庞红伟
摘要 利用基于实数编码加速遗传算法的投影寻踪模型,根据实测试验数据,评价生物炭对节水灌溉水稻生长的影响。选出反映作物生长特性的株高、LAI、产量、有效分蘖、水分利用效率、灌水量及叶绿素含量等7项指标,按投影函数值对各个指标的贡献大小进行排序,并对各项试验方案进行排序。结果表明,株高及产量对整体评价贡献最大,叶绿素含量则最小;在常规灌溉以及非充分灌溉条件下施加生物炭对水稻生长都有明显促进作用;本试验条件下,施加生物炭并保持土壤水分含量在85%~100%的灌溉方案为最佳灌溉方案。
关键词 生物炭;综合评价模型;实数编码加速遗传算法;投影寻踪模型
中图分类号 S511 文献标识码 A 文章编号 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,如水稻茎秆、玉米秸秆等,在完全或部分缺氧条件下,经过小于700 ℃高温裂解后产生的一类含碳量高、高芬香、高稳定的有机物 [1]。大量研究表明,在水稻生产中向土里施加生物炭不仅能增加水稻生育前期根系的主根长,提高水稻根系总吸收面积和活跃吸收面积[2],而且能改善土壤的理化性质[3-5],提高水分及肥料利用率[6-7]。杨放等[8]采用室内土柱淋滤试验发现,在干旱区盐碱土中施加生物炭可以提高土壤的持续供氮能力,其原因在于总氮和硝态氮淋失显著减低,而且存在于土壤中的时间也有所延长。生物炭对不同作物均有一定的增产作用已经成为国内外研究者的共识,在农业、环境等领域获得广泛关注[9-11]。但是,如何评价施加生物炭后对作物生长特征及产量的影响尚未解决。传统的评价方法因为缺乏系统的评价标准,其评价系数一般多是凭专家的经验,容易造成较大误差乃至反常的结果[12]。灰色综合评价方法虽然在一定程度上加入了客观评价,但仍无法摆脱主观因素的干扰[13]。因此,采用基于实码加速遗传的投影寻踪模型(RAGA-PPC),以高维数据降维并寻找最优投影方向的方式来评价不同的施加生物炭的节水灌溉方案,以期得到更为客观、真实的评价结果,优选合适的灌溉方案。
1 基于实数编码加速遗传算法(RAGA)的投影寻踪模型(PPC)
1.1 RAGA模型[14]标准遗传算法(GA)的基因代码编码方式,过程烦琐,精度有限,计算量大。同时,其结果进化过程缓慢,有时还容易陷入局部最优解中 ,全局收缩性能较差。基于实数编码的加速遗传算法(RAGA)则克服了以上缺点,并且具有以下优点:①较高精度的算子;②综合了经典优化算法与遗传算法的优点;③更加方便的设计有针对性的遗传算子;④更大的搜索空间;⑤较大的数可以方便地表示出来。
1.2 PPC模型[15]投影寻踪模型(Projection Pursuit Classification,PPC)是一种把高维数据投影至低维空间,并在低维空间反应高维数据结构特征的一种数学模型。其建模基本思路为:首先将各生长指标进行降维处理,进而得到投影方向的一个极大值。最后计算出投影值,投影值越大表明该模式越优秀。
2 生物炭施加对节水灌溉稻作生长影响的RAGA-PPC模型的实例分析
2.1 试验区域概况
试验于2015年在三峡大学校内气象站内进行。宜昌处于中亚热带和北亚热带的交界处,具有四季分明、水热同季、寒旱同季的亚热带季风性湿润气候特征。多年平均降水量1 215.6 mm。平均气温16.9 ℃。年平均活动积温5 200 ℃以上。无霜期250~300 d,年平均辐射量421.52 kJ/cm2,年平均日照时数1 538~1 883 h。试验采用桶栽,使用PVC材料圆桶,桶口直径40 cm,桶高45 cm。试验用土为周边地区农田土壤,属黄棕壤黏性较大,饱和含水率31.13%,pH为6~7。
2.2 试验材料 水稻选用“Y两优6号”杂交稻。
生物炭由江苏溧竹环保科技有限公司生产,原材料为水稻秸秆,生物炭为粉状,试验前过2 mm的筛,混掺入土。
2.3 试验设计
2015年5月20日选择长势相同的秧苗,以每桶3穴,每穴2株规格进行插秧。2015年9月10日收割,生育期共113 d。试验设水分、生物炭2个因子。其中水分处理分为常规灌溉A和控制灌溉B、C。模式A除分蘖末期晒田和黄熟落干以外,其余各生育时期均保持10~30 mm的水层,灌溉模式B和C除返青期保留10~30 mm的水层以外,其余各时期均不保持水层,水分达到灌溉下限时开始灌水。
生物炭处理分为施加生物炭(按20 t/hm2施入,记作C20)和不施加生物炭(C0)。随机区组排列,共计6个处理,3次重复,共18桶,方案设计见表1。肥料处理使用常规尿素(N)按m(基肥)∶m(蘖肥)∶m(穗肥)=5∶3∶2混合,基肥3.01 g/桶,蘖肥1.81 g/桶,穗肥1.20 g/桶,折合纯氮220 kg/hm2。钾肥和磷肥作为基肥一次施入,折合120 kg/hm2纯钾,90 kg/hm2纯磷。
2.4 RAGA-PPC模型对施加生物炭后水稻生长特征及产量评价
株高是反映水稻生理特性的重要指标,也可反映水分亏缺对水稻的影响;叶面积指数(LAI)和叶绿素含量(SPAD)是反映水稻光合作用效率的重要指标之一;有效分蘖所占百分比反映水稻水分、养料的应用效率,也是影响作物产量的指标之一;产量是农业生产的最终目的;灌溉水分利用效率(water use ecciciency,WUE)高则是农业生产的最高追求不能忽略;灌水量则直接反映节水灌溉的成果。该次试验选择以上7种指标,其中除灌水量越小越优外,其余6种指标均越大越优。试验结果见表2。
RAGA参数为:种群数目400、交叉概率0.8,变异概率0.2,优秀个体20,加速100次。得出最大投影指标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),将a*(j)带入z(i)=pj=1a(j)x(i,j)(i=1,2,…,n),求得各种种植方案的投影值z*(j)=(1.919,2.001,0.854,1.090,1.212,0.477)。
2.5 RAGA-PPC模型评价结果
最佳投影方向的评价指标如图1所示,将其按从大到小排列可以看出各个指标对水稻节水灌溉综合评价的贡献率大小。其中株高对整体的影响最大,其次为理论产量、有效分蘖、叶面积指数,然后是灌溉水分利用效率和灌水量,对整体影响最小的指标为叶绿素含量。指标的评价与目前水稻节水灌溉注重在产量影响不大的情况下,促进作物生长、减少营养器官冗余生长、进一步提高灌溉水分利用效率的主流思想相吻合。
将各方案投影值按从大到小排列依次为:T2、T1、T5、T4、T3、T6,可见第2组即施加生物炭并以B方式控制灌溉的评价最好,而不施加生物炭并以C方式控制灌溉的评价最差。各方案的投影值如图2所示。
从图2可以看出,施加生物炭的T1、T2、T3 3组的投影值分别比不施加生物炭的T4、T5、T6 3组高出76.05%、65.98%、78.84%,施加生物炭對水稻在常规灌溉以及非充分灌溉下都有十分明显的好处。对比T1、T2、T3可以发现,施加生物炭情况下保持土壤水分含量在85%~100%的T2组投影值最好,其次为常规灌溉的T1组,最后为保持水分含量75%~100%的T3组。通过对比其各指标可以发现,虽然T1组的产量(8 984.42 kg/hm2)比T2组(8 880.03 kg/hm2)高出1.18%,但是T1组的灌水量(640.48 mm)却比T2组(419.05 mm)高出52.84%,可见适当控制灌溉可以促进根系发育,增强根的吸收能力和叶片的光合能力,利于吸收更多的水分和养分,在保障产量基本不变的情况下大量节约用水。
3 结论与讨论
能否客观、真实地评价生物炭对作物生长特征及产量的影响是关系到生物炭技术在农业生产中大面积推广应用的重要问题。然而,由于缺乏系统的评价标准,现有的评价方法其评价系数多是凭专家的经验,容易造成较大误差乃至反常的结果。一定程度上加入客观评价的灰色综合评价方法,事实上仍然受到主观因素的干扰。基于实码加速遗传的投影寻踪模型,通过高维数据并寻找最优投影方向的方式,最大程度地避免了主观因素的干扰,评价结果更为客观、准确。利用RAGA-PPC模型对2015年水稻灌溉试验进行评价,得出以下几点结论:
(1)基于RAGA的PPC模型对施加生物炭后水稻节水灌溉的评价表明,T2处理即施加生物炭并保持土壤水分含量在85%~100%的控制灌溉可作为最佳水稻种植方式。产量和水分利用率分别比不施加生物炭充分灌溉方案提高10.54%和66.85%。
(2)生物炭对水稻在常规灌溉以及非充分灌溉下综合评价有65%~79%的提升,平均为73.62%。表明生物炭在水稻生长方面具有十分重要的潜力及促进作用。
(3)实践证明,基于实数编码的加速遗传算法(RAGA)的投影寻踪分类模型(PPC)在水稻施加生物炭后节水灌溉的方案评价中,可以将水稻生长过程中的多个指标通过降维形成最优评价指标,对各个方案做出综合评价。与其他方法相比,避免了专家赋权的人为干扰,更准确地反映出各个指标对整体评价的贡献率大小。
(4)该研究提到的RAGA-PPC模型具有高鲁棒性,对于关系不明显的、模糊的高维数据可以较为方便的评判,分类。
(5)叶绿素是水稻生长的重要指标,而该研究认为在评价中贡献最小,究其原因可能与节水灌溉技术本身有关。在株高、LAI及叶绿素含量等7项指标中,现有研究证明除了叶绿素外,其余6项指标受灌溉水量影响较为明显,而叶绿素含量则受影响较小。因此,在进行整体评价时,叶绿素含量贡献最小。
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