Minitab軟件在大豆水分生產(chǎn)函數(shù)模型建立與評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

陶延懷，鄭文生

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080;2.黑龍江省寒區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080)

作物水分生產(chǎn)函數(shù)是指農(nóng)業(yè)種植水平基本一致的情況下作物產(chǎn)量與所消耗的水量之間的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外主要是利用Excel、SAS和MATLAB等軟件對(duì)水分生產(chǎn)函數(shù)模型進(jìn)行分析求解，本文嘗試使用Minitab軟件對(duì)大豆水分生產(chǎn)函數(shù)模型進(jìn)行分析評(píng)價(jià)[1-4]。Minitab統(tǒng)計(jì)分析軟件包最初是由美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)發(fā)展起來的產(chǎn)品，已有30多年的歷史。其特點(diǎn)是具有操作簡(jiǎn)便、軟件兼容性能好、功能多、精度高(雙精度計(jì)算)、對(duì)硬件的要求低、有最新現(xiàn)代化圖表引擎、強(qiáng)大的宏等功能[5]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2008年，本試驗(yàn)在黑龍江省西部松嫩平原齊齊哈爾市甘南縣興隆鄉(xiāng)開展。該地區(qū)土壤類型為黑鈣土，為了控制土壤水分，試驗(yàn)選用移動(dòng)式遮雨棚。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康倪x用PVC塑料桶57個(gè)，桶高33 cm，直徑29 cm。取當(dāng)?shù)馗乇韺?～20 cm的土壤，過篩，然后裝入塑料桶內(nèi)。每桶底肥一致，一次施入。選擇大豆苗期、分枝、開花、結(jié)莢、鼓粒期5個(gè)階段，進(jìn)行水分脅迫調(diào)控，土壤相對(duì)含水量水平(占田間持水量的百分比)：70%～80%(輕度受旱，下限為70%)、60%～70%(中度受旱，下限為60%)，試驗(yàn)設(shè)置如表1，3次重復(fù)。土壤水分測(cè)定采用稱重法，全生育期控制土壤水分含量。大豆品種選擇當(dāng)?shù)刂髟云贩N墾農(nóng)18，5月20日播種，出苗后，每桶定苗4株。全生育期土壤水分含量控制采用電子天平稱重，每日17:00稱量每桶的重量，稱重后，補(bǔ)水至控水標(biāo)準(zhǔn)。9月25日收獲考種測(cè)產(chǎn)。

1.2 水分生產(chǎn)函數(shù)模型選取

本研究選用Jensen(1968)模型、Minhas(1974)模型、Blank(1975)模型、Stewart(1976)模型和Singh(1987)模型5種模型，分析黑龍江西部半干旱區(qū)大豆水分生產(chǎn)函數(shù)。

表1 各生育階段不同水分處理 %

注：處理19為適宜肥量下的豐水處理，該處理的作物需水量設(shè)定為作物蒸發(fā)蒸騰量。

1.3 模型檢驗(yàn)方法

本文選擇平均誤差(AE)、均方根誤差(RMSE)、變異系數(shù)(Cv)、殘差聚集系數(shù)(CRM)和模型性能指數(shù)(EF)[6-7]等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，評(píng)價(jià)水分生產(chǎn)函數(shù)模型模擬值與實(shí)測(cè)值之間的模擬結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)2008年甘南大豆盆栽試驗(yàn)的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析計(jì)算，各生育期及全生育期耗水量與大豆產(chǎn)量見表2。

表2 耗水量及產(chǎn)量

續(xù)表2

2.1 模型參數(shù)的確定

根據(jù)實(shí)測(cè)的大豆耗水量和產(chǎn)量數(shù)據(jù)(表2)，應(yīng)用Minitab 15統(tǒng)計(jì)軟件分析求解，即可得到5種水分生產(chǎn)函數(shù)模型中的敏感指數(shù)及相關(guān)參數(shù)。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 水分生產(chǎn)函數(shù)敏感指數(shù)及回歸方程的顯著性檢驗(yàn)

注：R為復(fù)相關(guān)系數(shù)

(1)Blank模型和Singh模型的敏感參數(shù)變化規(guī)律與大豆的水分生理特性以及灌溉的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相矛盾，而且還有負(fù)值出現(xiàn)，不宜采用。

(2)在Jensen模型、Minhas模型和Stewart模型中，F(xiàn)檢驗(yàn)結(jié)果表明，各模型方程擬合達(dá)到極顯著水平，復(fù)相關(guān)系數(shù)R值表明，Jensen和Stewart模型擬合效果最好，Minhas模型擬合效果次之。

(3)對(duì)于Jensen模型，大豆水分虧缺敏感性為結(jié)莢期最敏感，開花期次之，苗期最不敏感，在該模型中缺水后各階段敏感順序與大豆的水分生理特性以及灌溉的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)是一致的，而且模型的相關(guān)系數(shù)在0.99以上，模型方程擬合效果最好，因此大豆是比較適合該模型的。其水分生產(chǎn)函數(shù)模型為：

(1)

式中：Ya為各處理?xiàng)l件下的實(shí)際產(chǎn)量，kg/hm2；Ym為正常灌溉下的產(chǎn)量，kg/hm2；ETa為各處理?xiàng)l件下的實(shí)際蒸發(fā)量，mm；ETm為正常處理下的蒸發(fā)量，mm；1、2、3、4、5為模型的階段數(shù)。

2.2 模型精度評(píng)價(jià)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證Jensen、Minhas和Stewart模型的模擬效果，應(yīng)用Jensen、Minhas和Stewart模型計(jì)算大豆模擬相對(duì)產(chǎn)量，然后計(jì)算各模型模擬效果，結(jié)果見表4。由表4知各模型對(duì)于大豆相對(duì)產(chǎn)量的模擬效果排序?yàn)镴ensen模型最好，Stewart模型次之，Minhas模型模擬效果最差。Jensen模型對(duì)于大豆相對(duì)產(chǎn)量的模擬效果最好，平均誤差(AE)、變異系數(shù)(Cv)和均方根誤差(RMSE)分別為0.0067、6.34%和0.0380，均小于其他兩種模型；而對(duì)于反映模型整體模擬能力的模擬性能指數(shù)EF，其值為0.94，大于其他模型。對(duì)殘差聚集系數(shù)CRM進(jìn)行對(duì)比分析表明，Jensen模型對(duì)于大豆相對(duì)產(chǎn)量模擬值偏高，與其他模型相比最接近于零。

表4 模型模擬精度分析

3 結(jié) 論

(1) 比較各模型模擬大豆相對(duì)產(chǎn)量的效果先后排序?yàn)镴ensen模型、Stewart模型、Minhas模型，Jensen模型模擬效果最好，Minhas模型模擬效果最差。

(2) 模型精度評(píng)價(jià)Jensen模型的平均誤差(AE)、變異系數(shù)(Cv)和均方根誤差(RMSE)分別為0.0067、6.34%和0.0380，均小于其他兩種模型；而對(duì)于反映模型整體模擬能力的模擬性能指數(shù)EF，其值為0.94，大于其他模型。對(duì)殘差聚集系數(shù)CRM進(jìn)行對(duì)比分析表明，模型對(duì)于大豆相對(duì)產(chǎn)量模擬值偏高，與其他模型相比最接近于零。因此，建議黑龍江省甘南縣大豆水分生產(chǎn)函數(shù)選用Jensen模型，可為該地區(qū)大豆非充分灌溉條件下的灌溉制度優(yōu)化提供基礎(chǔ)依據(jù)。