基于綜合效益分析的烤煙設(shè)施農(nóng)田暗管布局優(yōu)化

張 曉 艷

(山西大學(xué) 動力工程系，山西 太原 030013)

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基于綜合效益分析的烤煙設(shè)施農(nóng)田暗管布局優(yōu)化

張 曉 艷

(山西大學(xué) 動力工程系，山西 太原 030013)

摘要：土壤鹽漬化對烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)有不同程度的負(fù)面影響。為了尋求綜合效益(高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、節(jié)水、降鹽)最優(yōu)的設(shè)施農(nóng)田暗管布局方案，設(shè)計了不同的灌溉制度與暗管布局方案，觀測不同處理對烤煙品質(zhì)指標(biāo)、產(chǎn)量、灌溉水利用效率和耕層土壤電導(dǎo)率的影響，并引入主成分分析法和投影尋蹤分類模型，對不同暗管布局方案進行優(yōu)選。結(jié)果表明：煙葉總氮和煙堿含量與灌溉量呈負(fù)相關(guān)，而還原糖和鉀含量與灌溉量呈正相關(guān)；煙葉綜合品質(zhì)與產(chǎn)量均以W2D1S2最優(yōu)，耕層土壤鹽分去除效果和灌溉水利用效率分別以W3D1S1處理和W1D2S2最優(yōu)；投影尋蹤分類模型計算結(jié)果認(rèn)為，W2D1S2為綜合效益最佳的處理，投影值達到1.5222，W2D2S1次之，W1D1S1最差。因此，灌溉量500 mm條件下，暗管埋深0.6 m、間距6 m為本試驗最優(yōu)的暗管布局方案。

關(guān)鍵詞：暗管排水；埋深；綜合效益；投影尋蹤

早在1950年，芬蘭南部80%的栽培土壤就利用暗管排水技術(shù)來降低地下水位，改善土壤條件[1]。暗管排水已被證明在澇地和鹽漬地區(qū)具備相當(dāng)?shù)膽?yīng)用價值和經(jīng)濟可行性[2-3]。暗管排水對濱海鹽土、低產(chǎn)田、澇地的改良效果以及對土壤鹽分、作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響也一度成為研究熱點[3-5]。如Mathew[6]發(fā)現(xiàn)，不同暗管埋設(shè)方法對土壤有不同程度的改良作用，暗管排水顯著加速了鈉鹽、鈣鹽和鎂鹽的流失；Hornbuckle[7]比較了單層暗管和多層暗管排水對地下水位、土壤鹽分和排出水鹽分的影響；Ghumman[8]認(rèn)為，一季作物栽培時間內(nèi)，暗管排水可使得耕層土壤電導(dǎo)率降低17%；張潔[9]比較了2種暗管布局方案對番茄產(chǎn)量的影響，認(rèn)為暗管埋深0.7 m、間距8 m對番茄產(chǎn)量的提高最為有利。

我國部分煙區(qū)(如貴州)降雨時空分布不均，階段性干旱時常發(fā)生，在影響烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)的同時，加重了土壤連作障礙。將暗管排水技術(shù)應(yīng)用于烤煙栽培中，加快了土壤的淋洗脫鹽，尤其能防止氯離子對烤煙品質(zhì)產(chǎn)生的不利影響。然而，由于暗管排水在設(shè)施栽培中的應(yīng)用研究還不多，暗管排水優(yōu)化布局成為亟待解決的關(guān)鍵問題。應(yīng)用主成分分析法和投影尋蹤分類模型優(yōu)選最佳暗管布局方案，可有效避免主觀決策對優(yōu)選結(jié)果造成的影響，所得結(jié)果更為客觀、科學(xué)。本試驗選擇烤煙為主要試材，設(shè)計不同灌溉量與暗管布局方案，對不同處理下烤煙主要品質(zhì)指標(biāo)、產(chǎn)量、灌溉水利用效率和耕層土壤電導(dǎo)率進行觀測，并引入主成分分析法和投影尋蹤分類模型對不同方案進行優(yōu)選，旨在為優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)烤煙的栽培提供技術(shù)支持，也為暗管技術(shù)在設(shè)施農(nóng)田中的應(yīng)用提供實踐依據(jù)。

1　試驗材料與方法

1.1試驗區(qū)概況

本文試驗于2013年5月—9月在南京市蔬菜花卉研究所內(nèi)的溫室中進行。研究所位于南京市江寧區(qū)，該區(qū)的年降雨量約為1 106.5 mm，年降水天數(shù)約117 d，年平均氣溫15.7℃，最大風(fēng)速19.8 m/s，平均濕度81%，無霜期237 d。由于長期連作，土壤已出現(xiàn)輕微的鹽漬化。試驗區(qū)土壤種類為黃棕壤，0～40 cm經(jīng)翻勻處理，基本理化性質(zhì)如下：電導(dǎo)率5.12 ms/cm，pH 5.79，速效氮含量98.2 mg/kg，速效磷含量17.4 mg/kg，速效鉀含量122.6 mg/kg。

1.2試驗設(shè)計

試驗所選植物試材為烤煙K326，將烤煙生育期劃分為伸根期、旺長期和成熟期，基于前人研究經(jīng)驗[10-11]，伸根期、旺長期和成熟期灌溉量分別占總灌溉量的30%、40%和30%，移栽以后每隔7 d灌溉一次，把各生育期的需灌水量平均灌至植煙土壤中。施氮量為120 kg/hm2，按照基肥∶追肥=7∶3分配，追肥時間為烤煙移栽后26 d。

在綜合考慮烤煙需水規(guī)律和地下水位狀況的基礎(chǔ)上，試驗設(shè)3種灌溉總量，2種暗管埋深和2種暗管間距，共12個處理。3種灌溉總量分別為400 mm(W1)，500 mm(W2)和600 mm(W3)，2種暗管埋深分別為0.6 m(D1)和0.8 m(D2)，2種暗管間距分別為4 m(S1)和6 m(S2)。下文中W1D1S1處理標(biāo)識代表灌溉總量400 mm，暗管埋深0.6 m，間距4 m，其它處理以此類推。不同暗管布局之間用1 m深的縱向防滲膜來阻止水分側(cè)滲，暗管材質(zhì)為塑料波紋管，管外包裹有無紡布。

1.3測定項目與方法

1.3.1烤煙產(chǎn)量

烤煙成熟時，將植株按照上部葉、中部葉、下部葉、根、莖分開，105℃殺青半小時后75℃烘干至恒重。單株烤煙產(chǎn)量為上、中、下部葉干重之和。

1.3.2烤煙品質(zhì)

每個處理選取3株烤煙，待烤煙中部葉完全成熟后對其進行烘烤處理，烘干后磨細待測。品質(zhì)指標(biāo)：采用連續(xù)流動分析儀，利用連續(xù)流動法測定[12]。標(biāo)準(zhǔn)參照《煙草及煙草制品水流性糖的測定連續(xù)流動法》[13](YC/T 159-2002)，《煙草及煙草制品總植物堿的測定連續(xù)流動法》[14](YC/T 160-2002)，《煙草及煙草制品總氮的測定連續(xù)流動法》[15](YC/T 161-2002)。

1.3.3耕層土壤電導(dǎo)率(EC)

耕層土壤EC：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[16]。

1.4數(shù)據(jù)處理

顯著性分析和烤煙品質(zhì)的主成分提取采用Spss 17.0軟件，綜合效益熵權(quán)系數(shù)評價模型的建立采用Matlab7.1軟件。

1.5主成分分析

烤煙品質(zhì)是一個復(fù)雜的概念，包含指標(biāo)眾多且彼此之間有一定關(guān)聯(lián)，為了分析不同處理對烤煙綜合品質(zhì)的影響，采用主成分分析法對烤煙主要品質(zhì)指標(biāo)進行主成分提取，提取原則為特征值大于1，累積貢獻率大于80%[17]。由于表1中國家煙草專賣局給出的烤煙化學(xué)成分指標(biāo)和適宜范圍[18]大部分為區(qū)間指標(biāo)，需要對品質(zhì)指標(biāo)值作一些變換，若假設(shè)某個指標(biāo)適宜區(qū)間的最中心值為最優(yōu)值，實測值離該中心值越近，說明該值所代表的指標(biāo)越好。將原指標(biāo)轉(zhuǎn)化為新的評價指標(biāo)：X1=|X1實際值-25|、X3=|X3實際值-200|、X2=|X2實際值-22.5|、X6=|X6實際值-1|、X5*=|X5實際值-9|。采用Spss17.0，對變換后的樣本進行主成分計算，特征向量、特征值、貢獻率與累計貢獻率。

表1　烤煙主要品質(zhì)指標(biāo)及適宜范圍

不同處理綜合效益評價指標(biāo)的選取體現(xiàn)了本試驗的主要目的，即高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、節(jié)水和降鹽。

1.6投影尋蹤分類模型

為保證綜合效益評價結(jié)果的全面性和科學(xué)性，本文選用投影尋蹤分類模型對主要評價指標(biāo)進行建模計算。投影尋蹤的基本方法是將高維的原始數(shù)據(jù)通過所建立的模型投影到1～3維的人眼可視的空間，然后進行某一投影指標(biāo)的優(yōu)化，在此期間會得到若干個投影方向，在最優(yōu)的投影方向下，投影到低維子空間的點能夠較好地反映高維空間的數(shù)據(jù)特點和結(jié)構(gòu)，研究者即可通過低維空間得到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和特征研究高維數(shù)據(jù)。近年來，投影尋蹤分類模型在效益評價中的算法已經(jīng)相對成熟。然而，若某項評價指標(biāo)中包含的子項數(shù)量過多(如本文中的品質(zhì)指標(biāo))，在直接計算時必然會增加該項指標(biāo)權(quán)重的分配比例，即所得評價結(jié)果更易受到該項指標(biāo)影響，利用主成分分析將子項較多的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為綜合主成分再進行計算，則能很好地避免這一問題。

投影尋蹤分類模型建模方法如下[18]：

(1)評價矩陣的建立。n為試驗處理總數(shù)，p為評價指標(biāo)數(shù)，xij*指第i個處理的第j個評價指標(biāo)值，本試驗中n=12，p=4，則樣本數(shù)據(jù)矩陣X*為：

(1)

(2)無量綱化。本試驗中的綜合效益評價指標(biāo)分為2類，EC為損失性指標(biāo)，其余均為收益性指標(biāo)，不同指標(biāo)采用不同的無量綱化方法，其方法分別為：

收益性指標(biāo)無量綱化方法：

(2)

損失性指標(biāo)無量綱化方法：

(3)

矩陣X*無量綱化后得到X：

(4)

式中：max(xj*)為第j個指標(biāo)的最大值；min(xj*)為第j個指標(biāo)的最小值。

(3)線性投影。線性投影的目的是實現(xiàn)高維數(shù)據(jù)向低維數(shù)據(jù)的降維，其重點是確定能夠保留最多原始信息的投影方向。設(shè)單位向量a={a1,a2,…ap}為一維線性投影方向，那么矩陣X投影到a上的一維投影特征值zi為：

(5)

(4)構(gòu)造投影目標(biāo)函數(shù)。投影值在空間的分布盡量滿足：局部投影點密集，凝聚成點團最佳；整體上，點團和點團之間應(yīng)盡可能分散。也就是說，在構(gòu)造投影目標(biāo)函數(shù)時，要使得多元數(shù)據(jù)分布的類間距離和類內(nèi)密度同時達到最大。則投影目標(biāo)函數(shù)可以表示為：

Q(a)=SZ·DZ

(6)

式中：Q(a)為投影目標(biāo)函數(shù)；SZ為投影特征值zi的標(biāo)準(zhǔn)差，即類間距離；DZ為投影特征值zi的局部密度，即類內(nèi)密度。

(7)

式中：E(z)為序列{zi|i=1～n|}的均值。

(8)

式中：R為局部密度的窗口半徑。

rik=|ri-rk|

(9)

(10)

i，k=1，2，3……n，表示樣本容量。

(5)優(yōu)化投影目標(biāo)函數(shù)。在樣本集指標(biāo)值給定的情況下，投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)會隨著投影方向a的不同而發(fā)生變化，最佳投影方向應(yīng)最大限度地反映高維數(shù)據(jù)的原始信息或某類結(jié)構(gòu)特征。采用目標(biāo)函數(shù)最大化的方法對投影目標(biāo)函數(shù)進行優(yōu)化處理：

maxQ(a)=SZ·DZ

(11)

(12)

|a(j)|≤1

(13)

(6)評價。最佳投影方向a*的取值反映指標(biāo)貢獻程度，即權(quán)重。按照投影值z*(i)取值大小排列，可以得到不同暗管排水處理綜合效益的優(yōu)劣排序。

2　結(jié)果與分析

2.1不同處理對烤煙品質(zhì)的影響

烤煙主要品質(zhì)指標(biāo)和灌溉量的相關(guān)性較大，低灌溉量處理烤煙葉片的煙堿和總氮含量總體高于中、高灌溉量處理，而還原糖和鉀含量低于中、高灌溉量處理(見表2)。煙堿與總氮含量均以W1D1S1處理最高，分別達到27.16 mg/g和31.22 mg/g，這可能由于W1D1S1處理灌溉量較低，密集的暗管布局又加速了灌溉水分的流失；相反，W1D1S1處理煙葉還原糖和鉀含量處于較低水平，其中還原糖含量顯著(P<0.05)低于其他處理(除W1D2S1)，這一結(jié)果充分印證和補充了張迪[19]等人的研究成果，即低土壤水分提高煙葉煙堿和總氮含量，但降低還原糖含量。本試驗中，烤煙葉片煙堿和總氮含量總體上還與暗管間距呈負(fù)相關(guān)，還原糖和鉀含量總體上與暗管間距呈正相關(guān)，而主要品質(zhì)指標(biāo)與暗管埋深的關(guān)系并不明顯，此處認(rèn)為可能是不同暗管布局不同程度地改變了排灌效率，影響了土壤水分，從而間接地影響了烤煙品質(zhì)。

主成分分析結(jié)果中第一個主成分f1反映了總氮(X2)、鉀(X4)、氮堿比(X6)和鉀氯比(X7)的變異信息，第二個主成分f2反映了煙堿(X1)、還原糖(X3)和糖堿比(X5)的變異信息，累積方差貢獻率達到88.793%，保留了大量的原始數(shù)據(jù)信息(表3)。

表2　不同處理對烤煙主要品質(zhì)指標(biāo)的影響

注：表中同一列不同字母(a,b,c)表示在0.05水平上有顯著差異。

表3　主要主成分系數(shù)和貢獻率

2.2不同處理對烤煙產(chǎn)量的影響

灌溉量500 mm處理烤煙產(chǎn)量總體上要高于其他處理，其中W2D1S2烤煙產(chǎn)量最高，達到2 702.12 kg/hm2；灌溉量400 mm和600 mm處理中，分別以W1D2S2和W3D2S2產(chǎn)量最高(見圖1)。另外，在400 mm和600 mm處理中，烤煙產(chǎn)量與暗管埋深和間距呈正相關(guān)關(guān)系；而500 mm灌溉量處理中，烤煙產(chǎn)量與暗管埋深、間距的關(guān)系并不明顯，處理之間烤煙產(chǎn)量差異并不顯著(P>0.05)。這說明在本試驗暗管布局設(shè)計下，灌溉量500 mm對烤煙產(chǎn)量提高的促進作用更為顯著。就烤煙產(chǎn)量這一單因素而言，暗管間距0.6 m，埋深6 m為較優(yōu)布局方案。

圖1不同處理對烤煙產(chǎn)量的影響

2.3綜合效益評價

處理W2D1S2煙葉綜合品質(zhì)最優(yōu)，綜合主成分值達3.226，W2D2S1次之，W1D1S1煙葉綜合品質(zhì)最差，這說明灌溉量500 mm、暗管埋深0.6 m、間距6m對烤煙綜合品質(zhì)的提高最為有利(見表4)。灌溉量較小的處理，烤煙產(chǎn)量與綜合品質(zhì)總體處于較低水平，鹽分去除效果較差，但灌溉水利用效率較高；灌溉量較大的處理雖然鹽分去除效果較好，但灌溉水利用效率偏低。

表4　綜合效益評價指標(biāo)

利用Matlab7.1為表4中的指標(biāo)建立投影尋蹤分類模型。在RAGA優(yōu)化過程中，父代初始種群規(guī)模選定為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[18]，計算可得最大投影指標(biāo)值為0.3371，最佳投影方向a(j)*=(0.5718，0.2916，0.0363，0.7660)，12個處理的投影值依次為z(i)*=(0.5041，0.5060，0.5225，0.5782，1.2909，1.5222，1.3066，1.1444，1.2909，1.0594，1.0343，1.0296)。

在投影尋蹤分類模型評價結(jié)果中，投影值越大，說明包含烤煙品質(zhì)、產(chǎn)量、水分生產(chǎn)效率和降鹽率4項指標(biāo)在內(nèi)的暗管布局綜合效益越優(yōu)。由此可見，W2D1S2為綜合效益最佳的處理，W2D2S1次之，W1D1S1最差。另外，為明確投影值(y)與暗管埋深(x1，m)、間距(x2，m)和灌溉量(x3，mm)之間的關(guān)系，建立回歸模型為：y=0.2018-0.4649x1-0.0091x2+0.0029x3，R=0.689。

3　結(jié)論與討論

根據(jù)上述分析，可得以下結(jié)論：

(1)烤煙葉片的總氮和煙堿含量與灌溉量呈負(fù)相關(guān)，還原糖和鉀含量與灌溉量呈正相關(guān)。主成分分析結(jié)果表明：灌溉量500 mm、暗管埋深0.6 m、間距6m對烤煙綜合品質(zhì)的提高最為有利。

(2)灌溉量500 mm處理烤煙產(chǎn)量總體上要高于其他處理，其中W2D1S2處理烤煙產(chǎn)量最高，達到2 702.12 kg/hm2。

(3)W3D1S1處理對土壤鹽分的去除效果最為有利，試驗結(jié)束時耕層土壤EC值最低，僅為2.98 ms/cm?？緹煿喔人眯室訵1D2S2處理最高，達到0.826 kg/m3。

(4)投影尋蹤分類模型在投影方向(即權(quán)重)計算過程中，保留了原始數(shù)據(jù)的信息和結(jié)構(gòu)特征，避免了使用主觀權(quán)重的片面性，從而提高了評價結(jié)果的可靠性。其計算結(jié)果表明，W2D1S2為綜合效益最佳的處理，投影值達到1.5222，W2D2S1次之，W1D1S1最差。

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LayoutOptimizationofSubsurfaceDrainageTubesinFlue-curedTobaccoFieldBasedonComprehensiveBenefitAnalysis

ZHANG Xiao-yan

(DepartmentofPowerEngineering,ShanxiUniversity,Taiyuan,Shanxi030013,China)

Abstract：Soil salinization has various negative effects on the yield and quality of flue-cured tobacco.To find out the optimal layout scheme of subsurface drainage tubes with best comprehensive benefits (high yield,good quality,water-saving,and desalinization),an experiment was designed with treatments of different irrigation schemes and subsurface drainage tube layouts.The effects of different treatments on the quality and yield of flue-cured tobacco,irrigation water utilization efficiency and electrical conductivity of surface soil were observed.In addition,principle component analysis and projection pursuit model were used to select the optimal layout treatment of subsurface tubes.Results showed that total nitrogen and nicotine contents of tobacco leaves presented a negative relationship with irrigation amount,while reducing sugar and potassium content of tobacco leaves presented the opposite.Comprehensive quality index and yield of tobacco of treatment W2D1S2 were the best.The surface soil desalination and irrigation water utilization efficiency were optimal in treatments of W3D1S1 and W1D2S2,respectively.The simulation results of projection pursuit model showed that W2D1S2 was the optimal treatment with the best comprehensive benefits and a projection value of 1.5222,followed by W2D2S1,while the treatment W1D1S1 was the poorest.Therefore,a depth of 0.6 m and space of 6 m for drainage tubes under 500 mm irrigation was the best layout scheme in this study.

Keywords：subsurface drainage;depth; comprehensive benefit;projection pursuit

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.008

中圖分類號：S276.7

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672—1144(2014)06—0044—06

作者簡介：張曉艷(1970—)，女，山西榆社人，博士研究生，講師，研究方向為水力學(xué)及河流動力學(xué)、水利工程經(jīng)濟、農(nóng)田水利工程。

基金項目：公益行業(yè)科研專項經(jīng)費項目“鹽堿地高效節(jié)水控鹽排灌技術(shù)”(200903001-05-01)

收稿日期：2014-09-17修稿日期：2014-10-23