基于TOPSIS黃淮海平原井灌區(qū)冬小麥調(diào)虧灌溉的多目標(biāo)優(yōu)化

秦海霞 張玉順 張 昆 楊浩晨 邱新強(qiáng) 王艷平 路振廣 張明智

（1河南省水利科學(xué)研究院/河南省節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心，450003，河南鄭州；2河南工學(xué)院，453003，河南新鄉(xiāng)）

黃淮海平原是我國六大小麥產(chǎn)區(qū)之一，該地區(qū)冬小麥的安全生產(chǎn)可為我國的糧食安全提供保障。冬小麥生育期耗水量達(dá)300～450mm，降雨量僅為其1/3，遠(yuǎn)不能實現(xiàn)冬小麥穩(wěn)產(chǎn)[1-2]。為實現(xiàn)冬小麥穩(wěn)產(chǎn)，常采用灌溉來彌補(bǔ)冬小麥生育期所缺水分[3]。該地區(qū)灌溉水主要來自地下，在過去10年中，近60億m3地下水被開采利用，而地下水資源的過度開發(fā)利用會帶來一系列生態(tài)環(huán)境與糧食安全生產(chǎn)問題[4-5]。因此，提高本地區(qū)灌溉水資源高效利用迫在眉睫。

調(diào)虧灌溉作為一種節(jié)水灌溉方式，不但能夠節(jié)水增產(chǎn)，而且能夠優(yōu)化作物品質(zhì)[6]，而灌水下限與灌水量（灌水定額）可作為調(diào)虧灌溉的2個主要調(diào)控指標(biāo)[7-8]。已有研究表明，冬小麥前期輕度水分虧缺（田間持水率FC 55%左右）具有較大的節(jié)水、保持經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和提高作物水分利用效率的潛力[9]。在華北平原地區(qū)，灌水下限由40% FC增加至60% FC時，冬小麥產(chǎn)量呈增加趨勢，控制灌水下限為50% FC處理的冬小麥水分利用效率（WUE）最高[10]。冬小麥適宜的灌水定額為返青-拔節(jié)、拔節(jié)-抽穗和抽穗-灌漿期分別灌水45.0、55.5和54.0mm[11]，冬小麥灌水量由0.5倍蒸發(fā)量灌溉增加至1.5倍時，冬小麥產(chǎn)量呈先增加后減小趨勢，水分利用效率呈減小趨勢[12]。目前，在黃淮海平原井灌區(qū)利用調(diào)虧灌溉（灌水下限與灌水定額組合）指導(dǎo)冬小麥灌水報道相對較少。

產(chǎn)量和作物水分利用效率作為冬小麥灌溉領(lǐng)域重要評價指標(biāo)，采用常規(guī)方差對比綜合分析法很難同時滿足各項指標(biāo)均達(dá)最優(yōu)。TOPSIS[13-14]法為多目標(biāo)決策優(yōu)化提供了解決途徑，在番茄[13-15]、夏玉米[16]和咖啡[17]等作物種植領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。在TOPSIS綜合模型中賦權(quán)是核心，常見的賦權(quán)方法有專家打分法、均權(quán)法、熵值法、標(biāo)準(zhǔn)離差法、PCA法和CRITIC法等[18-19]，其中CRITIC法確定模糊權(quán)重，不受人為因素影響最終評判結(jié)果，且能夠客觀確定權(quán)數(shù)[16,20]。然而，利用CRITIC法對黃淮海平原井灌區(qū)調(diào)虧灌溉下冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素、產(chǎn)量和作物水分利用效率進(jìn)行量化并構(gòu)建綜合效益評價模型的相關(guān)研究較少。

因此，本研究通過不同灌水下限與灌水定額組合的變化分析冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素、產(chǎn)量及作物水分利用效率是如何對其響應(yīng)的，進(jìn)一步采用CRITIC法對產(chǎn)量構(gòu)成因素、產(chǎn)量和水分利用效率賦權(quán)，與TOPSIS法組合構(gòu)建冬小麥綜合效益評價模型，通過處理間對比和優(yōu)選，獲得調(diào)虧灌溉下以產(chǎn)量形成及WUE為最佳的灌水下限與灌水定額組合模式，旨在為該地區(qū)冬小麥節(jié)水增產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在河南省許昌市灌溉試驗站（112°42′E，34°16′N）內(nèi)帶有電動防雨棚的有底測坑（長×寬×高：2.4m×3.6m×2.0m）中進(jìn)行。試驗區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，海拔85.0m；年均氣溫14.3℃，年均降雨量640.9mm，6-9月降水量占全年降水量的70%以上，無霜期220d，全年日照時長約2400h。0～1m土層平均容重 1.53g/cm3，田間持水量25.40%。土壤為中壤土，播前耕層土壤有機(jī)質(zhì)5.62g/kg，全磷0.44g/kg，全鉀15.12g/kg，全氮0.37g/kg，堿解氮24.91mg/kg，速效磷23.89mg/kg，速效鉀75mg/kg。

1.2 試驗方法

冬小麥分別于2015年10月21日播種，2016年6月2日收獲，全生育期225d；2016年10月17日播種，2017年5月24日收獲，全生育期219d；2017年10月20日播種，2018年5月29日收獲，全生育期221d。人工開溝撒播，播量150kg/hm2，行距20 cm。播前施底肥1500kg/hm2，其中復(fù)合肥750kg/hm2（N:P:K=24:18:6），緩釋肥750kg/hm2（氨基酸≥10%，N+P+K≥18%，有機(jī)質(zhì)≥20%）。其余農(nóng)事管理（施肥、除草和防病蟲等）均保持一致。

考慮灌水下限及灌水定額2個因素。灌水下限設(shè)置2個水平，分別為輕旱（LD）和中旱（MD）；設(shè)2個對照處理：分別為適宜水分（CK1）與重旱（CK2）。其中LD的苗期-返青期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿成熟期的灌水下限分別為50%、55%、60%和50%FC，MD的分別為40%、50%、55%和45%FC，CK1的分別為60%、65%、70%和60%FC，CK2的分別為35%、40%、45%和40%FC。灌水定額設(shè)置5個水平，分別為30、60、90、120和180mm，其中CK1和CK2的灌水定額為90mm。共12個處理（表1），各處理重復(fù)3次，共36個小區(qū)。

表1 試驗方案及灌溉定額Table 1 Test scheme and irrigation quota

1.3 指標(biāo)測定與方法

1.3.1 形態(tài)及產(chǎn)量相關(guān)指標(biāo) 小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取10株小麥，測量株高、莖粗、穗長、小穗數(shù)、無效小穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重等指標(biāo)。

1.3.2 產(chǎn)量 各小區(qū)在冬小麥?zhǔn)斋@期隨機(jī)選取1m2冬小麥進(jìn)行收獲脫粒，籽粒待風(fēng)干后測其質(zhì)量[21]，單位換算為kg/hm2。

1.3.3 耗水量及作物水分利用效率 采用TRIMEIPH土壤水分測量系統(tǒng)和取土烘干法來測定耗水量，其中TRIME管埋設(shè)在各小區(qū)正中間部位。測量 0～20、20～40、40～60、60～80 和 80～100cm 土層土壤體積含水率，灌前和灌后均加測。采用水量平衡法計算作物耗水量，水量平衡公式為：

式中，ΔS為計劃濕潤層內(nèi)土壤水分變化；P和I分別為生育期內(nèi)的降雨量和灌水量；C為進(jìn)入根層的毛管上升水量；E和T分別為土壤蒸發(fā)量和植物蒸騰量；R和D分別為地表徑流量和土層下邊界滲漏量，以上參數(shù)單位均為mm。

由于試驗是在帶有大型自動防雨棚的測坑內(nèi)進(jìn)行，地表徑流和降雨均忽略不計，測坑內(nèi)土層厚度為2m，地下水滲漏量可測定，全生育期內(nèi)滲漏量測定結(jié)果為零，作物生長所需水分主要由農(nóng)田灌溉來供應(yīng)，進(jìn)入根層的毛管上升水量和土層下邊界滲漏量也不計，故冬小麥階段實際耗水量簡化為：

作物水分利用效率[21]是指作物單位耗水量產(chǎn)出的籽粒質(zhì)量，用下式計算：

式中：WUE[kg/(hm2·mm)]為作物水分利用效率；Y(kg/hm2)為作物籽粒產(chǎn)量；ET(mm)為作物生育期耗水量。

1.3.4 氣象數(shù)據(jù) 利用試驗站內(nèi)自動氣象站，收集氣溫、相對濕度、風(fēng)速、太陽輻射強(qiáng)度和降水量等氣象參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 22.0進(jìn)行均值誤差分析，采用Origin Pro 9.0作圖。采用F檢驗進(jìn)行差異顯著分析，顯著水平P＜0.05。圖表中數(shù)據(jù)除特殊標(biāo)注外均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果及分析

2.1 不同處理對冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

綜合3季數(shù)據(jù)（表2）發(fā)現(xiàn)，不同處理對冬小麥的產(chǎn)量構(gòu)成性狀有不同程度影響，灌水下限對冬小麥株高、莖粗與穗粒數(shù)均有顯著影響（P＜0.05），灌水定額對冬小麥株高和千粒重有顯著影響（P＜0.05），2因素交互作用對冬小麥株高、穗粒數(shù)和千粒重有顯著影響（P＜0.05）。2個因素交互作用下冬小麥株高、莖粗、穗長、小穗數(shù)、無效穗數(shù)、穗粒數(shù)與千粒重在全生育期缺水下達(dá)峰值的處理分別為 LD120、MD120、CK1、LD60、CK2、LD180、MD60與LD30。通過單因素方差分析發(fā)現(xiàn)，LD60處理可抑制株高生長，降低無效穗數(shù)，在穗粒數(shù)和千粒重方面顯著高于重旱與中旱，與輕旱灌水30、90、120和180mm及適宜水分CK1相比，無顯著性降低或增加。隨干旱脅迫程度的增加，株高、莖粗和小穗數(shù)呈下降趨勢；穗長和穗粒數(shù)呈先增加后降低趨勢；無效穗數(shù)呈增加趨勢；千粒重先減小后增加。在輕旱脅迫下，隨灌水定額的增加，株高和無效穗數(shù)呈先降低后增加再降低趨勢；莖粗、千粒重呈先增加后減小趨勢；其他無顯著性統(tǒng)一變化規(guī)律。中旱脅迫下，隨灌水定額的增加，莖粗和穗長呈先增加后降低趨勢；無效穗數(shù)和穗粒數(shù)呈先降低后增加趨勢；其他指標(biāo)無顯著性統(tǒng)一變化規(guī)律。

表2 不同處理對冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 2 Effects of different treatments on yield components of winter wheat

2.2 不同處理對冬小麥產(chǎn)量及作物水分利用效率的影響

由表3可知，在產(chǎn)量方面，LD60低于CK1、LD120和LD180，高于其他處理；WUE方面，LD60分別高于 CK1、LD30、LD90、LD120、LD180、MD30、MD60、MD90、MD120、MD180 和 CK2處理約6.53%（3季均值，下同）、1.87、15.13、16.22、36.90、2.55、1.96、10.37、13.83、38.10 和62.39%。隨灌水定額的增加，產(chǎn)量和耗水量基本呈增加趨勢，WUE呈先增加后減小趨勢。隨灌水下限的增加，90mm灌水定額冬小麥產(chǎn)量和耗水量呈增加趨勢，WUE無顯著性變化規(guī)律，但輕旱處理的WUE穩(wěn)定，且顯著高于重旱。隨灌水下限的增加，產(chǎn)量和耗水量呈增加趨勢，WUE呈先增加后減小趨勢。隨灌水定額的增加，產(chǎn)量和耗水量呈增加趨勢；WUE呈先增加后減小趨勢，其中30與60mm無顯著性差異。綜合可得，LD60處理在不顯著性降低產(chǎn)量的同時可顯著提高WUE。

表3 不同處理對冬小麥產(chǎn)量及作物水分利用效率（WUE）的影響Table 3 Effects of different treatments on winter wheat yield and water use efficiency(WUE)

2.3 基于冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素、產(chǎn)量與作物水分利用效率的綜合評價

采用方差對比分析法，冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素（株高、莖粗、穗長、小穗數(shù)、無效穗數(shù)、穗粒重和千粒重）、產(chǎn)量與WUE很難同時滿足各項指標(biāo)最優(yōu)的灌水下限與灌水定額組合。為此，利用CRITIC法對3季產(chǎn)量構(gòu)成因素、產(chǎn)量和灌溉水利用效率賦權(quán)，并與TOPSIS法組合構(gòu)建冬小麥綜合效益評價模型，采用CRITIC法獲得各項指標(biāo)權(quán)重，分別為 W2015=（0.113，0.113，0.113，0.113，0.110，0.111，0.114，0.105，0.107）、W2016=（0.116，0.116，0.116，0.117，0.099，0.106，0.117，0.106，0.106）與 W2017=（0.118，0.118，0.119，0.119，0.078，0.112，0.116，0.110，0.110），對最優(yōu)的灌水下限與灌水定額指標(biāo)進(jìn)行綜合效益評價。

從綜合評價值（表4）可知，2015-2017年排名前5的處理分別為LD60、MD90、CK1、LD120、LD180（2015年），CK1、LD60、MD120、LD180、LD90（2016年），LD30、LD120、MD120、LD60和LD180（2017年）。綜合上述3季數(shù)據(jù)分析可知，調(diào)虧灌溉下LD60表現(xiàn)最優(yōu)，分別為0.456（2015年）、0.424（2016年）、0.417（2017年）。該結(jié)論與產(chǎn)量和WUE綜合評價法得出結(jié)論具有一致性。

表4 冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素、產(chǎn)量及作物水分利用效率綜合效益評價Table 4 Comprehensive benefit evaluation of yield components,yield and crop water use efficiency of winter wheat

3 討論

3.1 調(diào)虧灌溉對冬小麥產(chǎn)量及作物水分利用效率的影響

土壤水分狀況會影響作物對養(yǎng)分的吸收和利用，適當(dāng)水分可以在一定程度上減小土壤養(yǎng)分不足對產(chǎn)量造成的負(fù)效應(yīng)，調(diào)虧灌溉是優(yōu)化土壤水分與灌水量，實現(xiàn)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的基本保證。研究發(fā)現(xiàn)隨干旱脅迫程度的加劇，冬小麥株高呈減小趨勢，與張凱等[10]畦灌冬小麥株高結(jié)論一致；千粒重隨干旱脅迫程度的增加呈先減小后增加趨勢，與陳凱麗等[22]滴灌冬小麥千粒重變化規(guī)律不一致，可能是由于控制灌水下限水平不一致，本研究控制灌水下限分別為田間持水率的35%、40%、60%和60%，陳凱麗等[22]控制灌水下限分別為田間持水率的45%、60%和75%。隨干旱脅迫程度增加，產(chǎn)量呈減小趨勢，與Du等[9]研究冬小麥、Yang等[23]和Koksal等[24]研究滴灌辣椒、Wang等[25]溝灌甜瓜結(jié)論一致，表明干旱脅迫對作物產(chǎn)量的影響具有一致性，不因作物種類的改變而改變，為通過優(yōu)化生育期灌水量來實現(xiàn)作物節(jié)水高產(chǎn)提供了思路[26]。

本研究發(fā)現(xiàn)隨灌水量的增加，產(chǎn)量呈先增加后減小趨勢，與Golzardi等[27]研究玉米與Agbna等[28]研究番茄結(jié)論一致，表明在一定范圍內(nèi)增加灌水量，有助于提高作物產(chǎn)量。與Greaves等[29]研究的常規(guī)地面灌玉米的WUE研究一致，本研究發(fā)現(xiàn)LD60處理冬小麥在不顯著降低產(chǎn)量的同時可顯著提高土壤WUE，實現(xiàn)水資源最大化利用。由于土壤輕度水分虧缺也能抑制莖的伸長，促進(jìn)根系的發(fā)育，從而顯著提高根冠比，輕度干旱土壤（55%FC）不會顯著降低糧食產(chǎn)量[30]。隨著灌水定額的增加，雖然能夠有效提高作物產(chǎn)量，但是作物耗水量增加幅度大于產(chǎn)量增加幅度，導(dǎo)致WUE降低。

3.2 多目標(biāo)決策與評估

TOPSIS法是廣泛應(yīng)用于土地規(guī)劃、水利、電力和工程等許多領(lǐng)域的評估程序，可以對規(guī)劃方案的利弊進(jìn)行正確、有效地評估，結(jié)果可靠。向友珍[31]以甜椒的產(chǎn)量、品質(zhì)和水肥利用率作為評價指標(biāo)，根據(jù)各項指標(biāo)的重要性確定權(quán)重，并與TOPSIS法結(jié)合提出了高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的最佳施肥策略。寧東賢等[32]使用不同花生品種的農(nóng)藝、經(jīng)濟(jì)和品質(zhì)特征作為評價指標(biāo)，并應(yīng)用主成分分析方法確定各個評價指標(biāo)的權(quán)重值，然后與TOPSIS法組合選擇最佳花生品種。Wang等[33]基于TOPSIS法對華北沙區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)水肥管理多目標(biāo)優(yōu)化。研究者發(fā)現(xiàn)采用CRITIC賦權(quán)可不受人為因素影響最終評判結(jié)果，服從單純數(shù)據(jù)，且能夠客觀確定權(quán)數(shù)[16]。本研究將CRITIC賦權(quán)與TOPSIS法構(gòu)建的冬小麥綜合效益評價模型相結(jié)合表明LD60處理最優(yōu)，該結(jié)論與傳統(tǒng)的產(chǎn)量和WUE綜合評價法獲得的結(jié)論一致。

4 結(jié)論

輕旱脅迫下灌水定額60mm(LD60)可抑制株高生長，降低無效穗數(shù)，穗粒數(shù)和千粒重顯著高于重旱與中旱，與輕旱其他處理及適宜水分處理相比差異較小，且該處理WUE顯著提高。隨灌水定額的增加，輕旱處理產(chǎn)量和耗水量基本呈增加趨勢，WUE呈先增加后減小趨勢；中旱處理耗水量呈增加趨勢，產(chǎn)量和WUE無顯著性變化規(guī)律。隨灌水下限的增加，90mm灌水定額冬小麥產(chǎn)量呈增加趨勢，耗水量和WUE無顯著性變化規(guī)律?；贑RITIC賦權(quán)的TOPSIS法構(gòu)建冬小麥綜合效益評價模型獲得結(jié)果與產(chǎn)量、WUE綜合評價法獲得結(jié)論具有一致性，均表明LD60處理最優(yōu)。綜合考慮，為實現(xiàn)本地區(qū)冬小麥穩(wěn)產(chǎn)與水資源高效利用的雙重目標(biāo)，冬小麥適宜調(diào)虧灌溉調(diào)控指標(biāo)為輕旱脅迫下灌水定額60mm。