基于熵權(quán)TOPSIS模型水稻旱澇交替脅迫條件下排灌方案評(píng)價(jià)

曹睿哲，俞雙恩，高世凱，郭 蓉，王 梅，張逸迪,王 姣

(1. 河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098;2. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098)

0 引 言

水稻為我國第一大作物，以不足30%的種植面積生產(chǎn)近40%的糧食產(chǎn)量。我國南方水稻的主要生育期處于雨熱同季的時(shí)期，往往遇到降雨或灌溉時(shí)，稻田地下水位迅速上升形成淹水層，淹水過深而不能及時(shí)排除時(shí)，就引起受澇脅迫；而田間水分不斷消耗致地下水位下降，當(dāng)?shù)叵滤幌陆档揭欢ㄉ疃葧r(shí)，作物根系需水得不到滿足，則會(huì)引起干旱脅迫。在現(xiàn)代水稻種植過程中，稻田總處于有水層和無水層的交替狀態(tài)，如果灌溉和排水不能及時(shí)進(jìn)行，澇、旱脅迫往往會(huì)交替發(fā)生，對(duì)水稻生長產(chǎn)生不利影響，最終會(huì)導(dǎo)致水稻減產(chǎn)[1]。國內(nèi)目前對(duì)單一受澇或者單一受旱脅迫對(duì)水稻影響研究較多，且大部分都基于單一生育期內(nèi)旱澇交替脅迫[2]，而對(duì)受旱澇交替脅迫條件下水稻性態(tài)影響的研究較少。因此有必要尋找一種有效的評(píng)價(jià)方法，對(duì)水稻單一生育期和連續(xù)多個(gè)生育期受到旱澇交替脅迫生長性態(tài)進(jìn)行研究。傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法大多是基于人為主觀意識(shí)，對(duì)評(píng)價(jià)樣本有著不同的要求。TOPSIS模型是一種逼近理想解的排序方法，通過構(gòu)造不同的正、負(fù)理想解，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行排序，得到各個(gè)屬性最理想與最不理想的排列次序[3]。在以往的TOPSIS方法中，各指標(biāo)權(quán)重的確定多數(shù)基于人為主觀因素，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果不能真實(shí)地反映水稻生長的真實(shí)情況。本文利用熵權(quán)法，克服以上缺點(diǎn)，從客觀的角度確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)場地

試驗(yàn)于2015年6月至10月在河海大學(xué)南方高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)場進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)位于亞熱帶濕潤氣候地帶，地理坐標(biāo)為北緯 31 ° 86 ′，東經(jīng)118 ° 60 ′，多年平均氣溫15.7 ℃，多年平均降雨量1 072.9 mm，平均日照量為2 017.2 h，多年平均水面蒸發(fā)量為147.5 mm。試驗(yàn)區(qū)共有32個(gè)測坑，測坑分兩組布置，每組16個(gè)，其中28個(gè)有底，4個(gè)無底，測坑長×寬×深 =2.5 m × 2.0 m × 2.0 m 。試驗(yàn)區(qū)地上設(shè)有電動(dòng)調(diào)節(jié)雨棚，地下設(shè)有廊道和設(shè)備間，供排水控制系統(tǒng)可以使有底測坑可以實(shí)現(xiàn)水位自動(dòng)控制。測坑內(nèi)土壤為黏壤土，土壤密度為 1.46 g/cm總孔隙度為 44.97% ，pH 值為6.97，田持為25.28% 。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)將旱澇交替脅迫的問題歸結(jié)到稻田水位層面進(jìn)行調(diào)控。水稻試驗(yàn)品種南梗9108，水稻5月6日泡種，5月13日育秧，6月16日移栽,10月13日收割。試驗(yàn)選取水稻分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期四個(gè)主要生育階段進(jìn)行水位調(diào)控。各生育階段劃分見表1。試驗(yàn)在水稻的拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期3個(gè)生育期，以農(nóng)田水位作為田間水分控制指標(biāo)，分別進(jìn)行先澇后旱和先旱后澇的處理，對(duì)照(CK)按照控制灌溉進(jìn)行水分管理?？厮谌?00 mm為受澇控制指標(biāo)，取-500 mm為受旱控制指標(biāo)，非控水期取-200～50 mm為水位控制指標(biāo)。測坑水位控制方案見表2。

表1 旱澇交替脅迫水稻主要生育期劃分及控水起止日期

1.3 觀測內(nèi)容及方法

每天上午7∶00-8∶00定時(shí)觀測水位，按試驗(yàn)方案及時(shí)灌水、排水，記錄灌水量、排水量。地面線標(biāo)記為0，水位計(jì)量以地面線以上水位為正，地面線以下水位為負(fù)。收割前，每個(gè)測坑隨機(jī)選5穴，調(diào)查其穗數(shù)、實(shí)癟粒數(shù)，并計(jì)算結(jié)實(shí)率，每個(gè)測坑調(diào)查穗數(shù)。收割后，每個(gè)測坑單打單收，在每穴中隨機(jī)選取1 000粒實(shí)粒，稱取千粒重，并根據(jù)每個(gè)測坑的實(shí)際面積和單位面積內(nèi)的有效穗數(shù)計(jì)算水稻理論產(chǎn)量。株高每個(gè)測坑5取穴中每穴中最高的植株，計(jì)算平均株高。桿徑和節(jié)間距是在每穴中取生長最好的一株，測量倒3節(jié)的平均桿徑和節(jié)間距作為每穴的數(shù)據(jù)，并計(jì)算5穴的平均桿徑和節(jié)間距作為結(jié)果。

表2 旱澇交替脅迫水位控制方案

注：①以農(nóng)田水位作為田間水分控制指標(biāo)，單位為cm，負(fù)值表示田間地下水埋深，正值表示田面水層深度。②不控水時(shí)采用控制灌排技術(shù)，左邊數(shù)值為灌水適宜下限，中間數(shù)值為灌水適宜上限，右邊數(shù)值為降雨時(shí)允許蓄水深度。③先旱后澇各處理，生育期一開始自然耗干田面水層直到地下水埋深達(dá)到設(shè)定的下限值(-50 cm)后立即灌水至淹水上限值，之后不補(bǔ)水，讓其自然消退至控制灌排的適宜灌水下限，然后按照對(duì)照處理的水分條件進(jìn)行控制灌排。所有處理，田面有水層時(shí)，應(yīng)保持2 mm/d的田間滲漏量(根據(jù)測坑面積推算，每天在地下廊道放水口排出10 kg水)，田面無水層時(shí)，禁止地下排水。

2 構(gòu)建評(píng)價(jià)模型

2.1 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

綜合考慮到旱澇交替脅迫條件會(huì)在水稻產(chǎn)量指標(biāo)、生長指標(biāo)和水資源利用3個(gè)方面產(chǎn)生影響，所以按照以上3個(gè)方面選取水稻理論產(chǎn)量、有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重、株高、桿徑、節(jié)間距、水分利用率和需水量10個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)旱澇交替脅迫影響大小的評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中水分利用效率，是指作物每消耗一單位水量生產(chǎn)的干物質(zhì)的量，表示作物吸收水分的利用效率，即用作物理論產(chǎn)量除以作物需水量所得。上述指標(biāo)可分為成本型指標(biāo)(其值越小越優(yōu))和收益型指標(biāo)(其值越大越優(yōu))。其中需水量為成本型指標(biāo)，其余為收益型指標(biāo)。評(píng)價(jià)指標(biāo)分類見圖1。

圖1 評(píng)價(jià)指標(biāo)分類

2.2 確立指標(biāo)權(quán)重

確定指標(biāo)的權(quán)重是后評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。而主要的賦權(quán)方法主要分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩大類，本文采用客觀賦權(quán)法中的熵權(quán)法來確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。熵是系統(tǒng)無序程度的表現(xiàn)[2]，可以用來度量數(shù)據(jù)所提供的有效信息量，當(dāng)某評(píng)價(jià)對(duì)象在某項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的值相差較大時(shí)，其熵值較小，其指標(biāo)的權(quán)重也較大，反之，當(dāng)評(píng)價(jià)對(duì)象在某項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的值相差較小時(shí)，其熵值較大，其指標(biāo)的權(quán)重較小。在指標(biāo)評(píng)價(jià)中，根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)值的差異程度，確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

熵權(quán)法賦權(quán)主要有分為3個(gè)步驟[4]：(1)確定原始數(shù)據(jù)矩陣并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。設(shè)有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，所得到的原始數(shù)據(jù)矩陣為：

(1)

將其標(biāo)準(zhǔn)化可得：

R=(rij)m×n

(2)

式中：rij為第j個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象在第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)上的標(biāo)準(zhǔn)值，rij∈[0,1]。

對(duì)于指標(biāo)值越小越優(yōu)的指標(biāo)而言：

(3)

對(duì)于指標(biāo)值越大越優(yōu)的指標(biāo)而言：

(4)

(2)定義熵。設(shè)有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，第i個(gè)對(duì)象熵定義為：

H=-k∑nf=1fijlnfij，i=1,2,3,…,m

(5)

(3)定義熵權(quán)。第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)為：

(6)

式中：0≤wi≤1，∑m1wi=1。

2.3 構(gòu)建評(píng)價(jià)模型

構(gòu)建TOPSIS模型通常需要以下幾個(gè)步驟[3]：

(1)形成決策模型。設(shè)參與評(píng)價(jià)的多指標(biāo)決策問題的方案集為M=(M1，M2，…，Mm)，指標(biāo)集為D=(D1，D2，…，Dn)，方案Mi對(duì)指標(biāo)Dj的值記為xij(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)，則形成的決策矩陣X為：

(7)

(2)決策矩陣標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于各個(gè)指標(biāo)的量綱不同，需要消除各個(gè)指標(biāo)的量綱對(duì)決策方案的影響，需要對(duì)決策矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。其處理方法同上文式(3)～(4)。

(3)建立加權(quán)決策矩陣。將上文通過熵權(quán)法得到的各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重與標(biāo)準(zhǔn)化處理過的矩陣相乘，得到加權(quán)決策矩陣。

R=(aij)m×n

(8)

aij=wjrij

(9)

式中：wj為各指標(biāo)的權(quán)重值。

(4)計(jì)算理想解。正理想解S+j是決策方案最好的解，其各個(gè)指標(biāo)的值都達(dá)到各個(gè)候選方案中最好的值。負(fù)理想解S+j是決策方案最壞的解，其各個(gè)指標(biāo)的值都達(dá)到各個(gè)候選方案中最壞的值。

(11)

(5)計(jì)算正負(fù)理想解間距。本文正負(fù)理想解的間距用歐式距離來表示：

(13)

(6)計(jì)算相對(duì)貼近度。各個(gè)方案與正負(fù)理想解的相對(duì)貼近度為：

(14)

貼近度值越大表明決策方案越接近理想解，其方案越優(yōu)。

3 實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 評(píng)價(jià)模型計(jì)算結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定水稻產(chǎn)量指標(biāo)、生長指標(biāo)和水資源利用3個(gè)方面理論產(chǎn)量、有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重、株高、桿徑、節(jié)間距、水分利用率和需水量共10個(gè)指標(biāo)值，對(duì)12個(gè)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)建立原始數(shù)據(jù)矩陣A=[6 990 204 118.09 0.908 31.92 87.2 6.48 28.69 9.837 710.6;7 210 210 108.18 0.978 32.449 92.7 4.52 22.2 9.575 753;8 740 220 132.85 0.895 33.415 89.6 5.75 37.74 11.437 764.2;7 700 209 126.86 0.957 30.332 90.8 5.63 28.76 10.089 763.2;7 300 197 112.65 0.954 34.496 85.5 4.82 32.27 10.372 703.8;8 120 206 131.1 0.951 31.616 90.5 6.21 28.13 10.754 760.3;8 090 200 119.69 0.96 35.150 1 93.1 4.37 10.28 10.711 755.3;7 800 205 114.01 0.966 34.531 93.1 5.86 15.73 10.275 759.1;7 270 198 117.06 0.951 33.015 90.3 6.33 25.77 9.772 744.2;7 610 212 120.84 0.959 31.011 91.3 5.71 23.82 9.976 762.8;7 200 200 108.71 0.945 35.041 90.4 5 57 17.72 8.521 761.7;7 434 190 116.23 0.962 35.434 91.9 5.31 19.63 9.901 750.9;8 210 219 121.8 0.95 35.241 92.5 5.05 22.16 10.755 763.4]。

根據(jù)熵權(quán)法的計(jì)算步驟編寫MATLAB，建立關(guān)于熵權(quán)法的m文件，計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)值與權(quán)重，其計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 各評(píng)價(jià)指標(biāo)值、熵權(quán)值與權(quán)重

同樣將上文中式(7)～(14)編寫Matlab中關(guān)于TOPSIS方法的m文件，將權(quán)重的計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果帶入進(jìn)行計(jì)算，得出各個(gè)方案與正、負(fù)理想解的間距及相對(duì)貼合度，結(jié)果如表4所示。

表4 各方案與正、負(fù)理想解間距及相對(duì)貼合度

試驗(yàn)各個(gè)處理方案的相對(duì)貼近度的由大到小的順序?yàn)椋害莄k>η10>η9>η8>η4>η12>η11>η3>η2>η7>η6>η5>η1。

3.2 試驗(yàn)及模型結(jié)果分析

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果可以知，10項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重由大到小依次是株高、結(jié)實(shí)率、桿徑、千粒重、有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、水分利用率、節(jié)間距、理論產(chǎn)量、需水量。各個(gè)旱澇交替脅迫控水試驗(yàn)方案的優(yōu)劣順序?yàn)镃K>處理10>處理9>處理8>處理4>處理12>處理11>處理3>處理2>處理7>處理6>處理5>處理1。其中CK的結(jié)果最接近理想結(jié)果，處理1距離理想結(jié)果最遠(yuǎn)；即3個(gè)生育期不受旱澇交替脅迫影響水稻發(fā)育結(jié)果最好，3個(gè)生育期連續(xù)收到旱澇交替脅迫水稻生育結(jié)果最差，其結(jié)果符合試驗(yàn)科學(xué)依據(jù)。比較3個(gè)生育期分別連續(xù)受到先旱后澇脅迫(處理1)和先澇后旱脅迫(處理7)，結(jié)果表明處理7遠(yuǎn)好于處理1，說明水稻生育期中先旱后澇對(duì)水稻的影響遠(yuǎn)大于先澇后旱的影響，即旱脅迫的影響大于澇脅迫的影響，水稻生育過程中對(duì)旱脅迫的敏感性大于澇脅迫的敏感性，但是無論是先旱后澇還是先澇后旱都會(huì)對(duì)水稻生育產(chǎn)生不利的影響。由連續(xù)2個(gè)生育期分別受到先旱后澇(處理5、處理6)和先澇后旱脅迫(處理11、處理12)的結(jié)果可知拔節(jié)孕穗期和抽穗開花期旱澇交替脅迫對(duì)水稻生育的影響，要大于抽水開花期和乳熟期的影響，并且先旱后澇的影響要大于先澇后旱的影響。由單個(gè)生育期分別受到先旱后澇脅迫(處理2、處理3、處理4)和先澇后旱脅迫(處理8、處理9、處理10)的結(jié)果可以得出，無論是先旱后澇還是先澇后旱都在拔節(jié)孕穗期的影響最大，然后在抽穗開花期和乳熟期的影響依次遞減。其中先旱后澇情況下，在前兩個(gè)生育期單獨(dú)受到脅迫，對(duì)水稻生育的影響較大，遠(yuǎn)大于乳熟期的影響。單個(gè)生育期先澇后旱對(duì)水稻的影響不大，遠(yuǎn)小于先旱后澇時(shí)候的影響。由此可以得出水稻3個(gè)生育期對(duì)于旱澇交替脅迫敏感性排序依次是拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期和乳熟期。

4 結(jié) 語

(1)旱澇交替脅迫是我國水稻種植區(qū)經(jīng)常發(fā)生的一種現(xiàn)象，而旱澇交替脅迫對(duì)水稻生育的影響體現(xiàn)在包含產(chǎn)量在內(nèi)的多個(gè)方面。本文建立了由3個(gè)主要方面，10項(xiàng)指標(biāo)組成的指標(biāo)體系，通過客觀賦權(quán)中的熵權(quán)法，確定了10項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，通過TOPSIS法在整體上評(píng)價(jià)了在不同生育階段旱澇脅迫對(duì)水稻生育的影響，為在實(shí)踐生產(chǎn)中克服旱澇交替脅迫現(xiàn)象，制定合理的灌排方案提供了科學(xué)的途徑。

(2)在確定指標(biāo)權(quán)重時(shí)，運(yùn)用客觀賦權(quán)法的熵權(quán)法，而未考慮主觀賦權(quán)的影響。如果能分別從主觀和客觀賦權(quán)兩個(gè)方面入手，每個(gè)方面運(yùn)用多種賦權(quán)方法確定權(quán)重，然后將主、客觀權(quán)重進(jìn)行組合計(jì)算，確定組合權(quán)重，這樣會(huì)使權(quán)重值更加具有科學(xué)性。如果在評(píng)價(jià)方法上能使用多種評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，將更具體地反映結(jié)果。

(3)本次水稻旱澇交替脅迫試驗(yàn)地點(diǎn)位于江蘇南京，南京屬于亞熱帶氣候，如果有條件在不同地域、不同氣候帶和不同土壤環(huán)境條件下內(nèi)進(jìn)行相同試驗(yàn)，得到不同條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行比較將使試驗(yàn)結(jié)果更具有科學(xué)性和實(shí)踐意義。并且本次試驗(yàn)為一年之內(nèi)的試驗(yàn)，如果能多年持續(xù)進(jìn)行，建立一個(gè)長時(shí)間序列的數(shù)據(jù)庫，這樣就能從多方面入手進(jìn)行評(píng)價(jià)。

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