基于PSWE模型的土壤水鹽運(yùn)移與夏玉米生產(chǎn)效益模擬

張萬(wàn)鋒 楊樹(shù)青 胡睿琦 鄂繼芳

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018；2.澳大利亞人工智能研究所，悉尼 2007)

0 引言

河套灌區(qū)引黃水量銳減、土壤鹽漬化等問(wèn)題嚴(yán)重制約著灌區(qū)農(nóng)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，如何節(jié)水改良鹽漬地、提效增產(chǎn)是灌區(qū)面臨的主要問(wèn)題[1-2]。秸稈還田改善土壤通透性[3]，顯著提高土壤養(yǎng)分供給強(qiáng)度[4]，減少無(wú)效蒸發(fā)[5]，促進(jìn)對(duì)降雨入滲的利用，提高水分利用效率[6-7]，與適宜水質(zhì)結(jié)合調(diào)控根層鹽分，提高作物產(chǎn)量和水分生產(chǎn)力[8]，影響土壤水鹽分布[9]。深入研究多因素協(xié)同秸稈還田耕作措施的土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律，對(duì)河套灌區(qū)抑鹽節(jié)水增產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但受大田試驗(yàn)周期長(zhǎng)、氣候變化復(fù)雜等多重因素的影響，秸稈還田措施的水鹽運(yùn)移規(guī)律缺乏深入系統(tǒng)研究，采用模型模擬是一種較方便快捷的研究方法。

大多數(shù)土壤水鹽運(yùn)移模型模擬及其相關(guān)影響因子主要依賴于復(fù)雜的物理過(guò)程機(jī)理[10]，模型求解時(shí)往往因邊界條件復(fù)雜、計(jì)算參數(shù)眾多等原因在應(yīng)用上受限，且水鹽運(yùn)移的非線性和突變性降低了這些機(jī)理模型的準(zhǔn)確性和可靠性。SCHINDLER等[11]認(rèn)為，與基于過(guò)程的機(jī)理模型相比，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型更具優(yōu)勢(shì)，伴隨機(jī)器學(xué)習(xí)理論及技術(shù)的發(fā)展，此類(lèi)模型逐漸在模擬土壤水鹽運(yùn)移方面得到認(rèn)可。前人采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究土壤水鹽動(dòng)態(tài)變化[12]和凍土水鹽空間變異情況[13]，并基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)洪水水位[14]、地下含水層水位[15]和土壤水鹽含量[16]等的變化，取得了較好的效果。作為機(jī)器學(xué)習(xí)最活躍的深度學(xué)習(xí)理論及技術(shù)，在數(shù)據(jù)特征學(xué)習(xí)與表征上更具優(yōu)勢(shì)。目前，深度學(xué)習(xí)在圖像識(shí)別[17]、作物產(chǎn)量估算[18]、土壤養(yǎng)分檢測(cè)[19]、氣象預(yù)報(bào)[20]與疾病診斷[21]等方面應(yīng)用較多，但在土壤水鹽模擬上的應(yīng)用較少。

多因素協(xié)同秸稈深埋下土壤水鹽運(yùn)移屬于夏玉米全生育期的時(shí)間序列分析問(wèn)題，本文以此為切入點(diǎn)，基于分級(jí)長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(Hierarchical long short-term memory，HLSTM)與批標(biāo)準(zhǔn)化多層感知機(jī)(Batch-normalized multi-layer perceptron，BMLP)耦合，構(gòu)建遞進(jìn)水鹽嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Progressive salt-water embedding neural network，PSWE)模型，模擬河套灌區(qū)多因素協(xié)同秸稈深埋下不同灌溉量的土壤水鹽運(yùn)移及夏玉米生產(chǎn)效益。旨在探明多因素協(xié)同秸稈深埋下土壤水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定適宜灌水量，檢驗(yàn)深度學(xué)習(xí)理論及技術(shù)在模擬土壤水鹽運(yùn)移上的有效性，為灌區(qū)應(yīng)用秸稈深埋還田技術(shù)調(diào)控水資源提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

田間試驗(yàn)于2017—2019年每年5月至9月在河套灌區(qū)臨河區(qū)雙河鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)節(jié)水示范區(qū)開(kāi)展，該示范區(qū)屬中溫帶半干旱大陸性氣候，多年平均降雨量156 mm，大多降雨集中在夏秋季，年均蒸發(fā)量2 332 mm，春冬季地表返鹽嚴(yán)重。供試土壤為粉砂壤土(砂粒、粉粒、粘粒質(zhì)量比為8∶15∶2)，0～100 cm土體平均容重1.485 g/cm3，平均田間持水率22.57%。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)于上一年秋澆前在35 cm土層人工鋪設(shè)5 cm粉碎玉米秸稈，平整耕地，第2年5月初淺耙壓實(shí)覆膜種植。秸稈深埋后形成土層依次為：耕作層(0～35 cm)、秸稈隔層(35～40 cm)、心土層(秸稈隔層以下土層)。田間試驗(yàn)設(shè)4個(gè)灌水水平：?jiǎn)未喂嗨?0 mm(W1)、90 mm(W2)、120 mm(W3)、135 mm(CK，當(dāng)?shù)毓嗨?，共4個(gè)處理，3次重復(fù)，12個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積72 m2，各小區(qū)間設(shè)2 m保護(hù)帶，四周用埋深1.2 m聚乙烯塑料膜隔開(kāi)，頂部留30 cm，防止水肥相互影響，田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶管理一致。夏玉米生育期灌溉3次，用汽油泵從渠道定量抽取灌溉水，畦灌方式灌溉。供試材料為鈞凱918玉米，5月初機(jī)械播種，9月末收獲，株距0.35 m，行距0.45 m。

1.3 樣品采集與分析

(1)土壤含水率及含鹽量：在播種前和每次灌水前、后(雨后2～3 d內(nèi)加測(cè)一次)，用土鉆分別在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土層取樣，測(cè)土壤含水率及電導(dǎo)率。采用干燥稱量法測(cè)土壤含水率，即質(zhì)量含水率；將土樣風(fēng)干、磨碎、過(guò)篩，配制土水質(zhì)量比1∶5提取清液，用DDS-307型電導(dǎo)率儀測(cè)土壤電導(dǎo)率。

(2)夏玉米考種測(cè)產(chǎn)及水分利用效率：每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取10株夏玉米，測(cè)量夏玉米穗長(zhǎng)、穗粗、百粒質(zhì)量等產(chǎn)量的相關(guān)指標(biāo)；干燥后稱總質(zhì)量并計(jì)算單位面積產(chǎn)量。

作物耗水量(Evaporation and transpiration of crop，ET)的計(jì)算式為

ET=P+I+Wg-D-R-ΔW

(1)

式中ET——作物耗水量，mm

P——生育期降雨量，mm

I——灌溉量，mm

Wg——地下水補(bǔ)給量，即研究期地下水向上補(bǔ)給土壤水的量，mm

D——滲漏水量，該示范區(qū)地下水位較高，地下水補(bǔ)給量遠(yuǎn)大于滲漏水量，故D忽略不計(jì)，mm

R——地表徑流，該示范區(qū)地面平坦，研究期降雨較小，無(wú)地表徑流，R可忽略，mm

ΔW——試驗(yàn)初期到末期土壤儲(chǔ)水量的變化量，mm

水分生產(chǎn)率(Water productivity，WP)的計(jì)算式為

WP=Y/ET

(2)

式中WP——水分生產(chǎn)率，kg/(hm2·mm)

Y——玉米產(chǎn)量，kg/hm2

大田試驗(yàn)時(shí)，灌溉后無(wú)法立即取樣測(cè)土壤含水率，造成模型模擬未能充分反映灌溉后土壤含水率突變的過(guò)程。鑒于此，采用水量平衡的方法補(bǔ)算此時(shí)段觀測(cè)點(diǎn)的土壤含水率理論值，分別計(jì)算出灌溉后各土層含水率的平均增加值，得到觀測(cè)點(diǎn)此時(shí)的理論含水率，并將其作為一個(gè)整體在模型中輸入，再調(diào)試率定模型。

土壤含水量理論值的計(jì)算式為

(3)

式中W——土壤含水量理論值，mm

θi——第i層土壤質(zhì)量含水率，此處為因灌溉引起的土層i含水率的變化量，%

hi——不同土層厚度，cm

ρi——土層平均容重

供試土壤各層平均容重分別為：0～20 cm土層取1.47 g/cm3，20～40 cm土層取1.48 g/cm3，40～60 cm土層取1.50 g/cm3，60～100 cm土層取1.49 g/cm3。

1.4 PSWE模型基本原理

使用Python編碼，在Pytorch框架上構(gòu)建PSWE模型，并進(jìn)行訓(xùn)練、率定。HLSTM編碼器將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間序列化，將以天為單位記錄氣象數(shù)據(jù)(地溫、氣溫、輻射量、CO2濃度、降水量)、灌溉定額、秸稈埋深、生育期時(shí)長(zhǎng)及土層深度等9個(gè)變量，作為一個(gè)整體嵌入到一個(gè)低維度歐幾里得空間中(維度為2維(含水率、含鹽量)，隱層維數(shù)為20維)，并學(xué)習(xí)與分析各變量與土壤水鹽含量間的因果關(guān)系，最終學(xué)習(xí)到土壤水鹽動(dòng)態(tài)變化。承接HLSTM編碼器輸出的水鹽含量，BMLP解碼器分析與學(xué)習(xí)土壤水鹽含量與作物生產(chǎn)效益間的因果關(guān)系。HLSTM編碼器與BMLP解碼器在相互迭代、更新學(xué)習(xí)的過(guò)程中，捕捉多因素在時(shí)間序列上的依存關(guān)系，并分析多因素對(duì)土壤水鹽運(yùn)移及作物生產(chǎn)效益的影響，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確模擬。本文使用[x0，x1，…，xt，…，xT]來(lái)表示每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的變量，每個(gè)xt為m維的向量(本文中m=9)。時(shí)間序列化使得xt自然擁有依次生成的性質(zhì)，基于n階馬爾科夫鏈的夏玉米在各時(shí)間點(diǎn)上的各項(xiàng)指標(biāo)依次發(fā)生的概率為

(3)

式中xt——每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上夏玉米各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，即模型輸入?yún)?shù)

T——夏玉米整個(gè)生長(zhǎng)周期，d

1.4.1HLSTM編碼器

在給定時(shí)間序列化數(shù)據(jù)[x0,x1,…,xT]，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Recurrent neural network，RNN)可對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)序列[h0,h1,…,hT]，每次RNN運(yùn)算的激活函數(shù)A為

At=φ(WaaAt-1+Waxxt+ba)

(4)

式中Waa、Wax——RNN中前一個(gè)輸出值和輸入值的權(quán)重

ba——輸入值偏差

φ——RNN的激活函數(shù)[22-23]，如S型函數(shù)、正切函數(shù)和線性整流函數(shù)

RNN模型輸出項(xiàng)ht為

ht=φ(WhaAt+bh)

(5)

式中Wha——權(quán)重系數(shù)

bh——輸出偏差

φ——輸出激活函數(shù)，與φ可以不同

RNN隨時(shí)間序列增加，反向傳播梯度會(huì)累積到爆炸或消失，限制了模型“記憶”長(zhǎng)時(shí)間序列上的信息。而基于HLSTM模型使用內(nèi)部邏輯門(mén)可有效解決這個(gè)問(wèn)題。與RNN相比，HLSTM構(gòu)造優(yōu)勢(shì)在于內(nèi)部的3個(gè)邏輯門(mén)：輸入門(mén)、遺忘門(mén)和輸出門(mén)。輸入門(mén)負(fù)責(zé)評(píng)估輸入數(shù)據(jù)流能否被用于記憶單元的調(diào)整與修改，即將0～1間的輸入數(shù)據(jù)和上一層隱藏?cái)?shù)據(jù)通過(guò)S型函數(shù)合并及歸一；再根據(jù)模型算法判斷信息是否符合規(guī)則，若不符合規(guī)則就通過(guò)遺忘門(mén)被舍棄；將歸一后的數(shù)據(jù)輸入并結(jié)合模型當(dāng)前時(shí)刻t節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，得到t時(shí)刻隱層表達(dá)式ot和輸出門(mén)t時(shí)刻輸出結(jié)果ht為

ot=σ(xtWo+ht-1Vo+bo)

(6)

ht=ot?St

(7)

式中σ——S型激活函數(shù)

Wo、Vo——HLSTM對(duì)應(yīng)t時(shí)刻隱層表達(dá)式用到的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)權(quán)重

bo——HLSTM對(duì)應(yīng)t時(shí)刻隱層表達(dá)式用到的數(shù)據(jù)輸入偏差

St——HLSTM對(duì)應(yīng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)t的存儲(chǔ)狀態(tài)

?——各元素間的相乘運(yùn)算符號(hào)

每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)輸出ht與該時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的土壤水鹽含量利用Huber Loss函數(shù)進(jìn)行損失量計(jì)算，計(jì)算式為

(8)

式中Llstm——利用Huber Loss函數(shù)計(jì)算土壤水鹽含量的損失量

ywater,salt——田間試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值

Huber_loss(·)——用于計(jì)算回歸問(wèn)題帶參的分段損失函數(shù)，本文采用L1-Loss函數(shù)計(jì)算損失量

利用輸入(9個(gè)變量)與輸出(作物生產(chǎn)效益)間的更新與映射，最后一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的隱層輸出結(jié)果被提取，作為學(xué)到整個(gè)時(shí)間序列上各項(xiàng)指標(biāo)的嵌入(embedding)，即BMLP解碼器的輸入項(xiàng)。

1.4.2BMLP解碼器

利用批標(biāo)準(zhǔn)化處理[24]來(lái)增強(qiáng)訓(xùn)練迭代，提高M(jìn)LP模型的穩(wěn)定性，構(gòu)建批標(biāo)準(zhǔn)化多層感知機(jī)(BMLP)。將HLSTM編碼器模擬的水鹽指標(biāo)作為BMLP解碼器的輸入項(xiàng)，捕獲時(shí)間序列上多因素的變化信息及其與土壤水鹽動(dòng)態(tài)間的因果關(guān)系，輸出作物生產(chǎn)效益。文中BMLP解碼器是一種具有雙隱含層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，層間信息流的精確仿射轉(zhuǎn)換至關(guān)重要，BMLP解碼器第l隱層hl表達(dá)式為

(9)

式中Wl——BMLP解碼器第l層的學(xué)習(xí)權(quán)重

bl——BMLP解碼器第l層的偏差

hl-1——l-1層的輸出值；當(dāng)l=1時(shí)，h0為embedding(水鹽嵌入)

BMLP輸入的數(shù)據(jù)通過(guò)層級(jí)間的更新規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算，得到最終輸出結(jié)果。最后一層生產(chǎn)效益的隱層表達(dá)與該時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的田間實(shí)測(cè)產(chǎn)量及水分生產(chǎn)率利用Huber Loss進(jìn)行損失計(jì)算，計(jì)算式為

Lmlp=Huber_loss(hl,yyield,water-efficency)

(10)

式中Lmlp——利用Huber Loss函數(shù)計(jì)算夏玉米產(chǎn)量與水分生產(chǎn)率的損失量

yyield,water-efficency——夏玉米產(chǎn)量與水分生產(chǎn)率的實(shí)測(cè)值

PSWE模型通過(guò)HLSTM構(gòu)造的編碼器與BMLP構(gòu)造的解碼器耦合所計(jì)算的損失對(duì)模型整體進(jìn)行協(xié)同更新，從而大幅提高預(yù)測(cè)精度。本模型最終損失函數(shù)計(jì)算值L為式(8)和式(10)的平均值，即

(11)

采用隨機(jī)梯度(SGD)[25]作為優(yōu)化器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在峰值處梯度較平緩，未立即收斂，且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)學(xué)習(xí)速率統(tǒng)一。但PSWE神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在訓(xùn)練過(guò)程中采用Adam優(yōu)化算法，使其能夠更穩(wěn)定、平滑地收斂。同時(shí)，為避免對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生過(guò)擬合，模型又耦合了Dropout優(yōu)化算法[26]，作為整個(gè)模型的收斂算法。

至此，基于遞進(jìn)水鹽嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(PSWE)構(gòu)建完成，通過(guò)適應(yīng)性分析，將研究區(qū)各變量輸入模型，根據(jù)HLSTM構(gòu)造的編碼器與BMLP構(gòu)造的解碼器中獲取的雙層遞進(jìn)因果關(guān)系進(jìn)行迭代更新，完成對(duì)土壤水鹽變化及作物生產(chǎn)效益的模擬。PSWE模型架構(gòu)如圖1所示。

圖1 遞進(jìn)水鹽嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Schematic of progressive salt-water embedding neural network architecture

2 結(jié)果與分析

2.1 PSWE模型率定與檢驗(yàn)

各變量在數(shù)值上相差較大，且量綱不相同，若直接參與訓(xùn)練會(huì)影響模型學(xué)習(xí)收斂速率與精度，故訓(xùn)練前對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化預(yù)處理，將數(shù)據(jù)歸一化。選取2年360組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為PSWE模型訓(xùn)練集，在訓(xùn)練過(guò)程中表現(xiàn)出較好的誤差收斂性能，模型率定結(jié)果如圖2～4所示(因篇幅所限，僅選取2018年單次灌水90 mm和120 mm分別在播種后第17天和第135天的水鹽含量及2018年夏玉米生產(chǎn)效益率定圖為例)。結(jié)果表明，土壤含水率均方根誤差(RMSE)小于0.031%，平均絕對(duì)誤差(MAE)小于0.473%，決定系數(shù)R2大于0.979；土壤含鹽量RMSE小于0.032 g/kg，MAE小于0.566 g/kg，R2大于0.975；夏玉米產(chǎn)量RMSE為0.031 kg/hm2，MAE為0.546 kg/hm2，R2為0.983；水分生產(chǎn)效率RMSE為0.024 kg/(hm2·mm)，MAE為0.561 kg/(hm2·mm)，R2為0.977。

圖2 土壤含水率率定結(jié)果Fig.2 Model calibration of soil moisture content

圖3 土壤含鹽量率定結(jié)果Fig.3 Model calibration of soil salt content

圖4 夏玉米生產(chǎn)效益率定結(jié)果Fig.4 Model calibration of summer maize production efficiency

圖5 土壤含水率驗(yàn)證結(jié)果Fig.5 Model checking of soil moisture content

圖6 土壤含鹽量驗(yàn)證結(jié)果Fig.6 Model checking of soil salt content

圖7 夏玉米生產(chǎn)效益驗(yàn)證結(jié)果Fig.7 Model checking of summer maize production efficiency

采用2019年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)PSWE模型進(jìn)行檢驗(yàn)。作物生育期有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間點(diǎn)有9個(gè)，選取單次灌水60、90、120、135 mm處理在整個(gè)生育期20～40 cm土層含水率和含鹽量及生產(chǎn)效益的驗(yàn)證圖為例，模型驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖5～7。結(jié)果表明，土壤含水率模擬值與實(shí)測(cè)值擬合程度較好，雖然土壤含鹽量模擬結(jié)果相對(duì)稍差一些(可能是土壤蒸發(fā)與作物蒸騰過(guò)程中水鹽間強(qiáng)烈的互作效應(yīng)，且鹽分的時(shí)空變異性遠(yuǎn)大于水分時(shí)空變異性導(dǎo)致)，但仍可有效反映土壤水鹽運(yùn)移及作物生產(chǎn)效益的變化趨勢(shì)，模擬結(jié)果可以接受。模型檢驗(yàn)的平均RMSE為0.031，平均MAE為0.569，平均決定系數(shù)R2為0.987。

利用檢驗(yàn)后的PSWE模型開(kāi)展模擬試驗(yàn)。模擬土層0～100 cm水鹽運(yùn)移，每20 cm為一層，共5層；模擬周期為夏玉米生育期，共計(jì)140 d，步長(zhǎng)為1 d；單次灌溉60～135 mm，灌溉3次，初始步長(zhǎng)為5 mm，最小步長(zhǎng)1 mm，最大步長(zhǎng)為10 mm(按照當(dāng)?shù)毓喔葧r(shí)間確定)；氣象參數(shù)均按照當(dāng)天平均值輸入；土壤含鹽量容許偏差為0.05 g/kg，含水率容許偏差0.05%，產(chǎn)量容許偏差為1 kg/hm2，水分生產(chǎn)率容許偏差為0.001 kg/(hm2·mm)。因模擬圖較多，僅選取灌溉60、90、120、135 mm的土壤水鹽分布模擬圖(圖8、9)。

2.2 多因素協(xié)同秸稈深埋下不同灌水量的土壤質(zhì)量含水率模擬

多因素協(xié)同秸稈深埋下，不同灌水量的土壤含水率分布模擬結(jié)果如圖8所示。在夏玉米生育期內(nèi)，土壤含水率隨土層深度的加深而提高，隨生育期推移而降低，且不同灌水量間存在不同程度的差異。

圖8 生育期內(nèi)各土層含水率分布Fig.8 Distributions of soil moisture content in different soil layers during growth period

圖9 生育期內(nèi)各土層含鹽量分布Fig.9 Distributions of soil salt content in different soil layers during growth period

生育前期，不同處理耕作層含水率差異不顯著，隨生育期推移，變幅增大。灌溉后耕作層含水率顯著增加，整個(gè)生育期出現(xiàn)3次峰值，隨蒸發(fā)蒸騰作用增強(qiáng)，土壤含水率逐漸降低。灌溉90mm和120 mm時(shí)，耕作層含水率保持平穩(wěn)，為16%～24%；而灌溉60 mm時(shí)，因灌水量較小，且持續(xù)蒸發(fā)蒸騰作用及秸稈隔層在一定程度切斷毛管，導(dǎo)致耕作層含水率持續(xù)降低，最低僅為11.2%，已逐步影響夏玉米生長(zhǎng)；灌水量為135 mm時(shí)，耕作層含水率變幅最大，灌溉后的耕作層含水率大幅增加，短時(shí)間內(nèi)減小為10.3%～26.2%。在夏玉米成熟期，灌溉60mm的耕作層含水率較灌溉135mm處理降低27.3%，而灌溉90mm和120 mm的耕作層含水率分別提高5.7%和7.1%(P<0.05)。秸稈隔層含水率隨灌水量增加呈先增后減趨勢(shì)，同一時(shí)間點(diǎn)灌溉90mm和120 mm隔層含水率較灌溉60 mm和135 mm顯著提高(P<0.05)，成熟期二者分別提高14.3%和13.8%，說(shuō)明多因素協(xié)同秸稈深埋下適宜灌水量可起到蓄水保墑的作用，擴(kuò)大隔層蓄水容量。隨著土層深度增加，心土層含水率有增大趨勢(shì)，在40～60 cm土層含水率有小幅波動(dòng)，特別是灌溉60mm處理在該土層含水率持續(xù)下降，成熟期下降到不足20%，且60 cm以下土層含水率在成熟期仍有下降趨勢(shì)；由圖8可知，灌溉90mm和120 mm處理的心土層含水率基本維持穩(wěn)定，受灌溉影響較小，80 cm以下土層含水率均在30%以上；而當(dāng)?shù)毓嗨?35 mm時(shí)心土層含水率有小幅波動(dòng)，夏玉米生長(zhǎng)后期有降低趨勢(shì)。

2.3 多因素協(xié)同秸稈深埋下不同灌水量的土壤含鹽量模擬

多因素協(xié)同秸稈深埋下，不同灌水量的土壤含鹽量分布的模擬如圖9所示。多因素協(xié)同秸稈深埋和灌水量對(duì)土壤含鹽量分布影響顯著。

整個(gè)生育期，不同灌水量處理的耕作層均積鹽，灌溉90 mm和120 mm積鹽率較灌溉60 mm和135 mm顯著降低(P<0.05)。生育末期灌溉60 mm處理的耕作層積鹽最多，積鹽率為20.6%；其次是當(dāng)?shù)毓喔攘?35 mm處理，其積鹽率為16.6%；而灌溉90 mm和120 mm積鹽率較小，分別為8.9%和8.3%，二者差異不顯著(P>0.05)。在秸稈隔層，灌溉60 mm整個(gè)生育期含鹽量逐漸增加，生育末期達(dá)到3.9 g/kg以上，積鹽率達(dá)到49.2%，較其他灌水量處理的隔層積鹽顯著增多，即使地面灌溉后，仍然有增大趨勢(shì)；灌溉90 mm和120 mm處理的隔層含鹽量變化比較平穩(wěn)，地面灌溉后隔層含鹽量下降，持續(xù)一段時(shí)間后增加，但在生育末期隔層脫鹽，脫鹽率分別為6.1%和5.9%，二者脫鹽率差異不顯著(P>0.05)；灌溉135 mm處理的隔層含鹽量隨灌溉后大幅降低，持續(xù)短時(shí)間后又顯著增加，生育末期隔層積鹽，積鹽率達(dá)到11.2%。說(shuō)明多因素協(xié)同秸稈深埋的耕作模式下，過(guò)多灌溉或灌溉不足均不能充分發(fā)揮隔層抑鹽作用，只有在適宜灌水量下，秸稈隔層可減緩?fù)寥浪秩霛B與蒸發(fā)，同時(shí)抑制深層土壤返鹽，保持根系層(20～40 cm)含鹽量變幅較小，生育末期土壤脫鹽效果顯著。心土層含鹽量隨灌水量增加存在不同程度的差異。灌溉60 mm處理的心土層含鹽量在生育期呈逐漸增大趨勢(shì)，成熟期含鹽量達(dá)到最大，為3.5 g/kg，較播種時(shí)顯著增加心土層含鹽量，平均積鹽率為14.7%；灌溉90 mm和120 mm處理的心土層含鹽量變化較平穩(wěn)，平均積鹽率分別為11.5%和11.7%；當(dāng)?shù)毓喔?35 mm處理的心土層含鹽量變幅較大，地面灌溉后大幅下降，隨蒸發(fā)蒸騰作用增強(qiáng)而增大，平均積鹽率為12.6%；不同灌溉量的心土層均積鹽，隨灌水量的增加心土層含鹽量變化率表現(xiàn)為先增后減，與耕作層積鹽趨勢(shì)相反。

2.4 夏玉米產(chǎn)量與水分生產(chǎn)率預(yù)測(cè)

夏玉米產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率模擬結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，秸稈深埋下夏玉米產(chǎn)量及水分生產(chǎn)率隨灌水量增大均呈先增后降的趨勢(shì)，但二者達(dá)到峰值時(shí)的灌水量不同。灌溉區(qū)間在60～89.3 mm時(shí)，水分生產(chǎn)率逐漸增加，在灌水量89.3 mm時(shí)，達(dá)到峰值，為21.3 kg/(hm2·mm)，此時(shí)夏玉米產(chǎn)量仍處在增加階段，未到達(dá)最大值；灌溉區(qū)間在89.3～96.8 mm時(shí)，水分生產(chǎn)率開(kāi)始下降，產(chǎn)量在灌水量96.8 mm達(dá)到峰值，為9 191 kg/hm2；當(dāng)灌溉區(qū)間為96.8～135 mm時(shí)，二者均下降。取二者峰值間的灌水量89.3～96.8 mm作為多因素協(xié)同秸稈深埋的夏玉米較適宜單次灌水量，并將此灌水量、理論產(chǎn)量、水分生產(chǎn)率及其他相應(yīng)參數(shù)代入模型，反推耕作層理論含鹽量為1.38～1.55 g/kg。

圖10 不同灌水量時(shí)夏玉米產(chǎn)量及水分生產(chǎn)率變化曲線Fig.10 Summer maize yields and water productivity under different water irrigation

3 討論

土壤水鹽含量、作物生產(chǎn)效益與耕作措施、灌水量、氣象條件等多因素間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系，研究多因素間的因果關(guān)系對(duì)土壤水鹽運(yùn)移及提效增產(chǎn)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。劉全明等[27]基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬區(qū)域耕地耕作層的水鹽動(dòng)態(tài)，均方根誤差在1.7%～5%之間；余世鵬等[28]基于模糊神經(jīng)算法建立的水鹽最優(yōu)預(yù)測(cè)模型有效模擬了中長(zhǎng)期水鹽動(dòng)態(tài)變化，預(yù)測(cè)誤差降低30%以上。本研究基于HLSTM與BMLP耦合構(gòu)建了遞進(jìn)水鹽嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(PSWE)模型，有效模擬了多因素變量與水鹽變化、夏玉米生產(chǎn)效益間的兩層遞進(jìn)因果關(guān)系，模型整體均方根誤差為0.031，平均絕對(duì)誤差(MAE)為0.569，平均決定系數(shù)R2為0.987。PSWE模型具有較高的精度，可實(shí)現(xiàn)河套灌區(qū)多因素協(xié)同秸稈深埋下0～100 cm土層水鹽及夏玉米生產(chǎn)效益的模擬。模型訓(xùn)練時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨土層深度加深模擬精度有所降低，且土壤含鹽量模擬結(jié)果相對(duì)稍差，這與王鈞等[29]模擬含水率變化趨勢(shì)類(lèi)似。可能是因?yàn)?，一方面模型?xùn)練時(shí)約束條件較少，未考慮土壤理化性質(zhì)、滲漏等影響；另一方面蒸發(fā)蒸騰過(guò)程中土壤水鹽間的互饋效應(yīng)強(qiáng)烈，且鹽分時(shí)空變異性遠(yuǎn)大于水分。后期研究可通過(guò)這部分因素的改進(jìn)進(jìn)一步提高模型模擬與預(yù)測(cè)的精度。

不同土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地均勻性改變了土壤水入滲形式，顯著影響土壤水分入滲[30]。秸稈覆蓋耕作措施的土壤水蓄納隨作物生育期推移改變，且作物生長(zhǎng)前期蓄水，后期供水[31]，這與本研究結(jié)果存在差異。本研究在多因素交互作用下，耕作層土壤含水率隨地面灌溉而增大，但不同灌溉量土層的含水率變化趨勢(shì)不一致。這是因?yàn)橄挠衩捉斩捹|(zhì)地粗糙，深埋后形成秸稈隔層的上下界面與均質(zhì)土壤(粉砂壤土)的界面存在空隙差，且秸稈內(nèi)部也存在較多空隙，造成隔層導(dǎo)水率與原土壤存在差異，影響土壤水入滲。另外，因土壤入滲水需先達(dá)到秸稈隔層蓄納水容量才能繼續(xù)下滲至心土層，導(dǎo)致在隔層與土壤交界面形成的優(yōu)先流水分短時(shí)間內(nèi)很難進(jìn)入心土層，引起優(yōu)先流運(yùn)移不均勻[32]。隨土壤水入滲，較小灌水量(60 mm)耕作層含水率遠(yuǎn)低于田間持水率，入滲水分未能充分溶解耕作層鹽分，且未達(dá)到秸稈隔層的蓄納量，秸稈隔層未充分濕潤(rùn)。因此，此時(shí)入滲水主要消耗在耕作層及部分存蓄在隔層中，無(wú)淋鹽的作用；隨著蒸發(fā)作用增強(qiáng)，隔層蓄納的水分及耕作層水分蒸散較快，且隔層切斷土壤毛管，心土層土壤水未能透過(guò)隔層及時(shí)補(bǔ)充蒸發(fā)消耗，耕作層及隔層含水率持續(xù)下降，導(dǎo)致小灌溉量的秸稈隔層逐漸演化成鹽庫(kù)，在夏玉米生育期有積鹽趨勢(shì)。

在多因素影響下，適宜灌溉量(90 mm或120 mm)處理的秸稈隔層延長(zhǎng)了土壤入滲水在耕作層停蓄時(shí)間，可充分濕潤(rùn)耕作層和隔層，提高其含水率，與心土層形成不連續(xù)的水分運(yùn)移架構(gòu)，當(dāng)入滲水量超過(guò)隔層蓄納量時(shí)，土壤水將運(yùn)移到心土層，最后形成不連續(xù)水分運(yùn)移通道，入滲趨于穩(wěn)定，達(dá)到部分淋鹽效果；蒸發(fā)作用下，耕作層土壤水分逐漸減少，心土層土壤水上移補(bǔ)充，但隔層阻斷了心土層土壤水分通過(guò)毛管上移的通道，切斷蒸發(fā)補(bǔ)給，抑制深層土壤鹽分上移，且隔層存蓄的水分在蒸發(fā)作用下逐步釋放，補(bǔ)充根系層，從而在一定程度上稀釋了土壤溶液，淡化根層。但灌水量較大(常規(guī)量135 mm)時(shí)，隔層與心土層形成的不連續(xù)水分運(yùn)移架構(gòu)被破壞，土壤水在很大程度上自由運(yùn)移，隔層上下界面與土壤間的導(dǎo)水率差異減小，且隨灌水次數(shù)增加，不連續(xù)水分運(yùn)移架構(gòu)進(jìn)一步破壞，隔層與土壤間導(dǎo)水率差異進(jìn)一步變小，濕潤(rùn)區(qū)優(yōu)先流與其水分運(yùn)移很快平衡。因此，灌溉后耕作層含鹽量大幅下降；隨蒸發(fā)蒸騰作用增強(qiáng)，深層土壤水分通過(guò)土壤毛管進(jìn)入耕作層，逐漸補(bǔ)給蒸發(fā)，鹽分卻留在耕作層，導(dǎo)致耕作層積鹽，產(chǎn)生了次生鹽漬化。研究指出，秸稈夾層能夠抑制深層土壤返鹽且抑制耕層鹽分表聚[33]，這與本研究的結(jié)果有差異，這可能因?yàn)樵撗芯績(jī)H分析秸稈夾層抑鹽的作用，未考慮其他影響因素。本研究發(fā)現(xiàn)，灌溉60 mm處理的耕作層積鹽，表層鹽分聚集較多，因持續(xù)蒸發(fā)作用，耕作層水分損失嚴(yán)重，鹽分濃度增大；灌溉90 mm和120 mm的耕作層鹽分表聚，抑制心土層返鹽，這與李芙榮等[34]的研究結(jié)果類(lèi)似，此時(shí)表聚鹽分主要來(lái)源是耕作層及灌溉水的鹽分，進(jìn)而在一定程度淡化根系層；另外常規(guī)灌溉135 mm耕作層表聚大量鹽分，造成耕作層次生鹽漬化，此時(shí)表聚的鹽分來(lái)源主要是耕層、灌溉水及心土層的鹽分。模擬結(jié)果表明，夏玉米生育末期灌溉60、135 mm的秸稈隔層積鹽，積鹽率為49.2%和11.2%，灌溉90、120 mm的隔層為脫鹽趨勢(shì)，脫鹽率為6.1%和5.9%。模擬結(jié)果較實(shí)測(cè)值偏小，可能是因?yàn)槟Ｐ陀?xùn)練是基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)自身，約束條件較少導(dǎo)致。

水鹽脅迫是危害鹽漬地作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，適宜的耕作層含鹽量有利于增強(qiáng)作物的耐鹽適應(yīng)性[26,35]，有利于作物生長(zhǎng)，且適宜灌水量對(duì)作物生理性狀及產(chǎn)量會(huì)產(chǎn)生積極的影響[36]，這與本研究結(jié)果基本一致。本研究結(jié)果表明，多因素協(xié)同及秸稈深埋下夏玉米適宜單次灌水量為89.3～96.8 mm，通過(guò)PSWE模型反算此時(shí)耕作層理論含鹽量為1.38～1.55 g/kg。說(shuō)明秸稈深埋耕作模式下，適當(dāng)減少灌水量及調(diào)控耕作層含鹽量可提高夏玉米生產(chǎn)效益，過(guò)高或過(guò)低耕作層水鹽含量均不利于作物生長(zhǎng)。

4 結(jié)論

(1)PSWE模型將夏玉米生長(zhǎng)條件、土壤水鹽含量與生產(chǎn)效益作為有機(jī)統(tǒng)一體，充分考慮各因素間整體協(xié)同效應(yīng)，學(xué)習(xí)多因素在時(shí)間序列上的自然發(fā)展規(guī)律，較好地模擬了河套灌區(qū)多因素協(xié)同秸稈深埋的土壤水鹽動(dòng)態(tài)，有效表征三者間雙層遞進(jìn)因果關(guān)系，學(xué)習(xí)各變量?jī)?nèi)在依存聯(lián)系。模型平均均方根誤差為0.031，平均絕對(duì)誤差(MAE)為0.569，平均決定系數(shù)R2為0.987。

(2)多因素協(xié)同秸稈深埋下不同灌水量對(duì)土壤水鹽含量影響顯著，灌溉90 mm和120 mm的耕作層含水率保持在16%～24%之間，生育末期隔層脫鹽率分別為6.1%和5.9%，而灌溉60 mm和135 mm的耕作層含水率持續(xù)降低或者變幅較大，生育末期隔層積鹽率分別為49.2%和11.2%。建議河套灌區(qū)秸稈深埋下夏玉米種植的單次灌水量為89.3～96.8 mm，耕作層理論含鹽量調(diào)控為1.38～1.55 g/kg。