發布時間：2021-06-29所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：為了探明水肥配施對枸杞生長、產量和品質等方面的綜合影響，以獲取最適水肥配施方案，設置3個不同灌溉定額(194，254，313mm)和3個不同N-P2O5-K2O配比施肥量(135-45-90，180-60-120，225-75-90kg/hm2)9個組合，采用完全隨機設計，利用AHP和熵權法相結合
摘要：為了探明水肥配施對枸杞生長、產量和品質等方面的綜合影響，以獲取最適水肥配施方案，設置3個不同灌溉定額(194，254，313mm)和3個不同N-P2O5-K2O配比施肥量(135-45-90，180-60-120，225-75-90kg/hm2)9個組合，采用完全隨機設計，利用AHP和熵權法相結合的綜合評判方法對枸杞的4類一級指標和12類二級指標進行綜合評判，以構建枸杞水肥配施綜合評判模型.通過最小二乘法對AHP法和熵權法進行優化組合，計算綜合評判權重，以自然間斷法將綜合評判權重進行分類，確定水肥配施方案的決策依據.以綜合評判指數為因變量，以灌溉定額和總施肥量為自變量進行逐步二項式回歸分析，建立回歸方程，分析水肥耦合下對綜合評價指數的影響，并確定在綜合評價指數最大時對應的水肥配施方案.結果表明，綜合評判指數隨水肥施量增加呈先升高后降低的趨勢，與生產實際相符;各類因素對綜合評判指數的影響中，粒度、百粒重、干果產量和總糖這4個因素對枸杞生長的綜合評判影響較大，占總評判指數73.3%以上.基于AHP和熵權法組合優化后得出的枸杞最優水肥方案：灌溉定額為252～278mm(不含春冬灌)，配比施肥量(N-P2O5-K2O)為197-66-131kg/hm2～203-68-135kg/hm2，枸杞綜合效益最佳.
關鍵詞：水肥方案;枸杞;綜合評判;層次分析法;熵權法
寧夏是枸杞的原產地，已有500多a的栽培歷史，果實、根皮及嫩葉均可入中藥.截至2019年底，寧夏的枸杞種植面積超過2.33萬hm2，占全國枸杞種植面積一半以上，是當地助力脫貧的重要經濟作物.作物產量和品質不僅需要水分和肥料這2個關鍵因素，氣候環境、溫度和降水等因素的影響也尤為重要[1].因此，如何制定出科學、合理的水肥方案是水資源高效利用前提下，作物高產需要面臨的重要問題.目前，對枸杞水肥方案制定的研究工作多集中在利用產量、品質或水肥利用效率等單方面的效應為依據進行[2-3].而利用多指標綜合評判的方法制定灌溉施肥方案，目前已廣泛應用在溫室番茄[4]、小麥[5]、水稻[6]等作物上
.常用的綜合評判方法有主成分分析法[7]、層次分析法(analytichierarchyprocess，AHP)[8]、模糊綜合決策[9]、熵權法[10]等.AHP法權重的確定是由專家根據1～9的標度法進行打分，主要依賴于專家經驗;熵權法則是根據各評判指標的實測數據確定其權重的客觀評判方法，明顯的缺點是過度依賴實測數據，沒有考慮專家經驗.AHP和熵權法相結合的評判方法已成功應用于水環境安全、水資源[11]、富水性預測[12]等領域.
綜上所述，文中采用基于AHP和熵權法相結合的賦權方法對枸杞從氣候、生長、產量和品質這4個方面進行綜合評判，同時分析各項指標對不同水肥方案的響應，旨在為枸杞優質高產水肥方案優化提供借鑒.
1材料與方法
1.1試驗基地概況
試驗于2018年和2019年4—10月在寧夏中部干旱區同心縣潤德枸杞莊園(105°54′E，36°58′N，海拔1240m)試驗基地開展.該地區屬典型大陸季風型氣候，多年平均降水量為270mm，且多集中在7—9月，干旱指數為8.4，地下水埋深大于30m.距離試驗區域5m空曠處安裝Decagon微型氣象監測站，監測研究區域氣象情況，2018年和2019年生育期內降水總量分別為172.9和175.5mm，≥5mm的有效降雨量分別為151.65，154.90mm.試驗基地2018—2019年枸杞全生育期內氣候變化如圖1所示，圖中物理量為日平均氣溫tda、降雨量P、參考作物蒸發蒸騰量ET0;土壤理化性質見表1，表中ρ為體積質量.
試驗基地供試作物品種為4a生“寧杞7號”枸杞，長勢均勻，株行距為75cm×300cm，種植密度為4440株/hm2.采用滴灌方式，鋪設壁厚0.15mm、內徑16mm的內嵌式滴灌管，滴頭流量為3.0L/h，滴頭間距30cm，每棵樹左右各有滴頭1個;滴灌管距枸杞樹主干5cm，灌水量由水表控制.春、冬水分別為300和450m3/hm2.
1.2試驗設計
田間試驗設計采用完全隨機試驗設計方法，設定灌溉定額(W)和施肥量(F)2個因素，各3個水平，1個灌水不施肥梯度作為對照(CK)，共10個處理.每個處理重復3次，每個小區10株枸杞樹.各小區灌水次數相同，灌水7次，萌芽期、春梢生長期和開花期各灌水1次，果熟期4次.每次灌水定額相同，均為灌溉定額的1/7.灌溉定額的3個水平W1，W2，W3分別為194，254，313mm;配比施肥量(N-P2O5-K2O)的3個水平F1，F2，F3分別為135-45-90，180-60-120，225-75-150kg/hm2.施肥方式采用水肥一體化，肥料選用尿素(含氮量46%)、過磷酸鈣(含磷量12%)、硫酸鉀(含鉀量50%);全生育期施肥共7次，占總施肥比例為春梢生長期20%(1次)、開花初期20%(1次)、果熟期50%(分4次等量施用)、落葉期10%(1次).
1.3試驗測定項目及評判說明
1.3.1氣候指標
枸杞全生育期氣候指標主要考慮界限溫度為≥10℃的積溫和灌溉條件下的有效降水量[13].采用Decagon微型氣象站監測試驗區域氣溫、降水量、蒸發量和風速等氣象參數，數據步長為1h.根據前人[13]研究發現，枸杞全生育期≥10℃積溫為3200～3600℃，則枸杞能夠獲得正常生長所需的熱量，此時熱量將不受枸杞產量和品質的限制.在灌溉條件下，全生育期有效降水量為100～170mm，則枸杞產量不受降水量的影響;降水量小于100mm時，對枸杞的產量產生不利影響;但當降水量達到240mm以上時，果實則因水分太多導致采摘時果實裂口、黑果病等，豐產不豐收[14].因此，在選取氣象評判指標時，只考慮溫度和降水量這2個因素.
1.3.2生長指標
監測全生育期枸杞株高和葉面積生長指標，每個小區選取3棵樣株，每隔10d測量1次.株高選用米尺測量從枸杞根部到頂部的距離，選用整個生育期的平均株高.葉面積測量選用便攜式葉面積儀(UPA-210APB)進行測量，選用最大平均葉面積值.
1.3.3產量指標
產量指標包括枸杞的鮮果產量(簡稱：鮮產)、干果產量(簡稱：干產)、百粒重和粒度.
鮮產和干產：分茬采摘每個處理小區10株全部枸杞夏果，用電子秤(精度為0.01g)稱重測定枸杞鮮果產量和烘干后的干果產量.
百粒重及粒度：每個處理測定干果產量后，隨機選擇100粒用電子秤(精度0.01g)稱重，每處理重復3次取最大平均值;用電子秤(精度0.1g)稱重50g，并清查枸杞干果的粒數，重復3次.
1.3.4品質指標
每個處理選取0.5kg枸杞樣品送交專業檢測機構，檢測不同處理枸杞果中總糖、枸杞多糖、蛋白質和甜菜堿等品質指標.枸杞多糖和總糖含量根據標準《枸杞》(GB/T18672—2014)測定并評判，蛋白質含量根據標準《食品安全國家標準：食品中蛋白質的測定》(GB/T5009.5—2016)測定，甜菜堿含量根據標準《甜菜中甜菜堿的測定比色法》(NY/T1746—2009)測定并評判.
1.4基于AHP和熵權法的枸杞綜合評判體系
1.4.1評判指標體系的構建
1)枸杞綜合評判層次模型.以科學合理性和全面性相結合的原則，查閱相關文獻和《枸杞》(GB/T18672—2014)選定評判指標.通過分析，建立了以氣候、作物生長、產量和品質4個一級指標作為準則層、12個二級指標作為評判因素層、3個決策指標為備選方案層，共12項具有代表性的評判指標，構建枸杞綜合評判層次模型.具體模型層次結構如圖2所示.
2結果與分析
2.1基于AHP和熵權法的枸杞綜合評判
2.1.1基于AHP和熵權法評判因素權重的確定
1)基于AHP的因素權重確定.通過邀請10位相關專家以調查問卷的方式，對不同層級中的多個因素兩兩比較，給出判斷值.將所有專家的意見平均后，構建各個層次的判斷矩陣.利用Yaahp10.2計算一級指標和二級指標的權重，獲得AHP逐層指標權重，見表2，ek和ei分別為一級指標和二級指標的局部權重，所有指標的一致性比率CR的值均小于0.1則認為判斷矩陣都通過了一致性檢驗，層級分析法賦權合理.
2)基于熵權法的因素權重確定.將2018—2019年枸杞大田試驗的實測值標準化后再進行權重計算.熵權法權重的具體計算過程可按公式(3)—(5)進行，計算結果見表3.
3)基于AHP和熵權法的綜合權重評判值的確定.在Matlab中利用公式(6)計算綜合權重wi，結果見表3.由于AHP法與熵權法是按照不同的評判標準進行計算的，因此12個評判指標在不同的方法下，計算的權值對總目標的影響不盡相同.選取2種評判方法中得分最高的4個指標為例，分析其對枸杞綜合評判結果的影響.
AHP法結果得出對評判結果影響最大的4個指標：按影響由大至小為粒度u8，蛋白質u11，總糖u9，干果產量u7，總計占總評判值的54.6%.由熵權法得出的2018年和2019年對總目標影響程度最高的4個指標：2018年按影響由大至小為干果產量u6，百粒重u7，粒度u8，總糖u9，總計占總評判值的66%;2019年按影響由大至小為干果產量u6，粒度u8，鮮果產量u5，總糖u9，總計占總評判值69.9%.綜合法得出的2018年和2019年影響程度最高的4個指標：2018年按影響由大至小為粒度u8，百粒重u7，干果產量u6，總糖u9，總計占總評判值78%;2019年按影響由大至小為粒度u8，干果產量u6，總糖u9，百粒重u7，總計占總評判值73.3%.可以發現粒度、干果產量、百粒重是對枸杞評判影響最大的指標，所占比例高于73.3%.另一方面，從評判指標數值的差異也可以看出，綜合法能更好地反映各指標對水肥配施的響應，更符合枸杞的生產實際.
2.1.2基于AHP和熵權法的枸杞水肥方案決策結果
綜合評判的結果決定著枸杞種植相對較優的水肥配施方案.因此在進行決策時，采用綜合評判的方式，通過自然間斷法對枸杞綜合評判指數進行分類，使各個決策類別差異明顯.綜合評判指數的間斷分類見表4.
各水肥處理方案最終的綜合評判指數按公式(7)進行計算，并根據表4自然間斷法進行決策分類，基于AHP和熵權法的枸杞水肥配施最終綜合評判指數Sj和決策結果見表5.總體上，綜合評判的權值均隨水肥用量增加呈先升高后降低的趨勢.2018與2019年可以推廣的水肥方案分別是處理W2F2和W2F3以及W2F3和W3F1，存在評判指數最優區間，表明此區間內的水肥方案最有利于枸杞生長.
2.2基于AHP和熵權法評判的枸杞最優水肥方案構建
2.2.1綜合評判下枸杞水肥對評判指標的影響
以綜合評判指數為依據，灌溉定額、總施肥量與綜合評判指數關系如圖3所示，圖中I為灌溉定額，F為總施肥量.由圖可見，2018年指標高的區域主要在中水中肥區域，灌溉定額和總施肥量分別為250～280mm和320～400kg/hm2;2019年指標高的區域則出現在中水高肥和高水低肥區域，灌水定額和總施肥量分別為240～280mm和420～450kg/hm2，300～313mm和270～290kg/hm2.
3討論
以枸杞為研究對象，通過前人[2-3]對枸杞產量和品質的研究可知，氣候、枸杞植株的生長、灌溉定額及肥料用量都是影響枸杞產量和品質的重要因素.目前，多數研究人員均利用一種方法對作物進行評判，鮮有利用多個方法從多個方面對作物水肥方案進行綜合評判.
為了綜合分析各類指標，通過主客觀評判相結合的方法對枸杞4類一級指標12類二級指標進行建模運算.根據評判指數，利用綜合評判法得出的枸杞水肥方案，能夠準確地反應枸杞的需水需肥變化，更為符合生產實際.
由綜合評判法得出，2018年的綜合評判指數隨肥料量增加而先增大后降低，這一規律與張智等[4]在櫻桃番茄上的研究結果一致.這反映了不同水肥方案對綜合評判指數的影響，同時也說明了在中水中肥區間內水肥對枸杞的生長具有協同效應，在高水低肥和低水高肥區間則存在拮抗效應.其中2018年產量最高的為處理W2F2，其增產率為16.41%;2019年產量最高的為處理W2F3，其增產率則高達34.38%.其增產率與李永梅等[2]在水肥一體化下研究枸杞水肥配施的增產率相近.但2019年的綜合評判指數則隨肥料用量增加而增大，這與前人[6，9]的研究結果不相一致，是由于2019年全年有效積溫偏低，呼吸和蒸騰強度相對較小，植株自身養分的有效積累量小，而有效降雨量卻較2018年偏高3.0mm，水肥的協同效應使肥料中更多的有機質以水為介質被植株吸收，導致了肥料用量增加，使得相同灌溉定額條件下綜合評判指標的最大值均出現在高肥F3處理中.
前人[16-17]研究的結果顯示，滴灌條件下枸杞適宜的灌溉定額和總施肥量分別為237～435mm和357～552kg/hm2時，枸杞的產量最高、生長和品質能夠達到最優.
通過綜合評判得出的灌溉定額和總施肥量區間分別為252～278mm和359～405kg/hm2，范圍更精確.以此為依據制定枸杞的水肥方案也更為可靠，便于準確實施.
4結論
1)通過AHP和熵權法相結合的方法構建了枸杞綜合評判模型.該方法從影響枸杞綜合效益的氣候、生長、產量和品質的14類12項指標，主客觀并行對不同水肥方案進行評判、決策，最終得出的可推廣水肥方案符合實際，且更為可靠.
2)在以枸杞產量和品質為主導的枸杞綜合評判中，發現粒度、百粒重、干果產量和總糖這4個指標的評判指數對最終決策起著決定性的作用，影響占總評判指數高達73.3%以上.因此，當評判指標數據缺失或不全面時，推薦可使用這4個指標對枸杞進行綜合評判，同樣能得出較為客觀的結論.
3)該模型通過綜合評判法對各水肥處理進行評判決策，通過回歸分析，得出枸杞的最優水肥方案，灌溉定額為252～278mm(不含春、冬灌)，配比施肥量(N-P2O5-K2O)為197-67-131kg/hm2～203-68-135kg/hm2.
4)本模型僅利用試驗期的數據分析了枸杞水肥方案，且評判指標仍有不足.下一步將更加深入研究不同水文年型下的綜合評判在枸杞水肥方案中的應用.——論文作者：鄧箴1，2，尹娟1，3，4，5，吳軍斌1，張海軍1
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