摘 要：【目的】研究不同灌水定额对滴灌紫花苜蓿的影响并优选适宜的灌水定额。【方法】以浅埋式滴灌紫花苜蓿为研究对象，设计5个水平的灌水定额（581、506、431、356和281 m3/hm2），以地面灌CK（469 m3/hm2）为对照，分析灌水定额对苜蓿生长、产量及水分利用的影响，并采用熵权－TOPSIS综合评价法优选适宜于该地区苜蓿浅埋式滴灌的灌水定额。【结果】苜蓿的株高、茎粗、产量和耗水量均在适当的范围内随灌水定额的增大而增大，差异显著（P＜0.05），但过高的灌水量对苜蓿株高、茎粗、产量的提高并无显著影响（P＜0.05）；水分利用效率（WUE）和灌溉水利用效率（IWUE）随灌水定额的增大逐渐降低，茬次之间的耗水量表现为第2茬gt;第3茬gt;第1茬（P＜0.05）。灌水定额为506 m3/hm2时贴近度最高，评价结果最佳，且苜蓿产量为16 079 kg/hm2。【结论】新疆北疆浅埋式滴灌苜蓿的最优灌水定额为506 m3/hm2。
关键词：浅埋式滴灌；地表滴灌；紫花苜蓿；灌水定额；熵权—TOPSIS；综合评价法
中图分类号：S542+.4 文献标志码：A 文章编号：1001-4330（2024）10-2537-10
收稿日期（Received）：2024-03-23
基金项目：新疆维吾尔自治区公益性科研院所基本科研业务费专项项目（KY2022029）；国家重点研发计划项目子课题 （2021YFD1900804-05）
作者简介：麦合穆提·拜合提（1994-），男，新疆疏附人，硕士研究生，研究方向为节水灌溉，（E-mail）mahmut17@163.com
通讯作者：丁峰（1980-），男，山东文登人，副研究员，硕士，研究方向为节水灌溉理论与水肥一体化技术，（E-mail）nkydf@126.com
0 引 言
【研究意义】新疆为干旱半干旱地区，由于气候干燥、水资源短缺等因素造成饲草料和牧草种植面积小，导致饲草料产业发展缓慢。因此，建立高产、高效、节水的灌溉模式对新疆畜牧业和农业发展至关重要。2015～2020年，我国新增优质苜蓿种植面积20×104 hm2以上，主要种植区位于西北干旱半干旱水资源匮乏地区［1-2］。滴灌是农业灌溉的节水灌溉技术之一［3］，浅埋式滴灌是地下滴灌的一种形式，将滴灌带埋在地表以下2～15 cm深度的土壤中，通过低压管道系统，利用滴头将水以较小的流量，缓慢而均匀地灌溉到作物根区土壤，以减少渗漏和蒸发，从而提高水分利用效率［4］，浅埋式滴灌还具有不影响苜蓿刈割的优势。熵权—TOPSIS综合评价法（又称多变量综合评价法、多指标综合评估技术），是运用多指标同时进行定量评价和比较的一种方法，采用熵权法时先利用熵值法可计算各评价指标的权重并赋权于TOPSIS建模评价过程中，进行方案的综合评价［5］。TOPSIS（technique for order preference by similarity to ideal solution）法对于样本资料无特殊要求，使用灵活简便，是多指标决策分析中常用的有效方法，综合评价浅埋式滴灌不同灌水定额对苜蓿的响应效果综合评价有重要意义。【前人研究进展】滴灌比漫灌苜蓿的总水分利用效率高42%～44%，灌水量相同条件下干草产量增加显著［6］，滴灌比漫灌苜蓿的干物质多出16%～23%［7］。Godoy等［7］研究表明，与沟灌相比，地下滴灌处理的水分利用效率提高20%。Sammis等［8］的研究发现，苜蓿耗水量随着灌溉量的提高而提高，变化范围为547～1457 mm。孙洪仁等［9］研究得出，苜蓿生长阶段耗水可达到2 250 mm，其变化幅度在300～2 250 mm。在充分灌溉和水分胁迫处理下地下滴灌苜蓿的产量与水分利用效率最高，其次是地表滴灌，最后是喷灌［10］。苜蓿喷灌会因水汽飘移蒸发和冠层截留造成水分损失，从而降低了水分利用效率［11-13］。马铁成等［14］研究表明，滴灌带埋深5～8 cm，灌水定额525 m3/hm2时最有利于苜蓿节水增产。Ayars等［15］研究总结了地下滴灌在紫花苜蓿上的应用，结果显示，地下滴灌不仅提高了产量近40%，增产效果显著，且提高了水分利用效率。适当的增加灌水量可以提高苜蓿的产量，改善苜蓿的品质，并且提高苜蓿干物质体外消化率，直到灌溉量达到作物理论灌溉需要量（crop irrigation requirement，CIRt）的115%不再增长［16］，同时灌水量大于一定范围时也会使产量增加效果不明显，还有可能导致苜蓿减产［17-18］。刘名江等［19］利用TOPSIS综合评价法对盐碱地苜蓿的施肥进行了优选，得出该地区最优的施肥策略。李池等［20］将熵权－TOPSIS评价法对春玉米的不同灌水定额进行了优选，认为玉米全生育期最优灌水定额为525 m3/hm2的结论。【本研究切入点】紫花苜蓿（Medicago sativa）是一种优质多年生豆科牧草［21］，对环境适应性强、产量高、饲草价值高。有关浅埋式滴灌不同灌水定额对苜蓿生长和产量的影响并结合熵权－TOPSIS模型综合评价优选灌水定额的研究较少，综合比较不同灌水量之间的差异，筛选出最佳有效的灌水定额的相关研究尚鲜见报道。因此，需综合评价基于熵权——TOPSIS浅埋式滴灌，评价灌水定额的应用效果。【拟解决的关键问题】以苜蓿为研究对象，控制灌水定额，分析浅埋地滴灌不同灌水定额条件下的苜蓿株高、茎粗、产量、耗水量、WUE及IWUE的影响，结合新疆北疆的气候环境因素，设定灌水定额并采集大田苜蓿生育期的生长指标及产量数据，研究各采集指标对灌水定额的响应关系，采用熵权－TOPSIS综合评价法综合性评价各项指标并优选最佳灌水定额。
1 材料与方法
1.1 材 料
1.1.1 研究区概况
试验于2023年4月中旬至10月中旬在新疆农业科学院试验基地进行（87°45′76″E，43°94′75″N），海拔600 m，年平均风速3 m/s，年均日照时数2 594 h，年平均气温7.7℃，属于典型的干旱半干旱区域，夏季气候干旱，冬天气候冷，无霜期162 d左右，年蒸发量1 500 mm以上，年均降雨量173 mm，蒸发量大于降水量，年日照时数2 790～2 930 h。土壤为砂壤土、0～60 cm平均容重为1.56 g/cm3、平均pH值8.1、田间持水量26.32%、地下水位20 m以下。表1
1.1.2 供试品种
供试紫花苜蓿品种为阿尔冈金。苜蓿于6月12日第一茬测产、7月27日第二茬测产、9月14日第三茬测产。试验小区6 m×5 m，机械条播，播深2 cm，播种量3 kg/667m2、种植模式为浅埋式滴灌，滴灌带埋设于距地表下5 cm深度处，滴灌带1管4行、行距15 cm、滴头间距30 cm、滴灌带铺设间距60 cm。图1，表2
1.2 方 法
1.2.1 试验设计
试验于2023年4～10月进行，采用浅埋式滴灌5种不同灌水定额处理，并以地表滴灌处理CK为对照，为减小误差，各处理均设３个重复，每个小区设1.2 m隔离带，试验小区随机布置。表3
1.2.2 测定指标
（1）土壤水分：采用烘干法测定，于每个小区在苜蓿株间及行间取3个土样，每20cm为1层，取样深度为60cm，每次灌溉前后各测定１次，降雨后加测，计算土壤含水率（%）。
（2）耗水量（ETα）：采用水量平衡法计算。
ETα=P+I+W+K-D.（1）
式中，ETα：耗水量（mm）；P：降水量（mm）；I：灌水量（mm）；W：土壤贮水变化量；K：地下水补给量（mm）；D：深层渗漏量（mm）。因试验地地下水位较深，且降雨量少，故K和D忽略不计。
（3）株高和茎粗：每个试验小区选取苜蓿长势均匀的区域，从该区域随机选取6株苜蓿，每隔6d测定1次，茎粗用电子游标卡尺测量，单株苜蓿的茎粗在互相垂直的方向各测定1次。
（4）产量：鲜草产量在每个小区随机选取3个1 m×1 m的大样方并称鲜质量，刈割留茬5 cm左右，在大样方中选取部分鲜草样品，记为小样方，称量鲜草质量后装进档案袋，放入烘箱，在105℃杀青30 min后将温度调至65℃恒温下烘干48 h，冷却后称干草质量，计算出干鲜比。大样方内干草产量是其鲜草产量与小样方干鲜比的乘积。
（5）水分利用效率WUE（water use efficiency）
WUE=FBET .（2）
式中，WUE水分利用效率（kg/m3）；FB干草产量（kg/hm2）；ET生育期耗水量（mm）。
灌溉水利用效率IWUE（irrigation water use efficiency）。
IWUE=FBI .（3）
式中，FB干草产量（kg/hm2）；I生育期总灌水量（mm）。
1.2.3 熵权—TOPSIS模型
1.2.3.1 熵权法
客观条件下由评价指标值来确定指标权重的一种方法，具有操作性和客观性强的特点，可反映数据隐含的信息，增强指标的分辨意义和差异性，以避免因选用指标的差异过小造成的分析困难，全面反映各类信息。评价对象在某项指标上的值相差越大越重要，权重相应也越大。根据各项指标的变异程度可以客观地计算出各项指标的权重，为多指标综合评价提供依据。
（1）计算比重Pij
Pij=ZijΣni=1Zij （j=1，2，……m）.（4）
（2）计算熵值Ej
Ej=1lnn ∑ni=1PijlnPij， （j=1，1，……m）.（5）
（3）计算第j项指标的差异系数Gj
Gj=1-Ej.（6）
（4）计算第j项指标的权重Wj
Wj=GjΣmj=1Gj.（7）
1.2.3.2 TOPSIS模型
TOPSIS法（逼近理想解的排序方法）是Hwang和Yoon［22］提出的经典MCDM的著名方法之一。最优方案是指离理想解的距离最短，离负理想解的距离最远的方案，为农田工程中有限方案多目标决策分析的一种常用的决策技术，是一种距离综合评价法。理想解由所有可达准则的最佳值组成，而负理想解由所有可达准则的最坏值组成。
（1）构建原始矩阵Xij
（2）数据正向化并标准化
采用极值标准化法对评价指标数据进行标准化处理，确定评价指标实际值在该指标权重中所处的位置，可以直接利用熵权法中所确定的标准化决策矩阵Zij。
对于极大型指标Zij=Xij-Xmin（j）Xmax（j）-Xmin（j） .（8）
对于极小型指标Zij=Xmax（j）-XijXmax（j）-Xmin（j） .（9）
（3）构建加权的决策矩阵
通过熵权法确定的指标权重向量Wj被考虑到决策矩阵中，加权规范化决策矩阵通过矩阵Z的每一行与其相应的权重Wj相乘得到V=Zij×Wj。
（4）确定正负理想解
令V+表示最佳方案、V表示最差方案。
V+=（V+1，V+2，……V+m）=（max{V11，V21，……Vn1}，max{V12，V22，……Vn2}，……max{V1m，V2m，……Vnm}）.（10）
V-=（V1，V2，……Vm）=（min{V11，V21，……Vn1}，min{V12，V22，……Vn2}，……min{V1m，V2m，……Vnm}）.（11）
（5）计算距离
分别计算每个年份评价向量到正理想解的距离D+i与负理想解的距离Di。
D+i=∑mj=1（V+j-Vij）2.（12）
Di=∑mj=1（Vj-Vij）2.（13）
（6）计算评价对象与最优方案的贴近度
Si分值越高越好。
Si=D-iD+i+D-i.（14）
1.3 数据处理
数据采用Excel2019和IBM SPSS27进行显著性检验和标准差，Origin2021进行画图。
2 结果与分析
2.1 灌水定额对苜蓿生长指标的影响
研究表明，不同灌水定额处理对苜蓿株高影响显著（Plt;0.05），苜蓿株高表现为W1、W2处理显著高于W3、W4、W5、CK处理（Plt;0.05），其中W5处理对应的株高最低。各处理苜蓿平均株高表现为W2gt;W1gt;W3gt;CKgt;W4gt;W5，其值为83.21、81.21、75.73、74.82、70.67和63.77cm。苜蓿株高随着灌水定额的增加先增加后逐渐趋于稳，3个茬次平均株高排序为第2茬gt;第1茬gt;第3茬，其值为76.49、7 575和72.47 cm。从W5到W1、W2、W3、W4和CK的株高变化幅度依次为26.8%、27.3%、28.8%、15.1%和18.6%。
苜蓿茎粗随着灌水定额的增加先增加而后逐渐趋于稳定，其不同处理3茬次平均茎粗排序为W2gt;W1gt;W3gt;CKgt;W4gt;W5，其值为3.79、3.76、3.50、3.45、3.10和2.71mm。3茬均值各个处理中W1、W2相互之间无显著差异（Plt;0.05），W3、W4、W5及CK分别与W1、W2之间有显著差异（Plt;0.05）。3茬苜蓿的茎粗中W5处理对应的茎粗显著低于其他处理（Plt;0.05）。图2
苜蓿株高和茎粗等生长性状可以直观的体现灌水量对苜蓿生长产生的影响，株高与茎粗随着灌水定额的增加先增加而后逐渐趋于稳定，不同处理间茎粗的变化趋势与株高一致。该地区浅埋式滴灌比CK地表滴灌有效地促进了苜蓿茎粗的增长，相同的灌水条件下浅埋式滴灌比CK地表滴灌能够促进苜蓿株高、茎粗的生长。
2.2 灌水定额对苜蓿产量的影响
研究表明，苜蓿干草产量随灌水量的增加呈先增加后减小的趋势。当灌水定额从W5增加到W2时，干草产量从9 762 kg/hm2增加到16 079 kg/hm2，增幅达到64%。比较不同处理产量，表现为W2gt;W1gt;CKgt;W3gt;W4gt;W5处理。其中对照处理CK灌水定额比灌水W3处理的灌水定额大，但是对对产量无显著影响（Plt;0.05）。不同灌水定额对产量影响显著（Plt;0.05），前2茬内的苜蓿产量对年产量的高低影响较大，第1茬和第2茬各处理产量占年产量的68%，W2灌水处理苜蓿的总干草产量与W１、W3、W4、W5、CK处理的差幅分别为2.8%、15.2%、24.3%、45.3%和14.9%。全季苜蓿产量表现为第2茬gt;第1茬gt;第3茬。适当的加大灌水定额在一定的范围内增加苜蓿的产量，但超出了该范围反而不利于苜蓿产量，处理2的灌水定额为506 m3/hm2全年干草产量最高，不仅能增产还能够达到节水的效果。图3
2.3 灌水定额对苜蓿耗水量、水分利用率及灌溉水利用效率的影响
研究表明，各茬苜蓿灌水量和耗水量及总耗水量变化规律基本一致，随着灌水量的增加苜蓿耗水量也逐渐增大，随灌水间隔时间增加而增加。苜蓿一茬生育期耗水量均出现显著下降，而灌水间隔时间简短时，苜蓿耗水量均有一定程度的增加。灌水W1处理的耗水量最大（423.37mm），因而水分利用效率较小，其值为36.91kg/（hm2·mm），此值除了W5处理以外小于其他灌水处理（P＜0.05）。第１茬各处理耗水量显著小于（P＜0.05）第2、第3茬，苜蓿的总耗水量表现为第2茬＞第3茬＞第1茬。
不同灌水定额对苜蓿WUE影响存在显著差异（Plt;0.05），各处理3茬WUE随着灌水量的增呈降低。苜蓿WUE以及总WUE均与灌水定额存在单峰关系，均在W2灌水定额最大；高灌水定额W1处理与低灌水定额W5处理差异显著（Plt;0.05），且高灌水定额与CK之间也存在显著差异（Plt;0.05）。W2处理下苜蓿全年的WUE显著高
于其余处理（Plt;0.05）其值为42.4 kg/（hm2·mm），其W1处理与W5处理最小并且两者之间无显著差异（Plt;0.05），其值为36.91、34.11kg/（hm2·mm）。随灌水量增加，水分对产量的贡献下降，水分利用效率随之降低，W2处理相较于其余处理，在各茬及全年苜蓿的WUE均有较大优势。
全季不同处理的IWUE介于22.41～29.69 kg/（hm2·mm），各处理的平均IWUE分别为22.41、26.48、26.99、29.69、28.95和24.90 kg/（hm2·mm）。各处理的IWUE大小与WUE相反，IWUE表现为第3茬＞第1茬＞第2茬，且浅埋式滴灌的IWUE，处理W1之外其他处理均显著高于地表滴灌处理CK（Plt;0.05）。浅埋式滴灌提高了苜蓿WUE与IWUE，在该地区浅埋式滴灌能充分地利用水资源，可促进苜蓿产量提高。表4
2.4 熵权－TOPSIS综合评价分析最优灌水方案
研究表明，根据株高、茎粗、干草产量、耗水量、WUE及IWUE 6个指标构造出原始矩阵。利用公式（8）、（9）进行正向化并标准化；再利用公式（4）、（5）、（6）、（7）对标准化后的矩阵计算权重，构造加权矩阵；再利用公式（10）、（11）、（12）、（13）、（14）计算正负理想解，与正、负理想解的距离及贴近度。表5
各处理贴进度Si由高到低的排序为W2gt;W3gt;W4gt;CKgt;W1gt;W5处理。处理2灌水定额优于其他处理，理想贴合度Si为0.69，其次为W3处理灌水定额，其理想贴合度Si为0.63，W5处理灌水定额理想贴合度Si最低，其值为0.44。表6
3 讨 论
研究结果发现，适量的增加灌水量能够显著增加植株高度、茎粗、提高生长速率，促进干草产量的形成，过量的灌水供给不但不能增加产量，会导致水肥资源的浪费，甚至会减产。试验研究中发现，灌水量的增加，苜蓿株高、生长速度呈先增加后降低的变化趋势。与前人的研究结果吻合［17］，说明在苜蓿生长对水分的需求量之下进行灌水，可显著提高植物对水分和利用效率。试验研究中发现，灌水定额对苜蓿株高和茎粗有着持续促进作用，但灌水定额在506 m3/hm2以上后出现降低或平稳现象。苜蓿年最高耗水量为423 mm，与赵经华［23］在新疆阿勒泰地区得到的406.85 mm年耗水量较为接近。W2处理灌水处理总产量最高，其值为16 079 kg/hm2、其中第2茬苜蓿产量最高，其值为5 629 kg/hm2，但是节水效率分别较于第1茬W2处理灌水处理降低了17.57 kg/（hm2·mm），主要是第1茬苜蓿生育期由天气凉，减少了一次灌水，而且蒸发量少且土壤内可利用含水量较高，土层的水分满足了苜蓿需水需求，在减少灌水的情况下并未引起产量显著减少。此外，灌水定额增加到某一个程度以后灌水定额对提高苜蓿产量并无显著影响（Plt;0.05）。试验研究采用熵权－TOPSI模型对苜蓿不同灌水定额条件下的多个指标进行综合分析评价，以苜蓿的多种指标为评价结果的决策值，有效地降低了主观性因素对评价结果的影响，W2处理灌水定额优于其他处理，理想贴合度Si为0.69，其次为W3处理灌水定额，其理想贴合度Si为0.63，虽然试验尝试综合评价了研究区作物产量和水分利用状况，并未结合土壤养分及经济效益等特征，有待进一步研究。
4 结 论
4.1 浅埋式滴灌条件下灌水定额对苜蓿的株高、茎粗、产量和耗水量影响，均随灌水量的增大而逐渐增大，但过高的灌水量对苜蓿株高、茎粗、产量的提高并无显著影响显著。水分利用效率（WUE）和灌溉水利用效率（IWUE）随灌水定额的增大逐渐降低，浅埋式滴灌苜蓿适宜的灌水定额为506 m3/hm2可实现该地区苜蓿高产且节约灌溉水资源的目的。
4.2 当灌水定额为506 m3/hm2时，苜蓿产量最高，其值为16 079 kg/hm2，灌水定额大于506 m3/hm2时，产量开始稳定或下降，不利于节水增产。新疆北疆浅埋式滴灌苜蓿灌水定额为506 m3/hm2，全生育期灌水12次。
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Comprehensive evaluation of alfalfa water quota in shallow buried drip irrigation based on entropy weight-TOPSIS
Maihemuti Baiheti1， DING Feng 2， LI Yan 1， DANG Loongxin1
（1. College of Water Conservancy and Civil Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China；2. Research Institute of Soil， Fertilizer and Agricultural Water Conservation， Xinjiang Academy of Agricultural Sciences， Urumqi 830091，China）
Abstract：【Objective】 To explore the effects of different irrigation quotas on alfalfa and evaluate the appropriate irrigation quota. 【Methods】 Taking alfalfa with shallow-buried drip irrigation as the research object， five levels of irrigation quotas （581，506，431，356，281 m3/hm2） were designed， and the ground irrigation CK （469 m3/hm2） was used as the control. Afterwards，the effects of different irrigation quotas on the growth， yield and water use of alfalfa were studied. Meanwhile， the entropy weight-TOPSIS comprehensive evaluation method was used to optimize the irrigation quota suitable for shallow-buried drip irrigation of alfalfa in this area. 【Results】 The plant height， stem diameter， yield and water consumption of alfalfa increased with the increase of irrigation quota in an appropriate range， and the difference was significant （Plt;0.05）. However， excessive irrigation had no significant effect on the increase of plant height， stem diameter and yield of alfalfa （P lt; 0.05）. Water use efficiency （WUE） and irrigation water use efficiency （IWUE） gradually decreased with the increase of irrigation quota， and the water consumption between stubbles showed the second stubble gt; the third stubble gt; the first stubble （P lt; 0.05）. 【Conclusion】 The irrigation quota is 506 m3/hm2， so it is strongly recommended this quota.
Key words：shallow buried drip irrigation; surface drip irrigation; alfalfa; irrigation quota; entropy weight-TOPSIS; comprehensive evaluation method
Fund projects：Special Project of Basic Scientific R amp;D Program of Public Welfare Research Institutions of Xinjiang Uygur Autonomous Region （KY2022029） ；Sub-project of the National Major R amp; D Program （2021YFD1900804-05）
Correspondence author：DING Feng （1980-）， male， from Wendeng， Shandong， master， associate researcher， research direction： water-saving irrigation theory and water and fertilizer integration technology，（E-mail）nkydf @126.com
