基于AHP-EWM-TOPSIS的溫室辣椒最佳調(diào)虧灌溉方案優(yōu)化研究

張澤宇，曹紅霞，何子建，裴書瑤，李曼寧

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

辣椒在世界各地廣泛種植，其全球栽培面積達(dá)198.71萬(wàn)hm2，年產(chǎn)量超過(guò)4 000萬(wàn)t，產(chǎn)量和種植面積居蔬菜作物前列[1]。辣椒富含多種營(yíng)養(yǎng)成分，其中維生素C含量居蔬菜之首。辣椒素類物質(zhì)是辣椒果實(shí)合成的重要次生代謝物，也是辣椒中辣味的主要來(lái)源，能促進(jìn)人體新陳代謝。果色指數(shù)是衡量辣椒外觀品質(zhì)的重要參數(shù)，色澤鮮艷的辣椒往往具有更大的銷售潛力[2]。傳統(tǒng)的灌溉方式以單一追求高產(chǎn)為目的，對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行大量灌溉。但辣椒屬于淺根系植物，根細(xì)而弱，木栓化程度高，對(duì)水分變化非常敏感，大量灌水不但沒有大幅提高產(chǎn)量，還往往引起品質(zhì)的下降[3-4]。因此，如何進(jìn)行合理灌溉以在提高辣椒產(chǎn)量的同時(shí)又保證其品質(zhì)，進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益已成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。

調(diào)虧灌溉(RDI)是在作物生長(zhǎng)發(fā)育的某些時(shí)期施加一定的水分脅迫，有目的地使其生育階段有一定程度的虧水，影響作物的代謝運(yùn)轉(zhuǎn)和光合產(chǎn)物在營(yíng)養(yǎng)器官與生殖器官之間的分配，控制營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，促進(jìn)生殖生長(zhǎng)，改善內(nèi)部同化物運(yùn)輸和分配，從而提高果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)[5-6]。但由于作物在不同生育階段對(duì)水分的需求不同，各生育期不同程度的水分調(diào)虧往往對(duì)作物產(chǎn)生不同的影響。為確定合適的虧水時(shí)期和虧水程度，大量學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究。高佳等[7]研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)果盛期輕度水分虧缺可提高辣椒第二次收獲的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，苗期輕度水分虧缺下產(chǎn)量最高。馬彥霞等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在辣椒苗期和盛果期將基質(zhì)含水率控制在飽和含水率的70%～80%，在初花期和初果期分別將基質(zhì)含水率控制在飽和含水率的50%～60%和60%～70%，能在節(jié)水和保證較高產(chǎn)量的同時(shí)，改善果實(shí)品質(zhì)。Wu等[9]研究發(fā)現(xiàn)，隨灌水量增加，番茄產(chǎn)量逐漸增加，在100%ETc水分處理時(shí)產(chǎn)量最大；但可溶性糖、VC及可溶性固形物等品質(zhì)指標(biāo)在100%ETc水分處理時(shí)最小。

對(duì)于調(diào)虧灌溉而言，調(diào)虧時(shí)期、調(diào)虧程度及調(diào)虧歷時(shí)是決定調(diào)虧效果的主要因素。在以往的研究中，學(xué)者們多從調(diào)虧時(shí)期和調(diào)虧程度兩方面進(jìn)行分析，而對(duì)于調(diào)虧時(shí)期、程度及歷時(shí)的交互作用對(duì)作物的影響機(jī)制考慮較少。另外，評(píng)價(jià)方案的優(yōu)劣是一個(gè)多屬性、多層次的決策問(wèn)題，涉及到生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)等多方面因素的分析和比較，既要反映農(nóng)戶、顧客的主觀意見，又要反映數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，而采用常規(guī)方差對(duì)比法很難做到客觀、準(zhǔn)確的分析。多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)分析方法(MCDM)可以有效地從主、客觀角度評(píng)價(jià)各方案的優(yōu)劣，得到的評(píng)價(jià)結(jié)果可靠合理[10]。很多學(xué)者將主、客觀賦權(quán)法相結(jié)合建立多指標(biāo)分析評(píng)價(jià)模型。例如，張智等[11]在探尋溫室甜瓜最佳水肥組合方案時(shí)，利用灰色關(guān)聯(lián)與TOPSIS耦合模型進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。杜婭丹等[12]在選擇最適宜番茄的營(yíng)養(yǎng)液配比時(shí)，使用主觀層次分析法(AHP)和熵權(quán)法(EWM)確定各生長(zhǎng)、生理指標(biāo)及全株干物質(zhì)量的權(quán)重，并運(yùn)用 TOPSIS法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。吳雪等[13]在選擇溫室番茄最佳水肥組合方案時(shí)，根據(jù)AHP與EWM和基于博弈論的組合賦權(quán)法確定番茄品質(zhì)指標(biāo)權(quán)重，并通過(guò)近似理想解法選出最佳組合方案。但在以往的研究中，應(yīng)用多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)分析方法篩選溫室辣椒最佳調(diào)虧灌溉方案的研究較少。

溫室蔬菜栽培是一種常見的種植方式，與大田環(huán)境相比，能更好地為作物提供良好的水、光、氣、熱等生長(zhǎng)條件。但由于溫室環(huán)境相對(duì)密閉，室內(nèi)溫度、濕度較高，大量灌水不僅會(huì)增加無(wú)效蒸發(fā)，造成作物徒長(zhǎng)，還極易產(chǎn)生病蟲害，降低溫室作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。如何對(duì)溫室作物進(jìn)行合理的虧缺灌溉，保證作物生長(zhǎng)發(fā)育并提高其產(chǎn)量和品質(zhì)，是溫室栽培中亟待解決的問(wèn)題。

因此，本研究通過(guò)分析各生育期不同強(qiáng)度和歷時(shí)的水分調(diào)虧對(duì)溫室辣椒生長(zhǎng)、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，并結(jié)合多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)分析法(AHP-EWM-TOPSIS)選出最佳調(diào)虧方案，以期為溫室辣椒節(jié)水、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)栽培提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2020年7—11月在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的日光溫室內(nèi)進(jìn)行(34°17′N，108°01′E，海拔521 m)。該區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)半濕潤(rùn)氣候，多年平均降水量632 mm，主要集中在6—10月，年均蒸發(fā)量1 500 mm。多年平均氣溫12.50℃，年均日照時(shí)數(shù)2 163.80 h， 無(wú)霜期210 d。

供試材料為線辣椒，品種為‘世紀(jì)紅’。依據(jù)辣椒生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn)將其整個(gè)生育期分為3個(gè)時(shí)期：定植至首朵花現(xiàn)蕾為苗期，首朵花現(xiàn)蕾至首朵花結(jié)果為花期，首個(gè)辣椒坐果至收獲結(jié)束為果期。辣椒整個(gè)生育期共施4次肥，第1次在定植前基施：每盆0.461 g尿素(N：46.4%)、2.043 g磷酸二銨(P2O5：42%，N：15%)、2.625 g硫酸鉀(K2O：54%)，其余3次分別在門椒期、對(duì)椒期和結(jié)果盛期追施：每盆每次追施1.121 g尿素。

采用盆栽方法，盆的上口直徑×下底直徑×高為23.5 cm×18.0 cm×26.0 cm，每盆定植1株。試驗(yàn)土壤為重壤土，取自西北農(nóng)林科技大學(xué)附近0～20 cm表土層。土壤容重1.40 g·cm-3，田間持水率為24%(質(zhì)量含水率)。有機(jī)質(zhì)含量14.12 g·kg-1，堿解氮89. 31 mg·kg-1，速效磷82. 32 mg·kg-1，有效鉀244.39 mg·kg-1，pH為7.91。土壤經(jīng)自然風(fēng)干后過(guò)2 mm篩，每盆裝土6.5 kg。每盆土壤表面鋪一層珍珠巖，防止土壤板結(jié)。為保證作物根部透氣，在每盆底部均打5個(gè)孔(d=5 mm)，并鋪設(shè)一層細(xì)砂(約0.6 cm)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置水分調(diào)虧時(shí)期、調(diào)虧程度和調(diào)虧歷時(shí)3個(gè)因素，其中調(diào)虧時(shí)期包括3個(gè)時(shí)期：苗期 (M)、花期 (H)及果期 (G)，每個(gè)時(shí)期設(shè)置2種調(diào)虧程度：輕度調(diào)虧LS(65%～75%θf(wàn))及重度調(diào)虧SS(55%～65%θf(wàn))，每種調(diào)虧程度對(duì)應(yīng)2種調(diào)虧歷時(shí)：虧水4天(4 d)及虧水8天(8 d)，以全生育期充分供水作為對(duì)照處理CK(75%～85%θf(wàn))，共13個(gè)處理，每個(gè)處理15株(3次重復(fù)×5株/重復(fù))，共種195株。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Designs of experimental

采用育苗移栽的方式種植，定植后各處理灌水至田間持水量，緩苗2周后自然干旱至各水分調(diào)虧處理。每天18∶00采用精度為0.01 kg的電子秤進(jìn)行稱重補(bǔ)水，使土壤含水率維持在設(shè)定范圍內(nèi)，在非虧水時(shí)期，土壤含水率均保持在CK水平。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo) 各處理隨機(jī)選取3株辣椒在最后一次采摘期用鋼尺和游標(biāo)卡尺測(cè)定辣椒的株高(莖基部至生長(zhǎng)點(diǎn)高度)、莖粗(第一花序下節(jié)點(diǎn)處直徑)，應(yīng)用植物表型成像系統(tǒng)測(cè)定葉面積。

1.3.2 產(chǎn)量

(1)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。在果實(shí)成熟階段，各處理隨機(jī)標(biāo)注3株辣椒以四母斗時(shí)期的果實(shí)為采樣對(duì)象，第1次采樣在花后12 d左右，之后每隔6 d采摘1次成熟度一致的辣椒，用精度0.01 g的電子秤稱量并記錄，將各次果實(shí)重量累加得各處理的單株果實(shí)產(chǎn)量。

(2)生物學(xué)產(chǎn)量。在最后1次采摘期，每個(gè)處理隨機(jī)選3株進(jìn)行破壞性取樣。將植株根、莖、葉及果實(shí)分別裝袋放入烘箱，在105℃下殺青0.5 h, 80℃下烘干至恒重，稱量各組織的干重。其中，果實(shí)干重為各采摘期辣椒干重的總和。

1.3.3 品質(zhì) 在各采摘期，每個(gè)處理隨機(jī)選取3個(gè)果實(shí)進(jìn)行品質(zhì)測(cè)定，取平均值作為最后的品質(zhì)指標(biāo)值。測(cè)定項(xiàng)目包括辣椒果色指數(shù)[14]、維生素C含量[15]、辣椒紅素(色價(jià))[16]。

1.4 基于AHP-EWM-TOPSIS法的調(diào)虧灌溉方案評(píng)價(jià)

1.4.1 建立AHP-EWM組合權(quán)重模型

(1)通過(guò)層次分析法(AHP)確定指標(biāo)主觀權(quán)重。首先，構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)。綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)共包括4層，從上至下分別為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層及方案層(圖1)，根據(jù)1～9標(biāo)度法對(duì)同一層次各評(píng)價(jià)指標(biāo)重要性進(jìn)行兩兩比較，以構(gòu)建判斷矩陣；之后，將判斷矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化并計(jì)算準(zhǔn)則層權(quán)重；最后，對(duì)矩陣的一致性進(jìn)行評(píng)估，并驗(yàn)證其可接受性。一般認(rèn)為，當(dāng)CR(一致性系數(shù))≤0.1，認(rèn)為判斷矩陣基本符合隨機(jī)一致性指標(biāo)；當(dāng)CR>0.1，認(rèn)為判斷矩陣不符合隨機(jī)一致性指標(biāo)，必須進(jìn)行調(diào)整和修正[17](具體計(jì)算方法參見文獻(xiàn)[18])。

圖1 基于辣椒產(chǎn)量及品質(zhì)指標(biāo)的調(diào)虧灌溉方案綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)Fig.1 Comprehensive evaluation system of regulated deficit irrigation schemes based on yield and quality of pepper

(2)通過(guò)熵權(quán)法(EWM)確定指標(biāo)客觀權(quán)重。首先，根據(jù)二級(jí)指標(biāo)的屬性，將正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)轉(zhuǎn)化為規(guī)范化值，并將評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化；之后，計(jì)算指標(biāo)信息熵、差異系數(shù)及指標(biāo)權(quán)重(具體計(jì)算方法參見文獻(xiàn)[19])。

(3)計(jì)算混合權(quán)重。應(yīng)用乘數(shù)合成歸一法計(jì)算混合權(quán)重[20]。

(1)

式中，ωi為第i個(gè)二級(jí)指標(biāo)的綜合權(quán)重；ω1i為第i個(gè)二級(jí)指標(biāo)的主觀權(quán)重；ω2i為第i個(gè)二級(jí)指標(biāo)的客觀權(quán)重。

1.4.2 應(yīng)用TOPSIS法進(jìn)行排序 首先，運(yùn)用極值標(biāo)準(zhǔn)化法來(lái)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，用以確定具體指標(biāo)實(shí)際值在該指標(biāo)權(quán)重中所處的狀況；其次，將標(biāo)準(zhǔn)化矩陣的每一行與混合權(quán)重相乘得到加權(quán)后規(guī)范化決策矩陣；最后，尋求正理想解和負(fù)理想解，并計(jì)算不同評(píng)價(jià)向量到正理想解和負(fù)理想解的距離及不同方案與最優(yōu)方案的貼近度。貼近度越大，表示該項(xiàng)方案越接近于最優(yōu)水平。依據(jù)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的大小對(duì)目標(biāo)進(jìn)行排序，形成決策的依據(jù)(具體計(jì)算方法參見文獻(xiàn)[18])。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行TOPSIS法評(píng)價(jià)，DPS進(jìn)行方差分析，使用Tukey檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較；并用OriginPro 2021繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 調(diào)虧灌溉對(duì)辣椒生長(zhǎng)的影響

圖2a、b、c分別為不同調(diào)虧處理對(duì)辣椒株高、莖粗和葉面積的影響。調(diào)虧時(shí)期(S)和調(diào)虧程度(C)對(duì)株高、葉面積有顯著影響(表2)。從整個(gè)生育期來(lái)看，苗期水分調(diào)虧對(duì)辣椒株高和葉面積影響最大。尤其在苗期長(zhǎng)期重度調(diào)虧處理(MSS-8)下株高和葉面積最小，分別較CK降低39.38%和14.70%?；ㄆ谂c果期的水分調(diào)虧對(duì)辣椒株高和葉面積的影響相似，同一歷時(shí)、同一程度的調(diào)虧處理間未產(chǎn)生顯著差異(除HSS-8處理下的株高顯著小于GSS-8)。莖粗僅受調(diào)虧程度(C)影響顯著。在各生育期相同歷時(shí)的水分調(diào)虧下，隨虧水程度增加，莖粗逐漸減小。與株高和葉面積相似，莖粗也受苗期水分調(diào)虧影響最大；其中，MLS-4和MSS-4處理的莖粗分別較CK下降5.61% 和22.20%，MLS-8、MSS-8處理的莖粗分別較CK下降9.90% 和33.72%。調(diào)虧歷時(shí)(L)對(duì)各生長(zhǎng)指標(biāo)無(wú)顯著影響。但調(diào)虧時(shí)期、程度及歷時(shí)的交互作用對(duì)株高、莖粗、葉面積均產(chǎn)生極顯著影響。

注：M4、M8、H4、H8、G4和G8分別表示苗期短期調(diào)虧、苗期長(zhǎng)期調(diào)虧、花期短期調(diào)虧、花期長(zhǎng)期調(diào)虧、果期短期調(diào)虧和果期長(zhǎng)期調(diào)虧。圖中不同小寫字母表示不同生育期、不同調(diào)虧程度及不同歷時(shí)水分處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note: M4, H8, H4, H8, G4 and G8 respectively represent short-term regulated deficit in seedling stage, long-term regulated deficit in seedling stage, short-term regulated deficit in flowering stage, long-term regulated deficit in flowering stage, short-term regulated deficit in fruit stage and long-term regulated deficit in fruit stage. Different lowercase letters in the figure indicated that there were significant differences among different growth periods, different regulated deficit irrigation levels and different duration water treatments (P<0.05). The same below.圖2 調(diào)虧灌溉對(duì)辣椒生長(zhǎng)的影響Fig.2 Effects of regulated deficit irrigation on pepper growth

表2 調(diào)虧時(shí)期、調(diào)虧程度、調(diào)虧歷時(shí)及其交互作用對(duì)辣椒生長(zhǎng)影響的顯著性Table 2 Significant of effects of regulated deficit irrigation period, degree, duration and interaction between them on pepper growth

2.2 調(diào)虧灌溉對(duì)辣椒干物質(zhì)積累和根冠比的影響

作物產(chǎn)量的形成是由干物質(zhì)積累及分配所決定的，干物質(zhì)是產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)[21]。由表3可知，調(diào)虧時(shí)期及調(diào)虧程度對(duì)辣椒營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)影響顯著，但調(diào)虧歷時(shí)未對(duì)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)產(chǎn)生顯著影響。由圖3可知，在各生育期同一調(diào)虧歷時(shí)下，隨虧水程度增加，營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)逐漸降低(除果期長(zhǎng)期重度調(diào)虧(GSS-8)處理下的干物質(zhì)較果期長(zhǎng)期輕度調(diào)虧(GLS-8)增加外)。其中，在苗期進(jìn)行水分調(diào)虧，辣椒營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)減少的最多，尤其在苗期長(zhǎng)期重度調(diào)虧(MSS-8)處理的營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)最少，較CK降低27.85%。另外，苗期不同歷時(shí)的水分調(diào)虧(M4、M8)及花期短期調(diào)虧(H4)處理，隨虧缺程度增加，辣椒生殖器官干物質(zhì)表現(xiàn)為L(zhǎng)S>CK>SS，MLS-4、MLS-8及HLS-4處理其生殖器官干物質(zhì)分別較CK增加3.05%、17.60%及10.13%。果期同一歷時(shí)的處理，隨虧缺程度增加，生殖器官干物質(zhì)逐漸減少，但輕度與重度調(diào)虧處理間未產(chǎn)生顯著差異。GSS-8處理的生殖器官干物質(zhì)最少，較CK減少43.88%。調(diào)虧時(shí)期、調(diào)虧程度、調(diào)虧歷時(shí)及其交互作用均對(duì)根冠比有顯著影響(表3)。在各生育期同一調(diào)虧歷時(shí)下，隨調(diào)虧程度增加，根冠比逐漸增大(除苗期長(zhǎng)期輕度(MLS-8)及花期短期輕度(HLS-4)調(diào)虧處理與CK無(wú)顯著差異外)，在果期長(zhǎng)期重度水分調(diào)虧下(GSS-8)根冠比增幅最大，較CK增加38.54%。

圖3 調(diào)虧灌溉對(duì)辣椒干物質(zhì)及根冠比的影響Fig.3 Effects of regulated deficit irrigation on dry matter and root-shoot ratio of pepper

表3 調(diào)虧時(shí)期、調(diào)虧程度、調(diào)虧歷時(shí)及其交互作用對(duì)辣椒干物質(zhì)和根冠比影響的顯著性Table 3 Significant of effects of deficit period, degree, duration and interaction between them on dry matter and root-shoot ratio of pepper

2.3 調(diào)虧灌溉對(duì)辣椒單株產(chǎn)量的影響

不同調(diào)虧處理對(duì)辣椒單株產(chǎn)量的影響見圖4。調(diào)虧時(shí)期、調(diào)虧程度、調(diào)虧歷時(shí)及其交互作用對(duì)單株產(chǎn)量均有顯著影響。從調(diào)虧時(shí)期來(lái)看，果期不同程度或歷時(shí)的水分調(diào)虧均顯著減少辣椒產(chǎn)量，果期長(zhǎng)期重度水分調(diào)虧(GSS-8)處理產(chǎn)量最小，較CK下降41.56%。而在苗期和花期，通過(guò)調(diào)控虧水程度和歷時(shí)可使產(chǎn)量得到不同程度的提高。其中，苗期不同歷時(shí)的輕度調(diào)虧(MLS-4及MLS-8)、花期短期輕度調(diào)虧(HLS-4)顯著提高辣椒產(chǎn)量，尤其在MLS-8處理下產(chǎn)量最高，較CK增加了17.01%。

圖4 調(diào)虧灌溉對(duì)辣椒單株產(chǎn)量的影響Fig.4 Effects of regulated deficit irrigation on yield per plant of pepper

2.4 調(diào)虧灌溉對(duì)辣椒品質(zhì)的影響

辣椒的品質(zhì)包括外觀品質(zhì)和內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)兩部分。優(yōu)質(zhì)的辣椒色澤鮮艷、營(yíng)養(yǎng)成分含量高，尤其是VC及辣椒紅素等是評(píng)價(jià)辣椒品質(zhì)的重要指標(biāo)。不同調(diào)虧處理對(duì)辣椒品質(zhì)(VC含量、果色指數(shù)及辣椒紅素)的影響見表4。調(diào)虧時(shí)期、調(diào)虧程度、調(diào)虧歷時(shí)及其交互作用均對(duì)辣椒品質(zhì)影響顯著。從整個(gè)生育期來(lái)看，苗期虧水會(huì)降低辣椒品質(zhì)，而花期和果期的水分調(diào)虧對(duì)辣椒品質(zhì)有促進(jìn)作用，尤其在果期，隨調(diào)虧程度或歷時(shí)增加，辣椒品質(zhì)逐漸提升。其中，GSS-8處理下VC含量、果色指數(shù)及辣椒紅素增加的最多，分別較CK增加了7.50%、5.71%和10.30%。

表4 調(diào)虧灌溉對(duì)辣椒品質(zhì)的影響Table 4 Effects of regulated deficit irrigation on quality of pepper

2.5 綜合評(píng)價(jià)不同調(diào)虧灌溉方案對(duì)辣椒生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作物產(chǎn)量和品質(zhì)是衡量灌溉方案優(yōu)劣的最基本指標(biāo)。其中，營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)的積累能評(píng)估作物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)狀況，單株產(chǎn)量能直觀反映盆栽作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。VC及辣椒紅素含量是辣椒重要的品質(zhì)性狀，果色指數(shù)是反映辣椒外觀品質(zhì)的重要指標(biāo)，色澤鮮艷的辣椒更受顧客的喜愛。因此，該綜合評(píng)價(jià)模型將AHP、EWM和TOPSIS進(jìn)行整合，對(duì)各調(diào)虧灌溉方案中的產(chǎn)量及品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。通過(guò)AHP和EWM計(jì)算出的指標(biāo)層權(quán)重見表5，并應(yīng)用乘數(shù)合成歸一法計(jì)算出綜合權(quán)重。由表5看出，在AHP分析法中，單株產(chǎn)量的權(quán)重最大，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的權(quán)重最小。在本研究中，最大特征值為2，按文獻(xiàn)公式[18]計(jì)算得到一致性系數(shù)(CR)為0.00，CR<0.1，說(shuō)明判斷矩陣的一致性合理。另外，在EWM中，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的權(quán)重最大，VC含量的權(quán)重最小。產(chǎn)量及品質(zhì)各指標(biāo)的綜合賦權(quán)結(jié)果顯示，單株產(chǎn)量(0.52)>果色指數(shù)(0.18)>營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)(0.12)>辣椒紅素(0.10)>VC(0.08)，表明對(duì)最優(yōu)灌溉方案而言，首先要提高辣椒單株產(chǎn)量，其次是改善果實(shí)的果色指數(shù)，而VC含量對(duì)最優(yōu)調(diào)虧方案的選擇影響最小。依據(jù)自然斷點(diǎn)法，可按權(quán)重≥0.3為重要級(jí)指標(biāo)、[0.1，0.3)為次要級(jí)指標(biāo)、<0.1為邊緣級(jí)指標(biāo)進(jìn)行指標(biāo)分級(jí)[19]，則評(píng)價(jià)灌溉方案的各指標(biāo)中，單株產(chǎn)量為重要指標(biāo)，果色指數(shù)、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)及辣椒紅素為次要指標(biāo)，VC含量為邊緣指標(biāo)。表6展示了各方案的正理想解、負(fù)理想解的歐式距離及排名，得分越高的處理，越接近理想中的最優(yōu)灌溉方案。TOPSIS模型評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，MLS-8距離負(fù)理想解的距離最遠(yuǎn)，達(dá)到0.14，其次是HLS-4，與負(fù)理想解的距離為0.13；HLS-4距離正理想解的距離最近，為0.02，MLS-4與正理想解的距離次之，為0.04。最終，HLS-4的綜合得分最高，效果最好；GSS-8距離負(fù)理想解的距離最近，僅為0.04，與正理想解的距離最遠(yuǎn)，為0.14，綜合得分最低，效果最差。因此，建議在花期進(jìn)行短期輕度調(diào)虧以提升溫室辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)。同時(shí)，要避免辣椒在果期受長(zhǎng)期重度水分虧缺。

表5 各調(diào)虧灌溉方案的權(quán)重Table 5 Weight of each regulated deficit irrigation scheme

表6 各調(diào)虧灌溉方案的綜合評(píng)價(jià)Table 6 Comprehensive evaluation of all regulated deficit irrigation schemes

3 討 論

高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)是蔬果生產(chǎn)的最終目標(biāo)。但傳統(tǒng)的灌溉方式為追求高產(chǎn)，對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行大量灌溉，導(dǎo)致水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)[22]。且灌水較多時(shí)，蔬果的含水量通常較高，不僅不利于存儲(chǔ)和保鮮，還會(huì)使蔬果口感較差，影響其風(fēng)味品質(zhì)[23]。適時(shí)適度的水分調(diào)虧能影響植株的生長(zhǎng)，調(diào)整光合產(chǎn)物在營(yíng)養(yǎng)器官與生殖器官之間的分配，從而改善蔬果品質(zhì)[24- 25]。

植物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)是相互促進(jìn)和相互制約的關(guān)系，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)是生殖生長(zhǎng)的基礎(chǔ)和前提[26]。水分調(diào)虧對(duì)辣椒營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的影響，一方面直觀地表現(xiàn)在其生長(zhǎng)形態(tài)上的差異，反映這種差異最具有代表性的指標(biāo)就是株高、莖粗、葉面積；另一方面，可通過(guò)干物質(zhì)積累差異來(lái)反映。李煊[27]認(rèn)為，膜下調(diào)虧滴灌顯著(P<0.05)降低了辣椒株高、莖粗、葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累，且水分虧缺程度越大，各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)值越小。本研究結(jié)果也表明，苗期水分調(diào)虧使辣椒株高、莖粗和葉面積下降程度最大(圖2)。這是由于辣椒在苗期主要進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，一定程度水分調(diào)虧破壞了辣椒體內(nèi)生理生化反應(yīng)，辣椒生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制，導(dǎo)致株高、莖粗和葉面積顯著小于CK；而辣椒在花期和果期主要進(jìn)行生殖生長(zhǎng)，水分調(diào)虧對(duì)其營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)影響較小，因此，花期和果期的水分調(diào)虧對(duì)辣椒株高、莖粗和葉面積影響較小[7]。有研究認(rèn)為，適度的虧缺灌溉能有效抑制作物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，促進(jìn)光合同化物向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)移，從而提高作物產(chǎn)量[28]。本研究認(rèn)為，苗期不同歷時(shí)的輕度水分調(diào)虧顯著減少辣椒營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)，可有效防止枝葉徒長(zhǎng)，從而提高植株能量利用率，復(fù)水后產(chǎn)生顯著的補(bǔ)償生長(zhǎng)效應(yīng)，補(bǔ)償時(shí)間充足，可提高產(chǎn)量，但在受重度調(diào)虧時(shí)，植株低矮瘦弱，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)嚴(yán)重不足，復(fù)水后也不能完全恢復(fù)，最終導(dǎo)致生殖器官干物質(zhì)減少[26]；在花期，除短期輕度調(diào)虧下生殖器官干物質(zhì)較CK增加外，不同歷時(shí)的輕度及重度調(diào)虧均顯著抑制營(yíng)養(yǎng)器官和生殖器官干物質(zhì)積累。這可能是由于花期正值營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段向生殖生長(zhǎng)階段過(guò)渡，適度的水分虧缺能促進(jìn)生殖生長(zhǎng)，有利于增產(chǎn)，而過(guò)量的虧水則會(huì)導(dǎo)致幼蕾掉落，不利于植株的生殖生長(zhǎng)；在果期，不同強(qiáng)度及歷時(shí)的水分調(diào)虧均會(huì)減少辣椒營(yíng)養(yǎng)器官與生殖器官干物質(zhì)，但對(duì)生殖器官干物質(zhì)的抑制程度更大，可能因?yàn)楣趯儆谏成L(zhǎng)期，植物處于生長(zhǎng)旺盛階段，氣溫高，騰發(fā)量大，植株需水量較大，對(duì)水分特別敏感，水分虧缺影響果實(shí)發(fā)育，因而導(dǎo)致嚴(yán)重減產(chǎn)[29-30](圖3、圖4)。

根系和冠層是作物的基本結(jié)構(gòu)，在作物生長(zhǎng)過(guò)程中，根系與冠層相互競(jìng)爭(zhēng)。在水分虧缺時(shí)，土壤含水量降低會(huì)影響植物基因表達(dá)，從而調(diào)節(jié)各器官的發(fā)育，影響營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)，改變根冠比。根冠比不僅反映了作物地下部與地上部的生長(zhǎng)發(fā)育狀況及協(xié)調(diào)性，也能反映植株在調(diào)虧灌溉下光合產(chǎn)物的分配狀況。李明達(dá)等[31]研究表明，水分脅迫導(dǎo)致根冠比增大，且隨脅迫強(qiáng)度和脅迫歷時(shí)增加根冠比逐漸增大；復(fù)水后，根系和冠層受到一定補(bǔ)償，根冠比減小。本研究結(jié)果表明：除MLS-8和HLS-4處理根冠比與CK相比無(wú)顯著差異外，其他調(diào)虧處理均使根冠比顯著增加，表明根冠比過(guò)大不利于光合產(chǎn)物在營(yíng)養(yǎng)器官與生殖器官間的合理分配，影響作物生殖器官干物質(zhì)的積累(圖3)。

水分是蔬果品質(zhì)形成的重要媒介物質(zhì)，它不僅是各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)載體，也直接參與到細(xì)胞分裂、糖分轉(zhuǎn)化等一系列生理生化過(guò)程中，控制著植物細(xì)胞內(nèi)的庫(kù)壓，能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化酶的合成和活性，從而影響光合同化物向果實(shí)的分配，影響果實(shí)品質(zhì)[32]。黃海霞等[33]認(rèn)為，在定植-坐果期進(jìn)行中度和重度調(diào)虧可顯著提高辣椒營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。本研究結(jié)果顯示，在花期和果期進(jìn)行水分調(diào)虧有助于提升果實(shí)品質(zhì)，辣椒VC含量、果色指數(shù)及辣椒紅素均較CK顯著增加(表4)，說(shuō)明辣椒果實(shí)品質(zhì)對(duì)于花期和果期水分供應(yīng)較敏感，因此，可通過(guò)調(diào)控花期、果期的水分供應(yīng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)品質(zhì)的改善。

評(píng)價(jià)辣椒產(chǎn)量、品質(zhì)的指標(biāo)眾多且單個(gè)指標(biāo)不能全面反映灌溉方案的優(yōu)劣，應(yīng)用多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法能更全面、科學(xué)地選擇出最佳調(diào)虧方案。本文通過(guò)AHP和EWM得到的綜合權(quán)重發(fā)現(xiàn)，單株產(chǎn)量的綜合權(quán)重值最大，為0.52，其次是果色指數(shù)，權(quán)重值為0.18(表5)。若僅從產(chǎn)量角度考慮，MLS-4、MLS-8和HLS-4調(diào)虧方案均能顯著提升辣椒產(chǎn)量，且MLS-8方案使產(chǎn)量增幅最大?？删C合考慮品質(zhì)指標(biāo)權(quán)重后，HLS-4得分最高，其次是MLS-8和MLS-4，對(duì)照組CK僅排第4位，GSS-4的得分最低(表6)。由此可知，全生育期充分供水并非最利于作物生長(zhǎng)的最優(yōu)方案，適時(shí)適度的水分虧缺更能提升辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)。因此，建議在花期進(jìn)行短期輕度水分調(diào)虧，以促進(jìn)溫室辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。另外，要避免辣椒在果期受長(zhǎng)期重度水分虧缺。

4 結(jié) 論

1)在本試驗(yàn)條件下，與花期和果期相比，苗期水分調(diào)虧對(duì)辣椒株高、莖粗、葉面積及營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)的抑制程度最大。

2)苗期短期輕度(MLS-4)、苗期長(zhǎng)期輕度(MLS-8)及花期短期輕度(HLS-4)調(diào)虧灌溉處理使辣椒生殖器官干物質(zhì)和產(chǎn)量不同程度提高。此外，苗期虧水會(huì)降低辣椒品質(zhì)，而花期和果期水分調(diào)虧對(duì)品質(zhì)有促進(jìn)作用。

3)花期短期輕度水分調(diào)虧方案(HLS-4)的綜合得分為0.86，排名第一，對(duì)溫室辣椒產(chǎn)量、品質(zhì)的改善效果最佳。