寒地黑土玉米调亏灌溉和水氮耦合效应研究
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摘要
黑龙江省玉米种植带位于东北春玉米区的北部，是国家重要的商品粮基地，承担着保障国家粮食安全的重要使命。黑龙江省水资源总量为810.33亿m3，人均占有量和耕地亩均占有量都低于全国平均水平。水资源时空分布不均、季节性干旱频发、作物生育期内水量分布不均、水肥利用不合理等因素成为玉米植面积发展与产量稳定和提高的主要限制因素。调亏灌溉是一种从作物生理角度出发的新节水灌溉技术，以提高水分利用率和经济产量为目的。因此，开展调亏灌溉及调亏灌溉条件下的水肥耦合效应对玉米生长发育及产量的影响研究，能够为寒地黑土区节水型高产玉米生产技术的发展提供理论依据，对发展高效节水农业具有重要意义。
本文根据野外测坑与测筒试验的实测资料，运用对比分析方法、统计分析的方法、智能优化算法，详细探讨了不同调亏时期、不同水分亏缺程度以及调亏灌溉条件下水氮耦合对玉米生长发育指标、耗水量、水分利用效率、产量及产量构成因素的影响规律和作用效果，研究结论如下：
（1）玉米经水分亏缺复水正常灌溉后的株高有不同程度的补偿性生长，补偿性生长提高的幅度与复水生育期的灌溉水平有关，灌溉水平越高、株高补偿性增长量越大。苗期中度亏水处理在拔节期复水正常灌溉后，拔节期～灌浆期的株高增长量比同时段内全生育期正常灌溉处理提高了27%；苗期、拔节期均连续中度亏水处理在抽雄期复水正常灌溉后，抽雄期～灌浆期的株高增长量比同时段内全生育期正常灌溉处理提高了8%。适宜的调亏灌溉可以抑制植株地上部分的生长，促进植株根干质量的增加。全生育期均正常灌溉处理的地上部分干重比各调亏试验处理的平均地上部分干重高31%，苗期中度亏水处理、拔节期中度亏水处理的根干质量比全生育期均正常灌溉处理分别提高了7.7%、10.6；苗期中度亏水处理、拔节期中度亏水处理和抽雄期中度亏水处理的根冠比比全生育期均正常灌溉处理分别提高了20%、52%和21%，多生育期连续中度亏水将大大减小植株根干质量，适宜的水分亏缺可以增加植株的根冠比，更好的控制根与冠之间的分配比例。
低氮肥时，苗期水分亏缺对株高生长的影响小于拔节期，更小于抽雄期；中氮肥时，拔节期水分亏缺对株高生长的影响大于抽雄期水分亏缺；拔节期重度亏水，后期复水正常灌溉与结合高施氮量可以使株高得到较大的补偿性增长。苗期、拔节期连续重度水分亏缺对茎粗产生了不利影响；抽雄期中度或轻度亏水不会影响茎粗的生长。施氮量决定不同调亏时期的水分亏缺程度，苗期供应水分过高、氮肥过大会减少植株茎粗；拔节期水分亏缺时，植株茎粗受施氮量的影响较大，为了避免茎粗受到不利影响，水分亏缺程度越重，氮肥施用量就应该随之增高；抽雄期进行水分亏缺时，不同施氮量对茎粗差异性变化没有明显影响。
（2）玉米受到不同程度的水分亏缺影响后，各生育期的耗水量呈现不同变化规律。调亏灌溉阶段内的植株蒸发蒸腾量明显降低，植株经水分亏缺复水灌溉后，其蒸发蒸腾量比正常灌溉有显著增加。与正常灌溉相比较，苗期中度水分亏缺可减少蒸发蒸腾量38%、拔节期中度水分亏缺可减少蒸发蒸腾量31%，抽雄期中度水分亏缺可减少蒸发蒸腾量30%。分别在苗期、拔节期、抽雄期进行单生育阶段中度亏水条件下的植株总蒸发蒸腾量比全生育期均正常灌溉可降低4%～8%；苗期、拔节期、抽雄期连续或不相邻的两个生育阶段中度亏水灌溉比全生育期均正常灌溉可降低植株总蒸发蒸腾量11%～15%。苗期中度亏水与中氮肥耦合处理、苗期重度亏水与低氮肥耦合处理经拔节期复水后的植株蒸发蒸腾量大于正常灌溉处理的蒸发蒸腾量。苗期中度亏水、其它生育期正常灌溉处理的水分利用效率最大，比全生育期均正常灌溉处理提高了12%左右；苗期中度亏水处理的水分利用效率比拔节期中度亏水处理、抽雄中度亏水处理分别提高了6.8%、8.3%，适宜生育阶段、适度水分亏缺可以降低植株蒸发蒸腾量，同时提高作物水分利用效率，达到节水、增产的目的。
（3）苗期中度水分亏缺或拔节期中度水分亏缺可以提高玉米的百粒重。抽雄期中度亏水会增加玉米穗的秃尖长度，对产量有不利影响。拔节期轻度水分亏缺与中氮肥耦合或拔节期重度水分亏缺与高氮肥耦合可以提高玉米穗的长度。玉米抽穗开花期水分亏缺对产量影响最大，其次是拔节期，苗期水分亏缺对产量影响最小。经济产量最高的调亏灌溉模式为：适宜调亏生育期为苗期，水分亏缺阈值为田间持水量的50%～60%，其他生育期水分阈值为田间持水量70%～90%，其产量达到16483kg/hm2，比全生育期正常灌溉的产量提高了6.4%、水分利用效率提高了10.8%；节水量最大的调亏灌溉模式为：玉米苗期水分中度亏缺，阈值为田间持水量的55%～65%，拔节期和抽穗开花期水分正常灌溉，阈值为田间持水量的65%～75%，其产量达到13503kg/hm2，比玉米苗期、拔节期和抽穗开花期均正常灌溉的产量提高了8%，水分利用效率提高了12.6%。当目标产量为13500kg/hm2以上时，在95%的置信区间，得到调亏灌溉条件下玉米高产高效、节水的水氮优化综合管理模式为：苗期水分亏缺阈值取田间持水量的48～66%，拔节期水分亏缺阈值取田间持水量的72～84%，抽雄期水分亏缺下限阈值取田间持水量的66～81%，施纯氮量为160kg/hm2。
（4）采用传统最小二乘法与偏最小二乘回归法分别建立调亏灌溉模式下玉米产量影响因素的关系模型，通过计算分析得出了偏最小二乘回归模型在绝对误差、相对误差等方面明显优于传统的最小二乘回归模型，该模型解决了自变量之间存在的多重相关性问题，结构稳定性最好，模型解释了各自变量对产量影响的程度和方向，模拟结果与试验实际情况相符。针对调亏灌溉方案优选过程中存在单项指标的灌溉优劣评估结果单一和难以客观评价灌溉综合效益等问题，本文提出了基于改进双链量子遗传算法的投影寻踪综合评价模型。建立的基于改进加速双链量子遗传算法的投影寻踪模型（ADCQGA-PPC）评价了调亏灌溉方案中各评价指标对目标产量的贡献率大小，确定了最佳调亏灌溉技术方案，研究结果表明玉米单株产量对整体评价结果的影响最大，其次是株高、根干重、百粒重、秃尖、WUE；苗期水分亏缺程度为田间持水量50%～60%的处理是最佳调亏灌溉方案，产量与水分利用效率比正常灌溉处理分别提高了6.4%、10.8%，这与试验实测产量和计算的结果相一致，改进后的模型全局搜索能力与优化效率得到了显著提高，具有重要的理论指导意义。
Heilongjiang Province was the important commodity grain base, and undertaked the importantmission of national food security, which was located in the north spring maize of northeast. Thetotal water resources in Heilongjiang Province were810.33billion cubic meters, both the averageperson possession and per mu possession of water were under the national average. The scarcity ofirrigation water had been intensified by uneven distribution of the spatial and temporal of waterresource, multiple seasonal drought, uneven distribution of water resource in the growth period,unreasonable use of water and fertilizer. The deficiency of irrigation water had become the mainlimiting factor for the development of the maize planting area and improvement yield. Regulateddeficit irrigation was the new management technology of water saving irrigation from the angle ofcrop physiological, whose aim was increasing crop yield, decreasing water consumption, andraising the water use efficiency. Under regulated deficit irrigation and coupling effect of irrigationand nitrogen fertilizer of maize, the study on impact of growth and yield of maize provided atheoretical basis for the producti of highly effective water-saving agriculture on technology ofwater saving and high yield, and had the important significance for the development.
On the basis of the data measured in the barrel experiment and test-pit experiment, someeffect of growth indexes, water consumption, yield, yield components of maize were studied byusing comparison method, statistics method, and the intelligent optimization algorithm, includingthe period of regulated deficit irrigation, the degree of water deficit, irrigation and nitrogenfertilizer. Analysis results and conclusions of the thesis are as follows:
(1) The plant height of maize had different compensative growth after re-watering, increasedamplitude of compensative growth related with the level of irrigation, the higher the level ofirrigation the bigger degree of compensative growth. Compared with the normal irrigationtreatment of the whole growth stage, increment of plant height of medium water deficit treatmentduring seedling stage was increased by27%between jointing stage and filling stage afterre-watering at jointing stage. Compared with the normal irrigation treatment of the whole growthstage, increment of plant height of medium water deficit treatment during seedling stage andjointing stage was increased by8%between anthesis stage and filling stage after re-watering atanthesis stage. Suitable regulated deficit irrigation could inhibit the growth of aerial part andimprove root dry weight. The average shoot dry weight of the normal irrigation treatment of the whole growth stage was increased by31%compared with each regulated deficit irrigation. The rootdry weight of medium water deficit treatment during seedling stage and medium water deficittreatment during jointing stage were respectively increased by7.7%and10.6compared with thenormal irrigation treatment of the whole growth stage. The root-shoot ratio of medium water deficittreatment during seedling stage, medium water deficit treatment jointing stage, and medium waterdeficit treatment anthesis stage were respectively increased by20%,52%, and21%compared withthe normal irrigation treatment of the whole growth stage. Continuous growth period of mediumwater deficit would greatly decrease root dry weight, suitable water deficit would increase theroot-shoot ratio and control the distribution ratio between root and shoot.
Under low nitrogen condition, water deficit on the effect of the plant height of seedling stagewas less than that of jointing stage and much less than that of anthesis stage. Under mediumnitrogen condition, water deficit on the effect of the plant height of jointing stage was more thanthat of anthesis stage, the compensative growth of the plant height was increased by the treatmentcombined with high nitrogen, which was serious water deficit of jointing stage after re-watering atanthesis stage. Under medium nitrogen condition, there was unfavorable effect for the stemdiameter by serious water deficit of seedling stage and jointing stage, there was not effect for thestem diameter by medium or light water deficit of anthesis stage. The degree of water deficit wasdetermined by nitrogen rate. The stem diameter was decreased by high water and high nitrogen atseedling stage. In order to avoid effect of the stem diameter, the more serious water deficit, themore nitrogen rate was. The stem diameter was not obviously influenced by nitrogen rate and waterdeficit at anthesis stage.
(2) There was different variation of maize water consumption at each growth stage caused bywater deficit. Evapotranspiration was reduced by water deficit at growth stage, which had obviousincreasing compared with normal irrigation after re-watering.Compared the normal irrigation, theevapotranspiration of medium water deficit treatment during seedling stage, medium water deficittreatment during jointing stage, medium water deficit treatment during anthesis stage wererespectively reduced by38%,31%, and30%. The total evapotranspiration was reduced by4%～8%compared the normal irrigation at single growth period during seedling stage, jointing stage,anthesis stage. The total evapotranspiration was reduced by11%～15%compared the normalirrigation at tow growth period during seedling stage, jointing stage, anthesis stage.Evapotranspiration of the treatment with high nitrogen rate and medium water deficit at seedlingstage was more than the treatment with normal irrigation, a similar result was proved for anothertreatment with low nitrogen rate and serious water deficit at seedling stage. The treatment withmedium water deficit at seedling stage had the maximum water use efficiency, which was increasedby12%compared with the normal irrigation treatment of the whole growth stage. The water useefficiency of medium water deficit treatment during seedling stage were respectively increased by6.8%,8.3%, compared with medium water deficit treatment jointing stage and medium waterdeficit treatment anthesis stage. Evapotranspiration of the plant was reduced by the proper regulated deficit irrigation, meanwhile, the purpose of regulated deficit irrigation was proved, asincreasing water use efficiency, saving water, and improving yield.
(3) The value of100-seed weight of maize would be increased with medium water deficit atseedling stage or medium water deficit treatment jointing stage. Medium water deficit at anthesisstage would increase the length of barren ear tip affect the yield. For the treatment with mediumnitrogen rate and light water deficit or the treatment with high nitrogen rate and serious waterdeficit at jointing stage, which the length of maize ear could be increased. Water deficit at anthesisstage affected yield mostly, followed by that at jointing stage, and the least at seedling stage.Maintaining the level of water deficit50%～60%of the field capacity at the seedling stage andwater deficit70%～90%of the field capacity at the other stages was the best deficit irrigationscheme of the economic yield, which was16483kg/hm2. Compared with the normal irrigationtreatment, the best irrigation scheme of the economic yield was increased by6.4%and the wateruse efficiency was increased by10.8%. The best deficit irrigation scheme of water saving was thatmaintaining the level of water deficit percentage of the field capacity was respectively50%~60%、65%~75%and65%~75%at seedling stage, jointing stage and heading stage of maize, which was13503kg/hm2. Compared with the normal irrigation treatment, the best deficit irrigation scheme ofwater saving was increased by8%and the water use efficiency was increased by12.6%. When thetarget yield was above13500kg/hm2and confidence interval was95%, the best deficit irrigation ofhigh yield and high efficiency water saving was that maintaining the threshold of water deficit48%～66%of the field capacity at the seedling stage of maize, the threshold of water deficit72%～84%of the field capacity at the jointing stage of maize, the threshold of water deficit66%～81%of the field capacity at the anthesis stage of maize, and nitrogen rate with160kg/hm2.
(4) The traditional least-squares regression and the partial least-square regression were appliedto set up the yield model of the maize regulated deficit irrigation, which dealed with seriousmulticollinearity and a small with numerous predictor variables, eliminated the bad impact ofserious multicollinearity among factors, explained the dependent variables very well. Aftercalculation and analysis, both absolute error and relative error of the partial least-square regressionwas batter than the traditional least-squares regression. The model of the partial least-squareregression solved the problem of the multi-correlation with good stability, which explained thedegree and direction of each independent variable to the effect of yield, its simulation resultsequated with actual situation of the experiment.
Due to the incompatibility of irrigation results for single evaluation index and difficulty inevaluating the comprehensive benefit objectively during the process of optimization choice ofirrigation schemes, the project pursuit model based on improved double chains quantum geneticalgorithm was proposed and applied to the comprehensive evaluation of regulated deficit irrigation.The model not only evaluated the contribution rate of each evaluation index to the target yield, butalso determined the optimum technical scheme of regulated deficit irrigation. The results showedthat the evaluation result was affected mostly by the yield of maize, and followed the order of height, root dry weight,100-grain weight, barren ear tip, water use efficiency. maintaining thelevel of water deficit50%～60%of the field capacity at the seedling stage of maize was the bestirrigation scheme. Compared with the normal irrigation treatment, the yield was increased by6.4%and the water use efficiency was increased by10.8%. The evaluation result of the model wasconsistent to real yield and computation, both the global search capability and optimizationefficiency of the improved projection pursuit model were significantly improved, which hadimportant guiding significance.
本文根据野外测坑与测筒试验的实测资料，运用对比分析方法、统计分析的方法、智能优化算法，详细探讨了不同调亏时期、不同水分亏缺程度以及调亏灌溉条件下水氮耦合对玉米生长发育指标、耗水量、水分利用效率、产量及产量构成因素的影响规律和作用效果，研究结论如下：
（1）玉米经水分亏缺复水正常灌溉后的株高有不同程度的补偿性生长，补偿性生长提高的幅度与复水生育期的灌溉水平有关，灌溉水平越高、株高补偿性增长量越大。苗期中度亏水处理在拔节期复水正常灌溉后，拔节期～灌浆期的株高增长量比同时段内全生育期正常灌溉处理提高了27%；苗期、拔节期均连续中度亏水处理在抽雄期复水正常灌溉后，抽雄期～灌浆期的株高增长量比同时段内全生育期正常灌溉处理提高了8%。适宜的调亏灌溉可以抑制植株地上部分的生长，促进植株根干质量的增加。全生育期均正常灌溉处理的地上部分干重比各调亏试验处理的平均地上部分干重高31%，苗期中度亏水处理、拔节期中度亏水处理的根干质量比全生育期均正常灌溉处理分别提高了7.7%、10.6；苗期中度亏水处理、拔节期中度亏水处理和抽雄期中度亏水处理的根冠比比全生育期均正常灌溉处理分别提高了20%、52%和21%，多生育期连续中度亏水将大大减小植株根干质量，适宜的水分亏缺可以增加植株的根冠比，更好的控制根与冠之间的分配比例。
低氮肥时，苗期水分亏缺对株高生长的影响小于拔节期，更小于抽雄期；中氮肥时，拔节期水分亏缺对株高生长的影响大于抽雄期水分亏缺；拔节期重度亏水，后期复水正常灌溉与结合高施氮量可以使株高得到较大的补偿性增长。苗期、拔节期连续重度水分亏缺对茎粗产生了不利影响；抽雄期中度或轻度亏水不会影响茎粗的生长。施氮量决定不同调亏时期的水分亏缺程度，苗期供应水分过高、氮肥过大会减少植株茎粗；拔节期水分亏缺时，植株茎粗受施氮量的影响较大，为了避免茎粗受到不利影响，水分亏缺程度越重，氮肥施用量就应该随之增高；抽雄期进行水分亏缺时，不同施氮量对茎粗差异性变化没有明显影响。
（2）玉米受到不同程度的水分亏缺影响后，各生育期的耗水量呈现不同变化规律。调亏灌溉阶段内的植株蒸发蒸腾量明显降低，植株经水分亏缺复水灌溉后，其蒸发蒸腾量比正常灌溉有显著增加。与正常灌溉相比较，苗期中度水分亏缺可减少蒸发蒸腾量38%、拔节期中度水分亏缺可减少蒸发蒸腾量31%，抽雄期中度水分亏缺可减少蒸发蒸腾量30%。分别在苗期、拔节期、抽雄期进行单生育阶段中度亏水条件下的植株总蒸发蒸腾量比全生育期均正常灌溉可降低4%～8%；苗期、拔节期、抽雄期连续或不相邻的两个生育阶段中度亏水灌溉比全生育期均正常灌溉可降低植株总蒸发蒸腾量11%～15%。苗期中度亏水与中氮肥耦合处理、苗期重度亏水与低氮肥耦合处理经拔节期复水后的植株蒸发蒸腾量大于正常灌溉处理的蒸发蒸腾量。苗期中度亏水、其它生育期正常灌溉处理的水分利用效率最大，比全生育期均正常灌溉处理提高了12%左右；苗期中度亏水处理的水分利用效率比拔节期中度亏水处理、抽雄中度亏水处理分别提高了6.8%、8.3%，适宜生育阶段、适度水分亏缺可以降低植株蒸发蒸腾量，同时提高作物水分利用效率，达到节水、增产的目的。
（3）苗期中度水分亏缺或拔节期中度水分亏缺可以提高玉米的百粒重。抽雄期中度亏水会增加玉米穗的秃尖长度，对产量有不利影响。拔节期轻度水分亏缺与中氮肥耦合或拔节期重度水分亏缺与高氮肥耦合可以提高玉米穗的长度。玉米抽穗开花期水分亏缺对产量影响最大，其次是拔节期，苗期水分亏缺对产量影响最小。经济产量最高的调亏灌溉模式为：适宜调亏生育期为苗期，水分亏缺阈值为田间持水量的50%～60%，其他生育期水分阈值为田间持水量70%～90%，其产量达到16483kg/hm2，比全生育期正常灌溉的产量提高了6.4%、水分利用效率提高了10.8%；节水量最大的调亏灌溉模式为：玉米苗期水分中度亏缺，阈值为田间持水量的55%～65%，拔节期和抽穗开花期水分正常灌溉，阈值为田间持水量的65%～75%，其产量达到13503kg/hm2，比玉米苗期、拔节期和抽穗开花期均正常灌溉的产量提高了8%，水分利用效率提高了12.6%。当目标产量为13500kg/hm2以上时，在95%的置信区间，得到调亏灌溉条件下玉米高产高效、节水的水氮优化综合管理模式为：苗期水分亏缺阈值取田间持水量的48～66%，拔节期水分亏缺阈值取田间持水量的72～84%，抽雄期水分亏缺下限阈值取田间持水量的66～81%，施纯氮量为160kg/hm2。
（4）采用传统最小二乘法与偏最小二乘回归法分别建立调亏灌溉模式下玉米产量影响因素的关系模型，通过计算分析得出了偏最小二乘回归模型在绝对误差、相对误差等方面明显优于传统的最小二乘回归模型，该模型解决了自变量之间存在的多重相关性问题，结构稳定性最好，模型解释了各自变量对产量影响的程度和方向，模拟结果与试验实际情况相符。针对调亏灌溉方案优选过程中存在单项指标的灌溉优劣评估结果单一和难以客观评价灌溉综合效益等问题，本文提出了基于改进双链量子遗传算法的投影寻踪综合评价模型。建立的基于改进加速双链量子遗传算法的投影寻踪模型（ADCQGA-PPC）评价了调亏灌溉方案中各评价指标对目标产量的贡献率大小，确定了最佳调亏灌溉技术方案，研究结果表明玉米单株产量对整体评价结果的影响最大，其次是株高、根干重、百粒重、秃尖、WUE；苗期水分亏缺程度为田间持水量50%～60%的处理是最佳调亏灌溉方案，产量与水分利用效率比正常灌溉处理分别提高了6.4%、10.8%，这与试验实测产量和计算的结果相一致，改进后的模型全局搜索能力与优化效率得到了显著提高，具有重要的理论指导意义。
Heilongjiang Province was the important commodity grain base, and undertaked the importantmission of national food security, which was located in the north spring maize of northeast. Thetotal water resources in Heilongjiang Province were810.33billion cubic meters, both the averageperson possession and per mu possession of water were under the national average. The scarcity ofirrigation water had been intensified by uneven distribution of the spatial and temporal of waterresource, multiple seasonal drought, uneven distribution of water resource in the growth period,unreasonable use of water and fertilizer. The deficiency of irrigation water had become the mainlimiting factor for the development of the maize planting area and improvement yield. Regulateddeficit irrigation was the new management technology of water saving irrigation from the angle ofcrop physiological, whose aim was increasing crop yield, decreasing water consumption, andraising the water use efficiency. Under regulated deficit irrigation and coupling effect of irrigationand nitrogen fertilizer of maize, the study on impact of growth and yield of maize provided atheoretical basis for the producti of highly effective water-saving agriculture on technology ofwater saving and high yield, and had the important significance for the development.
On the basis of the data measured in the barrel experiment and test-pit experiment, someeffect of growth indexes, water consumption, yield, yield components of maize were studied byusing comparison method, statistics method, and the intelligent optimization algorithm, includingthe period of regulated deficit irrigation, the degree of water deficit, irrigation and nitrogenfertilizer. Analysis results and conclusions of the thesis are as follows:
(1) The plant height of maize had different compensative growth after re-watering, increasedamplitude of compensative growth related with the level of irrigation, the higher the level ofirrigation the bigger degree of compensative growth. Compared with the normal irrigationtreatment of the whole growth stage, increment of plant height of medium water deficit treatmentduring seedling stage was increased by27%between jointing stage and filling stage afterre-watering at jointing stage. Compared with the normal irrigation treatment of the whole growthstage, increment of plant height of medium water deficit treatment during seedling stage andjointing stage was increased by8%between anthesis stage and filling stage after re-watering atanthesis stage. Suitable regulated deficit irrigation could inhibit the growth of aerial part andimprove root dry weight. The average shoot dry weight of the normal irrigation treatment of the whole growth stage was increased by31%compared with each regulated deficit irrigation. The rootdry weight of medium water deficit treatment during seedling stage and medium water deficittreatment during jointing stage were respectively increased by7.7%and10.6compared with thenormal irrigation treatment of the whole growth stage. The root-shoot ratio of medium water deficittreatment during seedling stage, medium water deficit treatment jointing stage, and medium waterdeficit treatment anthesis stage were respectively increased by20%,52%, and21%compared withthe normal irrigation treatment of the whole growth stage. Continuous growth period of mediumwater deficit would greatly decrease root dry weight, suitable water deficit would increase theroot-shoot ratio and control the distribution ratio between root and shoot.
Under low nitrogen condition, water deficit on the effect of the plant height of seedling stagewas less than that of jointing stage and much less than that of anthesis stage. Under mediumnitrogen condition, water deficit on the effect of the plant height of jointing stage was more thanthat of anthesis stage, the compensative growth of the plant height was increased by the treatmentcombined with high nitrogen, which was serious water deficit of jointing stage after re-watering atanthesis stage. Under medium nitrogen condition, there was unfavorable effect for the stemdiameter by serious water deficit of seedling stage and jointing stage, there was not effect for thestem diameter by medium or light water deficit of anthesis stage. The degree of water deficit wasdetermined by nitrogen rate. The stem diameter was decreased by high water and high nitrogen atseedling stage. In order to avoid effect of the stem diameter, the more serious water deficit, themore nitrogen rate was. The stem diameter was not obviously influenced by nitrogen rate and waterdeficit at anthesis stage.
(2) There was different variation of maize water consumption at each growth stage caused bywater deficit. Evapotranspiration was reduced by water deficit at growth stage, which had obviousincreasing compared with normal irrigation after re-watering.Compared the normal irrigation, theevapotranspiration of medium water deficit treatment during seedling stage, medium water deficittreatment during jointing stage, medium water deficit treatment during anthesis stage wererespectively reduced by38%,31%, and30%. The total evapotranspiration was reduced by4%～8%compared the normal irrigation at single growth period during seedling stage, jointing stage,anthesis stage. The total evapotranspiration was reduced by11%～15%compared the normalirrigation at tow growth period during seedling stage, jointing stage, anthesis stage.Evapotranspiration of the treatment with high nitrogen rate and medium water deficit at seedlingstage was more than the treatment with normal irrigation, a similar result was proved for anothertreatment with low nitrogen rate and serious water deficit at seedling stage. The treatment withmedium water deficit at seedling stage had the maximum water use efficiency, which was increasedby12%compared with the normal irrigation treatment of the whole growth stage. The water useefficiency of medium water deficit treatment during seedling stage were respectively increased by6.8%,8.3%, compared with medium water deficit treatment jointing stage and medium waterdeficit treatment anthesis stage. Evapotranspiration of the plant was reduced by the proper regulated deficit irrigation, meanwhile, the purpose of regulated deficit irrigation was proved, asincreasing water use efficiency, saving water, and improving yield.
(3) The value of100-seed weight of maize would be increased with medium water deficit atseedling stage or medium water deficit treatment jointing stage. Medium water deficit at anthesisstage would increase the length of barren ear tip affect the yield. For the treatment with mediumnitrogen rate and light water deficit or the treatment with high nitrogen rate and serious waterdeficit at jointing stage, which the length of maize ear could be increased. Water deficit at anthesisstage affected yield mostly, followed by that at jointing stage, and the least at seedling stage.Maintaining the level of water deficit50%～60%of the field capacity at the seedling stage andwater deficit70%～90%of the field capacity at the other stages was the best deficit irrigationscheme of the economic yield, which was16483kg/hm2. Compared with the normal irrigationtreatment, the best irrigation scheme of the economic yield was increased by6.4%and the wateruse efficiency was increased by10.8%. The best deficit irrigation scheme of water saving was thatmaintaining the level of water deficit percentage of the field capacity was respectively50%~60%、65%~75%and65%~75%at seedling stage, jointing stage and heading stage of maize, which was13503kg/hm2. Compared with the normal irrigation treatment, the best deficit irrigation scheme ofwater saving was increased by8%and the water use efficiency was increased by12.6%. When thetarget yield was above13500kg/hm2and confidence interval was95%, the best deficit irrigation ofhigh yield and high efficiency water saving was that maintaining the threshold of water deficit48%～66%of the field capacity at the seedling stage of maize, the threshold of water deficit72%～84%of the field capacity at the jointing stage of maize, the threshold of water deficit66%～81%of the field capacity at the anthesis stage of maize, and nitrogen rate with160kg/hm2.
(4) The traditional least-squares regression and the partial least-square regression were appliedto set up the yield model of the maize regulated deficit irrigation, which dealed with seriousmulticollinearity and a small with numerous predictor variables, eliminated the bad impact ofserious multicollinearity among factors, explained the dependent variables very well. Aftercalculation and analysis, both absolute error and relative error of the partial least-square regressionwas batter than the traditional least-squares regression. The model of the partial least-squareregression solved the problem of the multi-correlation with good stability, which explained thedegree and direction of each independent variable to the effect of yield, its simulation resultsequated with actual situation of the experiment.
Due to the incompatibility of irrigation results for single evaluation index and difficulty inevaluating the comprehensive benefit objectively during the process of optimization choice ofirrigation schemes, the project pursuit model based on improved double chains quantum geneticalgorithm was proposed and applied to the comprehensive evaluation of regulated deficit irrigation.The model not only evaluated the contribution rate of each evaluation index to the target yield, butalso determined the optimum technical scheme of regulated deficit irrigation. The results showedthat the evaluation result was affected mostly by the yield of maize, and followed the order of height, root dry weight,100-grain weight, barren ear tip, water use efficiency. maintaining thelevel of water deficit50%～60%of the field capacity at the seedling stage of maize was the bestirrigation scheme. Compared with the normal irrigation treatment, the yield was increased by6.4%and the water use efficiency was increased by10.8%. The evaluation result of the model wasconsistent to real yield and computation, both the global search capability and optimizationefficiency of the improved projection pursuit model were significantly improved, which hadimportant guiding significance.
引文
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