基于灰色關(guān)聯(lián)投影模型的冬小麥水分虧缺模式綜合評價

(新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局，新疆 庫爾勒 841000)

我國是一個水資源短缺的農(nóng)業(yè)大國，節(jié)約灌溉用水，提高水分利用率，對于水資源高效利用具有重要意義。20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外開展了大量的作物調(diào)虧灌溉研究，冬小麥調(diào)虧灌溉在研究初期主要側(cè)重于節(jié)水、高產(chǎn)目標(biāo)，隨著近年來國民生活品質(zhì)的提高，研究目標(biāo)開始轉(zhuǎn)向節(jié)水調(diào)質(zhì)[1]。目前調(diào)虧灌溉對冬小麥產(chǎn)量和品質(zhì)影響的研究主要側(cè)重于調(diào)虧模式——產(chǎn)量——品質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系。截至目前，有關(guān)冬小麥調(diào)虧灌溉模式綜合評價的研究還比較少；此外，不同地區(qū)氣候、土壤及耕作習(xí)慣等差別較大，有必要立足于特定區(qū)域開展相關(guān)研究，從而為冬小麥水分調(diào)控提供參考[2]。鑒于此，根據(jù)王書吉等[3]的研究成果，將改進(jìn)的AHP引入到評價指標(biāo)權(quán)重確定中，采用灰色關(guān)聯(lián)投影模型對冬小麥不同調(diào)虧灌溉方案進(jìn)行綜合評價，以期為干旱區(qū)冬小麥種植“節(jié)水增產(chǎn)提質(zhì)”提供理論參考。

1 灰色關(guān)聯(lián)投影評價模型

調(diào)虧灌溉模式評價系統(tǒng)涉及諸多因素，由于因素信息的不確定性或不完全性，使該評價系統(tǒng)成為一個灰色系統(tǒng)。因此，對這種系統(tǒng)進(jìn)行多功能評價，實際上是一個灰色多目標(biāo)決策問題?；疑P(guān)聯(lián)投影法是從矢量投影的角度探討多目標(biāo)決策問題的新方法，已在生態(tài)效益、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)脆弱性等多目標(biāo)綜合評價中得到較好應(yīng)用。該方法以各評價樣本在理想樣本上的投影值大小對評價樣本進(jìn)行綜合評價，并通過特定算法，使重要指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)得到進(jìn)一步加強(qiáng)，全面而準(zhǔn)確地反映了各評價樣本和理想樣本之間的接近程度，使多功能評價更接近客觀實際。因此，本文建立了冬小麥調(diào)虧灌溉模式的灰色關(guān)聯(lián)投影評價模型。建模步驟如下：

第1步：樣本矩陣的建立及其標(biāo)準(zhǔn)化。定義X為具有n個評價方案和m個評價指標(biāo)的某調(diào)虧灌溉評價樣本矩陣，即X=(Xij)n×m(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)。由于評價指標(biāo)的屬性與量綱不盡相同，為了避免在綜合評價中出現(xiàn)差異性，本文選擇目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行處理，則標(biāo)準(zhǔn)化后的樣本矩陣Y=(Yij)n×m(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)，且滿足下式：

對正指標(biāo)

(1)

對負(fù)指標(biāo)

(2)

式中Xij——第i個方案第j個評價指標(biāo)的原始值；

Yij——第i個第j個評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；

Xmin j——第j個評價指標(biāo)的最小值；

Xmax j——第j個評價指標(biāo)的最大值。

第2步：構(gòu)造灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣。對于標(biāo)準(zhǔn)化處理后的樣本矩陣Y而言，Yij總是越大越好，故定義理想樣本為Y0j=1。以Y0j為母序列，以Yij(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)為子序列就可以得到評價樣本與理想樣本的灰色關(guān)聯(lián)度rij：

(3)

第4步：計算灰色關(guān)聯(lián)投影值。將每個評價樣本看成一個行向量(矢量)，則可得到每個評價樣本Ai與理想樣本A*之間的夾角θi的余弦值ci，稱該角為灰色關(guān)聯(lián)投影角，如下圖所示。

灰色關(guān)聯(lián)投影角示意圖

(4)

依據(jù)各評價樣本灰色關(guān)聯(lián)投影值的大小，對其進(jìn)行綜合評價。投影值越大，表明評價樣本與理想樣本越接近，該方案則越優(yōu)；反之，該方案則越劣。

2 評價指標(biāo)體系建立

為科學(xué)、全面、客觀地評價不同水分虧缺模式，首要任務(wù)是構(gòu)建評價指標(biāo)體系。目前，作物水分虧缺模式評價指標(biāo)體系研究仍處于初級階段，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界尚沒有明確的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。由于其評價指標(biāo)之間具有復(fù)雜的聯(lián)系，本研究遵循層次性、科學(xué)性、完備性和可比性等原則，在參考國內(nèi)外有關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了冬小麥水分虧缺灌溉制度評價體系。根據(jù)王書吉等[3]的資料，該評價體系包括：小麥品質(zhì)、產(chǎn)量與水分利用3個方面。其中品質(zhì)方面包括有效穗數(shù)、穗粒重、千粒質(zhì)量、蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)與蛋白質(zhì)產(chǎn)量5項指標(biāo)，且有效穗數(shù)、穗粒重與千粒質(zhì)量為外在質(zhì)量指標(biāo)，蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)與蛋白質(zhì)產(chǎn)量為內(nèi)在質(zhì)量指標(biāo)；水分利用包括灌水量、耗水量與水分利用率3項指標(biāo)。由此，選取影響水分虧缺模式綜合評價的3個方面9項指標(biāo)進(jìn)行綜合評價。評價指標(biāo)體系見表1。

表1 冬小麥節(jié)水高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)目標(biāo)的水分虧缺模式綜合評價體系

在小麥品質(zhì)方面，有效穗數(shù)、穗粒重、千粒質(zhì)量、蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)與蛋白質(zhì)產(chǎn)量5項指標(biāo)均為越大越優(yōu)型指標(biāo)，即指標(biāo)值越大，小麥品質(zhì)越優(yōu)；在產(chǎn)量方面，單位面積產(chǎn)量越大，其經(jīng)濟(jì)收益會越大，故該指標(biāo)也為越大越優(yōu)型指標(biāo)；在水分利用方面，灌水量與耗水量越小則越好，水分利用率越高(表明單位水量生產(chǎn)的作物產(chǎn)量越高)則指標(biāo)越優(yōu)。

3 模型應(yīng)用

根據(jù)王書吉等[3]數(shù)據(jù)資料，建立冬小麥調(diào)虧灌溉評價指標(biāo)體系，采用灰色關(guān)聯(lián)投影評價模型對其進(jìn)行綜合評價。

3.1 基本情況

冬小麥虧水時期設(shè)置在返青期、拔節(jié)期、抽穗揚(yáng)花期與灌漿成熟期4個階段。設(shè)置2個水分虧缺水平，分別為：?中度虧水：土壤含水率保持在45%～50%田間持水量，用M表示；?輕度虧水：土壤含水率保持在55%～60%田間持水量，用L表示。另設(shè)不虧水對照處理CK，土壤含水率保持在65%～70%田間持水量。不同生育期水分虧缺處理見表2。

表2 不同生育期水分虧缺處理

不同虧水模式下的冬小麥品質(zhì)、產(chǎn)量及水分利用指標(biāo)值見表3。

3.2 方案評價

a.評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理。根據(jù)評價指標(biāo)性質(zhì)，利用式(1)與式(2)對表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，結(jié)果見表4。

表3 不同虧水模式下冬小麥品質(zhì)、產(chǎn)量及水分利用率

表4 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理值

b.計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣。利用式(3)得到不同調(diào)虧方案的關(guān)聯(lián)系數(shù)計算矩陣，結(jié)果見表5。

表5 不同調(diào)虧方案的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣

d.計算灰色關(guān)聯(lián)投影值。利用式(4)計算得到冬小麥不同調(diào)虧方案的灰色關(guān)聯(lián)投影，結(jié)果見表6。

表6 不同調(diào)虧方案的灰色關(guān)聯(lián)投影

3.3 評價結(jié)果分析

根據(jù)表6計算得到不同調(diào)虧方案的投影值及排序(見表7)。由表7可知，T1處理(返青期輕度虧水)為最優(yōu)調(diào)虧方案，T3處理(拔節(jié)期輕度虧水)為最劣調(diào)虧方案。不同調(diào)虧方案的優(yōu)劣排序為：T1>T2>CK>T8 >T5>T7>T4>T6>T3(“>”表示優(yōu)于)。

表7 不同模型評價結(jié)果及排序

為驗證本文計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用變異系數(shù)法與本文計算結(jié)果進(jìn)行對比(見表7)可知，采用本文方法所得結(jié)果與變異系數(shù)法計算結(jié)果在主要結(jié)論方面完全一致，這不僅驗證了本模型的準(zhǔn)確性，也說明其計算結(jié)果是可靠與科學(xué)的。

4 結(jié) 語

本文構(gòu)建了基于灰色關(guān)聯(lián)投影模型的冬小麥調(diào)虧灌溉綜合評價模型，對評價指標(biāo)引入改進(jìn)的AHP法計算權(quán)重，模型計算簡單，適用于多層次多指標(biāo)的大體系評價。由于調(diào)虧灌溉模式評價指標(biāo)體系的構(gòu)建涉及眾多因素，盡管本文建立了其評價指標(biāo)體系，但囿于數(shù)據(jù)可獲取性的局限，在指標(biāo)選擇上難以全面地反映調(diào)虧灌溉對作物影響的各個方面。故在評價指標(biāo)選取、評價方法等方面仍可做更深入的研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 程靜,蘇孝敏,張晨辰.干旱地區(qū)膜下滴灌技術(shù)甜瓜種植模式試驗研究[J].水資源開發(fā)與管理,2015(1):57-63.

[2] 王海軍.新疆干旱區(qū)節(jié)水灌溉工程技術(shù)的探討[J].水資源開發(fā)與管理,2015(2):56-58.

[3] 王書吉,康紹忠,李濤.基于節(jié)水高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)目標(biāo)的冬小麥適宜水分虧缺模式[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2015,31(12):111-118.