基于改进投影寻踪模型的地表覆盖对作物水分利用的影响评价

吴新新

(新疆塔里木河流域希尼尔水库管理局， 新疆 库尔勒　841000)



基于改进投影寻踪模型的地表覆盖对作物水分利用的影响评价

吴新新

(新疆塔里木河流域希尼尔水库管理局， 新疆 库尔勒841000)

【摘要】水分不足是限制旱区作物生长的主要因素，覆盖耕作能够改善土壤的微环境，从而提高作物的产量和水分利用效率。为探讨不同地表覆盖对土壤物理性状及马铃薯生长、产量及水分利用效率的影响，本文提出了基于改进投影寻踪模型的综合评价方法。结果表明：与传统耕作相比，地表覆盖可有效改善土壤孔隙状况，作物株高、茎粗及地上部生物量均显著高于传统耕作，产量、商品率和水分利用效率较传统耕作明显提高。研究结果为实现作物增产和提高水分利用效率提供了重要参考。

【关键词】水资源； 地表覆盖； 水分利用效率； 投影寻踪模型

在西北干旱区，水分不足是限制作物产量提高的主要因素，以传统耕作方式对土壤进行连年翻耕，土壤结构遭到破坏，加速了土壤有机质的分解和养分流失，使耕地质量日趋下降，造成作物产量低且不稳[1-2]。因此，合理的耕作措施对改善土壤结构、维持土地生产力有着重要的作用。深松是随少耕、免耕而发展起来代替传统耕作的、适用于旱地农业的保护性耕作法，它利用深松铲来疏松土壤，加深耕层而不翻转土壤，改善耕层土壤的结构，从而减轻土壤侵蚀，提高土壤蓄水保墒能力[3- 4]。

通过地面覆盖可有效改善土壤环境，促进作物生长，在旱区农业生产中，秸秆和地膜覆盖能起到较好的集水保水、增产作用，使旱区有限的降水得到较大程度利用[5- 6]。近年来，由于人为因素对生态环境的破坏，治理水土流失、改善生态环境的任务日趋严峻。张军明研究认为[7]，深松能直接影响天然降水入渗和土壤水分蒸发，间接影响土壤水分的再分布过程，对土壤水分的保蓄和高效利用均有重要作用。刘爽等[8]的研究表明：与传统耕作方式相比，深松覆盖可显著提高土壤含水量和水分利用效率，具有良好的保墒、增产作用。

鉴于此，本文在前人研究的基础上，根据文献[9]数据资料，利用改进投影寻踪模型分析不同覆盖方式对土壤结构及马铃薯产量和水分利用效率的影响，筛选出适合干旱区马铃薯生产的最佳深松覆盖方式，以期为干旱区马铃薯高产高效栽培技术提供参考。

1作物地表覆盖模式评价体系

根据文献[9]数据资料，建立作物地表覆盖模式评价体系(见表1)，该体系包括土壤特性、作物生长、作物产量与水分利用效率4个方面。其中土壤特性包括土壤孔隙度与土壤团聚体含量(DR0.25)2项指标；作物生长包括株高、茎粗与生物量3项指标；作物产量包括单位面积产量与商品薯率2项指标；水分利用包括作物耗水量与水分利用效率2项指标。

2改进粒子群优化投影寻踪模型

2.1投影寻踪模型

投影寻踪(projection pursuit，PP)是一种用来分析和处理非线性、非正态高维数据的统计方法。其计算步骤如下。

a.数据归一化。设评价指标集合为

式中x*(i,j)——第i个方案第j个评价指标值；

n——评价方案个数；

p——评价指标个数。

对于正指标：

(1)

对于负指标：

(2)

式中xmin(j)、xmax(j)——评价指标集合中第j项指标的最小值和最大值。

(3)

投影指标函数为

(4)

式中Sz——投影值z(i)的标准差;

Dz——投影值z(i)的局部密度。

(5)

(6)

R——局部密度的窗口半径，一般取0.1Sz；

u(t)——单位阶跃函数，当t≥0时取1，t<0时取0。

c.优化投影函数。通过求解投影指标函数的最大值问题可计算得到最佳投影方向：

目标函数max:Q(a)=SzDz

(7)

(8)

本文采用改进粒子群算法进行模型寻优。

d.方案评价。将改进粒子群算法计算得到的投影方向a*代入式(3)，便可得到各评价方案投影值z*(i)，z*(i)值越大表明方案越优。

2.2改进PSO算法，优化投影寻踪模型

PSO算法可能会导致种群粒子的相同情况发生，出现局部极值、精度不高等问题。为解决该问题，采用基于参数选择改进PSO算法(improved PSO，IPSO)。

粒子群算法中的参数主要包括最大速度、2个加速常数和收缩因子等，本文针对这3方面的参数进行选择，从而改进粒子群算法。

a.选择vmax。PSO算法中粒子速度和位置计算公式分别见式(9)和式(10)。

(9)

(10)

式中c1、c2——加速常数；

r1、r2——[0，1]范围内的随机数；

pid、pgd——个体的历史最佳位置和全局的历史最佳位置；

w——惯性常数；

vid——粒子速度，为随机变量。

b.选择加速常数。式(9)中c1用于控制粒子向个体最优位置的运动，c2用于控制粒子向邻域最优位置的运动。本文采用的方法为：c1由2.5线性减少到0.5，c2由0.5线性增加到2.5，同时c1+c2≤4.0。

c.选择收缩因子。为防止出现种群爆炸情况，采用收缩因子进行控制。

带收缩因子λ的PSO算法采用Kennedy提出的速度更新公式：

(11)

3模型应用

3.1数据来源

根据文献[9]中的数据，采用改进投影寻踪模型对不同地表覆盖模式的优劣情况进行综合评价。设深松覆盖秸秆(ST+JM)、深松覆盖地膜(ST+DM)、深松不覆盖(ST)，以传统耕作(CT)为对照，共4个处理。不同处理下的作物特性指标值见表2。

3.2方案评价

利用MATLAB 7.0编制基于改进粒子群优化投影寻踪模型程序。参数设置为：种群规模250，初始学习因子c1=c2=2，惯性权重w=0.873，最大迭代次数500次。在MATLAB软件中运行该程序，得到评价方案的最佳投影方向a*=(0.3137，0.3202，0.3065，0.3195，0.3165，0.3417，0.3245，0.3847，0.3643)。

根据式(3)计算得出方案集合的投影值以及排序(见表3)。

3.3结果分析

由表3可知，不同地表覆盖模式评价结果排序为(投影值大小)：ST+JM>ST+DM>ST>CT。故深松覆盖秸秆为最佳方案(投影值最大)，传统耕作为最劣方案(投影值最小)。

3.4评价结果对比

为验证本文计算结果的准确性，采用灰色关联分析法与本文计算结果进行对比(见表3)。

由表3可知，采用本文计算方法所得结果与灰色关联分析法计算结果完全一致，这充分说明了本文计算结果的可靠性。

4讨论

深松蓄水保墒的功能与深松条件下土壤体积质量的减少密切相关。深松覆盖能显著降低土壤体积质量，有效打破耕作犁底层，增加土壤蓄水能力，改善耕层土壤孔隙状况。这主要是由于覆盖减少了人畜践踏和雨滴对地表的直接冲击，同时深松破除了犁底层，改善了土壤的渗透和通气性能。

秸秆覆盖和深松能增加土壤通透性，减少径流产生的次数和径流量，从而增加土壤含水量。相对于传统耕作，地表覆盖能保蓄作物生育期土壤水分，深松覆盖地膜处理能改善马铃薯生长前期的土壤水分状况，而深松覆盖秸秆处理在作物生育后期对土壤水分的保蓄效果明显。这是由于地面的覆盖物使雨水入渗时间延长，而深松能打破犁底层，使自然降雨下渗较深，其蓄水效果大为增强。同时，作物生长前期降水较少，地膜覆盖能保持较好的土壤底墒，而在后期随着降雨量的增加，地面秸秆覆盖能增加雨水入渗，减少地表蒸发，从而提高土壤的水分含量。

覆盖和深松相结合的保护性耕作技术，可有效起到蓄水保墒、减少水分无效消耗、提高作物产量和水分利用率的作用，显著改善土壤水分状况。主要原因是深松覆盖秸秆能增加土壤水分入渗，增强土壤蓄水能力，促进作物根系对土壤水分的吸收利用，提高水分的利用效率。但在缺水年，深松覆盖秸秆处理能否起到增产和提高水分利用效率的效果，还有待于进一步的研究。

5结论

本文构建了基于改进投影寻踪模型的作物地表覆盖模式评价模型，结果表明：

a.作物耗水量与水分利用效率2项指标对地表覆盖模式评价的影响最大，其指标权重分别为0.1480与0.1327。

b.深松结合不同地表覆盖方式对马铃薯的生长有显著促进作用，其株高、茎粗及地上部生物量均显著高于传统耕作。深松结合不同地表覆盖方式能提高作物产量和水分利用效率，深松覆秸秆处理的马铃薯产量、商品率和水分利用效率最高。

c.深松结合不同地表覆盖方式能提高作物水分利用效率，达到节水、高效用水和提高部分品质指标的目的，这对西北干旱区作物种植具有重要意义。下一步应当重点研究深松结合不同地表覆盖对作物品质的影响以及其内在机理。

参考文献

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[2]杨海迪,海江波,贾志宽.不同地膜周年覆盖对冬小麦土壤水分及利用效率的影响[J].干旱地区农业研究,2011,29(2): 27-34.

[3]程静,苏孝敏,张晨辰.干旱地区膜下滴灌技术甜瓜种植模式试验研究[J].水资源开发与管理,2015(1):57- 63,10.

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[7]张军明.宁南山区马铃薯灌溉技术研究[J].水利技术监督,2014(6):53-56.

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[9]李荣,侯贤清.深松条件下不同地表覆盖对马铃薯产量及水分利用效率的影响[J].农业工程学报,2015,31(20):115-123.

Evaluation of influence of ground surface coverage on crop water utilization based on the improved projection pursuit model

WU Xinxin

(XinjiangTarimRiverBasinNeilReservoirAdministration,Korla841000,China)

Abstract：Water deficiency is the main factor of limiting crop growth in arid area, and covering cultivation can improve soil micro-environment so as to improve crop yield and water utilization efficiency. In the paper, an integrated evaluation method based on improved projection pursuit model is proposed in order to explore the influence of different ground surface coverage methods on soil physical properties, potato growth, yield and water utilization efficiency. The results show that the ground surface coverage can effectively improve the soil porosity condition compared with conventional tillage. Plant height, stem diameter and above-ground biomass are significantly higher than conventional tillage. Yield, commodity rate and water utilization efficiency are prominently improved compared with traditional farming. Research results can provide important reference for realizing crop yield increase and improving water utilization efficiency.

Key words：water resources; ground surface coverage; water utilization efficiency; projection pursuit model

DOI:10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2016.02.021

中图分类号：S152

文献标志码：A

文章编号：1005- 4774(2016)02- 0075- 04