基于熵权-TOPSIS的滴灌春玉米灌水定额研究_李池.pdf

第 卷 第 期 年 月水 资 源 与 水 工 程 学 报 ，收稿日期：；修回日期：基金项目：新疆维吾尔自治区十四五重大专项项目（）作者简介：李 池（），男，河北邢台人，硕士研究生，研究方向为灌溉节水理论。通讯作者：赵经华（），男，新疆奇台人，教授，博士生导师，主要研究节水灌溉理论和作物高效用水。：基于熵权 的滴灌春玉米灌水定额研究李 池，陈 刚，梁国成，杨继革，曹 伟，赵经华，马明杰，（新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐；新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐；克拉玛依绿成农业开发有限责任公司，新疆 克拉玛依；乌鲁木齐经济技术开发区（头屯河区）建设局，新疆 乌鲁木齐）摘 要：为准确得到适宜于北疆地区滴灌春玉米的灌水定额，设置了（）、（）、（）、（）、（）、（）个水平的灌水定额，研究灌水定额对春玉米生长发育和产量的影响。选取部分生长指标、产量指标、节水指标作为评价指标，结合耗水规律和指标显著性进行分析，并采用熵权 综合评价法，优选适宜于北疆地区滴灌春玉米的灌水定额。结果表明：滴灌春玉米的关键生育期为抽雄散粉期，该生育期最优灌水定额为 ；耗水量和耗水强度的增长速率在灌水定额大于 后明显下降；通过各指标显著性分析得出，灌水定额为 时，较适宜北疆春玉米的生长；熵权 综合评价结果显示，灌水定额为 时，贴近度最高，评价结果最好，此时玉米产量为 。综上所述，北疆滴灌春玉米的最优灌水定额为 。关键词：滴灌；玉米灌水定额；熵权 ；综合评价中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，；（），）：，（），（），（），（），（）（），；，：；研究背景新疆维吾尔自治区（以下简称新疆）地处我国的西北边陲，是典型的温带大陆性气候，年降雨量较少，蒸发量较大，农作物生长主要依赖灌溉，为荒漠绿洲型农业。针对新疆水资源短缺的形势，在国家“十三五”期间，全新疆范围内以滴灌为基础的高效节水灌溉技术得到了快速发展。滴灌作为一种封闭管道式输水的灌溉方式，没有输水损失，几乎没有深层渗漏，田间蒸发损失低，可以很好地与施肥相结合。节水和水肥耦合的优势使得滴灌成为一种主要的灌溉方式。新疆在农作物的种植方面有着得天独厚的地理条件，但农业用水效率低下，制约了新疆农业的发展。灌水定额作为影响农业用水量和作物产量的主要因素之一，是新疆农业产业节水增产研究的重点。国内外学者在该方面进行了大量的研究。研究表明，灌水量对春玉米的产量、水分利用效率和灌溉水利用效率影响显著；随着灌水定额的增加，玉米的产量呈先增加后降低的趋势；灌水量过大或过小均会影响作物对于氮素的吸收，从而影响其产量。近年来，随着新疆滴灌技术的快速发展，越来越多的学者通过田间试验对玉米的灌水定额与其生长、产量、水分利用效率等综合指标的响应关系进行研究，而地理位置、气候等因素的变化，也会影响在玉米滴灌方面的试验结果，使得试验结果在定量上存在一定的差异，因此有必要采用综合性的评价方法来研究灌水定额对玉米各项指标的影响。（）分析方法与其他综合分析方法相比，更加符合实际属性关系。菅毅等利用 综合评价法对番茄的不同灌溉方式进行了优选，得出交替地下灌溉的灌溉方式最优；李泽东等将熵权 评价法运用到植物抗性综合性评价中，取得了良好的评价效果。本研究从灌水定额对玉米的生长指标、产量指标、节水指标的影响入手，结合新疆北部（以下简称北疆）克拉玛依地区的气候环境，采取定灌水周期、变灌水定额的试验方法，通过采集大田玉米生育期的生长指标及产量数据，分析各个采集指标对灌水定额的响应关系，并采用熵权 综合评价法对玉米的各项指标进行综合性评价，旨在优选出适宜于北疆克拉玛依地区的滴灌玉米灌水定额，为该地区滴灌玉米的生产提供技术参考。试验与研究方法 试验区概况试验区位于新疆克拉玛依市东南部 处的农业综合开发区内，地理坐标为东经，北纬，海拔高度为 。该区域西北抵准噶尔盆地西部界山加依尔山前山脚，南依天山北麓，东临古尔班通古特沙漠，是准噶尔盆地西北边缘的湖积平原，地势低平，耕地面积约为 ，为克拉玛依市主要农作物种植区，也是“引额济克”引水工程国家级农业综合开发区。试验区属于典型的大陆性干旱气候，灌溉水源主要依靠克拉玛依市西郊水库的地表水，输水方式为自压管道式输水。该区域昼夜温差较大，多年平均气温为 ；降雨主要集中在夏季，常呈阵发性、短历时降雨，多年平均降水量为 ，多年平均蒸发量较大，为 （口径蒸发皿），地下水位在 ；年积温较高，全年日均稳定大于 的年积温为 ；年平均无霜期为 ；多年平均风速为 。年玉米生育期内（月 日 月 日）试验区降雨量及平均气温见图。图 年玉米生育期内试验区日降雨量及日平均气温试验区土壤 深度多为壤土，深度多为轻砂土，质地较轻，透水性较好。土壤平均干容重为 ，田间持水量为 ，土壤肥力中等，不同土层土壤酸碱度及微量元素含量检测结果见表。试验区周围为开阔农田，灌溉水利设施配套齐全，土壤均匀性良好。试验方案及指标测定 试验布置与处理方案 试验于 年在试验区内完成，选用太玉 作为供试玉米品种，试验区呈方形布置，长度为 ，宽度为 ，种植模式为无膜一管两行，窄行间距为 ，宽行间距第 期 李 池，等：基于熵权 的滴灌春玉米灌水定额研究为 ，滴头流量为 。在预定位置埋设土壤水分探管，采用土壤水分廓线仪（）监测土壤水分变化。玉米种植模式及水分探管具体布置见图。表 试验区土壤酸碱度及微量元素含量土壤深度有机质（）全氮（）全磷（）全钾（）碱解氮（）速效磷（）速效钾（）图 玉米种植模式及 水分探管布置（单位：）试验共设置 个水平的处理，分别为灌水定额（、），灌水周期设置为 ，每个试验小区设置 个重复，另设一行作为保护行，以免水分交叉，影响试验结果。每个试验小区面积为 ，试验区总面积为 。除统一进行出苗水灌溉外，其余均按照试验设计方案进行灌溉，苗期后灌水处理设计方案见表。氮肥施用量为 。玉米生育期划分如下：月 日 月 日为苗期；月 日 月 日为拔节期；月 日 月 日为喇叭口期；月 日 月 日为抽雄散粉期；月 日月 日为乳熟期；月 日 月 日为完熟期。表 苗期后灌水处理试验设计方案处理编号灌水周期 单次灌水定额（）灌水次数总灌水定额（）指标测定（）土壤含水率：利用土壤水分廓线仪及定点布设的土壤水分探管监测土壤水分变化，于灌水前及灌水后 各进行一次测量。（）株高：在每个生育期内，对各个试验小区内做标记的 株植株使用卷尺进行株高测定，前期株高以地面至玉米主茎顶端计，抽雄期及以后以地面至雄蕊顶端计。（）叶绿素含量：在试验初期各个小区各个重复内选取生长状况正常的 株植株进行标记，在每个生育期内对这 株玉米植株的完全展开叶使用（）仪进行叶绿素的采集监测，每株测量 次取平均值。（）秃尖长：使用游标卡尺测量从玉米果实顶端到完整颗粒的距离。（）千粒重：对 个重复的样品烤种、脱粒后进行混合，充分混合后，取 次 粒玉米种子进行称重，取其平均值。（）穗粒数：在每个重复内选取 株植株，取其果实，根据籽粒排数和列数，估算穗粒数，取平均值。（）产量测定：对每个小区的每个重复前部、中部和后部的相同位置各取 ，进行采样，烤种，脱粒，晾晒至恒重，统计每穗粒数、千粒重，并折合成单位面积产量。研究方法 耗水量计算 计算土壤贮水量：（）式中：为土壤贮水量，；为第 层土壤体积含水率，；为第 层土壤厚度，；为土壤层数，每 为一层。玉米耗水量的计算采用土壤水分平衡公式：（）式中：为作物耗水量，；为灌溉始末土壤 水 资 源 与 水 工 程 学 报 年剖面水分含量差值（按 计），；为玉米生育期内的降雨量，；为生育期灌溉量，旱作时 ；为时段内地下水补给量，。利用采集到的土壤水分数据进行玉米各生育期耗水量的计算。水分利用效率及灌溉水利用效率计算水分利用效率（）和灌溉水利用效率（）的计算公式如下：（）（）（）（）式中：为作物的水分利用效率，；为作物的灌溉水利用效率，；为作物的产量，；为单位换算系数，此式中 。熵权 计算（）构建评价矩阵及矩阵标准化（）|（）玉米灌水定额原始矩阵设为，为第 个评价指标所对应的第 个处理的原始值；，（为评价指标数），（为处理数）。对评价矩阵进行标准化处理，以减少量纲系数等带来的误差，正向指标越大表示该指标对灌水处理的响应越强，负向指标则与之相反。本研究中，除秃尖长、耗水量为负向指标外，其余均为正向指标，各评价指标的标准化值 分别采用公式（）、（）进行计算。正向指标：（）负向指标：（）（）熵权法计算权重与传统方法相比，熵权加权的数据处理方法有较强的客观性，可以减少主观性因素带来的误差，保证评价结果的准确度。（）（）（）（）利用公式（）计算标准化后的矩阵的特征比重；根据公式（）计算出各个指标的信息熵；为指标的差异系数，最终得到 个指标的权重值。（）模型计算。等在 年提出 模型，该模型用于对有限方案的决策，是一种基于距离的综合评级方法。法的计算过程如下：（）（，），（）（，），（）（）（）（）（）（）通过权重和标准矩阵计算得到加权评价矩阵；对加权评价矩阵计算得到各个指标的理想解（正理想解）和（负理想解）；计算每个处理到正理想解的距离和到负理想解的距离；再计算出各个处理的贴近度，贴近度越大，则代表该处理的水平越好。结果与分析 灌水定额对耗水量和耗水强度的影响图 是以灌水日期作为节点计算得到的玉米生长各阶段耗水强度变化；图 为各试验处理下玉米的耗水量。图 不同处理下的玉米生长各阶段耗水强度变化第 期 李 池，等：基于熵权 的滴灌春玉米灌水定额研究图 不同试验处理下玉米的耗水量由图 整体来看，玉米各阶段耗水强度呈先增大后减小的趋势，在 月 日 月 日期间的耗水强度值较大，该时段玉米主要处于抽雄散粉期；耗水量随灌溉水量的增大逐渐增大。从图、中、处理的耗水量和耗水强度变化可以看出，当玉米灌水定额维持在中、低水平时，玉米全生育期的耗水量和耗水强度均随灌水定额的增大而增大；在灌水定额达到 后（处理），耗水量和耗水强度随灌水定额增大的趋势减缓，在玉米喇叭口期，这一规律尤为明显。、处理喇叭口期的耗水强度呈递增阶梯型排列，而、处理的耗水强度在喇叭口期差距较小，但耗水量和耗水强度仍随着灌水定额的增加而有所增大，这表明在玉米喇叭口期 的灌水定额基本可以满足玉米正常的生长需求，继续增大灌水定额虽然有利于玉米的生长发育，但促进作用逐渐减小。在玉米抽雄散粉期，、处理的耗水强度均随灌水定额的增加而明显增大，随着玉米植株由生长发育逐渐转变为生殖发育，植株的需水量增大，的灌水定额不足以支撑植株的生殖发育，使得、处理间差异明显，而 与 处理较为接近，表明了玉米在抽雄散粉期的需水量大于喇叭口期的需水量，约为 。在玉米生育后期，从各个处理来看，较高的灌水定额会减缓耗水强度的减小速率，如 处理的耗水强度仅减小了，说明较大的灌水定额会减缓玉米籽粒在成熟期的衰老速度，可能会导致玉米的收获时间延后。综上所述，全生育期中抽雄散粉期为滴灌春玉米的关键生育期，需为作物提供充足水分，玉米进入乳熟期需要适当控水来降低玉米籽粒的含水率。不同处理间玉米生长指标、产量指标和节水指标的差异性分析 本文选取株高、叶绿素为生长指标；秃尖长、穗粒数、千粒重、产量为产量指标；耗水量、水分利用效率（）、灌溉水利用效率（）为节水指标，使用每个试验小区所测得的 次重复数据进行单因素方差分析，探究各指标在处理间的显著性水平。使用（）数据分析软件，在 ，即置信区间为 水平下，对灌水定额与选定指标进行显著性分析，分析结果见表。表 不同处理下玉米各生长、产量和节水指标的显著性分析结果处理编号株高叶绿素相对含量秃尖长穗粒数千粒重耗水量平均产量（）（）（）注：同列数据后不同小写字母代表差异显著（）表 的分析结果表明：、和 处理两两之间在产量上均具有显著性差异（），处理平均产量为 ，比 处理的产量增加了 ，处理的平均产量为 ，比 处理的产量增加了，且在 处理下，即灌水定额为 时的产量达到最大值，当继续增大灌水定额后，处理的平均产量为 ，比 处理的产量减少了，灌水定额对玉米增产的正向影响减弱。前人对于玉米干物质积累的研究表明，当玉米的灌溉水量较大时，会影