基于熵权的TOPSIS模型在黄瓜适宜抗蒸腾产品评价中的应用

2022-03-12岳焕芳郭芳王铁臣徐进孟范玉安顺伟胡潇怡祝宁

中国瓜菜 2022年2期

关键词：黄瓜

岳焕芳郭芳王铁臣徐进孟范玉安顺伟胡潇怡祝宁

摘要：为了筛选适宜的抗蒸腾产品，提高黄瓜抗旱性，选用2种代谢型、2种成膜型和1种生长调节剂型共5种抗蒸腾产品进行叶面喷施处理，以喷施清水作为对照，测定黄瓜植株生长、植株生物量和产量品质指标，将熵权法和TOPSIS法相结合，对11个评价指标及6个评价方案进行综合分析。结果表明，代谢型国光抗蒸腾剂处理后黄瓜株高比CK提高1.64%，叶片SPAD比CK提高7.37%，地上部和地下部含水率比CK分别提高2.7和9.7个百分点，黄瓜维生素C含量比CK提高25.70%，利用基于熵权的TOPSIS模型分析，代谢型国光抗蒸腾剂处理与最优值的相对接近度为0.991 8，在所有处理中最高。黄瓜整个生育期叶面喷施3次代谢型国光抗蒸腾剂，可以有效提高抗旱能力，促进生长和产量品质提升。

关键词：黄瓜;抗蒸腾;熵权;TOPSIS模型

中图分类号：S642.2 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2022）2-049-06

Application of TOPSIS model based on entropy weight to evaluate coupling effect of suitable anti-transpiration products on cucumber

YUE Huanfang1， GUO Fang1， WANG Tiechen1， XU Jin1， MENG Fanyu1， AN Shunwei1， HU Xiaoyi1， ZHU Ning2

（1. Beijing Agriculture Technology Extension Station， Beijing 100029， China; 2. Agricultural Technology Extension Station of Changping District， Beijing 102200， China）

Abstract： Five anti-transpiration products， including two metabolic type， two film-forming type and one growth regulator， were sprayed on the leaves to select suitable anti-transpiration product for improving drought tolerance of cucumber. Spraying water was used as control and the growth index， biomass index， yield and quality index of cucumber were measured. The TOPSIS model based on entropy weight were used to evaluate 11 indexes and 6 comprehensive evaluation plan. The results showed that the height of cucumber treated with metabolized Guoguang anti-transpiration increased by 1.64%， the SPAD of leaves increased by 7.37%， the water content of shoot and underground increased by 2.7 and 9.7 percentage points compared with CK， the content of vitamin C in cucumber increased by 25.70%. The relative close degree of the metabolized Guoguang anti-transpiration treatment and the optimal value was 0.991 8， the highest among all treatments. Cucumber leaves were sprayed with metabolic Guoguang antitranspirant three times throughout the whole growth period， it could improve the drought resistance effectively， promote growth， yield and quality improvement.

Key words： Cucumber; Anti-transpiration; Entropy weight; TOPSIS model

黃瓜作为高耗水作物，水分需求量较大，容易缺水萎蔫，影响产量和品质[1]，利用现代生物节水技术进行水分调控，成为重要的研究方向之一。其中，研制抗蒸腾产品、研究作物的生理生态响应，以及田间应用效果是其中热点之一[2]。前人研究表明，叶面喷施抗蒸腾剂或者植物激素生长调节物质等可以提高作物抗旱能力[3]。目前，抗蒸腾剂产品根据作用机制可以分为代谢型、成膜型和反射型三种类型[4]。其中，反射型抗蒸腾剂主要利用高岭土等反射材料，反射部分太阳辐射能，减少叶片蒸腾，实际应用较少。目前，市场上代谢型和成膜型抗蒸腾剂产品应用较多，成膜型抗蒸腾剂利用十六烷醇等高分子化合物，在植物叶片表面形成一层薄膜，减少气孔扩散，降低水分蒸腾损失;代谢型抗蒸腾剂主要是通过调节气孔开度抑制蒸腾，并通过调控保护酶活性，提高抗旱能力;油菜素内酯作为第六大植物激素，被称为“逆境缓和激素”[5]。在针对抗旱产品的研究中，大部分研究人员关注重点集中在新产品的研发、适用范围和适宜剂量[6]方面。陈怡昊等[7]的研究表明，黄瓜喷施0.5% FA为适宜浓度，可以提高作物抗旱能力。体积分数为1.5 mL·L-1的复合醇抗蒸腾剂在黄瓜上喷施3次，具有明显节水增产作用[8]。采用0.10～0.15 µmoL·L-1的油菜素内酯叶面喷施黄瓜，可以提高其光合效率[9]。然而，关于不同类型抗蒸腾产品在同一作物使用效果的对比较少，过往研究对象多集中在大田作物和园林植物上[10]。设施蔬菜蒸发量大，经济价值高，对水分较为敏感，但抗蒸腾产品在设施蔬菜上应用的相关研究匮乏，对于设施农业生产缺少指导性数据，不利于其推广应用。

抗蒸腾产品对于作物生长的影响包括多个方面，比如生长、产量和品质等，客观合理的评价是获得适宜抗蒸腾剂产品的前提。熵在热力学中是系统无序程度的度量，可以反映某个指标在评价体系中起作用的大小，根据指标提供信息量的大小赋予相对应的权值，熵权系数法则是根据熵的定义，建立基于熵值权重的多目标决策评价模型[11]，可以直观反映该指标在项目优先级评价中的作用大小，有效避免主观赋权导致的评价结果失准。TOPSIS模型是多指标多决策分析中常用的方法[12]，可以将评价对象与最差解和最优解的距离进行排序，传统的TOPSIS模型在评价指标权重方面，主观因素会影响最终评价结果的准确性[13]，将熵权法与TOPSIS模型相结合，可以获得更客观，更准确的评价结果，在多个研究领域均得到了有效应用，赵思腾等[14]利用熵权法及TOPSIS模型筛选了陇中旱作区适宜玉米轮作的土壤可持续系统，季延海等[15]利用熵权法和TOPSIS法相结合的方法，得出限根栽培下番茄最佳日灌溉量为0.8 L。笔者旨在利用基于熵权的TOPSIS模型，确定黄瓜适宜的抗蒸腾产品，为生产应用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

供试品种为黄瓜津优35号，华北型黄瓜，由天津科润黄瓜研究所选育。

试验选用国光抑制蒸腾剂（代谢型）、旱地龙抗蒸腾剂（代谢型）、神润抗蒸腾剂（成膜型）、植物抗蒸腾剂（成膜型）和油菜素内酯（生长调节剂型）5种抗蒸腾剂产品。

采用混合基质椰糠栽培，容重0.15 g·cm-3，通气孔隙为9.15%，持水能力744%，pH 6.8，EC值为0.3 mS·cm-1，有机质含量为66.3%。

1.2 试验设计

试验于2019年7—10月在北京市昌平区金六环农业园塑料大棚进行，大棚占地面积390 m2，棚体为镀锌管组装式结构，跨度7.8 m、长度50 m、肩高1.5 m。7月30日定植，行距为1.5 m，株距25 cm，共栽种1060株·棚-1，密度合计271 95株·hm-2。水肥管理通过营养液浓度EC值（Electrical Conductivity）和灌溉量调控：8月5—22日為初花期，使用圣诞树水溶肥（20-20-20+TE），EC值为1.5～2 mS·cm-1，正常水肥管理;8月23日至10月20日为结瓜期，营养液EC值为2～2.5 mS·cm-1，期间进行亏缺灌溉：初瓜期（8月23日至9月10日）平均600 mL·d-1·株-1，盛瓜期（9月11日至10月2日）平均800 mL·d-1·株-1，末瓜期（10月3—20日）平均720 mL·d-1·株-1，定植到拉秧累计灌溉量为3004 m3·hm-2，总用肥量为4500 kg·hm-2。

根据产品说明中推荐的浓度范围进行喷施，将试剂对入清水中搅拌均匀，由上至下均匀喷在黄瓜叶片上，以清水为对照。大棚内株距25 cm，行距160 cm，每个处理小区面积为6.5 m2，每个小区内16株，3次重复，随机区组设计。从初花期开始，共喷施3次。其中，8月13日第1次喷施，体积约11 mL·株-1，8月27日和9月11日分别为第2、3次喷施，体积为22 mL·株-1。

1.3 指标测定及方法

每处理每个重复选生长一致的3株黄瓜进行挂牌调查。

1.3.1 植株生长指标株高：采用直尺测量由植株基部到顶端生长点的高度。

叶片数：数植株叶片数。

叶绿素相对含量：采用SPAD 502 Plus叶绿素计（日本konica minolta公司）测定第4片叶，每个叶片重复测定3次，取平均值。

以上指标共测定3次，8月13日进行第1次测定，8月27日和9月11日分别测定第2、3次。

1.3.2 植株生理指标拉秧后取植株地上部和地下部鲜样品，包括茎、叶、果和根，分别称量鲜质量;鲜样品放入烘箱105 ℃杀青，80 ℃烘干至恒质量，称量干质量，分别计算地上部、地下部含水率。

地上部含水率/%=

[地上部鲜质量-地上部干质量地上部鲜质量]×100;

地下部含水率/%=

[地下部鲜质量-地下部干质量地下部鲜质量]×100。

1.3.3 果实品质指标盛瓜期采收商品瓜，采用2，6-二氯酚靛酚滴定法测定黄瓜维生素C含量[16]，手持折射仪测定可溶性固形物含量[17]，采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量[18]，采用考马斯亮蓝G-250染色法测定可溶性蛋白质含量[19]，采用紫外分光光度法测定亚硝酸盐含量[20]，每个处理测定3个黄瓜。

1.3.4 产量指标在坐果期对各处理标记的黄瓜植株进行累计测产。

1.4 数据处理

采用WPS Office 2019进行数据整理，采用SPSS Statistics 26.0进行数据分析，对测定指标进行单因素LSD方差分析，显著水平为0.05。参考前人基于熵权的TOPSIS模型的研究结果进行相关数据分析[11]。

以黄瓜的四大类指标体系：生长指标（株高、叶片数、叶绿素相对含量）、生理指标（地上部含水率和地下部含水率）、品质指标（可溶性固形物、可溶性糖、可溶性蛋白、亚硝酸盐、维生素C含量）、产量指标（单株产量），共11个参数，对6个不同处理进行基于熵权的TOPSIS模型的综合评价分析，首先利用熵权系数法计算出各指标的权重，评价方案数量n=6，评价指标数量m=11，根据下述公式计算出初始评价矩阵[X]=（xij）n×m，第j项指标熵值Hj计算公式如下：

Hj=-k[i=1nfijlnfij]。

fij=[xiji=1nxij]，k=[1lnn]。

再通过下列公式计算出第j项指标熵权：

ωj=[1-Hjm-j=1mHj]。

其次，利用TOPSIS模型计算各评价方案的正理想解、负理想解，以及各评价方案和正理想解、负理想解之间的欧氏距离，并计算出接近度Ci。将标准化矩阵与上述熵权值ωj相乘，计算出加权标准化决策矩阵：

[Z]=（zij）n×m。

zij=ωj×rij;对于高优指标rij=[yij-minyijmaxyij-minyij]，低优指标rij=[maxyij-yijmaxyij-minyij]。

最后，根据公式计算出接近度Ci：

Ci=[di-（di++di-）]

[di+]=[j=1m（zij-xi+）2];[di-]=[j=1m（zij-xi-）2]。

2 结果与分析

2.1 不同抗蒸腾产品对黄瓜生长的影响

由图1可知，定植后42 d，在各处理中，T1处理黄瓜株高值最大，为267.3 cm，与CK差异不显著，T1处理比T2处理株高显著提高17.75%，T3、T4和T5平均株高分別为247.7、258.7、249.0 cm，均与T1和CK差异不显著。T1和CK处理叶片数均为28.3片，分别比T2、T3和T4处理明显提高16.44%，10.36%和11.84%。T1和T5处理SPAD分别为37.9、36.2，比CK分别提高7.36%和2.55%。T1处理黄瓜株高、叶片数和SPAD等生长指标优于其他处理。

2.2 不同抗蒸腾产品对黄瓜生物量的影响

从图2可以看出，T1处理地上部单株鲜质量为278.4 g，比CK显著提高了25.97%;地下部单株鲜质量T1处理最大，为91.2 g，显著高于T2、T3、T4、CK处理，比CK处理的57.7 g提高了58.06%。地上部单株干质量中各处理数值均比CK高，T4和T5分别比CK（38.5 g）提高了12.99%和21.56%，但各处理之间差异均不显著。地下部单株干质量T1处理最大，为30.7 g，显著高于其他处理，比CK处理的25.0 g显著提高了22.80%， T1处理地上部和地下部含水率均最大，分别为85.3%和66.3%，比CK的地上部含水率（82.6%）和地下部含水率（56.6%）分别显著提高2.7和9.7个百分点;T5处理的地上部含水率83.7%、T3处理的地下部含水率60.1%均显著高于CK相应指标，其余各处理含水率与CK差异均不显著。

2.3 不同抗蒸腾产品对黄瓜产量和品质的影响

由表2可以看出，T1、T3和CK单株产量显著高于T2、T4处理，T3单株产量为1.22 kg，比CK提高5.17%，T1单株产量为1.16 kg，比T2和T4处理分别显著提高28.89%和22.11%。

喷施不同抗蒸腾产品，可以对黄瓜果实品质指标产生影响。在各处理中，T1、T4和T5维生素C含量（w，后同）分别为8.74、8.47、7.65 mg·100 g-1，分别比CK显著提高25.70%、21.86%和10.13%。T4处理可溶性固形物含量最高，为3.20 g·100 g-1，T2处理最小，为3.03 g·100 g-1，T4处理显著高于T2，其他处理之间及其他处理与T2、T4之间均无显著差异。T1处理可溶性糖含量最高，为2.31 g·100 g-1，比CK处理显著提高7.00%。T1可溶性蛋白含量最高，为0.290 mg·g-1，但与CK差异不显著，T1和CK显著高于T2、T5、T4，T4处理可溶性蛋白含量最低，为0.173 mg·g-1。T4处理亚硝酸盐含量最低，为0.077 mg·kg-1;T1处理亚硝酸盐含量最高，为0.338 mg·kg-1，T1、T2亚硝酸盐含量均显著高于CK，T3、T4、T5和CK相比无显著差异。综合分析表明，T1处理维生素C、可溶性糖和可溶性蛋白含量均显著高于对照，但亚硝酸盐含量也最高。

2.4 基于熵权的TOPSIS模型的不同抗蒸腾产品对黄瓜影响综合评价分析

通过熵权计算公式，计算得出熵值Hj=（0.999 2，0.999 1，0.999 7，0.999 4，0.998 9，0.999 9，0.999 7，0.990 3，0.920 6，0.998 1，0.996 5），根据熵值计算出不同指标的熵权重，判断出各个指标对于评定最优方案重要性，ωj=（0.007 9，0.009 1，0.003 0，0.006 2，0.010 7，0.000 8，0.003 1，0.098 0，0.805 7，0.019 7，0.035 8）。可以看出黄瓜果实内亚硝酸盐含量熵权值最大为0.805 7，表示该指标变异性小，提供的信息量少;黄瓜果实内可溶性固形物含量的熵权值为0.000 8，表征指标变异性大，提供的信息量最多，为了消除评价指标之间不同量纲对决策方案造成的影响，利用熵权重将原始矩阵进行标准化处理，计算出标准化决策矩阵如下（图3）。

接着，计算出各评价方案和最佳方案的正理想解、负理想解向量，对于高优指标则最大值为正理想解，最小值为负理想解，低优指标则相反，正理想解x+=（0.007 9，0.009 1，0.003 0，0.006 2，0.010 7，0.000 8，0.003 1，0.098 0，0，0.019 7，0.035 8）。

负理想解x-=（0，0，0，0，0，0，0，0，0.805 7，0，0）。其中黄瓜果实中亚硝酸盐含量属于低优指标，其余指标均为高优指标。最终根据各个评价方案与理想方案的欧氏距离，计算出接近度Ci，由表3可以看出，各个方案的评价顺序为T1>T2>T3>CK>T5>T4，T1处理综合分析排名最高。

3 讨论与结论

水分对于黄瓜正常生长具有重要作用，在黄瓜处于干旱缺水条件下，水分胁迫会减缓其生长发育进程，株高、茎粗等生长指标会受到不同程度的影响，光合产物运输受阻，最终会影响黄瓜产量和品质形成[21]。减少水资源用量，发展节水农业，是实现农业可持续发展的必经之路，利用各项技术手段提高作物的抗旱能力具有重要意义[22]，当作物遭受干旱胁迫时，叶片气孔导度降低，抑制了蒸腾的同时，正常光合作用也受到影响，通过喷施抗蒸腾剂产品，优化气孔导度，在保持正常光合作用的前提下，减少奢侈蒸腾量，具有重要意义[6]。前人研究表明，喷施抗蒸腾剂产品后，可以提高葡萄叶片叶绿素含量[23]。本试验表明，不同类型抗蒸腾剂产品应用效果不同，其中代谢型国光抗蒸腾剂处理黄瓜叶片SPAD比CK提高7.37%，可能是因为不同产品适用范围不一致，黄瓜叶片叶面积较大，通过高分子化合物在叶片表面形成薄膜，减少了气孔水分散失，减缓干旱胁迫对黄瓜叶片造成的影响[24]。

抗蒸腾剂产品可以降低蒸腾强度，减缓植物的萎蔫程度，提高组织含水率。前人在小麦[25]、黄瓜[7]等作物上的研究表明，喷施抗蒸腾剂产品后均起到减少水分散失的作用。笔者研究表明，代谢型抗蒸腾剂使用效果优于成膜型抗蒸騰剂，T1处理地上部和地下部含水率均最大，分别为85.3%和66.3%，比CK提高2.7和9.7个百分点。原因可能是代谢型抗蒸腾剂通过调控脯氨酸等抗旱物质，提高了根系渗透势，促进黄瓜吸水[26]。水分对于作物产量和品质形成具有重要的调控作用，植物在遇到干旱胁迫时，会造成产量损失[22]，抗蒸腾剂产品减缓植物萎蔫，确保光合产物的供应，增强根系吸收养分的能力，从而提高产量和品质，本研究结果和已有研究成果一致[27]，T3处理单株产量比CK提高5.17%。维生素C、可溶性糖、可溶性蛋白含量等是评价黄瓜品质的重要指标，T1、T4和T5处理维生素C含量分别比对照提高25.70%、21.86%和10.13%，T1处理维生素C、可溶性糖和可溶性蛋白含量均显著高于对照。

通过采用基于熵权的TOPSIS模型对不同抗蒸腾剂产品对黄瓜的影响进行综合评价，黄瓜果实内可溶性固形物含量为评价结果提供最多信息量，最终评价结果显示T1处理与最优值的相对接近度为0.991 8，在所有处理中最高，T4处理为0.024 0，为所有处理中最低。T1处理为代谢型国光抗蒸腾剂，主要功能成分为黄腐酸，稀释500倍，通过叶面喷施，共喷施3次，可以有效提高黄瓜抗旱能力，促进生长和产量、品质形成。

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