不同水氮用量對復播玉米生長發育、產量及利用效率的影響和選優模型驗證

摘 要：【目的】基于層次分析法及模糊綜合評價模型在驗證大田作物水氮優選方案的實用性，為制定新疆南疆玉米高效高產種植水氮配施方案提供參考。

【方法】設置3個灌水梯度，分別為300 mm（W1）、400 mm（W2）、500 mm（W3）；3個施氮梯度，分別為0 kg/hm2（F0）、250 kg/hm2（F1）、350 kg/hm2（F2），共9個處理（W1F0、W1F1、W1F2、W2F0、W2F1、W2F2、W3F0、W3F1、W3F2），每個處理3次重復，測定并分析滴灌條件下不同水氮配施對玉米株高、葉面積指數、干物質積累、產量以及水氮利用效率的影響，結合常規分析與模糊綜合評價法尋求最優水氮配施方案并驗證模型。

【結果】適宜灌水量和施氮量下，水氮之間表現出顯著交互作用，可以提高玉米的株高、葉面積指數、干物質積累量、積累速率和產量，棉花產量隨施氮量和灌水量的增加呈拋物線變化，增產效率降低，適當的灌水量和施氮量可以獲得較高的增產效率和水氮利用效率，在W2F1處理下，株高、葉面積指數、干物質積累量等達到最大值，產量增長率和水分利用率均達到最大值，分別為24.35%、3.89 kg/m3，氮肥利用效率僅次于W3F1。

【結論】新疆阿克蘇地區玉米適宜的灌水量和施氮量為400 mm和250 kg/hm2（W2F1）。

關鍵詞：復播玉米；滴灌；水氮配施；模糊綜合評價；產量；水氮利用率

中圖分類號：S512 文獻標志碼：A 文章編號：1001-4330（2024）04-0835-10

0 引 言

【研究意義】玉米是牲畜飼料來源之一［1］。新疆玉米種植面積從1978年的62.14×104 hm2增加至2019年的99.72×104 hm2，種植面積僅次于小麥和棉花［2］。玉米生產中栽培不規范將導致產量降低［3］。實現玉米高效高產，適宜的水氮配施是關鍵。新疆水資源較缺乏［4］，氮肥利用率尚不夠高［5］。施肥不當會導致土壤肥料有效利用率低［6-7］。篩選水氮配施優化方案，制定合理的灌溉施氮制度，有利于提高農田水肥利用效率［8］。因此，必須尋求適宜水氮配施量使農作物達到高效高產。【前人研究進展】連彩云等［9］研究認為，在一定灌溉定額范圍內，產量和水分利用效率隨施氮量的增加而提高，而當灌溉定額過高，水分利用效率則隨施氮量增加呈先增后減的趨勢。Gheysari等［10］試驗認為，增加灌水量和施氮量可以提高玉米干物質積累量。吳婕等［11］研究發現，不同灌水量將影響玉米營養生長周期，較低的灌水量將縮短玉米營養生長周期，抑制玉米干物質積累。王士杰等［12］通過建立三元二次回歸模型，發現玉米產量隨灌水量、施氮量以及施鉀量各因素呈先增加后降低的趨勢，灌水的影響程度大于施氮和施鉀。有研究對水稻和玉米進行模糊評判，得到適宜當地作物的最佳灌溉方案［13-14］。【本研究切入點】以往研究多局限于對作物產量、干物質累積量等單一指標的水氮耦合方案，針對玉米生長發育指標及變化對比的研究文獻相對較少。需研究結合玉米株高、葉面積指數、干物質積累量、干物質積累速率、產量、增產率以及水氮利用效率的綜合指標變化，建立產量（z）與灌水量（x）和施氮量（y）的二元二次水氮耦合回歸模型。【擬解決的關鍵問題】以新玉9號為供試玉米品種，分析不同水氮組合下玉米各生長生理指標的變化，運用模糊綜合評價模型，分析新疆南疆干旱地區玉米高效高產水氮方案，通過對比驗證優選大田方案。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗在新疆阿克蘇地區新疆農業大學特色林果實驗基地內（79°03′～82°07′E，40°15′～42°31 N）進行。該地區為典型的溫帶沙漠氣候，日照時間較長，年日照時長在2 800～3 831 h；晝夜溫差較大，極端最高溫度40.9℃，最低溫度-27.4℃，年平均溫度11.2℃，年平均濕度為56%。年平均降水量63 mm。試驗區域地形平坦，土壤地質為壤土，地下水埋藏深度6 m以上。供試玉米品種為新玉9號，株距25 cm，采用寬窄行不等間距種植（30+40+30+60）cm，6月12日播種，9月25日收獲。表1

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

采用裂區設計，測坑長×寬×高為3 m×2.2 m×2 m。灌水量為主區，施氮量為副區。灌水方式采用膜下滴灌，滴頭流量為1.8 L/h。種植模式采用1膜4行。玉米播種前進行1次漫灌（60 m3/667m2）以確保出苗。設置3個灌水梯度分別為低水300 mm（W1）、400 mm（W2）、500 mm（W3）；3個施氮梯度分別為0 kg/hm2（F0）、250 kg/hm2（F1）、350 kg/hm2（F2），共9個處理（W1F0、W1F1、W1F2、W2F0、W2F1、W2F2、W3F0、W3F1、W3F2）、各小區均施20 kg/667m2磷酸二銨（N2PO4）作為底氮，于玉米小喇叭口期采用水氮一體化滴灌系統追施氮肥。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 氣象數據

在試驗場地設置一套自動氣象站，對風速、溫度、濕度、降雨等進行觀測。布置20 cm蒸發皿，測量蒸發量。每天觀測蒸發量。

1.2.2.2 土壤含水率

從第1次灌水開始，六葉期，十二葉期，吐絲期，灌漿期和成熟期取樣時，分別利用TRIME—IPH土壤剖面含水量測量系統測定TRIME管1 m含水量，除此以外，灌水后每2 d 1次，每次測定土層60 cm含水量。

1.2.2.3 玉米耗水量

ET=ΔW+P+I+G-R-F.

式中，ET為作物耗水量，△W為土壤儲水量之差（mm）；P為有效降雨量（mm）；I為灌水量（mm）；G為地下水對作物的補給水量（mm）；R為地表徑流量（mm），試驗地無地下水補給，且無地表徑流產生；F為根區深層滲漏量（mm），降水或灌溉補給作物根系區土壤水分達到田間持水量后多余水分（灌水前100 cm土層內有效土壤含水率和灌水量之和減去田間持水量）。

1.2.2.4 生長及光合指標

株高：玉米各個生育期用直尺測量株高，每個處理取10株測量后取平均值。

葉面積指數：每個處理選生長一致的玉米10株，測量綠葉葉面積。葉面積=長×寬×0.75，LAI=單株葉面積×單位土地面積內株數/單位土地面積。

干物質：各個處理按照玉米5個生育期：六葉期（7月17日）、十二葉期（7月30日）、吐絲期（8月10日）、灌漿期（9月3日）、成熟期（9月23日）分別采樣，每個小區取樣10株，所采樣本按莖、葉、穗分類，在設定溫度為105℃的烘箱中進行殺青15～30 min，在設定溫度80℃下烘干12 h，直到恒定質量，用電子天平稱質量。

干物質積累速率：

CGR=（K2-K1）/（T2-T1）.

式中，CGR為干物質積累速率，T1和T2分別為先后2次測定時間，K1和K2分別為T1和T2先后2次所測得干物質量。

產量：玉米成熟后每個側坑選擇1 m2收獲、晾干后測產，再換算成公頃產量。

水分利用效率：WUE=Y/H.

式中，WUE為水分利用效率，Y為玉米產量，H為玉米全生育期耗水量。

氮肥偏生產力：PFPN=Y/N.

式中，PFPN為氮肥偏生產力，指作物單位氮肥用量得到的產量；N為氮肥用量。

氮肥農學效率：ANUE=（Yn－Y0）/Nn.

式中，ANUE為氮肥農學效率，指單位施氮量所能提高作物的產量；Yn為施氮區作物產量，Y0為不是氮區作物產量，Nn為施氮量。

1.2.2.5 模糊綜合評價

用層次分析法（AHP）確定影響因子的權重。

隸屬度：

計算綜合評判矩陣S，評判結果采用最大隸屬度原則，將Sn排序，確定優劣。

1.3 數據處理

運用Microsoft Excel 2016軟件處理試驗數據及制作表格，用Origin 2019制作圖，用SPSS 20.0軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 水氮組合對復播玉米株高、葉面積指數的影響

研究表明，玉米株高隨灌水量和施氮量的增加而增加，但W1F2處理下株高為所有處理中的最低值242.18 cm，水分虧缺時過量施用氮肥會抑制玉米的生長。W3F2處理下玉米株高達到最大值為275 cm，適宜水氮組合對玉米株高的增長表現出促進作用。W2F1、W2F2以及W3F1處理株高低于W3F2處理但差異不顯著（P＜0.05），過量灌水和施氮會降低耦合效應對玉米株高增長的促進效果。圖1

玉米生長各個時期，LAI分別隨灌水量和施氮量的增加而增大，合理水氮組合會促進玉米葉片的生長；但W1F2處理下LAI均為各個時期的最低值，水分虧缺下過量施氮會抑制玉米葉片的生長。吐絲期時W2F2處理下LAI達到最大值為4.35且其他時期均只低于W3F2處理，其余生育期W3F2處理下LAI達到最大分別為2.01、3.28、4.18、5.48，氮肥處于F2水平下，灌水處于W2～W3時，利于玉米葉片的生長。表2

2.2 水氮組合對玉米干物質積累動態變化影響

研究表明，玉米干物質積累隨生育期推進而增加，隨灌水量和施肥量的增加整體呈增大的趨勢，但在W1F2處理下干物質積累量為所有處理中最小值168.37 g/株。水分虧缺時過量施氮會抑制玉米干物質的累積。W3F2處理下的干物質積累量和積累速率（CGR）都達到最大為276.13 g/株和3.84 g/d且與其他處理差異顯著（P＜0.05）。表3

F0時W2比W1處理增大15.83%，W3比W2處理增大15.96%；F1時W2處理比W1處理增大36.55%，W3比W2處理只增大6%；F2時W2比W1處理增大55.62%，W3比W2處理只增大12.72%。施肥量增加可以促進灌水量對干物質積累的促進作用，同時過量灌水則會降低促進作用，灌水和施氮對玉米干物質積累表現出明顯耦合作用，適宜的灌水和施氮量利于玉米干物質的積累。W2F2處理下CGR隨灌水量增加的增長率達到最大值為55.62%，其次為W2F1處理為36.55%。圖2

2.3 水氮對玉米產量變化的影響

研究表明，玉米產量隨灌水量和施氮量的增加而增大。在W3F2處理下獲得最大產量為12 090.93 kg/hm2，其次為W3F1處理為12 056.52 kg/hm2，2個處理之間差異不顯著且與其他處理差異顯著（P＜0.05），水氮耦合對玉米產量增長促進效果明顯，過量施氮并不能持續高效增加產量。圖3

F0時，W2較W1處理增產15.31%，W3較W2處理增產8.22%；F1時，W2較W1處理增產24.35%，W3較W2處理增產11.04%；F2時，W2較W1處理增產23.43%，W3較W2增產8.93%。灌水量增加可以使玉米獲得增產，但增產效率隨灌水量增加而降低，適量增加施氮量可以促進灌水的增產效益，過量則效果不明顯。

W1時，F1較F0處理增產5.17%，F2較F1處理只增產2.99%；W2時，F1較F0處理增產13.41%，F2較F1處理只增產2.23%；W3時，F1較F0處理增產16.37%，F2較F1處理僅增產0.29%。適當增加施氮量可以增加產量，過量施氮對玉米增產效果不明顯，灌水和施肥表現出明顯的耦合效應，適宜的水肥配施可以達到高效高產。

產量（z）與和灌水量（x）以及施氮量（y）之間關系的雙因素回歸模擬得到回歸模型：z=-0.045x2-0.01y2+46.86x-0.676y+0.019xy-1 785.595，相關系數R2=0.971 1，擬合程度較好，其中的二次項系數為負值，產量隨著灌水量和施氮量的增大呈拋物線變化的趨勢，當灌水量為642 mm，施氮量為576 kg/hm2時，產量達到最大值為12 875.343 kg/hm2。與W3F2處理獲得的產量比較只增加了8.1%，而灌水量和施氮量分別增加了28.4%和67.8%，不符合節水節肥高效增產的要求。圖4

2.4 不同處理對玉米水氮利用效率的影響

研究表明，玉米水分利用效率WUE隨灌水量的增加而減小，在W1F1和W2F1處理下均達到所有處理中最大值為3.89 kg/m3且與其他處理差異顯著（P＜0.05）。F0時，W2和W3處理較W1處理分別降低3.98%和14.84%；F1時，W3較W1處理15.38%，F2時，W2和W3處理較W1處理分別降低2.97%和9.58%。增加施氮量可以緩解由于灌水量增加所引起的WUE降低，灌水量過多則失去作用。

氮肥偏生產力PFPN和氮肥農學利用效率ANUE隨灌水量的增加而增加，隨施氮量的增加而降低。PFPN在W3F1處理下達到最大值分別為49.18 kg/kg，ANUE在W3F1處理下達到最大值為6.92 kg/kg。F1時，PFPN和ANUE分別表現為W3和W2處理較W1處理分別高24.35%、38.08%（PFPN）和199.21%、295.24% （ANUE）；F2時，PFPN和ANUE分別表現為W3和W2處理較W1處理分別高23.43%、34.45%和121.11%和150.71%。表4

2.5 模糊綜合評判模型求解適宜水氮配施方案

研究表明，將株高、LAI、干物質積累量、CGR變化率、產量、增產率、WUE、PFPN和ANUE共9個指標作為第一層評判指標。將實測數據歸一化處理，根據灌水量不同分為3組模糊集R1、R2、R3。表5

確定9個指標（A1～A9）的權重。根據各指標之間的重要程度給出判斷矩陣。權重為D1=（0.024，0.024，0.089，0.092，0.159，0.178，0.202，0.094，0.136），判斷矩陣的最大特征根為9.855，C.I.=0.107，R.I.=1.45，C.R.=C.I./R.I.=0.074＜0.1，所以判斷矩陣A具有一致性。表6

權重D1分別與性狀矩陣R1、R2、R3相乘，得到綜合評價矩陣S1、S2、S3，S1=（0.164，0.288，0.278）；S2=（0.213，0.402，0.385）；S3=（0.249，0.391，0.360）。在W1、W2、W3處理下，F1的評價最高，F2的評價次之，F0評價最低，因此選擇F1作為玉米施氮方案最合適。

權重為D2=（0.260，0.633，0.106）， 判斷矩陣的最大特征根為3.039，C.R.=0.033 4＜0.1，具有滿意一致性。表7

權重D2與施氮量綜合評判集R=（S1T、S2T、S3T）相乘得到綜合評判矩陣S=（0.255，0.351，0.350）。灌水量為W2的評價最高，W3的評價次之，W1的評價最低。W2F1處理最適合玉米高效高產。

3 討 論

3.1

氮肥在農業生產中具有重要作用［15-17］。提高節水灌溉的技術，是保證農業用水、節約灌溉總量、保證作物生長的有效措施 ［18］。施用有機氮可以明顯促進地上部干物質量的增加，延緩葉片衰老，促進生育后期物質積累［19］。徐泰森等［20］研究認為，當氮肥用量超過一定范圍對玉米的生長會產生抑制作用，研究結果與其存在一定差異，玉米株高隨灌水量和施氮量的增加而增大，W3F2處理下株高達到所有處理中的最大值為275 cm，是因為水氮的梯度設置有關。呂剛等［21］研究發現，水分脅迫越嚴重對玉米LAI的影響越大，研究結果與其一致，玉米葉面積指數隨灌水量的增加而增加，除吐絲期以外其他時期W3F2處理下LAI均達到所有處理中最大值。

3.2

馮亞陽等［22］研究發現，干物質變化總趨勢為隨水氮投入量的增加而增大，水氮增加到一定程度后，干物質累積增長效率降低，水氮對干物質的影響符合報酬遞減的一般規律，試驗與其結果一致，W2F2處理CGR變化率達到最大值為55.62%，W2F1處理次之為36.55%，高于W3F2處理。王旭敏等［23］通過減水減肥灌溉水肥設置試驗得出，干物質最大增長速率隨施氮量的增加呈先升高后降低趨勢，試驗研究與其結果不同，W3F2處理干物質積累量、CGR達到最大值分別為276.13 g/株、3.84 g/d，當地復播玉米施氮上限還未達到。

3.3

王雯等［24］研究發現，適宜的水氮配施方案可以顯著提高玉米產量，過量則會對玉米產量的增長效率產生抑制效果，研究結果與其試驗結果一致，產量隨灌水量和施氮量的增加均表現為增產，隨施氮量的增加，增產率在5.17%～16.71%；隨灌水量的增加，增產率在15.31%～37.35%，灌水和施肥對產量的增長均有促進作用。W2F1處理下產量隨施氮增加產量增加13.41%，F2相較F1處理僅增加了2.23%，增產效率明顯下降；隨灌水的增加增產24.35%，W3相較W2處理僅增產了11.04%，增產效率也明顯下降。惠曉麗等［25］研究發現，干旱地區冬小麥與施氮量之間表現為極顯著的二次曲線趨勢，研究結果與其結論一致，建立灌水、施肥對產量影響的二元二次回歸模型，并預測出最大產量為12 875.343 kg/hm2，對應灌水量為642 mm，施肥量為576 kg/hm2，該方案不利于新疆南疆復播玉米實現高效高產。劉凡等［26］研究發現，玉米WUE隨滴灌量的增加而降低，研究結果與其一致，WUE隨灌水量的增加而降低，W1F1和W2F1處理下的WUE達到所有處理中最大值為3.89 kg/m3，W2F1處理下WUE隨施氮的增長率也達到最大值為6.59%；張建軍等［27］研究發現，任何種類氮肥，過高施用量均不利于PFPN和ANUE的提高，研究結果與其結論一致，W3F1處理下PFPN和ANUE都達到所有處理中最大值分別為49.18、6.92 kg/kg，W2F1僅次于W3F1處理分別為44.28、5.24 kg/kg且差異不明顯，兩者均高于F2情況下的PFPN和ANUE值，增加灌水量可以緩解施氮量增加導致的PFPN和ANUE下降，合理的水氮配施可以促進玉米對水氮的利用。徐劍等［28］研究發現，模糊綜合評價模型可以為大田作物制定適宜的灌溉制度，試驗結果與其結論一致。

4 結 論

4.1

株高和葉面積指數在W3F2處理下取得最大值，干物質積累量和CGR在W3F2處理下達到最大值且與其他處理差異顯著，但CGR隨灌水量增加的變化率在W3F1處理下為最大值；產量在W3F2處理下達到最大值，W3F1處理次之且差異不顯著；PFPN和ANUE都在W3F1處理下獲得最大值。

4.2 水氮配施對玉米不同指標以及指標變化的影響不同，W2F1處理下的株高為262.67 cm與株高最大值差異不顯著；葉面積指數峰值為5.17，在所有處理中排第三；干物質積累量以及CGR雖未達到最大值但CGR的變化率僅次于W3F1處理達到36.55%；產量為10 857.51 kg/hm2雖未達到最大值，但增產率達到所有處理中的最大值為24.35%；WUE達到所有處理中的最大值為3.89 kg/m3，PFPN和ANUE僅次于W3F1處理分別為44.28、5.24 kg/kg。W2F1處理下各指標及變化率都能得到各個處理中的較高值，且滿足高效高產的要求。

4.3 基于AHP的模糊綜合評價模型評價結果為S1=（0.164，0.288，0.278）；S2=（0.213，0.402，0.385）；S3=（0.249，0.391，0.360）；S=（0.255，0.351，0.350），選用W2F1（灌水量400 mm，施氮量250 kg/hm2）作為當地玉米的灌溉施氮制度。

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