岳國峰，范永洋，劉 東,3,4，陳志偉，史國慶

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150030；4.黑龍江省糧食產(chǎn)能提升協(xié)同創(chuàng)新中心，哈爾濱 150030；5.黑龍江省建三江管理局大興農(nóng)場農(nóng)業(yè)技術(shù)研發(fā)中心，黑龍江 富錦 156303)

理論上，水稻生理需求的用水量為4 500～6 000 m3/hm2，但在實(shí)際生產(chǎn)生活中，水稻的用水量卻是12 750 m3/hm2，這就說明很大一部分的水被浪費(fèi)掉了[1]。所以要研究水稻灌溉需水量，水稻灌水規(guī)律，同時(shí)研究保證增產(chǎn)型的水稻。水稻節(jié)水灌溉的研究是在保證不減產(chǎn)、增產(chǎn)的前提下，減少水量的使用，所以其主要目的一是節(jié)水，二是增產(chǎn)，研究對(duì)象為灌水量和產(chǎn)量。所以采用水稻節(jié)水控制灌溉技術(shù)進(jìn)行灌溉，充分利用水資源的情況下，利用節(jié)水控灌優(yōu)勢提高水稻的產(chǎn)量，一舉兩得。大大加大水稻節(jié)水效率，減少水稻用水的消耗，改善大米質(zhì)量，使稻米被更多人所喜愛接受[2]，同時(shí)因?yàn)槟壳鞍l(fā)展的水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，所以進(jìn)行水稻節(jié)水控制灌溉研究，進(jìn)而使水資源得以充分利用，減輕農(nóng)民的生活負(fù)擔(dān)，使農(nóng)民的收入得以增加[3]。對(duì)控制灌溉技術(shù)進(jìn)行效益評(píng)價(jià)[4,5]，找到優(yōu)化灌溉模式，尋找更加適合農(nóng)民實(shí)用的模式，由理論到實(shí)際，把想法落到實(shí)處。

按照黑龍江省墾區(qū)的“十二五”規(guī)劃，2015年黑龍江省灌溉發(fā)展規(guī)劃，于 2015年，加快水稻的種植，開墾發(fā)展水稻種植達(dá)160 萬hm2以上，而且之后不能停止腳步，繼續(xù)進(jìn)行黑龍江省墾區(qū)水稻種植。根據(jù)2009的年統(tǒng)計(jì)，黑龍江省墾區(qū)水利工程總供水量為71.13 億m3，其中用于農(nóng)業(yè)上的水量高達(dá)99.06%，具體用水量為70.46 億m3，其中水稻灌溉水量占其80.87%，具體用水量為56.98 億m3，同時(shí)占水利工程總水量的80.11%，所以必須提倡節(jié)水，實(shí)際操作、重抓落實(shí)、做到省水節(jié)水，保證水資源可持續(xù)發(fā)展。進(jìn)一步探索水稻節(jié)水理論，培育并開發(fā)新水稻品種，在節(jié)水同時(shí)達(dá)到高產(chǎn)，研究并推廣萌芽并發(fā)展中的水稻節(jié)水增產(chǎn)灌溉技術(shù)，從而達(dá)到降低成本、增產(chǎn)增收、節(jié)約灌溉水量、改變稻米質(zhì)量的目的。

1 試驗(yàn)方法及調(diào)研

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2015年4-10月進(jìn)行，試驗(yàn)地設(shè)在黑龍江省佳木斯市建三江管局大興農(nóng)場(見下圖箭頭所指位置)農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展中心科技園區(qū)，東經(jīng)132°45′～133°18′，北緯46°49′～47°13′。大興農(nóng)場氣候類型屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，一年中四季分明，2015年平均氣溫4.3 ℃，最高氣溫35.8 ℃，最低氣溫-38.5 ℃。年平均降水量469.3 mm，年日照時(shí)數(shù)2 023.9 h，年蒸發(fā)量813.5 mm，大興農(nóng)場屬于第三積溫帶，年積溫2 720.9 ℃，終霜期為5月9日，初霜期為9月30日，年無霜期為143 d[6]，土質(zhì)為草甸白漿土，pH值6.4、有機(jī)質(zhì)4.04%、堿解氮164.2 mg/kg、速效鉀135.75 mg/kg、速效磷28.9 mg/kg。如圖1為建三江管理區(qū)大興農(nóng)場地理位置圖。

圖1 建三江管理局大興農(nóng)場

水稻生育期間降雨在5月、6月、7月比較平均，而返青期為需水非敏感期，此期間降雨比較少，而在8月降雨最多，且拔節(jié)孕穗期為需水敏感期，此期間的及時(shí)降雨減少了地下水的利用；蒸發(fā)量逐月的趨勢是先增加后降低，此期間較往年蒸發(fā)量相對(duì)較高；氣溫在5-9月這5個(gè)月每個(gè)月的平均氣溫起伏不大，5、6月氣溫較往年高，對(duì)分蘗有利，而7月溫度較往年低，容易產(chǎn)生空癟粒。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)采用小區(qū)對(duì)比法，基礎(chǔ)地力相同為前提，在排除水稻其他等技術(shù)措施影響的條件下，設(shè)計(jì)試驗(yàn)田總面積約1 200 m2，3個(gè)控灌處理以及一個(gè)常灌處理，其中常灌作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，分別為常灌、控灌I、控灌II、控灌Ⅲ等四個(gè)處理做三組重復(fù)，則有3×4=12個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)隨機(jī)排列，按照隨機(jī)原則安排各個(gè)處理重復(fù)，每個(gè)小區(qū)的格式均為10 m×10 m。全生育期129 d，5月13日插秧9月28日收獲，種植密度25 穴/m2。

每個(gè)小區(qū)的施肥量等條件相同情況下，通過GStar-S406便攜式土壤水分速測儀測土壤含水量及溫度變化情況，每隔5天觀測一次，利用試驗(yàn)小區(qū)小型氣象站觀測每日最高、最低氣溫，并記錄逐日降雨量和蒸發(fā)量。各生育階段根層土壤水分控制指標(biāo)如表1所示。

表1 各生育期不同處理的土壤水分控制下限

注：“%”的數(shù)據(jù)表示土壤含水率與土壤體積飽和含水率之比，其余數(shù)字表示灌溉深度，單位為mm，土壤飽和含水率為54.5%。分蘗后期進(jìn)行5～7 d曬田。

1.3 數(shù)據(jù)調(diào)研

水稻節(jié)水控制灌溉技術(shù)作為一項(xiàng)革命性的農(nóng)業(yè)節(jié)水方法，已經(jīng)受到黑龍江省政府等相關(guān)部門的高度重視，并從2011年開始，由黑龍江省水利廳起帶頭作用，依托東北農(nóng)業(yè)大學(xué)、黑龍江省水利科學(xué)研究院及省水稻節(jié)水灌溉試驗(yàn)中心22個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)開展具體的技術(shù)推廣工作，建立示范點(diǎn)、輻射點(diǎn)。

此技術(shù)推廣面積越來越大，推廣工作越來越有效率，并且有了一定的成績。該項(xiàng)技術(shù)由于具有明顯的節(jié)水、增產(chǎn)、增效等優(yōu)勢，同時(shí)簡單易行，已經(jīng)被越來越多的農(nóng)民朋友所接受和認(rèn)可。建三江管理局大興農(nóng)場作為黑龍江省水稻節(jié)水控制灌溉技術(shù)推廣工作的先進(jìn)者，為全省農(nóng)業(yè)節(jié)水事業(yè)的發(fā)展做出了重要表率。以此為背景為進(jìn)一步推動(dòng)黑龍江省水稻節(jié)水控制灌溉技術(shù)推廣工作，讓更多的農(nóng)民參與到此項(xiàng)功在當(dāng)代、利在千秋的事業(yè)中，讓更多的農(nóng)民朋友受益而實(shí)施的一項(xiàng)調(diào)研活動(dòng)。

2015年調(diào)研期間走訪了大興的4個(gè)管理區(qū)的控灌示范區(qū)，管理區(qū)及科技園區(qū)工作人員全程帶領(lǐng)，農(nóng)戶積極配合，同時(shí)還調(diào)研依蘭地區(qū)的控灌輻射區(qū)，調(diào)研進(jìn)行非常順利。主要是針對(duì)控灌核心區(qū)、示范區(qū)、輻射區(qū)，進(jìn)行對(duì)比，尋找三者的關(guān)聯(lián)。研究成果為水稻控制灌溉技術(shù)的推廣提供了更加有力的論據(jù)，為生產(chǎn)實(shí)踐提供了依據(jù)。

2 研究方法

2.1 投影尋蹤評(píng)價(jià)

投影尋蹤(簡稱PP)產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代，被Friedme提出的評(píng)價(jià)方法[7]，該方法一般處理非線性問題[8]。建模步驟[9,10]如下：

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一。評(píng)價(jià)指標(biāo)集歸一化處理為：

{x*(i,j)|1,2,…,n;j=1,2,…,p}

對(duì)于越大越優(yōu)的指標(biāo)：

(1)

對(duì)于越小越優(yōu)的指標(biāo)：

(2)

式中：xmin(j)為第j個(gè)指標(biāo)值的最小值；xmax(j)為第j個(gè)指標(biāo)值的最大值；x(i,j)為特征值歸一化的序列。

(2)構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)。

z(i)=∑pj=1a(j)x(i,j),i=1,2,…,n

(3)

上式中a為單位長度向量。然后根據(jù){z(i)|i=1,2,…,n|}的一維散布圖進(jìn)行分類。

因此：

Q(a)=SzDz

(4)

其中，Sz為投影值z(i)的標(biāo)準(zhǔn)差，Dz為投影值z(i)的局部密度，即：

(5)

Dz=∑ni=1∑nj=1[R-r(i,j)]*u[R-r(i,j)]

(6)

式中：E(z)為序列{z(i)|i=1,2,…,n}的平均值；R為密度窗寬。

(3)優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)。最大化目標(biāo)函數(shù)：

max:Q(a)=SzDz

(7)

約束條件：

s.t. ∑pj=1a2(j)=1

(8)

(4)分級(jí)排列。取得各樣本點(diǎn)投影值Z*(i)，按步驟3求出的最佳投影方向a*代入公式(3)。比較各投影值大小，Z*(i)值越大，樣本越優(yōu)。

2.2 RAGA-PPC模型

將PPC模型中的投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)作為最大目標(biāo)函數(shù)，各個(gè)指標(biāo)的投影a(j)作為優(yōu)化變量，運(yùn)行RAGA步驟，求得最佳投影方向a*(j)及相應(yīng)的投影值Z*(i)，從而得到分類與排序結(jié)果[12]。

3 結(jié)果和分析

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)指標(biāo)要遵循可比性、相關(guān)性、整體性和簡潔性的原則。水稻控灌優(yōu)勢主要體現(xiàn)在抗病抗倒伏能力提高、節(jié)水效果明顯、滲漏和肥力損失大大減少、產(chǎn)量和米質(zhì)得以提高、減少溫室氣體的排放。其特點(diǎn)為水稻全生育期內(nèi)對(duì)水分的需求不是一成不變的，返青分蘗期為需水非敏感期，拔節(jié)孕穗和抽穗開花期為需水敏感期，適時(shí)適量地灌水是不變的準(zhǔn)則，它同時(shí)能減少蒸發(fā)量、滲漏量、蒸騰量，在不阻礙其吸收養(yǎng)分情況下，正常生長發(fā)育，最終節(jié)水、增產(chǎn)。

所以經(jīng)過試驗(yàn)調(diào)研，經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)確定選取的指標(biāo)有9個(gè)：產(chǎn)量、水分生產(chǎn)率、用水量、生產(chǎn)成本、其他費(fèi)用、耗電量、施肥量、農(nóng)藥用量及倒伏率，常灌、控灌Ⅰ、控灌Ⅱ、控灌Ⅲ數(shù)據(jù)均為試驗(yàn)所得；而第1管理區(qū)、第2管理區(qū)、第3管理區(qū)、第4管理區(qū)分別對(duì)應(yīng)示范1區(qū)、示范2區(qū)、示范3區(qū)、示范4區(qū)，同時(shí)依蘭地區(qū)為輻射區(qū)，且數(shù)據(jù)均為調(diào)研所得，調(diào)研數(shù)據(jù)分別計(jì)算每個(gè)管理區(qū)及依蘭地區(qū)每個(gè)指標(biāo)的平均值。評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇的指標(biāo)如下所示：

(1)產(chǎn)量：通過小區(qū)試驗(yàn)，測算理論產(chǎn)量，kg/hm2。

(2)水分生產(chǎn)率：以每立方米產(chǎn)量與灌溉水量之比計(jì)算，kg/m3。

(3)用水量：以全生育期每公頃灌水量計(jì)算，m3/hm2。

(4)生產(chǎn)成本：每公頃投入物質(zhì)折合金額，元/hm2。

(5)其他費(fèi)用：全生育期每公頃其他費(fèi)用，元/hm2。

(6)耗電量：全生育期每公頃耗電量，kWh/hm2。

(7)施肥量：全生育期每公頃耗油量，kg/hm2。

(8)用藥量：全生育期每公頃用農(nóng)藥量，kg/hm2。

(9)倒伏率：全生育期倒伏面積所占實(shí)驗(yàn)種植比例，%。

3.2 模型結(jié)果計(jì)算

從指標(biāo)中可以看出，指標(biāo)(1)～(2)為“越大越優(yōu)”指標(biāo)，指標(biāo)(3)～(9)為“越小越優(yōu)”指標(biāo)。利用matlab7.6.0(2008a)建立投影尋蹤分類模型，在RAGA優(yōu)化過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[13]，得出最大投影指標(biāo)值為0.401 1，最佳投影方向a*=(0.109 8 0.143 6 0.599 5 0.338 0 0.178 9 0.069 8 0.568 7 0.342 3 0.127 5)，得到核心試驗(yàn)區(qū)、示范區(qū)、輻射區(qū)投影值為Z*(i)=(1.767 7 1.878 4 1.856 6 1.873 5 1.805 7 1.800 5 1.804 3 1.803 3 1.794 1)，控灌Ⅰ投影值最大。

3.3 綜合效益評(píng)價(jià)

按指標(biāo)最佳投影方向a*作雷達(dá)圖，根據(jù)上述投影值Z*(i)作核心試驗(yàn)區(qū)、示范區(qū)、輻射區(qū)投影值柱狀圖，分別見圖2、圖3。

圖2 指標(biāo)最佳投影方向

圖3 核心試驗(yàn)區(qū)、示范區(qū)、輻射區(qū)各投影值柱狀圖

根據(jù)最佳投影方向,首先分析各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的影響程度，由圖看出a*值大小排序，可得到各個(gè)指標(biāo)貢獻(xiàn)率大小順序，a*值越大貢獻(xiàn)率越大，a*值越小貢獻(xiàn)率越小。明顯看出灌溉用水量、生產(chǎn)成本、其他費(fèi)用、施肥量及農(nóng)藥用量比較突出。

按照投影值由大到小排序，4個(gè)處理：控灌Ⅰ、控灌Ⅱ、控灌Ⅲ、常灌，而四個(gè)示范區(qū)均大于常灌。可以看出常灌經(jīng)濟(jì)效益比較顯著，控灌Ⅰ投影值最高，所以控灌Ⅰ經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)最好，其次是控灌Ⅱ、控灌Ⅲ，再次為5個(gè)調(diào)研控灌區(qū)(4個(gè)示范區(qū)和一個(gè)輻射區(qū))，最后為常灌，說明此模式最優(yōu)處理為控制灌溉Ⅰ處理。結(jié)合調(diào)研，了解控灌核心區(qū)的控灌效果產(chǎn)生的效益大于示范區(qū)、示范區(qū)效益高于輻射區(qū)，而示范區(qū)及輻射區(qū)效益均高于常規(guī)灌溉。

首先從水分生產(chǎn)率及產(chǎn)量來看，控灌Ⅰ水分生產(chǎn)率及產(chǎn)量均高于其他3個(gè)處理及示范區(qū)、輻射區(qū)，與投影 值相對(duì)應(yīng)，合理的適配水量不會(huì)負(fù)面影響產(chǎn)量，反而會(huì)提高產(chǎn)量，節(jié)約水資源，這一點(diǎn)也可以通過另兩個(gè)控灌實(shí)驗(yàn)來體現(xiàn)，尤其是控灌Ⅲ在相當(dāng)嚴(yán)格控水的情況下較高的水分生產(chǎn)率來體現(xiàn)優(yōu)勢。

其次從灌水量看，綜合所有指標(biāo)灌水量貢獻(xiàn)值最大，由于控灌Ⅲ過于控水，使得控灌Ⅲ的投影值接近灌溉Ⅰ，且超過灌溉Ⅱ，但是綜合比較其產(chǎn)量可知，控灌Ⅲ不適合推廣，排除控灌Ⅲ，灌水量為控灌Ⅰ最少，之后為灌溉Ⅱ、示范區(qū)、輻射區(qū)控灌區(qū)，而常灌灌水量最多，大大影響了其投影值。

同時(shí)，從產(chǎn)量來看，控灌Ⅰ的產(chǎn)量最高，與合理的灌水模式、灌水制度有密切的聯(lián)系，而控灌Ⅲ的產(chǎn)量不理想，雖然很嚴(yán)格地控制了水量，但由于沒有達(dá)到所適宜的灌水量，所以其產(chǎn)量較低。適量的水量不僅不會(huì)給產(chǎn)量帶來消極影響，反而會(huì)使產(chǎn)量有所增產(chǎn)；而水量控制太嚴(yán)格超過一定界限、達(dá)不到水稻生育發(fā)展所需的水量，同樣會(huì)影響產(chǎn)量，造成減產(chǎn)。所以雖然控灌Ⅲ投影值理想，但聯(lián)系實(shí)際其產(chǎn)量令人擔(dān)憂，不宜推廣。

再從生產(chǎn)成本及其他費(fèi)用看，生產(chǎn)成本的貢獻(xiàn)值表較高，由于控灌用水量減少，相對(duì)常灌大幅度降低了成本投入，同時(shí)控灌與常灌及示范區(qū)、輻射區(qū)相比占地較小，工作量較小，大大減少了控灌的成本投入，而所需投入的人工機(jī)械等其他費(fèi)用也較少。再者其他費(fèi)用的是必須支出，人工機(jī)械等費(fèi)用在整個(gè)生育期占有比較大的比例，所以對(duì)投影值有相當(dāng)一部分的影響。相比耗電這部分即可以作次要考慮處理。

從施肥量、農(nóng)藥用量來看，這兩者伴隨著水稻整個(gè)生育期，且控灌灌水量相對(duì)減少則減少了化肥農(nóng)藥的流失，一是省去了一部分投入，間接減少了成本投入；二是減少了污染，減輕了生態(tài)的壓力，三是控灌充分地利用化肥農(nóng)藥減少了病蟲害、增加了產(chǎn)量，形成良性循環(huán)。同時(shí)，常灌相對(duì)灌水多，導(dǎo)致肥料部分流失、雜草滋生并擴(kuò)大，形成惡性循環(huán)，加大了肥料、農(nóng)藥量的投入，所以控灌灌溉模式既節(jié)約了水資源，充分發(fā)掘了水資源的潛力，又減小了對(duì)環(huán)境的破壞，間接保護(hù)了環(huán)境。

最后分析耗電、倒伏情況這兩個(gè)部分可以作次要考慮處理，但不是不考慮，前提是在考慮并控制了以上幾個(gè)指標(biāo)之后，做進(jìn)一步考慮。雖然此次試驗(yàn)所得的結(jié)論是耗電和倒伏對(duì)水稻控制灌溉影響較小，但是結(jié)合實(shí)際，不排除生活中生產(chǎn)中的一些不可抗因素。所以要對(duì)所有以上指標(biāo)加以分析、利用，實(shí)現(xiàn)更良好的水稻灌溉。

本文利用利用小區(qū)試驗(yàn)、調(diào)研數(shù)據(jù)來收集指標(biāo)，基于投影尋蹤分類模型，對(duì)試驗(yàn)地區(qū)及周邊水稻節(jié)水控灌技術(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)產(chǎn)量、水分生產(chǎn)率、用水量、生產(chǎn)成本、其他費(fèi)用、耗電量、施肥量、農(nóng)藥用量及倒伏率。按照小區(qū)試驗(yàn)投影值由大到小排列，4個(gè)處理：控灌Ⅰ、控灌Ⅲ、控灌Ⅱ、次之為示范區(qū)，最后為輻射區(qū)，常灌對(duì)照處理?？梢钥闯隹毓嘟?jīng)濟(jì)效益比較顯著，控灌Ⅰ投影值最高，所以控灌Ⅰ經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)最好，此模式為最優(yōu)控制灌溉Ⅰ處理，而控灌Ⅲ由于灌水量控制的過于嚴(yán)格，而影響了投影值，但是其產(chǎn)量不理想，不適宜推廣。所以，控灌核心區(qū)效果比示范區(qū)及輻射區(qū)效果好，有待把核心區(qū)控灌經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)由于大范圍實(shí)際生產(chǎn)。

4 結(jié) 論

(1)小區(qū)試驗(yàn)中，經(jīng)模型評(píng)價(jià)得出優(yōu)次灌溉模式排序依次為控灌Ⅰ、控灌Ⅲ、控灌Ⅱ、常灌，而調(diào)研管理區(qū)及依蘭地區(qū)優(yōu)于常灌，但是管理區(qū)的示范區(qū)及依蘭地區(qū)的輻射區(qū)還需要使控灌技術(shù)更加標(biāo)準(zhǔn)化。其中控灌Ⅰ模式經(jīng)濟(jì)效益最佳，適宜推廣。

(2)控灌Ⅰ產(chǎn)量及水分生產(chǎn)率最高，分別為10 400.55 kg/hm2，2.397 kg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)灌溉，與指標(biāo)投影值相對(duì)應(yīng)。

(3)通過指標(biāo)投影方向看出指標(biāo)中水量、水分生產(chǎn)率、生產(chǎn)成本、其他費(fèi)用、藥肥量及倒伏率貢獻(xiàn)率相對(duì)較大。應(yīng)著重優(yōu)先考慮這些對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響。

(4)本實(shí)驗(yàn)表明控制灌溉比常規(guī)灌溉節(jié)水 增產(chǎn)，大大提高了水分生產(chǎn)率，與前人計(jì)算結(jié)果相符。但控灌還需要加大推廣力度，在考慮經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)要顧及到環(huán)境保護(hù)，建立更加優(yōu)化的灌溉模式。

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