摘 要：【目的】基于层次分析法及模糊综合评价模型在验证大田作物水氮优选方案的实用性，为制定新疆南疆玉米高效高产种植水氮配施方案提供参考。
【方法】设置3个灌水梯度，分别为300 mm（W1）、400 mm（W2）、500 mm（W3）；3个施氮梯度，分别为0 kg/hm2（F0）、250 kg/hm2（F1）、350 kg/hm2（F2），共9个处理（W1F0、W1F1、W1F2、W2F0、W2F1、W2F2、W3F0、W3F1、W3F2），每个处理3次重复，测定并分析滴灌条件下不同水氮配施对玉米株高、叶面积指数、干物质积累、产量以及水氮利用效率的影响，结合常规分析与模糊综合评价法寻求最优水氮配施方案并验证模型。
【结果】适宜灌水量和施氮量下，水氮之间表现出显著交互作用，可以提高玉米的株高、叶面积指数、干物质积累量、积累速率和产量，棉花产量随施氮量和灌水量的增加呈抛物线变化，增产效率降低，适当的灌水量和施氮量可以获得较高的增产效率和水氮利用效率，在W2F1处理下，株高、叶面积指数、干物质积累量等达到最大值，产量增长率和水分利用率均达到最大值，分别为24.35%、3.89 kg/m3，氮肥利用效率仅次于W3F1。
【结论】新疆阿克苏地区玉米适宜的灌水量和施氮量为400 mm和250 kg/hm2（W2F1）。
关键词：复播玉米；滴灌；水氮配施；模糊综合评价；产量；水氮利用率
中图分类号：S512 文献标志码：A 文章编号：1001-4330（2024）04-0835-10
0 引 言
【研究意义】玉米是牲畜饲料来源之一［1］。新疆玉米种植面积从1978年的62.14×104 hm2增加至2019年的99.72×104 hm2，种植面积仅次于小麦和棉花［2］。玉米生产中栽培不规范将导致产量降低［3］。实现玉米高效高产，适宜的水氮配施是关键。新疆水资源较缺乏［4］，氮肥利用率尚不够高［5］。施肥不当会导致土壤肥料有效利用率低［6-7］。筛选水氮配施优化方案，制定合理的灌溉施氮制度，有利于提高农田水肥利用效率［8］。因此，必须寻求适宜水氮配施量使农作物达到高效高产。【前人研究进展】连彩云等［9］研究认为，在一定灌溉定额范围内，产量和水分利用效率随施氮量的增加而提高，而当灌溉定额过高，水分利用效率则随施氮量增加呈先增后减的趋势。Gheysari等［10］试验认为，增加灌水量和施氮量可以提高玉米干物质积累量。吴婕等［11］研究发现，不同灌水量将影响玉米营养生长周期，较低的灌水量将缩短玉米营养生长周期，抑制玉米干物质积累。王士杰等［12］通过建立三元二次回归模型，发现玉米产量随灌水量、施氮量以及施钾量各因素呈先增加后降低的趋势，灌水的影响程度大于施氮和施钾。有研究对水稻和玉米进行模糊评判，得到适宜当地作物的最佳灌溉方案［13-14］。【本研究切入点】以往研究多局限于对作物产量、干物质累积量等单一指标的水氮耦合方案，针对玉米生长发育指标及变化对比的研究文献相对较少。需研究结合玉米株高、叶面积指数、干物质积累量、干物质积累速率、产量、增产率以及水氮利用效率的综合指标变化，建立产量（z）与灌水量（x）和施氮量（y）的二元二次水氮耦合回归模型。【拟解决的关键问题】以新玉9号为供试玉米品种，分析不同水氮组合下玉米各生长生理指标的变化，运用模糊综合评价模型，分析新疆南疆干旱地区玉米高效高产水氮方案，通过对比验证优选大田方案。
1 材料与方法
1.1 材 料
试验在新疆阿克苏地区新疆农业大学特色林果实验基地内（79°03′～82°07′E，40°15′～42°31 N）进行。该地区为典型的温带沙漠气候，日照时间较长，年日照时长在2 800～3 831 h；昼夜温差较大，极端最高温度40.9℃，最低温度-27.4℃，年平均温度11.2℃，年平均湿度为56%。年平均降水量63 mm。试验区域地形平坦，土壤地质为壤土，地下水埋藏深度6 m以上。供试玉米品种为新玉9号，株距25 cm，采用宽窄行不等间距种植（30+40+30+60）cm，6月12日播种，9月25日收获。表1
1.2 方 法
1.2.1 试验设计
采用裂区设计，测坑长×宽×高为3 m×2.2 m×2 m。灌水量为主区，施氮量为副区。灌水方式采用膜下滴灌，滴头流量为1.8 L/h。种植模式采用1膜4行。玉米播种前进行1次漫灌（60 m3/667m2）以确保出苗。设置3个灌水梯度分别为低水300 mm（W1）、400 mm（W2）、500 mm（W3）；3个施氮梯度分别为0 kg/hm2（F0）、250 kg/hm2（F1）、350 kg/hm2（F2），共9个处理（W1F0、W1F1、W1F2、W2F0、W2F1、W2F2、W3F0、W3F1、W3F2）、各小区均施20 kg/667m2磷酸二铵（N2PO4）作为底氮，于玉米小喇叭口期采用水氮一体化滴灌系统追施氮肥。
1.2.2 测定指标
1.2.2.1 气象数据
在试验场地设置一套自动气象站，对风速、温度、湿度、降雨等进行观测。布置20 cm蒸发皿，测量蒸发量。每天观测蒸发量。
1.2.2.2 土壤含水率
从第1次灌水开始，六叶期，十二叶期，吐丝期，灌浆期和成熟期取样时，分别利用TRIME—IPH土壤剖面含水量测量系统测定TRIME管1 m含水量，除此以外，灌水后每2 d 1次，每次测定土层60 cm含水量。
1.2.2.3 玉米耗水量
ET=ΔW+P+I+G-R-F.
式中，ET为作物耗水量，△W为土壤储水量之差（mm）；P为有效降雨量（mm）；I为灌水量（mm）；G为地下水对作物的补给水量（mm）；R为地表径流量（mm），试验地无地下水补给，且无地表径流产生；F为根区深层渗漏量（mm），降水或灌溉补给作物根系区土壤水分达到田间持水量后多余水分（灌水前100 cm土层内有效土壤含水率和灌水量之和减去田间持水量）。
1.2.2.4 生长及光合指标
株高：玉米各个生育期用直尺测量株高，每个处理取10株测量后取平均值。
叶面积指数：每个处理选生长一致的玉米10株，测量绿叶叶面积。叶面积=长×宽×0.75，LAI=单株叶面积×单位土地面积内株数/单位土地面积。
干物质：各个处理按照玉米5个生育期：六叶期（7月17日）、十二叶期（7月30日）、吐丝期（8月10日）、灌浆期（9月3日）、成熟期（9月23日）分别采样，每个小区取样10株，所采样本按茎、叶、穗分类，在设定温度为105℃的烘箱中进行杀青15～30 min，在设定温度80℃下烘干12 h，直到恒定质量，用电子天平称质量。
干物质积累速率：
CGR=（K2-K1）/（T2-T1）.
式中，CGR为干物质积累速率，T1和T2分别为先后2次测定时间，K1和K2分别为T1和T2先后2次所测得干物质量。
产量：玉米成熟后每个侧坑选择1 m2收获、晾干后测产，再换算成公顷产量。
水分利用效率：WUE=Y/H.
式中，WUE为水分利用效率，Y为玉米产量，H为玉米全生育期耗水量。
氮肥偏生产力：PFPN=Y/N.
式中，PFPN为氮肥偏生产力，指作物单位氮肥用量得到的产量；N为氮肥用量。
氮肥农学效率：ANUE=（Yn－Y0）/Nn.
式中，ANUE为氮肥农学效率，指单位施氮量所能提高作物的产量；Yn为施氮区作物产量，Y0为不是氮区作物产量，Nn为施氮量。
1.2.2.5 模糊综合评价
用层次分析法（AHP）确定影响因子的权重。
隶属度：
计算综合评判矩阵S，评判结果采用最大隶属度原则，将Sn排序，确定优劣。
1.3 数据处理
运用Microsoft Excel 2016软件处理试验数据及制作表格，用Origin 2019制作图，用SPSS 20.0软件进行方差分析。
2 结果与分析
2.1 水氮组合对复播玉米株高、叶面积指数的影响
研究表明，玉米株高随灌水量和施氮量的增加而增加，但W1F2处理下株高为所有处理中的最低值242.18 cm，水分亏缺时过量施用氮肥会抑制玉米的生长。W3F2处理下玉米株高达到最大值为275 cm，适宜水氮组合对玉米株高的增长表现出促进作用。W2F1、W2F2以及W3F1处理株高低于W3F2处理但差异不显著（P＜0.05），过量灌水和施氮会降低耦合效应对玉米株高增长的促进效果。图1
玉米生长各个时期，LAI分别随灌水量和施氮量的增加而增大，合理水氮组合会促进玉米叶片的生长；但W1F2处理下LAI均为各个时期的最低值，水分亏缺下过量施氮会抑制玉米叶片的生长。吐丝期时W2F2处理下LAI达到最大值为4.35且其他时期均只低于W3F2处理，其余生育期W3F2处理下LAI达到最大分别为2.01、3.28、4.18、5.48，氮肥处于F2水平下，灌水处于W2～W3时，利于玉米叶片的生长。表2
2.2 水氮组合对玉米干物质积累动态变化影响
研究表明，玉米干物质积累随生育期推进而增加，随灌水量和施肥量的增加整体呈增大的趋势，但在W1F2处理下干物质积累量为所有处理中最小值168.37 g/株。水分亏缺时过量施氮会抑制玉米干物质的累积。W3F2处理下的干物质积累量和积累速率（CGR）都达到最大为276.13 g/株和3.84 g/d且与其他处理差异显著（P＜0.05）。表3
F0时W2比W1处理增大15.83%，W3比W2处理增大15.96%；F1时W2处理比W1处理增大36.55%，W3比W2处理只增大6%；F2时W2比W1处理增大55.62%，W3比W2处理只增大12.72%。施肥量增加可以促进灌水量对干物质积累的促进作用，同时过量灌水则会降低促进作用，灌水和施氮对玉米干物质积累表现出明显耦合作用，适宜的灌水和施氮量利于玉米干物质的积累。W2F2处理下CGR随灌水量增加的增长率达到最大值为55.62%，其次为W2F1处理为36.55%。图2
2.3 水氮对玉米产量变化的影响
研究表明，玉米产量随灌水量和施氮量的增加而增大。在W3F2处理下获得最大产量为12 090.93 kg/hm2，其次为W3F1处理为12 056.52 kg/hm2，2个处理之间差异不显著且与其他处理差异显著（P＜0.05），水氮耦合对玉米产量增长促进效果明显，过量施氮并不能持续高效增加产量。图3
F0时，W2较W1处理增产15.31%，W3较W2处理增产8.22%；F1时，W2较W1处理增产24.35%，W3较W2处理增产11.04%；F2时，W2较W1处理增产23.43%，W3较W2增产8.93%。灌水量增加可以使玉米获得增产，但增产效率随灌水量增加而降低，适量增加施氮量可以促进灌水的增产效益，过量则效果不明显。
W1时，F1较F0处理增产5.17%，F2较F1处理只增产2.99%；W2时，F1较F0处理增产13.41%，F2较F1处理只增产2.23%；W3时，F1较F0处理增产16.37%，F2较F1处理仅增产0.29%。适当增加施氮量可以增加产量，过量施氮对玉米增产效果不明显，灌水和施肥表现出明显的耦合效应，适宜的水肥配施可以达到高效高产。
产量（z）与和灌水量（x）以及施氮量（y）之间关系的双因素回归模拟得到回归模型：z=-0.045x2-0.01y2+46.86x-0.676y+0.019xy-1 785.595，相关系数R2=0.971 1，拟合程度较好，其中的二次项系数为负值，产量随着灌水量和施氮量的增大呈抛物线变化的趋势，当灌水量为642 mm，施氮量为576 kg/hm2时，产量达到最大值为12 875.343 kg/hm2。与W3F2处理获得的产量比较只增加了8.1%，而灌水量和施氮量分别增加了28.4%和67.8%，不符合节水节肥高效增产的要求。图4
2.4 不同处理对玉米水氮利用效率的影响
研究表明，玉米水分利用效率WUE随灌水量的增加而减小，在W1F1和W2F1处理下均达到所有处理中最大值为3.89 kg/m3且与其他处理差异显著（P＜0.05）。F0时，W2和W3处理较W1处理分别降低3.98%和14.84%；F1时，W3较W1处理15.38%，F2时，W2和W3处理较W1处理分别降低2.97%和9.58%。增加施氮量可以缓解由于灌水量增加所引起的WUE降低，灌水量过多则失去作用。
氮肥偏生产力PFPN和氮肥农学利用效率ANUE随灌水量的增加而增加，随施氮量的增加而降低。PFPN在W3F1处理下达到最大值分别为49.18 kg/kg，ANUE在W3F1处理下达到最大值为6.92 kg/kg。F1时，PFPN和ANUE分别表现为W3和W2处理较W1处理分别高24.35%、38.08%（PFPN）和199.21%、295.24% （ANUE）；F2时，PFPN和ANUE分别表现为W3和W2处理较W1处理分别高23.43%、34.45%和121.11%和150.71%。表4
2.5 模糊综合评判模型求解适宜水氮配施方案
研究表明，将株高、LAI、干物质积累量、CGR变化率、产量、增产率、WUE、PFPN和ANUE共9个指标作为第一层评判指标。将实测数据归一化处理，根据灌水量不同分为3组模糊集R1、R2、R3。表5
确定9个指标（A1～A9）的权重。根据各指标之间的重要程度给出判断矩阵。权重为D1=（0.024，0.024，0.089，0.092，0.159，0.178，0.202，0.094，0.136），判断矩阵的最大特征根为9.855，C.I.=0.107，R.I.=1.45，C.R.=C.I./R.I.=0.074＜0.1，所以判断矩阵A具有一致性。表6
权重D1分别与性状矩阵R1、R2、R3相乘，得到综合评价矩阵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处理下，F1的评价最高，F2的评价次之，F0评价最低，因此选择F1作为玉米施氮方案最合适。
权重为D2=（0.260，0.633，0.106）， 判断矩阵的最大特征根为3.039，C.R.=0.033 4＜0.1，具有满意一致性。表7
权重D2与施氮量综合评判集R=（S1T、S2T、S3T）相乘得到综合评判矩阵S=（0.255，0.351，0.350）。灌水量为W2的评价最高，W3的评价次之，W1的评价最低。W2F1处理最适合玉米高效高产。
3 讨 论
3.1
氮肥在农业生产中具有重要作用［15-17］。提高节水灌溉的技术，是保证农业用水、节约灌溉总量、保证作物生长的有效措施 ［18］。施用有机氮可以明显促进地上部干物质量的增加，延缓叶片衰老，促进生育后期物质积累［19］。徐泰森等［20］研究认为，当氮肥用量超过一定范围对玉米的生长会产生抑制作用，研究结果与其存在一定差异，玉米株高随灌水量和施氮量的增加而增大，W3F2处理下株高达到所有处理中的最大值为275 cm，是因为水氮的梯度设置有关。吕刚等［21］研究发现，水分胁迫越严重对玉米LAI的影响越大，研究结果与其一致，玉米叶面积指数随灌水量的增加而增加，除吐丝期以外其他时期W3F2处理下LAI均达到所有处理中最大值。
3.2
冯亚阳等［22］研究发现，干物质变化总趋势为随水氮投入量的增加而增大，水氮增加到一定程度后，干物质累积增长效率降低，水氮对干物质的影响符合报酬递减的一般规律，试验与其结果一致，W2F2处理CGR变化率达到最大值为55.62%，W2F1处理次之为36.55%，高于W3F2处理。王旭敏等［23］通过减水减肥灌溉水肥设置试验得出，干物质最大增长速率随施氮量的增加呈先升高后降低趋势，试验研究与其结果不同，W3F2处理干物质积累量、CGR达到最大值分别为276.13 g/株、3.84 g/d，当地复播玉米施氮上限还未达到。
3.3
王雯等［24］研究发现，适宜的水氮配施方案可以显著提高玉米产量，过量则会对玉米产量的增长效率产生抑制效果，研究结果与其试验结果一致，产量随灌水量和施氮量的增加均表现为增产，随施氮量的增加，增产率在5.17%～16.71%；随灌水量的增加，增产率在15.31%～37.35%，灌水和施肥对产量的增长均有促进作用。W2F1处理下产量随施氮增加产量增加13.41%，F2相较F1处理仅增加了2.23%，增产效率明显下降；随灌水的增加增产24.35%，W3相较W2处理仅增产了11.04%，增产效率也明显下降。惠晓丽等［25］研究发现，干旱地区冬小麦与施氮量之间表现为极显著的二次曲线趋势，研究结果与其结论一致，建立灌水、施肥对产量影响的二元二次回归模型，并预测出最大产量为12 875.343 kg/hm2，对应灌水量为642 mm，施肥量为576 kg/hm2，该方案不利于新疆南疆复播玉米实现高效高产。刘凡等［26］研究发现，玉米WUE随滴灌量的增加而降低，研究结果与其一致，WUE随灌水量的增加而降低，W1F1和W2F1处理下的WUE达到所有处理中最大值为3.89 kg/m3，W2F1处理下WUE随施氮的增长率也达到最大值为6.59%；张建军等［27］研究发现，任何种类氮肥，过高施用量均不利于PFPN和ANUE的提高，研究结果与其结论一致，W3F1处理下PFPN和ANUE都达到所有处理中最大值分别为49.18、6.92 kg/kg，W2F1仅次于W3F1处理分别为44.28、5.24 kg/kg且差异不明显，两者均高于F2情况下的PFPN和ANUE值，增加灌水量可以缓解施氮量增加导致的PFPN和ANUE下降，合理的水氮配施可以促进玉米对水氮的利用。徐剑等［28］研究发现，模糊综合评价模型可以为大田作物制定适宜的灌溉制度，试验结果与其结论一致。
4 结 论
4.1
株高和叶面积指数在W3F2处理下取得最大值，干物质积累量和CGR在W3F2处理下达到最大值且与其他处理差异显著，但CGR随灌水量增加的变化率在W3F1处理下为最大值；产量在W3F2处理下达到最大值，W3F1处理次之且差异不显著；PFPN和ANUE都在W3F1处理下获得最大值。
4.2 水氮配施对玉米不同指标以及指标变化的影响不同，W2F1处理下的株高为262.67 cm与株高最大值差异不显著；叶面积指数峰值为5.17，在所有处理中排第三；干物质积累量以及CGR虽未达到最大值但CGR的变化率仅次于W3F1处理达到36.55%；产量为10 857.51 kg/hm2虽未达到最大值，但增产率达到所有处理中的最大值为24.35%；WUE达到所有处理中的最大值为3.89 kg/m3，PFPN和ANUE仅次于W3F1处理分别为44.28、5.24 kg/kg。W2F1处理下各指标及变化率都能得到各个处理中的较高值，且满足高效高产的要求。
4.3 基于AHP的模糊综合评价模型评价结果为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），选用W2F1（灌水量400 mm，施氮量250 kg/hm2）作为当地玉米的灌溉施氮制度。
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