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        基于投影尋蹤分類模型的暗管優(yōu)化布局

        2015-08-06 22:43:02閆玉民楊倩李凱
        湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2015年10期
        關(guān)鍵詞:暗管投影間距

        閆玉民 楊倩 李凱

        摘要:為尋求綜合效益最優(yōu)的設(shè)施農(nóng)田暗管布局方案,設(shè)計(jì)不同埋深與間距的暗管處理,探索不同處理對(duì)番茄(Lycopersicon esculentum Mill.)產(chǎn)量、品質(zhì)、土壤鹽分和有機(jī)質(zhì)含量的影響,分析暗管工程的經(jīng)濟(jì)效益,并引入熵權(quán)系數(shù)法和投影尋蹤分類模型,對(duì)不同暗管處理進(jìn)行優(yōu)選和評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,不同暗管處理對(duì)番茄產(chǎn)量和品質(zhì)有顯著影響,其中T2處理番茄產(chǎn)量品質(zhì)綜合水平最優(yōu);土壤EC與有機(jī)質(zhì)含量以T1處理下降最為明顯,降幅分別達(dá)到35.66%和18.08%;投影尋蹤分類模型計(jì)算結(jié)果表明,T3為綜合效益最佳的處理,投影值(y)與暗管間距(x1)、埋深(x2)的回歸模型為y=-2.203x1+0.340x2+0.831,相關(guān)系數(shù)為0.810,說(shuō)明在本試驗(yàn)的設(shè)計(jì)范圍內(nèi),綜合效益(投影值)與暗管間距呈負(fù)相關(guān),與暗管埋深呈正相關(guān)。

        關(guān)鍵詞:暗管排水;番茄(Lycopersicon esculentum Mill.);土壤;品質(zhì);投影尋蹤

        中圖分類號(hào):F224;S276.7+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):0439-8114(2015)10-2507-04

        DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.10.055

        設(shè)施栽培在蔬菜和其他經(jīng)濟(jì)作物的反季節(jié)生產(chǎn)和跨地區(qū)種植中起了重要的作用,我國(guó)設(shè)施栽培得到了大面積推廣應(yīng)用,目前栽培面積已達(dá)到世界總面積的70%[1]。然而,設(shè)施栽培體系在獲得巨大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的同時(shí),也改變了土壤生態(tài)環(huán)境,其中設(shè)施土壤鹽漬化已成為亟待解決的土壤環(huán)境問(wèn)題之一[2]。目前,對(duì)于設(shè)施鹽漬化土壤的治理方法包括除鹽、抑鹽和客土置換等,灌溉除鹽雖然能暫時(shí)將鹽分洗入深層次土壤,但蒸發(fā)作用仍會(huì)使得鹽分在耕層土壤積聚,客土置換則治標(biāo)不治本,且耗費(fèi)大量的人力、物力。近年來(lái),暗管排水被證明在澇地和鹽堿地區(qū)具有顯著的應(yīng)用成效[3,4],暗管排水對(duì)濱海鹽堿土壤理化性質(zhì)、作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響也一度成為研究熱點(diǎn)[5,6],但其在設(shè)施土壤改良中的應(yīng)用還不多見(jiàn),設(shè)施土壤暗管布局的優(yōu)化研究則更為匱乏。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了不同埋深與間距的暗管處理,觀測(cè)暗管排水對(duì)番茄(Lycopersicon esculentum Mill.)產(chǎn)量、品質(zhì)、土壤EC和有機(jī)質(zhì)含量的影響,分析暗管工程的經(jīng)濟(jì)效益,優(yōu)選綜合效益最佳的暗管布局方案,旨在為暗管排水在設(shè)施農(nóng)田中的應(yīng)用提供實(shí)踐依據(jù)和有益參考。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

        試驗(yàn)于2013年5月在江蘇省靖江市新橋鎮(zhèn)同里農(nóng)業(yè)生態(tài)園中的設(shè)施大棚中進(jìn)行。靖江市地處東亞季風(fēng)盛行區(qū),氣候濕潤(rùn)、雨量充沛,具有明顯的海洋性、季風(fēng)性和過(guò)渡性氣候特點(diǎn)。氣溫最高在7月,最低在1月,冬夏季南北的溫差不大,年平均氣溫為14.4~15.1 ℃,年平均降水量為1 037.7 mm,降雨日為113 d,但受季風(fēng)的影響,降水變率較大。試驗(yàn)所在地土壤為黃棕壤,0~40 cm土壤經(jīng)翻勻處理,有機(jī)質(zhì)含量15.21 g/kg,電導(dǎo)率4.88 mS/cm,pH 5.47,速效氮含量119.32 mg/kg, 速效磷含量19.58 mg/kg, 速效鉀含量176.84 mg/kg。

        1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        在考慮試驗(yàn)地土壤性質(zhì)和地下水位的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了4種暗管埋設(shè)處理,以不埋設(shè)暗管為對(duì)照,共5個(gè)處理,每個(gè)處理埋設(shè)3根暗管。其中T1處理暗管埋深0.6 m,間距4 m;T2處理暗管埋深0.8 m,間距4 m;T3處理暗管埋深0.6 m,間距6 m;T4處理暗管埋深0.8 m,間距6 m。不同處理之間用1 m深的豎向防滲膜來(lái)阻止灌溉水分的側(cè)滲,暗管材質(zhì)為塑料波紋管,管外用無(wú)紡布包裹。

        試驗(yàn)所選植物試材為番茄品種“大紅寶”,種植密度為4.17×104 kg/hm2,于秧苗5葉1心時(shí)定植。各處理均勻施入復(fù)合肥1 500 kg/hm2,其中N∶P2O5∶K2O(質(zhì)量比)=15∶15∶15。另外,處理間灌溉與其他田間管理措施亦保持一致。

        1.3 測(cè)定項(xiàng)目

        1.3.1 番茄產(chǎn)量和品質(zhì) 各處理隨機(jī)取4株番茄進(jìn)行觀測(cè),每個(gè)植株按照上、中、下3個(gè)部位隨機(jī)選擇3個(gè)果實(shí)進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定指標(biāo)包括單果重、可溶性固體物、總酸含量、維生素C含量和糖酸比??扇苄怨绦挝锊捎萌毡続TAGO公司產(chǎn)的數(shù)字折射儀ACT-1E測(cè)定;總糖采用斐林滴定法測(cè)定;總酸采用NaOH滴定法測(cè)定;維生素C采用2,6-二氯靛酚滴定法測(cè)定[7,8]。

        1.3.2 土壤理化性質(zhì) 耕層土壤電導(dǎo)率:采用英國(guó)DELTA-T公司生產(chǎn)的HH2/WET土壤參數(shù)測(cè)定儀直接測(cè)定,測(cè)定位置為暗管正上方;土壤有機(jī)質(zhì)含量:采用K2Cr2O7-H2SO4稀釋熱法測(cè)定[9]。

        1.3.3 暗管排水工程主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 納入暗管排水工程投資概算的計(jì)算項(xiàng)目包括人工土方挖填、管道、管道附件、水表、彈簧壓力表、塑料篩網(wǎng)過(guò)濾器、疊片過(guò)濾器、施肥器、管支墩砌筑(砼)、閘閥井、排水井、安裝費(fèi)、泵房、閘閥、逆止式封閉閥、水泵及附件、安裝費(fèi)等,另外也考慮臨時(shí)費(fèi)用和獨(dú)立費(fèi)用。國(guó)民經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率(EIRR)、經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值(ENPV)、經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用比(EBCR)按照《水利建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)規(guī)范》(SL72-94)和《建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法與參數(shù)》進(jìn)行計(jì)算與評(píng)價(jià)[10]。

        1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)構(gòu)與評(píng)價(jià)方法

        本試驗(yàn)中暗管布局的考慮因素包括番茄的優(yōu)質(zhì)與高產(chǎn)、土壤鹽分的去除、土壤肥力的保持以及建設(shè)成本的控制,評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用投影尋蹤分類模型對(duì)圖1中的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分類計(jì)算。投影尋蹤分類模型的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù),將復(fù)雜的高維數(shù)據(jù)投影到低維空間,尋求能夠反映原始高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征的投影,在低維空間內(nèi)研究高維數(shù)據(jù),從而達(dá)到分析和處理高維數(shù)據(jù)的目的,由于投影尋蹤分類模型在農(nóng)田水利工程效益評(píng)價(jià)中的應(yīng)用已較為成熟,建模方法參考文獻(xiàn)[11-13]。

        1.5 數(shù)據(jù)處理

        顯著性分析采用SPSS17.0軟件。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 暗管排水對(duì)番茄產(chǎn)量和主要品質(zhì)指標(biāo)的影響

        暗管排水對(duì)番茄產(chǎn)量與主要品質(zhì)指標(biāo)的影響如圖2所示。從圖2中可看出,T2產(chǎn)量最高,達(dá)到142.44 kg/hm2,T3次之,CK最低,僅為115.84 kg/hm2,這可能由于暗管排水降低了土壤鹽分,改善了土壤理化性質(zhì),從而間接提高了番茄產(chǎn)量。從主要品質(zhì)指標(biāo)來(lái)看,各處理番茄可溶性固形物為5.26%~5.81%,其中T4處理番茄可溶性固形物含量顯著高于T2與T3處理(P<0.05);總酸含量以T2最高,為6.72 g/100 g,CK處理番茄總酸含量最低,并顯著低于其他處理(P<0.05);各處理維生素C含量為11.54~13.34 mg/100 g,T4處理顯著高于其他處理(P<0.05);糖酸比的高低可直接體現(xiàn)在番茄果實(shí)的口感和風(fēng)味方面,糖酸比以CK處理最高,達(dá)到9.21,T4處理次之,為8.55,T2處理最低,僅為7.94。

        由于番茄的產(chǎn)量與品質(zhì)包含指標(biāo)數(shù)眾多且不同品質(zhì)指標(biāo)之間存在聯(lián)系,因此給綜合效益的評(píng)價(jià)帶來(lái)一定的困難,本研究選用熵權(quán)系數(shù)法將產(chǎn)量與品質(zhì)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為綜合熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)值(M1),具體方法參考文獻(xiàn)[14,15]。

        依據(jù)熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)原則,綜合熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)值越高,番茄產(chǎn)質(zhì)水平越優(yōu),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中可看出,M1以T2處理最高,達(dá)到0.967,T3處理次之,為0.955,這說(shuō)明T2和T3處理更有利于番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。利用Matlab7.1為表1中的指標(biāo)建立投影尋蹤分類模型,其中M1、EC下降率與M2為“越大越優(yōu)”指標(biāo),有機(jī)質(zhì)下降率為“越小越優(yōu)”指標(biāo)。在RAGA優(yōu)化過(guò)程中選定父代初始種群規(guī)模為n=400,交叉概率Pc=0.8,變異概率Pm=0.8,優(yōu)秀個(gè)體數(shù)目選定為20個(gè),α=0.05, 加速20次,得出最大投影指標(biāo)值為0.230 0,最佳投影方向a(j)*=(0.693 0,0.035 6,0.700 4,0.167 1),4個(gè)處理的投影值依次為z(i)*=(0.112 4,0.862 0,1.441 3,1.401 3),依據(jù)投影值越大綜合效益越優(yōu)的準(zhǔn)則,T3為綜合效益最佳的處理。即采用埋深0.6 m、間距6 m的暗管布局方案可獲得最佳的綜合效益。

        為了明確投影值(y)與暗管間距(x1)、埋深(x2)的關(guān)系,建立回歸模型如下:y=-2.203x1+0.340x2+0.831,R=0.810。

        這說(shuō)明在本試驗(yàn)的設(shè)計(jì)范圍內(nèi),暗管間距越小,埋深越深,投影值越大,即綜合效益越優(yōu)。

        2.2 暗管排水對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

        圖3與圖4所示分別為土壤EC與有機(jī)質(zhì)含量的動(dòng)態(tài)變化。從圖3、圖4中可看出,隨排水時(shí)間的增長(zhǎng),各暗管排水處理土壤鹽分與有機(jī)質(zhì)含量均出現(xiàn)不同程度的下降,而CK處理土壤EC與有機(jī)質(zhì)含量變化并不明顯。不同暗管布局處理中,以T1處理EC與有機(jī)質(zhì)含量下降最為明顯,降幅分別達(dá)到35.66%和18.08%,這可能由于T1處理暗管埋設(shè)密度比其他處理大,排水更為流暢。試驗(yàn)結(jié)束時(shí),T3與T4土壤EC顯著高于其他暗管處理(P<0.05),而T2、T3與T4處理土壤有機(jī)質(zhì)含量差異并不顯著(P>0.05)。

        2.3 暗管排水綜合效益評(píng)價(jià)及暗管布局優(yōu)化

        表2所示為暗管工程的建設(shè)成本(667 m2造價(jià))。從表2中可看出,不同暗管處理的建筑工程費(fèi)用為1 337.82~1 893.65元,總費(fèi)用為1 922.22~2 281.67元,EIRR為13.0%~14.6%,ENPV為924.6~1 054.9元,EBCR為1.28~1.42,根據(jù)水利工程建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)規(guī)范[10],各暗管處理的建設(shè)成本均處于經(jīng)濟(jì)可行范圍之內(nèi)。與番茄產(chǎn)量與品質(zhì)指標(biāo)的處理方法相似,將EIRR、ENPV和EBCR轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)熵權(quán)系數(shù)綜合評(píng)價(jià)值(M2),M2越大,說(shuō)明暗管工程的經(jīng)濟(jì)可行性越優(yōu),T3處理M2最大,達(dá)到1.000,T4處理次之,T2處理最低,僅為0.888。

        3 小結(jié)與討論

        1)不同暗管布局方案對(duì)番茄的產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤的理化性質(zhì)有不同程度的影響。番茄產(chǎn)量、品質(zhì)的綜合水平以T2最高,T3次之。土壤EC和有機(jī)質(zhì)含量以T1處理下降最為明顯,降幅分別達(dá)到35.66%和18.08%,而CK處理變化并不明顯。

        2)以番茄產(chǎn)量品質(zhì)熵權(quán)系數(shù)綜合評(píng)價(jià)值(M1)、EC下降率、有機(jī)質(zhì)下降率及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)熵權(quán)系數(shù)綜合評(píng)價(jià)值(M2)為主要因子,經(jīng)投影尋蹤分類模型計(jì)算發(fā)現(xiàn),T3為綜合效益最佳的處理,即采用埋深0.6 m、間距6 m的暗管布局方案可獲得最佳的綜合效益。

        3)投影值(y)與暗管間距(x1)、埋深(x2)的回歸模型為y=-2.203x1+0.340x2+0.831,相關(guān)系數(shù)為0.810。在本試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi),綜合效益(投影值)與暗管間距呈負(fù)相關(guān),與暗管埋深呈正相關(guān)。

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