基于TOPSIS模型的黑土区水稻节水灌溉模式对水热环境及产量的差异化影响研究

本期推荐：针对黑土区水稻种植中水资源供需矛盾突出的问题，黑龙江大学团队通过设置浅湿灌溉(QS)、浅湿干灌溉(QSG)和深湿干灌溉(SSG)三种模式，系统研究了灌溉方式对田间水热变化及产量的影响。研究发现QSG模式可减少灌溉量10.27%-44.52%，提高降雨利用率至79.54%，同时使产量显著提升4.12%-18.42%，为寒地水稻节水增产提供了优化方案。

　　在全球气候变化和粮食安全双重挑战下，水稻作为我国主要粮食作物，其生产过程中的水资源高效利用成为关键科学问题。尤其在黑龙江这样的粮食主产区，水资源时空分布不均导致灌溉供需矛盾突出，传统大水漫灌方式造成严重浪费。与此同时，田间水热环境变化直接影响作物生长发育，如何通过灌溉模式优化实现"节水"与"增产"双赢，是当前农业可持续发展面临的重大课题。

针对这一科学问题，黑龙江大学水利电力学院联合黑龙江省水利科学研究院的科研团队，在标准黑土区水稻田开展了为期两年(2023-2024)的田间试验。研究团队设计了三种差异化灌溉模式：浅湿灌溉(QS)、浅湿干灌溉(QSG)和深湿干灌溉(SSG)，系统监测了不同模式下的水热动态变化规律，并采用TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution)模型进行多指标综合评价，相关成果发表在《Scientific Reports》上。

研究采用的关键技术方法包括：1)设置5m×5m田间小区随机区组试验，通过水层观测尺和土壤水分仪每日记录水层变化；2)使用埋置式温度传感器实时监测冠层温度、水层温度及5-40cm土层温度梯度；3)定期测定株高、分蘖数、叶绿素含量(SPAD)等生长指标；4)成熟期考种测产并计算干物质积累量；5)运用熵权法赋权的TOPSIS模型综合评价体系。

在水热环境变化方面，研究得出三项重要发现：首先，控制灌溉下限显著降低灌溉量，QSG模式较QS和SSG分别减少灌溉量10.27%-44.52%，同时提高降雨利用率至79.54%。其次，提高灌溉上限能有效提升田间温度，SSG模式的日最高水层温度较QS和QSG分别高出0.80-1.54°C和0.31-0.96°C。第三，土壤温度传导分析显示，QSG模式在高温时段促进土壤热传导(GradT达16.27°C·m^-1)，而SSG模式在夜间能更好地维持土壤温度。

关于水稻生长发育，研究揭示了灌溉模式的差异化影响：在株高发育方面，提高灌溉上限促进株高增长，QS模式株高增长率达1.60cm/d。分蘖特性显示，控制灌溉下限使QSG模式有效分蘖数增加8.38%，茎蘖成穗率提高至71.73%。值得注意的是，虽然控制灌溉下限会降低SPAD值(降幅0.2%-4%)和干物质积累量，但QSG模式仍保持最高收获指数(0.536)。

产量构成分析呈现突破性结果：QSG模式产量显著高于QS和SSG，增幅分别达4.12%-4.65%和14.69%-18.42%。这种增产主要源于穗数增加(9.75%-14.60%)和结实率提升(1.34%-1.46%)。TOPSIS模型综合评价确认，在兼顾节水、保温和增产的多目标优化中，QSG模式接近度指数(S)达0.535，显著优于其他模式。

讨论部分深入阐释了机制原理：控制灌溉下限通过诱导适度水分胁迫，增强根系活力并减少无效分蘖，这与Hou Jianwei提出的田间持水量80%下限阈值理论相符。提高灌溉上限则通过水层热容效应缓冲温度波动，验证了Jiang Xiaodong关于灌溉缓解高温伤害的发现。研究创新性地将水热耦合效应与产量形成关联，为寒地水稻"以水调温"栽培策略提供了实证依据。

该研究的实践意义在于：为黑土区水稻生产提供了可操作的灌溉方案——在生育前期(分蘖期)采用30mm上限/85%下限的QSG模式，既能节水又能促进分蘖；在生育后期(抽穗期)维持30mm上限可避免高温伤害。理论层面，研究建立了灌溉模式-水热环境-作物响应-产量形成的系统评价框架，为应对气候变化下的水稻精准灌溉提供了方法论指导。未来研究可进一步探讨不同土壤类型和品种特性的适应性，推动节水农业的绿色发展。