基于综合效益分析的烤烟设施农田暗管布局优化

张 晓 艳

(山西大学 动力工程系，山西 太原 030013)



基于综合效益分析的烤烟设施农田暗管布局优化

张 晓 艳

(山西大学 动力工程系，山西 太原 030013)

摘要：土壤盐渍化对烤烟产量和品质有不同程度的负面影响。为了寻求综合效益(高产、优质、节水、降盐)最优的设施农田暗管布局方案，设计了不同的灌溉制度与暗管布局方案，观测不同处理对烤烟品质指标、产量、灌溉水利用效率和耕层土壤电导率的影响，并引入主成分分析法和投影寻踪分类模型，对不同暗管布局方案进行优选。结果表明：烟叶总氮和烟碱含量与灌溉量呈负相关，而还原糖和钾含量与灌溉量呈正相关；烟叶综合品质与产量均以W2D1S2最优，耕层土壤盐分去除效果和灌溉水利用效率分别以W3D1S1处理和W1D2S2最优；投影寻踪分类模型计算结果认为，W2D1S2为综合效益最佳的处理，投影值达到1.5222，W2D2S1次之，W1D1S1最差。因此，灌溉量500 mm条件下，暗管埋深0.6 m、间距6 m为本试验最优的暗管布局方案。

关键词：暗管排水；埋深；综合效益；投影寻踪

早在1950年，芬兰南部80%的栽培土壤就利用暗管排水技术来降低地下水位，改善土壤条件[1]。暗管排水已被证明在涝地和盐渍地区具备相当的应用价值和经济可行性[2-3]。暗管排水对滨海盐土、低产田、涝地的改良效果以及对土壤盐分、作物产量和品质的影响也一度成为研究热点[3-5]。如Mathew[6]发现，不同暗管埋设方法对土壤有不同程度的改良作用，暗管排水显著加速了钠盐、钙盐和镁盐的流失；Hornbuckle[7]比较了单层暗管和多层暗管排水对地下水位、土壤盐分和排出水盐分的影响；Ghumman[8]认为，一季作物栽培时间内，暗管排水可使得耕层土壤电导率降低17%；张洁[9]比较了2种暗管布局方案对番茄产量的影响，认为暗管埋深0.7 m、间距8 m对番茄产量的提高最为有利。

我国部分烟区(如贵州)降雨时空分布不均，阶段性干旱时常发生，在影响烤烟产量和品质的同时，加重了土壤连作障碍。将暗管排水技术应用于烤烟栽培中，加快了土壤的淋洗脱盐，尤其能防止氯离子对烤烟品质产生的不利影响。然而，由于暗管排水在设施栽培中的应用研究还不多，暗管排水优化布局成为亟待解决的关键问题。应用主成分分析法和投影寻踪分类模型优选最佳暗管布局方案，可有效避免主观决策对优选结果造成的影响，所得结果更为客观、科学。本试验选择烤烟为主要试材，设计不同灌溉量与暗管布局方案，对不同处理下烤烟主要品质指标、产量、灌溉水利用效率和耕层土壤电导率进行观测，并引入主成分分析法和投影寻踪分类模型对不同方案进行优选，旨在为优质高产烤烟的栽培提供技术支持，也为暗管技术在设施农田中的应用提供实践依据。

1　试验材料与方法

1.1试验区概况

本文试验于2013年5月—9月在南京市蔬菜花卉研究所内的温室中进行。研究所位于南京市江宁区，该区的年降雨量约为1 106.5 mm，年降水天数约117 d，年平均气温15.7℃，最大风速19.8 m/s，平均湿度81%，无霜期237 d。由于长期连作，土壤已出现轻微的盐渍化。试验区土壤种类为黄棕壤，0～40 cm经翻匀处理，基本理化性质如下：电导率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，速效钾含量122.6 mg/kg。

1.2试验设计

试验所选植物试材为烤烟K326，将烤烟生育期划分为伸根期、旺长期和成熟期，基于前人研究经验[10-11]，伸根期、旺长期和成熟期灌溉量分别占总灌溉量的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烟土壤中。施氮量为120 kg/hm2，按照基肥∶追肥=7∶3分配，追肥时间为烤烟移栽后26 d。

在综合考虑烤烟需水规律和地下水位状况的基础上，试验设3种灌溉总量，2种暗管埋深和2种暗管间距，共12个处理。3种灌溉总量分别为400 mm(W1)，500 mm(W2)和600 mm(W3)，2种暗管埋深分别为0.6 m(D1)和0.8 m(D2)，2种暗管间距分别为4 m(S1)和6 m(S2)。下文中W1D1S1处理标识代表灌溉总量400 mm，暗管埋深0.6 m，间距4 m，其它处理以此类推。不同暗管布局之间用1 m深的纵向防渗膜来阻止水分侧渗，暗管材质为塑料波纹管，管外包裹有无纺布。

1.3测定项目与方法

1.3.1烤烟产量

烤烟成熟时，将植株按照上部叶、中部叶、下部叶、根、茎分开，105℃杀青半小时后75℃烘干至恒重。单株烤烟产量为上、中、下部叶干重之和。

1.3.2烤烟品质

每个处理选取3株烤烟，待烤烟中部叶完全成熟后对其进行烘烤处理，烘干后磨细待测。品质指标：采用连续流动分析仪，利用连续流动法测定[12]。标准参照《烟草及烟草制品水流性糖的测定连续流动法》[13](YC/T 159-2002)，《烟草及烟草制品总植物碱的测定连续流动法》[14](YC/T 160-2002)，《烟草及烟草制品总氮的测定连续流动法》[15](YC/T 161-2002)。

1.3.3耕层土壤电导率(EC)

耕层土壤EC：采用英国DELTA-T公司生产的HH2/WET土壤参数测定仪直接测定，测定位置为暗管正上方[16]。

1.4数据处理

显著性分析和烤烟品质的主成分提取采用Spss 17.0软件，综合效益熵权系数评价模型的建立采用Matlab7.1软件。

1.5主成分分析

烤烟品质是一个复杂的概念，包含指标众多且彼此之间有一定关联，为了分析不同处理对烤烟综合品质的影响，采用主成分分析法对烤烟主要品质指标进行主成分提取，提取原则为特征值大于1，累积贡献率大于80%[17]。由于表1中国家烟草专卖局给出的烤烟化学成分指标和适宜范围[18]大部分为区间指标，需要对品质指标值作一些变换，若假设某个指标适宜区间的最中心值为最优值，实测值离该中心值越近，说明该值所代表的指标越好。将原指标转化为新的评价指标：X1=|X1实际值-25|、X3=|X3实际值-200|、X2=|X2实际值-22.5|、X6=|X6实际值-1|、X5*=|X5实际值-9|。采用Spss17.0，对变换后的样本进行主成分计算，特征向量、特征值、贡献率与累计贡献率。

表1　烤烟主要品质指标及适宜范围

不同处理综合效益评价指标的选取体现了本试验的主要目的，即高产、优质、节水和降盐。

1.6投影寻踪分类模型

为保证综合效益评价结果的全面性和科学性，本文选用投影寻踪分类模型对主要评价指标进行建模计算。投影寻踪的基本方法是将高维的原始数据通过所建立的模型投影到1～3维的人眼可视的空间，然后进行某一投影指标的优化，在此期间会得到若干个投影方向，在最优的投影方向下，投影到低维子空间的点能够较好地反映高维空间的数据特点和结构，研究者即可通过低维空间得到的数据结构和特征研究高维数据。近年来，投影寻踪分类模型在效益评价中的算法已经相对成熟。然而，若某项评价指标中包含的子项数量过多(如本文中的品质指标)，在直接计算时必然会增加该项指标权重的分配比例，即所得评价结果更易受到该项指标影响，利用主成分分析将子项较多的指标转化为综合主成分再进行计算，则能很好地避免这一问题。

投影寻踪分类模型建模方法如下[18]：

(1)评价矩阵的建立。n为试验处理总数，p为评价指标数，xij*指第i个处理的第j个评价指标值，本试验中n=12，p=4，则样本数据矩阵X*为：

(1)

(2)无量纲化。本试验中的综合效益评价指标分为2类，EC为损失性指标，其余均为收益性指标，不同指标采用不同的无量纲化方法，其方法分别为：

收益性指标无量纲化方法：

(2)

损失性指标无量纲化方法：

(3)

矩阵X*无量纲化后得到X：

(4)

式中：max(xj*)为第j个指标的最大值；min(xj*)为第j个指标的最小值。

(3)线性投影。线性投影的目的是实现高维数据向低维数据的降维，其重点是确定能够保留最多原始信息的投影方向。设单位向量a={a1,a2,…ap}为一维线性投影方向，那么矩阵X投影到a上的一维投影特征值zi为：

(5)

(4)构造投影目标函数。投影值在空间的分布尽量满足：局部投影点密集，凝聚成点团最佳；整体上，点团和点团之间应尽可能分散。也就是说，在构造投影目标函数时，要使得多元数据分布的类间距离和类内密度同时达到最大。则投影目标函数可以表示为：

Q(a)=SZ·DZ

(6)

式中：Q(a)为投影目标函数；SZ为投影特征值zi的标准差，即类间距离；DZ为投影特征值zi的局部密度，即类内密度。

(7)

式中：E(z)为序列{zi|i=1～n|}的均值。

(8)

式中：R为局部密度的窗口半径。

rik=|ri-rk|

(9)

(10)

i，k=1，2，3……n，表示样本容量。

(5)优化投影目标函数。在样本集指标值给定的情况下，投影指标函数Q(a)会随着投影方向a的不同而发生变化，最佳投影方向应最大限度地反映高维数据的原始信息或某类结构特征。采用目标函数最大化的方法对投影目标函数进行优化处理：

maxQ(a)=SZ·DZ

(11)

(12)

|a(j)|≤1

(13)

(6)评价。最佳投影方向a*的取值反映指标贡献程度，即权重。按照投影值z*(i)取值大小排列，可以得到不同暗管排水处理综合效益的优劣排序。

2　结果与分析

2.1不同处理对烤烟品质的影响

烤烟主要品质指标和灌溉量的相关性较大，低灌溉量处理烤烟叶片的烟碱和总氮含量总体高于中、高灌溉量处理，而还原糖和钾含量低于中、高灌溉量处理(见表2)。烟碱与总氮含量均以W1D1S1处理最高，分别达到27.16 mg/g和31.22 mg/g，这可能由于W1D1S1处理灌溉量较低，密集的暗管布局又加速了灌溉水分的流失；相反，W1D1S1处理烟叶还原糖和钾含量处于较低水平，其中还原糖含量显著(P<0.05)低于其他处理(除W1D2S1)，这一结果充分印证和补充了张迪[19]等人的研究成果，即低土壤水分提高烟叶烟碱和总氮含量，但降低还原糖含量。本试验中，烤烟叶片烟碱和总氮含量总体上还与暗管间距呈负相关，还原糖和钾含量总体上与暗管间距呈正相关，而主要品质指标与暗管埋深的关系并不明显，此处认为可能是不同暗管布局不同程度地改变了排灌效率，影响了土壤水分，从而间接地影响了烤烟品质。

主成分分析结果中第一个主成分f1反映了总氮(X2)、钾(X4)、氮碱比(X6)和钾氯比(X7)的变异信息，第二个主成分f2反映了烟碱(X1)、还原糖(X3)和糖碱比(X5)的变异信息，累积方差贡献率达到88.793%，保留了大量的原始数据信息(表3)。

表2　不同处理对烤烟主要品质指标的影响

注：表中同一列不同字母(a,b,c)表示在0.05水平上有显著差异。

表3　主要主成分系数和贡献率

2.2不同处理对烤烟产量的影响

灌溉量500 mm处理烤烟产量总体上要高于其他处理，其中W2D1S2烤烟产量最高，达到2 702.12 kg/hm2；灌溉量400 mm和600 mm处理中，分别以W1D2S2和W3D2S2产量最高(见图1)。另外，在400 mm和600 mm处理中，烤烟产量与暗管埋深和间距呈正相关关系；而500 mm灌溉量处理中，烤烟产量与暗管埋深、间距的关系并不明显，处理之间烤烟产量差异并不显著(P>0.05)。这说明在本试验暗管布局设计下，灌溉量500 mm对烤烟产量提高的促进作用更为显著。就烤烟产量这一单因素而言，暗管间距0.6 m，埋深6 m为较优布局方案。

图1不同处理对烤烟产量的影响

2.3综合效益评价

处理W2D1S2烟叶综合品质最优，综合主成分值达3.226，W2D2S1次之，W1D1S1烟叶综合品质最差，这说明灌溉量500 mm、暗管埋深0.6 m、间距6m对烤烟综合品质的提高最为有利(见表4)。灌溉量较小的处理，烤烟产量与综合品质总体处于较低水平，盐分去除效果较差，但灌溉水利用效率较高；灌溉量较大的处理虽然盐分去除效果较好，但灌溉水利用效率偏低。

表4　综合效益评价指标

利用Matlab7.1为表4中的指标建立投影寻踪分类模型。在RAGA优化过程中，父代初始种群规模选定为n=400，交叉概率Pc=0.8，变异概率Pm=0.8，优秀个体数目选定为20个,α=0.05,加速20次[18]，计算可得最大投影指标值为0.3371，最佳投影方向a(j)*=(0.5718，0.2916，0.0363，0.7660)，12个处理的投影值依次为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)。

在投影寻踪分类模型评价结果中，投影值越大，说明包含烤烟品质、产量、水分生产效率和降盐率4项指标在内的暗管布局综合效益越优。由此可见，W2D1S2为综合效益最佳的处理，W2D2S1次之，W1D1S1最差。另外，为明确投影值(y)与暗管埋深(x1，m)、间距(x2，m)和灌溉量(x3，mm)之间的关系，建立回归模型为：y=0.2018-0.4649x1-0.0091x2+0.0029x3，R=0.689。

3　结论与讨论

根据上述分析，可得以下结论：

(1)烤烟叶片的总氮和烟碱含量与灌溉量呈负相关，还原糖和钾含量与灌溉量呈正相关。主成分分析结果表明：灌溉量500 mm、暗管埋深0.6 m、间距6m对烤烟综合品质的提高最为有利。

(2)灌溉量500 mm处理烤烟产量总体上要高于其他处理，其中W2D1S2处理烤烟产量最高，达到2 702.12 kg/hm2。

(3)W3D1S1处理对土壤盐分的去除效果最为有利，试验结束时耕层土壤EC值最低，仅为2.98 ms/cm。烤烟灌溉水利用效率以W1D2S2处理最高，达到0.826 kg/m3。

(4)投影寻踪分类模型在投影方向(即权重)计算过程中，保留了原始数据的信息和结构特征，避免了使用主观权重的片面性，从而提高了评价结果的可靠性。其计算结果表明，W2D1S2为综合效益最佳的处理，投影值达到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

中图分类号：S276.7

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2014)06—0044—06

作者简介：张晓艳(1970—)，女，山西榆社人，博士研究生，讲师，研究方向为水力学及河流动力学、水利工程经济、农田水利工程。

基金项目：公益行业科研专项经费项目“盐碱地高效节水控盐排灌技术”(200903001-05-01)

收稿日期：2014-09-17修稿日期：2014-10-23