烤煙節(jié)水灌溉模式評價

張會玉，李 輝，張憲雷

（吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021）

烤煙是我國重要經濟作物[1]，我國主要煙區(qū)如云南，貴州等地，雖然雨量充沛，但降雨往往集中在煙草生育前期和中期，生育后期階段性干旱時常發(fā)生，因此，很多學者針對烤煙節(jié)水灌溉問題進行了研究，取得了一定成果[2]。目前普遍研究的熱點包括烤煙的調虧灌溉、工程節(jié)水、水肥耦合、同位素示蹤等，但所得灌溉模式往往通過單因子評價，主觀性較強，不夠全面。為此，引入統(tǒng)計學領域的投影尋蹤分類模型試驗，旨在應用綜合多種因子，篩選和評價出烤煙最優(yōu)灌溉模式。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在江蘇省南京市江寧區(qū)橫溪鎮(zhèn)南京市蔬菜花卉科學研究所內的蒸滲儀中進行。當地年平均降雨天數117 d，年降雨量1 106.5 mm，年平均溫度15.7℃，平均濕度81%，最大風速19.8 m/s，無霜期237 d。蒸滲儀由水泥、磚塊砌成，每個蒸滲儀面積均為（4×2）m2，蒸滲儀中的土壤是原地按自然層次（測容重）回填的黃棕壤，質地粘重，有機質含量14.209 g/kg，全氮 1.303 g/kg，堿解氮 129.9 mg/kg，全磷 0.363 g/kg，速效磷 27.2 mg/kg，pH 值 5.87，0～60 cm土壤容重1.35 g/cm，0～60 cm土壤田間持水量28.0%（重量含水量），地下水埋深10 m。蒸滲儀上面安裝防雨棚，以隔絕自然降水[6]。

1.2 試驗設計

試驗設3種灌水量，2個施氮水平，共6個處理。灌水按照烤煙伸根期、旺長期、成熟期的灌水量分別占總灌水量的30%、40%和30%進行分配，即移栽以后在蒸滲儀中每隔7天灌水一次，把各生育期的需灌水量平均灌至蒸滲儀土壤中。施肥按基肥∶追肥=7∶3施用烤煙專用無機肥料（貴州省煙草科學研究所提供，N∶P2O5∶K2O=1∶2∶3），基肥在烤煙移栽前一次性穴施，追肥時間為移栽后26 d，把各處理烤煙專用無機肥的用量折合成純氮量施入蒸滲儀土壤中。每個蒸滲儀中栽煙12株，行距1.2 m，株距0.5 m，各處理灌水量和施肥量如表1所示[3]。

表1 試驗處理設置

1.3 評價指標

（1）產量：根據各處理烤煙葉片干物質重量計算（kg/hm2）。

（2）旺長期最大葉面積指數：單株烤煙葉片面積總和與單株烤煙占地面積之比。其中葉面積計算公式如下：

Li與Wi分別代表第i片葉片的葉長與葉寬。

（3）水分生產效率：單位體積灌溉水收獲烤煙葉片干重（kg/m3）。

（4）灌溉水量：以每公頃灌溉水量計（m3/hm2）。

（5）施肥量：以每公頃施肥量計（kg/hm2）。

1.4 評價方法

投影尋蹤（projection pursuit，簡稱 PP）是一種用來分析和處理高維數據，尤其是處理非線性、非正態(tài)分布高維數據的一種新興方法。其實質是利用計算機技術，通過把高維數據投影到低維子空間，尋找能夠反映原高維數據結構或者特征的投影，在低維空間研究數據結構，從而達到研究與分析高維數據的目的。建模詳細步驟如文獻[4]所示。

模型建立的主要步驟包括以下幾個方面：

（1）建立評價矩陣。設評價的樣本容量為n，評價指標（變量）數目為 p，第i個樣本的第 j個指標值為xij*，則所有樣本指標數據可以用 n×p列的數據矩陣X*表示：

（2）無量綱化處理。為解決各指標值的量綱不同，對不同樣本指標值進行無量綱化處理：

對數值越大越優(yōu)的指標采取如下處理：

對數值越小越優(yōu)的指標采取如下處理：

處理后得到n×p的數據矩陣X:

式中：max（xj*）——第j個指標的最大值；min（xj*）——第j個指標的最小值。

（3）線性投影。投影實質上就是從不同的角度去觀察數據，尋找能夠最大程度地反映數據特征和最能夠充分挖掘數據信息的最優(yōu)投影方向，從而實現數據降維。將高維數據投影到一維線性空間進行研究，因此，設單位向量 a={a1，a2，…，ap}為一維線性投影方向，則矩陣X投影到a上的一維投影特征值為Zi。

（4）構造投影目標函數。綜合投影指標值時，根據分類原則，投影值的散布特征盡可能滿足如下要求：局部投影點盡可能密集、最好凝聚成若干點團；整體上投影點團之間盡可能散開。即：使多元數據在一維空間散布的類間距離Sz和類內密度Dz同時取得最大值。因此，將投影目標函數表示為類間距離和類內密度的乘積：

式中：Sz——投影特征值Zi的標準差，也稱類間距離；Dz——投影特征值Zi的局部密度，也稱類內密度。

式中E（z）——序列{zi|i=1～n|}的平均值。

式中R——局部密度的窗口半徑。

i，k=1，2，3.....n，表示樣本容量。

（5）優(yōu)化投影目標函數。對于給定的樣本集指標值，投影指標函數Q（a）隨著投影方向a的變化而變化，能夠最大可能地反映高維數據某類結構特征的投影方向即為最佳投影方向。因此運用目標函數最大化對投影目標函數進行優(yōu)化:

（6）評價。按照最佳投影方向a*取值大小排列，可以得到指標貢獻/敏感程度大小，按照z*（i）取值大小排列，可以得到樣本的優(yōu)劣排序[5]。

2 結果與分析

2.1 評價指標分析

表2所示為所選評價指標，產量是評價節(jié)水灌溉模式的重要依據，因為節(jié)水不能以犧牲作物生長發(fā)育為代價；肥料用量關系到經濟效益與環(huán)境效益，部分煙區(qū)的連年耕作及粗放式生產管理，導致土壤連作障礙嚴重，且肥料隨灌溉水流入河道，滲入地下，造成水環(huán)境的污染[6]。在烤煙生產過程中，施肥量并非越大越好。施氮量的增加，極大地促進了不同部位煙葉，尤其是上部葉煙堿的累積和煙堿含量的增加，造成煙葉品質下降[7]。旺長期最大葉面積指數可反映某灌溉模式在烤煙需水需肥最旺盛時期的供水供肥能力。水分生產效率以單位體積水獲得的煙葉產量計算。挑選其中任意一個對灌溉模式進行篩選和評價都不夠全面，需綜合5個指標，判定最優(yōu)灌溉模式。如表2所示，實際產量處于2 231.86～3 155.62 kg/hm2，T5 產量明顯高于其他處理，水肥耦合效應明顯，旺長期最大LAI為4.28～5.32，與產量關系密切，水分生產效率處于0.45～0.90 kg/m3。

表2 評價指標及指標值

2.2 模型計算結果

在表2所示的4個評價指標中，實際產量、旺長期最大LAI與水分生產效率為“越大越優(yōu)”指標，肥料用量和灌溉用水量為“越小越優(yōu)”指標。采用matlab7.1對其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)秀個體數目選定為20個，α=0.05，加速20次，得出最大投影指標值為0.434 2，最佳投影方向 a（j）*=（0.485 9，0.316 8，0.560 4，0.360 9，0.468 3），6 個處理的投影值依次為z（i）*=（0.316 8，0.866 0，1.480 6，0.280 6，1.482 3，1.480 8），依據投影值越大灌溉模式綜合條件越好的準則，T5為所得最佳烤煙節(jié)水灌溉模式。

2.3 灌溉模式評價

根據模型計算，最優(yōu)灌溉模式為T5，T5處理的煙葉產量為3 155.62 kg/hm2，處于6個處理中的最高水平，顯著高于其他處理，說明灌溉水量并非越多越好，合理的水肥參數容易獲得更高的產量；T5處理的灌溉用水量為4 000 m3/hm2，處于中間水平，既未造成水資源的浪費，又未影響作物的正常生長；旺長期最大LAI與烤煙葉面積和產量呈極顯著的正相關關系[6]，T5的旺長期LAI為5.32，為6個處理中的最大值；T5處理的水分生產效率為0.79 kg/m3，次于T6與T3，說明在試驗條件下，灌溉量對水分生產效率影響十分顯著，兩者呈正相關關系。

節(jié)水灌溉模式T5在保證煙葉正常供水的情況下，極大地促進了烤煙葉片的生長發(fā)育，為煙葉高產奠定了良好的基礎，不僅如此，在保證煙葉產量較高的同時，較大程度上提高了水分生產率，實現了增產，節(jié)水和高效用水的目的。

投影值僅次于T5的灌溉模式為T6，T6的灌溉用水量最小，施肥量處于較高水平，所得產量與旺長期最大LAI僅次于T5，其水分利用效率為6個處理中的最高水平，干旱較為嚴重的地區(qū)，也可考慮使用T6灌溉模式。

3 結論與討論

目前投影尋蹤分類模型已在很多領域得到廣泛應用，效果較優(yōu)。如暗管排水參數的優(yōu)化[8]、施肥制度的篩選[6]、水分脅迫的影響評價、水稻節(jié)水灌溉經濟分析、地震預報、水土資源研究、水文水資源預報[9]、土壤水分有效性評價均取得了良好的效果。利用投影尋蹤技術評價不同節(jié)水灌溉模式，客觀性強，充分利用了原始數據的內部結構特點，避免了人為干擾，同時保證了信息的全面。

根據試驗結論與模型分析，可得以下結論：（1）烤煙灌溉水量并非越大越好，合理的水肥參數更容易獲得較高的產量和水分生產效率。（2）模型計算所得最優(yōu)處理為T5，產量與旺長期最大LAI分別為3 155.62 kg/hm2和5.32，處于6個處理中的最高水平，T5水分生產效率為0.79 kg/m3，處于6個處理的中上水平。一般情況下，推薦T5節(jié)水灌溉模式，特別干旱地區(qū)，也可采用T6灌溉模式。

試驗也存在一些不足，如煙葉的品質指標也是評價烤煙節(jié)水灌溉模式的重要指標；目前國家對于煙葉的收購標準主要是建立在煙葉的外觀上的，因此節(jié)水灌溉所產出的烤煙葉片外觀也可列為評價指標，今后的研究應結合煙葉品質、外觀等多因素進行評價，并將研究成果進行推廣，指導煙葉生產。

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