呂棚棚，畢遠杰，孔曉燕，郭向紅

(1.山西省水利水電科學研究院，太原 030002；2. 山西省禹門口水利工程管理局，太原 030002；3.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024)

0 引 言

微咸水膜下滴灌是將覆膜技術(shù)、滴灌技術(shù)和微咸水利用相結(jié)合的一種高效灌水技術(shù)，主要適用于淡水資源緊缺而微咸水資源豐富地區(qū)，具有棵間蒸發(fā)少、節(jié)水、高產(chǎn)、灌水效率高和充分利用微咸水等優(yōu)點。為了探明微咸水滴灌對作物影響的機理，國內(nèi)外學者對微咸水滴灌對作物生長的影響展開了大量研究。Rotem等[1]認為相對于傳統(tǒng)地面灌溉，咸水滴灌可以減少灌水量，提高作物產(chǎn)量。鄭鳳杰等[2]研究發(fā)現(xiàn)向日葵微咸水灌溉適宜的礦化度為2～3.5 g/L，此時向日葵的產(chǎn)量和品質(zhì)有一定的提高和改善。魏紅國等[3]研究表明在新疆地區(qū)，咸淡水滴灌對棉花纖維品質(zhì)沒有明顯影響，采用1 500 m3/hm2淡水和2 250 m3/hm2的微咸水進行輪灌的棉花產(chǎn)量較高。楊啟良等[4]研究了3種不同滴灌方式對蘋果幼樹生長和水分傳導(dǎo)的影響，發(fā)現(xiàn)滴灌方式對其有顯著影響。邢文剛等[5]研究表明西瓜適宜的微咸水礦化度為3 g/L，在此條件下滴灌可以提高西瓜產(chǎn)量和品質(zhì)，減輕土壤鹽堿化。微咸水灌溉在增加土壤水分的同時，也會增加土壤中的鹽分。馬潔等[6]研究表明滴灌屬于微灌不會產(chǎn)生水分的深層滲漏，土壤鹽分主要聚集在滴灌濕潤體的邊緣。萬書勤等[7]研究顯示在適宜的微咸水灌溉番茄3年后，沒要導(dǎo)致土壤鹽分持續(xù)增加。寧松瑞等[8]則認為從短期來看，膜下滴灌可以將淺層土壤宗德鹽分淋洗，保障棉花正常生長；但從長遠來看，滴灌無法將鹽分排出根區(qū)，土壤鹽堿化程度不斷加重。由此可見，微咸水滴灌一定程度上可以提高作物產(chǎn)量，但不合理的微咸水灌溉會造成土壤次生鹽堿化。因此，綜合考慮土壤安全、作物產(chǎn)量、需水量以及咸水利用等多個指標，進行微咸水滴灌多指標綜合評價，確定西葫蘆微咸水滴灌最優(yōu)灌水方案，對微咸水高效安全利用有重要意義。

多指標綜合評價首要的任務(wù)是確定各指標的權(quán)重。指標權(quán)重的確定方法有很多，常見的有專家打分法、層次分析法、熵值法、秩和比法、主成分分析法等，其中層次分析法(AHP)是將分析對象分解為若干層次，通過兩兩比較，建立比較矩陣進行計算，最后通過排序較為合理地確定指標權(quán)重[9]。AHP是一種采用定量分析與定性分析相結(jié)合用于多指標復(fù)雜問題決策的綜合評價方法，該方法在實際工程中的多指標權(quán)重確定方面得到大量應(yīng)用[10-14]。模糊綜合評價是以模糊數(shù)學為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，將一些邊界不清，不易定量的因素定量化，進行綜合評價的一種方法[15]。該方法已經(jīng)在農(nóng)業(yè)灌溉方面得到一些應(yīng)用，汪順生等[16,17]采用模糊綜合評判法對不同溝灌方式夏玉米和冬小麥的耗水特性及產(chǎn)量進行了評價，評判結(jié)果與大田試驗結(jié)果具有較好的一致性；張伶鳦等[18]結(jié)合模糊控制與調(diào)虧理論設(shè)計了寒地水稻智能灌溉策略，該策略可提高水分利用效率的20.5%。馬建琴等[19]采用模糊綜合評價法優(yōu)選出夏玉米的最佳灌水方案。西葫蘆是我國種植廣泛和食用量較大的一種蔬菜，微咸水滴灌西葫蘆研究比較少，僅孔曉燕等[20,21]對微咸水礦化度對膜下滴灌西葫蘆的出苗率、葉面積指數(shù)、株高和產(chǎn)量進行研究，但西葫蘆微咸水膜下滴灌的最佳灌水模式尚未得出。因此，本文結(jié)合微咸水膜下滴灌西葫蘆正交試驗，采用層次分析法確定評價指標權(quán)重，將正交分析和模糊綜合評價相結(jié)合，優(yōu)選西葫蘆微咸水膜下滴灌的最佳灌水模式，為西葫蘆微咸水高效安全灌溉提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

山西水科院節(jié)水示范基地位于山西省太原市小店區(qū)，微咸水模型滴灌西葫蘆田間試驗于2016年在該基地的大棚內(nèi)進行。該區(qū)域多年平均氣溫9.5 ℃，多年降水量468.4 mm左右，屬于半濕潤半干旱氣候。試驗區(qū)灌溉水源為地下水，有咸水井和淡水井各一口，咸水井的地下水礦化度5 g/L，淡水井的地下水礦化度1.7 g/L。試驗灌溉所需不同礦化度的微咸水是將這兩種水按照一定的比例混合制成。試驗區(qū)土壤屬于黏壤土，飽和含水率0.44 cm3/cm3，田間持水率為0.28 cm3/cm3。

1.2 試驗設(shè)計

為了研究不同土壤水分和微咸水礦化度對膜下滴灌西葫蘆生長的影響，采用正交試驗法設(shè)計，在基地日光溫室大棚內(nèi)進行田間試驗，在西葫蘆的幼苗期、抽蔓期、開花結(jié)果期分別將土壤水分控制為70%田間持水率(θFC)～90%θFC、60%θFC～80%θFC、50%θFC～70%θFC，灌溉水礦化度設(shè)置為1.7、3.5和5 g/L，共9個處理，每個處理3次重復(fù)，各處理每次灌水的灌水定額為298.5 m3/hm2，具體方案如表1所示。

微咸水膜下滴灌西葫蘆的種植方式如圖1所示。西葫蘆的株行距為0.6 m×0.6 m。滴灌的滴頭間距0.3 m，流量為3 L/h。西葫蘆的播種時間為2016年8月2日，收獲時間為2016年10月5日，西葫蘆生育期長度為65 d。

圖1 微咸水膜下滴灌西葫蘆種植方式示意圖(單位：cm)

1.3 測試項目

在地面垂直滴管帶距滴頭水平距離分別為0、10、20 cm處，每隔5～7 d采用土鉆采集土樣，垂向采集間隔10 cm，采集深度50 cm。土樣取出后使用DDS-308電導(dǎo)率儀測定土壤含鹽量，采用烘干法測定土壤含水率[22]。作物需水量是根據(jù)實測的土壤含水率，采用水量平衡法計算。在結(jié)果期，每次收獲西葫蘆采用電子秤稱重，最后匯總得到個處理西葫蘆產(chǎn)量。

表1 微咸水膜下滴灌西葫蘆正交試驗設(shè)計方案

1.4 研究方法

1.4.1 層次分析法

層次分析法是一種的確定綜合評價中各指標權(quán)重系數(shù)的有效方法。主要步驟如下：

(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型。AHP確定指標權(quán)重時，首先要把問題層次化，構(gòu)造出一個有層次的結(jié)構(gòu)模型。本研究中層次分析法主要任務(wù)是確定評價指標的權(quán)重，因此AHP模型由兩層組成即目標層Z和指標層U={u1,u2,…,un}。

(2)構(gòu)造判斷矩陣。采用1～9標度法，對指標層中的元素進行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣S=(uij)n×n。判斷矩陣是一個正互反矩陣，即滿足：①uij>0，②uji=1/uij(i=1,2,…,n)。

(3)指標權(quán)重計算。用MATLAB軟件計算判斷矩陣X的最大特征根λmax和對應(yīng)的特征向量w，并將特征向量歸一化即得到各指標權(quán)重向量W。

1.4.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價是對受多指標影響的事物做出全面評價的一種十分有效的多因素評價方法。模糊綜合評價是通過構(gòu)造評價模糊子集把反映被評事物的模糊指標進行量化(即確定隸屬度)，然后利用模糊變換原理對各指標綜合，其主要步驟為：

(1)確定評價指標集。以微咸水膜下滴灌西葫蘆的各個評價指標為評價指標集。

U={u1,u2,…,un}

(1)

式中：ui表示第i個評價指標。

(2)確定評價集。以正交試驗設(shè)計的m組試驗(本項目m為9)為評價對象評價集。

V={v1,v2,…,vm}

(2)

式中：vi表示正交試驗中第i個試驗處理。

(3)進行單因素模糊評價，確立模糊關(guān)系矩陣R。建立評價指標集U對評價集V的模糊映射f%：

f%:U→F(V)

ui→(ri1,ri2,…,rim)∈F(v),i=1,2,…,n

(3)

rij表示某個被評價指標ui對評價vi的隸屬度。以(ri1,ri2,…,rim)i=1,2,…,n為行，構(gòu)成模糊關(guān)系矩陣R。

(4)

(4)綜合評價。為了說明指標集U={u1,u2,…,un}中各個指標的重要程度，需要確定指標的權(quán)重W={w1,w2,…,wn}，本文采用層次分析法確定。然后讓權(quán)重W和關(guān)系矩陣R做合成運算，本文采用M(·,+)算子進行計算，該算子依權(quán)重的大小對所有因素均衡兼顧，比較適用于要求總和最大的情形，即

(b1,b2,…,bm)=B

(5)

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用EXCEL2016分析，采用Origin2016繪圖，層次分析和模糊綜合評價采用MATLAB編程進行計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下西葫蘆產(chǎn)量、需水量和土壤含鹽量分析

對于使用微咸水灌溉一方面可以使產(chǎn)量增加，另一方面有可能造成土壤次生鹽堿化。因此，對微咸水灌溉應(yīng)從多個角度進行評價。由于本研究采用正交試驗法設(shè)計的試驗，因此本文采用極差法進行數(shù)據(jù)分析。表2為西葫蘆微咸水膜下滴灌正交試驗極差分析表。由表2可知，各因素對產(chǎn)量影響從大到小依次為：灌溉水礦化度、抽蔓期土壤水分、苗期土壤水分和開花結(jié)果期土壤水分，對西葫蘆需水量影響從大到小依次為：灌溉水礦化度、苗期土壤水分、開花結(jié)果期土壤水分和抽蔓期土壤水分，對生育期結(jié)束后土壤含鹽量影響從大到小依次為：灌溉水礦化度、抽蔓期土壤水分、苗期土壤水分和開花結(jié)果期土壤水分。由此可見微咸水膜下滴灌對產(chǎn)量、需水量和土壤含鹽量影響最大的因素是灌溉水礦化度，而各生育期土壤水分對產(chǎn)量、需水量和土壤含鹽量的影響并不一致，但影響程度遠小于微咸水礦化度。僅從西葫蘆產(chǎn)量角度考慮，產(chǎn)量越高越好，對應(yīng)的最優(yōu)方案是A1B2C2D1，顯然這個方案是不合理，因為D1表示使用礦化度為1.7 g/L，即該方案為使用淡水灌溉，沒有達到充分利用礦化度的目的；僅從需水量角度分析，需水量越少越好，對應(yīng)最優(yōu)處理A3B3C3D3，該方案表示每個生育期都控制在較低的含水率并且使用礦化度為5 g/L的水灌溉，雖然需水量小，但對應(yīng)的產(chǎn)量也是最小的，不符合實際；僅從生育期結(jié)束土壤含鹽量角度分析，土壤含鹽量越少越好，對應(yīng)最優(yōu)處理A1B1C1D1，該方案表示使用礦化度為1.7 g/L水灌溉，并且每個生育期控制較高的土壤含水率，雖然土壤含鹽量最小，但沒有充分利用微咸水，也是不合理的方案。由此可見，僅從單指標分析得出的最優(yōu)灌水方案都不太合理，所以需要綜合考慮各指標，進行多因素綜合分析。

表2 為西葫蘆微咸水膜下滴灌正交試驗極差分析

2.2 微咸水膜下滴灌西葫蘆綜合評價指標與權(quán)重系數(shù)確定

采用微咸水灌溉不僅追求西葫蘆產(chǎn)量高，而且要保證使用微咸水后土壤不發(fā)生鹽堿化。同時在使用微咸水灌溉地區(qū)一般淡水資源非常缺乏，也要考慮盡可能地利用微咸水進行灌溉和減小作物需水量。因此，本研究選取西葫蘆產(chǎn)量(u1)、西葫蘆需水量(u2)、生育期結(jié)束后土壤含鹽量(u3)和微咸水利用(u4)4個指標對西葫蘆微咸水膜下滴灌進行綜合，即評價指標集U={u1,u2,u3,u4}。 以上4個指標對目標的評價的影響程度不一樣，因此需要確定每個評價指標的權(quán)重，本文采用層次分析法確定指標權(quán)重。層次分析法確定權(quán)重的關(guān)鍵是各指標通過兩兩比較建立判斷矩陣，本研究組建了由長期從事微咸水灌溉的專家及管理人員的綜合評價小組，綜合討論確定4個指標的重要程度順序為u3>u1>u4>u2，并通過1～9標度法[12]兩兩比較確定判斷矩陣如下：

(6)

將判斷矩陣代入層次分析法程序，計算得到指標權(quán)重W={0.267 4,0.039 9,0.566 0,0.126 7}。

2.3 微咸水膜下滴灌西葫蘆的模糊綜合評價

2.3.1 單因素模糊評價

單因素模糊評價就是建立每個評價指標的模糊映射，即隸屬度函數(shù)，對試驗每個處理進行單因素評價，建立單因素評價模糊關(guān)系矩陣R。對于指標西葫蘆產(chǎn)量R，當小于最低產(chǎn)量43.61時，隸屬度為0；當大于最高產(chǎn)量98.22時，隸屬度為1；介于二者之間，隸屬度線性變化，即：

(7)

式中：v1j第j個試驗處理對應(yīng)的產(chǎn)量，t/hm2；j為試驗處理變化，取值為1、2、…、9。

對于西葫蘆需水量指標u2，當小于最小需水量137.7 mm時，隸屬度為1；當大于最需水量332.1 mm時，隸屬度為0；介于二者之間，隸屬度線性變化，即：

(8)

式中：v2j為第j個試驗處理對應(yīng)的需水量，mm。

對于生育期結(jié)束后土壤含鹽量u3，當小于生育期開始的初始土壤含鹽量0.77 g/kg時，隸屬度為1；當大于生育期結(jié)束土壤含鹽量最大值0.98 g/kg時，隸屬度為0；介于二者之間，隸屬度線性變化，即：

(9)

式中：v3j為第j個試驗處理對應(yīng)的生育期結(jié)束后土壤含鹽量，g/kg。

對于微咸水利用u4，灌溉水礦化度越高，微咸水利用指標越大，隸屬度也越大，由于微咸水的礦化度為2～5 g/L，因此當灌溉水礦化度小于2 g/L時，隸屬度為0；當灌溉水礦化度大于5 g/L時，隸屬度為1；介于二者之間，隸屬度線性變化，即：

(10)

式中：v4j為第j個試驗處理對應(yīng)的灌溉水礦化度，g/L

將每個試驗處理的數(shù)據(jù)代入公式(7)～(10)得到模糊關(guān)系矩陣：

(11)

2.3.2 模糊綜合評價

采用M(·,+)算子，按式(5)進行合成計算,并歸一化處理得：

B=(0.139 7,0.157 5,0.064 5,0.054 5,0.138 9,

0.138 9,0.136 6,0.039 5,0.129 0)

(12)

向量B中的元素表示每個試驗處理的模糊綜合評價隸屬度值，數(shù)值越大表示試驗處理越好，可以看出處理TR2得分最高，是最優(yōu)處理，TR8得分最低是最差處理。

2.4 最優(yōu)灌水方案確定

由前分析可知，通過模糊綜合評價，將多個評價指標轉(zhuǎn)化為一個綜合評價指標，這樣可以進一步采用正交試驗極差分析優(yōu)選最優(yōu)灌水方案。表3為基于模糊綜合評價得分的正交試驗極差分析表。由表3可知，影響試驗處理綜合得分的因素排序為：D>A>C>B?？梢妼τ谖⑾趟喔龋喔人V化度是影響微咸水灌溉的最主要因素，排在第二位的是苗期土壤水分，這是因為微咸水灌溉使土壤中的鹽分增加，而土壤中鹽分增加會影響土壤的溶質(zhì)勢，導(dǎo)致土水勢降低，同時在苗期作物的葉面積較小，根系吸水能力較弱，土水勢的降低會影響作物吸水，造成作物生長困難，甚至死亡。由表3還可得出，西葫蘆微咸水膜下滴灌的最優(yōu)方案為A1B2C2D2，即采用3.5 g/L的微咸水灌溉，在苗期土壤水分控制在70%～90%θFC，抽蔓期土壤水分控制在60%～80%θFC，開花結(jié)果期土壤水分控制在60%～80%θFC。

表3 綜合評價極差分析結(jié)果

3 討 論

對于西葫蘆膜下滴灌進行綜合評判的關(guān)鍵是將多個評價指標轉(zhuǎn)換為單個綜合評價指標，轉(zhuǎn)換的方法有多種，由于在實際中被評價的對象具有一定的模糊不確定性，因此本文采用模糊綜合評價法進行評價。汪順生等[16,17]采用模糊綜合評判對溝灌方式對夏玉米的影響和種植方式對冬小麥的影響進行綜合評判，得出在水資源豐富地區(qū)夏玉米采用土壤含水率控制在70%的寬壟溝灌種植模式效果最好，土壤含水率控制在70%寬壟種植方式冬小麥產(chǎn)能最優(yōu)。龔雪文等[23]基于模糊綜合評判得出了在富水地區(qū)，番茄可在成熟采摘期輕度虧缺，而在貧水地區(qū)番茄可在開花坐果期中度虧缺的灌溉模式。張伶鳦等[18]基于水稻調(diào)虧理論和模糊控制理論，設(shè)計了寒區(qū)水稻智能灌溉系統(tǒng)，并通過試驗驗證表明該系統(tǒng)可由提高水稻產(chǎn)量，降低灌水量，改善水稻品質(zhì)。由此可見，模糊綜合評價可以用于作物灌溉模式的評價，并且取得了較好的效果。但是以上研究在進行模糊綜合評價時，各指標的權(quán)重是采用專家打分法確定，具有較大的主觀性。為此，本研究引入層次分析法確定指標權(quán)重，該方法是一種定量分析和定性性相結(jié)合，并將主觀判斷用數(shù)量形式表達和處理的方法，可一定程度上減少個人主觀判斷所帶來的弊端，使評價結(jié)果具有高更的可信性[24]。并且本研究在模糊綜合評價的基礎(chǔ)上，進一步將正交試驗的極差分析和模糊綜合評價相結(jié)合，得出更具普遍意義的西葫蘆微咸水滴灌最優(yōu)灌水方案。

本研究通過正交試驗極差分析與模糊綜合評價相結(jié)合，得出影響試驗處理綜合得分的因素排序為：灌溉水礦化度>苗期土壤水分>開花結(jié)果期土壤水分>抽蔓期土壤水分。對微咸水灌溉西葫蘆影響最大的因素是灌溉水礦化度，這與孔曉燕[21]研究的結(jié)論一致，灌溉水礦化度越大，西葫蘆產(chǎn)量越低，土壤的含鹽量越大。苗期土壤水分對西葫蘆的影響比抽蔓期和開花結(jié)果期大，這是因為采用微咸水灌溉增加了土壤中的鹽分，造成土水勢下降，而且苗期西葫蘆根系不發(fā)達，吸水能力較弱，就會造成西葫蘆吸水困難，對西葫蘆生長造成嚴重影響。隨著西葫蘆的生長，根系不斷深扎，吸水能力不斷增強，所以在抽蔓期和開花結(jié)果期，微咸水灌溉對西葫蘆的生長相對就減弱，孔曉燕[21]建立的微咸水西葫蘆水鹽生產(chǎn)函數(shù)表明鹽分敏感指數(shù)隨著生育期的推移逐漸減少，也說明了微咸水灌溉苗期的影響比抽蔓期和開花結(jié)果期大。對于開花結(jié)果期土壤水分對西葫蘆的影響比抽蔓期大，是因為在開花結(jié)果西葫蘆需水量大，土壤水分控制是否合適直接影響到西葫蘆的產(chǎn)量，翟勝等[25]對黃瓜水分生產(chǎn)函數(shù)研究表明開花結(jié)果期黃瓜的水分敏感指數(shù)比開花前期大，這與本文的研究結(jié)論一致。由此可見，本研究得出微咸水滴灌西葫蘆影響因素排序是合理的，能綜合反映微咸水滴灌對西葫蘆的影響。

本研究得出的西葫蘆微咸水膜下滴灌最優(yōu)方案是：灌溉水礦化度是3.5 g/L，苗期土壤水分控制在70%～90%θFC，抽蔓期土壤水分控制在60%～80%θFC，開花結(jié)果期土壤水分控制在60%～80%θFC。這與孔曉燕[21]的研究結(jié)果不一致，孔曉燕[21]的研究得出的最優(yōu)方案是：灌溉水礦化度為1.7 g/L，幼苗期土壤水分控制在70%～90%θFC、抽蔓期土壤水分控制在60%～80%θFC、開花結(jié)果期土壤水分控制在60%～80%θFC。造成差異的原因是，孔曉燕[21]的研究僅以西葫蘆產(chǎn)量為指標進行分析，而本研究是采用西葫蘆產(chǎn)量、需水量、生育期結(jié)束土壤含鹽量和微咸水利用4個指標進行綜合分析。孔曉燕[21]研究的最優(yōu)方案的灌溉水礦化度為1.7 g/L，本研究最優(yōu)灌水方案的灌溉水礦化度為3.5 g/L，對于微咸水灌溉，孔曉燕[21]的研究結(jié)果沒有利用微咸水灌溉，不符合使用微咸水灌溉的實際情況，而本研究的最優(yōu)方案使用了微咸水灌溉，顯然本研究的結(jié)果更合理。

4 結(jié) 論

(1)本研究通過西葫蘆微咸水膜下滴灌正交試驗，在單因素正交試驗極差分析的基礎(chǔ)上，建立了以西葫蘆產(chǎn)量、西葫蘆需水量、生育期結(jié)束土壤含鹽量和微咸水利用為評價指標的綜合評價模型，該模型采用層次分析法確定評價指標的權(quán)重，采用模糊綜合評價將多指標評價轉(zhuǎn)換為單指標評價，得出了每個處理的綜合得分，并采用正交試驗極差分析得出最終評價結(jié)果。

(2)通過正交試驗極差分析與模糊綜合評價相結(jié)合，得出影響試驗處理綜合得分的因素排序為：灌溉水礦化度>苗期土壤水分>開花結(jié)果期土壤水分>抽蔓期土壤水分。最優(yōu)灌水方案是：采用3.5 g/L的微咸水灌溉，在苗期土壤水分控制在70%～90%θFC，抽蔓期土壤水分控制在60%～80%θFC，開花結(jié)果期土壤水分控制在60%～80%θFC。該研究結(jié)果能綜合反映微咸水滴灌對西葫蘆的影響，符合使用微咸水灌溉的實際情況。