基于投影尋蹤分類模型的水稻控制灌溉經濟效益評價

摘要：以產量、肥料成本、灌溉成本和水分生產效率為評價指標，基于投影尋蹤模型，對水稻控制灌溉進行經濟效益評價。結果表明，模型所計算經濟效益較優的處理為CM、CH和CL，均為控制灌溉處理，其中CM投影值最大，經濟效益最佳；控制灌溉+中等施肥量（CM處理）產量最高，達到9 418.5 kg/hm2；與常規灌溉相比，每公頃可節水606元；且水分生產效率最高，為2.02 kg/m3。研究成果可為水稻控灌技術的推廣提供理論和實踐依據。

關鍵詞：投影尋蹤；經濟效益；水稻；控制灌溉；常規灌溉

中圖分類號：F224.5 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）21-5386-03

The Evaluation of Economic Benefit on the Controlled Irrigation of Paddy Rice Based on Projection Pursuit Model

WANG Xue，YAN Yu-min，YANG Jun-peng

（Department of Water Conservancy， Higher Vocational Institute of Shenyang Agricultural University， Shenyang 110122， China）

Abstract： The yield， fertilizer cost， irrigation cost and water productivity were selected as the evaluation indexes to evaluate the economic benefit of the controlled irrigation of paddy rice based on the projection pursuit model. Results showed that the preferable treatments were CL， CM and CH， which were all treated by irrigation controlling， the projection value of CM was maximum， and the economic benefit of CM was optimum； controlled irrigation+ moderate fertilizer amount（CM） obtained the highest yield， recorded as 627.9 kg/acreage； in comparison with the normal irrigation， CM could save 40.4 yuan of irrigation cost per acreage； meanwhile， the water productivity of CM was also the highest， with the value of 2.02 kg/m3. The study findings could provide theoretical and practical basis for the popularization of controlled irrigation technique of paddy rice.

Key words： projection pursuit； economic benefit； paddy rice； controlled irrigation； normal irrigation

由于灌溉管理方式的不同，不僅水稻田養分利用水平差異大，水稻需水規律亦會發生變化，同時水稻產量也將相應發生一定的改變，進而決定了水分利用效率的高低。過量灌溉不僅導致大量有效養分的流失，水資源的浪費，土壤理化性質的惡化，而且可能帶來許多生態環境問題[1，2]。因此，控制灌溉與水分調控對作物生長的影響，隨著節水灌溉理論與技術日新月異，已成為新的難題和研究熱點[3]。試驗以常規灌溉為對照，圍繞水稻產量、肥料成本、灌溉成本和水分生產效率，對水稻控制灌溉進行經濟效益評價，旨在為水資源的高效利用以及控灌技術的推廣提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于江蘇如東（東經121.18°，北緯32.33°），屬亞熱帶海洋性季風氣候；一年中四季分明、光照充足、雨量充沛，年平均氣溫15 ℃，海洋性氣候的特性導致其冬季潮濕寒冷，最低氣溫-5 ℃，夏季炎熱潮濕，最高氣溫達40 ℃。冬夏季時間較長，春秋季較短。試驗地0～60 cm土層土壤理化性質指標見表1。

1.2 試驗設計

試驗設計兩種灌溉方式、三種施肥水平。灌溉方式為控制灌溉和常規灌溉，兩種灌水處理下水稻各生育階段根層土壤水分控制指標如表2所示。施肥水平為58、72、87 kg（其中基肥量為40、50、60 kg），肥料品種為復合肥，含氮量約15%；6月中旬施入基肥，7月中旬與8月中旬分別追肥一次。試驗共設計6個處理：NL（常規灌溉+低施氮量）、NM（常規灌溉+中等施氮量）、NH（常規灌溉+高施氮量）、CL（控制灌溉+低施氮量）、CM（控制灌溉+中等施氮量）、CH（控制灌溉+高施氮量）。

1.3 評價指標

（1）產量：按小區單打單收測算，kg/hm2。

（2）水分生產效率：以單位立方米灌溉水生產水稻產量計，kg/m3。

（3）肥料成本：以單位面積施用肥料的采購成本計算，元/hm2。

（4）灌溉成本：由于單價固定，以單位面積灌溉水量乘以單價計，元/hm2。

2 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。建模步驟如下[4-6]：

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：

X*=x11* x12* … x1p*x21* x22* … x2p*■ ■ ■x11* x12* … x1p*

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，對數值越大越優的指標采取如下處理：

xij=■

對數值越小越優的指標采取如下處理：

xij=■

處理后得到n×p的數據矩陣X：

X=x11 x12 … x1px21 x22 … x2p■ ■ ■x11 x12 … x1p

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投影方向，從而實現數據降維。本文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。

zi=■（i=1，2，3，…，n；j=1，2，3，…，p）

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：

Q（a）=Sz·Dz

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。

Sz=■

式中，E（z）——序列{zi|i=1～n|}的平均值。

Dz=■■（R-rik）·f（R-rik）

式中，R——局部密度的窗口半徑。

rik=|ri-rk|

f（t）=0 t≥00 t≤0

i，k=1，2，3.....n，表示樣本容量。

5）優化投影目標函數。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化：

maxQ（a）=Sz·Dz

s.t.■a2（j）=1

|a（j）|≤1

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，可以得到樣本的優劣排序。

3 結果與分析

3.1 評價指標分析

評價指標和指標值如表3所示，經濟效益評價選取的4個指標分別為實際產量、肥料成本、灌溉成本以及水分生產效率。從表3可以看出，產量為6 297.0～9 418.5 kg/hm2，相差較大，其中控制灌溉處理的產量均高于常規灌溉；肥料成本與施肥量成正比，低、中、高的肥料成本分別為2 310、2 880、3 465元/hm2；灌溉成本與灌溉量密切相關，兩種不同灌溉模式的耗水成本分別為1 737、1 131元/hm2；不同處理水分生產效率差異較大，其范圍為0.87～2.02 kg/m3。

3.2 模型計算結果

4個評價指標中實際產量與水分生產效率為“越大越優”指標，肥料成本和灌溉成本為“越小越優”指標。采用matlab7.1對其建立投影尋蹤分類模型。在RAGA優化過程中選定父代初始種群規模為n=400，交叉概率Pc=0.8，變異概率Pm=0.8，優秀個體數目選定為20個， α=0.05， 加速20次，得出最大投影指標值為0.465 6，最佳投影方向a（j）*=（0.272 2， 0.251 4，0.819 2，0.437 8）， 6個處理的投影值依次為z（i）*=（ 0.251 4，1.369 0，0.399 9，1.656 5，0.251 4， 1.369 1）， 依據投影值越大灌溉模式越好的準則，CM為所得最佳控制灌溉模式，CH次之。

3.3 效益評價

投影值最大的三個處理依次為CM、CH和CL，控制灌溉的經濟效益十分顯著，而CM的投影值遠高于CH和CL，說明CM為最優控制灌溉處理。從產量角度看，CM產量最高，而施氮量最高的處理為NH和CH，說明施氮量并非越多越好，合理的灌溉制度與肥料相耦合，能夠獲得更高的產量；CM的肥料成本為每公頃2 880元，處于中間水平，結合產量看，CM處理肥料的投入既保證了水稻的正常生長，又未造成肥料的浪費，施肥量較為合理；CM處理的灌溉成本為1 131元/hm2，遠小于常規灌溉的灌溉成本，節水效益亦十分明顯；水分生產效率通常有兩種表示方法，分別為單位灌溉量的產量與水稻單位耗水量的產量，本文選用前者，CM處理的水分生產效率為2.02 kg/m3，處于6個處理中的最高水平，說明合理的灌溉模式與肥料運籌能夠提高水分生產效率。

對于作物來講，施肥并非越多越好，過高的施肥量不僅會影響作物的正常生長，還會隨排水進入河道或滲入地下，造成面源污染和地下水污染。而合理的灌溉模式避免了大量灌溉用水的流失，一方面節約了水資源，另一方面也保護了環境。試驗設計中CM處理（控制灌溉+中等施氮量），節水節肥效益明顯，產量也處于6個處理中的最高水平，經濟效益十分顯著，值得推廣。

4 結論與討論

根據試驗結論與模型分析，可得以下結論：

1）模型所計算經濟效益較優的處理為CL、CM和CH，均為控制灌溉處理，其中CM投影值最大，經濟效益最佳。

2）控制灌溉+中等施肥量（CM處理）產量最高，達到9 418.5 kg/hm2；與常規灌溉相比，可節水606元/hm2；且水分生產效率最高，為2.02 kg/m3。

在我國開展了如“薄、淺、濕、曬”、“間歇灌溉”、“濕潤灌溉”和“無水層灌溉”等控制灌溉研究，與常規的淹水灌溉相比，這些灌溉技術可節水20%～40%，增產3%～10%，大幅度提高水分的生產效率，節約水資源，經濟效益顯著[7，8]，而本試驗的計算結論充分驗證和補充了前人的研究成果。目前控制灌溉技術的推廣還不夠完善，某些地區認為控制灌溉雖然節省水資源，但耗費人力資源太多，不適宜使用。筆者認為，一方面應加強配套設施的投入，盡快實現自動灌溉；另一方面，在經濟效益評價的同時，配合環境效益評價，加大宣傳力度，讓技術使用者切實感受到控制灌溉的優勢。

參考文獻：

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