基于投影尋蹤分類模型的水稻控制灌溉經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

摘要：以產(chǎn)量、肥料成本、灌溉成本和水分生產(chǎn)效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于投影尋蹤模型，對(duì)水稻控制灌溉進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，模型所計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益較優(yōu)的處理為CM、CH和CL，均為控制灌溉處理，其中CM投影值最大，經(jīng)濟(jì)效益最佳；控制灌溉+中等施肥量（CM處理）產(chǎn)量最高，達(dá)到9 418.5 kg/hm2；與常規(guī)灌溉相比，每公頃可節(jié)水606元；且水分生產(chǎn)效率最高，為2.02 kg/m3。研究成果可為水稻控灌技術(shù)的推廣提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

關(guān)鍵詞：投影尋蹤；經(jīng)濟(jì)效益；水稻；控制灌溉；常規(guī)灌溉

中圖分類號(hào)：F224.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）21-5386-03

The Evaluation of Economic Benefit on the Controlled Irrigation of Paddy Rice Based on Projection Pursuit Model

WANG Xue，YAN Yu-min，YANG Jun-peng

（Department of Water Conservancy， Higher Vocational Institute of Shenyang Agricultural University， Shenyang 110122， China）

Abstract： The yield， fertilizer cost， irrigation cost and water productivity were selected as the evaluation indexes to evaluate the economic benefit of the controlled irrigation of paddy rice based on the projection pursuit model. Results showed that the preferable treatments were CL， CM and CH， which were all treated by irrigation controlling， the projection value of CM was maximum， and the economic benefit of CM was optimum； controlled irrigation+ moderate fertilizer amount（CM） obtained the highest yield， recorded as 627.9 kg/acreage； in comparison with the normal irrigation， CM could save 40.4 yuan of irrigation cost per acreage； meanwhile， the water productivity of CM was also the highest， with the value of 2.02 kg/m3. The study findings could provide theoretical and practical basis for the popularization of controlled irrigation technique of paddy rice.

Key words： projection pursuit； economic benefit； paddy rice； controlled irrigation； normal irrigation

由于灌溉管理方式的不同，不僅水稻田養(yǎng)分利用水平差異大，水稻需水規(guī)律亦會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)水稻產(chǎn)量也將相應(yīng)發(fā)生一定的改變，進(jìn)而決定了水分利用效率的高低。過(guò)量灌溉不僅導(dǎo)致大量有效養(yǎng)分的流失，水資源的浪費(fèi)，土壤理化性質(zhì)的惡化，而且可能帶來(lái)許多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[1，2]。因此，控制灌溉與水分調(diào)控對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，隨著節(jié)水灌溉理論與技術(shù)日新月異，已成為新的難題和研究熱點(diǎn)[3]。試驗(yàn)以常規(guī)灌溉為對(duì)照，圍繞水稻產(chǎn)量、肥料成本、灌溉成本和水分生產(chǎn)效率，對(duì)水稻控制灌溉進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)，旨在為水資源的高效利用以及控灌技術(shù)的推廣提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于江蘇如東（東經(jīng)121.18°，北緯32.33°），屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候；一年中四季分明、光照充足、雨量充沛，年平均氣溫15 ℃，海洋性氣候的特性導(dǎo)致其冬季潮濕寒冷，最低氣溫-5 ℃，夏季炎熱潮濕，最高氣溫達(dá)40 ℃。冬夏季時(shí)間較長(zhǎng)，春秋季較短。試驗(yàn)地0～60 cm土層土壤理化性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)兩種灌溉方式、三種施肥水平。灌溉方式為控制灌溉和常規(guī)灌溉，兩種灌水處理下水稻各生育階段根層土壤水分控制指標(biāo)如表2所示。施肥水平為58、72、87 kg（其中基肥量為40、50、60 kg），肥料品種為復(fù)合肥，含氮量約15%；6月中旬施入基肥，7月中旬與8月中旬分別追肥一次。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6個(gè)處理：NL（常規(guī)灌溉+低施氮量）、NM（常規(guī)灌溉+中等施氮量）、NH（常規(guī)灌溉+高施氮量）、CL（控制灌溉+低施氮量）、CM（控制灌溉+中等施氮量）、CH（控制灌溉+高施氮量）。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）產(chǎn)量：按小區(qū)單打單收測(cè)算，kg/hm2。

（2）水分生產(chǎn)效率：以單位立方米灌溉水生產(chǎn)水稻產(chǎn)量計(jì)，kg/m3。

（3）肥料成本：以單位面積施用肥料的采購(gòu)成本計(jì)算，元/hm2。

（4）灌溉成本：由于單價(jià)固定，以單位面積灌溉水量乘以單價(jià)計(jì)，元/hm2。

2 評(píng)價(jià)方法

投影尋蹤（Projection Pursuit，簡(jiǎn)稱PP）是一種用來(lái)分析和處理高維數(shù)據(jù)，尤其是處理非線性、非正態(tài)分布高維數(shù)據(jù)的一種新興方法。其實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)把高維數(shù)據(jù)投影到低維子空間，尋找能夠反映原高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或者特征的投影，在低維空間研究數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到研究與分析高維數(shù)據(jù)的目的。建模步驟如下[4-6]：

1）建立評(píng)價(jià)矩陣。設(shè)評(píng)價(jià)的樣本容量為n，評(píng)價(jià)指標(biāo)（變量）數(shù)目為p，第i個(gè)樣本的第j個(gè)指標(biāo)值為xij*，則所有樣本指標(biāo)數(shù)據(jù)可以用n×p列的數(shù)據(jù)矩陣X*表示：

X*=x11* x12* … x1p*x21* x22* … x2p*■ ■ ■x11* x12* … x1p*

2）無(wú)量綱化處理。為解決各指標(biāo)值的量綱不同，對(duì)不同樣本指標(biāo)值進(jìn)行無(wú)量綱化處理，對(duì)數(shù)值越大越優(yōu)的指標(biāo)采取如下處理：

xij=■

對(duì)數(shù)值越小越優(yōu)的指標(biāo)采取如下處理：

xij=■

處理后得到n×p的數(shù)據(jù)矩陣X：

X=x11 x12 … x1px21 x22 … x2p■ ■ ■x11 x12 … x1p

式中，max（xj*）——第j個(gè)指標(biāo)的最大值；min（xj*）——第j個(gè)指標(biāo)的最小值。

3）線性投影。投影實(shí)質(zhì)上就是從不同的角度去觀察數(shù)據(jù)，尋找能夠最大程度地反映數(shù)據(jù)特征和最能夠充分挖掘數(shù)據(jù)信息的最優(yōu)投影方向，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)降維。本文將高維數(shù)據(jù)投影到一維線性空間進(jìn)行研究，因此，設(shè)單位向量a={a1，a2，…ap}為一維線性投影方向，則矩陣X投影到a上的一維投影特征值為zi。

zi=■（i=1，2，3，…，n；j=1，2，3，…，p）

4）構(gòu)造投影目標(biāo)函數(shù)。綜合投影指標(biāo)值時(shí)，根據(jù)分類原則，投影值的散布特征盡可能滿足如下要求：局部投影點(diǎn)盡可能密集，最好凝聚成若干點(diǎn)團(tuán)；整體上投影點(diǎn)團(tuán)之間盡可能散開(kāi)。即：使多元數(shù)據(jù)在一維空間散布的類間距離Sz和類內(nèi)密度Dz同時(shí)取得最大值。因此，將投影目標(biāo)函數(shù)表示為類間距離和類內(nèi)密度的乘積：

Q（a）=Sz·Dz

式中，Sz ——投影特征值z(mì)i的標(biāo)準(zhǔn)差，也稱類間距離；Dz——投影特征值z(mì)i的局部密度，也稱類內(nèi)密度。

Sz=■

式中，E（z）——序列{zi|i=1～n|}的平均值。

Dz=■■（R-rik）·f（R-rik）

式中，R——局部密度的窗口半徑。

rik=|ri-rk|

f（t）=0 t≥00 t≤0

i，k=1，2，3.....n，表示樣本容量。

5）優(yōu)化投影目標(biāo)函數(shù)。對(duì)于給定的樣本集指標(biāo)值，投影指標(biāo)函數(shù)Q（a）隨著投影方向a的變化而變化，能夠最大可能地反映高維數(shù)據(jù)某類結(jié)構(gòu)特征的投影方向即為最佳投影方向。因此運(yùn)用目標(biāo)函數(shù)最大化對(duì)投影目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化：

maxQ（a）=Sz·Dz

s.t.■a2（j）=1

|a（j）|≤1

6）評(píng)價(jià)。按照最佳投影方向a*取值大小排列，可以得到指標(biāo)貢獻(xiàn)/敏感程度大小，按照z*（i）取值大小排列，可以得到樣本的優(yōu)劣排序。

3 結(jié)果與分析

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

評(píng)價(jià)指標(biāo)和指標(biāo)值如表3所示，經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)選取的4個(gè)指標(biāo)分別為實(shí)際產(chǎn)量、肥料成本、灌溉成本以及水分生產(chǎn)效率。從表3可以看出，產(chǎn)量為6 297.0～9 418.5 kg/hm2，相差較大，其中控制灌溉處理的產(chǎn)量均高于常規(guī)灌溉；肥料成本與施肥量成正比，低、中、高的肥料成本分別為2 310、2 880、3 465元/hm2；灌溉成本與灌溉量密切相關(guān)，兩種不同灌溉模式的耗水成本分別為1 737、1 131元/hm2；不同處理水分生產(chǎn)效率差異較大，其范圍為0.87～2.02 kg/m3。

3.2 模型計(jì)算結(jié)果

4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中實(shí)際產(chǎn)量與水分生產(chǎn)效率為“越大越優(yōu)”指標(biāo)，肥料成本和灌溉成本為“越小越優(yōu)”指標(biāo)。采用matlab7.1對(duì)其建立投影尋蹤分類模型。在RAGA優(yōu)化過(guò)程中選定父代初始種群規(guī)模為n=400，交叉概率Pc=0.8，變異概率Pm=0.8，優(yōu)秀個(gè)體數(shù)目選定為20個(gè)， α=0.05， 加速20次，得出最大投影指標(biāo)值為0.465 6，最佳投影方向a（j）*=（0.272 2， 0.251 4，0.819 2，0.437 8）， 6個(gè)處理的投影值依次為z（i）*=（ 0.251 4，1.369 0，0.399 9，1.656 5，0.251 4， 1.369 1）， 依據(jù)投影值越大灌溉模式越好的準(zhǔn)則，CM為所得最佳控制灌溉模式，CH次之。

3.3 效益評(píng)價(jià)

投影值最大的三個(gè)處理依次為CM、CH和CL，控制灌溉的經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，而CM的投影值遠(yuǎn)高于CH和CL，說(shuō)明CM為最優(yōu)控制灌溉處理。從產(chǎn)量角度看，CM產(chǎn)量最高，而施氮量最高的處理為NH和CH，說(shuō)明施氮量并非越多越好，合理的灌溉制度與肥料相耦合，能夠獲得更高的產(chǎn)量；CM的肥料成本為每公頃2 880元，處于中間水平，結(jié)合產(chǎn)量看，CM處理肥料的投入既保證了水稻的正常生長(zhǎng)，又未造成肥料的浪費(fèi)，施肥量較為合理；CM處理的灌溉成本為1 131元/hm2，遠(yuǎn)小于常規(guī)灌溉的灌溉成本，節(jié)水效益亦十分明顯；水分生產(chǎn)效率通常有兩種表示方法，分別為單位灌溉量的產(chǎn)量與水稻單位耗水量的產(chǎn)量，本文選用前者，CM處理的水分生產(chǎn)效率為2.02 kg/m3，處于6個(gè)處理中的最高水平，說(shuō)明合理的灌溉模式與肥料運(yùn)籌能夠提高水分生產(chǎn)效率。

對(duì)于作物來(lái)講，施肥并非越多越好，過(guò)高的施肥量不僅會(huì)影響作物的正常生長(zhǎng)，還會(huì)隨排水進(jìn)入河道或滲入地下，造成面源污染和地下水污染。而合理的灌溉模式避免了大量灌溉用水的流失，一方面節(jié)約了水資源，另一方面也保護(hù)了環(huán)境。試驗(yàn)設(shè)計(jì)中CM處理（控制灌溉+中等施氮量），節(jié)水節(jié)肥效益明顯，產(chǎn)量也處于6個(gè)處理中的最高水平，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，值得推廣。

4 結(jié)論與討論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)論與模型分析，可得以下結(jié)論：

1）模型所計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益較優(yōu)的處理為CL、CM和CH，均為控制灌溉處理，其中CM投影值最大，經(jīng)濟(jì)效益最佳。

2）控制灌溉+中等施肥量（CM處理）產(chǎn)量最高，達(dá)到9 418.5 kg/hm2；與常規(guī)灌溉相比，可節(jié)水606元/hm2；且水分生產(chǎn)效率最高，為2.02 kg/m3。

在我國(guó)開(kāi)展了如“薄、淺、濕、曬”、“間歇灌溉”、“濕潤(rùn)灌溉”和“無(wú)水層灌溉”等控制灌溉研究，與常規(guī)的淹水灌溉相比，這些灌溉技術(shù)可節(jié)水20%～40%，增產(chǎn)3%～10%，大幅度提高水分的生產(chǎn)效率，節(jié)約水資源，經(jīng)濟(jì)效益顯著[7，8]，而本試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)論充分驗(yàn)證和補(bǔ)充了前人的研究成果。目前控制灌溉技術(shù)的推廣還不夠完善，某些地區(qū)認(rèn)為控制灌溉雖然節(jié)省水資源，但耗費(fèi)人力資源太多，不適宜使用。筆者認(rèn)為，一方面應(yīng)加強(qiáng)配套設(shè)施的投入，盡快實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉；另一方面，在經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)的同時(shí)，配合環(huán)境效益評(píng)價(jià)，加大宣傳力度，讓技術(shù)使用者切實(shí)感受到控制灌溉的優(yōu)勢(shì)。

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