基于生理-产量-品质的宁夏引黄灌区春玉米水肥耦合决策

Decision‑making of spring maize water‑fertilizer coupling based on physiology‑yield‑quality in Yinhuang Irrigation District of Ningxia China

摘要

为探究不同滴灌量和施肥量对宁夏引黄灌区春玉米生理-产量-品质的影响，2019和2020年在宁夏农林科学院作物科学研究所望洪基地开展4因素3水平正交试验，设置3个滴灌量，分别为D1（2 310 m³/hm²），D2（3 300 m³/hm²）和 D3（4 290 m³/hm²）；3个施肥（N‑P₂O₅‑K₂O）水平，分别为S1（292‑100‑31 kg/hm²），S2（417‑143‑44 kg/hm²）和S3（542‑186‑57 kg/hm²），并设不施肥空白处理（D1S0），采用结构方程模型（Structural equation model，SEM）探究滴灌量与施肥量对玉米生长发育、生理特性、水肥利用效率及产量品质的影响，并采用熵权-TOPSIS法、主成分分析法和秩和比法系统评价宁夏引黄灌区最适施肥灌水组合。结果表明施肥量和滴灌量对玉米产量、穗粒重、茎粗、叶面积指数（LAI）、相对叶绿素含量（SPAD）、直链淀粉含量和粗蛋白含量均有显著提升作用（P<0.05）。其中：施肥灌水组合D2S2效果最佳。与空白处理相比，D2S2处理的株高、茎粗、LAI、干物质质量、SPAD、净光合速率（P_n）、籽粒产量、直链淀粉含量、支链淀粉含量、总淀粉含量及粗蛋白含量分别增加12.46%、34.45%、71.20%、42.59%、25.70%、69.90%、63.60%、7.79%、17.83%、25.62%和3.17%。SEM结构方程表明，滴灌量与施肥量能直接显著影响到玉米的生长、生理、水肥利用效率及籽粒产量品质。通过熵权‑TOPSIS法、主成分分析法和秩和比法这3种评价方法从生理-产量-品质3个方面选取14个评价指标进行综合评价，结果表明D2S2处理均是最优。因此，D2S2处理（滴灌量3 300 m³/hm²，施肥量N‑P₂O₅‑K₂O为417‑143‑44 kg/hm²）是实现宁夏引黄灌区春玉米高产-优质-增效的推荐施肥灌水组合策略。

Abstract

This study aimed to investigate the effects of different drip irrigation amounts and fertilization rates on the “physiology-yield-quality” of spring maize in Yinhuang Irrigation District， Ningxia. A 4-factor and 3-level orthogonal array experiment was conducted in 2019 and 2020 at Wanghong Base， Institute of Crop Science， Ningxia Academy of Agricultural and Forestry Sciences， with three drip irrigation amounts， D1 （2 310 m³/hm²）， D2 （3 300 m³/hm²）， and D3 （4，290 m³/hm²）， and three fertilization （N-P₂O₅-K₂O） levels of S1 （292-100-31 kg/hm²）， S2 （417-143-44 kg/hm²） and S3 （542-186-57 kg/hm²） respectively， and the treatment without fertilizer application （D1S0） was taken as control. Structural equation model （SEM） was used to investigate the effects of drip irrigation amount and fertilizer application rate on maize growth， development， physiological characteristics， water and fertilizer use efficiency and yield quality. Entropy weight-TOPSIS， principal component analysis （PCA） and rank-sum ratio （RSR） were used to systematically evaluate the most suitable fertilization rate and irrigation amount combinations in Ningxia Yinhuang Irrigation District. The results showed that the fertilizer and drip irrigation significantly enhanced corn yield， ear grain weight， stem thickness， leaf area index （LAI）， relative chlorophyll content （SPAD）， straight-chain starch content， and crude protein content （P<0.05）. Among all the treatments， the fertilizer-flooding combination， D2S2， showed the best effect. Compared with the blank treatment， the plant height， stem thickness， LAI， dry matter mass， SPAD， net photosynthetic rate （P_n）， seed yield， straight-chain starch content， branched-chain starch content， total starch content， and crude protein content in the D2S2 treatment increased by 12.46%， 34.45%， 71.20%， 42.59%， 25.70%， 69.90%， 63.60%， 7.79%， 17.83%， 25.62% and 3.17%， respectively. The SEM structural equation showed that the drip irrigation and fertilizer application amounts directly and significantly affected the growth， physiology， water and fertilizer use efficiency and seed yield quality of maize. Finally， a total of 14 evaluation indexes were selected from three aspects of “physiology-yield-quality” for comprehensive evaluation by three evaluation methods. The evaluation results showed that the D2S2 treatment was optimal. Therefore， the D2S2 treatment （drip irrigation of 3 300 m³/hm² and fertilization of N-P₂O₅-K₂O 417-143-44 kg/hm² is the recommended fertilization and irrigation strategy to achieve high yield， high quality and high efficiency of spring maize in the Yinhuang Irrigation District of Ningxia. It is the recommended fertilization and irrigation strategy in this study to achieve high yield， high quality and high efficiency of spring maize in the Yinhuang Irrigation District of Ningxia.

Graphical abstract

关键词

宁夏 / 引黄灌区 / 春玉米 / 水肥协同 / 生长生理 / 产量品质 / 综合评价

Key words

Ningxia / Yinhuang Irrigation District / spring maize / water-fertilizer synergy / growth physiology / yield quality / comprehensive evaluation

全球水资源短缺、生态环境恶化等问题严重阻碍了农业可持续发展，如何提升农作物产量与品质、优化资源利用效率，已成为农业领域亟待解决的核心问题^［1］。随着我国农业现代化进程的加速推进，玉米栽培技术不断革新，其中灌溉与施肥管理作为玉米生长发育调控及产量品质提升的关键技术环节，其重要性日益凸显^［2］。在我国西北地区，年降水量普遍偏低且降水在时间和空间上分布极为不均，同时该地区蒸发量大，致使水资源极为匮乏并长期制约着农业生产^［3］。

已有研究表明灌水量对玉米生长发育、产量形成及资源利用效率具有显著调控作用^［4-5］；适度灌溉能够有效补充土壤含水量，维持土壤水势在适宜范围内，促进作物根系扩展与养分吸收，同时，充足且合理的水分供应可以保障植株叶片气孔的正常开闭，维持较高的光合速率，为干物质积累提供充足的碳水化合物，最终实现株高、叶面积及生物量的协同增长^［4-5］。张芮等^［6］研究表明，拔节期至灌浆期充足的水分供应能够增加穗粒数并显著提高千粒重，特别是在需水临界期，玉米对水分胁迫的响应极为敏感，此时水分亏缺会导致激素平衡失调，造成雌雄花期不遇，最终导致减产。马风兰等^［7］研究表明，滴灌额度保持在4 350 m³/hm²能显著提升玉米叶片光合参数，同时产量较常规灌水量3 600 m³/hm²增加8.64%；然而，西北地区过量灌溉对玉米生长危害显著，该区域蒸发强、土壤透水性高，过量灌溉会导致氮、磷、钾等养分大量淋溶，造成肥效流失与地下水污染。同时，过饱和土壤恶化通气性，使根系缺氧，有氧呼吸受阻，无氧呼吸产生的有害物质会损伤细胞膜，削弱根系水肥吸收能力，进而破坏植株生理平衡，致使叶片光合能力下降、提前衰老，且土壤含水量过高还会导致玉米根系不稳、易倒伏，严重影响产量^［7］。刘继龙等^［8］、孙玲等^［9］和刘东华等^［10］研究指出，科学施肥是确保玉米茁壮成长、实现高产优质目标的关键举措。肥料所含的氮、磷、钾等大量元素，是构成玉米细胞结构、参与生理代谢进程的核心物质，在玉米的光合作用、呼吸作用、物质合成与运输等关键生理活动中，发挥着不可替代的调控作用。尚洺宇等^［11］研究表明，合理的氮磷钾用量有利于提高作物产量、品质并有助于获得较好的经济效益。

降雨量少，蒸发大，水资源匮乏是我国西北旱区的主要农情，严重制约了农作物的生长发育和产量提升。该地区传统的水肥管理模式一般采用引黄河水进行漫灌，导致灌水施肥不均造成资源浪费。近年来采用浅埋滴灌水肥一体化技术，一方面提高了资源利用效率，另一方面对作物生产能力的改善具有积极作用。尽管，已有研究围绕施肥量、灌溉量单因素及水氮耦合双因素对玉米生长发育的影响开展研究^［12］，但农业生产实践中，水肥协同管理对作物生理功能的调控机制及产量品质的提升潜力仍存在探索空间。

因此，为探究宁夏引黄灌区作物最佳水肥耦合决策，本研究拟以我国西北旱区春玉米为研究对象，设置3个滴灌量、3个施肥量和1个不施肥空白处理，采用熵权-TOPSIS法（Entropy weight-TOPSIS method）、主成分分析法（Principal component analysis，PCA）及秩和比法（Rank-sum ratio，RSR）系统评价宁夏引黄灌区最适施肥灌水组合。以期为该地区玉米生产制定最适水肥管理决策提供技术支撑。

1　材料与方法

1.1　试验地概况及试验材料

试验于2019年和2020年在宁夏农林科学院作物科学研究所望洪玉米试验基地进行（38°12′13.45″ N，106°12′45.43″ E）。该地平均海拔1 110 m；年平均降水量202 mm，无霜期150~170 d，年均日照2 898 h，2年试验地玉米生育期内月平均降雨量及气温如图1所示。试验田土壤类型为灌淤土，0—30 cm土壤基础肥力见表1。2019年试验地前茬为麦后复种白菜，2020年试验地前茬为玉米。供试春玉米品种为“银玉274”，由宁夏农林科学院作物科学研究所提供。供试肥料为尿素（N≥46%，中石化宁夏石化总公司生产，中国）、磷酸一铵（P₂O₅≥61%，N≥12%，宁夏鲁西化工化肥有限公司，中国）和硫酸钾（K₂O≥52%，国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司，中国）。

1.2　试验设计

试验为4个因子（滴灌量、N、P和K）、3个水平的正交试验，共9个处理并设置1个不施肥空白对照处理（D1S0），详见表2。具体设计：1）设置3个滴灌水平D1（2 310 m³/hm²），D2（3 300 m³/hm²）和D3（4 290 m³/hm²）；2）将N、P、K，3个因子按量依次组合固定，进而确定3个施肥（N‑P₂O₅‑K₂O）水平，依次为S1（292‑100‑31 kg/hm²），S2（417‑143‑44 kg/hm²）和S3（542‑186‑57 kg/hm²）各处理3次重复，共30个小区。每小区长10 m，宽3.3 m，小区面积33 m²，试验区总面积950 m²。玉米种植采用宽窄行种植，宽行70 cm，窄行40 cm，玉米株距18 cm，四周设保护区，区组间设1 m宽走道。每两行铺设一根滴灌带，滴灌带铺设在宽窄行内，种植密度控制在90 000 株/hm²。分别于2019年4月25日和2020年4月22日人工精量播种，2年均在9月24日收获。

试验不施基肥，肥料全部追施，于玉米全生育期分4次施用，具体施肥时间为玉米的苗期、拔节期、抽雄期和灌浆期，各时期肥料分配比例为1∶4∶1∶4。采用差压罐施肥，每个罐的容量为20 L。每次施肥前一天，将固体肥料完全溶解在水中。灌水在整个玉米生长季分6次进行，具体灌水时间为播种期、苗期、拔节期、抽雄期和灌浆期，各时期水分分配比例为1∶1∶3∶2∶3。

1.3　测定项目及方法

1.3.1　植株生长指标测定

于玉米灌浆中期，每个处理随机选取5株玉米植株，在田间初步清理后，用卷尺和游标卡尺测定玉米的株高和茎粗，随后用剪刀分解各部分器官后并装入采样袋带回实验室，采用长宽系数法^［13］测定叶面积并计算其叶面积指数（LAI =0.75×M×∑（a_i ×b_i ）式中，0.75：校正系数，M：种植密度，a、b：叶片的长、宽，i：叶片个数），于玉米成熟期，按上述步骤操作结束后，将玉米各器官晾干装档案袋，置于105 ℃的烘箱中杀青30 min，并在80 ℃下干燥至恒重。利用电子天平测定各器官重量相加等到单株干物质质量。

1.3.2　叶片生理指标测定

于玉米灌浆中期，每个处理随机选取5株玉米植株叶片使用LI-6400R便携式光合作用仪于晴天上午9：00—11：00测定其净光合速率（P_n），并利用SPAD-502plus叶绿素仪（浙江托普云农科技股份有限公司，中国）测定其相对叶绿素含量（SPAD）。

1.3.3　玉米产量及构成测定

在玉米成熟期从每个小区中挑选中间的2行进行田间产量测定；选取20穗成熟的玉米进行风干处理，并在室内考种，测定穗重、百粒重等产量构成指标，将含水量折合14%计算单位面积产量。

1.3.4　玉米籽粒品质测定

于玉米成熟期，每个小区随机选取3株具有代表性的植株用于籽粒品质测定，选用双波长法^［14］测定直链淀粉和支链淀粉含量（干基），即总淀粉含量=直链淀粉含量+支链淀粉含量，并采用考马斯亮蓝G250染色法^［15］测定粗蛋白含量。

1.3.5　水肥利用效率计算

灌溉水分利用效率（IWUE， kg/m³）和肥料偏生产力（PFP， kg/kg）的计算公式如下^{［12，15］}：

IWUE=Y/D(1)

PFP=Y/S(2)

式中：Y 为玉米籽粒产量，kg/hm²；D为玉米全生育期灌水量，m³/hm²；S为玉米全生育期施用的N、P₂O₅和K₂O的总量，kg/hm² 。

1.3.6　基于熵权-TOPSIS的多目标寻优

试验参照张帆等^［12］水肥耦合正交试验分析方法，将4个因子（滴灌量、N、P和K）3个水平正交试验中N、P、K这3个因子按量依次组合固定，进而确定3个施肥量，随后依次与滴灌量组合并设置一个不施肥空白对照，共得出10个待评价组合。依据10个待评价组合所测的各项评价指标的离散变化程度，利用熵权法运用信息熵计算出各指标的熵权，以此对各指标原有的权重进行修正，进而得到更为客观的权重。最后，利用理想点法（TOPSIS）将评价指标解划分为正理想解与负理想解；由此，得到一个解集范围并在此范围内筛选出一个特殊的解，该解具备双重特性：一方面，与正理想解的距离达到最小，意味着最为接近；另一方面，与负理想解的距离达到最大，即最为远离。通过该种方式对所有待评价组合的解进行排序，从而能够对现有评价组合的优劣程度做出准确评价，具体参照以下步骤：

第一，建立综合评价指标体系。以试验10个待评价组合（n）为可行性方案，以籽粒产量（X1）、百粒重（X2）、穗粒重（X3）、P_n（X4）、LAI（X5）、SPAD（X6）、株高（X7）、茎粗（X8）、单株干物质质量（X9）、IWUE（X10）、总淀粉含量（X11）、直链淀粉含量（X12）、支链淀粉含量（X13）和粗蛋白含量（X14），共14个评价指标为目标变量构建原始矩阵如下^［12］：

R =［r_ij ］ _n×m

式中：i是评估对象，j为第几个指标，n为待评价组合，m为评价指标个数。

第二，熵权法权重的确立。根据各指标的变化程度计算各指标的熵权，然后通过熵权对各指标的权重进行修正，从而得到更客观的指标权重。即先对原矩阵 R =［r_ij ］ _n×m 进行无量纲处理，得到矩阵 Y =［y_ij ］ _n×m，然后确定各评价指标的熵权V_j，详见下式：

y_{ij}=\frac{r_{ij}-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}(r_j)}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}(r_j)-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}(r_j)}j=\mathrm{1,2},...,m(3)

p_{ij}=\frac{y_j}{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{I}}^n}{y}_{ij}}i=\mathrm{1,2},...,n(4)

E_j=-\mathrm{l}\mathrm{n}{(n)}^{-I}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{p}_{j}ln(p_j)(5)

V_j=\frac{l-E_j}{m-\sum E_j}(6)

式中，i是评估对象，j为第几个指标，p_ij 是第i个评估对象在第j个指标下所占比重；E_j 是第j个指标的熵值，n为待评价组合，n=10；m为评价指标个数，m=14；V_j 为各评价指标的权重。

第三，利用TOPSIS法进行多目标优化。首先对原始矩阵 R =［r_ij ］ _n×m，进行归一化处理，得到矩阵 F =［f_ij ］ _n×m，再乘以上述第二部分利用熵权法最终计算得到的熵权V_j，最后加权得到新矩阵 Z =［z_ij ］ _n×m，然后再计算各目标值与理想点之间的欧氏距离D_i⁺和D_i^–，以及各目标的相对贴近度C_i，进而按照相对贴近度的大小排序，C_i 值越大，表明其越接近最优水平，以此特征得到10个评价组合（n）的优劣情况，形成决策依据，具体计算步骤如下：

f_{ij}=\frac{r_{ij}}{\sqrt[]{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{r^{{}^{\mathrm{2}}}}_{ij}}}j=\mathrm{1,2},...,m(7)

z_{ij}=V_j\times f_{ij}(8)

{D_i}^{+}=\sqrt[]{{\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^m}(z_{{}_{ij}}-{z_j}^{+}{)}^{{}^{\mathrm{2}}}}i=\mathrm{1,2},...,n(9)

{D_i}^{-}=\sqrt[]{{\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^m}(z_{ij}-{z_j}^{-}{)}^{{}^{\mathrm{2}}}}i=\mathrm{1,2},...,n(10)

C_i={D_i}^{-}/({D_i}^{+}+{D_i}^{-})(11)

1.3.7　基于主成分分析（PCA）的多目标寻优

利用主成分分析法对上述14个指标进行降维分析，参照汪楚博等^［17］方法提取第一、二主成分，计算综合得分，并由此进行排序得到最佳处理。

1.3.8　基于秩和比法（RSR）的的多目标寻优

参照汪楚博等^［17］利用SPSSAU计算14个待评价指标的秩值进而排序得到分档等级。

1.4　数据处理

以Microsoft Excel 2019对数据进行初步处理，使用IBM SPSS Statistics 27.0.1对数据进行统计分析，采用GraphPad Prism 9.5.1绘图，以LSD法进行差异显著性检验，使用SPSSAU线上平台（https：//spssau.com/index.html）建立熵权‑TOPSIS、PCA和RSR法的多目标综合评价体系，同时，构建结构方程模型（SEM）。

2　结果与分析

2.1　不同滴灌量和施肥量处理对玉米不同生长指标的影响

不同滴灌量和施肥量处理下玉米株高、茎粗、叶面积指数和单株干物质质量的测定结果见图2。由图2（a）可见施肥量能显著提高玉米的株高，而滴灌量、年份和施肥与灌水交互对其影响不显著。以2019年为例：施肥灌水组合D2S2的株高最高达到328 cm，较对照处理D1S0高出12.46%；D1水平下的平均株高较D2和D3高出0.81 cm和5.88 cm。各滴灌水平下，随着施肥量的增加玉米株高整体呈现先增后降的趋势，于S2水平达到最高值，S2水平下的平均株高较S1和S3增加了3.64%和5.11%。说明合理的滴灌量与施肥量能显著提高玉米的株高。

由图2（b）可见滴灌量与施肥量均能显著提升玉米的茎粗且年际间差异显著，施肥与灌水交互效应显著。其中：2019年施肥灌水组合D2S2的茎粗最高，达3.04 cm较D1S0增加34.45%；D2水平下的平均茎粗较D1和D3高出0.16 cm和0.16 cm。各滴灌水平下，随着施肥量的增加玉米茎粗整体呈现先增后降的趋势，于S2水平达到最高值，S2水平下的平均茎粗较S1和S3增加了6.57%和8.45%。2020年D2S2处理的茎粗也是最高达到3.36 cm，较D1S0增加42.98%。D2水平下的平均茎粗较D1和D3高出0.43 cm和0.46 cm。合理的滴灌量与施肥量有利于玉米茎粗的提升。

如图2（c）所示，滴灌量、施肥量且两者交互均能显著提升玉米的叶面积指数（LAI），年际间无明显差异。以2019年数据为例：即施肥灌水组合D2S2的LAI最高，达到7.55较对照处理D1S0高出71.20%；D2水平下的平均LAI较D1和D3高出16.32%和12.83%。各滴灌水平下，玉米LAI均随着施肥量的增加，整体呈现先增后降的趋势，于S2水平达到最高值，S2水平下的平均LAI较S1和S3增加了14.31%和20.32%。合理的滴灌量与施肥量有利于玉米LAI的提升。

图2（d）可见滴灌量、施肥量且两者交互均能显著影响玉米的单株干物质质量，同时年际间差异显著。其中：2019年施肥灌水组合D2S2的干物质质量最高，达到317.21 g较对照处理D1S0高出42.59%；D2水平下平均干物质质量较D1和D3高出15.96%和13.31%。各滴灌水平下，玉米干物质质量均随着施肥量的增加，整体呈现单峰趋势，于S2水平达到最高值，即为S2水平下的平均干物质质量较S1和S3增加了16.05%和16.20%。而2020年D2S2处理的干物质质量同样最高达到333.51 g较对照处理D1S0高出36.54%。D2水平下平均干物质质量较D1和D3高出11.56%和4.21%，同时S2水平下的平均干物质质量较S1和S3增加了8.94%和12.75%。说明合理的滴灌量与施肥量有利于玉米干物质积累。

2.2　不同滴灌量和施肥量处理对玉米不同生理指标的影响

不同滴灌量和施肥量处理下玉米相对叶绿素含量和净光合速率的测定结果见图3。由图3（a）可见年份、滴灌量与施肥量均能显著影响玉米叶片的相对叶绿素含量（SPAD）。其中：2019年施肥灌水组合D2S2的SPAD最高，达到59.33较对照处理D1S0高出25.70%；D2水平下的平均SPAD较D1和D3高出4.17%和5.20%。各滴灌水平下，玉米SPAD均随着施肥量的增加，整体呈现先增后下降的趋势，于S2水平达到最高值，即S2水平下的平均SPAD较S1和S3增加了6.08%和13.16%。而2020年D2S2处理的SPAD同样最高达到66.63较对照处理D1S0高出38.73%。D2水平下平均SPAD较D1和D3高出6.43%和9.64%，同时S2水平下的平均SPAD较S1和S3增加了19.91%和13.55%。合理的滴灌量与施肥量有利于玉米叶片SPAD的提升。

图3（b）可见施肥量、滴灌量与施肥量交互能显著影响玉米叶片的净光合速率（P_n ），而年份和滴灌量对其影响不显著。以2019年数据为例：施肥灌水组合D2S2的P_n 最高，达到17.33 µmol/（m²/s）较对照处理D1S0高出69.90%；D2水平下平均Pn较D1和D3高出6.76%和13.52%。各滴灌水平下，玉米叶片P_n均随着施肥量的增加，整体呈现单峰趋势，于S2水平达到最高值，S2水平下的平均P_n较S1和S3增加了30.47%和29.55%。说明合理的滴灌量与施肥量有利于玉米叶片P_n的提升。

2.3　不同滴灌量和施肥量处理对玉米产量及构成的影响

不同滴灌量和施肥量处理下玉米产量及其构成的测定结果见表3。可见：滴灌量与施肥量能显著影响玉米籽粒产量及其部分构成，同时滴灌量与施肥量交互对籽粒产量和百粒重影响显著；除穗粒重年际间差异显著外，其他各项指标年际间无显著性差异。以2019年数据为例：施肥灌水组合D2S2的籽粒产量为最高，达到15 472.48 kg/hm²，较对照处理D1S0高出63.60%；D2水平下的平均籽粒产量较D1和D3高出12.83%和7.55%。各滴灌水平下，玉米籽粒产量及构成因素均随着施肥量的增加呈现先增后下降的趋势，整体上S2水平达到最高值，S2水平下的玉米平均籽粒产量较S1和S3增加11.70%和6.88%。从年际角度考虑，2020年与2019年玉米产量及其构成因素基本一致，无明显差异。说明适量的灌溉和施肥有利于作物产量形成，过量和少量灌溉与施肥均不利于作物生长以及产量建成。

2.4　不同滴灌量和施肥量处理对玉米籽粒品质及水肥利用效率的影响

不同滴灌量和施肥量处理下玉米籽粒直链淀粉含量、支链淀粉含量、总淀粉含量、粗蛋白含量、滴灌水分利用效率及肥料偏生产力的测定结果见图4。如图4（a）和（b）所示，滴灌量与施肥量均能显著影响玉米籽粒直链、支链淀粉含量。以2019年数据为例：施肥灌水组合D2S2的直链、支链淀粉含量均最高，达到16.63%和61.78%，较对照处理D1S0分别高出7.79%和17.83%。D2水平的直链淀粉含量较D1和D3分别显著提高1.61%和1.26%（P<0.05），支链淀粉含量分别增加5.33%和6.01%（P<0.01）。各滴灌水平下，玉米直链、支链淀粉含量均随着施肥量的增加整体呈现先增后下降的趋势，于S2水平达到最高值，S2水平下的平均直链淀粉含量较S1和S3增加1.64%和3.18%，支链淀粉分别增加4.22%和1.06%。说明适量的灌溉和施肥量有利于玉米籽粒直链淀粉含量和支链淀粉含量的增加。

由图4（c）和（d）可见：滴灌量、施肥量及两者交互效应均能显著影响玉米籽粒总淀粉含量；同时，滴灌量、施肥量对籽粒粗蛋白含量也有着显著影响，但年际间差异表现均不显著。以2019年数据为例：施肥灌水组合D2S2的总淀粉和粗蛋白含量均最高达到78.41%和8.42%，较对照处理D1S0分别高出25.62%和3.17%；D2水平下的平均总淀粉含量较D1和D3高出6.95%和7.31%（P<0.01），粗蛋白含量分别增加1.37%和0.72%。各滴灌水平下，玉米总淀粉含量和粗蛋白含量均随着施肥量的增加，整体呈现先增后下降的趋势，于S2水平达到最高值，即为S2水平下的平均总淀粉含量较S1和S3增加了5.89%和4.24%（P<0.01），粗蛋白含量分别增加0.08%和0.72%。2020年与2019年品质指标基本一致，无明显差异。说明适量的灌溉和施肥有利于玉米籽粒总淀粉和粗蛋白含量的增加。

由图4（e）可见滴灌量、施肥量及两者交互效应均能显著提升玉米滴灌水分利用效率（IWUE）。以2019年数据为例：D1水平下的IWUE均表现最高，平均较对照处理D1S0高出55.22%；同时，平均IWUE比D2和D3高出26.68%和77.12%。由图5可见：滴灌量、施肥量及两者交互效应均显著提升肥料偏生产力（PFP）；施肥灌水组合D2S1的PFP最高，达34.49 kg/kg；D2水平下的平均PFP较D1和D3高出14.93%和7.74%；S1水平下的平均PFP均表现最高且较S2、S3高出36.68%和89.87%。说明适量的灌溉和施肥有利于提升玉米的水肥利用效率。

2.5　不同滴灌量和施肥量处理对玉米各项指标的SEM结构方程分析

基于作物生产中生长、生理、水肥利用及品质产量的底层逻辑，本研究构建了不同滴灌量和施肥量处理对玉米生理-产量-品质的结构方程模型（SEM）分析结果如图6。模型结果表明：滴灌量与施肥量能直接显著影响到玉米的生长、生理、水肥利用效率及产量品质；滴灌量与施肥量还可以通过玉米的生长指标、生理指标及水肥利用效率间接显著影响到籽粒产量与品质。其中：滴灌量直接显著影响到玉米的生长、生理及产量、品质指标，标准化回归系数分别达到0.70、0.59、0.80和0.51呈现正相关，而与水肥利用效率呈现负相关；施肥量直接显著影响到玉米的生长、生理及产量、品质，标准化回归系数分别达0.71、0.88、0.71和0.78呈现正相关。玉米生长指标能直接显著影响到籽粒产量，而与籽粒品质呈直接负相关；生理指标能直接显著影响籽粒产量和品质；水肥利用效率对籽粒产量品质的影响呈现显著负相关。说明，精准的水肥调控直接有利于作物生长、生理指标及产量品质的提升，而通过优化前期的生长、生理指标来间接提升作物品质的途径是相对缓慢且困难的，但对作物产量的提升效果显著。

2.6　基于玉米生长‑产量‑品质的施肥灌水组合寻优

本研究以玉米生理-产量-品质协同为主要目的，将14个评价指标分别进行熵值-TOPSIS、PCA和RSR共3种综合评价。评价结果见表4~6。具体结果如下：

1）利用熵值-TOPSIS法以14个待评价指标为目标构建原始矩阵，因对照处理D1S0是不施肥处理，故不考虑将指标PFP纳入评价指标，构建原始矩阵。随后，利用式（3）~（6）对原始矩阵正向化并标准化后计算权重，再利用式（7）~（11）计算正负理想解的距离及相对贴近度（C_i ）；最终得到熵权‑TOPSIS综合评价结果，如表4所示。2019年各处理的相对贴近度由 大到小排序为D2S2>D3S2>D2S1>D2S3>D1S3>D3S1>D1S2>D3S3>D1S1>D1S0，2020年则表现为D2S2>D3S2>D3S3>D3S1>D1S2>D2S3>D1S3>D2S1>D1S1>D1S0。2年结果均显示D2S2施肥灌水组合C_i 最大，其次是D3S2。

2）如表5所示，利用主成分分析对14个指标进行降维分析，提取第一、二主成分，计算综合得分。排序结果表明：2019年和2020年水肥优化最佳组合均是D2S2，其次是D1S2。

3）如表6所示，利用秩和比法计算14个指标的RSR值和RSR拟合值。根据RSR值的大小判断各施肥灌水组合的优劣情况，RSR值越大说明该施肥灌水组合最优，本研究中D2S2处理的RSR值2年均为最大，平均达到0.972。再根据RSR拟合值对各处理所得RSR值进行分级，将10个待评价组合分级得出，2年D2S2处理均处在最高级3级。综上所述，3种评价方法（熵权-TOPSIS、PCA、RSR）得出的最优解一致，均为D2S2处理。说明该处理对宁夏引黄灌区春玉米生长发育及产量品质具有显著提升作用。

3　讨 论

3.1　不同滴灌量和施肥量处理对玉米生长、生理指标及水肥利用效率的影响

研究表明，滴灌量与施肥量对玉米生长、生理指标及水肥利用效率的影响显著^{［5，18-19］}。肥料中的氮、磷、钾等元素是构成植物细胞结构、参与代谢过程的关键物质，其中，氮素对蛋白质合成和叶片生长的影响尤为突出^［20］。当滴灌量不足时，玉米生长会受到水分胁迫的抑制，即便施肥充足，肥料也难以充分溶解与运输，无法被植株有效吸收利用，进而限制光合物质积累；而过量滴灌则会导致土壤养分淋失，同样不利于玉米生长^［21］。已有研究表明，合理的滴灌量与施肥量能促进玉米植株的生长发育进程，具体表现为株高、茎粗增加及叶面积扩大^{［4，8，11］}。刘凡等^［22］和戚迎龙等^［24］研究表明，在适宜的水肥条件下，玉米叶片叶绿素含量较高，光合速率增强，能够高效固定二氧化碳，为植株生长和产量形成积累充足的光合产物。本研究发现，D2S2（滴灌量：3 300 m³/hm²，N‑P₂O₅‑K₂O：417‑143‑44 kg/hm²）两措施协同能够提高玉米的株高、茎粗、LAI、SAPD、P_n和干物质质量，有效促进了光合物质的生产积累、转运，提高了玉米干物质质量，最终促进玉米的产量形成。原因可能如下：1）适宜的滴灌量可避免水分胁迫或养分淋失，确保肥料充分溶解与运输，为植株吸收利用创造条件；2）合理的施肥量能提供充足氮、磷、钾等元素，尤其氮素可促进蛋白质合成与叶片生长；3）合理的水肥供应可使玉米在面临逆境时，抗氧化酶维持较高活性，有效清除体内过多的活性氧，减轻氧化损伤，维持细胞正常生理功能，有利于叶绿素的合成，提高光合速率，增加玉米光合产物积累^［25］。除此之外，合理调控滴灌量，能够优化土壤水分状况，提高肥料在土壤中的有效性与空间分布均匀性，促进作物根系对养分的吸收，从而提升水肥利用效率；同时，合理地控制化肥用量能增加土壤养分，促进土壤内部养分循环，有利于提高肥料利用效率；两者协同，更加有利于作物对养分的吸收利用^{［26，29］}。

3.2　不同滴灌量和施肥量处理对玉米籽粒产量、品质的影响

滴灌量与施肥量在作物产量及品质形成过程中发挥着核心作用^［28-29］。刘丽平等^［4］研究表明，合理的滴灌量能促进产量提升，滴灌量不足会造成玉米减产；而过度滴灌会引发土壤养分淋溶损失，肥料利用率显著降低，从而对产量产生不利影响。另有研究表明^［9-10］，施肥量匮乏时，玉米植株会因必需营养元素的供应不足，导致光合产物的合成过程受到显著抑制，难以生成足够数量的光合产物来满足籽粒形成阶段的物质需求；而施肥量超过合理范围时，一方面会导致根系发育异常或茎秆机械组织强度下降，引发玉米倒伏；另一方面，会加剧病虫害的发生程度，过量的养分可能改变植株体内的生理代谢平衡，不利于产量的提升。本研究发现，D2S2（滴灌量：3 300 m³/hm²，N‑P₂O₅‑K₂O： 417‑143‑44 kg/hm²）两措施协同下玉米的籽粒产量达到最高。具体原因可能是合理的水肥效应优化了玉米植株光合物质生产—分配过程、协调了营养生长与生殖生长平衡、提升了根系养分吸收效率，进而提高了玉米产量。另有研究表明，适宜的水分与肥料供给，有助于提升玉米籽粒中蛋白质、淀粉以及脂肪的含量，改善籽粒口感与加工性能，优化玉米的营养品质^{［28，30］}；而不合理水肥供应，会致使籽粒发育不良、干瘪瘦小，蛋白质、淀粉等关键成分含量降低，品质变劣^［31-32］。本研究表明，D2S2处理（滴灌量：3 300 m³/hm²，N‑P₂O₅‑K₂O：417‑143‑44 kg/hm²）下玉米籽粒淀粉含量及粗蛋白含量较其他处理均达到最高。具体原因如下：1）适宜的滴灌量为玉米生长提供适宜水分，既保障了光合作用充分进行，为淀粉合成提供充足前体，又维持了植株体内水分平衡，促进矿质元素与光合产物向籽粒运输；2）氮素充足为蛋白质合成提供基础，磷素能够促进能量代谢与根系吸收，钾素激活了淀粉及蛋白合成关键酶活性，进而有利于玉米淀粉的合成和粗蛋白积累；3）滴灌与肥料的协同作用减少了养分流失，促进了淀粉、蛋白质的积累，避免了水肥配比不当导致的籽粒发育不良和品质下降，最终实现玉米营养品质的提升。

3.3　综合评价指标

李池等^［33］在北疆地区选用玉米生长、产量和节水指标作为评价指标，结合耗水规律和指标显著性进行分析，并采用熵权-TOPSIS综合评价法，优选适宜于北疆地区滴灌春玉米的灌水定额，具有很好的推荐价值；说明该方法能够得出客观的评价结论。马风兰等^［7］研究表明，在盐碱地条件下，将玉米叶片光合参数与产量进行主成分分析，将互相关联的8个单项指标进行降维，获得2个相互独立的综合指标，筛选出最优灌水处理，具有良好的生产实践价值。汪楚博等^［17］以RSR从产量、品质、碳排放、经济效益四方面，选取12个评价指标综合评估显示：3 800 m³/hm²灌水水平下，采用微纳米加气灌溉结合0.5%腐殖酸施加量，是加工番茄实现高产、优质、减排、增效的推荐灌溉策略。实践中，该策略可显著提升产量与品质，降低碳排放，提高经济效益。而本研究结合熵权-TOPSIS法、主成分分析法和秩和比法3种综合评价方法对玉米籽粒产量、品质、水肥利用效率和生长、生理特性进行了全面客观评价。3种综合评价法寻优结果均显示D2S2处理（滴灌量：3 300 m³/hm²，N‑P₂O₅‑K₂O：417‑143‑44 kg/hm²）对玉米生理-产量-品质协同具有积极意义。因此，D2S2处理可以作为宁夏引黄灌区春玉米种植的最佳施肥和灌水模式。但3种评价方法的次优解存在一定的不同，熵权-TOPSIS、RSR法得出D3S2处理为次优解，而PCA法得出D1S2为次优解。可能的原因是PCA法受到高度自相关的指标太多，影响到最终评价结果。

4　结 论

筛选节水节肥、环境友好型的高产高效型施肥灌水组合的研究，以宁夏引黄灌区春玉米为研究对象，基于熵权-TOPSIS法、PCA法和RSR法共3种综合评价方法，探究不同施肥灌水组合对春玉米生理-产量-品质指标的影响，并筛选最佳水肥组合策略为研究内容。主要结论如下：

1）合理的水肥供应对春玉米生理-产量-品质具有显著协同增效作用。与D1S0处理相比，D2S2处理（滴灌量：3 300 m³/hm²，N‑P₂O₅‑K₂O：417‑143‑44 kg/hm²）下，春玉米的株高、茎粗、LAI、干物质质量及叶片P_n、SAPD等生长生理指标均显著提高；并显著增加了玉米的籽粒产量和百粒重；同时，籽粒支链淀粉含量、直链淀粉含量及粗蛋白含量也显著增加。

2）经熵权-TOPSIS、PCA和RSR法对10个水肥组合进行综合评价得出，D2S2处理在3种评价方法中均是最佳施肥灌水组合。因此，可将滴灌量为3 300 m³/hm²以及N-P₂O₅-K₂O施肥水平为 417-143-44 kg/hm²组合作为宁夏引黄灌区春玉米高产、优质、增效的最佳水肥组合策略。

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基金资助

宁夏高质量发展与生态保护科技创新示范项目(NGSB-2021-3-02)

宁夏自然科学基金项目(2021AAC03072)

宁夏区重点研发项目(2019BBF02003)

宁夏粮食作物种质创制与生长调控科技创新团队项目(2022BSB03109)