基于投影尋蹤分類模型的暗管優(yōu)化布局

閆玉民 楊倩 李凱

摘要：為尋求綜合效益最優(yōu)的設施農(nóng)田暗管布局方案，設計不同埋深與間距的暗管處理，探索不同處理對番茄（Lycopersicon esculentum Mill.）產(chǎn)量、品質(zhì)、土壤鹽分和有機質(zhì)含量的影響，分析暗管工程的經(jīng)濟效益，并引入熵權系數(shù)法和投影尋蹤分類模型，對不同暗管處理進行優(yōu)選和評價。結果表明，不同暗管處理對番茄產(chǎn)量和品質(zhì)有顯著影響，其中T2處理番茄產(chǎn)量品質(zhì)綜合水平最優(yōu)；土壤EC與有機質(zhì)含量以T1處理下降最為明顯，降幅分別達到35.66%和18.08%；投影尋蹤分類模型計算結果表明，T3為綜合效益最佳的處理，投影值（y）與暗管間距（x1）、埋深（x2）的回歸模型為y=-2.203x1+0.340x2+0.831，相關系數(shù)為0.810，說明在本試驗的設計范圍內(nèi)，綜合效益（投影值）與暗管間距呈負相關，與暗管埋深呈正相關。

關鍵詞：暗管排水；番茄（Lycopersicon esculentum Mill.）；土壤；品質(zhì)；投影尋蹤

中圖分類號：F224；S276.7+2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）10-2507-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.10.055

設施栽培在蔬菜和其他經(jīng)濟作物的反季節(jié)生產(chǎn)和跨地區(qū)種植中起了重要的作用，我國設施栽培得到了大面積推廣應用，目前栽培面積已達到世界總面積的70%[1]。然而，設施栽培體系在獲得巨大經(jīng)濟和社會效益的同時，也改變了土壤生態(tài)環(huán)境，其中設施土壤鹽漬化已成為亟待解決的土壤環(huán)境問題之一[2]。目前，對于設施鹽漬化土壤的治理方法包括除鹽、抑鹽和客土置換等，灌溉除鹽雖然能暫時將鹽分洗入深層次土壤，但蒸發(fā)作用仍會使得鹽分在耕層土壤積聚，客土置換則治標不治本，且耗費大量的人力、物力。近年來，暗管排水被證明在澇地和鹽堿地區(qū)具有顯著的應用成效[3，4]，暗管排水對濱海鹽堿土壤理化性質(zhì)、作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響也一度成為研究熱點[5，6]，但其在設施土壤改良中的應用還不多見，設施土壤暗管布局的優(yōu)化研究則更為匱乏。本試驗設計了不同埋深與間距的暗管處理，觀測暗管排水對番茄（Lycopersicon esculentum Mill.）產(chǎn)量、品質(zhì)、土壤EC和有機質(zhì)含量的影響，分析暗管工程的經(jīng)濟效益，優(yōu)選綜合效益最佳的暗管布局方案，旨在為暗管排水在設施農(nóng)田中的應用提供實踐依據(jù)和有益參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2013年5月在江蘇省靖江市新橋鎮(zhèn)同里農(nóng)業(yè)生態(tài)園中的設施大棚中進行。靖江市地處東亞季風盛行區(qū)，氣候濕潤、雨量充沛，具有明顯的海洋性、季風性和過渡性氣候特點。氣溫最高在7月，最低在1月，冬夏季南北的溫差不大，年平均氣溫為14.4～15.1 ℃，年平均降水量為1 037.7 mm，降雨日為113 d，但受季風的影響，降水變率較大。試驗所在地土壤為黃棕壤，0～40 cm土壤經(jīng)翻勻處理，有機質(zhì)含量15.21 g/kg，電導率4.88 mS/cm，pH 5.47，速效氮含量119.32 mg/kg， 速效磷含量19.58 mg/kg， 速效鉀含量176.84 mg/kg。

1.2 試驗設計

在考慮試驗地土壤性質(zhì)和地下水位的基礎上，設計了4種暗管埋設處理，以不埋設暗管為對照，共5個處理，每個處理埋設3根暗管。其中T1處理暗管埋深0.6 m，間距4 m；T2處理暗管埋深0.8 m，間距4 m；T3處理暗管埋深0.6 m，間距6 m；T4處理暗管埋深0.8 m，間距6 m。不同處理之間用1 m深的豎向防滲膜來阻止灌溉水分的側滲，暗管材質(zhì)為塑料波紋管，管外用無紡布包裹。

試驗所選植物試材為番茄品種“大紅寶”，種植密度為4.17×104 kg/hm2，于秧苗5葉1心時定植。各處理均勻施入復合肥1 500 kg/hm2，其中N∶P2O5∶K2O（質(zhì)量比）=15∶15∶15。另外，處理間灌溉與其他田間管理措施亦保持一致。

1.3 測定項目

1.3.1 番茄產(chǎn)量和品質(zhì) 各處理隨機取4株番茄進行觀測，每個植株按照上、中、下3個部位隨機選擇3個果實進行測定，測定指標包括單果重、可溶性固體物、總酸含量、維生素C含量和糖酸比。可溶性固形物采用日本ATAGO公司產(chǎn)的數(shù)字折射儀ACT-1E測定；總糖采用斐林滴定法測定；總酸采用NaOH滴定法測定；維生素C采用2，6-二氯靛酚滴定法測定[7，8]。

1.3.2 土壤理化性質(zhì) 耕層土壤電導率：采用英國DELTA-T公司生產(chǎn)的HH2/WET土壤參數(shù)測定儀直接測定，測定位置為暗管正上方；土壤有機質(zhì)含量：采用K2Cr2O7-H2SO4稀釋熱法測定[9]。

1.3.3 暗管排水工程主要經(jīng)濟指標 納入暗管排水工程投資概算的計算項目包括人工土方挖填、管道、管道附件、水表、彈簧壓力表、塑料篩網(wǎng)過濾器、疊片過濾器、施肥器、管支墩砌筑（砼）、閘閥井、排水井、安裝費、泵房、閘閥、逆止式封閉閥、水泵及附件、安裝費等，另外也考慮臨時費用和獨立費用。國民經(jīng)濟內(nèi)部收益率（EIRR）、經(jīng)濟凈現(xiàn)值（ENPV）、經(jīng)濟效益費用比（EBCR）按照《水利建設項目經(jīng)濟評價規(guī)范》（SL72-94）和《建設項目經(jīng)濟評價方法與參數(shù)》進行計算與評價[10]。

1.4 評價指標結構與評價方法

本試驗中暗管布局的考慮因素包括番茄的優(yōu)質(zhì)與高產(chǎn)、土壤鹽分的去除、土壤肥力的保持以及建設成本的控制，評價指標結構如圖1所示。采用投影尋蹤分類模型對圖1中的評價指標進行分類計算。投影尋蹤分類模型的實質(zhì)是利用計算機技術，將復雜的高維數(shù)據(jù)投影到低維空間，尋求能夠反映原始高維數(shù)據(jù)結構特征的投影，在低維空間內(nèi)研究高維數(shù)據(jù)，從而達到分析和處理高維數(shù)據(jù)的目的，由于投影尋蹤分類模型在農(nóng)田水利工程效益評價中的應用已較為成熟，建模方法參考文獻[11-13]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

顯著性分析采用SPSS17.0軟件。

2 結果與分析

2.1 暗管排水對番茄產(chǎn)量和主要品質(zhì)指標的影響

暗管排水對番茄產(chǎn)量與主要品質(zhì)指標的影響如圖2所示。從圖2中可看出，T2產(chǎn)量最高，達到142.44 kg/hm2，T3次之，CK最低，僅為115.84 kg/hm2，這可能由于暗管排水降低了土壤鹽分，改善了土壤理化性質(zhì)，從而間接提高了番茄產(chǎn)量。從主要品質(zhì)指標來看，各處理番茄可溶性固形物為5.26%～5.81%，其中T4處理番茄可溶性固形物含量顯著高于T2與T3處理（P<0.05）；總酸含量以T2最高，為6.72 g/100 g，CK處理番茄總酸含量最低，并顯著低于其他處理（P<0.05）；各處理維生素C含量為11.54～13.34 mg/100 g，T4處理顯著高于其他處理（P<0.05）；糖酸比的高低可直接體現(xiàn)在番茄果實的口感和風味方面，糖酸比以CK處理最高，達到9.21，T4處理次之，為8.55，T2處理最低，僅為7.94。

由于番茄的產(chǎn)量與品質(zhì)包含指標數(shù)眾多且不同品質(zhì)指標之間存在聯(lián)系，因此給綜合效益的評價帶來一定的困難，本研究選用熵權系數(shù)法將產(chǎn)量與品質(zhì)指標轉化為綜合熵權系數(shù)評價值（M1），具體方法參考文獻[14，15]。

依據(jù)熵權系數(shù)評價法的評價原則，綜合熵權系數(shù)評價值越高，番茄產(chǎn)質(zhì)水平越優(yōu)，計算結果見表1。從表1中可看出，M1以T2處理最高，達到0.967，T3處理次之，為0.955，這說明T2和T3處理更有利于番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。利用Matlab7.1為表1中的指標建立投影尋蹤分類模型，其中M1、EC下降率與M2為“越大越優(yōu)”指標，有機質(zhì)下降率為“越小越優(yōu)”指標。在RAGA優(yōu)化過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)秀個體數(shù)目選定為20個，α=0.05， 加速20次，得出最大投影指標值為0.230 0，最佳投影方向a（j）*=（0.693 0，0.035 6，0.700 4，0.167 1），4個處理的投影值依次為z（i）*=（0.112 4，0.862 0，1.441 3，1.401 3），依據(jù)投影值越大綜合效益越優(yōu)的準則，T3為綜合效益最佳的處理。即采用埋深0.6 m、間距6 m的暗管布局方案可獲得最佳的綜合效益。

為了明確投影值（y）與暗管間距（x1）、埋深（x2）的關系，建立回歸模型如下：y=-2.203x1+0.340x2+0.831，R=0.810。

這說明在本試驗的設計范圍內(nèi)，暗管間距越小，埋深越深，投影值越大，即綜合效益越優(yōu)。

2.2 暗管排水對土壤理化性質(zhì)的影響

圖3與圖4所示分別為土壤EC與有機質(zhì)含量的動態(tài)變化。從圖3、圖4中可看出，隨排水時間的增長，各暗管排水處理土壤鹽分與有機質(zhì)含量均出現(xiàn)不同程度的下降，而CK處理土壤EC與有機質(zhì)含量變化并不明顯。不同暗管布局處理中，以T1處理EC與有機質(zhì)含量下降最為明顯，降幅分別達到35.66%和18.08%，這可能由于T1處理暗管埋設密度比其他處理大，排水更為流暢。試驗結束時，T3與T4土壤EC顯著高于其他暗管處理（P<0.05），而T2、T3與T4處理土壤有機質(zhì)含量差異并不顯著（P>0.05）。

2.3 暗管排水綜合效益評價及暗管布局優(yōu)化

表2所示為暗管工程的建設成本（667 m2造價）。從表2中可看出，不同暗管處理的建筑工程費用為1 337.82～1 893.65元，總費用為1 922.22～2 281.67元，EIRR為13.0%～14.6%，ENPV為924.6～1 054.9元，EBCR為1.28～1.42，根據(jù)水利工程建設項目經(jīng)濟評價規(guī)范[10]，各暗管處理的建設成本均處于經(jīng)濟可行范圍之內(nèi)。與番茄產(chǎn)量與品質(zhì)指標的處理方法相似，將EIRR、ENPV和EBCR轉化為經(jīng)濟指標熵權系數(shù)綜合評價值（M2），M2越大，說明暗管工程的經(jīng)濟可行性越優(yōu)，T3處理M2最大，達到1.000，T4處理次之，T2處理最低，僅為0.888。

3 小結與討論

1）不同暗管布局方案對番茄的產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤的理化性質(zhì)有不同程度的影響。番茄產(chǎn)量、品質(zhì)的綜合水平以T2最高，T3次之。土壤EC和有機質(zhì)含量以T1處理下降最為明顯，降幅分別達到35.66%和18.08%，而CK處理變化并不明顯。

2）以番茄產(chǎn)量品質(zhì)熵權系數(shù)綜合評價值（M1）、EC下降率、有機質(zhì)下降率及經(jīng)濟指標熵權系數(shù)綜合評價值（M2）為主要因子，經(jīng)投影尋蹤分類模型計算發(fā)現(xiàn)，T3為綜合效益最佳的處理，即采用埋深0.6 m、間距6 m的暗管布局方案可獲得最佳的綜合效益。

3）投影值（y）與暗管間距（x1）、埋深（x2）的回歸模型為y=-2.203x1+0.340x2+0.831，相關系數(shù)為0.810。在本試驗設計范圍內(nèi)，綜合效益（投影值）與暗管間距呈負相關，與暗管埋深呈正相關。

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