.93，表明D2節水灌溉方案具備最優綜合效益。在該節水灌溉方案下，番茄可售產量、糖酸比、氮肥利用效率、鹽分降低效率和土壤孔隙度分別為132.3 t/hm2，10.73，62.1%，33.9%和52.2%。