基于投影寻踪聚类评价模型的河套灌区玉米灌溉施肥模式优选

2020-10-28戴嘉璐李瑞平李聪聪鲁耀泽邹存菁

灌溉排水学报 2020年10期

戴嘉璐，李瑞平*，李聪聪，鲁耀泽，邹存菁

（1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018； 2.巴彦淖尔市水利科学研究所，内蒙古巴彦淖尔 015000；3.内蒙古河套灌区永济灌域管理局，内蒙古巴彦淖尔 015000）

0 引言

内蒙古河套灌区地处我国干旱的西北地区，是我国重要的商品粮油生产基地。水、肥是限制该地区农业发展的两大关键因子。农业生产中，为追求高产，氮肥、灌水过量投入现象十分严重，导致水肥利用效率低下，并由此引发一系列生态环境问题[1-3]。【研究意义】因此，大力发展高效节水节肥技术，提高农田水肥利用效率，对保障该地区农业的可持续发展与改善农田生态环境具有重要意义。玉米是该地区主要粮食作物之一，而水、肥是影响玉米生长的两大关键因子，因此基于田间试验研究玉米水肥耦合响应规律成为相关研究的热点。水肥供应过多不仅会降低作物产量和水肥利用效率[4]，还会造成大量土壤硝态氮淋失，造成地下水污染[5-6]。【研究进展】高亚军等[7]针对西北旱区夏玉米研究指出，苗期干旱胁迫会造成显著减产，水分胁迫下氮肥供应充足可以减少产量损失。Pandey 等[8]对西北干旱半干旱地区玉米的研究表明，玉米营养生长期水分亏缺对产量影响不显著，在水分亏缺灌溉时相应地降低氮肥投入量可以获得最高的经济效益。孙景生等[9]研究表明，玉米各生育阶段遭受水分胁迫均会引起一系列不良后果，其中尤以抽雄吐丝前后缺水影响最大。Wang 等[10]研究表明，适当的水分亏缺可以提高玉米的水分利用效率。郭丙玉等[11]以玉米高产为研究目标，指出玉米产量随灌水和施肥量的增加而增加，但达到阈值后则表现出降低趋势。尚文彬等[12]从玉米对氮素吸收利用特征和环境友好的角度出发，得出黑龙江西部地区玉米最佳灌水和施氮量。宁东峰等[13]以实现最高产量和水肥利用效率为目的，寻求试验区玉米最佳施氮量。张富仓等[14]研究表明，当灌水量处于较低水平时，施氮肥越多越有可能造成减产；灌水量适宜时，氮肥的增产效果明显；灌水量过高时，氮肥增产效果不显著。

【切入点】水肥供应不足均会对玉米生长产生不利影响，但玉米产量和水肥利用效率并不总随灌水量和施肥量的增加而增加，当水肥供应达阈值后则表现出降低趋势，且以往研究多以玉米高产高效为目标来探究合理的灌水量和施肥量，基于河套灌区以产量维持在多年平均产量区间为原则，兼顾节水节肥、提高水肥利用效率确定适宜的灌溉施肥制度的报道较少。【拟解决的关键问题】基于此，开展不同水肥管理田间试验，通过分析不同灌水施肥对玉米产量、水分利用效率和氮肥偏生产力的影响，结合基于遗传算法的投影寻踪聚类评价模型，研究玉米节水节肥、高效的灌溉施肥制度，以期为实现河套灌区水资源的合理配置保障河套灌区农业生产的可持续发展提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在位于内蒙古自治区巴彦淖尔市临河区的曙光试验站（40°43′26″N，107°13′23″E）进行，试验区属于干旱半干旱气候，平均年降雨量为144.2 mm，年蒸发量为2 434.7 mm，年日照时间为3 180 h。土壤质地为沙壤土，耕层平均土壤体积质量为1.45 g/cm3，含盐量1.2 g/kg，有机质量10.80 g/kg，全氮量0.244 g/kg，全磷量0.338 g/kg。玉米是该地区的主要粮食作物。试验区土壤及气象条件见表1、图1。

图1 试验区气象条件 Fig.1 Meteorological conditions in the test area

土层深度/cm Soil depth 颗粒分布/% Particle distribution 土壤体积质量/（g·cm-3） Soil bulk density 黏粒Clay （<0.002）粉粒Silt （0.05～0.002）砂粒Sand （5～0.05）田间持水率/% Field capacity 饱和含水率/% Saturated water content 土壤类型 Soil type 0～20 19.78 69.02 11.20 1.45 17.49 35.47 粉砂壤土 20～40 6.32 80.85 12.83 1.40 20.52 34.82 粉砂土 40～60 22.80 50.80 26.40 1.41 25.18 34.76 粉砂壤土 60～80 12.93 80.09 6.98 1.51 22.57 27.77 粉砂壤土 80～100 10.28 87.00 2.72 1.50 20.28 22.99 粉砂土

1.2 试验设计

试验设置灌水量和施肥量2 个试验要素，每个要素设置3 个水平。其中灌水量水平分别为较当地灌水量（3 375 m3/hm2）减少46.7%、33.3%、20.0%的低水（1 800 m3/hm2）、中水（2 250 m3/hm2）、高水（2 700 m3/hm2），施肥量水平分别为较当地施肥量（600 kg/hm2）减少50.0%、37.5%、25.0%的低肥（300 kg/hm2）、中肥（375 kg/hm2）、高肥（450 kg/hm2）。试验采用完全随机区设计，将当地灌水量（3 375 m3/hm2）和施肥量（600 kg/hm2）设为CK，共9 个处理，每个处理3 次重复。各处理底肥施用300 kg/hm2磷酸二铵，播种时由播种机施入，与当地农民的实际生产模式相同；抽雄期追施尿素，含氮量为46.8%。具体试验设计见表2。

为了避免边行效应，试验小区东西二侧各设1 m宽、南北二侧各设2 m 宽的保护带，保护带高为15 cm，以防止地面灌溉串水和小区间地下侧向渗漏。

表2 灌溉与施肥处理 Table 2 Irrigation and fertilization treatment

玉米供试品种为“金苹628”，种植密度为行距40 cm，株距30 cm。2019 年4 月29 日播种，9 月25日成熟。灌水方式为地面灌溉，采用水泵、水表定量控制，分别在拔节期（6 月17 日）、抽雄期（7 月12日）、灌浆期（8 月5 日）灌溉。玉米各生育期划分见表3。CK 灌水与施肥时间与各处理相同。各处理均采用相同的田间管理方法进行除草及病虫害防治。

表3 玉米生育期划分 Table 3 Division of maize growth period

1.3 观测指标与方法

采用取土样烘干法测定土壤含水率；用土钻在试验区进行取样，每小区取3 点；各点取样深度均为100 cm，分为0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 共5 层进行；每14 天测定1 次，播前、收获后以及灌水前后加测1 次。

玉米收获时每个小区选取有代表性玉米5 株，果穗风干后经人工脱粒，75 ℃烘至恒质量后测其产量。

采用水量平衡法计算玉米各生育期耗水量ET

式中：∆W 为0～100 cm 土层土壤储水量之差（mm）；P 为生育期有效降雨量（mm），如果降雨量小于当日参考蒸发蒸腾量的0.2 倍，则视为无效降雨；I 为玉米生育期的灌水量（mm）；G 为生育期地下水对作物根系的补水量（mm），详细计算过程参考文献[15]；R 为生育期地表径流量（mm），试验区地表平坦，无地表径流产生；F 为生育期根区深层渗漏量（mm），假定降雨或灌溉先补给根系层土壤水分至田间持水率，多余的水分即为深层渗漏损失量[16]。

玉米水分利用效率（WUE，kg/（hm2·mm））计算式为：

式中：Y 为单位面积玉米产量（kg/hm2）。

氮肥偏生产力（NPFP）计算式[17]为：

式中：Y 为单位面积玉米产量（kg/hm2）；FT为所施氮肥的总量（kg/hm2）。

1.4 分析方法

本研究中基于遗传算法的投影寻踪聚类评价模型（RAGA-PPCE）优选最佳灌溉施肥模式，该方法的建模过程包括以下4 个步骤[18]：

1）评价指标值的归一化处理。设各指标值的样本集（评价对象集）为{x*(I,j)| i=1～n, j=1～p}。其中x*(I,j)为第i 个样本第j 个指标值，n、p 分别为样本的个数（样本容量）和指标的数目。为消除各指标值的量纲和统一各指标值的变化范围，可采用下式进行极值归一化处理：

式中：xmin(j)、xmax(j)分别为样本集中第j 个指标值的最小值和最大值。

2）构造投影指标函数。把 p 维数据{x(I,j)|j=1～p}综合成以a=(a(1),a(2),…,a(p))为投影方向的一维投影值z(i)。

式中：a 为单位长度向量。

3）优化投影指标函数。当各指标值的样本集给定时，投影指标函数Q(a)只随投影方向a 的变化而变化。不同的投影方向反映不同的数据结构特征，最佳投影方向就是最大可能暴露高维数据某类特征结构的投影方向。可通过求解投影指标函数最大化问题来估计最佳投影方向，即：

式中：Sz为投影值z(i)的标准差；Dz为投影值z(i)的局部密度。

4）聚类。把由步骤（3）求得的最佳投影方向a*代入式（4）后即得各样本点的投影值z*(i)。按z*(i)值从大到小排序，据此可把各指标的样本集进行评价。

用Excel 2007 进行数据处理和画图，SPSS 23 进行方差分析，采用最小显著差异法（LSD）进行显著性检验（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同水肥处理对玉米耗水量的影响

各处理间玉米不同生育阶段的耗水量变化趋势基本一致，随生育期的推进，各处理耗水量呈增加的趋势，且增速逐渐减缓（表4）。CK 玉米各生育阶段耗水量在整个生育期内均比其他处理高。相同水分处理下，不同施肥量对耗水量的影响不大。相同施肥处理下，灌水量对耗水量的影响较大。低肥水平下，高水处理的耗水量比低水和中水处理分别高30.0%、15.9%；中肥水平下，高水处理的耗水量比低水和中水处理分别高23.5%、8.3%；高肥水平下，高水处理的耗水量比低水和中水处理分别高24.4%、8.1%。施肥量一定时，增加灌水量会使玉米耗水量明显增加，当施肥量处于中肥和高肥水平，各处理耗水量的增幅差异不大。

由表4 可知，各生育期的耗水量随灌水量的增加而增加，相同灌水水平下不同施肥量处理的耗水量无显著差异，而相同施肥水平下不同灌水量处理的耗水量间则差异显著（P<0.05），CK 耗水量显著高于低水和中水处理，与高水处理无显著差异。玉米各生育期耗水模数与耗水量变化趋势一致，由于抽雄—灌浆期玉米生殖生长和营养生长并进，生长旺盛，相应耗水模数在整个生育期占比较大，达65%以上。

表4 各处理不同生育期水分消耗及耗水模数变化 Table 4 Water consumption in different growth stages under different treatments

2.2 不同水肥处理对玉米产量、水分利用效率及氮肥偏生产力的影响

由表5 可知，灌水量和施肥量单因素或交互作用对水分利用效率均有极显著影响（P<0.01）。高水水平下，中肥和高肥处理的水分利用效率显著高于低肥处理（P<0.05），中水水平下，不同施肥处理的水分利用效率差异显著（P<0.05），低水水平下，中肥和高肥处理的水分利用效率显著高于低肥处理（P<0.05）。CK 水分利用效率较低且与高水中肥、高水高肥处理无显著差异（P>0.05），高水中肥、高水高肥水分利用效率较CK 分别提高了22.2%、17.8%。在灌水量为低水和中水水平下，水分利用效率随施肥量的增加而增加，当灌水量为高水水平，水分利用效率随施肥量的增加先增加后减小。

表5 不同水肥处理玉米产量、水分利用效用效率及氮肥偏生产力 Table 5 The yield, water use efficiency and nitrogen efficiency of maize treated with different water and fertilizer

灌水量和施肥量单因素或交互作用对氮肥偏生产力均有极显著影响（P<0.01）。高水水平下，氮肥偏生产力与氮肥施用量成反比，且各处理间无显著差异。当施肥量相同时，氮肥偏生产力与灌水量呈正相关。CK 氮肥偏生产力较低，Y1、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8、Y9 处理较CK 分别提高了10.3%、30.5%、8.6%、8.7%、86.5%、53.5%、25.3%。

在相同施肥水平条件下，玉米产量随灌水量的增加而增加。在相同灌水条件下，低水和中水时玉米产量随施肥量的增加而增加；当灌水量达高水水平时，玉米产量随施肥量的增加呈先增后减趋势，Y8（高水中肥）处理下达最大值，此时虽与Y7（高水低肥）、Y9（高水高肥）处理无显著差异（P>0.05），但显著高于其他处理（P<0.05）。另外，高水时不同施肥处理玉米产量与CK 相比无显著差异。其他处理均显著低于CK。随灌水量和施肥量的增加，各处理与CK相比的减产率也逐渐减小。Y8 处理在灌水量减少675 m3/hm2，施肥量减少150 kg/hm2的情况下，仍与CK无显著差异，且水分利用效率和氮肥偏生产力均高于CK。综合考虑减产率、水分利用效率和氮肥偏生产率，并将目标产量维持在平均产量区间，灌水2 700 m3/hm2，施肥375 kg/hm2为较适宜的灌溉施肥制度。

2.3 灌溉施肥管理模式综合评价

本研究中通过RAGA-PPCE 方法对灌溉施肥评价的产量、耗水量、水分利用效率、氮肥偏生产力4个指标进行降维，得到最大投影指标函数值为0.54，最优投影方向a*=（0.531，0.321，0.696，0.503）。最优投影方向向量表明不同灌水和施肥下指标的相对重要程度，对不同灌溉施肥制度的评价。因此，4 个指标对灌溉施肥效果评价的重要程度排序为：水分利用效率>产量>氮肥偏生产力>耗水量。说明评价不同水肥处理对玉米生长的影响时，水分利用效率优于产量。从投影方向还可以看出，为获得保证玉米稳产且高效的灌溉施肥制度，保证水分利用效率和产量是关键。由表6 可得评价结果。评价结果显示灌溉和施肥制度评价值由高到低顺序为Y8 处理>Y7 处理>CK>Y 9 处理>Y6 处理>Y3 处理>Y4 处理>Y5 处理>Y2 处理>Y1 处理。其中Y8 处理评价值最高，说明与其他处理相比，Y8 处理是有利于河套灌区玉米生长的水肥组合，与前文分析结果一致。

表6 灌溉施肥管理评价指标归一化值及投影综合指标值 Table 6 Normalized values of each index and projected comprehensive index values

3 讨论

作物耗水量主要受灌水量的影响，相同施肥条件下增加灌水量，玉米耗水量不断增加[19-20]。本研究得到与之相似的结果。相同施肥水平下，玉米耗水量随灌水量增加而增加，低肥处理下，高水比低水和中水处理分别高30.0%、15.9%；中肥处理下，高水比低水和中水处理分别高23.5%、8.3%；高肥处理下，高水比低水和中水处理分别高24.4%、8.1%。随生育期的不断推进，各处理耗水量呈增加的趋势，且增速逐渐减缓。这与张旭东[21]研究结果类似，与王海瑞等[22]得出的玉米全生育期耗水量呈先升高后降低最后又升高的变化趋势有所差别，这可能与试验区土壤条件、灌水量或施肥量、灌溉方式、降雨分布不同有关。

本研究表明，在有限的灌溉条件下，配合适量的养分，能够使水分得到更高效的利用。尹光华等[23]、张富仓等[14]研究表明，春玉米产量、水分利用效率和肥料偏生产力随灌水量和施肥量的增加呈现先增长后降低的趋势，适宜的水肥供应对作物的生长和增产具有显著的正耦合效应[24-25]，但肥料供应过多会使作物“徒长”，对产量形成不利[26-27]。本研究中得到与之类似的结果。灌水为高水水平时，玉米产量、水分利用效率和氮肥偏生产力随施肥量的增加呈先增长后降低的趋势。CK 产量与各处理相比虽为最大值，但其水分利用效率和氮肥偏生产力不高。Y7、Y8、Y9 处理水分利用效率较CK 分别高19.1%、22.2%、17.8%；氮肥偏生产力较CK 分别高86.5%、53.5%、25.3%；Y7、Y8、Y9 处理的减产率分别为6.74%、4.08%、6.04%。虽然在高水低肥（Y7 处理）下可以获得较高的肥料偏生产力，但考虑在目标产量区间内并非递减趋势，灌水2 700 m3/hm2，施肥375 kg/hm2为较适宜的灌溉施肥制度。本结果基于1a 田间试验分析，还需进行多年田间试验进行验证。