基于投影寻踪分类模型的暗管优化布局

闫玉民 杨倩 李凯

摘要：为寻求综合效益最优的设施农田暗管布局方案，设计不同埋深与间距的暗管处理，探索不同处理对番茄（Lycopersicon esculentum Mill.）产量、品质、土壤盐分和有机质含量的影响，分析暗管工程的经济效益，并引入熵权系数法和投影寻踪分类模型，对不同暗管处理进行优选和评价。结果表明，不同暗管处理对番茄产量和品质有显著影响，其中T2处理番茄产量品质综合水平最优；土壤EC与有机质含量以T1处理下降最为明显，降幅分别达到35.66%和18.08%；投影寻踪分类模型计算结果表明，T3为综合效益最佳的处理，投影值（y）与暗管间距（x1）、埋深（x2）的回归模型为y=-2.203x1+0.340x2+0.831，相关系数为0.810，说明在本试验的设计范围内，综合效益（投影值）与暗管间距呈负相关，与暗管埋深呈正相关。

关键词：暗管排水；番茄（Lycopersicon esculentum Mill.）；土壤；品质；投影寻踪

中图分类号：F224；S276.7+2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）10-2507-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.10.055

设施栽培在蔬菜和其他经济作物的反季节生产和跨地区种植中起了重要的作用，我国设施栽培得到了大面积推广应用，目前栽培面积已达到世界总面积的70%[1]。然而，设施栽培体系在获得巨大经济和社会效益的同时，也改变了土壤生态环境，其中设施土壤盐渍化已成为亟待解决的土壤环境问题之一[2]。目前，对于设施盐渍化土壤的治理方法包括除盐、抑盐和客土置换等，灌溉除盐虽然能暂时将盐分洗入深层次土壤，但蒸发作用仍会使得盐分在耕层土壤积聚，客土置换则治标不治本，且耗费大量的人力、物力。近年来，暗管排水被证明在涝地和盐碱地区具有显著的应用成效[3，4]，暗管排水对滨海盐碱土壤理化性质、作物产量和品质的影响也一度成为研究热点[5，6]，但其在设施土壤改良中的应用还不多见，设施土壤暗管布局的优化研究则更为匮乏。本试验设计了不同埋深与间距的暗管处理，观测暗管排水对番茄（Lycopersicon esculentum Mill.）产量、品质、土壤EC和有机质含量的影响，分析暗管工程的经济效益，优选综合效益最佳的暗管布局方案，旨在为暗管排水在设施农田中的应用提供实践依据和有益参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2013年5月在江苏省靖江市新桥镇同里农业生态园中的设施大棚中进行。靖江市地处东亚季风盛行区，气候湿润、雨量充沛，具有明显的海洋性、季风性和过渡性气候特点。气温最高在7月，最低在1月，冬夏季南北的温差不大，年平均气温为14.4～15.1 ℃，年平均降水量为1 037.7 mm，降雨日为113 d，但受季风的影响，降水变率较大。试验所在地土壤为黄棕壤，0～40 cm土壤经翻匀处理，有机质含量15.21 g/kg，电导率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， 速效钾含量176.84 mg/kg。

1.2 试验设计

在考虑试验地土壤性质和地下水位的基础上，设计了4种暗管埋设处理，以不埋设暗管为对照，共5个处理，每个处理埋设3根暗管。其中T1处理暗管埋深0.6 m，间距4 m；T2处理暗管埋深0.8 m，间距4 m；T3处理暗管埋深0.6 m，间距6 m；T4处理暗管埋深0.8 m，间距6 m。不同处理之间用1 m深的竖向防渗膜来阻止灌溉水分的侧渗，暗管材质为塑料波纹管，管外用无纺布包裹。

试验所选植物试材为番茄品种“大红宝”，种植密度为4.17×104 kg/hm2，于秧苗5叶1心时定植。各处理均匀施入复合肥1 500 kg/hm2，其中N∶P2O5∶K2O（质量比）=15∶15∶15。另外，处理间灌溉与其他田间管理措施亦保持一致。

1.3 测定项目

1.3.1 番茄产量和品质 各处理随机取4株番茄进行观测，每个植株按照上、中、下3个部位随机选择3个果实进行测定，测定指标包括单果重、可溶性固体物、总酸含量、维生素C含量和糖酸比。可溶性固形物采用日本ATAGO公司产的数字折射仪ACT-1E测定；总糖采用斐林滴定法测定；总酸采用NaOH滴定法测定；维生素C采用2，6-二氯靛酚滴定法测定[7，8]。

1.3.2 土壤理化性质 耕层土壤电导率：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；土壤有机质含量：采用K2Cr2O7-H2SO4稀释热法测定[9]。

1.3.3 暗管排水工程主要经济指标 纳入暗管排水工程投资概算的计算项目包括人工土方挖填、管道、管道附件、水表、弹簧压力表、塑料筛网过滤器、叠片过滤器、施肥器、管支墩砌筑（砼）、闸阀井、排水井、安装费、泵房、闸阀、逆止式封闭阀、水泵及附件、安装费等，另外也考虑临时费用和独立费用。国民经济内部收益率（EIRR）、经济净现值（ENPV）、经济效益费用比（EBCR）按照《水利建设项目经济评价规范》（SL72-94）和《建设项目经济评价方法与参数》进行计算与评价[10]。

1.4 评价指标结构与评价方法

本试验中暗管布局的考虑因素包括番茄的优质与高产、土壤盐分的去除、土壤肥力的保持以及建设成本的控制，评价指标结构如图1所示。采用投影寻踪分类模型对图1中的评价指标进行分类计算。投影寻踪分类模型的实质是利用计算机技术，将复杂的高维数据投影到低维空间，寻求能够反映原始高维数据结构特征的投影，在低维空间内研究高维数据，从而达到分析和处理高维数据的目的，由于投影寻踪分类模型在农田水利工程效益评价中的应用已较为成熟，建模方法参考文献[11-13]。

1.5 数据处理

显著性分析采用SPSS17.0软件。

2 结果与分析

2.1 暗管排水对番茄产量和主要品质指标的影响

暗管排水对番茄产量与主要品质指标的影响如图2所示。从图2中可看出，T2产量最高，达到142.44 kg/hm2，T3次之，CK最低，仅为115.84 kg/hm2，这可能由于暗管排水降低了土壤盐分，改善了土壤理化性质，从而间接提高了番茄产量。从主要品质指标来看，各处理番茄可溶性固形物为5.26%～5.81%，其中T4处理番茄可溶性固形物含量显著高于T2与T3处理（P<0.05）；总酸含量以T2最高，为6.72 g/100 g，CK处理番茄总酸含量最低，并显著低于其他处理（P<0.05）；各处理维生素C含量为11.54～13.34 mg/100 g，T4处理显著高于其他处理（P<0.05）；糖酸比的高低可直接体现在番茄果实的口感和风味方面，糖酸比以CK处理最高，达到9.21，T4处理次之，为8.55，T2处理最低，仅为7.94。

由于番茄的产量与品质包含指标数众多且不同品质指标之间存在联系，因此给综合效益的评价带来一定的困难，本研究选用熵权系数法将产量与品质指标转化为综合熵权系数评价值（M1），具体方法参考文献[14，15]。

依据熵权系数评价法的评价原则，综合熵权系数评价值越高，番茄产质水平越优，计算结果见表1。从表1中可看出，M1以T2处理最高，达到0.967，T3处理次之，为0.955，这说明T2和T3处理更有利于番茄产量和品质的提高。利用Matlab7.1为表1中的指标建立投影寻踪分类模型，其中M1、EC下降率与M2为“越大越优”指标，有机质下降率为“越小越优”指标。在RAGA优化过程中选定父代初始种群规模为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，得出最大投影指标值为0.230 0，最佳投影方向a（j）*=（0.693 0，0.035 6，0.700 4，0.167 1），4个处理的投影值依次为z（i）*=（0.112 4，0.862 0，1.441 3，1.401 3），依据投影值越大综合效益越优的准则，T3为综合效益最佳的处理。即采用埋深0.6 m、间距6 m的暗管布局方案可获得最佳的综合效益。

为了明确投影值（y）与暗管间距（x1）、埋深（x2）的关系，建立回归模型如下：y=-2.203x1+0.340x2+0.831，R=0.810。

这说明在本试验的设计范围内，暗管间距越小，埋深越深，投影值越大，即综合效益越优。

2.2 暗管排水对土壤理化性质的影响

图3与图4所示分别为土壤EC与有机质含量的动态变化。从图3、图4中可看出，随排水时间的增长，各暗管排水处理土壤盐分与有机质含量均出现不同程度的下降，而CK处理土壤EC与有机质含量变化并不明显。不同暗管布局处理中，以T1处理EC与有机质含量下降最为明显，降幅分别达到35.66%和18.08%，这可能由于T1处理暗管埋设密度比其他处理大，排水更为流畅。试验结束时，T3与T4土壤EC显著高于其他暗管处理（P<0.05），而T2、T3与T4处理土壤有机质含量差异并不显著（P>0.05）。

2.3 暗管排水综合效益评价及暗管布局优化

表2所示为暗管工程的建设成本（667 m2造价）。从表2中可看出，不同暗管处理的建筑工程费用为1 337.82～1 893.65元，总费用为1 922.22～2 281.67元，EIRR为13.0%～14.6%，ENPV为924.6～1 054.9元，EBCR为1.28～1.42，根据水利工程建设项目经济评价规范[10]，各暗管处理的建设成本均处于经济可行范围之内。与番茄产量与品质指标的处理方法相似，将EIRR、ENPV和EBCR转化为经济指标熵权系数综合评价值（M2），M2越大，说明暗管工程的经济可行性越优，T3处理M2最大，达到1.000，T4处理次之，T2处理最低，仅为0.888。

3 小结与讨论

1）不同暗管布局方案对番茄的产量、品质及土壤的理化性质有不同程度的影响。番茄产量、品质的综合水平以T2最高，T3次之。土壤EC和有机质含量以T1处理下降最为明显，降幅分别达到35.66%和18.08%，而CK处理变化并不明显。

2）以番茄产量品质熵权系数综合评价值（M1）、EC下降率、有机质下降率及经济指标熵权系数综合评价值（M2）为主要因子，经投影寻踪分类模型计算发现，T3为综合效益最佳的处理，即采用埋深0.6 m、间距6 m的暗管布局方案可获得最佳的综合效益。

3）投影值（y）与暗管间距（x1）、埋深（x2）的回归模型为y=-2.203x1+0.340x2+0.831，相关系数为0.810。在本试验设计范围内，综合效益（投影值）与暗管间距呈负相关，与暗管埋深呈正相关。

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