趙經(jīng)華，胡建強，楊 磊，胡文軍，彭艷平

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2.中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司，烏魯木齊 83000；3.新疆巴音郭楞蒙古自治州若羌縣紅棗科技服務中心，新疆若羌 841800)

0 引 言

【研究意義】膜下滴灌玉米灌溉制度的確定受多重因素影響[1]。評價方法決定評價結(jié)果的客觀性、公正性與合理性[2]。水分利用效率法和傳統(tǒng)AHP法互有長短且評價結(jié)果存在非一致性，很難做到全面性評價[3,4]。組合評價能降低評價過程的誤差，增強評價結(jié)果的穩(wěn)定性[5,6]。對比分析不同評價方法的優(yōu)劣，對灌溉制度評價體系的完善具有一定的理論意義?！厩叭搜芯窟M展】水分利用效率法是目前最主要的最優(yōu)灌溉制度評價方法，模糊綜合評判法中的層次分析法廣泛應用于農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域[7]。水分利用效率法能反映水的利用效率及產(chǎn)生的經(jīng)濟效益，但往往受試驗數(shù)據(jù)的隨機誤差影響較大[8]。該方法的評價結(jié)果不能產(chǎn)生使經(jīng)濟效益最優(yōu)的唯一評價值，需要評價者對評價結(jié)果進行主觀分析并決策[9,10]。由T.L.Satty提出，適用于考慮因素較多且無法準確決策問題的層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)得到廣泛應用[11-13]。傳統(tǒng)AHP法依據(jù)單一專家經(jīng)驗構(gòu)造判斷矩陣主觀性較大，存在的缺陷將影響評價結(jié)果的科學性與準確度[14]。在權(quán)重確定過程中，由于評價者知識經(jīng)驗的限制缺乏對實際數(shù)據(jù)的客觀反映，主觀隨意性較強[15]。調(diào)整判斷矩陣使其滿足一致性檢驗過程中，判斷矩陣的調(diào)整帶有主觀性和盲目性，可能導致評價結(jié)果的失真[16]?！颈狙芯壳腥朦c】彌補單一評價方法存在缺陷，決策投資蔬菜保鮮項目時，驗證了雙組合評價方法的可行性與有效性[17]。層次分析法與熵權(quán)法結(jié)合確定權(quán)重的方法，在綜合能源系統(tǒng)進行效益評價過程中具有可行性和有效性[18]?；诮M合評價法對青島市工業(yè)發(fā)展?jié)摿M行評價，采用roc法說明了該模型的有效性[19]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】采用水分利用效率法的評價結(jié)果代替專家去構(gòu)造成對比較矩陣從而優(yōu)化AHP法，使2種方法的優(yōu)勢互補并對比分析組合前后評價結(jié)果的科學合理性，確定適宜農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域的評價方法。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2017年4～10月在新疆阿勒泰福海縣灌溉試驗站(N47°00′56″～47°01′56″，E87°35′56″～87°36′01″)進行，試驗地高程550 m。參照《森林土壤顆粒組成(機械組成)的測定》GB7845-1987，試驗地土壤質(zhì)地為多礫石砂土，各層土壤按美國農(nóng)業(yè)部土壤質(zhì)地三角形進行土壤顆粒劃分，作物生長期的氣象數(shù)據(jù)由站內(nèi)安裝的HOBO小型自動氣象站(北京康復萊科技有限公司)自動觀測，每30 min測1次。表1～3

表2 土壤酸堿度及微量元素含量Table 2 Soil potential of hydrogen and trace element content

表3 氣象數(shù)據(jù)Table 3 Meteorological data

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

選用適宜在≥10℃的積溫為2 600℃以上地區(qū)種植的先玉1331號玉米為供試品種。選用滴頭流量3.6 L/h，滴頭間距0.3 m的單翼迷宮式滴灌帶。用文丘里施肥罐(中國億碧源節(jié)水設備科技有限公司)進行施肥。選用QT-303型號，長700 mm，直徑為44 mm規(guī)格的Trime管(中國北京環(huán)科聯(lián)創(chuàng)科技有限公司)進行田間布置。土壤水分含水率由TRIME—IPH型土壤水分探測儀(德國IMKO公司)通過預先布置好的Trime管進行測量。圖1

圖1 玉米種植模式及Trime管平面布置Fig.1 Maize cropping pattern and Trime tube layout plan

試驗設5個灌水定額處理(30.0、37.5、45.0、52.5、60.0 mm)。5月15日灌出苗水，各處理灌水定額均為30.0 mm；各處理均采用37.5 mm灌水定額于6月10日補水。5月13日播種并施加底肥(磷酸二銨150 kg/hm2，硫酸鉀鎂肥90 kg/hm2)，分別于7月12日、7月19日、7月25日和8月9日施加尿素(225 kg/hm2)，10月3日測產(chǎn)并收獲。玉米生育期劃分為：5月24～28日為苗期，5月29日～6月14日為拔節(jié)期，6月15日～7月15日為喇叭口期，7月16日～8月6日為抽雄散粉期，8月7～26日為乳熟期，8月27日～9月25日為完熟期。各試驗小區(qū)隨機布置，每個處理設3個重復，小區(qū)之間均設有1.5 m隔離帶，防止水分交互；玉米試驗田面積0.55 hm2，各小區(qū)面積0.03 hm2，各小區(qū)定苗株數(shù)均為3 000株。表4

表4 玉米拔節(jié)期后灌水設計Table 4 Design scheme of maize irrigation after jointing stage

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 耗水量

TRIME—IPH在播種前、收獲后、灌前、灌后測定土壤剖面含水率(體積)，生育階段轉(zhuǎn)變與降雨后需進行加測。每10 cm分層測定0～60 cm土壤含水率。旱作物的生育期任一時段內(nèi)，作物耗水量根據(jù)農(nóng)田水量平衡方程計算：

ET=W0-Wt+WT+P0+K+M.

(1)

式中：ET為時段t內(nèi)的作物耗水量(mm)；W0、Wt分別為時段初與時段末的土壤計劃濕潤層內(nèi)的儲水量(mm)；WT為由于計劃濕潤層增加而增加的水量(mm)，試驗不涉及計劃濕潤層的增加，故WT=0；P0為土壤計劃濕潤層內(nèi)保存的有效降水量(mm)；K為t時段內(nèi)的地下水補給量(mm)；試驗區(qū)地下水埋深大于6 m，不考慮地下水補給(即K=0)[20]；M為時段t內(nèi)灌溉水量(mm)。

1.2.2.2 產(chǎn)量與利用效率

各處理隨機選取15株玉米考種、脫粒，晾曬至恒重時各處理稱重取均值并折合單位面積產(chǎn)量[21]。將玉米產(chǎn)量與全生育期耗水量的比值作為水分利用效率(WUE)；產(chǎn)量與全生育期總灌水量的比值作為灌溉利用效率(IWUE)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

AHP法能將領(lǐng)域中因素間及其邊界模糊定量化，對目標產(chǎn)生唯一評價值并選出最優(yōu)對象。AHP法將決策目標、9個考慮因素(A1～A9：穗長、每穗粒數(shù)、百粒重、結(jié)棒高、禿尖長、產(chǎn)量、WUE、耗水量和IWUE)和5個決策對象(B1～B5：30.0、37.5、45.0、52.5和60.0 mm)按相互關(guān)系分成目標層、準則層和方案層。專家依據(jù)自身經(jīng)驗并結(jié)合1～9標度法[22]進行賦值構(gòu)造各層成對比較矩陣。表5

綜上所述，德陽地區(qū)學齡前兒童缺鐵性貧血的主要影響因素為出生低體質(zhì)量、消化功能、添加輔食時間、妊娠期貧血、家庭飲食習慣，在早期關(guān)注孕婦及胎兒的營養(yǎng)狀況，適時添加輔食及合理搭配兒童的飲食結(jié)構(gòu)，可起到預防兒童缺鐵性貧血的作用。

根據(jù)(1)式計算成對比較矩陣每列之和，其中j代表列數(shù)；按(2)式進行歸一化處理得到隸屬度矩陣；由(3)式計算隸屬度矩陣每行之和，其中i代表行數(shù)；最終按(4)式計算層次單排序的歸一化特征向量。歸一化特征向量能否作為權(quán)向量，需要進行一致性檢驗。由(5)式判斷成對比較矩陣是否一致陣，若滿足，則歸一化特征向量能作為權(quán)向量；若不滿足，則需要進行一致性檢驗。根據(jù)(6)式求得成對比較矩陣的最大特征根，代入(7)式計算一致性指標C.I.，查10維矩陣的隨機一致性指標R.I.，由(8)式計算一致性比率C.R.。若C.R.<0.1，認為層次單排序通過一致性檢驗，具有滿意的一致性；否則需要重新構(gòu)造成對比較矩陣，直到滿足條件為止。

通過對1～10維矩陣重復計算1 000次得到平均隨機一致性指標R.I.，1維、2維矩陣R.I.為0，3維矩陣R.I.為0.52，4維矩陣R.I.為0.89，5維矩陣R.I.為1.12，6維矩陣R.I.為1.26，7維矩陣R.I.為1.36，8維矩陣R.I.為1.41，9維矩陣R.I.為1.46，10維矩陣R.I.為1.49。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

AW=λmaxW.

(6)

(7)

(8)

Wi=z1×d1i+z2×d2i+……+z9×d9i.

(9)

表5 1～9標度法Table 5 1-9 Scaling method

2 結(jié)果與分析

2.1 水分利用效率法

研究表明，WUE與產(chǎn)量、每穗粒數(shù)和IWUE極顯著相關(guān)(P<0.01)，與穗高顯著相關(guān)(P<0.05)，與其余指標無相關(guān)性。產(chǎn)量和每穗粒數(shù)均與IWUE間無相關(guān)性，與禿尖長呈負相關(guān)，與百粒重顯著相關(guān)(P<0.05)，與其余指標極顯著性相關(guān)(P<0.01)。IWUE僅與WUE極顯著相關(guān)(P<0.01)。產(chǎn)量和WUE與各因素均有直接或間接的聯(lián)系，灌溉制度的確定需進一步分析各因素處理間的顯著性。在不同灌水定額處理間IWUE無顯著差異(P>0.05)。當灌水定額大于45.0 mm時，玉米的產(chǎn)量、WUE、每穗粒數(shù)、穗高和禿尖長在處理間差異不顯著(P>0.05)；當灌水定額大于52.5 mm時，玉米的各指標在處理間差異均不顯著(P>0.05)。綜合考慮不同灌水定額對各因素的顯著性可知，灌水定額由30 mm增加至45.0 mm時，各灌水處理間除IWUE外其余指標均表現(xiàn)差異顯著(P<0.05)；當灌水由45 mm增加至52.5 mm時，穗長和耗水量在處理間差異顯著(P<0.05)；灌水繼續(xù)增加至60 mm，各指標差異均不顯著(P>0.05)。但為了追求最優(yōu)的產(chǎn)量與WUE只能定性的確定52.5 mm灌水定額處理適宜膜下滴灌玉米。表6

水分利用效率法以產(chǎn)量和WUE為評判標準，通過相關(guān)性分析篩選與之相關(guān)的評價指標，將選取的評價指標進行處理間顯著性分析，確定灌水定額的增加對評價指標的影響程度。該方法選取灌溉制度時存在一定的推理與定性分析，處理與因素以及因素之間的聯(lián)系性均較差，只能通過評價者的主觀意識去綜合考慮各因素處理間的顯著性，選取適宜的灌溉制度。表7

2.2 傳統(tǒng)AHP法

根據(jù)(9)式，將計算的層次單排序權(quán)向量進行累加計算得層次總排序權(quán)向量W=(0.041,0.086,0.422,0.250,0.200)。由層次總排序權(quán)向量W可知，各方案權(quán)重為W3>W4>W5>W2>W1，即45.0 mm灌水定額最適宜該地區(qū)膜下滴灌玉米的生長。表8

表8 傳統(tǒng)AHP法準則層成對比較矩陣Table 8 Paired comparison matrix of criterion layer of traditional AHP method

2.3 優(yōu)化AHP法

研究表明，方案層矩陣構(gòu)造方法相同。由AHP模型計算可得：準則層權(quán)向量Z=(0.100,0.202,0.032,0.100,0.055,0.240,0.108,0.144,0.018)，C.R.=0.022<0.1。同理，方案層成對比較陣權(quán)向量分別為D1=(0.042,0.084,0.177,0.425,0.273)，C.R.=0.031<0.1；D2=(0.057,0.118,0.178,0.324,0.324)，C.R.=0.013<0.1；D3=(0.098,0.184,0.184,0.349,0.184)，C.R.=0.002<0.1；D4=(0.051,0.108,0.281,0.281,0.281)，C.R.=0.009<0.1；D5=(0.051,0.108,0.281,0.281,0.281)，C.R.=0.009<0.1；D6=(0.091,0.091,0.273,0.273，0.273)；D7=(0.065,0.132,0.210,0.383,0.210)，C.R.=0.014<0.1；D8=(0.044,0.075,0.162,0.360,0.360)，C.R.=0.043<0.1；D9=(0.200,0.200,0.200,0.200,0.200)；其中灌水定額對產(chǎn)量與IWUE的成對比較矩陣為一致陣，故不需要進行一致性檢驗。

根據(jù)(9)式，將計算的層次單排序權(quán)向量進行累加計算得層次總排序權(quán)向量W=(0.065，0.105，0.218，0.325，0.286)。由層次總排序權(quán)向量W可知，各方案權(quán)重為：W4>W5>W3>W2>W1，即52.5 mm灌水定額最適宜該地區(qū)膜下滴灌玉米的生長。表9

表9 優(yōu)化AHP法準則層成對比較矩陣Table 9 Pairwise comparison matrix of criterion layer of optimized AHP method

3 討 論

組合評價是將2種及以上的單一評價法進行有機組合、補缺存優(yōu)，全面性評價并提高評價結(jié)果的準確與科學合理性。首先用水分利用效率法和傳統(tǒng)AHP法對膜下滴灌玉米的灌溉制度進行評價，分析2種方法在評價過程和評價結(jié)果的優(yōu)缺點。水分利用效率法在評價過程中需要預先處理試驗過程中因氣象、人為等因素帶來的誤差，影響評價結(jié)果的準確性受到影響；另外，無法得到唯一值的評價結(jié)果，評價者需憑主觀意識綜合各指標的評價做出抉擇，使評價結(jié)果存在一定主觀性，前人研究也可佐證[23-25]。傳統(tǒng)AHP法雖然規(guī)避了因試驗數(shù)據(jù)誤差帶來的影響，增強了層次與因素間聯(lián)系性。但在矩陣構(gòu)造過程中需依靠專家自身經(jīng)驗，因此，重復構(gòu)造、主觀性較強和一致性較差等問題嚴重[26,27]。傳統(tǒng)AHP法在滿足一致性檢驗情況下，評價結(jié)果顯示45.0 mm灌水定額最優(yōu)，但優(yōu)化AHP認為52.5 mm灌水定額處理最優(yōu)。因為傳統(tǒng)AHP法主觀賦值所構(gòu)造矩陣的C.R.無限接近限定上限，在一定程度上影響最終評價結(jié)果的科學合理性。

結(jié)合2種方法的優(yōu)點對傳統(tǒng)AHP法進行優(yōu)化。優(yōu)化AHP法以傳統(tǒng)AHP法為主導并結(jié)合水分利用效率法，矩陣構(gòu)造過程中以相關(guān)性與顯著性分析結(jié)果為準則構(gòu)造矩陣。提高水分利用效率法的一致性低和主觀性強問題，保留傳統(tǒng)AHP法的聯(lián)系性強、誤差影響小、能獲得唯一評價值等優(yōu)點[28,29]。雖然優(yōu)化AHP法互補了2種單一評價方法的優(yōu)點，但只是指標權(quán)重的組合并不是2種方法本身的融合。另一方面，也沒有對優(yōu)化AHP法的可行性與有效性進行檢驗。對比分析不同評價方法的優(yōu)劣，為農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域評價體系的建立提供一定的理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

4.1根據(jù)水分利用效率法的評價結(jié)果應選擇45.0 mm灌水定額處理，52.5 mm灌水定額處理適宜膜下滴灌玉米的生長。

4.2傳統(tǒng)AHP法下灌水定額45.0 mm處理的評價最優(yōu)。

4.3優(yōu)化AHP法以試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果為依據(jù)進行賦值，使構(gòu)造的成對比較矩陣均滿足一致性檢驗，無需重復構(gòu)造?？偱判驒?quán)向量W可以確定52.5 mm灌水定額是唯一且最優(yōu)的處理。