趙經(jīng)華 徐 劍 馬英杰 楊文新 胡建強(qiáng)

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 烏魯木齊 830052)

0 引言

向日葵(HelianthusL.)屬菊科向日葵屬栽培種[1]，源于北美洲?？蓜澐譃閮煞N：油料向日葵(HelianthustuberosusL.)主要作為榨油原料，食用向日葵(HelianthusannuusL.，簡(jiǎn)稱(chēng)食葵)主要作為休閑和保健食品[2]。食葵抗旱耐堿性能良好，適應(yīng)新疆干旱少雨和土地堿性大的種植環(huán)境[3]，常年種植面積高達(dá)20萬(wàn)hm2。新疆已成為全國(guó)第二大食葵種植區(qū)[4-5]，北疆食葵灌溉制度相對(duì)守舊，水資源利用效率低，嚴(yán)重阻礙新疆農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)及生態(tài)發(fā)展[6]。

相關(guān)研究表明，向日葵長(zhǎng)勢(shì)和產(chǎn)量對(duì)不同灌水定額響應(yīng)狀態(tài)具有差異性，合適的灌水定額既能保證植株長(zhǎng)勢(shì)良好，又能增加產(chǎn)量[7-8]。田德龍等[9-10]研究發(fā)現(xiàn)，626～1 088 m3/hm2灌水量下向日葵株高、莖粗和葉片長(zhǎng)勢(shì)較優(yōu)，且產(chǎn)量較高。郭富強(qiáng)等[11]研究表明，與正常灌水定額相比，80%正常灌水定額有效促進(jìn)向日葵產(chǎn)量和株高增大。曾文治[12]研究發(fā)現(xiàn)，在氮和鹽施加量一定時(shí)，65%田間持水率灌水量下向日葵株高、花蕾直徑、產(chǎn)量增大效果顯著。

目前，關(guān)于北疆地區(qū)膜下滴灌食葵生長(zhǎng)和產(chǎn)量方面的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，北疆多以作物長(zhǎng)勢(shì)作為預(yù)測(cè)收獲豐欠的依據(jù)，且作物灌溉制度多以增加產(chǎn)量為目的，其節(jié)水效能亟待增強(qiáng)[13-14]，故研究滴灌食葵灌溉制度對(duì)指導(dǎo)北疆滴灌食葵灌溉具有重要意義。本文在膜下滴灌基礎(chǔ)上，以促進(jìn)食葵植株生長(zhǎng)、提高食葵產(chǎn)量和水分利用效率為目標(biāo)，結(jié)合時(shí)序動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法，探究不同灌水定額對(duì)食葵生長(zhǎng)指標(biāo)的影響，分析不同灌水定額下食葵生長(zhǎng)指標(biāo)與產(chǎn)量、耗水量的關(guān)系，以期為北疆地區(qū)改進(jìn)食葵灌溉制度提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017年5—9月在阿爾泰地區(qū)灌溉試驗(yàn)站(東經(jīng)87°35′56″，北緯47°00′56″)進(jìn)行，平均海拔538 m。土質(zhì)為多礫石沙土，試驗(yàn)地0～60 cm土層土壤容重為1.81 g/cm3，田間持水率為21.2%，土壤養(yǎng)分全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.027%，速效氮質(zhì)量比為19.5 mg/kg，速效磷質(zhì)量比9.0 mg/kg, 速效鉀質(zhì)量比92.4 mg/kg。2017年5—9月食葵活動(dòng)積溫為2 502℃(大于等于15℃)。由哈拉霍英干渠提供灌溉用水，水質(zhì)pH值為8.10，試驗(yàn)期間氣象數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 2017年試驗(yàn)站基本氣象資料Tab.1 Basic meteorological data of experiment station in 2017

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用中晚熟食葵品種JN361。選用內(nèi)鑲貼片式滴灌帶灌溉，毛管直徑16 mm，壁厚0.2 mm，滴頭間距300 mm，滴頭流量2.2 L/h。

經(jīng)阿勒泰實(shí)地調(diào)研，以當(dāng)?shù)厥晨喔戎贫葹樵囼?yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)。試驗(yàn)設(shè)5個(gè)不同灌水定額W1～W5，灌水定額分別為300、375、450、525、600 m3/hm2，食葵灌溉方案如表2所示，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，單個(gè)小區(qū)0.021 hm2。小區(qū)布置以W1至W5灌水定額由大到小順序方式排列。采用1膜1管2行、40 cm+80 cm寬窄行種植方式，設(shè)計(jì)灌水周期為7 d，在試驗(yàn)過(guò)程中還未達(dá)到設(shè)計(jì)灌水周期食葵已出現(xiàn)缺水現(xiàn)象，故在實(shí)際灌水中縮短灌水周期1～2 d，實(shí)際灌水周期為6～8 d。

5月18日播種，5月21日灌出苗水，底肥為磷酸二銨195 kg/hm2，鉀肥105 kg/hm2。在現(xiàn)蕾初期進(jìn)行第1次試驗(yàn)灌溉(表3)。其他農(nóng)藝措施與當(dāng)?shù)匾恢隆?/p>

表2 2017年阿勒泰試驗(yàn)站食葵灌溉制度Tab.2 Sunflower irrigation system at Altay Experiment Station in 2017

表3 2017年食葵生育期Tab.3 Growth stage of sunflower in 2017 d

1.3 指標(biāo)測(cè)定方法

(1)作物耗水量

利用TRIME-HD2型便攜式土壤水分測(cè)量?jī)x(德國(guó))獲得土壤含水率數(shù)據(jù)。參照康潔[15]的測(cè)量方法，每個(gè)處理設(shè)2個(gè)Trime探測(cè)管(長(zhǎng)度相同，均為1 m)，間隔20 cm。沿Trime探測(cè)管方向每隔10 cm設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共設(shè)6個(gè)測(cè)點(diǎn)。灌水前后、雨后加測(cè)。土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層為600 mm，采用水量平衡原理[16]計(jì)算作物全生育期耗水量

SET=WT+P0+K+M-(Wt-W0)

(1)

式中SET——食葵生育期耗水量(ET)，mm

WT——計(jì)劃濕潤(rùn)層增加的儲(chǔ)水量，mm

P0——有效降雨量，mm

K——地下水補(bǔ)給量，mm，經(jīng)水位取樣檢測(cè)結(jié)果表明，該地區(qū)地下水埋深大于6 m，因此不計(jì)地下水補(bǔ)給

M——時(shí)段灌水量，mm

Wt——t時(shí)刻土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層儲(chǔ)水量，mm

W0——初始時(shí)刻土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層儲(chǔ)水量，mm

(2)生長(zhǎng)指標(biāo)和產(chǎn)量

從出苗日期開(kāi)始，每10 d對(duì)食葵株高、葉片數(shù)、盤(pán)徑和莖粗檢測(cè)一次，測(cè)量工具為卷尺(mm)和游標(biāo)卡尺(mm)。采用同倍比放大法[17]，利用株數(shù)、面積和干籽粒質(zhì)量折算產(chǎn)量；籽粒曬干后，在每小區(qū)隨機(jī)選取100粒食葵種子，稱(chēng)百粒質(zhì)量；將殼仁分離，籽粒仁與籽粒殼質(zhì)量比值稱(chēng)為出仁率；利用產(chǎn)量與耗水量計(jì)算作物水分利用效率(WUE)。

1.4 分析方法

1.4.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

食葵株高、葉片數(shù)、盤(pán)徑和莖粗的數(shù)學(xué)量綱不一致，且生長(zhǎng)指標(biāo)間存在不可公度性現(xiàn)象，故需對(duì)生長(zhǎng)指標(biāo)數(shù)據(jù)預(yù)處理，為得出準(zhǔn)確綜合評(píng)價(jià)結(jié)果奠定基礎(chǔ)。與產(chǎn)量及其構(gòu)成等成果性指標(biāo)不同，生長(zhǎng)指標(biāo)和時(shí)序關(guān)系密切，在不同時(shí)序階段食葵株高和盤(pán)徑等生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)最終產(chǎn)量影響不同，即不同生育階段需用不同數(shù)據(jù)標(biāo)椎化法處理相同生長(zhǎng)指標(biāo)數(shù)據(jù)。指標(biāo)可以分為效益型、成本型和區(qū)間型，采用劉龍舉相應(yīng)數(shù)據(jù)處理方法[18]。

1.4.2動(dòng)態(tài)綜合評(píng)價(jià)法

食葵株高、葉片數(shù)、盤(pán)徑和莖粗生長(zhǎng)指標(biāo)是以時(shí)間和不同灌水定額為基礎(chǔ)的三維立體數(shù)據(jù)，為體現(xiàn)食葵生長(zhǎng)指標(biāo)在不同生育階段和時(shí)序的重要性，本文利用郭亞軍等[19]的二次加權(quán)評(píng)價(jià)法,將立體數(shù)據(jù)中時(shí)間維和生長(zhǎng)指標(biāo)維集結(jié)，得出最終評(píng)價(jià)結(jié)果。二次加權(quán)評(píng)價(jià)法采用了TOWA算子或TOWGA算子，由于株高和葉片數(shù)等生長(zhǎng)指標(biāo)具有整體性，生長(zhǎng)指標(biāo)間不存在獨(dú)立性，故本文選用TOWGA算子二次加權(quán)評(píng)價(jià)法以強(qiáng)調(diào)食葵生長(zhǎng)指標(biāo)在各生育階段變化的均衡性，二次加權(quán)評(píng)價(jià)公式為

(2)

式中hi——時(shí)序動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)值

G(·)——TOWGA算子函數(shù)

tk——苗后時(shí)間，d

yi——線(xiàn)性加權(quán)評(píng)價(jià)值

wbk——食葵生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)苗后時(shí)間的權(quán)向量元素

bik——TOWGA算子的第2分量

郭亞軍等[19]采用給定“時(shí)間度”λ的非線(xiàn)性規(guī)劃方程求解時(shí)間權(quán)向量。在給定次數(shù)迭代下，通過(guò)遺傳算法能突破僅接近局部解限制，并得到局部最優(yōu)解，本文在此方法基礎(chǔ)上利用基于遺傳算法的粒子群算法[20]改進(jìn)時(shí)間權(quán)向量求解方法，基本非線(xiàn)性規(guī)劃方程為

(3)

其中λ為時(shí)間度，λ∈[0,1]，該值是對(duì)不同時(shí)刻數(shù)據(jù)重要程度的界定，當(dāng)limλ=1,表示距tk時(shí)刻遠(yuǎn)期的數(shù)據(jù)重要；當(dāng)limλ=0，表示距tk時(shí)刻近期的數(shù)據(jù)重要。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2016整理后，利用SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，利用LSD法檢驗(yàn)差異顯著性(p<0.05)。采用Excel 2016作圖，利用Matlab 8.0運(yùn)行粒子群算法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水定額對(duì)食葵生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

2.1.1對(duì)食葵株高和單株葉片數(shù)的影響

不同灌水定額對(duì)食葵株高影響不同(圖1a)，各處理食葵株高隨時(shí)間延后而呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后穩(wěn)定態(tài)勢(shì)。苗后27～47 d，各處理食葵株高均快速增大，各處理苗后47 d較苗后27 d株高分別增長(zhǎng)2.7、3.3、3.2、3.6、4.7倍，W4處理植株最高，且較W1處理株高增長(zhǎng)率為17.8%。苗后47～57 d，各處理食葵株高增長(zhǎng)速度減緩，各處理苗后57 d較47 d株高增長(zhǎng)率分別為18.1%、22.3%、21.2%、23.0%和26.2%，W4處理株高最大，較W1處理增長(zhǎng)率為23.3%。苗后57～77 d，W1～W4處理株高緩慢減小。與苗后57 d相比，苗后77 d W1～W4處理株高減小量占比分別為5.1%、5.2%、11.1%和10.3%，W5處理株高緩慢增大，增長(zhǎng)率為6.3%。苗后57 d左右，W1～W4處理食葵株高達(dá)到最大值。在苗后77 d，W5處理株高達(dá)到最大值。苗后77～97 d，W1～W3處理株高趨于穩(wěn)定，W4處理株高持續(xù)下降，W4處理株高減小量占比為4.9%，W5處理株高最大。苗后87 d，W5處理株高開(kāi)始減少，至苗后97 d，減小量占比為1.8%。綜上表明，食葵株高隨灌水定額增加而增大，高灌水定額有效延長(zhǎng)食葵株高增大時(shí)間。

圖1 不同灌水定額下食葵株高和單株葉片數(shù)變化規(guī)律Fig.1 Variations of plant height and leaf number of sunflower under different irrigation quotas

在不同生育階段食葵葉片數(shù)對(duì)不同灌水定額響應(yīng)不同(圖1b)。不同灌水定額下食葵葉片數(shù)表現(xiàn)為“雙峰”變化規(guī)律。苗后27～37 d，不同灌水定額下食葵葉片數(shù)快速增大，葉片數(shù)增加速度最快。各處理葉片數(shù)增長(zhǎng)率分別為48.2%、44.3%、52.2%、54.4%和43.4%。W4處理葉片數(shù)最多，W1處理最少。W4和W5處理較W1處理葉片數(shù)增長(zhǎng)率分別為8.1%和4.3%。苗后37～47 d，各處理葉片數(shù)增加速度減緩，并在47 d達(dá)到第一峰值，各處理葉片數(shù)增長(zhǎng)率均在2.0%～6.0%范圍內(nèi)，其中W3處理和W4處理葉片數(shù)最多，W1處理最少。苗后47～77 d，各處理葉片數(shù)逐漸減少，各處理葉片數(shù)減小量占比分別為13.2%、12.0%、19.1%、20.2%和20.4%，并在苗后77 d達(dá)到谷值，其中W2處理葉片數(shù)最多，W5處理最少。苗后77～87 d，各處理葉片數(shù)表現(xiàn)為“單峰”規(guī)律，在苗后87 d葉片數(shù)達(dá)到第2峰值。W1～W4處理葉片數(shù)增長(zhǎng)率均在3.0%～4.0%范圍內(nèi)，W5處理為17.3%。其中W5處理葉片數(shù)最多，W1處理最少。W5處理較W1處理增長(zhǎng)率為11.2%。綜上表明，適量的灌水定額具有促進(jìn)食葵葉片數(shù)增多的能力，低灌水定額限制食葵葉片增長(zhǎng)。

2.1.2對(duì)食葵盤(pán)徑和莖粗的影響

不同灌水定額對(duì)食葵盤(pán)徑影響不同，各處理食葵盤(pán)徑隨時(shí)間延后而呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)(圖2a)。苗后37 d，各處理花盤(pán)逐漸出現(xiàn)，至67 d各處理盤(pán)徑快速增大，且在苗后57～67 d，各處理盤(pán)徑增長(zhǎng)速度最快。苗后67 d較47 d各處理盤(pán)徑分別增長(zhǎng)3.7、3.6、3.7、3.7、3.8倍。其中W4處理盤(pán)徑最大，W2處理最小，W4處理較W2處理盤(pán)徑增長(zhǎng)率為16.9%。此階段W5處理盤(pán)徑與W2處理相近。苗后67～97 d，W2～W4處理盤(pán)徑緩慢增加，盤(pán)徑增長(zhǎng)率分別為22.2%、18.8%和17.3%，其中W4處理盤(pán)徑最大，W2處理最小，W4處理較W2處理盤(pán)徑增長(zhǎng)率為21.3%。在該時(shí)段W1處理盤(pán)徑變化趨于平緩，其變化率(增長(zhǎng)率或減少量占比)僅為2.1%，在苗后77 d，W1處理盤(pán)徑達(dá)到最大值。苗后77～97 d，W1處理盤(pán)徑略微減小；苗后67～97 d，較其他處理，W5處理盤(pán)徑增大速度最快，其增長(zhǎng)率為37.8%。至苗后97 d，W5處理盤(pán)徑最大，W1處理最小，W5處理較W1處理盤(pán)徑增長(zhǎng)率為23.0%。綜上表明，高灌水定額有利于食葵盤(pán)徑增大，低灌水定額限制食葵盤(pán)徑生長(zhǎng)，縮短盤(pán)徑增大時(shí)長(zhǎng)的同時(shí)，出現(xiàn)盤(pán)徑縮減態(tài)勢(shì)。

在不同生育階段食葵莖粗對(duì)不同灌水定額響應(yīng)不同(圖2b)，與株高變化規(guī)律類(lèi)似，隨時(shí)間延后不同灌水定額下食葵莖粗表現(xiàn)為先增大后減小態(tài)勢(shì)。苗后27～47 d，各處理莖粗快速增長(zhǎng)，各處理莖粗增長(zhǎng)率分別為36.6%、34.6%、35.1%、53.4%和46.0%。其中W4處理莖粗最大，W1處理最小，W4處理較W1處理莖粗增長(zhǎng)率為25.3%。該時(shí)段各處理莖粗與苗后97 d莖粗占比分別為95.5%、97.8%、100%、100%和97.8%。苗后47～67 d，各處理莖粗緩慢增長(zhǎng)，各處理莖粗增長(zhǎng)率分別為11.1%、10.8%、11.9%、9.4%和9.2%。其中W4處理莖粗最大，W1處理最小，W4處理較W1處理莖粗增長(zhǎng)率為28.7%。苗后67～97 d，各處理莖粗逐漸減小。與苗后67 d相比，苗后97 d各處理莖粗減少量占比分別為5.8%、7.7%、14.0%、15.5%和7.0%。W4處理莖粗最大，W1處理最小，W4處理較W1處理莖粗增長(zhǎng)率為10.2%。綜上表明，食葵莖粗隨著灌水定額增大而增大，較低或較高的灌水定額不利于莖粗增大。由不同時(shí)段莖粗占比分析可知，苗后27～47 d是食葵莖粗主要生長(zhǎng)階段，且在苗后47～67 d，不同灌水定額對(duì)食葵莖粗影響最大。

圖2 不同灌水定額下食葵盤(pán)徑和莖粗變化規(guī)律Fig.2 Variations of disc diameter and stem diameter of sunflower under different irrigation quotas

不同灌溉定額對(duì)食葵生長(zhǎng)指標(biāo)影響不同。與苗期相比，成熟期W1～W5處理株高分別增長(zhǎng)3.0、3.8、3.3、3.7、4.8倍，W5處理株高增長(zhǎng)量分別是W1～W4處理的1.6、1.4、1.5、1.4倍。隨著灌溉定額增大，W1～W5處理葉片數(shù)增長(zhǎng)率分別為15.9%、14.2%、19.4%、13.7%和22.2%，W5處理葉片增長(zhǎng)量分別是W1～W4處理的1.4、1.6、1.2、1.6倍。與苗期相比，成熟期W1～W5處理盤(pán)徑增長(zhǎng)倍數(shù)分別為3.8、4.4、4.4、4.4、5.3倍，W5處理盤(pán)徑增長(zhǎng)量分別是W1～W4處理的1.4、1.2、1.1、1.1倍。從苗期至成熟期，W1～W5處理莖粗增長(zhǎng)率分別為42.6%、38.1%、30.4%、41.6%和48.2%。W5處理莖粗增長(zhǎng)量分別是W1～W4處理的1.2、1.3、1.6、1.1倍。分析表明，食葵株高、葉片數(shù)、盤(pán)徑和莖粗隨著灌溉定額增加而增大，且高灌溉定額促進(jìn)食葵株高和葉片數(shù)增長(zhǎng)的效果較盤(pán)徑和莖粗明顯。

2.2 不同灌水定額下食葵生長(zhǎng)指標(biāo)與產(chǎn)量及耗水量的關(guān)系

由2.1節(jié)分析發(fā)現(xiàn)，在生殖生長(zhǎng)階段W5處理食葵株高、葉片數(shù)和盤(pán)徑的變化規(guī)律與其他處理不一致。苗后57～97 d，各處理株高開(kāi)始緩慢減小。與苗后57 d相比，苗后97 d W1～W4處理株高減小量占比分別為6.8%、7.0%、14.2%和17.1%，W5處理株高增長(zhǎng)率為4.2%。與苗后77 d相比，苗后97 d W1～W4處理葉片數(shù)減小量占比分別為12.3%、13.9%、9.3%和9.8%，W5處理葉片數(shù)增長(zhǎng)率為4.1%。與苗后67 d相比，苗后97 d W1～W5處理盤(pán)徑增長(zhǎng)率分別為2.1%、22.2%、18.8%、17.3%和37.8%。與苗后67 d相比，苗后77～97 d W1～W5處理莖粗減小量占比分別為4.9%、7.2%、12.3%、15.2%和5.0%。即在生殖生長(zhǎng)階段，W1～W4處理食葵株高和葉片數(shù)均不同程度減小，W5處理食葵株高和葉片數(shù)不減反增，該時(shí)段W5處理盤(pán)徑仍以較高速度增大，其莖粗減小量最小。綜上表明W5處理對(duì)食葵營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)段具有明顯延長(zhǎng)作用。

不同灌水定額下食葵生長(zhǎng)指標(biāo)與產(chǎn)量及其構(gòu)成關(guān)系密切(表4)，其中株高、葉片數(shù)、盤(pán)徑和莖粗取自7次灌溉后(即苗后97d)食葵生長(zhǎng)指標(biāo)的數(shù)值，使得生長(zhǎng)指標(biāo)與產(chǎn)量及其構(gòu)成間具備可比性。在全生育期，W1處理和W2處理食葵株高、葉片數(shù)、盤(pán)徑和莖粗均最小，W1處理單盤(pán)干籽粒質(zhì)量和百粒質(zhì)量最低(表4)；W4處理和W5處理株高、葉片數(shù)、盤(pán)徑和莖粗相對(duì)較大，其單盤(pán)干籽粒質(zhì)量、百粒質(zhì)量和產(chǎn)量最高。表明食葵生長(zhǎng)指標(biāo)和產(chǎn)量及其構(gòu)成因素存在正向關(guān)系，即適宜灌水定額能促進(jìn)食葵植株生長(zhǎng)，且產(chǎn)量較優(yōu)。

表4 不同灌水定額下食葵生長(zhǎng)指標(biāo)與產(chǎn)量及其構(gòu)成Tab.4 Growth indicators, yield and composition of sunflower under different irrigation quotas

注：同一指標(biāo)的不同字母表示數(shù)據(jù)間存在顯著性差異(p<0.05)。

圖1、2表明，與其他處理相比，W5處理有效促進(jìn)食葵株高、葉片數(shù)和盤(pán)徑增長(zhǎng)，且在生育期末時(shí)刻W5處理株高、葉片數(shù)和盤(pán)徑均最大，但W5處理食葵產(chǎn)量排名第2，出仁率最低。造成此現(xiàn)象的原因可能是：W5處理對(duì)食葵營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)段具有明顯延長(zhǎng)作用，在生殖生長(zhǎng)階段，W5處理食葵株高、葉片數(shù)和盤(pán)徑繼續(xù)生長(zhǎng)，引起食葵籽粒灌漿不充分，最終導(dǎo)致W5處理灌水定額下食葵產(chǎn)量較低。

結(jié)合不同灌水定額下食葵生長(zhǎng)指標(biāo)和耗水量變化曲線(xiàn)(圖3)可以看出，6月上旬至7月上、中旬，各處理食葵耗水量均快速增長(zhǎng)，各處理食葵株高、葉片數(shù)、莖粗和盤(pán)徑快速增大。至7月中旬，各處理食葵株高占末時(shí)段株高76.0%～98.0%，各處理葉片數(shù)和莖粗幾乎達(dá)全生育期最大值；7月中旬至8月中旬，各處理食葵耗水量雖出現(xiàn)波動(dòng)態(tài)勢(shì)但整體平穩(wěn)，各處理食葵株高、葉片數(shù)和莖粗雖有小幅度減小態(tài)勢(shì)但整體平穩(wěn)，各處理食葵盤(pán)徑以較高速度增大；8月中旬至9月上旬，各處理耗水量均減小，同時(shí)各處理株高、葉片數(shù)和莖粗均減小，盤(pán)徑緩慢增大。表明不同灌水定額食葵生長(zhǎng)指標(biāo)和耗水規(guī)律密切相關(guān)，在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，食葵株高、葉片數(shù)、盤(pán)徑和莖粗隨食葵耗水量增加而增大。

與苗后57 d相比，苗后97 d W1～W4處理株高減小量占比分別為6.8%、7.0%、14.2%和17.1%；與苗后67 d相比，苗后97 d W1～W4處理食葵莖粗減小量占比分別為5.8%、7.7%、14.0%、15.5%；苗后57～97 d(即7月下旬至9月上旬)，W1處理和W2處理耗水量持續(xù)減少，W3處理和W4處理耗水量先增加后減小(圖3)。表明不同灌水定額下食葵耗水量與株高和莖粗縮減量關(guān)系密切，較高灌水定額下食葵耗水量較高，且株高和莖粗縮減量較大；較低灌水定額下食葵耗水量偏低，且株高和莖粗縮減量較小。

圖3 不同灌水定額對(duì)食葵耗水量的影響Fig.3 Effects of different irrigation quotas on water consumption of edible sunflower

2.3 不同灌水定額下食葵生長(zhǎng)指標(biāo)的時(shí)序動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

由2.2節(jié)分析表明，在不同灌水定額條件下，食葵不同生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)對(duì)應(yīng)不同產(chǎn)量，即通過(guò)不同食葵生長(zhǎng)指標(biāo)數(shù)據(jù)能確定與之對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量趨勢(shì)。本節(jié)在不同灌水定額食葵生長(zhǎng)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，利用時(shí)序動(dòng)態(tài)模型對(duì)各處理提高食葵產(chǎn)量和水分利用效率的能力(潛能)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.3.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

由2.2節(jié)分析可得，苗期至初花期是食葵營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，此階段食葵株高、葉片數(shù)、盤(pán)徑和莖粗屬于效益型指標(biāo)，即生長(zhǎng)指標(biāo)越大越好，選用效益型數(shù)據(jù)處理方法對(duì)苗后27～67 d不同灌水定額下食葵生長(zhǎng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。從盛花期至成熟末期食葵應(yīng)以生殖生長(zhǎng)為主，食葵株高、葉片數(shù)和莖粗較小或較大均不利于食葵增產(chǎn)，此階段株高、葉片數(shù)、盤(pán)徑和莖粗轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)間型指標(biāo)，選用區(qū)間型數(shù)據(jù)處理方法歸一化苗后77～97 d食葵生長(zhǎng)指標(biāo)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果見(jiàn)表5。

2.3.2苗后時(shí)間食葵生長(zhǎng)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)確定

為體現(xiàn)數(shù)據(jù)自身客觀(guān)性，本文選用熵值法[21]確定不同苗后時(shí)間食葵生長(zhǎng)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，為基于時(shí)序的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)做準(zhǔn)備的同時(shí)，且能反映在不同苗后時(shí)間食葵株高、葉片數(shù)、盤(pán)徑和莖粗指標(biāo)間相對(duì)重要性。權(quán)重系數(shù)見(jiàn)表6。

由表6可以看出，綜合食葵株高、莖粗、葉片數(shù)和盤(pán)徑生長(zhǎng)指標(biāo)，苗后27 d食葵以增大株高為主，莖粗和葉片數(shù)相對(duì)增長(zhǎng)重要程度較低；苗后37 d，食葵以增加葉片數(shù)為主，株高和莖粗相對(duì)增長(zhǎng)重要程度較低。結(jié)合圖1b可得，苗后37 d各處理食葵葉片數(shù)基本增長(zhǎng)到最大值，同時(shí)說(shuō)明該階段食葵以葉片增長(zhǎng)為主；苗后47～77 d，食葵以生長(zhǎng)株高為主，盤(pán)徑增大為次要；苗后87～97 d，食葵分別以增大盤(pán)徑和莖粗為主。

表5 2017年不同灌水定額下食葵生長(zhǎng)指標(biāo)數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果Tab.5 Data preprocessing of sunflower growth indicators under different irrigation quotas in 2017

表6 不同苗后時(shí)間食葵生長(zhǎng)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)Tab.6 Weight coefficient of sunflower growth indicators at different post-seedling times

2.3.3加權(quán)綜合評(píng)價(jià)

利用線(xiàn)性加權(quán)綜合模型進(jìn)行第1次加權(quán)綜合[22]，得到各苗后時(shí)間的不同灌水定額方案評(píng)價(jià)數(shù)值，見(jiàn)表7。

表7 不同苗后時(shí)間下對(duì)不同灌水定額方案的評(píng)價(jià)值Tab.7 Evaluation values for different irrigation quota schemes at different times

2.3.4時(shí)間權(quán)向量求解

通過(guò)咨詢(xún)相關(guān)專(zhuān)家得知本試驗(yàn)條件下取“時(shí)間度”λ=0.1，在遺傳算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)式(3)非線(xiàn)性規(guī)劃方程求得食葵全生育期中8個(gè)苗后時(shí)間對(duì)應(yīng)的權(quán)重向量系數(shù)，并構(gòu)成時(shí)間權(quán)向量Wb=(0.010,0.021,0.012,0.001,0.028,0.022,0.313,0.549)T。在總迭代次數(shù)30 000的計(jì)算條件下，適應(yīng)度曲線(xiàn)在1 000次計(jì)算結(jié)果后，適應(yīng)度保持不變，該時(shí)間權(quán)向量具有高效度。

2.3.5二次加權(quán)評(píng)價(jià)

在第一次綜合評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，利用TOWGA算子，通過(guò)式(2)求得5種不同灌水定額評(píng)價(jià)值，W1、W2、W3、W4和W5處理評(píng)價(jià)值分別為0.170、0.451、0.492、0.778和0.669。

在近期數(shù)據(jù)極其重要條件下(λ=0.1)，基于食葵生長(zhǎng)指標(biāo)，以節(jié)水增產(chǎn)為目的，運(yùn)用TOWGA算子對(duì)5種不同灌溉制度提高產(chǎn)量和水分利用效率的能力排序。由評(píng)價(jià)結(jié)果看出，5種不同灌水定額評(píng)價(jià)值由大到小依次為：W4處理、W5處理、W3處理、W2處理、W1處理。排序結(jié)果表明，不同灌水定額下食葵生長(zhǎng)狀況可以分為3組，第1組包括W4處理和W5處理，該組處理下食葵植株綜合長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)于其他處理，具有提高作物水分利用效率和產(chǎn)量的潛能；第2組包括W3處理和W2處理，該組處理下食葵植株綜合長(zhǎng)勢(shì)處于中等水平，促進(jìn)作物水分利用效率和食葵產(chǎn)量增加的能力有限；第3組為W1處理，該組處理食葵植株生長(zhǎng)狀況處于劣勢(shì)，無(wú)高產(chǎn)潛能。

3 討論

食葵生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)不同灌水定額響應(yīng)不同，與低灌水定額相比，食葵生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)高灌水定額響應(yīng)積極。植株莖粗反映根系群生長(zhǎng)狀況[23]，在全生育期W5處理食葵莖粗均小于W4處理，表明與W4處理相比，W5處理食葵根系群欠發(fā)達(dá)，抗倒伏能力較弱。凌一波等[24]研究表明，向日葵株高和莖粗增長(zhǎng)速度隨著灌溉定額增加而增大，且在苗期至花期最大，本研究與此結(jié)論一致。凌一波等[24]還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灌溉定額從3 600 m3/hm2增加至5 400 m3/hm2，向日葵株高和莖粗逐漸增大，即株高和莖粗隨著灌水定額增加而增大。本研究與此結(jié)論類(lèi)似，但存在不同之處，本研究認(rèn)為當(dāng)灌水定額繼續(xù)增大，食葵株高和莖粗不再增大，并出現(xiàn)減小態(tài)勢(shì)?？讝|等[25]研究表明，不同水鹽條件對(duì)向日葵株高和莖粗等生長(zhǎng)指標(biāo)影響不同，高水鹽施加量具有明顯延遲向日葵營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的作用。本研究與此結(jié)論類(lèi)似，本文認(rèn)為高灌水定額下食葵營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段時(shí)間跨度較低灌水定額大。孔東等[25]研究還發(fā)現(xiàn)由于高施鹽量抑制向日葵生殖生長(zhǎng)導(dǎo)致減產(chǎn)，本文結(jié)論與該結(jié)論類(lèi)似。本研究認(rèn)為高灌水定額影響食葵生殖生長(zhǎng)，該影響的作用可能主要體現(xiàn)在以下兩方面：①延長(zhǎng)食葵營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，從而延長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)至生殖生長(zhǎng)過(guò)渡階段，而非抑制生殖生長(zhǎng)。在過(guò)渡和生殖生長(zhǎng)階段，W5處理食葵株高、葉片數(shù)、盤(pán)徑和莖粗無(wú)明顯減小趨勢(shì)，株高、葉片數(shù)和盤(pán)徑仍表現(xiàn)出增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。在各處理收獲日期相同的條件下，W5處理食葵生殖生長(zhǎng)階段較短，形成食葵籽粒生長(zhǎng)或灌漿不充分現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)量降低。②抑制食葵生殖生長(zhǎng)。在過(guò)渡和生殖生長(zhǎng)階段，W5處理下食葵生長(zhǎng)指標(biāo)繼續(xù)增大，加劇營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生的消極影響，抑制生殖生長(zhǎng)，使得W5處理出仁率最低，導(dǎo)致產(chǎn)量降低。

前人研究表明，綜合評(píng)價(jià)模型能適用于大田試驗(yàn)分析，并能較好地解決大田作物節(jié)水增產(chǎn)相關(guān)問(wèn)題[26-27]。汪順生等[28]研究表明，在冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成等靜態(tài)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)不同種植模式進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與大田試驗(yàn)結(jié)果一致。本研究在食葵株高和盤(pán)徑等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用時(shí)序動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型對(duì)不同灌水定額下增產(chǎn)潛能進(jìn)行評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)。利用時(shí)序動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型得出W4處理評(píng)價(jià)值最大的結(jié)論的同時(shí)，說(shuō)明了不同苗后時(shí)間食葵主要變化的生長(zhǎng)指標(biāo)。在5個(gè)處理中，W4處理最適合作為食葵實(shí)際灌溉制度(另文說(shuō)明)，此評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)結(jié)果與大田試驗(yàn)結(jié)果一致，同時(shí)說(shuō)明該模型能適用于大田試驗(yàn)評(píng)價(jià)分析。

本文圍繞食葵生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)植株長(zhǎng)勢(shì)和節(jié)水增產(chǎn)進(jìn)行了探討，文中涉及到的問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。將來(lái)研究方向需集中于待解決的問(wèn)題：在不同灌水定額食葵植株各器官干物質(zhì)質(zhì)量基礎(chǔ)上，結(jié)合生長(zhǎng)指標(biāo)，對(duì)不同灌水定額食葵植株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)量化分析，確定不同灌水定額下食葵營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)生物量與生殖生長(zhǎng)生物量占總生物量比例，探討不同灌水定額對(duì)食葵產(chǎn)量的影響，為指導(dǎo)北疆食葵實(shí)際灌溉和類(lèi)似研究提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)不同灌水定額顯著影響食葵生長(zhǎng)指標(biāo)。隨著灌水定額的增加，食葵株高、葉片數(shù)、盤(pán)徑和莖粗逐漸增大，300 m3/hm2灌水定額限制食葵植株生長(zhǎng)，525 m3/hm2和600 m3/hm2灌水定額下食葵生長(zhǎng)指標(biāo)增長(zhǎng)效果明顯。與盤(pán)徑和莖粗相比，高灌水定額更有利于促進(jìn)食葵株高和葉片數(shù)增長(zhǎng)。

(2)食葵生長(zhǎng)指標(biāo)和產(chǎn)量存在正向關(guān)系，即適宜灌水定額下長(zhǎng)勢(shì)較優(yōu)的食葵植株具有高產(chǎn)潛能。600 m3/hm2灌水定額下增大食葵營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)間跨度，不利于食葵增產(chǎn)。在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，食葵株高、葉片數(shù)、盤(pán)徑和莖粗隨著食葵耗水量增加而增大。與低灌水定額相比，高灌水定額下食葵耗水量較高，且株高和莖粗縮減量較大。

(3)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，時(shí)序動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型適用于大田試驗(yàn)評(píng)價(jià)分析，可為基于動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)的大田試驗(yàn)綜合分析提供參考。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，300 m3/hm2灌水定額下食葵提高產(chǎn)量和水分利用效率的潛能較小，525 m3/hm2灌水定額下食葵綜合長(zhǎng)勢(shì)最優(yōu)，具備高產(chǎn)量和高水分利用效率的潛能大。選擇525 m3/hm2灌水定額可以滿(mǎn)足實(shí)際食葵種植節(jié)水增產(chǎn)的要求。