不同灌水定额对膜下滴灌玉米生长的影响

2021-10-30赵经华胡建强胡文军彭艳平

新疆农业科学 2021年4期

赵经华，胡建强，杨磊，胡文军，彭艳平

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2.中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司，乌鲁木齐 83000；3.新疆巴音郭楞蒙古自治州若羌县红枣科技服务中心，新疆若羌 841800)

0 引言

【研究意义】膜下滴灌玉米灌溉制度的确定受多重因素影响[1]。评价方法决定评价结果的客观性、公正性与合理性[2]。水分利用效率法和传统AHP法互有长短且评价结果存在非一致性，很难做到全面性评价[3,4]。组合评价能降低评价过程的误差，增强评价结果的稳定性[5,6]。对比分析不同评价方法的优劣，对灌溉制度评价体系的完善具有一定的理论意义。【前人研究进展】水分利用效率法是目前最主要的最优灌溉制度评价方法，模糊综合评判法中的层次分析法广泛应用于农业灌溉领域[7]。水分利用效率法能反映水的利用效率及产生的经济效益，但往往受试验数据的随机误差影响较大[8]。该方法的评价结果不能产生使经济效益最优的唯一评价值，需要评价者对评价结果进行主观分析并决策[9,10]。由T.L.Satty提出，适用于考虑因素较多且无法准确决策问题的层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)得到广泛应用[11-13]。传统AHP法依据单一专家经验构造判断矩阵主观性较大，存在的缺陷将影响评价结果的科学性与准确度[14]。在权重确定过程中，由于评价者知识经验的限制缺乏对实际数据的客观反映，主观随意性较强[15]。调整判断矩阵使其满足一致性检验过程中，判断矩阵的调整带有主观性和盲目性，可能导致评价结果的失真[16]。【本研究切入点】弥补单一评价方法存在缺陷，决策投资蔬菜保鲜项目时，验证了双组合评价方法的可行性与有效性[17]。层次分析法与熵权法结合确定权重的方法，在综合能源系统进行效益评价过程中具有可行性和有效性[18]。基于组合评价法对青岛市工业发展潜力进行评价，采用roc法说明了该模型的有效性[19]。【拟解决的关键问题】采用水分利用效率法的评价结果代替专家去构造成对比较矩阵从而优化AHP法，使2种方法的优势互补并对比分析组合前后评价结果的科学合理性，确定适宜农业灌溉领域的评价方法。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2017年4～10月在新疆阿勒泰福海县灌溉试验站(N47°00′56″～47°01′56″，E87°35′56″～87°36′01″)进行，试验地高程550 m。参照《森林土壤颗粒组成(机械组成)的测定》GB7845-1987，试验地土壤质地为多砾石砂土，各层土壤按美国农业部土壤质地三角形进行土壤颗粒划分，作物生长期的气象数据由站内安装的HOBO小型自动气象站(北京康复莱科技有限公司)自动观测，每30 min测1次。表1～3

表2 土壤酸碱度及微量元素含量Table 2 Soil potential of hydrogen and trace element content

表3 气象数据Table 3 Meteorological data

1.2 方法

1.2.1 试验设计

选用适宜在≥10℃的积温为2 600℃以上地区种植的先玉1331号玉米为供试品种。选用滴头流量3.6 L/h，滴头间距0.3 m的单翼迷宫式滴灌带。用文丘里施肥罐(中国亿碧源节水设备科技有限公司)进行施肥。选用QT-303型号，长700 mm，直径为44 mm规格的Trime管(中国北京环科联创科技有限公司)进行田间布置。土壤水分含水率由TRIME—IPH型土壤水分探测仪(德国IMKO公司)通过预先布置好的Trime管进行测量。图1

图1 玉米种植模式及Trime管平面布置Fig.1 Maize cropping pattern and Trime tube layout plan

试验设5个灌水定额处理(30.0、37.5、45.0、52.5、60.0 mm)。5月15日灌出苗水，各处理灌水定额均为30.0 mm；各处理均采用37.5 mm灌水定额于6月10日补水。5月13日播种并施加底肥(磷酸二铵150 kg/hm2，硫酸钾镁肥90 kg/hm2)，分别于7月12日、7月19日、7月25日和8月9日施加尿素(225 kg/hm2)，10月3日测产并收获。玉米生育期划分为：5月24～28日为苗期，5月29日～6月14日为拔节期，6月15日～7月15日为喇叭口期，7月16日～8月6日为抽雄散粉期，8月7～26日为乳熟期，8月27日～9月25日为完熟期。各试验小区随机布置，每个处理设3个重复，小区之间均设有1.5 m隔离带，防止水分交互；玉米试验田面积0.55 hm2，各小区面积0.03 hm2，各小区定苗株数均为3 000株。表4

表4 玉米拔节期后灌水设计Table 4 Design scheme of maize irrigation after jointing stage

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 耗水量

TRIME—IPH在播种前、收获后、灌前、灌后测定土壤剖面含水率(体积)，生育阶段转变与降雨后需进行加测。每10 cm分层测定0～60 cm土壤含水率。旱作物的生育期任一时段内，作物耗水量根据农田水量平衡方程计算：

ET=W0-Wt+WT+P0+K+M.

(1)

式中：ET为时段t内的作物耗水量(mm)；W0、Wt分别为时段初与时段末的土壤计划湿润层内的储水量(mm)；WT为由于计划湿润层增加而增加的水量(mm)，试验不涉及计划湿润层的增加，故WT=0；P0为土壤计划湿润层内保存的有效降水量(mm)；K为t时段内的地下水补给量(mm)；试验区地下水埋深大于6 m，不考虑地下水补给(即K=0)[20]；M为时段t内灌溉水量(mm)。

1.2.2.2 产量与利用效率

各处理随机选取15株玉米考种、脱粒，晾晒至恒重时各处理称重取均值并折合单位面积产量[21]。将玉米产量与全生育期耗水量的比值作为水分利用效率(WUE)；产量与全生育期总灌水量的比值作为灌溉利用效率(IWUE)。

1.3 数据处理

AHP法能将领域中因素间及其边界模糊定量化，对目标产生唯一评价值并选出最优对象。AHP法将决策目标、9个考虑因素(A1～A9：穗长、每穗粒数、百粒重、结棒高、秃尖长、产量、WUE、耗水量和IWUE)和5个决策对象(B1～B5：30.0、37.5、45.0、52.5和60.0 mm)按相互关系分成目标层、准则层和方案层。专家依据自身经验并结合1～9标度法[22]进行赋值构造各层成对比较矩阵。表5

综上所述，德阳地区学龄前儿童缺铁性贫血的主要影响因素为出生低体质量、消化功能、添加辅食时间、妊娠期贫血、家庭饮食习惯，在早期关注孕妇及胎儿的营养状况，适时添加辅食及合理搭配儿童的饮食结构，可起到预防儿童缺铁性贫血的作用。

根据(1)式计算成对比较矩阵每列之和，其中j代表列数；按(2)式进行归一化处理得到隶属度矩阵；由(3)式计算隶属度矩阵每行之和，其中i代表行数；最终按(4)式计算层次单排序的归一化特征向量。归一化特征向量能否作为权向量，需要进行一致性检验。由(5)式判断成对比较矩阵是否一致阵，若满足，则归一化特征向量能作为权向量；若不满足，则需要进行一致性检验。根据(6)式求得成对比较矩阵的最大特征根，代入(7)式计算一致性指标C.I.，查10维矩阵的随机一致性指标R.I.，由(8)式计算一致性比率C.R.。若C.R.<0.1，认为层次单排序通过一致性检验，具有满意的一致性；否则需要重新构造成对比较矩阵，直到满足条件为止。

通过对1～10维矩阵重复计算1 000次得到平均随机一致性指标R.I.，1维、2维矩阵R.I.为0，3维矩阵R.I.为0.52，4维矩阵R.I.为0.89，5维矩阵R.I.为1.12，6维矩阵R.I.为1.26，7维矩阵R.I.为1.36，8维矩阵R.I.为1.41，9维矩阵R.I.为1.46，10维矩阵R.I.为1.49。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

AW=λmaxW.

(6)

(7)

(8)

Wi=z1×d1i+z2×d2i+……+z9×d9i.

(9)

表5 1～9标度法Table 5 1-9 Scaling method

2 结果与分析

2.1 水分利用效率法

研究表明，WUE与产量、每穗粒数和IWUE极显著相关(P<0.01)，与穗高显著相关(P<0.05)，与其余指标无相关性。产量和每穗粒数均与IWUE间无相关性，与秃尖长呈负相关，与百粒重显著相关(P<0.05)，与其余指标极显著性相关(P<0.01)。IWUE仅与WUE极显著相关(P<0.01)。产量和WUE与各因素均有直接或间接的联系，灌溉制度的确定需进一步分析各因素处理间的显著性。在不同灌水定额处理间IWUE无显著差异(P>0.05)。当灌水定额大于45.0 mm时，玉米的产量、WUE、每穗粒数、穗高和秃尖长在处理间差异不显著(P>0.05)；当灌水定额大于52.5 mm时，玉米的各指标在处理间差异均不显著(P>0.05)。综合考虑不同灌水定额对各因素的显著性可知，灌水定额由30 mm增加至45.0 mm时，各灌水处理间除IWUE外其余指标均表现差异显著(P<0.05)；当灌水由45 mm增加至52.5 mm时，穗长和耗水量在处理间差异显著(P<0.05)；灌水继续增加至60 mm，各指标差异均不显著(P>0.05)。但为了追求最优的产量与WUE只能定性的确定52.5 mm灌水定额处理适宜膜下滴灌玉米。表6

水分利用效率法以产量和WUE为评判标准，通过相关性分析筛选与之相关的评价指标，将选取的评价指标进行处理间显著性分析，确定灌水定额的增加对评价指标的影响程度。该方法选取灌溉制度时存在一定的推理与定性分析，处理与因素以及因素之间的联系性均较差，只能通过评价者的主观意识去综合考虑各因素处理间的显著性，选取适宜的灌溉制度。表7

2.2 传统AHP法

根据(9)式，将计算的层次单排序权向量进行累加计算得层次总排序权向量W=(0.041,0.086,0.422,0.250,0.200)。由层次总排序权向量W可知，各方案权重为W3>W4>W5>W2>W1，即45.0 mm灌水定额最适宜该地区膜下滴灌玉米的生长。表8

表8 传统AHP法准则层成对比较矩阵Table 8 Paired comparison matrix of criterion layer of traditional AHP method

2.3 优化AHP法

研究表明，方案层矩阵构造方法相同。由AHP模型计算可得：准则层权向量Z=(0.100,0.202,0.032,0.100,0.055,0.240,0.108,0.144,0.018)，C.R.=0.022<0.1。同理，方案层成对比较阵权向量分别为D1=(0.042,0.084,0.177,0.425,0.273)，C.R.=0.031<0.1；D2=(0.057,0.118,0.178,0.324,0.324)，C.R.=0.013<0.1；D3=(0.098,0.184,0.184,0.349,0.184)，C.R.=0.002<0.1；D4=(0.051,0.108,0.281,0.281,0.281)，C.R.=0.009<0.1；D5=(0.051,0.108,0.281,0.281,0.281)，C.R.=0.009<0.1；D6=(0.091,0.091,0.273,0.273，0.273)；D7=(0.065,0.132,0.210,0.383,0.210)，C.R.=0.014<0.1；D8=(0.044,0.075,0.162,0.360,0.360)，C.R.=0.043<0.1；D9=(0.200,0.200,0.200,0.200,0.200)；其中灌水定额对产量与IWUE的成对比较矩阵为一致阵，故不需要进行一致性检验。

根据(9)式，将计算的层次单排序权向量进行累加计算得层次总排序权向量W=(0.065，0.105，0.218，0.325，0.286)。由层次总排序权向量W可知，各方案权重为：W4>W5>W3>W2>W1，即52.5 mm灌水定额最适宜该地区膜下滴灌玉米的生长。表9

表9 优化AHP法准则层成对比较矩阵Table 9 Pairwise comparison matrix of criterion layer of optimized AHP method

3 讨论

组合评价是将2种及以上的单一评价法进行有机组合、补缺存优，全面性评价并提高评价结果的准确与科学合理性。首先用水分利用效率法和传统AHP法对膜下滴灌玉米的灌溉制度进行评价，分析2种方法在评价过程和评价结果的优缺点。水分利用效率法在评价过程中需要预先处理试验过程中因气象、人为等因素带来的误差，影响评价结果的准确性受到影响；另外，无法得到唯一值的评价结果，评价者需凭主观意识综合各指标的评价做出抉择，使评价结果存在一定主观性，前人研究也可佐证[23-25]。传统AHP法虽然规避了因试验数据误差带来的影响，增强了层次与因素间联系性。但在矩阵构造过程中需依靠专家自身经验，因此，重复构造、主观性较强和一致性较差等问题严重[26,27]。传统AHP法在满足一致性检验情况下，评价结果显示45.0 mm灌水定额最优，但优化AHP认为52.5 mm灌水定额处理最优。因为传统AHP法主观赋值所构造矩阵的C.R.无限接近限定上限，在一定程度上影响最终评价结果的科学合理性。

结合2种方法的优点对传统AHP法进行优化。优化AHP法以传统AHP法为主导并结合水分利用效率法，矩阵构造过程中以相关性与显著性分析结果为准则构造矩阵。提高水分利用效率法的一致性低和主观性强问题，保留传统AHP法的联系性强、误差影响小、能获得唯一评价值等优点[28,29]。虽然优化AHP法互补了2种单一评价方法的优点，但只是指标权重的组合并不是2种方法本身的融合。另一方面，也没有对优化AHP法的可行性与有效性进行检验。对比分析不同评价方法的优劣，为农业灌溉领域评价体系的建立提供一定的理论依据。