不同水肥管理模式下糯玉米水氮利用及熵权TOPSIS综合评价

李若帆，马娟娟，孙西欢,2，郭向红，段 勇，任 青

(1.太原理工大学，山西 太原 030024；2.晋中学院,山西 晋中 030600)

作物水肥利用效率受到作物种类和品种、气候、土壤、水肥管理技术等多种因素的影响，而这些因素之间又相互关联，共同影响着作物产量和水肥吸收利用，进而驱动着作物水肥生产力的形成[1-2]，其中水肥管理最为重要。研究表明[3-6]，水氮配合可以提高玉米水分利用率70%左右，营养生长阶段轻度亏水叶面积和干物质积累量未显著降低，拔节期至成熟期轻度亏水玉米单株生物量降低1.78%，籽粒产量降低3.9%，提高水分利用率13.6%；施氮显著增加玉米产量和水分利用率，缩短开花至吐丝期。相同的施肥总量在不同生育期的分配不同会造成产量的显著差异，一次性施肥容易导致玉米生育前期养分供应过剩、挥发淋溶等，后期出现脱氮现象，尤其是肥料种类及用量等因素直接影响玉米整个生育期养分的供应情况[7]。

水分是影响我国半干旱地区糯玉米产量的限制因素之一，而全膜双垄沟播可以有效降低棵间蒸发占总耗水的比例(E/ET)，提高作物需水与土壤供水的时空吻合度[8-11]，集C4作物高效用水、沟垄微集水、蓄水以及地膜覆盖抑蒸、增温、保墒等多项技术的优势于同一模式，显著提高耕地生产力和水分利用效率[12-14]，在北方旱作区得以大面积推广。目前，针对全膜双垄沟播模式下土壤水盐分布[15]、土壤温度变化[16]、玉米根系[17]、生长[18]、水分利用率[19]等方面已有大量研究。在水肥管理模式上，前人研究多集中在不同灌水量及施肥量间耦合作用对糯玉米的生理影响，而对灌溉制度和施肥制度统筹考虑较少；康绍忠[20]提出，发展高品质农业是提高农业竞争力的必然选择，提出了节水调质高效灌溉的决策方法，而目前研究多基于高产，对品质研究较少，考虑糯玉米品质进行综合评价鲜见报道。因此，本研究在山西省晋中地区进行全膜双垄沟播种植模式下的水肥试验，定量分析不同氮、钾肥施用时期与灌水时期及灌水量耦合下糯玉米生育期内株高、叶面积指数的动态变化，对其产量、品质和水氮利用效率进行分析，并运用熵权TOPSIS模型进行综合评价，探索综合效果最优的水肥方案，起到以水促肥、以肥调水、水肥调质、高产高效的作用，旨在为北方半干旱地区糯玉米农田水肥优化管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2019年5—8月在山西省晋中市榆次区东阳试验示范基地(37°32′44.28″N，112°37′26.78″E)进行，该基地属于典型的温带大陆性季风气候，试验地年平均气温9.3℃，年均降水量430 mm，年平均蒸发量1 700 mm,无霜期154 d。土壤类型为潮土，表层土壤质地为中壤土，pH值8.55，土壤全氮0.78 g·kg-1，有机质10.35 g·kg-1，碱解氮52 mg·kg-1，速效磷49.12 mg·kg-1，速效钾251.29 mg·kg-1，田间持水量23.11%(质量含水量)，土壤容重1.2 g·cm-3。

1.2 供试材料

糯玉米品种为晋糯41号,试验肥料为尿素(N 46.4%)、过磷酸钙(P2O516%)、硫酸钾(K2O 51%);试验用地膜由白山市喜丰塑业有限公司生产，膜宽140 cm。

1.3 试验方案

试验小区种植方式为全膜双垄沟播宽窄行种植(小垄宽40 cm、垄高15 cm，大垄宽70 cm、垄高10 cm)，大小垄相接处形成播种沟，用塑料地膜全地面覆盖，每2～3 m横压一条土腰带，点播机破膜点播，种植密度60 000株·hm-2，2019年5月19日播种，8月8日采收，全生育期82 d。试验设灌水方式和施肥方式两因素，具体见表1。灌水时间与灌水次数设2个水平，I1即在播种期、拔节后期-孕穗期分别控制土壤含水率在适宜含水率水平，其余生育期不灌溉，以糯玉米全生育期正常灌水I0作对照。施肥方式设3个水平。试验共6个处理，分别记为F0I0、F0I1、F1I0、F1I1、F2I0、F2I1。采用随机区组设计，小区为6行区，行长6 m，每处理4次重复，另设不施氮肥小区作空白，其他处理和试验小区一致。施肥量根据土壤的基础肥力情况及当地经验水平确定，施氮量为180 kg·hm-2，N、P、K三要素的比例约为3∶1∶2，各处理的施肥总量相同，其中P肥全部基施，N、K肥采用基施+追施的方法。灌水量根据土壤含水率监测值与土壤适宜含水率进行计算确定，小区土壤含水率每7 d监测1次至生育期结束。

2019年玉米生育期内降雨情况如表2所示。

1.4 测试项目及方法

1.4.1 糯玉米生育期内灌水量确定 土壤含水率采用烘干法进行测定，每小区在玉米株间及行间取3个土样，每20 cm为一层，取样深度为100 cm，计算土壤含水率(%)，并根据试验方案确定补灌量，控制含水率在试验设计范围内，补灌量(m)按照以下公式[21]进行确定：

m=10ρb×H×(βi-βj)

(1)

式中，H为该时段土壤计划湿润层的深度(苗期40 cm，拔节至成熟60 cm)，ρb为计划湿润层内土壤容重(g·cm-3)，βi为设计含水量，βj为自然含水量，即灌溉前土壤含水量。

1.4.2 糯玉米生长指标测定 每小区选取长势均匀的5株玉米，测定其各生育期株高、叶面积并作标记，利用长宽系数法推求叶面积指数[22]。

1.4.3 糯玉米品质测定 在适宜鲜食期(即以果穗花丝干枯，果穗外苞叶由绿转黄绿，籽粒在乳熟后期至蜡熟初期)取5株果穗测定粗蛋白及可溶性糖，可溶性糖的测定采用蒽酮比色法[23]，粗蛋白的测定采用凯式定氮法[24]。

1.4.4 测产及室内考种 在糯玉米收获期选择各试验处理小区连续随机20株玉米穗作为考种样本，测定其穗长、穗粗、穗行数、行粒数、突尖长、百粒鲜重、百粒干重等产量性状指标，按实收计算产量，并进行耗水量(ET)、水分利用效率(WUE)的计算。

作物耗水量(ET，mm)计算公式[25]：

ET=P+I+U-D-R-ΔW

(2)

其中，P为生育期降雨量(mm)；I为灌水量(mm)；U为地下水补给量(mm)；D为深层渗漏量(mm)；R为径流量(mm)；ΔW为试验初期和末期土壤水分变化量(mm)。试验地地势平坦，地下水埋藏大于50 m，试验设计湿润层较浅，U、R、D均可忽略不计，故将耗水量计算公式简化如下：

ET=P+I-ΔW

(3)

表1 全膜双垄沟播糯玉米灌水施肥处理

表2 2019年度糯玉米生育期降雨量/mm

水分利用效率(WUE，kg·mm-1·hm-2)计算公式[26]如下：

WUE=Y/ET

(4)

其中，Y为籽粒产量(kg·hm-2)。

灌溉水利用率(IWUE，kg·hm-2·mm-1)计算公式[27]：

IWUE=Y/I

1.4.5 植株全氮及氮素利用效率 糯玉米收获期每处理选择生长一致的植株3株，将叶、茎(除叶片和籽粒以外的植株地上部分)、籽粒3部分分开，通过H2SO4-H2O2消煮，采用半自动凯氏定氮仪测定全氮含量。计算公式[28]如下：

植株总氮素积累量=成熟期单株干重×小区植株密度×成熟期单株含氮量

(5)

各器官的氮分配比例=各器官氮吸收量/植株总氮吸收量×100%

(6)

氮肥农学效率(NAE)=(施氮区鲜穗产量-不施氮区鲜穗产量)/施氮量

(7)

氮素利用效率(NUE)=产量/植株总氮吸收量

(8)

肥料偏生产力(PFP)=产量/施肥量

(9)

1.5 数据处理

利用Excel进行数据整理并作图，SPSS进行统计分析，采用Duncan法进行差异性分析。

2 结果与分析

2.1 不同水肥处理对糯玉米生长的影响

图1为不同水肥处理下糯玉米平均株高、叶面积指数随生育期的变化。由图1可知，相同灌水水平下成熟期株高F1I0、F2I0相比F0I0分别提高4.3%、4.9%，F1I1、F2I1相比F0I1分别提高4.28%、4.83%，不同施肥水平对糯玉米株高除成熟期外差异不显著；相同施肥方式下，F0I0、F1I0、F2I0相比F0I1、F1I1、F2I1株高在苗期提高1.98%、2.50%、-0.99%，拔节期提高4.81%、4.02%、4.25%，孕穗期提高4.11%、3.41%、3.67%，成熟期提高4.63%、5.38%、3.62%。综合来看，分次施肥、增加灌水均可以有效增加拔节至成熟期糯玉米株高，主要体现在拔节期至孕穗期，几种处理对于株高的促进作用F2>F1>F0，I0>I1。

不同水肥处理下糯玉米成熟期叶面积指数表现为F1I0>F2I0>F0I0>F1I1>F2I1>F0I1。相同灌水水平下，F1I0、F2I0相比F0I0叶面积指数在苗期提高3.05%、-4.22%，拔节期提高5.88%、-7.13%，孕穗期提高3.64%、-5.96%，成熟期提高0.78%、0.83%；F1I1、F2I1相比F0I1叶面积指数在苗期提高4.54%、5.26%，拔节期提高19.47%、8.33%，孕穗期提高17.66%、7.79%，成熟期提高4.76%、4.50%。相同施肥方式下，F0I0、F1I0、F2I0相比F0I1、F1I1、F2I1叶面积指数在苗期提高-3.09%、-4.47%、-11.81%，拔节期提高32.86%、17.76%、13.90%，孕穗期提高34.49%、18.47%、17.34%，成熟期提高5.74%、1.72%、2.02%。从试验结果来看，除F2I0外，分次施肥、增加灌水均可以有效增加拔节至成熟期糯玉米叶面积指数，分次施肥对于糯玉米叶面积指数的促进作用在减少灌水时更加显著，这与各生育期土壤水肥耦合作用有关。

图1 不同水肥处理下糯玉米株高、叶面积指数随生育期变化曲线Fig.1 Changes of plant height and leaf area index of waxy corn with growth period underdifferent water and fertilizer treatments

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

式中,a为一定环境条件下玉米单株生长量的上限，K为环境最大生物积累量容纳值，b、k为待定系数。

分析可知F0I0、F0I1、F1I0、F1I1、F2I0、F2I1株高渐增期分别为0～31.4、0～31.4、0～31.7、0～31.6、0～31.9、0～31.7 d。不同施肥方式及苗期～拔节前期灌水对糯玉米株高作用不明显，F0I0、F0I1、F1I0、F1I1、F2I0、F2I1株高快增期分别为31.4～50.4、31.4～50.4、31.7～51.6、31.6～51.1、31.9～50.6、31.7～50.8 d，快增期平均速度分别为6.567、6.281、6.574、6.359、6.890、6.531 cm·d-1。相同施肥水平下不同灌水水平间相差3.38%～5.50%，相同灌水水平下不同施肥水平间F0I0、F2I0相比F1I0可缩短生育进程1～1.2 d，F0I1、F2I1相比F1I1可缩短生育进程0.3～0.7 d。

F0I0、F0I1、F1I0、F1I1、F2I0、F2I1叶面积指数渐增期分别为0～41.8、0～45.2、0～41.3、0～43.4、0～42.9、0～44.6 d。分析可知相同施肥水平下I0水平相比I1水平可以缩短糯玉米生育进程1.7～3.4 d，相同灌水水平下不同施肥水平叶面积指数F1渐增期最短，生育进程最快，F0I0、F0I1、F1I0、F1I1、F2I0、F2I1叶面积指数快增期分别为41.8～62.5、45.2～64.1、41.3～62.3、43.4～63.9、42.9～63.1、44.6～64.3 d，快增期平均速度分别为0.156、0.161、0.154、0.156 、0.160、0.161d-1。相同施肥模式下I0处理相比I1处理可以缩短糯玉米生育进程0.6～1.6 d，相同灌水条件下不同施肥方式间生育进程相差不大，快增期平均速度几组处理间差异不明显。

2.2 不同水肥处理对糯玉米产量及品质的影响

表4为不同水肥处理对糯玉米产量及品质的影响，不同水肥处理下糯玉米穗粒数、秃尖无显著差异。相同灌水水平下，I0组F1、F2相比F0增加穗长5.08%、5.92%，增加穗粗11.41%、5.83%，增加鲜穗产量0.78%、0.63%，增加可溶性糖47.37%、36.95%，其中穗长、可溶性糖达显著性差异，鲜穗产量、粗蛋白无显著性差异；I1组F1相比F0、F2可显著增加百粒干重、鲜穗产量、粗蛋白，F0I1显著增加可溶性糖；相同施肥方式下F0I0相比F0I1增加百粒干重10%，增加鲜穗产量13.57%，F1I0相比F1I1增加百粒干重2.90%，增加鲜穗产量5.54%，F2I0相比F2I1增加百粒干重2.96%，增加鲜穗产量8.59%，三组鲜穗产量组间差异显著，且灌水对一次性基施的作用更大。综合来看，灌水与施肥方式共同影响糯玉米的可溶性糖含量，不同水肥处理成熟期籽粒粗蛋白含量F0I1显著低于其余处理(P<0.05)，除F0组外，相同施肥方式不同灌水组合对糯玉米籽粒粗蛋白作用组内差异不显著，说明氮、钾肥分次施肥由于各生育期根区土壤水肥耦合作用灌水对粗蛋白影响较小，而全部基施增加灌水可增加糯玉米籽粒粗蛋白含量。

表3 不同水肥处理糯玉米株高、叶面积变化的生长动态方程参数及相关拐点

2.3 不同水肥处理对糯玉米耗水量及水分利用效率的影响

从表5可以看出，I1相比I0可显著减少灌溉水量，相同灌水水平下氮、钾肥分次施入可显著减少土壤储水量变化，有利于涵蓄土壤水源，就耗水量而言，氮、钾肥分次施入可显著减少糯玉米耗水量，氮钾肥追施一次耗水量最低，并在I0水平下差异显著，I1水平下F0显著高于F1、F2，F1、F2间差异不显著，水分利用效率、灌溉水利用率变化规律均为F1I1>F2I1>F2I0>F1I0>F0I1>F0I0，由此可见氮、钾肥分次施入可以显著增加作物对土壤水分的吸收效率，尤其I1水平可显著减少灌溉水量、耗水量，提高水分利用效率及灌溉水利用率。

对鲜穗产量与各时期叶面积和株高进行相关分析，得出相关系数见表6，糯玉米鲜穗产量与拔节中后期至收获期叶面积指数显著正相关，鲜穗产量与拔节中后至开花期株高显著正相关，由此可见拔节中后期至成熟期糯玉米对根区土壤水肥需求较敏感，保证该时期土壤水肥供应有利于提高叶面积指数，提高鲜穗产量。

2.4 不同水肥处理对糯玉米氮素积累及氮素利用率的影响

表7为不同水肥处理下糯玉米氮素积累及利用情况，相同灌水水平下I0组F0、F1成熟期氮积累总量显著高于F2，而相同灌水水平籽粒氮素分配率不同施肥方式间差异不显著，由此可见苗期、拔节期较高的氮素水平可以显著提高成熟期植株氮积累总量，主要增加叶片氮素，生育中后期施氮肥有利于氮素向籽粒转运。生育期氮、钾肥分次施入可显著提高氮肥农学效率、氮肥偏生产力，不同施肥方式氮素吸收效率差异不显著，增加灌水可显著提高糯玉米氮肥农学效率、氮肥偏生产力、氮素吸收效率，说明了水分可以促进氮素的积累吸收，水分亏缺限制氮素的吸收利用。

表4 不同水肥处理糯玉米产量及品质

表5 不同水肥处理糯玉米耗水量及水分利用率

表6 糯玉米产量与叶面积、株高相关系数

2.5 基于熵权TOPSIS模型评价水肥管理方案

构建糯玉米水肥管理方案综合评价指标体系如表8所示，通过构建评价指标值的加权标准化决策矩阵来确定决策的理想解和负理想解，然后计算被评价方案与理想解和负理想解之间的欧氏距离，从而确定被评价方案与理想方案的相对贴近程度，最后选择最贴近理想解的方案作为最优决策[30]。

建模和求解步骤如下：

(1)设参与多目标决策的方案集为M=(M1，M2，…，Mn)，指标集为D=(D1，D2，…，Dm)，方案Mi对指标Dj的值为yij，则形成决策矩阵Y=(yij)n×m。

(2)将决策矩阵进行标准化处理，得到标准化决策矩阵R=(rij)n×m。

(3)熵权计算：对于n个评价样本，m个评价指标，其第j个指标的熵定义为：

(15)

表7 不同水肥处理糯玉米氮素积累及氮素利用

表8 评价指标体系

第j个指标的熵权为：

(16)

本文评价模型各指标熵权计算得wj=(0.1581，0.2512，0.1993，0.1446，0.2467)。

(4)将标准化决策矩阵与各指标的权重相乘，得到加权的标准化决策矩阵Z=(zij)n×m。

x+=(0.156，0.251，0.199，0.145，0.247)

x-=(0，0，0，0，0)

(6)计算各个方案分别与正理想解和负理想解的欧式距离：

(17)

(18)

解得

d+=(0.361，0.361，0.202，0.217，0.207，0.320)

d-=(0.241，0.250，0.344，0.315，0.309，0.179)

(7)计算各方案与最优方案相对贴近度Si：

(19)

Si取值范围为0到1，Si最大者为优，各方案Si见图2，不同水肥处理方案贴近度Si从优到劣依次为F1I0、F2I0、F1I1、F0I1、F0I0、F2I1。在6个水肥管理方案中F1I0贴近度Si为63.0%，贴近度最大，而F1I0、F1I1、F2I0方案贴近度Si均介于59.18%～63.0%，贴近度较为接近，说明这3种水肥管理方案综合效果相差不大，而F1I1相比F1I0减少灌溉水量638 m3·hm-2，鲜穗产量减少5.54%，籽粒产量减少2.77%，水分利用效率及灌溉水利用率最高，综合分析可得F1I0方案高产高效优质综合效果最优，F1I0(即播种期(75%～85%)θf、苗期～拔节前期(65%～75%)θf、拔节后期～孕穗期(70%～80%)θf、孕穗期～开花期(70%～80%)θf，N、K肥基施30%+拔节期30%追施+大喇叭口期追施40%)为本次糯玉米试验的最优水肥管理方案，而在灌溉水源不充足，灌溉条件受限制的地区则可使用F1I1(即播种期(75%～85%)θf、拔节后期～孕穗期(75%～85%)θf、N、K肥基施30%+拔节期30%追施+大喇叭口期追施40%)。

图2 各处理贴合度(Si)Fig.2 Each processing fit (Si)

3 讨 论

在施氮条件下结合灌水可充分发挥出水氮之间的耦合效应，可提高氮肥利用率[31]，且增产效果显著[32-33]，分次追施氮肥或氮肥后移相对于传统一次性全施基肥可增加拔节后玉米叶绿素含量、光合特性[34]，提高籽粒的灌浆速率[35]，减少氮素的田间表观损失，显著提高氮肥利用率，最终提高粒重和产量[36]。

赵凡[37]对全膜双垄沟播下玉米生长势进行Richards生长方程拟合表明玉米株高及单株叶面积均呈“慢-快-慢”的S型Richards模型曲线变化，且左尾短、右尾长，与本研究结论相似，而不同水肥管理模式对不同生长势最大生长速率及出现时间有一定影响，增加灌水可增加糯玉米株高快增期平均速度3.38%～5.50%，而对叶面积指数影响不大，不同施肥方式对糯玉米生长势作用规律不明显。

方彦杰等[38]研究得出全膜双垄沟播种植模式下，玉米水分临界期集雨补灌可增加0～200 cm土壤平均贮水量，提高玉米产量及WUE；本研究中糯玉米苗期～拔节前期、拔节后期～孕穗期、孕穗期～开花期进行补灌可以增加产量，而拔节后期～孕穗期补灌一次显著减少耗水量，提高糯玉米水分利用效率及灌溉水利用率。

田建柯等[39]研究表明不同灌水量对玉米株高、叶面积和干物质量表现出相同的变化规律，均随着灌水量的增大而增大，本研究中，I0组株高、叶面积均高于I1组，与其研究结果一致；王勇等[40]和Shirazi等[41]研究表明随着灌水量增加玉米产量及其构成要素具有不同程度的增加趋势，但当灌溉定额超过一定值之后，产量并无显著提高甚至有下降的趋势；有学者研究认为，玉米的灌水量和产量的关系呈抛物线变化趋势[42-43]。本研究中I0相比I1可增加穗长、穗粗、鲜穗产量及可溶性糖含量，试验方案设计为非充分灌溉并未达到灌溉水量的阈值，故本试验中产量及其构成随灌水量增加有不同程度的增加。张国强[44]研究表明将灌溉量适当降低10%或20%时，产量无明显降低趋势，并且具有较高的水分利用效率，可以节约灌水540～1 680 m3·hm-2，与本研究结果一致。本研究表明灌水量也受施肥方式的影响，F2施肥水平下灌水量、耗水量最小，在F1施肥水平下，F1I1相比F1I0减少灌溉水量638 m3·hm-2，鲜穗产量减少5.54%，籽粒产量减少2.77%，水分利用效率及灌溉水利用率最高。

郭丙玉[45]研究表明从抽雄吐丝期至籽粒形成期是滴灌玉米干物质积累与氮素吸收最快时期；苟志文等[46]研究表明在总施氮量为450 kg·hm-2的水平下，玉米拔节期追施45 kg·hm-2、大喇叭口期追施180 kg·hm-2、花后10 d追施135 kg·hm-2氮肥，可有效提高地膜覆盖玉米的氮素供需吻合度，增加玉米生育后期氮素积累量，提高产量、氮素收获指数和氮肥利用率，这与本研究得出的最优方案氮、钾肥生育期追施方案一致。

4 结 论

1)分次施肥、增加灌水均可以有效增加拔节至成熟期糯玉米株高及叶面积指数，最大速率均发生在拔节期，集中在拔节中后期，并在一定程度上缩短糯玉米生育进程，对于成熟期株高促进作用F2>F1>F0，I0>I1，F1、F2相比F0增加4.29%、2.86%，叶面积指数的促进作用F1>F2>F0，I0>I1，I1水平促进作用更显著，F1、F2相比F0平均增加11.61%、6.47%，这与气候因素、拔节至孕穗期水肥耦合作用有关。

2)I0水平F1、F2相比F0增加鲜穗产量0.78%、0.63%，提高水分利用效率6.41%、8.42%，提高灌溉水利用效率1.94%、7.69%，提高氮肥农学效率14.29%、12.77%；I1组F1、F2相比F0增加鲜穗产量8.45%、5.25%，提高水分利用效率21.34%、11.15%，提高灌溉水利用率21.88%、13.55%，提高氮肥农学效率19.80%、10.02%，F1、F2施肥方式优于F0。

3)不同施肥水平F0、F1、F2在I0水平相比I1水平可增加鲜穗产量13.57%、5.54%、8.59%，I1水平相比I0水平可减少灌水量29.55%、37.02%、25.20%，减少土壤耗水量20.82%、22.01%、13.44%，增加灌溉水利用效率11.50%、33.31%、17.57%，增加水分利用效率4.09%、18.69%、6.51%。F1施肥水平产量对水分亏缺有较好的适应性，I0水平有利于增产，而I1利用率更高。

4)不同水肥管理方案的熵权TOPSIS模型评价F1I0(即播种期(75%～85%)θf、苗期～拔节前期(65%～75%)θf、拔节后期～孕穗期(70%～80%)θf、孕穗期～开花期(70%～80%)θf，N、K肥基施30%+拔节期30%追施+大喇叭口期追施40%)贴近度最高，为本次试验最优水肥管理方案，灌溉水源不充足，灌溉条件受限制的地区则可使用F1I1(即播种期(75%～85%)θf、拔节后期～孕穗期(75%～85%)θf、N、K肥基施30%+拔节期30%追施+大喇叭口期追施40%)替代。