多孔材料埋设对作物生长的影响机理识别方法

技术领域

本发明属于土壤管理技术领域，尤其涉及一种多孔材料埋设对作物生长的影响机理识别方法。

背景技术

农业可持续发展一直是人们关注的焦点问题，当前人们主要研究各种土壤改良剂(如生物炭和保水剂等)对农作物生长发育的促进作用，而土壤改良剂在植物生理生化等方面所起的作用总体上是通过土壤结构-水肥保持-根系吸收-植物生长的脉络实现的。在农田应用领域，由于多孔材料可以调节土壤水分分布，增大土壤蓄水能力，有利于农田土壤作物水分和养分保持。同时多孔纤维材料作为一种孔隙丰富，比表面积大的无机矿物类材料，其自身包含的各种微粒或离子、腐殖质和硅酸盐等有利于土壤团聚体的形成和养分供给，促进作物根系物质吸收。在上述水肥保持的作用下农田土壤生态系统会发生显著改变，例如多孔纤维材料会改变土壤微生物群落组成和结构，以及碳矿化和养分转化等关键土壤过程，提升根部环境的微生物丰度、活性及根系生长机能，同时在作物根区土壤形成水肥耦合区域，而作物根系会往吸水材料方向生长，其水肥吸收能力得到显著提升，增加根系活力甚至引发酶活性、根系分泌物等植物生理特征上的变化，支持植株上部进行光合作用和物质积累，提高植株出苗率和移栽成活率，具有显著的增产效果。综上，前人在关于传统土壤改良剂对农作物生长的影响研究进行了大量探索，获得大量的成果，同时学者已经明确了多孔纤维材料在无土栽培领域促进作物生长的效用，但其在农田农业生产过程中的效果还有待进一步深入探究。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种多孔材料埋设对作物生长的影响机理识别方法，为改善区域土壤改良及作物生长过程，促进农作物增产增收及可持续发展做出探索。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供一种多孔材料埋设对作物生长的影响机理识别方法，包括以下步骤：

S1、搜集文献并进行聚类分析，确定影响作物生长过程中的相关环境因子；

S2、设计并进行野外控制实验，确定相关变量的取值，并监测所述相关环境因子和作物生长指标；

S3、基于监测结果，将各个作物生长指标与环境因子进行主成分分析，确定每个环境因子与每个作物生长指标之间对应的影响程度，累加筛选满足方差阈值的n个重要环境因子；

S4、根据所述重要环境因子，分别建立描述多孔材料埋设对环境因子影响的参数方程；

S5、基于所述参数方程，构建并修改作物生长模型，并以实测产量结果作为标准进行作物生长模型率定处理；

S6、根据经率定后的作物生长模型，输出描述不同多孔材料埋设下土壤周边环境及作物生长过程的结果，并通过因果分析法确定多孔材料对土壤环境因子及最终对作物生长过程的影响，完成多孔材料对作物生长的影响机理识别。

本发明的有益效果是：本发明通过聚类分析和主成分分析法获取在多孔材料埋设下，对作物生长过程具有重要影响的影响因子，通过野外控制实验构建多孔材料相关参数对上述重要影响因子的机理方程，进而构建、修正并率定作物生长模型相关模块，而后利用因果分析法对模型输出结果进行归因分析，从而完成多孔材料埋设对作物生长的影响机理识别方法。为改善区域土壤改良及作物生长过程，促进农作物增产增收及可持续发展做出探索。

进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：

S101、搜索并下载相关文献；

S102、在下载的文献中，以出现频次不小于30次为阈值，对关键词进行耦合聚类分析，并进行可视化处理；

S103、经可视化处理后的关键词，以不同颜色表示聚类后的关键词之间的关联性，筛选影响作物生长过程中的相关环境因子。

上述进一步方案的有益效果是：通过已有文献确定在类似材料布设过程中，可能改变的对作物生长过程存在重要影响的相关指标，为后续实验的设计及相关指标的监测提供理论依据。

再进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：

S201、设计野外田块控制实验，设计变量为多孔材料覆盖面积、嵌入高度和埋设方向；

S202、对所述相关环境因子和作物生长指标进行观测。

上述进一步方案的有益效果是：结合实际利用确定多孔材料布设的相关变量及取值，结合S1步骤确定的相关环境因子，确定实验过程中的观测指标。

再进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：

S301、根据监测结果，利用主成分分析方法对若干个作物生长指标与环境因子进行分析，并利用抽样适合性检验KMO和巴利特利方法进行适用性检验；

S302、基于分析结果以及检验结果，取每个作物生长指标中方差累计大于95％的前k个主成分，将第j个环境因子在第i个作物生长指标中的方差贡献率设为K

上述进一步方案的有益效果是：结合实验结果和主成分分析法，从确定的可能对作物生长过程具有重要影响的m个影响因子，筛选出r个实际存在重大影响的环境因子，明确多孔材料影响作物生长过程的中间变量，为后续机理方程的构建提供支撑。

再进一步地，所述步骤S4中参数方程的表达式如下：

R

其中，X,Y,Z分别表示多孔材料埋设的覆盖面积、高度和方向，R

上述进一步方案的有益效果是：结合步骤S2的实验结果以及步骤S3确定的重要影响因子，分别建立n个多孔材料与重要影响因子的参数化机理方程，为后续模型的修正提供支撑。

再进一步地，所述步骤S5包括以下步骤：

S501、根据所述参数方程，构建并修正作物生长模型的机理方程；

S502、基于修改后的作物生长模型，以作物产量和生物量作为标准对作物生长模型参数进行率定，并以R

上述进一步方案的有益效果是：结合构建的机理方程修正并率定作物生长模型，为后续作物生长过程的描述及结果分析提供数据来源。

再进一步地，所述步骤S6包括以下步骤：

S601、根据经率定后的作物生长模型，输出作物生长过程、相关环境因子、生理生化过程和作物生长关键指标的变化过程；

S602、通过因果分析法确定多孔材料对土壤环境因子及最终对作物生长过程的影响，完成多孔材料对作物生长的影响机理识别

上述进一步方案的有益效果是：通过构建的机理方程输出可以描述整个作物生长过程的数据，利用因果分析法进行归因分析与总结，完成多孔材料对作物生长的影响机理识别方法。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例

如图1所示，本发明提供了一种多孔材料埋设对作物生长的影响机理识别方法，其实现方法如下：

S1、搜集文献并进行聚类分析，确定影响作物生长过程中的相关环境因子，其实现方法如下：

S101、搜索并下载相关文献；

S102、在下载的文献中，以出现频次不小于30次为阈值，对关键词进行耦合聚类分析，并进行可视化处理；

S103、经可视化处理后的关键词，以不同颜色表示聚类后的关键词之间的关联性，筛选影响作物生长过程中的相关环境因子。

本实施例中，通过CNKI、万方、WOS和Elsevier等文献搜索平台，以1900～2020年为时间限制，以“秸秆、生物炭、土壤管理”和作物生长等为关键词，搜索并下载涉及的相关文献。基于S101步骤中搜索的相关文献，以出现频次不小于30次为阈值，利用VOSviewer对各关键词进行耦合聚类分析，并进行可视化处理。基于经可视化处理过后的关键词，以不同颜色表示自动聚类后的各关键词之间的关联性，筛选出对作物生长发育过程可能存在影响的m个关键因素。

S2、设计并进行野外控制实验，确定相关变量的取值，并监测所述相关环境因子和作物生长指标，其实现方法如下：

S201、设计野外田块控制实验，设计变量为多孔材料覆盖面积、嵌入高度和埋设方向；

S202、对所述相关环境因子和作物生长指标进行观测。

本实施例中，设计野外田块控制实验，设计变量为多孔材料覆盖面积(X)，嵌入高度(Y)和布设方向(Z)。具体取值如下所示:多孔纤维材料覆盖面积分别为0(X

S3、基于监测结果，将各个作物生长指标与环境因子进行主成分分析，确定每个环境因子与每个作物生长指标之间对应的影响程度，累加筛选满足方差阈值的n个重要环境因子，其实现方法如下：

S301、根据监测结果，利用主成分分析方法对若干个作物生长指标与环境因子进行分析，并利用抽样适合性检验KMO和巴利特利方法进行适用性检验；

S302、基于分析结果以及检验结果，取每个作物生长指标中方差累计大于95％的前k个主成分，将第j个环境因子在第i个作物生长指标中的方差贡献率设为K

本实施例中，基于的实验观测结果，利用SPSS对n个作物生长指标进行主成分分析，并利用抽样适合性检验KMO和巴利特利方法进行适用性检验。取每个作物生长指标中方差累计贡献率超过95％的前k个主成分，将第j个环境因子在第i个作物生长指标中的方差贡献率设置为K

S4、根据所述重要环境因子，分别建立描述多孔材料埋设对环境因子影响的参数方程；

本实施例中，结合确定的重要影响因子，在多孔材料参数和n个重要影响因子之间建立可以初步描述多孔纤维影响农田环境因子的参数方程。方程如下所示：

R

其中，X,Y,Z分别表示多孔材料埋设的覆盖面积、高度和方向，R

S5、基于所述参数方程，构建并修改作物生长模型，并以实测产量结果作为标准进行作物生长模型率定处理，其实现方法如下：

S501、根据所述参数方程，构建并修正作物生长模型的机理方程；

S502、基于修改后的作物生长模型，以作物产量和生物量作为标准对作物生长模型参数进行率定，并以R

本实施例中，基于确定多孔材料对环境影响因子的参数方程，构建并修正CERES作物生长模型的水热盐分等模块的机理方程。基于经修正过后的模型，以作物产量和生物量作为标准进行模型参数率定，并以R

S6、根据经率定后的作物生长模型，输出描述不同多孔材料埋设下土壤周边环境及作物生长过程的结果，并通过因果分析法确定多孔材料对土壤环境因子及最终对作物生长过程的影响，完成多孔材料对作物生长的影响机理识别，其实现方法如下：

S601、根据经率定后的作物生长模型，输出作物生长过程、相关环境因子、生理生化过程和作物生长关键指标的变化过程；

S602、通过因果分析法确定多孔材料对土壤环境因子及最终对作物生长过程的影响，完成多孔材料对作物生长的影响机理识别。

本实施例中，以建立的作物生长模型输出在作物生长过程，相关环境因子(土壤结构、土壤水分、土壤温度、土壤养分和微生物群落结构等)、生理生化过程(光合呼吸作用)和作物生长关键指标(叶面积、株高、生物量和产量构成等)的变化过程。通过因果分析法确定多孔材料对土壤环境因子及最终对作物生长过程的影响，完成多孔材料对作物生长的影响机理识别方法。