生物炭施加對節水灌溉水稻生長影響的RAGA—PPC模型評價

龐紅偉

摘要 利用基于實數編碼加速遺傳算法的投影尋蹤模型，根據實測試驗數據，評價生物炭對節水灌溉水稻生長的影響。選出反映作物生長特性的株高、LAI、產量、有效分蘗、水分利用效率、灌水量及葉綠素含量等7項指標，按投影函數值對各個指標的貢獻大小進行排序，并對各項試驗方案進行排序。結果表明，株高及產量對整體評價貢獻最大，葉綠素含量則最小；在常規灌溉以及非充分灌溉條件下施加生物炭對水稻生長都有明顯促進作用；本試驗條件下，施加生物炭并保持土壤水分含量在85%～100%的灌溉方案為最佳灌溉方案。

關鍵詞 生物炭；綜合評價模型；實數編碼加速遺傳算法；投影尋蹤模型

中圖分類號 S511 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）25-0024-03

Abstract Based on RAGAPPC， according to experiments data， effects of biochar on the growth of rice in watersaving irrigation paddy was evaluated.Selecting plant height， LAI， yield， effective tiller，WUE，irrigation water and chlorophyll content as representative indicators， sorted the indicators according to the contribution of value of projection function to each indicator， and sorted experiment plans.The results showed that plant height and yield contributed the most to the overall evaluation， chlorophyll content contributed the smallest，applying biochar can promote obviously rice growth under conventional irrigation and insufficient irrigation conditions， the experiment plan with applying biochar and soil water content of 85%-100% was the best in this experiment condition.

Key words Biochar；Comprehensive evaluation model；Real number coding accelerated genetic algorithm；Projection pursuit model

生物炭是指有機物，如水稻莖稈、玉米秸稈等，在完全或部分缺氧條件下，經過小于700 ℃高溫裂解后產生的一類含碳量高、高芬香、高穩定的有機物 [1]。大量研究表明，在水稻生產中向土里施加生物炭不僅能增加水稻生育前期根系的主根長，提高水稻根系總吸收面積和活躍吸收面積[2]，而且能改善土壤的理化性質[3-5]，提高水分及肥料利用率[6-7]。楊放等[8]采用室內土柱淋濾試驗發現，在干旱區鹽堿土中施加生物炭可以提高土壤的持續供氮能力，其原因在于總氮和硝態氮淋失顯著減低，而且存在于土壤中的時間也有所延長。生物炭對不同作物均有一定的增產作用已經成為國內外研究者的共識，在農業、環境等領域獲得廣泛關注[9-11]。但是，如何評價施加生物炭后對作物生長特征及產量的影響尚未解決。傳統的評價方法因為缺乏系統的評價標準，其評價系數一般多是憑專家的經驗，容易造成較大誤差乃至反常的結果[12]。灰色綜合評價方法雖然在一定程度上加入了客觀評價，但仍無法擺脫主觀因素的干擾[13]。因此，采用基于實碼加速遺傳的投影尋蹤模型（RAGA-PPC），以高維數據降維并尋找最優投影方向的方式來評價不同的施加生物炭的節水灌溉方案，以期得到更為客觀、真實的評價結果，優選合適的灌溉方案。

1 基于實數編碼加速遺傳算法（RAGA）的投影尋蹤模型（PPC）

1.1 RAGA模型[14]標準遺傳算法（GA）的基因代碼編碼方式，過程煩瑣，精度有限，計算量大。同時，其結果進化過程緩慢，有時還容易陷入局部最優解中 ，全局收縮性能較差。基于實數編碼的加速遺傳算法（RAGA）則克服了以上缺點，并且具有以下優點：①較高精度的算子；②綜合了經典優化算法與遺傳算法的優點；③更加方便的設計有針對性的遺傳算子；④更大的搜索空間；⑤較大的數可以方便地表示出來。

1.2 PPC模型[15]投影尋蹤模型（Projection Pursuit Classification，PPC）是一種把高維數據投影至低維空間，并在低維空間反應高維數據結構特征的一種數學模型。其建模基本思路為：首先將各生長指標進行降維處理，進而得到投影方向的一個極大值。最后計算出投影值，投影值越大表明該模式越優秀。

2 生物炭施加對節水灌溉稻作生長影響的RAGA-PPC模型的實例分析

2.1 試驗區域概況

試驗于2015年在三峽大學校內氣象站內進行。宜昌處于中亞熱帶和北亞熱帶的交界處，具有四季分明、水熱同季、寒旱同季的亞熱帶季風性濕潤氣候特征。多年平均降水量1 215.6 mm。平均氣溫16.9 ℃。年平均活動積溫5 200 ℃以上。無霜期250～300 d，年平均輻射量421.52 kJ/cm2，年平均日照時數1 538～1 883 h。試驗采用桶栽，使用PVC材料圓桶，桶口直徑40 cm，桶高45 cm。試驗用土為周邊地區農田土壤，屬黃棕壤黏性較大，飽和含水率31.13%，pH為6～7。

2.2 試驗材料 水稻選用“Y兩優6號”雜交稻。

生物炭由江蘇溧竹環保科技有限公司生產，原材料為水稻秸稈，生物炭為粉狀，試驗前過2 mm的篩，混摻入土。

2.3 試驗設計

2015年5月20日選擇長勢相同的秧苗，以每桶3穴，每穴2株規格進行插秧。2015年9月10日收割，生育期共113 d。試驗設水分、生物炭2個因子。其中水分處理分為常規灌溉A和控制灌溉B、C。模式A除分蘗末期曬田和黃熟落干以外，其余各生育時期均保持10～30 mm的水層，灌溉模式B和C除返青期保留10～30 mm的水層以外，其余各時期均不保持水層，水分達到灌溉下限時開始灌水。

生物炭處理分為施加生物炭（按20 t/hm2施入，記作C20）和不施加生物炭（C0）。隨機區組排列，共計6個處理，3次重復，共18桶，方案設計見表1。肥料處理使用常規尿素（N）按m（基肥）∶m（蘗肥）∶m（穗肥）=5∶3∶2混合，基肥3.01 g/桶，蘗肥1.81 g/桶，穗肥1.20 g/桶，折合純氮220 kg/hm2。鉀肥和磷肥作為基肥一次施入，折合120 kg/hm2純鉀，90 kg/hm2純磷。

2.4 RAGA-PPC模型對施加生物炭后水稻生長特征及產量評價

株高是反映水稻生理特性的重要指標，也可反映水分虧缺對水稻的影響；葉面積指數（LAI）和葉綠素含量（SPAD）是反映水稻光合作用效率的重要指標之一；有效分蘗所占百分比反映水稻水分、養料的應用效率，也是影響作物產量的指標之一；產量是農業生產的最終目的；灌溉水分利用效率（water use ecciciency，WUE）高則是農業生產的最高追求不能忽略；灌水量則直接反映節水灌溉的成果。該次試驗選擇以上7種指標，其中除灌水量越小越優外，其余6種指標均越大越優。試驗結果見表2。

RAGA參數為：種群數目400、交叉概率0.8，變異概率0.2，優秀個體20，加速100次。得出最大投影指標0.499 8，最佳投影方向α*=（0.491 6，0.527 2，0.441 5，0.098 6，0.518 8，0.150 3，0.164 0），將a*（j）帶入z（i）=pj=1a（j）x（i，j）（i=1，2，…，n），求得各種種植方案的投影值z*（j）=（1.919，2.001，0.854，1.090，1.212，0.477）。

2.5 RAGA-PPC模型評價結果

最佳投影方向的評價指標如圖1所示，將其按從大到小排列可以看出各個指標對水稻節水灌溉綜合評價的貢獻率大小。其中株高對整體的影響最大，其次為理論產量、有效分蘗、葉面積指數，然后是灌溉水分利用效率和灌水量，對整體影響最小的指標為葉綠素含量。指標的評價與目前水稻節水灌溉注重在產量影響不大的情況下，促進作物生長、減少營養器官冗余生長、進一步提高灌溉水分利用效率的主流思想相吻合。

將各方案投影值按從大到小排列依次為：T2、T1、T5、T4、T3、T6，可見第2組即施加生物炭并以B方式控制灌溉的評價最好，而不施加生物炭并以C方式控制灌溉的評價最差。各方案的投影值如圖2所示。

從圖2可以看出，施加生物炭的T1、T2、T3 3組的投影值分別比不施加生物炭的T4、T5、T6 3組高出76.05%、65.98%、78.84%，施加生物炭對水稻在常規灌溉以及非充分灌溉下都有十分明顯的好處。對比T1、T2、T3可以發現，施加生物炭情況下保持土壤水分含量在85%～100%的T2組投影值最好，其次為常規灌溉的T1組，最后為保持水分含量75%～100%的T3組。通過對比其各指標可以發現，雖然T1組的產量（8 984.42 kg/hm2）比T2組（8 880.03 kg/hm2）高出1.18%，但是T1組的灌水量（640.48 mm）卻比T2組（419.05 mm）高出52.84%，可見適當控制灌溉可以促進根系發育，增強根的吸收能力和葉片的光合能力，利于吸收更多的水分和養分，在保障產量基本不變的情況下大量節約用水。

3 結論與討論

能否客觀、真實地評價生物炭對作物生長特征及產量的影響是關系到生物炭技術在農業生產中大面積推廣應用的重要問題。然而，由于缺乏系統的評價標準，現有的評價方法其評價系數多是憑專家的經驗，容易造成較大誤差乃至反常的結果。一定程度上加入客觀評價的灰色綜合評價方法，事實上仍然受到主觀因素的干擾。基于實碼加速遺傳的投影尋蹤模型，通過高維數據并尋找最優投影方向的方式，最大程度地避免了主觀因素的干擾，評價結果更為客觀、準確。利用RAGA-PPC模型對2015年水稻灌溉試驗進行評價，得出以下幾點結論：

（1）基于RAGA的PPC模型對施加生物炭后水稻節水灌溉的評價表明，T2處理即施加生物炭并保持土壤水分含量在85%～100%的控制灌溉可作為最佳水稻種植方式。產量和水分利用率分別比不施加生物炭充分灌溉方案提高10.54%和66.85%。

（2）生物炭對水稻在常規灌溉以及非充分灌溉下綜合評價有65%～79%的提升，平均為73.62%。表明生物炭在水稻生長方面具有十分重要的潛力及促進作用。

（3）實踐證明，基于實數編碼的加速遺傳算法（RAGA）的投影尋蹤分類模型（PPC）在水稻施加生物炭后節水灌溉的方案評價中，可以將水稻生長過程中的多個指標通過降維形成最優評價指標，對各個方案做出綜合評價。與其他方法相比，避免了專家賦權的人為干擾，更準確地反映出各個指標對整體評價的貢獻率大小。

（4）該研究提到的RAGA-PPC模型具有高魯棒性，對于關系不明顯的、模糊的高維數據可以較為方便的評判，分類。

（5）葉綠素是水稻生長的重要指標，而該研究認為在評價中貢獻最小，究其原因可能與節水灌溉技術本身有關。在株高、LAI及葉綠素含量等7項指標中，現有研究證明除了葉綠素外，其余6項指標受灌溉水量影響較為明顯，而葉綠素含量則受影響較小。因此，在進行整體評價時，葉綠素含量貢獻最小。

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