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摘 要： 摘要：為了探明水肥配施對(duì)枸杞生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)等方面的綜合影響，以獲取最適水肥配施方案，設(shè)置3個(gè)不同灌溉定額(194，254，313mm)和3個(gè)不同N-P2O5-K2O配比施肥量(135-45-90，180-60-120，225-75-90kg/hm2)9個(gè)組合，采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，利用AHP和熵權(quán)法相結(jié)合
摘要：為了探明水肥配施對(duì)枸杞生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)等方面的綜合影響，以獲取最適水肥配施方案，設(shè)置3個(gè)不同灌溉定額(194，254，313mm)和3個(gè)不同N-P2O5-K2O配比施肥量(135-45-90，180-60-120，225-75-90kg/hm2)9個(gè)組合，采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，利用AHP和熵權(quán)法相結(jié)合的綜合評(píng)判方法對(duì)枸杞的4類一級(jí)指標(biāo)和12類二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)判，以構(gòu)建枸杞水肥配施綜合評(píng)判模型.通過最小二乘法對(duì)AHP法和熵權(quán)法進(jìn)行優(yōu)化組合，計(jì)算綜合評(píng)判權(quán)重，以自然間斷法將綜合評(píng)判權(quán)重進(jìn)行分類，確定水肥配施方案的決策依據(jù).以綜合評(píng)判指數(shù)為因變量，以灌溉定額和總施肥量為自變量進(jìn)行逐步二項(xiàng)式回歸分析，建立回歸方程，分析水肥耦合下對(duì)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的影響，并確定在綜合評(píng)價(jià)指數(shù)最大時(shí)對(duì)應(yīng)的水肥配施方案.結(jié)果表明，綜合評(píng)判指數(shù)隨水肥施量增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，與生產(chǎn)實(shí)際相符;各類因素對(duì)綜合評(píng)判指數(shù)的影響中，粒度、百粒重、干果產(chǎn)量和總糖這4個(gè)因素對(duì)枸杞生長(zhǎng)的綜合評(píng)判影響較大，占總評(píng)判指數(shù)73.3%以上.基于AHP和熵權(quán)法組合優(yōu)化后得出的枸杞最優(yōu)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(guān)鍵詞：水肥方案;枸杞;綜合評(píng)判;層次分析法;熵權(quán)法
寧夏是枸杞的原產(chǎn)地，已有500多a的栽培歷史，果實(shí)、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(guó)枸杞種植面積一半以上，是當(dāng)?shù)刂γ撠毜闹匾?jīng)濟(jì)作物.作物產(chǎn)量和品質(zhì)不僅需要水分和肥料這2個(gè)關(guān)鍵因素，氣候環(huán)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(xué)、合理的水肥方案是水資源高效利用前提下，作物高產(chǎn)需要面臨的重要問題.目前，對(duì)枸杞水肥方案制定的研究工作多集中在利用產(chǎn)量、品質(zhì)或水肥利用效率等單方面的效應(yīng)為依據(jù)進(jìn)行[2-3].而利用多指標(biāo)綜合評(píng)判的方法制定灌溉施肥方案，目前已廣泛應(yīng)用在溫室番茄[4]、小麥[5]、水稻[6]等作物上
.常用的綜合評(píng)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(quán)法[10]等.AHP法權(quán)重的確定是由專家根據(jù)1～9的標(biāo)度法進(jìn)行打分，主要依賴于專家經(jīng)驗(yàn);熵權(quán)法則是根據(jù)各評(píng)判指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定其權(quán)重的客觀評(píng)判方法，明顯的缺點(diǎn)是過度依賴實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，沒有考慮專家經(jīng)驗(yàn).AHP和熵權(quán)法相結(jié)合的評(píng)判方法已成功應(yīng)用于水環(huán)境安全、水資源[11]、富水性預(yù)測(cè)[12]等領(lǐng)域.
綜上所述，文中采用基于AHP和熵權(quán)法相結(jié)合的賦權(quán)方法對(duì)枸杞從氣候、生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)這4個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)判，同時(shí)分析各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)不同水肥方案的響應(yīng)，旨在為枸杞優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)水肥方案優(yōu)化提供借鑒.
1材料與方法
1.1試驗(yàn)基地概況
試驗(yàn)于2018年和2019年4—10月在寧夏中部干旱區(qū)同心縣潤(rùn)德枸杞莊園(105°54′E，36°58′N，海拔1240m)試驗(yàn)基地開展.該地區(qū)屬典型大陸季風(fēng)型氣候，多年平均降水量為270mm，且多集中在7—9月，干旱指數(shù)為8.4，地下水埋深大于30m.距離試驗(yàn)區(qū)域5m空曠處安裝Decagon微型氣象監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)研究區(qū)域氣象情況，2018年和2019年生育期內(nèi)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(yàn)基地2018—2019年枸杞全生育期內(nèi)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(fā)蒸騰量ET0;土壤理化性質(zhì)見表1，表中ρ為體積質(zhì)量.
試驗(yàn)基地供試作物品種為4a生“寧杞7號(hào)”枸杞，長(zhǎng)勢(shì)均勻，株行距為75cm×300cm，種植密度為4440株/hm2.采用滴灌方式，鋪設(shè)壁厚0.15mm、內(nèi)徑16mm的內(nèi)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(gè);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(yàn)設(shè)計(jì)
田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，設(shè)定灌溉定額(W)和施肥量(F)2個(gè)因素，各3個(gè)水平，1個(gè)灌水不施肥梯度作為對(duì)照(CK)，共10個(gè)處理.每個(gè)處理重復(fù)3次，每個(gè)小區(qū)10株枸杞樹.各小區(qū)灌水次數(shù)相同，灌水7次，萌芽期、春梢生長(zhǎng)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(gè)水平W1，W2，W3分別為194，254，313mm;配比施肥量(N-P2O5-K2O)的3個(gè)水平F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3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(zhǎng)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(yàn)測(cè)定項(xiàng)目及評(píng)判說明
1.3.1氣候指標(biāo)
枸杞全生育期氣候指標(biāo)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(jiān)測(cè)試驗(yàn)區(qū)域氣溫、降水量、蒸發(fā)量和風(fēng)速等氣象參數(shù)，數(shù)據(jù)步長(zhǎng)為1h.根據(jù)前人[13]研究發(fā)現(xiàn)，枸杞全生育期≥10℃積溫為3200～3600℃，則枸杞能夠獲得正常生長(zhǎng)所需的熱量，此時(shí)熱量將不受枸杞產(chǎn)量和品質(zhì)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(chǎn)量不受降水量的影響;降水量小于100mm時(shí)，對(duì)枸杞的產(chǎn)量產(chǎn)生不利影響;但當(dāng)降水量達(dá)到240mm以上時(shí)，果實(shí)則因水分太多導(dǎo)致采摘時(shí)果實(shí)裂口、黑果病等，豐產(chǎn)不豐收[14].因此，在選取氣象評(píng)判指標(biāo)時(shí)，只考慮溫度和降水量這2個(gè)因素.
1.3.2生長(zhǎng)指標(biāo)
監(jiān)測(cè)全生育期枸杞株高和葉面積生長(zhǎng)指標(biāo)，每個(gè)小區(qū)選取3棵樣株，每隔10d測(cè)量1次.株高選用米尺測(cè)量從枸杞根部到頂部的距離，選用整個(gè)生育期的平均株高.葉面積測(cè)量選用便攜式葉面積儀(UPA-210APB)進(jìn)行測(cè)量，選用最大平均葉面積值.
1.3.3產(chǎn)量指標(biāo)
產(chǎn)量指標(biāo)包括枸杞的鮮果產(chǎn)量(簡(jiǎn)稱：鮮產(chǎn))、干果產(chǎn)量(簡(jiǎn)稱：干產(chǎn))、百粒重和粒度.
鮮產(chǎn)和干產(chǎn)：分茬采摘每個(gè)處理小區(qū)10株全部枸杞夏果，用電子秤(精度為0.01g)稱重測(cè)定枸杞鮮果產(chǎn)量和烘干后的干果產(chǎn)量.
百粒重及粒度：每個(gè)處理測(cè)定干果產(chǎn)量后，隨機(jī)選擇100粒用電子秤(精度0.01g)稱重，每處理重復(fù)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(shù)，重復(fù)3次.
1.3.4品質(zhì)指標(biāo)
每個(gè)處理選取0.5kg枸杞樣品送交專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，檢測(cè)不同處理枸杞果中總糖、枸杞多糖、蛋白質(zhì)和甜菜堿等品質(zhì)指標(biāo).枸杞多糖和總糖含量根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《枸杞》(GB/T18672—2014)測(cè)定并評(píng)判，蛋白質(zhì)含量根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》(GB/T5009.5—2016)測(cè)定，甜菜堿含量根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《甜菜中甜菜堿的測(cè)定比色法》(NY/T1746—2009)測(cè)定并評(píng)判.
1.4基于AHP和熵權(quán)法的枸杞綜合評(píng)判體系
1.4.1評(píng)判指標(biāo)體系的構(gòu)建
1)枸杞綜合評(píng)判層次模型.以科學(xué)合理性和全面性相結(jié)合的原則，查閱相關(guān)文獻(xiàn)和《枸杞》(GB/T18672—2014)選定評(píng)判指標(biāo).通過分析，建立了以氣候、作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)4個(gè)一級(jí)指標(biāo)作為準(zhǔn)則層、12個(gè)二級(jí)指標(biāo)作為評(píng)判因素層、3個(gè)決策指標(biāo)為備選方案層，共12項(xiàng)具有代表性的評(píng)判指標(biāo)，構(gòu)建枸杞綜合評(píng)判層次模型.具體模型層次結(jié)構(gòu)如圖2所示.
2結(jié)果與分析
2.1基于AHP和熵權(quán)法的枸杞綜合評(píng)判
2.1.1基于AHP和熵權(quán)法評(píng)判因素權(quán)重的確定
1)基于AHP的因素權(quán)重確定.通過邀請(qǐng)10位相關(guān)專家以調(diào)查問卷的方式，對(duì)不同層級(jí)中的多個(gè)因素兩兩比較，給出判斷值.將所有專家的意見平均后，構(gòu)建各個(gè)層次的判斷矩陣.利用Yaahp10.2計(jì)算一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，獲得AHP逐層指標(biāo)權(quán)重，見表2，ek和ei分別為一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)的局部權(quán)重，所有指標(biāo)的一致性比率CR的值均小于0.1則認(rèn)為判斷矩陣都通過了一致性檢驗(yàn)，層級(jí)分析法賦權(quán)合理.
2)基于熵權(quán)法的因素權(quán)重確定.將2018—2019年枸杞大田試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值標(biāo)準(zhǔn)化后再進(jìn)行權(quán)重計(jì)算.熵權(quán)法權(quán)重的具體計(jì)算過程可按公式(3)—(5)進(jìn)行，計(jì)算結(jié)果見表3.
3)基于AHP和熵權(quán)法的綜合權(quán)重評(píng)判值的確定.在Matlab中利用公式(6)計(jì)算綜合權(quán)重wi，結(jié)果見表3.由于AHP法與熵權(quán)法是按照不同的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算的，因此12個(gè)評(píng)判指標(biāo)在不同的方法下，計(jì)算的權(quán)值對(duì)總目標(biāo)的影響不盡相同.選取2種評(píng)判方法中得分最高的4個(gè)指標(biāo)為例，分析其對(duì)枸杞綜合評(píng)判結(jié)果的影響.
AHP法結(jié)果得出對(duì)評(píng)判結(jié)果影響最大的4個(gè)指標(biāo)：按影響由大至小為粒度u8，蛋白質(zhì)u11，總糖u9，干果產(chǎn)量u7，總計(jì)占總評(píng)判值的54.6%.由熵權(quán)法得出的2018年和2019年對(duì)總目標(biāo)影響程度最高的4個(gè)指標(biāo)：2018年按影響由大至小為干果產(chǎn)量u6，百粒重u7，粒度u8，總糖u9，總計(jì)占總評(píng)判值的66%;2019年按影響由大至小為干果產(chǎn)量u6，粒度u8，鮮果產(chǎn)量u5，總糖u9，總計(jì)占總評(píng)判值69.9%.綜合法得出的2018年和2019年影響程度最高的4個(gè)指標(biāo)：2018年按影響由大至小為粒度u8，百粒重u7，干果產(chǎn)量u6，總糖u9，總計(jì)占總評(píng)判值78%;2019年按影響由大至小為粒度u8，干果產(chǎn)量u6，總糖u9，百粒重u7，總計(jì)占總評(píng)判值73.3%.可以發(fā)現(xiàn)粒度、干果產(chǎn)量、百粒重是對(duì)枸杞評(píng)判影響最大的指標(biāo)，所占比例高于73.3%.另一方面，從評(píng)判指標(biāo)數(shù)值的差異也可以看出，綜合法能更好地反映各指標(biāo)對(duì)水肥配施的響應(yīng)，更符合枸杞的生產(chǎn)實(shí)際.
2.1.2基于AHP和熵權(quán)法的枸杞水肥方案決策結(jié)果
綜合評(píng)判的結(jié)果決定著枸杞種植相對(duì)較優(yōu)的水肥配施方案.因此在進(jìn)行決策時(shí)，采用綜合評(píng)判的方式，通過自然間斷法對(duì)枸杞綜合評(píng)判指數(shù)進(jìn)行分類，使各個(gè)決策類別差異明顯.綜合評(píng)判指數(shù)的間斷分類見表4.
各水肥處理方案最終的綜合評(píng)判指數(shù)按公式(7)進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)表4自然間斷法進(jìn)行決策分類，基于AHP和熵權(quán)法的枸杞水肥配施最終綜合評(píng)判指數(shù)Sj和決策結(jié)果見表5.總體上，綜合評(píng)判的權(quán)值均隨水肥用量增加呈先升高后降低的趨勢(shì).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(píng)判指數(shù)最優(yōu)區(qū)間，表明此區(qū)間內(nèi)的水肥方案最有利于枸杞生長(zhǎng).
2.2基于AHP和熵權(quán)法評(píng)判的枸杞最優(yōu)水肥方案構(gòu)建
2.2.1綜合評(píng)判下枸杞水肥對(duì)評(píng)判指標(biāo)的影響
以綜合評(píng)判指數(shù)為依據(jù)，灌溉定額、總施肥量與綜合評(píng)判指數(shù)關(guān)系如圖3所示，圖中I為灌溉定額，F(xiàn)為總施肥量.由圖可見，2018年指標(biāo)高的區(qū)域主要在中水中肥區(qū)域，灌溉定額和總施肥量分別為250～280mm和320～400kg/hm2;2019年指標(biāo)高的區(qū)域則出現(xiàn)在中水高肥和高水低肥區(qū)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(duì)象，通過前人[2-3]對(duì)枸杞產(chǎn)量和品質(zhì)的研究可知，氣候、枸杞植株的生長(zhǎng)、灌溉定額及肥料用量都是影響枸杞產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素.目前，多數(shù)研究人員均利用一種方法對(duì)作物進(jìn)行評(píng)判，鮮有利用多個(gè)方法從多個(gè)方面對(duì)作物水肥方案進(jìn)行綜合評(píng)判.
為了綜合分析各類指標(biāo)，通過主客觀評(píng)判相結(jié)合的方法對(duì)枸杞4類一級(jí)指標(biāo)12類二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行建模運(yùn)算.根據(jù)評(píng)判指數(shù)，利用綜合評(píng)判法得出的枸杞水肥方案，能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)枸杞的需水需肥變化，更為符合生產(chǎn)實(shí)際.
由綜合評(píng)判法得出，2018年的綜合評(píng)判指數(shù)隨肥料量增加而先增大后降低，這一規(guī)律與張智等[4]在櫻桃番茄上的研究結(jié)果一致.這反映了不同水肥方案對(duì)綜合評(píng)判指數(shù)的影響，同時(shí)也說明了在中水中肥區(qū)間內(nèi)水肥對(duì)枸杞的生長(zhǎng)具有協(xié)同效應(yīng)，在高水低肥和低水高肥區(qū)間則存在拮抗效應(yīng).其中2018年產(chǎn)量最高的為處理W2F2，其增產(chǎn)率為16.41%;2019年產(chǎn)量最高的為處理W2F3，其增產(chǎn)率則高達(dá)34.38%.其增產(chǎn)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(chǎn)率相近.但2019年的綜合評(píng)判指數(shù)則隨肥料用量增加而增大，這與前人[6，9]的研究結(jié)果不相一致，是由于2019年全年有效積溫偏低，呼吸和蒸騰強(qiáng)度相對(duì)較小，植株自身養(yǎng)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(xié)同效應(yīng)使肥料中更多的有機(jī)質(zhì)以水為介質(zhì)被植株吸收，導(dǎo)致了肥料用量增加，使得相同灌溉定額條件下綜合評(píng)判指標(biāo)的最大值均出現(xiàn)在高肥F3處理中.
前人[16-17]研究的結(jié)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(shí)，枸杞的產(chǎn)量最高、生長(zhǎng)和品質(zhì)能夠達(dá)到最優(yōu).
通過綜合評(píng)判得出的灌溉定額和總施肥量區(qū)間分別為252～278mm和359～405kg/hm2，范圍更精確.以此為依據(jù)制定枸杞的水肥方案也更為可靠，便于準(zhǔn)確實(shí)施.
4結(jié)論
1)通過AHP和熵權(quán)法相結(jié)合的方法構(gòu)建了枸杞綜合評(píng)判模型.該方法從影響枸杞綜合效益的氣候、生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)的14類12項(xiàng)指標(biāo)，主客觀并行對(duì)不同水肥方案進(jìn)行評(píng)判、決策，最終得出的可推廣水肥方案符合實(shí)際，且更為可靠.
2)在以枸杞產(chǎn)量和品質(zhì)為主導(dǎo)的枸杞綜合評(píng)判中，發(fā)現(xiàn)粒度、百粒重、干果產(chǎn)量和總糖這4個(gè)指標(biāo)的評(píng)判指數(shù)對(duì)最終決策起著決定性的作用，影響占總評(píng)判指數(shù)高達(dá)73.3%以上.因此，當(dāng)評(píng)判指標(biāo)數(shù)據(jù)缺失或不全面時(shí)，推薦可使用這4個(gè)指標(biāo)對(duì)枸杞進(jìn)行綜合評(píng)判，同樣能得出較為客觀的結(jié)論.
3)該模型通過綜合評(píng)判法對(duì)各水肥處理進(jìn)行評(píng)判決策，通過回歸分析，得出枸杞的最優(yōu)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(yàn)期的數(shù)據(jù)分析了枸杞水肥方案，且評(píng)判指標(biāo)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(píng)判在枸杞水肥方案中的應(yīng)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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