基于改進投影尋蹤模型的地表覆蓋對作物水分利用的影響評價

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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基于改進投影尋蹤模型的地表覆蓋對作物水分利用的影響評價

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作物生長的主要因素，覆蓋耕作能夠改善土壤的微環境，從而提高作物的產量和水分利用效率。為探討不同地表覆蓋對土壤物理性狀及馬鈴薯生長、產量及水分利用效率的影響，本文提出了基于改進投影尋蹤模型的綜合評價方法。結果表明：與傳統耕作相比，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耕作，產量、商品率和水分利用效率較傳統耕作明顯提高。研究結果為實現作物增產和提高水分利用效率提供了重要參考。

【關鍵詞】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，水分不足是限制作物產量提高的主要因素，以傳統耕作方式對土壤進行連年翻耕，土壤結構遭到破壞，加速了土壤有機質的分解和養分流失，使耕地質量日趨下降，造成作物產量低且不穩[1-2]。因此，合理的耕作措施對改善土壤結構、維持土地生產力有著重要的作用。深松是隨少耕、免耕而發展起來代替傳統耕作的、適用于旱地農業的保護性耕作法，它利用深松鏟來疏松土壤，加深耕層而不翻轉土壤，改善耕層土壤的結構，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境，促進作物生長，在旱區農業生產中，秸稈和地膜覆蓋能起到較好的集水保水、增產作用，使旱區有限的降水得到較大程度利用[5- 6]。近年來，由于人為因素對生態環境的破壞，治理水土流失、改善生態環境的任務日趨嚴峻。張軍明研究認為[7]，深松能直接影響天然降水入滲和土壤水分蒸發，間接影響土壤水分的再分布過程，對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、增產作用。

鑒于此，本文在前人研究的基礎上，根據文獻[9]數據資料，利用改進投影尋蹤模型分析不同覆蓋方式對土壤結構及馬鈴薯產量和水分利用效率的影響，篩選出適合干旱區馬鈴薯生產的最佳深松覆蓋方式，以期為干旱區馬鈴薯高產高效栽培技術提供參考。

1作物地表覆蓋模式評價體系

根據文獻[9]數據資料，建立作物地表覆蓋模式評價體系(見表1)，該體系包括土壤特性、作物生長、作物產量與水分利用效率4個方面。其中土壤特性包括土壤孔隙度與土壤團聚體含量(DR0.25)2項指標；作物生長包括株高、莖粗與生物量3項指標；作物產量包括單位面積產量與商品薯率2項指標；水分利用包括作物耗水量與水分利用效率2項指標。

2改進粒子群優化投影尋蹤模型

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、非正態高維數據的統計方法。其計算步驟如下。

a.數據歸一化。設評價指標集合為

式中x*(i,j)——第i個方案第j個評價指標值；

n——評價方案個數；

p——評價指標個數。

對于正指標：

(1)

對于負指標：

(2)

式中xmin(j)、xmax(j)——評價指標集合中第j項指標的最小值和最大值。

(3)

投影指標函數為

(4)

式中Sz——投影值z(i)的標準差;

Dz——投影值z(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，當t≥0時取1，t<0時取0。

c.優化投影函數。通過求解投影指標函數的最大值問題可計算得到最佳投影方向：

目標函數max:Q(a)=SzDz

(7)

(8)

本文采用改進粒子群算法進行模型尋優。

d.方案評價。將改進粒子群算法計算得到的投影方向a*代入式(3)，便可得到各評價方案投影值z*(i)，z*(i)值越大表明方案越優。

2.2改進PSO算法，優化投影尋蹤模型

PSO算法可能會導致種群粒子的相同情況發生，出現局部極值、精度不高等問題。為解決該問題，采用基于參數選擇改進PSO算法(improved PSO，IPSO)。

粒子群算法中的參數主要包括最大速度、2個加速常數和收縮因子等，本文針對這3方面的參數進行選擇，從而改進粒子群算法。

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

(9)

(10)

式中c1、c2——加速常數；

r1、r2——[0，1]范圍內的隨機數；

pid、pgd——個體的歷史最佳位置和全局的歷史最佳位置；

w——慣性常數；

vid——粒子速度，為隨機變量。

b.選擇加速常數。式(9)中c1用于控制粒子向個體最優位置的運動，c2用于控制粒子向鄰域最優位置的運動。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c1+c2≤4.0。

c.選擇收縮因子。為防止出現種群爆炸情況，采用收縮因子進行控制。

帶收縮因子λ的PSO算法采用Kennedy提出的速度更新公式：

(11)

3模型應用

3.1數據來源

根據文獻[9]中的數據，采用改進投影尋蹤模型對不同地表覆蓋模式的優劣情況進行綜合評價。設深松覆蓋秸稈(ST+JM)、深松覆蓋地膜(ST+DM)、深松不覆蓋(ST)，以傳統耕作(CT)為對照，共4個處理。不同處理下的作物特性指標值見表2。

3.2方案評價

利用MATLAB 7.0編制基于改進粒子群優化投影尋蹤模型程序。參數設置為：種群規模250，初始學習因子c1=c2=2，慣性權重w=0.873，最大迭代次數500次。在MATLAB軟件中運行該程序，得到評價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)。

根據式(3)計算得出方案集合的投影值以及排序(見表3)。

3.3結果分析

由表3可知，不同地表覆蓋模式評價結果排序為(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)，傳統耕作為最劣方案(投影值最小)。

3.4評價結果對比

為驗證本文計算結果的準確性，采用灰色關聯分析法與本文計算結果進行對比(見表3)。

由表3可知，采用本文計算方法所得結果與灰色關聯分析法計算結果完全一致，這充分說明了本文計算結果的可靠性。

4討論

深松蓄水保墑的功能與深松條件下土壤體積質量的減少密切相關。深松覆蓋能顯著降低土壤體積質量，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地表的直接沖擊，同時深松破除了犁底層，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，減少徑流產生的次數和徑流量，從而增加土壤含水量。相對于傳統耕作，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間延長，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。同時，作物生長前期降水較少，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，從而提高土壤的水分含量。

覆蓋和深松相結合的保護性耕作技術，可有效起到蓄水保墑、減少水分無效消耗、提高作物產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，增強土壤蓄水能力，促進作物根系對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和提高水分利用效率的效果，還有待于進一步的研究。

5結論

本文構建了基于改進投影尋蹤模型的作物地表覆蓋模式評價模型，結果表明：

a.作物耗水量與水分利用效率2項指標對地表覆蓋模式評價的影響最大，其指標權重分別為0.1480與0.1327。

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

c.深松結合不同地表覆蓋方式能提高作物水分利用效率，達到節水、高效用水和提高部分品質指標的目的，這對西北干旱區作物種植具有重要意義。下一步應當重點研究深松結合不同地表覆蓋對作物品質的影響以及其內在機理。

參考文獻

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[3]程靜,蘇孝敏,張晨辰.干旱地區膜下滴灌技術甜瓜種植模式試驗研究[J].水資源開發與管理,2015(1):57- 63,10.

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[8]劉爽,何文清.不同耕作措施對旱地農田土壤物理特性的影響[J].干旱地區農業研究,2010,28(2):65-70.

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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：S152

文獻標志碼：A

文章編號：1005- 4774(2016)02- 0075- 04