基于最优综合效益的节水灌溉方案熵权系数评价

张星星，王 琴，袁 静，王 洁

(1.连云港市国土局土地整理中心，江苏 连云港 222002；2 河海大学设计研究院有限公司，江苏 南京 210098；3.南京市江宁区水务局，江苏 南京 211100；4.江苏省农村水利科技发展中心，江苏 南京 210029)

农田水利方案的制订需要考虑多项指标，不仅应重视作物的产量、品质，还应关注土壤质量及其可持续发展[1,2]。因此，节水灌溉制度的制定是典型的“多目标、多指标”方案的决策问题[2]。研究表明，农田水利方案的设计常受到主观经验的影响，而通过合理运用统计学先进模型，可提高方案优选结果的客观性[3]。现阶段常用的统计学模型包括主成分分析、投影寻踪分类模型、熵权系数评价模型等，这些模型在滴灌方案优选、暗管排水布局及水氮耦合方案选择等方面取得了较好的应用效果[4-6]。本研究设计不同灌溉措施和灌溉量，以设施番茄为材料，综合考虑主观经验及实测数据，引入改进熵权系数评价法，优选节水灌溉方案，研究结论可为设施农田合理灌溉及农田水利中的模型应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2017年5-10月在江苏省南通市现代农业产业园中进行。试验地属于亚热带海洋性季风气候区，受到明显的海洋调节和季风环流影响，气候温和，降水充沛，光照充足，四季分明。全年平均气温15 ℃，适宜农作物及蔬菜生长。试验在设施大棚中进行，供试土壤为黄棕壤，耕层土壤盐分质量分数2.51 g/kg，容重1.38 g/cm3，田间持水量24.5%，有效氮含量157.3 mg/kg，有效磷含量17.2 mg/kg，有效钾126.1 mg/kg。

1.2 试验设计

试验区共占地120 m2。采用番茄品种“大红宝”为植物试材，育苗至六叶一心后定植，定植时间为5月12日。番茄采用起垄种植的方法，垄高5 cm，垄长3.2 m，垄宽55 cm，相邻两条垄之间留20 cm间距。每垄种植2行番茄，行距30 cm，株距40 cm(图1)。每条垄的两行共16株番茄为一个处理。不同处理之间设置塑料防渗膜，防渗膜深度60 cm，防止不同处理间水分、养分相互影响。肥料采用复合肥料尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O516%)和硫酸钾(K2O 50%)，各处理施肥量为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，另设不施肥处理用于计算氮肥利用效率。不同处理除草及病虫害防治均保持一致，按照当地习惯进行。

试验设3种灌溉定额：140、180和220 m3/hm2，3种灌溉模式：喷灌(P)、滴灌(D)和浇灌(J)，共3×3=9个处理，每个处理重复3次。喷灌处理灌溉量从小至大依次记为P1，P2和P3，滴灌和浇灌处理记法与喷灌相同。喷灌采用旋转式喷头，压力0.25 MPa，流量20 L/h。滴灌管为内镶式圆柱滴头滴灌管，滴头间距30 cm，内径8 mm，滴头流量2 L/h，滴灌工作压力0.3 MPa。浇灌采用人工手动浇灌。各处理均每6天灌溉1次，生育期共灌溉21次，灌溉量通过水表控制。

图1 植株布置情况(单位：cm)

1.3 测定项目与方法

(1)番茄可售产量。番茄进入成熟期后，采集成熟果实并记录其重量，统计番茄总产量，用番茄总产量减去畸形果和病果得出番茄可售产量[7]。

(2)果实糖酸比。在果实成熟期，分别对第一层果和第三层果进行总糖和总酸测定，随机选择各处理中发育状况一致的果实，取2次测定的平均值作为最终结果。总糖含量用斐林试剂滴定法测定；总酸含量通过NaOH滴定法测定；总糖含量和总酸含量比值为果实糖酸比[3]。

(3)氮肥利用效率。采用差值法测定[8]。

(4)盐分降低效率。采用五点法采集耕层(0～20 cm)土壤样品，混合均匀后，测定其盐分质量分数，根据试验前后盐分质量分数差值计算盐分降低效率。

(5)根际土壤孔隙度。在番茄成熟期末期(9月15日)用环刀法测定土壤孔隙度[9]。

1.4 数据分析

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

2 结果与分析

2.1 指标和指标体系

为选择高产、优质、节水节肥且具备较好生态效益的灌溉措施及灌溉量，本与研究选取可售产量、糖酸比、氮肥利用效率、灌溉水量、盐分降低效率和土壤孔隙度6项指标作为评价依据，指标与指标值如表1所示。可售产量直接反映了农产品的回报，现在被越来越多的研究所重视[11]。本研究中，滴灌条件下的高灌溉量处理D3可售产量最高，达到134.0 t/hm2，与D2产量差异并不明显，但显著高于其他处理(P<0.05)；而浇灌处理条件下的低灌溉量处理J1最低，仅为92.7 t/hm2。总体来看，在相同灌水量条件下，滴灌处理下番茄的产量要高于喷灌，这可能由于喷灌在作物株间有一定的无效耗水，而滴灌有利于将水分更精准地输送至作物根部。

糖酸比是决定果实口感和品质的关键指标之一[12]。本研究中，喷灌条件下低灌溉量处理P1糖酸比最高，达到11.05，与P2处理之间没有显著差异(P>0.05)。灌水量总体上与糖酸比呈负相关，这也印证和支持了前人的研究结论[13,14]。就改善果实品质而言，本研究中喷灌的效果要略优于滴灌。

研究表明，水和肥存在耦合效应，以水调肥、以肥促水是水肥耦合理论的重要内容[15]。本研究中喷灌和滴灌处理均以中灌溉量处理(P2和D2)氮肥利用效率最高，分别达到58.3%和62.1%，但浇灌处理没有发现类似规律。与喷灌处理相比，滴灌处理番茄氮肥利用效率更高。

土壤次生盐渍化和土壤板结一直以来是亟待解决的设施农业环境问题[16]。本试验在一季番茄栽培结束后，盐分降低率为21.1%～34.3%，灌溉量与盐分降低效率呈正相关。然而，不同处理盐分降低效率差异并不明显，这可能由于土壤盐分除了受灌溉水影响，还与蒸发量、风速等气象要素密切相关，存在较大的时空变异性。土壤孔隙度以P2最高，达到56.4%，以J3最低，仅为44.6%，两者存在显著差异(P<0.05)。

表1 不同处理下主要指标及指标值

注：同一列不同字母表示在P<0.05水平差异显著。

2.2 模型建立

本研究采用改进熵权系数法对不同节水灌溉方案进行评价，从中筛选出最优方案。设节水灌溉方案的评价指标有n个，方案有m种，本研究中的评价指标包括可售产量、糖酸比、氮肥利用效率、灌溉量、盐分降低效率和孔隙度共6项指标，灌溉方案共9种，所以n=6，m=9。因此，用m种不同灌溉方案结合n个不同指标可以得到评价矩阵[17-19]：

R=(rij)m×n

式中：rij为第i种节水灌溉方案下第j个指标值。对于某个指标rj，有信息熵：

第j个指标值的熵值按下式计算：

第j个指标的客观权重按下式计算：

不同节水灌溉方案的综合评价系数熵权评价值λi可通过如下公式计算：

2.3 模型计算与分析

表2所示为不同节水灌溉方案的评价指标权重。表2中可看出，计算所得可售产量、糖酸比、氮肥利用效率、灌溉量、盐分降低效率和孔隙度的客观权重分别为0.12，0.27，0.14，0.27，0.16和0.04。为获取主观权重值，本研究邀请具有高级职称的专家根据指标重要性赋予不同指标权重值，其中农业水利领域5位，农业经济领域5位和农业环境领域专家5位，取均值列入表2，从表2主观权重值可看出，产量和品质仍然是最受重视的两项指标。根据改进熵权系数评价模型权重计算结果，综合权重较高的3项指标分别为产量、糖酸比和灌水量，与目前提出的高产、优质、高效节水灌溉目标较为吻合[20]。

表2 不同灌溉方案的评价指标权重

图2所示为不同节水灌溉方案的熵权系数评价值。表2中可看出，D2处理(滴灌模式下中等灌水量)熵权系数评价值最高，达到0.93，表明D2节水灌溉方案具备最优综合效益。而浇灌处理J1～J3熵权系数评价值较低，仅为0.67～0.76。不难发现，低灌水量处理P1和D1熵权系数评价值也较高，这可能由于尽管低灌水量条件下产量有所下降，但果实糖酸比相对更高，而糖酸比指标的主观权重、客观权重和综合权重都处于较高水平，因此熵权系数评价值计算结果较优。

图2 不同节水灌溉方案综合效益熵权系数评价值

3 结 论

(1)改进熵权系数评价模型可将主观和客观权重有机结合，既充分遵循了实测数据的原始规律，又充分重视了主观经验在农田水利方案决策中的作用，所得结果科学、可靠，具有较好的推广和应用前景。

(2)模型计算结果表明，D2处理(滴灌模式+378 mm灌溉量)熵权系数评价值最高，达到0.93，表明D2节水灌溉方案具备最优综合效益。在该节水灌溉方案下，番茄可售产量、糖酸比、氮肥利用效率、盐分降低效率和土壤孔隙度分别为132.3 t/hm2，10.73，62.1%，33.9%和52.2%。