CN111027857A - 基于特定要素数据包络分析泡桐养分利用效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于植物养分利用效率评价技术领域，公开了一种基于特定要素数据包络分析泡桐养分利用效率的方法，采用特定要素规模收益不变数据包络模型求得总技术效率，基于特定要素规模收益可变的数据包络模型计算纯技术效率，再由总效率和纯技术效率计算规模效率，三种效率的关系为：TE＝PTE×SE。本发明利用这三种效率来分析土壤总养分利用效率、养分搭配效率和养分规模效率。本发明是在全养分元素利用背景下分析养分利用效率，考虑了非养分元素对养分元素利用效率的影响；本发明得到的影响养分利用效率的关键控制变量，并能给出养分的调整方向和具体的调整量，其评价结果全面而实用，有助于植物的养分的高效利用和环境保护。
Description
技术领域
本发明属于植物养分利用效率评价技术领域，尤其涉及一种基于特定要素数据包络分析泡桐养分利用效率的方法。
背景技术
目前，最接近的现有技术：泡桐是一种生长速度快、用途广泛的树种，我国拥有上千年的泡桐栽培历史，它在林业生产中占有重要地位，研究土壤中的养分转化为泡桐自身的生物量效率和影响因素对于泡桐营林实践和可持续经营具有现实参考意义。一直以来，植物养分利用效率(Nutrient Use Efficiency)受到了国内外学者极大的关注，一般认为养分利用效率大小主要取决于植物种类和生长类型，不同研究者从不同角度、针对不同品种类型对养分利用效率进行定义。Gerloff(1976)认为植物利用每单位营养物质能够固定的二氧化碳量即为养分利用效率；Arets(1996)对单个植株进行研究，提出养分利用效率可以表示为叶片最大净光合量与某一养分元素(主要以N和P为主)的比值。Akinrinde等(2006)研究尼日利亚品种甜玉米在不同土壤下的生长状况，认为养分利用效率可用每单位的甜玉米产量所需要的土壤养分量来表示；Hawkesford(2014)认为养分利用效率是用来衡量植物对土壤中可利用的矿物质营养元素吸收摄取情况，从植物生理角度将养分利用效率定义为每单位营养素含量(或肥料)的产量(生物量)，Nitschke等(2017)在对加拿大北方森林生态系统养分利用效率的研究中，把养分利用效率描述为每单位的土壤养分含量(以N和P为主)能够产生的生物量。国内植物养分利用效率的研究大多沿用国外的方法。李韵珠等(2000)认为植物的土壤养分利用效率是每单位的土壤养分消耗量所对应获得的经济产量；马祥庆等(2000)认为森林生态系统养分利用效率是林木生产出的干物质量所需要的养分含量；刘增文等(2003)认为森林生态系统林木的养分利用效率表示为每一木材成熟后所需要从土壤中摄取的养分数量；盛炜彤等(2004)定义杉木人工林养分利用效率为每单位被利用的养分所能够生产的生物量；吴鹏飞等(2009)从植物细胞水平层次以Ca+为胞内信号研究人工林的养分利用效率，认为养分利用效率等于林木生物量/土壤养分含量；廖育林等(2016)将南方双季稻的土壤养分(以N、P为主)利用效率描述为施肥条件下水稻籽粒产量与不施肥条件下的籽粒产量之差与施肥量的比值。在泡桐养分的研究文献中，丁维新(1994)利用对比分析法研究泡桐叶养分含量受土壤影响，结果表明泡桐叶中P、Fe与K之比和土壤中对应的比值呈显著正相关，卢琦等(1997)研究发现泡桐与小麦间作在一定程度上能积极影响泡桐的生长；朱志文等(2017)通过设置对照组研究湖南省中部泡桐人工林与土壤养分关系，发现西瓜、泡桐间作地的表层土壤养分含量更低，不利泡桐的养分吸收；Tu等(2017)利用最小数据集等方法对湖南省泡桐种植区的土壤质量进行评价，结果显示泡桐与杉木、橘树、油茶间作会造成土壤质量下降。
植物生长过程对养分的吸收利用较为复杂，会受到诸多因素的影响，这也是国内外研究关注的重要问题。20世纪末，Arco等(1991)研究表明植物叶片脱落时间能够显著影响其养分吸收利用效率，一般情况下，叶片凋落时间长的植物对应较低的养分利用效率，另外，植物体内次生代谢过程也会对养分利用效率产生影响，植物通过次生代谢产生其生命活动非必需的有机酸、纤维素、木质素等产物，可为植物体内一系列生化反应提供物质基础，但是这些次生代谢物会在一定程度上降低植物养分利用效率；还有研究认为树木的生长周期会影响其养分吸收，树木年龄越大，其对应的养分利用效率也就越高；邢雪荣等(2000)研究指出土壤中有效养分浓度的大小会显著影响植物的养分利用效率，这是因为植物尽管能够从大气当中获得一部分养分元素(如N与S)，但其生命活动所需养分绝大部分还是得从土壤中获取；Hawkesford(2014)研究指出植物遗传特性差异会显著影响养分利用效率，可通过良种培育改进养分利用效率；同时，土壤养分条件也会对植物养分利用效率产生影响，他认为这是由于各个土壤养分之间存在物理化学属性差异，而且各个养分在植物的功能也有所不同；此外，施肥时间和方法以及栽培方式也对养分利用效率产生显著影响，最后，Bridgeham(1995)、Aerts(1997)、Hawkesford(2014)等人的研究认为环境因素光照、温度、降水、土壤受污染程度也是影响植物养分利用效率的因素。
综上分析发现，现有研究主要从植物体单个养分元素或者生物量(产量)与土壤中各个养分元素比率对养分利用效率进行定义，这种分析方法存在以下明显缺陷：(1)未能分析土壤全养分元素的总利用效率；(2)也未能评价土壤中的养分元素与非养分元素存在密切的相互作用；(3)未能识别影响养分利用效率的关键因素，从而提出合理调控措施。因此，现有养分利用评价技术存在片面性且缺少解决养分效率低的解决方案。
本发明除了能解决上述问题外，还能解决以下问题：(1)分析土壤全养分元素的总利用效率，并把其分解为养分利用规模效率和搭配效率。
(2)可以分析非养分元素对养分元素利用的影响以及对养分效率低问题进行诊断。
解决上述技术问题的难度：传统的单养分分析方法从理论与实践上存在缺陷，主要是面对两大技术障碍：(1)全养分利用效率评价必须克服不同养分总功能问题，从土壤养分利用系统而言，系统总的功能不是单要素功能的简单相加，应该从土壤系统的养分投入与林木的经济与生态服务产出两个方面进行系统评价。
(2)理论成果应用于实际经营中缺乏指导性，因为单要素评价结果只能提供土壤某项养分改良措施，没能考虑养分平衡问题，因而技术推广效果有限。
解决上述技术问题的意义：
本发明的理论意义在于突破土壤养分投入产出系统的集成评价问题，实践意义在于提供实用的营养均衡施肥措施，为林业高产增效提供指导。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于特定要素数据包络分析泡桐养分利用效率的方法。
植物利用养分元素包括两个阶段：养分在植物体内吸收及分配阶段、养分在植物体内生理化学转化阶段，植物养分元素利用效率测算养分吸收与分配效率。本发明是基于一种基于特定要素数据包络分析泡桐养分利用效率的方法实现的。具体包括：分别使用投入角度的规模收益不变、规模收益可变特定要素DEA模型进行养分在植物体内吸收及分配阶段、养分在植物体内生理化学转化阶段的分析，以及进行植物养分元素利用效率测算、养分吸收与分配效率的分析。
进一步，分别使用投入导向(Input-oriented)的规模收益不变(CRS)、规模收益可变(VRS)的特定要素DEA模型，该模型核心算法如式(1)和式(2)所示。
(1)特定要素规模收益不变(CRS)DEA模型：
subject to
λj≥0 j＝1,2,...,n. (1)
(2)特定要素规模收益可变(VRS)DEA模型：
subjectto
λj≥0 j＝1,2,...,n. (2)
式(1)和式(2)中的θ为该决策单元DMUj的有效值，ε为非阿基米德无穷小量，通常取10-6，
和
分别为各投入、产出的松弛变量，λj表示DMUj的线性组合系数。
进一步，采用特定要素CRS数据包络模型求得总技术效率(TE)，基于特定要素VRS数据包络模型计算纯技术效率(PTE)，再由总效率和纯技术效率计算规模效率(SE)，并把它们分别命名为总的养分利用效率、养分搭配效率和养分规模效率，三种效率的关系为：
TE＝PTE×SE (3)
进一步，植物养分元素利用控制量的测定，利用特定要素DEA模型的投影优化方法，通过计算现状投入量与目标投入量(efficient targets)的差额获得，公式如下：
式(4)中，
和
分别为优化后的投入、产出值，θ*为该决策单元DMUj的最优效率值，
和
分别为各投入、产出的最优松弛变量。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于特定要素数据包络分析泡桐养分利用效率方法的信息数据处理终端。
本发明的第三个目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于特定要素数据包络分析泡桐养分利用效率的方法。
本发明的第四个目的在于提供一种实现所述基于特定要素数据包络分析泡桐养分利用效率控制系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明提供的一种基于特定要素数据包络分析泡桐养分利用效率的方法，采用特定要素数据包络模型计算养分利用效率，是在全要素背景下分析养分利用效率，考虑了非养分元素对养分利用效率的影响；同时，不需要选择植物生长函数，也不需要进行参数估计，得到影响养分利用效率的关键控制变量，从而指出养分的调整方向并能给出具体的调整量，评价结果全面而实用，有助于植物的养分的高效利用和环境保护。
附图说明
图1是本发明实施例提供的养分元素及利用过程流程图。
图2是本发明实施例提供的全养分利用效率及其分解过程流程图。
图3是本发明实施例提供的研究区及样地位置效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
单个养分元素分析具有片面性，未能分析全养分元素的利用效率。未能分析养分规模效率、搭配效率和总效率；未能分析非养分元素对养分元素利用的影响；未能诊断养分效率低的原因。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于特定要素数据包络分析泡桐养分利用效率的方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明实施例提供的基于特定要素数据包络分析泡桐养分利用效率的方法中，植物利用养分元素包括两个阶段：养分在植物体内吸收及分配阶段、养分在植物体内生理化学转化阶段。植物养分元素利用效率测算养分吸收与分配效率。
具体包括：分别使用投入角度的规模收益不变、规模收益可变特定要素DEA模型进行养分在植物体内吸收及分配阶段、养分在植物体内生理化学转化阶段的分析，以及进行植物养分元素利用效率测算和养分吸收与分配效率的分析。
下面结合具体实例对本发明作进一步描述。
1、养分元素及利用过程
土壤养分元素被植物吸收利用与转化过程是植物养分利用效率评价的理论支撑，植物利用养分元素包括两个阶段：(1)养分在植物体内吸收及分配阶段；(2)养分在植物体内生理化学转化阶段。测算植物养分元素利用效率、养分吸收与分配效率过程如附图1所示。
2、土壤全养分效率、规模效率和搭配效率评价
本发明分别使用特定要素投入导向(Input-oriented)的CCR和BCC模型，该模型是根据投入角度的DEA模型改进而来，其核心算法如公式(1)和公式(2)所示。
(1)特定要素规模收益不变(CRS)DEA模型：
subject to
λj≥0 j＝1,2,...,n. (1)
(2)特定要素规模收益可变(VRS)DEA模型：
subjectto
λj≥0 j＝1,2,...,n. (2)
式(1)和式(2)中的θ为该决策单元DMUj的有效值，ε为非阿基米德无穷小量，通常取10-6，
和
分别为各投入、产出的松弛变量，λj表示DMUj的线性组合系数。
如附图2所示，本发明采用特定要素CRS数据包络模型求得总技术效率(TE)，基于特定要素VRS数据包络模型计算纯技术效率(PTE)，再由总效率和纯技术效率计算规模效率(SE)，并把它们分别命名为总的养分利用效率、养分搭配效率和养分规模效率，三种效率的关系为：
TE＝PTE×SE (3)
3、养分利用效率影响因素诊断和调控
本发明利用DEA投影分析方法来测定泡桐养分元素最佳使用量，利用特定要素DEA模型的投影优化方法，通过计算现状投入量与目标投入量(efficient target)的差额获得，公式如下：
式(4)中，
和
分别为优化后的投入、产出值，θ*为该决策单元DMUj的最优效率值，
和
分别为各投入、产出的最优松弛变量。
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例：湖南主要泡桐林养分利用效率测定
第一步研究区及其土壤采样
研究区位于湖南省邵阳、攸县、湘阴、茶陵、浏阳5县市，东经111°23′06"-113°51′59"E、北纬26°52′22″-28°32′39″N之间，属亚热带季风气候，年平均日照时数为1300-1800h、年平均气温在15-18℃之间、年平均降水量1200-1700mm,主要土壤类型为第四纪红壤，富铝化、偏酸性(附图3)。
土壤样品在20米×20米泡桐样地中采集，土层深度在0-20厘米并以“W”形路径取得，每一种土壤样品根据不同的泡桐种植间作类型重复进行9次随机采样；为使得所取的土壤样品更具有代表性，不在过湿、过干以及被严重压实的土壤区采样，采样后把样品带回实验室置于阴凉处风干，将其研磨，并进行2mm、1mm以及0.149mm的过筛，最后将样品存放在玻璃瓶中备用。
第二步 土壤指标选择及测定
土壤属性指标包括物理、养分、生理三个方面，共计25项，土壤属性及泡桐生长各项指标测定方法如下：
(1)物理指标：土壤容重(BD)、总孔隙率(TOP)使用环刀取土法测定；坡向(Slope)由一个地理罗盘测出、坡地法计算土壤厚度(ST)。
(2)养分指标：用凯氏定氮法测定总氮含量(TN)，用酸度计法测土壤pH值，反射测量法测定硝态氮(Nitrate-N)，消解法测定全钾含量(TK)，全磷含量(TP)利用一个离散化学分析仪，通过消解法测出，速效钾(AK)通过Mehlich3、焰色反应法测出，有机质(SOM)用重铬酸盐湿法燃烧法和可见分光光度测出，用钠饱和法测出阳离子交换量(CEC)，有效硼(AB)用热水提取法测出，有效硫(AS)用磷酸钙溶液法测出，有效磷(mg/kg)、有效镁(AMg)、有效铜(ACu)、有效锌(AZn)、有效铁(AFe)、有效钙(ACa)利用Mehlich3法，离散化学分析仪测出。
(3)生理指标：脲酶(Urease)由氨释放法测出，β-葡萄糖苷(BG)、酸性磷酸酶(ACP)由硝基苯基葡糖苷释放法测出，脱氢酶(DH)由对硝基苯磷酸酯释放法测出。
(4)泡桐枝、叶、干和根的主要养分元素含量。
(5)泡桐生长指标：包括泡桐的胸径(DBH)和树高(TH)，在立木平均密度为4m×4m的标准地块中通过激光测距法测量泡桐的胸径和树高。
为了分析土壤质量对植物生长影响的显著性，首先进行因素的方差分析，结果如表1所示。
表1土壤对植物生长影响的显著性分析
表1显示，大部分指标的显著性(sig)值小于0.01，检验结果达到极显著程度，说明土壤质量对植物生长具有明显的影响。
第三步 泡桐林养分利用效率测算
下面结合3-6-9-12年生泡桐土壤养分与非养分元素和生长数据对本发明作进一步描述。
为了使实施例操作过程简单易于实现，以下仅以湘阴、攸县和茶陵的样地为例，土壤的养分元素只分析N、P、K三大主要元素(Nitrate_N，硝态氮；AP，速效磷；AK，速效钾)，非养分元素包括土壤生化指标和物理指标两大类，其中，生化指标只考虑土壤的脱氢酶、脲酶、pH值、阳离子交换量等，物理指标只分析土壤容重、总孔隙度等指标。
利用以上公式(1)、(2)和(3)可以分别求解泡桐养分利用总效率、技术效率和规模效率，结果如表2所示。
(1)泡桐总养分利用效率及其分解
表2泡桐养分利用效率及其分解
注：1-9#样地位于湘阴，为泡桐与油菜间作，1年生；10-18#样地位于攸县，为纯林，3年生；19-27#样地位于茶陵，为纯林，9年生；28-36#样地位于攸县、为泡桐橘树间作，12年生。
(2)最佳养分效率调控目标
利用公式(4)可以得出各个样地的N、P、K元素最佳含量值(表3)
表3最佳养分含量指标
注：1-9#样地位于湘阴，为泡桐与油菜间作，1年生；10-18#样地位于攸县，为纯林，3年生；19-27#样地位于茶陵，为纯林，9年生；28-36#样地位于攸县、为泡桐橘树间作，12年生。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于特定要素数据包络分析泡桐养分利用效率的方法，其特征在于，所述基于特定要素数据包络分析泡桐养分利用效率的方法包括：分别使用投入角度的规模收益不变、规模收益可变特定要素DEA模型进行养分吸收及在植物体内分配阶段、养分在植物体内生理化学转化阶段的分析以及进行植物养分元素利用效率测算、养分吸收与分配效率的分析。
2.如权利要求1所述的基于特定要素数据包络分析泡桐养分利用效率的方法，其特征在于，所述投入角度的规模收益不变、规模收益可变特定要素DEA模型包括：
特定要素规模收益不变DEA模型：
subject to
λj≥0 j＝1,2,...,n
特定要素规模收益可变DEA模型：
subject to
λj≥0 j＝1,2,...,n
式中,θ为该决策单元DMUj的有效值，ε为非阿基米德无穷小量，通常取10-6，
和
分别为各投入、产出的松弛变量，λj表示DMUj的线性组合系数。
3.如权利要求1所述的基于特定要素数据包络分析泡桐养分利用效率的方法，其特征在于，采用特定要素CCR数据包络模型求得总技术效率，基于特定要素BCC模型计算纯技术效率，再由总效率和纯技术效率计算规模效率，并分别定义为总的养分利用效率、养分搭配效率和养分规模效率，相互关系为：
TE＝PTE×SE。
4.如权利要求1所述的基于特定要素数据包络分析泡桐养分利用效率的方法，其特征在于，进行植物养分元素利用效率测算中，利用特定要素DEA模型的投影优化方法，诊断养分利用关键因素，计算现状投入量与目标投入量的差额，公式如下：
式中，
和
分别为优化后的投入、产出值，θ*为该决策单元DMUj的最优效率值，
和
分别为各投入、产出的最优松弛变量。
5.一种实现权利要求1～4任意一项所述基于特定要素数据包络分析泡桐养分利用效率的方法的信息数据处理终端。
6.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-4任意一项所述的基于特定要素数据包络分析泡桐养分利用效率的方法。
7.一种实现权利要求1～4任意一项所述基于特定要素数据包络分析方法的泡桐养分利用效率控制系统。
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