基于熵权系数评价模型的烟田灌排工程综合效益分析

王 燕，彭 劼

(1. 正德职业技术学院，南京 210000；2. 河海大学，南京 210098)

烤烟是我国重要的经济作物，合理的灌溉对烤烟产量和品质的提高十分重要[1]。然而，我国部分烟区由于自然降雨量较少，旱情较为严重，如贵州烟区，烤烟生育后期的阶段性干旱严重影响烟叶的落黄成熟，降低了烤烟的产量和品质[2,3]。不仅如此，半干旱烟区的土壤缺乏降雨淋洗，加上连年的烤烟种植，使得土传病虫害和连作障碍也愈发严重[4]。因此，对于灌溉设施落后的烟区，“烟-水”配套工程的建设是当地烟草农业可持续发展的重要手段。

目前，关于烟田的低压管道[5]、微喷灌[6]工程建设已有一些报道，但其对烤烟产量、品质影响的研究还不多见，以“增产、提质、高经济效益”为目的的烟田水利工程方面的研究则更为匮乏。本文主要针对烟区土壤连作障碍、病虫害、灌溉设施落后等问题，设计不同的灌排处理，对不同处理烤烟的增产效益、提质效益和灌排工程的经济效益进行分析，同时以产量、品质和经济效益指标为评价依据，对不同灌排工程方案进行优选和评价，以期为旱区“烟-水”配套工程的建设和烟草农业的可持续发展提供有益参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2014年在江苏省南京市江宁区横溪镇现代农业观光园中进行。试验区每年平均降雨天数约为117 d，年均降雨量为1 106.5 mm，年平均温度和湿度分别为15.7 ℃和81%，年最大风速为19.8 m/s，无霜期约为237 d。试验区土壤种类为黄棕壤，有机质含量为12.97 g/kg，速效氮含量为117.10 mg/kg，速效磷含量17.27 mg/kg，速效钾含量为143.09 mg/kg，pH值为5.66，0～60 cm土壤密度约为1.37 g/cm3。

1.2 试验设计

试验采用低压管道和微喷灌进行灌溉，采用暗管进行排水。暗管埋深根据试验区地下水位实际情况设为0.8 m，暗管间距设3个不同梯度：4 m、6 m和8 m。以不灌排处理作为对照，共设7个处理，具体如表1所示。

每个处理的面积均为30 m×40 m，处理内设重复，处理之间不设重复。由于面积较小，低压管道干管采用DN90 PE管，按照设计灌溉量每10 d灌溉一次。微喷灌采用固定方式，支管间距2 m，喷头间距1 m，流量 40 L/(h·m)。暗管为塑料波纹管，用无纺布进行包裹处理。不同灌排处理之间采用80 cm的防渗膜，防止水分侧渗。

试验选取烤烟K326为主要材料，采用育苗盘育苗，当幼苗含6片新叶时将其移栽至试验区。试验设计灌溉量为300 mm，烤烟伸根期、旺长期和成熟期灌溉量分别占总灌溉量的30%、40%和30%。各处理施入纯氮90 kg/hm2，K2O 220 kg/hm2，P2O5150 kg/hm2，基肥和追肥按照质量比7∶3施用，其中基肥在移栽前一次性穴施，追肥时间为移栽后1个月。

表1 试验设计

1.3 测定项目与方法

1.3.1烤烟品质

烤烟成熟时，每个处理随机选取6株烟株，取成熟中部叶测定烟叶主要化学成分。测定前烟叶需经过充分烘干、碾磨并混合均匀。测定指标包括烟碱、总氮、还原糖、氯等，采用连续流动分析仪进行测定。测定标准参照YC/T 159-2002、YC/T 160-2002和YC/T 161-2002。

1.3.2烤烟产量

烤烟成熟时，取烤烟叶部，将其置入烘箱，105 ℃杀青后70 ℃烘干至恒重，测产。按照单株平均烟叶干重计。

1.3.3灌排工程经济效益

按照13.33 hm2的烟田面积进行灌排工程的成本预算，并按下述公式计算灌排工程主要经济效益指标[6]。

(1)国民经济内部收益率按以下公式计算：

式中：EIRR为国民经济内部收益率，%；B为年效益，元；C为年费用，元；(B-C)t为第t年的净效益，元；n为计算期，a；t为计算期各年的序号，基准点序号为0。

(2)经济净现值按以下公式计算：

式中：ENPV为经济净现值，元；is为社会折现率。

(3)经济效益费用比按以下公式计算：

式中：EBCR为经济效益费用比；Bt为第t年的效益，元；Ct为第t年的费用，元。

1.4 数据处理

显著性分析与烤烟品质的主成分分析采用SPSS 17.0软件，熵权系数评价模型的编程采用Matlab 7.1软件。

2 结果与分析

2.1 不同灌排处理下烤烟的品质

表2所示为烤烟品质指标及适宜范围，适宜范围由国家烟草专卖局制定，制定依据为烟叶化学成分的协调性和感官质量[7]。表2中可看出，烟碱、总氮和钾含量总体上与暗管间距呈负相关，这可能由于暗管间距小的处理排水量较大，降低了土壤水分储量，提高了烟碱、总氮和钾的浓度；而还原糖、糖碱比、氮碱比和钾氯比与暗管布局之间的联系并不明显。

表2 烤烟品质指标及适宜范围

由于烤烟品质是一个复杂的概念，包含指标众多且部分指标之间有所关联，故客观评估烤烟的综合品质十分重要。本文采用主成分分析法对表2中的指标进行主成分提取，提取时遵循“特征值大于1，累积贡献率大于80%”的原则[8,9]。提取后的烤烟品质综合主成分列入表3。品质综合主成分值越大，表明烤烟综合品质越优。由此可见，本试验设计条件下，W5处理烟叶综合品质最优，其次为W4处理，而W1处理烟叶综合品质最差。此外，从表3中还可看出，微喷灌处理烤烟综合品质总体要优于低压管道。

2.2 不同灌排处理下烤烟的产量

不同灌排处理下的烤烟产量如表3所示。表3中可看出，相比对照处理CK，不同灌排处理均具备显著(P<0.05)的增产效益，然而，不同灌排处理之间的差异并不十分明显。不同处理以W5产量最高，达到158.17 g/株；W6次之，为150.28 g/株；W1最低，仅为132.66 g/株，且显著(P<0.05)低于W5和W6。总体来看，微喷灌处理烤烟的产量处于较优水平。

2.3 灌排工程的经济效益分析

纳入建设成本的项目包括管道工程、临时费用和独立费用，按照《南京市建设工程造价信息》(2014-09)计算。其中管道工程包括：泵房基础建设、混凝土支墩、土方挖填、PE给水管、DN160×9.5 PE给水管、DN90×5.4 PE给水管、塑料波纹管、无纺布、喷灌带、喷头、塑料给水栓、叠片式过滤器、水表、排气阀、安全阀、泄水阀、管道附件、管道安装费(按照管道费用的15%计)、水泵机组和闸阀。临时费用包括：施工供电、供水、用房、排水和其他临时费用(前4项的之和的1%计)。独立费用包括：工程测量费、工程设计费、建设单位管理费、工程监理费、生产及管理单位准备费、安全施工费，工程保险费、工程质量检测费。计算结果列入表3。

在计算经济效益时，灌排工程年均运行所花费用按照总造价的5%计算，增产量按照不同灌排工程与对照处理产量差值计算，年均工程节工效益按照10%用工数×用工单价(按60 元/工计)计算(平原地区一季烤烟用工数约为30工)。将所得EIRR、ENPV和EBCR列入表3。表3中可看出，除了W1，不同灌排工程均具备较好的经济效益，不同工程方案以W5经济效益最优，EIRR、ENPV和EBCR值分别达到27.80%、2 894.35元和2.04。

表3 灌排工程方案综合效益的评价指标

注：表中同一列数据后不同字母表示在0.05水平上差异显著。

2.4 灌排工程方案的熵权系数评价模型

对表3中灌排工程方案综合效益的评价指标建立熵权系数评价模型，建模方法如下[10,11]。

设灌排工程方案的评价指标为n个，灌排工程方案有m个，m种灌排工程方案对应n个指标的指标值构成评价矩阵为(由于W1无经济可行性，故不作考虑，因此m=5，n=6)：

R=(rij)m×n

(1)

式中：rij为第i种灌排工程方案下第j个指标值。

对于某个指标rj，有信息熵：

第j个指标值的熵值为：

(3)

第j个指标的客观权重为：

(4)

本文充分考虑项目决策者的主观经验，假设项目决策者的主观权重为ω1,ω2,…,ωn，那么将其与客观权重θj(j=1,2,…,n) 相互结合，可得到最终的评价指标权重：

(5)

记矩阵R中每列的最优值为r*j，需要对矩阵中的数据进行标准化处理，r*j的大小因为评价指标性质的不同而不同。评价指标值分为2类：r*j越大，指标越优，称为收益性指标；r*j越小，指标越优，称为损失性指标。本文中除了建设成本为损失性指标外，其余指标均为收益性指标。整理得：

(6)

不同灌排工程方案的综合评价系数熵权评价值λi可表示为：

(7)

分别赋予烤烟品质综合主成分、产量、灌排工程建设成本、EIRR、ENPV、EBCR主观权重0.3、0.3、0.1、0.1、0.1、0.1。所得熵权系数评价值如图1所示。图1中可看出，W5熵权系数评价值最高，达到1.002；W6次之，为0.895；W2处于最低水平，仅为0.730。这说明W5是模型计算所得综合效益最优的灌排工程方案。

3 结 语

根据上述分析，可得以下结论。

(1)除W1外，不同灌排工程均具备较好的增产效益和提质效益，微喷灌工程的增产和提质效益总体要优于低压管道。

(2)W2～W5灌排工程均具备了较好的经济效益，不同工程方案以W5经济效益最优，EIRR、ENPV和EBCR值分别达到27.80%、2 894.35%和2.04。

图1 灌排工程方案的熵权系数评价值

(3)熵权系数评价模型避免了单独使用主观权重或客观权重的局限性，在本文工程方案的优选中取得了较好的应用效果。以烤烟品质综合主成分、产量、灌排工程建设成本、EIRR、ENPV、EBCR为评价指标，优选出综合效益最佳的灌排方案为：微喷灌灌溉结合暗管排水，其中暗管间距为6 m，埋深0.8 m。

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