龐紅偉

摘要 利用基于實(shí)數(shù)編碼加速遺傳算法的投影尋蹤模型，根據(jù)實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)生物炭對(duì)節(jié)水灌溉水稻生長(zhǎng)的影響。選出反映作物生長(zhǎng)特性的株高、LAI、產(chǎn)量、有效分蘗、水分利用效率、灌水量及葉綠素含量等7項(xiàng)指標(biāo)，按投影函數(shù)值對(duì)各個(gè)指標(biāo)的貢獻(xiàn)大小進(jìn)行排序，并對(duì)各項(xiàng)試驗(yàn)方案進(jìn)行排序。結(jié)果表明，株高及產(chǎn)量對(duì)整體評(píng)價(jià)貢獻(xiàn)最大，葉綠素含量則最??；在常規(guī)灌溉以及非充分灌溉條件下施加生物炭對(duì)水稻生長(zhǎng)都有明顯促進(jìn)作用；本試驗(yàn)條件下，施加生物炭并保持土壤水分含量在85%～100%的灌溉方案為最佳灌溉方案。

關(guān)鍵詞 生物炭；綜合評(píng)價(jià)模型；實(shí)數(shù)編碼加速遺傳算法；投影尋蹤模型

中圖分類號(hào) S511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）25-0024-03

Abstract Based on RAGAPPC， according to experiments data， effects of biochar on the growth of rice in watersaving irrigation paddy was evaluated.Selecting plant height， LAI， yield， effective tiller，WUE，irrigation water and chlorophyll content as representative indicators， sorted the indicators according to the contribution of value of projection function to each indicator， and sorted experiment plans.The results showed that plant height and yield contributed the most to the overall evaluation， chlorophyll content contributed the smallest，applying biochar can promote obviously rice growth under conventional irrigation and insufficient irrigation conditions， the experiment plan with applying biochar and soil water content of 85%-100% was the best in this experiment condition.

Key words Biochar；Comprehensive evaluation model；Real number coding accelerated genetic algorithm；Projection pursuit model

生物炭是指有機(jī)物，如水稻莖稈、玉米秸稈等，在完全或部分缺氧條件下，經(jīng)過小于700 ℃高溫裂解后產(chǎn)生的一類含碳量高、高芬香、高穩(wěn)定的有機(jī)物 [1]。大量研究表明，在水稻生產(chǎn)中向土里施加生物炭不僅能增加水稻生育前期根系的主根長(zhǎng)，提高水稻根系總吸收面積和活躍吸收面積[2]，而且能改善土壤的理化性質(zhì)[3-5]，提高水分及肥料利用率[6-7]。楊放等[8]采用室內(nèi)土柱淋濾試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在干旱區(qū)鹽堿土中施加生物炭可以提高土壤的持續(xù)供氮能力，其原因在于總氮和硝態(tài)氮淋失顯著減低，而且存在于土壤中的時(shí)間也有所延長(zhǎng)。生物炭對(duì)不同作物均有一定的增產(chǎn)作用已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究者的共識(shí)，在農(nóng)業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域獲得廣泛關(guān)注[9-11]。但是，如何評(píng)價(jià)施加生物炭后對(duì)作物生長(zhǎng)特征及產(chǎn)量的影響尚未解決。傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法因?yàn)槿狈ο到y(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其評(píng)價(jià)系數(shù)一般多是憑專家的經(jīng)驗(yàn)，容易造成較大誤差乃至反常的結(jié)果[12]?；疑C合評(píng)價(jià)方法雖然在一定程度上加入了客觀評(píng)價(jià)，但仍無(wú)法擺脫主觀因素的干擾[13]。因此，采用基于實(shí)碼加速遺傳的投影尋蹤模型（RAGA-PPC），以高維數(shù)據(jù)降維并尋找最優(yōu)投影方向的方式來評(píng)價(jià)不同的施加生物炭的節(jié)水灌溉方案，以期得到更為客觀、真實(shí)的評(píng)價(jià)結(jié)果，優(yōu)選合適的灌溉方案。

1 基于實(shí)數(shù)編碼加速遺傳算法（RAGA）的投影尋蹤模型（PPC）

1.1 RAGA模型[14]標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法（GA）的基因代碼編碼方式，過程煩瑣，精度有限，計(jì)算量大。同時(shí)，其結(jié)果進(jìn)化過程緩慢，有時(shí)還容易陷入局部最優(yōu)解中 ，全局收縮性能較差?；趯?shí)數(shù)編碼的加速遺傳算法（RAGA）則克服了以上缺點(diǎn)，并且具有以下優(yōu)點(diǎn)：①較高精度的算子；②綜合了經(jīng)典優(yōu)化算法與遺傳算法的優(yōu)點(diǎn)；③更加方便的設(shè)計(jì)有針對(duì)性的遺傳算子；④更大的搜索空間；⑤較大的數(shù)可以方便地表示出來。

1.2 PPC模型[15]投影尋蹤模型（Projection Pursuit Classification，PPC）是一種把高維數(shù)據(jù)投影至低維空間，并在低維空間反應(yīng)高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征的一種數(shù)學(xué)模型。其建?；舅悸窞椋菏紫葘⒏魃L(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行降維處理，進(jìn)而得到投影方向的一個(gè)極大值。最后計(jì)算出投影值，投影值越大表明該模式越優(yōu)秀。

2 生物炭施加對(duì)節(jié)水灌溉稻作生長(zhǎng)影響的RAGA-PPC模型的實(shí)例分析

2.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

試驗(yàn)于2015年在三峽大學(xué)校內(nèi)氣象站內(nèi)進(jìn)行。宜昌處于中亞熱帶和北亞熱帶的交界處，具有四季分明、水熱同季、寒旱同季的亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候特征。多年平均降水量1 215.6 mm。平均氣溫16.9 ℃。年平均活動(dòng)積溫5 200 ℃以上。無(wú)霜期250～300 d，年平均輻射量421.52 kJ/cm2，年平均日照時(shí)數(shù)1 538～1 883 h。試驗(yàn)采用桶栽，使用PVC材料圓桶，桶口直徑40 cm，桶高45 cm。試驗(yàn)用土為周邊地區(qū)農(nóng)田土壤，屬黃棕壤黏性較大，飽和含水率31.13%，pH為6～7。

2.2 試驗(yàn)材料 水稻選用“Y兩優(yōu)6號(hào)”雜交稻。

生物炭由江蘇溧竹環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)，原材料為水稻秸稈，生物炭為粉狀，試驗(yàn)前過2 mm的篩，混摻入土。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2015年5月20日選擇長(zhǎng)勢(shì)相同的秧苗，以每桶3穴，每穴2株規(guī)格進(jìn)行插秧。2015年9月10日收割，生育期共113 d。試驗(yàn)設(shè)水分、生物炭2個(gè)因子。其中水分處理分為常規(guī)灌溉A和控制灌溉B、C。模式A除分蘗末期曬田和黃熟落干以外，其余各生育時(shí)期均保持10～30 mm的水層，灌溉模式B和C除返青期保留10～30 mm的水層以外，其余各時(shí)期均不保持水層，水分達(dá)到灌溉下限時(shí)開始灌水。

生物炭處理分為施加生物炭（按20 t/hm2施入，記作C20）和不施加生物炭（C0）。隨機(jī)區(qū)組排列，共計(jì)6個(gè)處理，3次重復(fù)，共18桶，方案設(shè)計(jì)見表1。肥料處理使用常規(guī)尿素（N）按m（基肥）∶m（蘗肥）∶m（穗肥）=5∶3∶2混合，基肥3.01 g/桶，蘗肥1.81 g/桶，穗肥1.20 g/桶，折合純氮220 kg/hm2。鉀肥和磷肥作為基肥一次施入，折合120 kg/hm2純鉀，90 kg/hm2純磷。

2.4 RAGA-PPC模型對(duì)施加生物炭后水稻生長(zhǎng)特征及產(chǎn)量評(píng)價(jià)

株高是反映水稻生理特性的重要指標(biāo)，也可反映水分虧缺對(duì)水稻的影響；葉面積指數(shù)（LAI）和葉綠素含量（SPAD）是反映水稻光合作用效率的重要指標(biāo)之一；有效分蘗所占百分比反映水稻水分、養(yǎng)料的應(yīng)用效率，也是影響作物產(chǎn)量的指標(biāo)之一；產(chǎn)量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最終目的；灌溉水分利用效率（water use ecciciency，WUE）高則是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最高追求不能忽略；灌水量則直接反映節(jié)水灌溉的成果。該次試驗(yàn)選擇以上7種指標(biāo)，其中除灌水量越小越優(yōu)外，其余6種指標(biāo)均越大越優(yōu)。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

RAGA參數(shù)為：種群數(shù)目400、交叉概率0.8，變異概率0.2，優(yōu)秀個(gè)體20，加速100次。得出最大投影指標(biāo)0.499 8，最佳投影方向α*=（0.491 6，0.527 2，0.441 5，0.098 6，0.518 8，0.150 3，0.164 0），將a*（j）帶入z（i）=pj=1a（j）x（i，j）（i=1，2，…，n），求得各種種植方案的投影值z(mì)*（j）=（1.919，2.001，0.854，1.090，1.212，0.477）。

2.5 RAGA-PPC模型評(píng)價(jià)結(jié)果

最佳投影方向的評(píng)價(jià)指標(biāo)如圖1所示，將其按從大到小排列可以看出各個(gè)指標(biāo)對(duì)水稻節(jié)水灌溉綜合評(píng)價(jià)的貢獻(xiàn)率大小。其中株高對(duì)整體的影響最大，其次為理論產(chǎn)量、有效分蘗、葉面積指數(shù)，然后是灌溉水分利用效率和灌水量，對(duì)整體影響最小的指標(biāo)為葉綠素含量。指標(biāo)的評(píng)價(jià)與目前水稻節(jié)水灌溉注重在產(chǎn)量影響不大的情況下，促進(jìn)作物生長(zhǎng)、減少營(yíng)養(yǎng)器官冗余生長(zhǎng)、進(jìn)一步提高灌溉水分利用效率的主流思想相吻合。

將各方案投影值按從大到小排列依次為：T2、T1、T5、T4、T3、T6，可見第2組即施加生物炭并以B方式控制灌溉的評(píng)價(jià)最好，而不施加生物炭并以C方式控制灌溉的評(píng)價(jià)最差。各方案的投影值如圖2所示。

從圖2可以看出，施加生物炭的T1、T2、T3 3組的投影值分別比不施加生物炭的T4、T5、T6 3組高出76.05%、65.98%、78.84%，施加生物炭對(duì)水稻在常規(guī)灌溉以及非充分灌溉下都有十分明顯的好處。對(duì)比T1、T2、T3可以發(fā)現(xiàn)，施加生物炭情況下保持土壤水分含量在85%～100%的T2組投影值最好，其次為常規(guī)灌溉的T1組，最后為保持水分含量75%～100%的T3組。通過對(duì)比其各指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，雖然T1組的產(chǎn)量（8 984.42 kg/hm2）比T2組（8 880.03 kg/hm2）高出1.18%，但是T1組的灌水量（640.48 mm）卻比T2組（419.05 mm）高出52.84%，可見適當(dāng)控制灌溉可以促進(jìn)根系發(fā)育，增強(qiáng)根的吸收能力和葉片的光合能力，利于吸收更多的水分和養(yǎng)分，在保障產(chǎn)量基本不變的情況下大量節(jié)約用水。

3 結(jié)論與討論

能否客觀、真實(shí)地評(píng)價(jià)生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)特征及產(chǎn)量的影響是關(guān)系到生物炭技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大面積推廣應(yīng)用的重要問題。然而，由于缺乏系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的評(píng)價(jià)方法其評(píng)價(jià)系數(shù)多是憑專家的經(jīng)驗(yàn)，容易造成較大誤差乃至反常的結(jié)果。一定程度上加入客觀評(píng)價(jià)的灰色綜合評(píng)價(jià)方法，事實(shí)上仍然受到主觀因素的干擾。基于實(shí)碼加速遺傳的投影尋蹤模型，通過高維數(shù)據(jù)并尋找最優(yōu)投影方向的方式，最大程度地避免了主觀因素的干擾，評(píng)價(jià)結(jié)果更為客觀、準(zhǔn)確。利用RAGA-PPC模型對(duì)2015年水稻灌溉試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）基于RAGA的PPC模型對(duì)施加生物炭后水稻節(jié)水灌溉的評(píng)價(jià)表明，T2處理即施加生物炭并保持土壤水分含量在85%～100%的控制灌溉可作為最佳水稻種植方式。產(chǎn)量和水分利用率分別比不施加生物炭充分灌溉方案提高10.54%和66.85%。

（2）生物炭對(duì)水稻在常規(guī)灌溉以及非充分灌溉下綜合評(píng)價(jià)有65%～79%的提升，平均為73.62%。表明生物炭在水稻生長(zhǎng)方面具有十分重要的潛力及促進(jìn)作用。

（3）實(shí)踐證明，基于實(shí)數(shù)編碼的加速遺傳算法（RAGA）的投影尋蹤分類模型（PPC）在水稻施加生物炭后節(jié)水灌溉的方案評(píng)價(jià)中，可以將水稻生長(zhǎng)過程中的多個(gè)指標(biāo)通過降維形成最優(yōu)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)各個(gè)方案做出綜合評(píng)價(jià)。與其他方法相比，避免了專家賦權(quán)的人為干擾，更準(zhǔn)確地反映出各個(gè)指標(biāo)對(duì)整體評(píng)價(jià)的貢獻(xiàn)率大小。

（4）該研究提到的RAGA-PPC模型具有高魯棒性，對(duì)于關(guān)系不明顯的、模糊的高維數(shù)據(jù)可以較為方便的評(píng)判，分類。

（5）葉綠素是水稻生長(zhǎng)的重要指標(biāo)，而該研究認(rèn)為在評(píng)價(jià)中貢獻(xiàn)最小，究其原因可能與節(jié)水灌溉技術(shù)本身有關(guān)。在株高、LAI及葉綠素含量等7項(xiàng)指標(biāo)中，現(xiàn)有研究證明除了葉綠素外，其余6項(xiàng)指標(biāo)受灌溉水量影響較為明顯，而葉綠素含量則受影響較小。因此，在進(jìn)行整體評(píng)價(jià)時(shí)，葉綠素含量貢獻(xiàn)最小。

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