基于投影尋蹤分類模型的暗管優化布局

閆玉民 楊倩 李凱

摘要：為尋求綜合效益最優的設施農田暗管布局方案，設計不同埋深與間距的暗管處理，探索不同處理對番茄（Lycopersicon esculentum Mill.）產量、品質、土壤鹽分和有機質含量的影響，分析暗管工程的經濟效益，并引入熵權系數法和投影尋蹤分類模型，對不同暗管處理進行優選和評價。結果表明，不同暗管處理對番茄產量和品質有顯著影響，其中T2處理番茄產量品質綜合水平最優；土壤EC與有機質含量以T1處理下降最為明顯，降幅分別達到35.66%和18.08%；投影尋蹤分類模型計算結果表明，T3為綜合效益最佳的處理，投影值（y）與暗管間距（x1）、埋深（x2）的回歸模型為y=-2.203x1+0.340x2+0.831，相關系數為0.810，說明在本試驗的設計范圍內，綜合效益（投影值）與暗管間距呈負相關，與暗管埋深呈正相關。

關鍵詞：暗管排水；番茄（Lycopersicon esculentum Mill.）；土壤；品質；投影尋蹤

中圖分類號：F224；S276.7+2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）10-2507-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.10.055

設施栽培在蔬菜和其他經濟作物的反季節生產和跨地區種植中起了重要的作用，我國設施栽培得到了大面積推廣應用，目前栽培面積已達到世界總面積的70%[1]。然而，設施栽培體系在獲得巨大經濟和社會效益的同時，也改變了土壤生態環境，其中設施土壤鹽漬化已成為亟待解決的土壤環境問題之一[2]。目前，對于設施鹽漬化土壤的治理方法包括除鹽、抑鹽和客土置換等，灌溉除鹽雖然能暫時將鹽分洗入深層次土壤，但蒸發作用仍會使得鹽分在耕層土壤積聚，客土置換則治標不治本，且耗費大量的人力、物力。近年來，暗管排水被證明在澇地和鹽堿地區具有顯著的應用成效[3，4]，暗管排水對濱海鹽堿土壤理化性質、作物產量和品質的影響也一度成為研究熱點[5，6]，但其在設施土壤改良中的應用還不多見，設施土壤暗管布局的優化研究則更為匱乏。本試驗設計了不同埋深與間距的暗管處理，觀測暗管排水對番茄（Lycopersicon esculentum Mill.）產量、品質、土壤EC和有機質含量的影響，分析暗管工程的經濟效益，優選綜合效益最佳的暗管布局方案，旨在為暗管排水在設施農田中的應用提供實踐依據和有益參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2013年5月在江蘇省靖江市新橋鎮同里農業生態園中的設施大棚中進行。靖江市地處東亞季風盛行區，氣候濕潤、雨量充沛，具有明顯的海洋性、季風性和過渡性氣候特點。氣溫最高在7月，最低在1月，冬夏季南北的溫差不大，年平均氣溫為14.4～15.1 ℃，年平均降水量為1 037.7 mm，降雨日為113 d，但受季風的影響，降水變率較大。試驗所在地土壤為黃棕壤，0～40 cm土壤經翻勻處理，有機質含量15.21 g/kg，電導率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， 速效鉀含量176.84 mg/kg。

1.2 試驗設計

在考慮試驗地土壤性質和地下水位的基礎上，設計了4種暗管埋設處理，以不埋設暗管為對照，共5個處理，每個處理埋設3根暗管。其中T1處理暗管埋深0.6 m，間距4 m；T2處理暗管埋深0.8 m，間距4 m；T3處理暗管埋深0.6 m，間距6 m；T4處理暗管埋深0.8 m，間距6 m。不同處理之間用1 m深的豎向防滲膜來阻止灌溉水分的側滲，暗管材質為塑料波紋管，管外用無紡布包裹。

試驗所選植物試材為番茄品種“大紅寶”，種植密度為4.17×104 kg/hm2，于秧苗5葉1心時定植。各處理均勻施入復合肥1 500 kg/hm2，其中N∶P2O5∶K2O（質量比）=15∶15∶15。另外，處理間灌溉與其他田間管理措施亦保持一致。

1.3 測定項目

1.3.1 番茄產量和品質 各處理隨機取4株番茄進行觀測，每個植株按照上、中、下3個部位隨機選擇3個果實進行測定，測定指標包括單果重、可溶性固體物、總酸含量、維生素C含量和糖酸比?？扇苄怨绦挝锊捎萌毡続TAGO公司產的數字折射儀ACT-1E測定；總糖采用斐林滴定法測定；總酸采用NaOH滴定法測定；維生素C采用2，6-二氯靛酚滴定法測定[7，8]。

1.3.2 土壤理化性質 耕層土壤電導率：采用英國DELTA-T公司生產的HH2/WET土壤參數測定儀直接測定，測定位置為暗管正上方；土壤有機質含量：采用K2Cr2O7-H2SO4稀釋熱法測定[9]。

1.3.3 暗管排水工程主要經濟指標 納入暗管排水工程投資概算的計算項目包括人工土方挖填、管道、管道附件、水表、彈簧壓力表、塑料篩網過濾器、疊片過濾器、施肥器、管支墩砌筑（砼）、閘閥井、排水井、安裝費、泵房、閘閥、逆止式封閉閥、水泵及附件、安裝費等，另外也考慮臨時費用和獨立費用。國民經濟內部收益率（EIRR）、經濟凈現值（ENPV）、經濟效益費用比（EBCR）按照《水利建設項目經濟評價規范》（SL72-94）和《建設項目經濟評價方法與參數》進行計算與評價[10]。

1.4 評價指標結構與評價方法

本試驗中暗管布局的考慮因素包括番茄的優質與高產、土壤鹽分的去除、土壤肥力的保持以及建設成本的控制，評價指標結構如圖1所示。采用投影尋蹤分類模型對圖1中的評價指標進行分類計算。投影尋蹤分類模型的實質是利用計算機技術，將復雜的高維數據投影到低維空間，尋求能夠反映原始高維數據結構特征的投影，在低維空間內研究高維數據，從而達到分析和處理高維數據的目的，由于投影尋蹤分類模型在農田水利工程效益評價中的應用已較為成熟，建模方法參考文獻[11-13]。

1.5 數據處理

顯著性分析采用SPSS17.0軟件。

2 結果與分析

2.1 暗管排水對番茄產量和主要品質指標的影響

暗管排水對番茄產量與主要品質指標的影響如圖2所示。從圖2中可看出，T2產量最高，達到142.44 kg/hm2，T3次之，CK最低，僅為115.84 kg/hm2，這可能由于暗管排水降低了土壤鹽分，改善了土壤理化性質，從而間接提高了番茄產量。從主要品質指標來看，各處理番茄可溶性固形物為5.26%～5.81%，其中T4處理番茄可溶性固形物含量顯著高于T2與T3處理（P<0.05）；總酸含量以T2最高，為6.72 g/100 g，CK處理番茄總酸含量最低，并顯著低于其他處理（P<0.05）；各處理維生素C含量為11.54～13.34 mg/100 g，T4處理顯著高于其他處理（P<0.05）；糖酸比的高低可直接體現在番茄果實的口感和風味方面，糖酸比以CK處理最高，達到9.21，T4處理次之，為8.55，T2處理最低，僅為7.94。

由于番茄的產量與品質包含指標數眾多且不同品質指標之間存在聯系，因此給綜合效益的評價帶來一定的困難，本研究選用熵權系數法將產量與品質指標轉化為綜合熵權系數評價值（M1），具體方法參考文獻[14，15]。

依據熵權系數評價法的評價原則，綜合熵權系數評價值越高，番茄產質水平越優，計算結果見表1。從表1中可看出，M1以T2處理最高，達到0.967，T3處理次之，為0.955，這說明T2和T3處理更有利于番茄產量和品質的提高。利用Matlab7.1為表1中的指標建立投影尋蹤分類模型，其中M1、EC下降率與M2為“越大越優”指標，有機質下降率為“越小越優”指標。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0.230 0，最佳投影方向a（j）*=（0.693 0，0.035 6，0.700 4，0.167 1），4個處理的投影值依次為z（i）*=（0.112 4，0.862 0，1.441 3，1.401 3），依據投影值越大綜合效益越優的準則，T3為綜合效益最佳的處理。即采用埋深0.6 m、間距6 m的暗管布局方案可獲得最佳的綜合效益。

為了明確投影值（y）與暗管間距（x1）、埋深（x2）的關系，建立回歸模型如下：y=-2.203x1+0.340x2+0.831，R=0.810。

這說明在本試驗的設計范圍內，暗管間距越小，埋深越深，投影值越大，即綜合效益越優。

2.2 暗管排水對土壤理化性質的影響

圖3與圖4所示分別為土壤EC與有機質含量的動態變化。從圖3、圖4中可看出，隨排水時間的增長，各暗管排水處理土壤鹽分與有機質含量均出現不同程度的下降，而CK處理土壤EC與有機質含量變化并不明顯。不同暗管布局處理中，以T1處理EC與有機質含量下降最為明顯，降幅分別達到35.66%和18.08%，這可能由于T1處理暗管埋設密度比其他處理大，排水更為流暢。試驗結束時，T3與T4土壤EC顯著高于其他暗管處理（P<0.05），而T2、T3與T4處理土壤有機質含量差異并不顯著（P>0.05）。

2.3 暗管排水綜合效益評價及暗管布局優化

表2所示為暗管工程的建設成本（667 m2造價）。從表2中可看出，不同暗管處理的建筑工程費用為1 337.82～1 893.65元，總費用為1 922.22～2 281.67元，EIRR為13.0%～14.6%，ENPV為924.6～1 054.9元，EBCR為1.28～1.42，根據水利工程建設項目經濟評價規范[10]，各暗管處理的建設成本均處于經濟可行范圍之內。與番茄產量與品質指標的處理方法相似，將EIRR、ENPV和EBCR轉化為經濟指標熵權系數綜合評價值（M2），M2越大，說明暗管工程的經濟可行性越優，T3處理M2最大，達到1.000，T4處理次之，T2處理最低，僅為0.888。

3 小結與討論

1）不同暗管布局方案對番茄的產量、品質及土壤的理化性質有不同程度的影響。番茄產量、品質的綜合水平以T2最高，T3次之。土壤EC和有機質含量以T1處理下降最為明顯，降幅分別達到35.66%和18.08%，而CK處理變化并不明顯。

2）以番茄產量品質熵權系數綜合評價值（M1）、EC下降率、有機質下降率及經濟指標熵權系數綜合評價值（M2）為主要因子，經投影尋蹤分類模型計算發現，T3為綜合效益最佳的處理，即采用埋深0.6 m、間距6 m的暗管布局方案可獲得最佳的綜合效益。

3）投影值（y）與暗管間距（x1）、埋深（x2）的回歸模型為y=-2.203x1+0.340x2+0.831，相關系數為0.810。在本試驗設計范圍內，綜合效益（投影值）與暗管間距呈負相關，與暗管埋深呈正相關。

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