基于熵權(quán)TOPSIS模型的溫黃平原單季水稻水肥最優(yōu)調(diào)控模式研究

林義錢，李 鵬，肖夢華

（1.臺(tái)州市路橋區(qū)金清人民政府，浙江 臺(tái)州 318058；2.杭州市城市河道保護(hù)管理中心，浙江 杭州 310003；3.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

水稻是喜水喜濕作物，田間耗水量大，灌溉定額高，同時(shí)稻田面源污染是引起水體富營養(yǎng)化的一個(gè)重要原因，已成為全球重要的環(huán)境問題[1-3]。為了緩解水資源的供需矛盾，減少農(nóng)業(yè)面源污染，人們對(duì)水稻節(jié)水灌溉與合理施肥技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究[4-7]。稻田作為人工濕地，在施肥、治蟲以及暴雨后田面保持適當(dāng)水層并持續(xù)一定天數(shù)，可以達(dá)到凈化水質(zhì)的效果[8-10]，因此，水稻水肥調(diào)控技術(shù)已引起人們的關(guān)注。目前，綜合指標(biāo)法、層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法在水肥調(diào)控方案優(yōu)化中的應(yīng)用，存在指標(biāo)維數(shù)不一致、權(quán)重難以確定等問題[11-12]。因此，本研究引入熵權(quán)TOPSIS模型，以溫黃平原單季水稻為研究對(duì)象，選擇2016 — 2018年代表性水肥調(diào)控方案，通過分析水分利用效率、產(chǎn)量、面源污染物流失等指標(biāo)，研究水肥調(diào)控對(duì)水資源高效利用、經(jīng)濟(jì)效益和非點(diǎn)源污染的影響，獲得浙東溫黃平原單季稻最優(yōu)水肥調(diào)控模式。

2 模型建立

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在浙江省灌溉試驗(yàn)重點(diǎn)站 — 金清試驗(yàn)站進(jìn)行，可代表浙江省東部溫黃平原農(nóng)業(yè)耕作區(qū)糧食生產(chǎn)用水的基本特點(diǎn)及環(huán)境特征。該試驗(yàn)站位于溫黃平原的臺(tái)州市路橋區(qū)金清鎮(zhèn)（東經(jīng)121°30′，北緯28°30′），屬于亞熱帶濕潤氣候，年平均降雨120 d左右，年均降雨量1 106.5 mm，其中5 —9月降雨量占年平均降雨量的60%以上。試驗(yàn)場內(nèi)有標(biāo)準(zhǔn)水稻試驗(yàn)小區(qū)24個(gè)，規(guī)格為2.5 m×2.5 m（長×寬），分南北2排布置。試驗(yàn)小區(qū)土壤屬灘涂黏土，0 ～ 30 cm田間持水率為25.0%，土壤容重為1.1 ～ 1.2 g/cm3，pH值為6.9，土壤有機(jī)質(zhì)含量為2.35%。

2.2 評(píng)價(jià)方案

提供試驗(yàn)的水稻品種為甬優(yōu)11號(hào)，選取3種灌溉方式，分別為常規(guī)灌溉W0、薄露灌溉W1與蓄雨薄露灌溉W2，3種施肥方式，分別為不施肥F0，2次施肥F2（施肥比例5:5），3次施肥F3（施肥比例5:3:2），施肥量采用浙江省農(nóng)科院測土配方施肥項(xiàng)目組推薦的施肥水平，平均純氮 225 kg/hm2、P2O5為 100 kg/hm2、K2O 為 120 kg/hm2。試驗(yàn)采用雙因素隨機(jī)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，不同水肥調(diào)控方案設(shè)計(jì)見表1，不同灌溉模式田間水分控制標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表1 不同水肥調(diào)控方案設(shè)計(jì)表

表2 不同灌溉模式的田間水分控制標(biāo)準(zhǔn)表 mm

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

水稻成熟后收割，實(shí)測各試驗(yàn)小區(qū)產(chǎn)量，換算成每公頃產(chǎn)量，得到水稻產(chǎn)量指標(biāo)；利用安裝在試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)口處的水表，量測灌溉期各次灌水定額，將全生育期的灌水定額相加得到實(shí)測灌溉定額；采用測針測定稻田水位，計(jì)算稻田耗水量，實(shí)測產(chǎn)量與灌溉定額比值，得到灌溉水分生產(chǎn)率；使用稻田滲漏儀開展?jié)B漏量觀測，計(jì)算滲漏量，通過耗水量與滲漏量差值計(jì)算獲得需水量；對(duì)排水取樣，采用紫外光光度法分析水樣中的總氮（TN）和總磷（TP）濃度，將排水量與氮磷濃度相乘，即得到單次排水氮素污染物含量；各次排水污染物量相加得到水稻生育期排放總量。

2.4 評(píng)價(jià)優(yōu)選模型

本文采用熵權(quán)TOPSIS法對(duì)浙東溫黃平原單季水稻7種水肥調(diào)控方案進(jìn)行評(píng)價(jià)優(yōu)選，TOPSIS法根據(jù)有限個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與理想化目標(biāo)接近程度進(jìn)行排序的方法，是在現(xiàn)有的對(duì)象中進(jìn)行相對(duì)優(yōu)劣的評(píng)價(jià)?；舅悸肥峭ㄟ^構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)值的加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣來確定決策的理想解和負(fù)理想解，然后計(jì)算被評(píng)價(jià)方案與理想解和負(fù)理想解之間的歐氏距離，從而確定被評(píng)價(jià)方案與理想方案的相對(duì)貼近程度，最后選擇最貼近理想解的方案作為最優(yōu)決策。

3 水肥調(diào)控方案優(yōu)選

3.1 熵權(quán)TOPSIS模型原理

TOPSIS法是多目標(biāo)決策分析中一種常用的有效方法。其基本原理，是通過檢測評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)解、最劣解的距離來進(jìn)行排序，若評(píng)價(jià)對(duì)象最靠近最優(yōu)解同時(shí)又最遠(yuǎn)離最劣解，則為最好；否則為最差。其中最優(yōu)解的各指標(biāo)值都達(dá)到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的最優(yōu)值。最劣解的各指標(biāo)值都達(dá)到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的最差值。TOPSIS法其中“理想解”和“負(fù)理想解”是TOPSIS法的2個(gè)基本概念。所謂理想解是一設(shè)想的最優(yōu)解（方案），各個(gè)屬性值都達(dá)到各備選方案中的最好值；負(fù)理想解是一設(shè)想的最劣解（方案），各個(gè)屬性值都達(dá)到各備選方案中的最差值。方案排序的規(guī)則是把各備選方案與理想解和負(fù)理想解做比較，若其中有一個(gè)方案最接近理想解，而同時(shí)又遠(yuǎn)離負(fù)理想解，則該方案是備選方案中最好的方案。

3.2 熵權(quán)TOPSIS模型算法

熵權(quán)TOPSIS多目標(biāo)決策模型的基本思路:通過構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)值的加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣來確定決策的理想解和負(fù)理想解，然后計(jì)算被評(píng)價(jià)方案與理想解和負(fù)理想解之間的歐氏距離，從而確定被評(píng)價(jià)方案與理想方案的相對(duì)貼近程度，最后選擇最貼近理想解的方案作為最優(yōu)決策。其建模和求解步驟如下:

步驟1:建立初始矩陣[Y] = (yij)n×m。

步驟2:構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣[R] = (rij)n×m。

其中，對(duì)于越大越優(yōu)的收益型指標(biāo):

步驟3:根據(jù)熵權(quán)的定義計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重ωi。

步驟4:構(gòu)造加權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣[Z] = (zij)n×m。其中，zij= ωj×rij， (i∈ n，j∈ m)。

式中:ωj為指標(biāo)權(quán)重，rij為標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣。

步驟5:確定理想解x+和負(fù)理想解x-。

步驟6:計(jì)算各個(gè)方案分別與理想解和負(fù)理想解的歐氏距離d+和d-。

步驟7:計(jì)算各個(gè)方案與理想解的相對(duì)貼近度Si，

步驟8:將Si從大到小排列，Si最大者為最優(yōu)。

3.3 模型應(yīng)用

水稻水肥調(diào)控方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系主要涉及水資源高效利用、經(jīng)濟(jì)效益和減少面源污染3個(gè)方面。水資源高效利用主要考慮水稻水分利用效率；經(jīng)濟(jì)效益主要考慮籽粒產(chǎn)量指標(biāo)；減少面源污染主要考慮總磷釋放量、總氮釋放量2項(xiàng)指標(biāo)。不同灌溉模式的田間水分控制標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 不同灌溉模式的田間水分控制標(biāo)準(zhǔn)表

為了綜合評(píng)價(jià)7種水肥交互方案的優(yōu)劣，選取水稻的籽粒產(chǎn)量、水分生產(chǎn)效率、稻田排水產(chǎn)生的污染負(fù)荷指標(biāo)銨態(tài)氮放量、硝態(tài)氮釋放量作為評(píng)價(jià)因子建立初始矩陣[Y]。根據(jù)水稻籽粒產(chǎn)量、稻田水分利用效率越大越優(yōu)，排水產(chǎn)生氮素污染負(fù)荷指標(biāo)銨態(tài)氮釋放量和硝態(tài)氮放量越小越優(yōu)的原則，構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣[R]。根據(jù)熵和熵權(quán)的定義計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。其中，熵:E = (e1，e2，e3，e4) = (0.720 1，0.719 9，0.712 1，0.701 7)，熵權(quán):W = (w1，w2，w3，w4，w5，w6) = (0.244 8，0.245 0，0.251 9，0.258 3)。構(gòu)造加權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣[Z] = (zij)n×m。確定理想解x+和負(fù)理想解x-，其中，x+=（0.244 8，0.245 0，0.000 0，0.000 0）；x-=（0.000 0，0.000 0，0.251 9，0.258 3）。熵權(quán)TOPSIS模型計(jì)算初始矩陣與決策矩陣如下:

分別計(jì)算7種方案與理想解和負(fù)理想解的歐氏距離以及理想解的相對(duì)貼近度（見表4）。將Si從大到小排列，Si最大者為最優(yōu)，排序結(jié)果見表5。計(jì)算結(jié)果可以得出，“蓄雨間歇灌溉+3次施肥模式”最有利于水稻高產(chǎn)、節(jié)水、減污、保肥綜合效益的發(fā)揮。

表4 7種水肥調(diào)控方案的理想解和負(fù)理想解的歐氏距離和理想解的相對(duì)貼近度表

表5 7種水肥交互方案相對(duì)貼近度排序表

4 結(jié) 語

本文以溫黃平原單季稻為研究對(duì)象，研究不同水肥調(diào)控方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，在此基礎(chǔ)上優(yōu)選出浙東溫黃平原適宜的水肥調(diào)控方案。

（1）建立基于水資源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)相統(tǒng)一的水稻水肥調(diào)控評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。水資源方面主要考慮水分利用效率指標(biāo)；經(jīng)濟(jì)方面主要考慮籽粒產(chǎn)量指標(biāo)；環(huán)境方面主要考慮總氮釋放量、總磷釋放量2項(xiàng)指標(biāo)，利用試驗(yàn)資料確定相應(yīng)的指標(biāo)值。

（2）利用熵權(quán)TOPSIS多目標(biāo)決策模型對(duì)溫黃平原單季稻7種水肥調(diào)控方案進(jìn)行綜合排序，以此為依據(jù)，確定水稻合理水肥調(diào)控方案。對(duì)全部水位調(diào)控方案優(yōu)化排序結(jié)果表明，“蓄雨薄露灌溉+3次施肥”模式最有利于水稻高產(chǎn)、節(jié)水、減污綜合效益的發(fā)揮。