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摘要：施加生物炭可以在一定程度上提高作物产量及品质已成为国内外专家的共识，非充分灌溉作为一种卓有成效的节水灌溉方式，其在施加生物炭环境下能否取得好的效果难以直接评价。为了综合分析施加生物炭及节水灌溉共同作用，本文根据2015年在湖北宜昌三峡大学气象试验站的水稻节水灌溉试验数据，应用一种基于实数编码加速遗传算法的投影寻踪模型（RAGA-PPC），提出一种新的评判方式。选出作物生长特性的7个指标，按投影函数值对各个指标的贡献大小进行排序，找出对整体评价贡献最大的生长指标；并将不同灌溉、施加生物炭方案进行排序。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；施加生物炭对水稻在常规灌溉以及非充分灌溉下对作物生长都有明显促进作用；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，RAGA-PPC
0引言
生物炭是指有机物，如水稻茎杆、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]，还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[8]等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。由于生物炭对不同作物有一定的增产作用，已经取得国内外研究者的普遍共识，并在农业、环境等领域获得专家的广泛关注[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给出，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，采用一种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。
1基于RAGA的PPC模型简介
1.1 RAGA模型
标准遗传算法(GA)的基因代码编码方式，过程繁琐，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）较大的数可以方便的表示出来。
步骤2：产生初始种群；
步骤3：计算父代群体的适应度；
步骤4：进行选择操作；
步骤5：进行选择操作；
步骤6：交叉操作；
步骤7变异操作；
步骤8：演化迭代，过程中保留一定优秀个体进行加速运算；至此进入步骤1重复进行，以上为基于实数的加速遗传算法（RAGA）的建模过程。
1.2 PPC模型
1、样本
2计算实例
2.1试验区域概况
本试验于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。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1215.6mm。平均气温16.9摄氏度。年平均活动积温5200摄氏度以上。无霜期250～300d，年平均辐射量100.7 ，年平均日照时数1538～1883h。试验为桶栽试验，采用PVC材料圆桶，桶口直径40cm，桶高45cm。试验用土为周边地区农田土壤，属黄棕壤粘性较大，饱和含水率31.13%，PH值约6~7。
2.2试验设计
水稻选用“Y两优6号”杂交稻，于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。当年9月10日收割，生育期共113d。试验分为水分处理、生物炭处理三种处理方式，共设6种方案，三个重复，合计18桶。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。肥料处理使用常规尿素(N)按基肥：蘖肥：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放，折合120 kg/hm2纯钾,90 kg/hm2纯磷。生物炭处理分为施加生物炭(按20 t/hm2施放，记作C20)和不施加生物炭(C0)方案设计详见表1.
表1 盆栽水稻水分管理指标
注: 表中C0代表不施加生物炭,C20代表施加生物炭.水分处理:下限～上限.表中带%的表示无水层,占土壤饱和含水率比例, 所测土壤含水量为土层下0~10 cm范围内.
2.3 RAGA-PPC模型对施加生物炭后水稻生长特征及产量评价
株高是反应水稻生理特性的重要指标也可反应出水分亏缺对水稻的影响；叶面积指数（LAI）和叶绿素含量（SPAD）是反应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应了水稻水分、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）则是农业生产的最高追求不能忽略；灌水量则直接反应了节水灌溉的成果。本次试验选择以上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。试验数据见表2
表2 本次水稻试验数据记录表
2.4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清楚的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。
图2 各方案投影指标直方图
从图中可以看出，施加生物炭的T1、T2、T3三组的投影值分别比不施加生物炭的T4、T5、T6三组高出76.05%、65.98%、78.84%，可以看出施加生物炭对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（8984.42 ）比T2组（8880.03 ）高出1.17%，但是T1组的灌水量（640.48mm）却比T2组（419.05mm）高出52.84%，可见适当的控制灌溉可以促进根系发育，增强根的吸收能力和叶片的合成能力，利于生育期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结语
（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，方案2即施加生物炭并保持土壤水分含量在85%~100%的控制灌溉可作为宜昌地区的最佳水稻种植方式。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66.92%。
（2）生物炭对水稻在常规灌溉以及非充分灌溉下综合评价都有65%~78%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，更准确的反应出各个指标对整体评价的贡献率大小。
（4）本文提到的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。
感谢三峡大学三峡大学农业水土资源可持续利用研究所叶晓思、华信两位同学在试验期间的支持和帮助。
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论文作者:庞宏伟
论文发表刊物:《防护工程》2017年第22期
论文发表时间:2018/1/2
标签：生物论文; 水稻论文; 水分论文; 评价论文; 指标论文; 产量论文; 模型论文; 《防护工程》2017年第22期论文;