基于改進(jìn)投影尋蹤模型的地表覆蓋對(duì)作物水分利用的影響評(píng)價(jià)

吳新新

(新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局， 新疆 庫爾勒　841000)

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基于改進(jìn)投影尋蹤模型的地表覆蓋對(duì)作物水分利用的影響評(píng)價(jià)

吳新新

(新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局， 新疆 庫爾勒841000)

【摘要】水分不足是限制旱區(qū)作物生長(zhǎng)的主要因素，覆蓋耕作能夠改善土壤的微環(huán)境，從而提高作物的產(chǎn)量和水分利用效率。為探討不同地表覆蓋對(duì)土壤物理性狀及馬鈴薯生長(zhǎng)、產(chǎn)量及水分利用效率的影響，本文提出了基于改進(jìn)投影尋蹤模型的綜合評(píng)價(jià)方法。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)耕作相比，地表覆蓋可有效改善土壤孔隙狀況，作物株高、莖粗及地上部生物量均顯著高于傳統(tǒng)耕作，產(chǎn)量、商品率和水分利用效率較傳統(tǒng)耕作明顯提高。研究結(jié)果為實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)和提高水分利用效率提供了重要參考。

【關(guān)鍵詞】水資源； 地表覆蓋； 水分利用效率； 投影尋蹤模型

在西北干旱區(qū)，水分不足是限制作物產(chǎn)量提高的主要因素，以傳統(tǒng)耕作方式對(duì)土壤進(jìn)行連年翻耕，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，加速了土壤有機(jī)質(zhì)的分解和養(yǎng)分流失，使耕地質(zhì)量日趨下降，造成作物產(chǎn)量低且不穩(wěn)[1-2]。因此，合理的耕作措施對(duì)改善土壤結(jié)構(gòu)、維持土地生產(chǎn)力有著重要的作用。深松是隨少耕、免耕而發(fā)展起來代替?zhèn)鹘y(tǒng)耕作的、適用于旱地農(nóng)業(yè)的保護(hù)性耕作法，它利用深松鏟來疏松土壤，加深耕層而不翻轉(zhuǎn)土壤，改善耕層土壤的結(jié)構(gòu)，從而減輕土壤侵蝕，提高土壤蓄水保墑能力[3- 4]。

通過地面覆蓋可有效改善土壤環(huán)境，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，在旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，秸稈和地膜覆蓋能起到較好的集水保水、增產(chǎn)作用，使旱區(qū)有限的降水得到較大程度利用[5- 6]。近年來，由于人為因素對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，治理水土流失、改善生態(tài)環(huán)境的任務(wù)日趨嚴(yán)峻。張軍明研究認(rèn)為[7]，深松能直接影響天然降水入滲和土壤水分蒸發(fā)，間接影響土壤水分的再分布過程，對(duì)土壤水分的保蓄和高效利用均有重要作用。劉爽等[8]的研究表明：與傳統(tǒng)耕作方式相比，深松覆蓋可顯著提高土壤含水量和水分利用效率，具有良好的保墑、增產(chǎn)作用。

鑒于此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)文獻(xiàn)[9]數(shù)據(jù)資料，利用改進(jìn)投影尋蹤模型分析不同覆蓋方式對(duì)土壤結(jié)構(gòu)及馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的影響，篩選出適合干旱區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)的最佳深松覆蓋方式，以期為干旱區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)高效栽培技術(shù)提供參考。

1作物地表覆蓋模式評(píng)價(jià)體系

根據(jù)文獻(xiàn)[9]數(shù)據(jù)資料，建立作物地表覆蓋模式評(píng)價(jià)體系(見表1)，該體系包括土壤特性、作物生長(zhǎng)、作物產(chǎn)量與水分利用效率4個(gè)方面。其中土壤特性包括土壤孔隙度與土壤團(tuán)聚體含量(DR0.25)2項(xiàng)指標(biāo)；作物生長(zhǎng)包括株高、莖粗與生物量3項(xiàng)指標(biāo)；作物產(chǎn)量包括單位面積產(chǎn)量與商品薯率2項(xiàng)指標(biāo)；水分利用包括作物耗水量與水分利用效率2項(xiàng)指標(biāo)。

2改進(jìn)粒子群優(yōu)化投影尋蹤模型

2.1投影尋蹤模型

投影尋蹤(projection pursuit，PP)是一種用來分析和處理非線性、非正態(tài)高維數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方法。其計(jì)算步驟如下。

a.數(shù)據(jù)歸一化。設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)集合為

式中x*(i,j)——第i個(gè)方案第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值；

n——評(píng)價(jià)方案?jìng)€(gè)數(shù)；

p——評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

對(duì)于正指標(biāo)：

(1)

對(duì)于負(fù)指標(biāo)：

(2)

式中xmin(j)、xmax(j)——評(píng)價(jià)指標(biāo)集合中第j項(xiàng)指標(biāo)的最小值和最大值。

(3)

投影指標(biāo)函數(shù)為

(4)

式中Sz——投影值z(mì)(i)的標(biāo)準(zhǔn)差;

Dz——投影值z(mì)(i)的局部密度。

(5)

(6)

R——局部密度的窗口半徑，一般取0.1Sz；

u(t)——單位階躍函數(shù)，當(dāng)t≥0時(shí)取1，t<0時(shí)取0。

c.優(yōu)化投影函數(shù)。通過求解投影指標(biāo)函數(shù)的最大值問題可計(jì)算得到最佳投影方向：

目標(biāo)函數(shù)max:Q(a)=SzDz

(7)

(8)

本文采用改進(jìn)粒子群算法進(jìn)行模型尋優(yōu)。

d.方案評(píng)價(jià)。將改進(jìn)粒子群算法計(jì)算得到的投影方向a*代入式(3)，便可得到各評(píng)價(jià)方案投影值z(mì)*(i)，z*(i)值越大表明方案越優(yōu)。

2.2改進(jìn)PSO算法，優(yōu)化投影尋蹤模型

PSO算法可能會(huì)導(dǎo)致種群粒子的相同情況發(fā)生，出現(xiàn)局部極值、精度不高等問題。為解決該問題，采用基于參數(shù)選擇改進(jìn)PSO算法(improved PSO，IPSO)。

粒子群算法中的參數(shù)主要包括最大速度、2個(gè)加速常數(shù)和收縮因子等，本文針對(duì)這3方面的參數(shù)進(jìn)行選擇，從而改進(jìn)粒子群算法。

a.選擇vmax。PSO算法中粒子速度和位置計(jì)算公式分別見式(9)和式(10)。

(9)

(10)

式中c1、c2——加速常數(shù)；

r1、r2——[0，1]范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)；

pid、pgd——個(gè)體的歷史最佳位置和全局的歷史最佳位置；

w——慣性常數(shù)；

vid——粒子速度，為隨機(jī)變量。

b.選擇加速常數(shù)。式(9)中c1用于控制粒子向個(gè)體最優(yōu)位置的運(yùn)動(dòng)，c2用于控制粒子向鄰域最優(yōu)位置的運(yùn)動(dòng)。本文采用的方法為：c1由2.5線性減少到0.5，c2由0.5線性增加到2.5，同時(shí)c1+c2≤4.0。

c.選擇收縮因子。為防止出現(xiàn)種群爆炸情況，采用收縮因子進(jìn)行控制。

帶收縮因子λ的PSO算法采用Kennedy提出的速度更新公式：

(11)

3模型應(yīng)用

3.1數(shù)據(jù)來源

根據(jù)文獻(xiàn)[9]中的數(shù)據(jù)，采用改進(jìn)投影尋蹤模型對(duì)不同地表覆蓋模式的優(yōu)劣情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。設(shè)深松覆蓋秸稈(ST+JM)、深松覆蓋地膜(ST+DM)、深松不覆蓋(ST)，以傳統(tǒng)耕作(CT)為對(duì)照，共4個(gè)處理。不同處理下的作物特性指標(biāo)值見表2。

3.2方案評(píng)價(jià)

利用MATLAB 7.0編制基于改進(jìn)粒子群優(yōu)化投影尋蹤模型程序。參數(shù)設(shè)置為：種群規(guī)模250，初始學(xué)習(xí)因子c1=c2=2，慣性權(quán)重w=0.873，最大迭代次數(shù)500次。在MATLAB軟件中運(yùn)行該程序，得到評(píng)價(jià)方案的最佳投影方向a*=(0.3137，0.3202，0.3065，0.3195，0.3165，0.3417，0.3245，0.3847，0.3643)。

根據(jù)式(3)計(jì)算得出方案集合的投影值以及排序(見表3)。

3.3結(jié)果分析

由表3可知，不同地表覆蓋模式評(píng)價(jià)結(jié)果排序?yàn)?投影值大小)：ST+JM>ST+DM>ST>CT。故深松覆蓋秸稈為最佳方案(投影值最大)，傳統(tǒng)耕作為最劣方案(投影值最小)。

3.4評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證本文計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法與本文計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(見表3)。

由表3可知，采用本文計(jì)算方法所得結(jié)果與灰色關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算結(jié)果完全一致，這充分說明了本文計(jì)算結(jié)果的可靠性。

4討論

深松蓄水保墑的功能與深松條件下土壤體積質(zhì)量的減少密切相關(guān)。深松覆蓋能顯著降低土壤體積質(zhì)量，有效打破耕作犁底層，增加土壤蓄水能力，改善耕層土壤孔隙狀況。這主要是由于覆蓋減少了人畜踐踏和雨滴對(duì)地表的直接沖擊，同時(shí)深松破除了犁底層，改善了土壤的滲透和通氣性能。

秸稈覆蓋和深松能增加土壤通透性，減少?gòu)搅鳟a(chǎn)生的次數(shù)和徑流量，從而增加土壤含水量。相對(duì)于傳統(tǒng)耕作，地表覆蓋能保蓄作物生育期土壤水分，深松覆蓋地膜處理能改善馬鈴薯生長(zhǎng)前期的土壤水分狀況，而深松覆蓋秸稈處理在作物生育后期對(duì)土壤水分的保蓄效果明顯。這是由于地面的覆蓋物使雨水入滲時(shí)間延長(zhǎng)，而深松能打破犁底層，使自然降雨下滲較深，其蓄水效果大為增強(qiáng)。同時(shí)，作物生長(zhǎng)前期降水較少，地膜覆蓋能保持較好的土壤底墑，而在后期隨著降雨量的增加，地面秸稈覆蓋能增加雨水入滲，減少地表蒸發(fā)，從而提高土壤的水分含量。

覆蓋和深松相結(jié)合的保護(hù)性耕作技術(shù)，可有效起到蓄水保墑、減少水分無效消耗、提高作物產(chǎn)量和水分利用率的作用，顯著改善土壤水分狀況。主要原因是深松覆蓋秸稈能增加土壤水分入滲，增強(qiáng)土壤蓄水能力，促進(jìn)作物根系對(duì)土壤水分的吸收利用，提高水分的利用效率。但在缺水年，深松覆蓋秸稈處理能否起到增產(chǎn)和提高水分利用效率的效果，還有待于進(jìn)一步的研究。

5結(jié)論

本文構(gòu)建了基于改進(jìn)投影尋蹤模型的作物地表覆蓋模式評(píng)價(jià)模型，結(jié)果表明：

a.作物耗水量與水分利用效率2項(xiàng)指標(biāo)對(duì)地表覆蓋模式評(píng)價(jià)的影響最大，其指標(biāo)權(quán)重分別為0.1480與0.1327。

b.深松結(jié)合不同地表覆蓋方式對(duì)馬鈴薯的生長(zhǎng)有顯著促進(jìn)作用，其株高、莖粗及地上部生物量均顯著高于傳統(tǒng)耕作。深松結(jié)合不同地表覆蓋方式能提高作物產(chǎn)量和水分利用效率，深松覆秸稈處理的馬鈴薯產(chǎn)量、商品率和水分利用效率最高。

c.深松結(jié)合不同地表覆蓋方式能提高作物水分利用效率，達(dá)到節(jié)水、高效用水和提高部分品質(zhì)指標(biāo)的目的，這對(duì)西北干旱區(qū)作物種植具有重要意義。下一步應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)研究深松結(jié)合不同地表覆蓋對(duì)作物品質(zhì)的影響以及其內(nèi)在機(jī)理。

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Evaluation of influence of ground surface coverage on crop water utilization based on the improved projection pursuit model

WU Xinxin

(XinjiangTarimRiverBasinNeilReservoirAdministration,Korla841000,China)

Abstract：Water deficiency is the main factor of limiting crop growth in arid area, and covering cultivation can improve soil micro-environment so as to improve crop yield and water utilization efficiency. In the paper, an integrated evaluation method based on improved projection pursuit model is proposed in order to explore the influence of different ground surface coverage methods on soil physical properties, potato growth, yield and water utilization efficiency. The results show that the ground surface coverage can effectively improve the soil porosity condition compared with conventional tillage. Plant height, stem diameter and above-ground biomass are significantly higher than conventional tillage. Yield, commodity rate and water utilization efficiency are prominently improved compared with traditional farming. Research results can provide important reference for realizing crop yield increase and improving water utilization efficiency.

Key words：water resources; ground surface coverage; water utilization efficiency; projection pursuit model

DOI:10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2016.02.021

中圖分類號(hào)：S152

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1005- 4774(2016)02- 0075- 04