基于熵权系数评价模型的白茶节水灌溉模式研究

陈 康，王会全,2，陈竞楠

(1.福建农业职业技术学院园艺园林学院，福建 福清 350000；2. 福建农林大学园艺学院，福建 福州 350000)

白茶外形细秀，鲜爽甘醇，香高持久，是中国的六大茶类之一[1,2]。在我国，白茶主要产区包括福建福鼎、政和蕉城天山、松溪和云南景谷等地。优质白茶主产区常在丘陵地区，随着白茶及其制品需求量日益增加，相应的白茶栽培面积也不断扩大，不少丘陵地区出现过度开垦的情况，水土流失严重，威胁下游生态环境。

众多影响因素中，灌溉水是土壤渗漏和地表径流损失的关键驱动因子，同时灌溉水分也对茶树生长发育和茶叶产量品质有直接影响[3,4]。然而，现阶段茶区节水灌溉总体上停留在工程建设层面，缺乏不同节水灌溉模式优劣的比较试验，不同灌溉制度对茶叶产量及其综合效益的影响研究则更为匮乏。本研究设计喷灌和滴灌2种灌溉方式及3种不同灌溉制度，分析不同节水灌溉模式对白茶生长发育和产量形成的影响，探讨不同节水灌溉模式对应的实际工程的经济效益，构建指标体系和熵权系数评价模型，优选白茶节水灌溉模式，以期为相似茶区水利工程建设提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验区位于福建省福鼎市磻溪镇，属于中亚热带季风气候区，海洋性季风气候明显，四季分明，雨量适宜。试验区多年平均降雨量1 578 mm，年平均温度18.5℃，相对湿度80%，无霜期227天。试验茶叶品种为12年生白茶树，土壤为典型福建地区红壤土，pH 5.6，土壤容重1.42 g/cm3，孔隙度45.3%，有机质含量2.1%，速效氮含量42 mg/kg，速效磷含量11.4 mg/kg，速效钾含量58 mg/kg。

1.2 试验设计

试验时间为2018年7月-2019年6月，试验区总面积0.4 hm2。试验设计喷灌和滴灌2种节水灌溉方式，及65%、75%和85%共3种相对土壤含水率的灌水下限，即共有6个处理，每个处理占地15 m×15 m，各处理均重复3次。喷灌选用PY130型喷头，压力0.25 MPa。滴灌管选择滴头滴灌管，滴头间距30 cm，内径8 mm，滴灌工作压力0.25 MPa。滴灌和喷灌的干管均沿丘陵等高线布置，支管垂直于干管，毛管与支管垂直并双向输水。水分传感器埋于茶树主根区即40 cm土层深度。白茶于3月底陆续采摘。试验期间滴灌处理累积灌水量分别为93、109和165 mm，喷灌处理灌水量为102，121和188 mm。

1.3 测定指标与计算方法

百芽重：每个处理随机抽取20株茶树，每株茶树随机收集5个新梢(1芽3叶)，共100个新梢，称其重量。叶面积指数：采用LAI-2200(美国LI-COR)测定，每个处理随机选择5个测量点，在每个点上均测定一次白茶叶面积指数，以5次测量结果的均值作为最终结果。干重和鲜重：将叶片置入烘箱，105 ℃杀青半小时后，烘干至恒重(约9 h)后称量，鲜重直接测定，用于计算产量。产值：按照实际收购单价和产量计算。灌溉水利用效率：为产量与实际灌水量的比值。

按照《喷灌与微灌工程技术管理规程》国家标准和福建省水利厅《福建省水利工程造价信息(2019)》对不同节水灌溉工程进行规划和概预算。纳入工程建设造价的内容包括建筑工程、机电与金属结构、临时费用和独立费用。其中建筑工程包括土方挖填、管材、管道附件、弹簧压力表、过滤器、排水井、安装费等；机电与金属结构包括法兰闸阀、逆止阀、水泵及安装费等；临时费用包括建筑工程临时用水用电和临时建筑费用；独立费用包括建设单位管理费、工程监理费、设计测量费、工程保险费和安全生产费等。节水灌溉工程属于农田水利工程，因此按照《水利建设项目经济评价规范》( SL72-1994) 和《建设项目经济评价方法与参数》对不同工程进行国民经济评价，计算国民经济内部收益率(EIRR)、经济净现值(ENPV)和经济效益费用比(EBCR)[5]。

1.4 数据分析

数据分析采用SPSS17.0软件，依据Duncan’s multiple range test进行显著性分析[6]。

2 结果与分析

2.1 不同节水灌溉模式对白茶生长的影响

表1所示为不同灌溉模式对番茄生长的影响。表中可看出，白茶百芽重随灌水下限的提高成增长趋势，以喷灌条件下85%下限白茶百芽重最高，达到58.1 g；滴灌条件下65%水分控制下限白茶百芽重最低，仅为50.0 g，显著(p<0.05)低于喷灌条件下85%下限处理。不同灌溉模式下叶面积指数位于3.59～4.25，其中喷灌下85%、75%及滴灌下85%白茶叶面积指数处于较高水平，三者间差异并不显著(p>0.05)。另外，喷灌模式下85%控水下限白茶干重为0.19 g，显著(p<0.05)高于大多数其他处理。从芽叶颜色看，不同处理之间存在特征差异，其中滴灌模式下65%控水下限芽叶呈黄绿(夹红)，而滴灌模式下85%和喷灌模式下85%、75%控水下限芽叶颜色呈绿色。

研究表明，水分的亏缺会对叶片生理代谢和光合过程产生直接影响，同时对气孔开闭和植株生长有间接影响，最终导致叶面积的降低[3,4]。此外，低灌水量降低了茶树叶片水势和叶绿素含量[7]。这些研究解释了低控水下限下叶面积指数降低和芽叶发暗的现象。吴瑞普[8]的研究成果表明，微喷灌改善了茶树光合特性，使茶树的新梢数量、芽叶数量和重量均有所提高，这与本研究的发现一致。

表1 不同灌溉方式下白茶生长指标

注：同一列不同字母表示在P<0.05水平差异显著。

2.2 不同节水灌溉模式对应建设工程的经济效益分析

图1所示为不同节水灌溉模式对应建设工程的经济效益参数及其值。不同节水灌溉模式下经济效益参数的差异主要源于产值差异，图中可看出，所有灌溉模式EIRR>12%、ENPV>0和EBCR>1，均满足《建设项目经济评价方法与参数》的经济可行性要求。其中，喷灌模式下85%控水下限经济参数最优，EIRR、ENPV和EBCR分别为22.9%、3.24 万元和1.73，这表明喷灌工程下85%控水下限的工程经济性最优。

图1 不同节水灌溉模式对应实际工程的经济效益参数

2.3 白茶节水灌溉模式优选

2.3.1 指标体系

综合考虑产值、工程经济效益及资源利用效率等因素，本研究选择产量、产值、国民经济内部收益率和灌溉水利用效率为主要评价指标，如表2所示。表2中可看出，不同灌溉模式均以喷灌的产量和产值优于滴灌，这可能由于喷灌消除了根际土壤水分饱和区，使得茶树根系通气性更好，为茶树高产奠定了基础。相同灌溉方式下，提升灌溉水量使滴灌条件下产量提升54.7～65.0 kg/hm2，使喷灌条件下产量提升67.0～121.1 kg/hm2。灌溉水利用效率随灌溉水量的增加呈下降趋势，喷灌和滴灌模式均以65%控水下限最高，达到0.39 kg/m3。

表2 白茶节水灌溉模式优选的评价指标与指标值

2.3.2 评价模型建立

农田水利方案评价往往涉及多目标、多指标的情况，需借助成熟的统计学工具协助方案决策[9,10]。本试验利用熵权系数评价模型对不同节水灌溉模式进行优选。设本研究中的节水灌溉模式的评价指标共有n个，节水灌溉模式有m种。本试验中的评价指标包括产量、产值、EIRR和灌溉水利用效率共4项指标，节水灌溉模式共6种，所以n=4，m=6。所以用m种节水灌溉模式对应n个不同指标可以得到如下评价矩阵[11-13]：

R=(rij)m×n

式中：rij为第i种节水灌溉模式下第j个指标值。对于某个指标rj，存在信息熵：

第j个指标值的熵值按下式计算：

第j个指标的客观权重按下式计算：

不同节水灌溉模式的综合效益熵权评价值λi可通过如下公式计算：

2.3.3 计算结果

本研究中所有指标均为收益性指标。此外，本研究主要考虑经济效益和资源利用效率，为了防止主观经验给决策造成不利影响，本研究将4个指标的主观权重均设置为0.25。计算所得不同节水灌溉模式综合效益熵权系数评价值如图2所示。依据熵权系数评价值越高，节水灌溉模式综合效益越有的原则，本研究中喷灌条件下75%控水下限综合效益最优，熵权系数评价值达到0.96；喷灌条件下85%控水下限综合效益为次优，达到0.91；而滴灌条件下65%控水下限综合效益最差，仅为0.73。

图2 不同节水灌溉模式综合效益熵权系数评价值

3 结 论

根据上述分析，可得以下结论：

(1)不同节水灌溉模式对白茶生长指标的影响存在一定差异，喷灌下85%控水下限处理白茶百芽重、叶面积指数和干重处于最高水平。

(2)相同灌溉方式下，提升控水下限使滴灌条件下白茶产量提升2.4%～17.7%，使喷灌条件下产量提升16.7%～30.2%。

(3)熵权系数评价模型计算结果表明，喷灌条件下75%控水下限综合效益最优，熵权系数评价值达到0.96。该灌溉模式下，白茶产量为468.6 kg/hm2，产值为252.4 万元/hm2，节水灌溉工程建设的国民经济内部收益率为22.3%，灌溉水利用效率为0.387 kg/m3。