使用熵权-TOPSIS分析优化膜下滴灌机采棉的水肥管理

《Journal of Agriculture and Food Research》：Optimization of Water-Fertilizer Management for Machine-Harvested Cotton under Mulched Drip Irrigation Using Entropy-TOPSIS Analysis

　　

优化水肥管理对于提高干旱地区棉花生产力和资源利用效率至关重要。研究人员评估了氮磷钾（N-P-K）比例和水肥耦合对北疆膜下滴灌机采棉养分积累、产量形成和资源利用效率的影响。进行了为期两年的田间试验，以确定最佳N-P-K比例，随后评估灌溉与施肥的交互效应。采用熵权-TOPSIS模型整合多个农艺和资源利用指标，实现了对水肥管理策略的客观综合评价。结果表明，养分积累遵循典型生长模式，在花铃期需求最大。与低灌溉相比，中度灌溉结合适量施肥促进了生殖器官中的养分积累，使籽棉产量显著提高28.4%，同时实现了最高的氮肥利用效率（48.0%）。综合评价一致确定270 kg N/hm²与100% ET灌溉（345 mm）的组合为最优管理策略。这些发现表明，整合优化养分管理与适当灌溉能有效提高棉花生产力和资源利用效率。所提出的水肥策略为精准灌溉和施肥提供了实践指导，而熵权-TOPSIS方法为干旱和半干旱地区农艺管理实践的综合评价提供了潜在的决策支持工具。

**论文解读：膜下滴灌机采棉水肥优化的熵权-TOPSIS综合评估**

**1. 研究背景与问题**

棉花（*Gossypium* spp.）是中国重要的经济作物，尤其在新疆等干旱地区广泛种植。随着农业现代化进程，机采棉已取代传统手摘棉成为主要生产方式，但其在品种、栽培技术和水肥需求上与手摘棉存在显著差异。现有水肥管理技术参数不明确，制约了绿色高效栽培。传统的单一指标或主观加权评价方法易导致偏差，而熵权-TOPSIS耦合模型能客观计算各指标权重，避免主观干扰，实现多维度统一量化评价。因此，本研究旨在通过系统田间试验，优化氮磷钾（N-P-K）比例和灌溉制度，提出高效可持续的水肥管理策略，为新疆等主要棉区机采棉的可持续发展提供科学依据。论文发表在《Journal of Agriculture and Food Research》。

**2. 研究内容与关键技术方法**

研究人员于2021—2022年在新疆准噶尔盆地西部克拉玛依绿城公司一号站农场（48°55'25"N, 45°27'31"E）开展了两阶段田间试验。第一阶段（2021年）以新陆早73号品种为材料，设置7个不同N-P-K比例处理（含对照），确定最佳养分比例；第二阶段（2022年）基于最佳比例，固定磷钾（P₂O₅、K₂O）用量，设置3个氮水平（N0、N1、N2）与3个灌溉水平（80% ET、100% ET、120% ET）的完全交互试验（共6个处理，含对照）。主要关键技术方法包括：通过破坏性取样测定各器官干物质及氮磷钾含量（N：奈氏比色法；P：钒钼黄比色法；K：火焰光度法）；利用水量平衡法计算作物蒸散量（ET）；依据公式计算水分利用效率（WUE）、灌溉水利用效率（IWUE）、氮肥利用效率（NUE）、偏生产力（PFP）等指标；采用熵权-TOPSIS模型，以铃数、铃重、籽棉产量、收获指数（HI）、NUE、PFP、ET、WUE、IWUE共9个指标构建综合评价矩阵，进行多目标优化排序。

**3. 研究结果**

**3.1 Effects of N-P-K fertilizer ratios on nutrient accumulation in cotton**（氮磷钾比例对棉花养分积累的影响）
通过分析不同比例下氮磷钾积累量，发现氮积累随氮输入增加而增加，而磷钾积累呈先增后减的非线性响应，以F2R1处理（N 270 kg/hm²，N-P-K比例1:0.38:0.30）最高。在花铃期，R1比例（1:0.38:0.30）比R2比例（1:0.5:0.4）更有利于氮磷积累；吐絮期，R1处理的氮钾积累仍较高，但磷积累在R2处理更高。表明平衡的N-P-K比例比单纯增加施肥更有利于协调养分积累。

**3.2 Effects of N-P-K fertilizer ratios on cotton yield and fertilizer utilization efficiency**（氮磷钾比例对棉花产量和肥料利用效率的影响）
铃数在F2处理（N 270 kg/hm²）下最高（5.35和5.06个/株），单铃重差异不显著，籽棉产量以F2R1处理最高（5792.44 kg/hm²），显著高于其他处理。NUE、PUE、KUE在F2R1处理中表现较好，但部分差异不显著。说明最佳比例主要通过增加铃数而非铃重提高产量，且促进了肥料利用效率。

**3.3 Effects of water and fertilizer treatments on nutrient accumulation**（水肥处理对养分积累的影响）
通过分析不同水肥处理下氮磷钾的动态积累，发现灌溉、施肥及其交互作用显著影响养分积累。在蕾期，养分主要分布在茎叶；花铃期逐渐向生殖器官转移；吐絮期，生殖器官成为主要库。F1W2处理（N 270 kg/hm²，100% ET灌溉）在生殖器官中维持了最高的氮磷钾积累，而过量施肥（F2）在中度灌溉下抑制了养分积累。表明适度灌溉结合适量施肥促进了生殖器官养分积累。

**3.4 Effects of water and fertilizer treatments on yield and resource use efficiency**（水肥处理对产量和资源利用效率的影响）
灌溉、施肥及其交互作用显著影响铃数、铃重和籽棉产量。F1W2处理籽棉产量最高（7944.03 kg/hm²），比F1W1增产28.40%，且NUE（48.00%）和WUE（1.43 kg/m³）均处于较高水平。过量灌溉（W3）或过量施氮（F2）均导致产量下降，且资源利用效率降低。说明适度灌溉与适量施肥的组合（F1W2）实现了产量与资源效率的最佳平衡。

**3.5 Entropy Weight-TOPSIS comprehensive evaluation**（熵权-TOPSIS综合评价）
基于9个评价指标的熵权分析显示，各指标贡献排序为：PFP > 铃重 > 铃数 > 籽棉产量 > HI > IWUE > ET > NUE > WUE，说明肥料生产力和产量组分对综合性能贡献大于水分指标。根据相对贴近度（Ci），综合排名为F1W2 > F1W3 > F2W3 > F2W1 > F1W1 > F2W2，F1W2（345 mm灌溉，270 kg N/hm²）被一致确认为最优水肥组合。

**4. 讨论与结论**

讨论部分指出，最佳N-P-K比例（1:0.38:0.30）通过增加铃数而非铃重提高产量，与以往研究一致。适度灌溉（100% ET）结合适量氮肥（270 kg N/hm²）促进了光合产物向生殖器官的分配，避免了过量氮肥导致的营养生长过旺和源库失衡。水分利用效率与氮肥偏生产力呈U型和倒U型响应，表明存在最佳阈值。该研究局限于新疆准噶尔盆地单一地点、两年试验和单一品种，盐碱胁迫和多地多年验证尚需开展。结论翻译如下：本研究表明，N-P-K比例和水肥耦合显著影响膜下滴灌机采棉的养分积累、产量形成和资源利用效率。在所有处理中，270 kg N/hm²与100% ET灌溉（345 mm）的组合（即F1W2处理）通过最大化籽棉产量同时提高氮水和用效率，实现了最佳综合表现。研究结果表明，适度灌溉结合适量施肥是干旱棉花生产系统中平衡生产力和资源利用效率的有效管理策略。本研究为优化机采棉水肥一体化管理提供了科学依据，并为干旱和半干旱地区棉花可持续生产提供了实践指导。