模糊優(yōu)選模型在旱作物澇漬脅迫試驗評價中的應用

朱玲玲，梁森，周倩倩，王馥莉，牛奔，張雯葉

( 1.徐州市河湖管理中心，江蘇 徐州 221018；2.徐州市工程管理中心，江蘇 徐州 510635；3.河海大學 農業(yè)科學與工程學院，江蘇 南京 210098 )

徐州市位于華北平原東南部，屬暖溫帶季風氣候區(qū)，受氣候條件影響，災害性天氣頻發(fā)，春夏之交易受梅雨影響，夏秋之際多臺風暴雨，屬于易產生大暴雨季風氣候區(qū)，作物生長容易發(fā)生內澇危害，嚴重影響其生長，受災比重較大；沖積平原、低山丘陵和湖泊洼地相互交錯插接，地勢低平，土壤構型復雜，多層異質組合，通透性差，下滲強度小，地下徑流排泄緩慢，長歷時降雨，土壤存在黏心滯水層，雨后包漿滯水，土壤飽和，降漬困難，旱作物易受漬澇災害影響。許海濤等[1]通過人工模擬大田環(huán)境下水澇漬害研究夏玉米生理特性和主要產量性狀指標的影響，向永玲等[2]研究了灌漿期澇漬害對弱筋小麥籽粒產量及其構成要素、蛋白質含量等主要品質指標的影響，程倫國等[3]通過測坑試驗研究了大豆開花期澇漬脅迫下對產量性狀的影響。這些研究多是對作物影響的部分指標進行分析，對整體評價指標進行評價的研究不多。

為了全面了解徐州地區(qū)旱作物在澇漬脅迫下的影響情況，選取玉米和大豆兩種旱作物，開展?jié)碀n綜合排水試驗，建立澇漬綜合排水試驗評價指標體系，用熵權法確定賦重，采用模糊優(yōu)選可變模型，全面地評判徐州地區(qū)旱作物澇漬脅迫排水試驗效果，旨在為下一步對澇漬脅迫的精準防控進行理論和實踐探索。

1 材料與方法

2020年8月，在徐州市水利科學研究所睢寧試驗基地選取玉米、大豆兩種旱作物進行澇漬綜合排水試驗，采用本項目研制的一種澇漬綜合排水指標試驗裝置(ZL 2019 2 080651683)，如圖1所示。

1—測筒；2—原狀土；3—透水土工布；4—粗砂；5—碎石；6—反濾層多孔導水管；7—上部溢流管；8—帶刻度的透明玻璃(或塑料)水位觀測管；9—排水控制閥；10—供水控制閥；11—計量水表；12—測筒供水管；13—可升降水箱；14—浮球閥；15—浮球；16—外接進水管；17—水箱支架

試驗裝置主要由測筒、供水平水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)和水位觀測系統(tǒng)組成，測筒直徑為680 mm、筒深1 200～1 350 mm。根據徐州地區(qū)歷年暴雨數據以及地下水位變化等相關資料，選取2020年8月上旬為排水試驗時段，試驗期處于玉米的抽雄期和大豆的開花期進行澇漬脅迫處理，分別選擇不同的淹水歷時和淹水深度作為控制變量進行設計，淹水歷時設計為2 d和4 d，淹水深度設計為5 cm、10 cm和15 cm。包含不澇不漬對照處理CK組，試驗總共為7個處理，每個處理重復為3次，具體見表1。淹水歷時結束后，共分為6 d進行排水，首日排出地面積水，接著4 d進行每天降低10 cm水位的降漬試驗處理，6 d排至筒底。

表1 試驗設計樣本處理

評價指標的選取兼顧了代表性和可獲得性，數據來自試驗測定項目的成果。綜合考慮建立旱作物澇漬綜合試驗評價指標體系，體系框架按3層結構設計，包括目標層、準則層和指標層[4]。評價指標體系見表2。

表2 旱作物澇漬綜合排水試驗評價指標體系

2 單層多目標模糊優(yōu)選可變模型

旱作物澇漬脅迫試驗評價采用熵權法對各個指標進行客觀賦權。通過熵計算確定權重。當評價對象的某項指標值相差較大時，熵值較小，說明該指標提供的有效信息量較大，其權重也應較大；反之，若某項指標值相差較小，熵值較大，說明該指標提供的信息量較小，其權重也應較小[5]。

熵權法確定權重步驟：設有n個樣本，m個評價指標，構建判斷矩陣并歸一化得到判斷矩陣Bij，(i=1,2，…，n；j=1,2，…，m)。再定義評價指標的熵Hj(j=1,2，…，m)。由此計算評價指標的熵權w。由于信息熵越大，系統(tǒng)無序度越大，其信息的效用值越小，權重值越小，結合實際數據指標和數據自身特點，計算熵權：

(1)

在旱作物澇漬綜合試驗評價中，通過建立單層多目標模糊優(yōu)選可變模型進行評價。

計算步驟[6]如下：設有可供優(yōu)選的n個方案，每個方案由m個指標組成，則目標特征值矩陣為X。并對各目標特征值進行規(guī)范化，變換為目標相對優(yōu)屬度矩陣R=(rij)。

設各指標的綜合權重W=(w1，w2，…，wm)T，可得模糊優(yōu)選可變模型為：

(2)

式中：uj為方案j的相對優(yōu)屬度；p為距離參數(p=2，為歐氏距離；p=1，為海明距離)；α為優(yōu)化準則參數(α=2，為最小二乘方優(yōu)化準則；α=1，為最小一乘方優(yōu)化準則)。模型中α、p有4種搭配方式,構成4種模型。

3 結果與分析

3.1 評價指標體系

根據玉米和大豆的澇漬脅迫試驗結果，見表3和表4，相對于CK組，玉米和大豆的整體各項指標均隨著淹水深度的增加和淹水歷時的增加而降低。其中根冠比大豆出現了和玉米不同的規(guī)律，是由于隨著大豆淹水深度和淹水歷時的增加對莖部影響大于根部。

表3 玉米澇漬綜合排水試驗指標數值

表4 大豆?jié)碀n綜合排水試指標數值

為了綜合各項指標，對玉米和大豆整體的澇漬綜合排水試驗7個樣本進行客觀有效的評價，采取基于熵權法的單層多目標模糊優(yōu)選可變模型進行處理。

3.2 評價過程

根據熵權法計算大豆和玉米7個樣本的評價指標的熵權w1，權重結果見表5和表6。

表5 用熵權法確定的玉米各指標權重

表6 用熵權法確定的大豆各指標權重

對評價指標首先進行規(guī)范化處理后，結合前面算得的綜合權重結果，根據式(3)、式(4)、式(5)、式(6)分別計算4種參數模型的綜合相對優(yōu)屬度向量，求得各方案的算術平均相對優(yōu)屬度向量，并根據優(yōu)屬度由大到小的原則對方案進行排序，結果見表7和表8。

表7 玉米得分及排序結果

表8 大豆得分及排序結果

3.3 評價結果分析

從表7和表8中的結果可以看出，在玉米和大豆的7個樣本中，規(guī)律是一致的，其中CK組最高，淹水深度5 cm略低，淹水深度15 cm最低，呈現出淹水深度越大，淹水時間越長，整體評價值越差，與實際情況相符。玉米和大豆兩種作物的結果也是一致的，證明了不同作物結果一致合理性?；陟貦喾ǖ膯螌佣嗄繕四：齼?yōu)選可變模型在評價中合理地考慮了客觀賦權。避免了主觀隨意性，另外，綜合考慮了旱作物澇漬綜合淹水試驗的各項指標，具有系統(tǒng)性，評價更加科學合理。

4 結語

通過澇漬綜合排水指標試驗裝置進行旱作物澇漬綜合排水試驗，建立的綜合評價指標體系，采用基于熵權法進行賦權的可變模糊優(yōu)選模型進行整體評價，具有一定的可信度和適用性。為下一步對旱作物澇漬脅迫進行精準防控提供了理論和實踐依據。