水氮耦合條件下打瓜產(chǎn)量及耗水性的模糊綜合評判

徐 劍,趙經(jīng)華,馬英杰,楊 磊，陳凱麗

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.阿勒泰地區(qū)水利管理處，新疆 阿勒泰 836500)

打瓜(Citrulluslanatus. ssp. var.megalaspermus. Lin et Chao)屬于西瓜的變種，白瓤黑籽，形體為較規(guī)則圓形。籽粒作為打瓜主要經(jīng)濟產(chǎn)物，分紅、黑兩種，含有豐富的精氨酸和亞油酸等營養(yǎng)物質[1]。打瓜管理簡便、對種植土壤要求低、生長周期短，深受農(nóng)戶喜愛并成為部分地區(qū)的首選種植作物[2-3]。新疆阿勒泰地區(qū)打瓜種植面積逐年增加，在農(nóng)產(chǎn)品中的地位越來越高。新疆地處亞洲腹心，氣候干旱少雨，水資源貧乏，農(nóng)業(yè)水資源利用效率低[4-5]，新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展受到巨大挑戰(zhàn)。具備土壤肥料資源是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提，但過量使用肥料會破壞土壤結構、污染水源[6]。目前新疆肥料利用率較低，浪費肥料現(xiàn)象嚴重[7]，日益發(fā)展的打瓜產(chǎn)業(yè)與易受水肥影響的種植環(huán)境之間的矛盾逐步顯現(xiàn)。近年來對打瓜的研究多集中在高產(chǎn)栽培技術和取籽機械等方面[8-10]，在不同水肥耦合的基礎上，以節(jié)水增產(chǎn)為目的研究打瓜的灌水周期和灌溉定額，制定種植打瓜合理的灌溉制度具有實際意義。在水肥耦合試驗下，林彥宇[11]、韓丙芳等[12]分別對水稻和玉米做了模糊評判，表明該方法能較好地解決大田試驗灌溉制度擇優(yōu)問題。本文結合大田試驗分析和模糊綜合評判方法，研究不同水氮組合對打瓜產(chǎn)量及耗水指標的影響，確定有利于打瓜節(jié)水增產(chǎn)的水氮組合處理，為北疆打瓜水肥高效利用灌溉制度提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017年5月-8月在阿爾泰地區(qū)灌溉實驗站(東經(jīng)87°35′56″，北緯47°00′56″)進行。經(jīng)測定，試驗地0～60 cm土層土壤容重為1.85 g·cm-3，田間持水量為20.1%，土壤全氮0.027%，速效氮19.5 mg·kg-1，速效磷9.0 mg·kg-1, 速效鉀92.4 mg·kg-1。2017年打瓜生育期內(nèi)氣溫≥15℃的活動積溫為2 285℃。灌溉水源來自哈拉霍英干渠，水質pH值為8.10，偏堿性。試驗期間氣象數(shù)據(jù)見表1。

1.2 試驗設計

試驗材料選用黑大片打瓜品種(生育期105 d左右)，采用一膜一管兩行布置方式和40+80 cm寬窄行種植方式。

經(jīng)過實地調研，以當?shù)卮蚬瞎喔戎贫葹榛A設計試驗。田間試驗設計包含灌水定額、施氮量2個因素。氮肥(N)設3個水平：N1、N2、N3，分別為0、138、276 kg·hm-2；灌水定額(W)設3個水平：W1、W2、W3，分別為300，450，600 m3·hm-2。試驗共3個重復，每個重復9個處理，即W1N1、W1N2、W1N3、W2N1、W2N2、W2N3、W3N1、W3N2、W3N3處理，共27個小區(qū)，按照隨機方式排列。打瓜試驗區(qū)面積共0.513 hm2，單個小區(qū)種植寬度3.6 m，面積140 m2，各小區(qū)之間相隔1.2 m。

灌水方式為定周期灌水，設計灌水周期為7 d。由于7月干燥少雨(表1)，在試驗過程中，還未達到灌溉設計時間打瓜已出現(xiàn)“塌蔫”現(xiàn)象，為保證打瓜產(chǎn)量，故在實際灌水中縮短或延長灌水周期1～2 d，實際灌水周期為5～8 d。5月14日施底肥，配方為磷酸二銨195 kg·hm-2和鉀肥105 kg·hm-2；分別在二水和三水追氮肥，田間灌溉施氮方案如表2。為保證產(chǎn)量，當果實橫徑生長至4 cm左右時開始灌溉。其他農(nóng)藝措施與當?shù)爻Ｒ?guī)管理一致。

表1 2017年試驗地區(qū)基本氣象資料

表2 打瓜滴灌及施氮試驗設計

1.3 指標測定與研究方法

1.3.1 土壤含水率測定與計算 利用TRIME-HD2(德國)儀器獲得土壤含水率數(shù)據(jù)。參照康潔等[13]測量方法，每個處理布設3根Trime探測管，間距20 cm，埋深60 cm。在垂直方向上，每根管隔10 cm設1個測試點，每根管共6個測試點。

作物耗水量：作物全生育期耗水量ET用水量平衡原理[14]計算得出：

ET=P0+M+K-S-(Wt-Wo)

(1)

式中,P0為有效降雨量(mm)，≥5 mm的降雨量為有效降雨量；Wo、Wt分別為計算時段初、計算時段末土壤體積含水率；K為該時段地下水補給量，經(jīng)水位取樣檢測結果表明，該地區(qū)地下水水位在6 m以下，因此不計地下水補給(K=0)；S為該時段水的深層滲漏量，經(jīng)TRIME-HD2檢測，結果表明試驗地60 cm以下土壤含水率基本不變，因此不計深層滲漏量(S=0)。

水分利用效率WUE=Y/ET，Y為作物產(chǎn)量，ET為作物全生育期耗水量。在每個小區(qū)選中間行，隨機取10棵連續(xù)打瓜植株樣品進行測產(chǎn)，利用同倍比放大法[15]推得公頃產(chǎn)量；對各小區(qū)打瓜數(shù)量分別計數(shù)，將壞瓜數(shù)量與所有果實數(shù)量作比求得壞瓜率；將正常結籽的果實數(shù)量與小區(qū)所有果實數(shù)量的比值作為有效果實率；在收獲的打瓜中，用各小區(qū)打瓜非白片的干質量與全部籽粒干質量的比值作為籽粒質量成熟率(簡稱籽粒成熟率)；當用水分儀測得籽粒含水率為8%～10%時(當?shù)亓罆駮r間為2 d，每年不同)，稱取黑片干質量。數(shù)據(jù)整理及方差分析(LSD)分別用Excel 2010、SPSS 22.0完成。

1.3.2 模糊綜合評判 模糊綜合評判能將廣大領域中因素之間、因素與目標之間邊界模糊定量化，對目標產(chǎn)生唯一評價值，綜合評價的最終結果是對應目標選出最優(yōu)對象。為了減小不完全定量化程度，本文用層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)確定因素權重，計算過程用Excel 2010實現(xiàn)。模糊綜合評判相關公式如下：

隸屬度rij：

(2)

異向指標隸屬度rij：

(3)

集間關系采用“相乘有界和”算子°,

(4)

計算綜合評判矩陣S，評判結果采用最大隸屬原則，將Sn值排序，確定優(yōu)劣。

(5)

2 結果與分析

2.1 水氮耦合對打瓜產(chǎn)量及耗水指標的影響

不同灌水定額和施氮量對產(chǎn)量構成及耗水指標影響不同(表3)。一定施氮量下，隨著灌水定額的增大，黑片干重、有效果實率、籽粒成熟率、產(chǎn)量、WUE逐漸增大。W2N2處理和W3N2處理產(chǎn)量分別是W1N2的1.6倍和1.5倍；一定灌水定額處理下，隨著施氮量的增加，黑片干重、百粒重、耗水量、WUE、產(chǎn)量逐漸增大。W3N2處理和W3N3處理的產(chǎn)量分別是W3N1處理的2.3倍和2.2倍。分析表明，產(chǎn)量、產(chǎn)量構成及耗水指標隨單因素灌水定額或施氮量的增加而增加；與增加灌水定額相比，增加施氮量打瓜增產(chǎn)效果明顯。

由表3可以看出，W2N2處理黑片干重、有效果實率最高，黑片干重較其他處理差異顯著，W1N1處理黑片干重最小，W2N2處理黑片干重是W1N1處理的3.1倍。表明增大灌水定額和施氮量能促進黑片干重的增加。其中W3N1處理壞瓜率最大為1.42%，W3N2處理籽粒成熟率最大，W1N1處理有效果實率和籽粒成熟率最小。W1N1處理果實數(shù)量最大，產(chǎn)量最低。與W1N1處理與W1N2處理相比，W2N3處理耗水量最高且差異顯著。產(chǎn)量由高到低排序前5位的處理為：W2N2>W2N3>W3N2>W3N3>W1N3，W1N1處理產(chǎn)量最小，W2N2處理產(chǎn)量是W1N1處理的2.62倍，W3N3處理產(chǎn)量是W1N1處理的2.43倍。水分利用效率前5位的處理由高到低排序為W3N3>W2N2>W3N2>W2N3>W1N3，W3N1處理水分利用效率最小，W3N3處理是W3N1處理的2.1倍。分析表明，較低的水氮量限制打瓜增產(chǎn)，較高的灌水定額和施氮量促進增產(chǎn)，并提高水分利用效率，隨著水氮量繼續(xù)增加產(chǎn)量不再增加。

在9種處理中，W3N3處理水分利用效率最高，產(chǎn)量絕對值為第4位；W2N2處理產(chǎn)量最高，比W3N3處理高7.3%，其水分利用效率僅次于W3N3處理。W2N2與W3N3的產(chǎn)量、UWE無顯著差異，與W3N3相比，W2N2處理節(jié)水省肥且有利于打瓜增產(chǎn)，更符合節(jié)水灌溉需求。

2.2 確定評價指標與計算模糊集矩陣

根據(jù)節(jié)水增產(chǎn)的目的，本文將黑片干重、果實數(shù)量、壞瓜率、有效果實率、百粒重、籽粒成熟率、產(chǎn)量、打瓜耗水量、水分利用效率(WUE)作為一級評價指標(表3)。以大田試驗數(shù)據(jù)為基礎，將指標數(shù)值歸一化處理，得到3組性狀模糊集R11、R12、R13(表4)。

2.3 確定權重

因素間重要程度存在差異，故不同因素對應權重不同。本文采用AHP中的“和法”確定因素權重。由判斷矩陣(表5)可以看出因素A1～A9的權重分別為：D1=(0.142，0.079，0.030，0.062，0.021，0.043，0.274，0.086，0.262)。判斷矩陣A的最大特征根λ1max=10.14，計算得C.I.=0.1430，9維矩陣R.I.=1.46，C.R.=0.097，故由判斷矩陣A所得的權重效度可靠。

表3 水氮耦合下打瓜產(chǎn)量構成和耗水指標

注：同一列不同小寫字母代表處理間差異達到顯著水平(P<0.05)。下同。

Notes： The same list of different lowercase letters represents a significant difference within treatments (P<0.05). The same below.

表4 水氮耦合下打瓜的性狀模糊集

表5 判斷矩陣A及權重

注:A1～A9依次代表一級評價指標;D表示權重。

Note: A1～A9 represents the first-level evaluation index in turn;Drepresents the weight.

2.4 一級評判

集間關系采用“相乘有界和”法則，分別計算權重D1與性狀矩陣R11、R12、R13的乘積，得到一級綜合評判矩陣S11、S12、S13。

S11=D1°R11

=(0.142，0.079，0.030，0.062，0.021，

0.043，0.274，0.086，0.262)

S12=D1°R12

=(0.142，0.079，0.030，0.062，0.021，

0.043，0.274，0.086，0.262)

S13=D1°R13

=(0.142，0.079，0.030，0.062，0.021，

0.043，0.274，0.086，0.262)

計算表明，在灌水定額W1處理(300 m3·hm-2)下，N3處理(施氮量為276 kg·hm-2)的評價最高；N2處理(施氮量為138 kg·hm-2)次之，N1處理(施氮量為0 kg·hm-2)評價最低。在灌水定額W2和W3處理(灌水定額450 m3·hm-2和600 m3·hm-2)下，對N2處理的評價均最高，N1處理評價均最低，故選擇N2處理作為打瓜施肥方案較為合適。由打瓜大田指標數(shù)據(jù)表可知，在W1處理中，N3處理產(chǎn)量與WUE均最大；N1處理除壞瓜率外，其他指標均最小，說明N3處理有利于打瓜增產(chǎn)；在灌水定額W2和W3處理中，N2處理產(chǎn)量、WUE、黑片干重、籽粒成熟率、有效果實率均最大。N1處理產(chǎn)量和WUE等指標值相對其他處理最小。因此，選擇N2處理作為打瓜種植施肥方案較為合適。綜上分析表明評判結果與大田試驗結果一致。

2.5 二級評判

利用3種不同的灌水定額，構造判斷矩陣C(表6)，用C1、C2和C3分別作為W1、W2和W3三種灌水定額的因素符號，權重為D2=(0.228，0.648，0.125)。其中判斷矩陣C的最大特征值λ2max=3.085，C.I.=0.043，3維R.I.=0.52，C.R.=0.082<0.1。經(jīng)一致性檢驗D2效度可靠。

表6 判斷矩陣C

結果表明，灌水定額的評價值由高到低順序為W2>W3>W1，其中對W2處理評價最高。與W1處理和W3處理相比，W2處理更有利于打瓜節(jié)水增產(chǎn)。綜合兩次評判結果表明，對W2N2處理評價最高，W2N3處理次之，對W1N1評價最低，說明W2N2處理更適合作為打瓜灌溉施肥制度，與2.1分析結果一致。

3 討 論

3.1 評判指標的確定

單個評判因素的質量直接影響評判目標的實現(xiàn)程度。當評判因素質量越高，其對于目標的真實性、全面性就越清晰，目標的實現(xiàn)程度也隨之增大[16-17]。韓丙芳等[12]以水肥互調和提高水分利用效率為目標，認為利用模糊評判選出最優(yōu)水肥組合處理與玉米產(chǎn)量相關性狀有著密切的聯(lián)系，這與本研究不同。本研究目標層是選擇最優(yōu)水肥耦合處理，為北疆打瓜水肥高效利用提供科學依據(jù)。為建立能夠反映目標層實際情況的評判因素，將增產(chǎn)指標、節(jié)水指標、環(huán)境映射指標、果實品質指標作為基礎評判因素，并構成一級評判體系。為了直接體現(xiàn)不同水氮處理下打瓜增產(chǎn)情況，將產(chǎn)量和黑片干重作為評價增產(chǎn)指標。作物水分利用效率(WUE)是對農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)活動節(jié)水評價的重要指標[18]，且 WUE與耗水量是受生物學特性、氣象條件、土壤條件、作物栽培措施綜合影響的指標。WUE和耗水量能夠反映當?shù)卮蚬显诓煌獥l件下種植的節(jié)水情況，故選擇WUE和耗水量作為評價節(jié)水指標。通過對果實數(shù)量、百粒重、壞瓜率、有效果實率、籽粒成熟率指標方差分析，發(fā)現(xiàn)各處理間壞瓜率與有效果實率差異不顯著，部分處理籽粒成熟率、果實數(shù)量、百粒重差異顯著。說明普遍因素(外部環(huán)境、農(nóng)藝措施、品種)對各處理打瓜影響較大，果實數(shù)量、百粒重、壞瓜率、有效果實率、籽粒成熟率與環(huán)境之間表現(xiàn)出多對一的映射關系。將壞瓜率、有效果實率、籽粒成熟率、果實數(shù)量、百粒重作為評判因素，具有對研究區(qū)打瓜種植環(huán)境、該地區(qū)農(nóng)藝措施、打瓜品種的代表性。其中壞瓜率、有效果實率、籽粒成熟率、果實數(shù)量是反映果實品質的重要指標，將果實品質指標作為評判因素，有利于體現(xiàn)目標真實性與全面性。

3.2 大田試驗分析在綜合評判法中的實現(xiàn)

結合評判結果與大田試驗結果表明，模糊綜合評判結果和大田試驗結果基本一致，說明W2N2處理較其他處理更適合北疆打瓜節(jié)水增產(chǎn)種植，基于AHP的模糊綜合評判模型能夠較好解決北疆打瓜大田試驗灌溉制度擇優(yōu)問題，這與汪順生等[19]的結論一致。但是，該模型考慮的因素尚不完善，在以后的研究中，可以將打瓜籽粒生化與形態(tài)品質和干物質中肥料元素積累量等指標作為討論因素，對打瓜大田試驗進行多層次分析。

林彥寧、韓丙芳等[11-12]將水肥組合處理作為一個整體因素進行討論，其優(yōu)點是能夠體現(xiàn)各水肥組合處理間交叉的優(yōu)劣順序，這與本研究不同。本研究將水肥分開討論，其優(yōu)點是能說明何種單個氮處理、單個灌水處理有利于作物節(jié)水增產(chǎn)；缺點是不能體現(xiàn)各組合處理間交叉的優(yōu)劣順序。在以后的研究中可以結合上述2種方法對水肥耦合打瓜進行分析。

3.3 水肥耦合對產(chǎn)量和耗水指標的影響

在農(nóng)田生產(chǎn)中，灌溉和施肥是不可缺少的農(nóng)藝措施，其中水分和肥料的定量是一個重要的理論問題。水分和肥料對作物有著交叉影響，找到水肥對作物影響的最優(yōu)交點，就可能實現(xiàn)低投入和高產(chǎn)出的目標[20]。本研究結果表明，各水氮處理壞瓜率、有效果實率、籽粒成熟率差異不顯著，可能原因是：成熟后期是打瓜瓤變關鍵期[21]，由于試驗條件限制，提前7 d收獲打瓜，成熟期從32 d縮減至25 d，造成瓤變不充分，可能使得有效果實率、籽粒成熟率差異不顯著。不同水氮處理間打瓜產(chǎn)量和WUE差異顯著，且當水氮供應量接近閾值時打瓜產(chǎn)量和WUE更高。水肥量遠離閾值，打瓜產(chǎn)量下降。當水氮量繼續(xù)增大時，造成打瓜產(chǎn)量下降和成本增加，與王力和岳文俊等[22-23]結論一致(由于對水肥耦合打瓜的研究鮮有報道，故與同科作物比較分析)。高水高氮處理WUE最高，這點與王力結論不同。在9個處理中，部分水氮處理之間耗水量差異不顯著，造成此現(xiàn)象的原因可能是：打瓜在成熟期耗水量較高，僅次于耗水量最高階段的膨大期(另文發(fā)表，同科作物甜瓜耗水量變化規(guī)律[24]與打瓜類似，可作參考)，成熟期被縮減7 d或將影響各水肥處理間耗水量差異性。

本文研究未考慮籽粒品質，在以后的研究中可以將籽粒品質作為研究對象，分析出有利于提高打瓜籽粒品質的灌溉施肥制度，為北疆地區(qū)打瓜節(jié)水調質灌溉提供科學依據(jù)。由W2處理和W3處理產(chǎn)量分析表明，在該試驗設計范圍內(nèi)，最高產(chǎn)量的閾值在W2和W3處理間。本試驗灌水定額梯度增量為150 m3·hm-2，在以后的研究中可以在450 m3·hm-2和600 m3·hm-2灌水定額范圍內(nèi)設計試驗，并減小灌水定額梯度，進一步優(yōu)化試驗。

4 結 論

1)與其他處理相比，施氮量138 kg·hm-2與灌水定額450 m3·hm-2水氮處理黑片干重、有效果實率、產(chǎn)量最高，水分利用效率較高，僅次于最高處理且無顯著性差異，該水氮處理適合作為節(jié)水增產(chǎn)的灌溉制度。

2)在產(chǎn)量構成及耗水指標的基礎上，利用模糊評判對水氮耦合條件下打瓜產(chǎn)量和水分利用效率進行分析，結果表明施氮量138 kg·hm-2與灌水定額450 m3·hm-2的水氮組合評價最優(yōu)，評判結果與試驗分析結果一致。結合評判結果與大田試驗結果，建議選用施氮量138 kg·hm-2與灌水定額450 m3·hm-2的水氮處理構建打瓜灌溉施肥制度。