膜下滴灌水氮耦合對烤煙綜合效益的影響

邢貞相，高 月，劉美鑫，付 強

(1.東北農業大學水利與建筑學院，哈爾濱 150030；2.農業部農業水資源高效利用重點實驗室，哈爾濱 150030)

作為一種高效節水的灌溉方式，膜下滴管是結合滴灌技術和覆膜種植技術，在顯著降低課件蒸發、節約水資源的同時，通過滴灌水分的淋洗作用，抑制鹽分向耕層土壤遷移，以改善土壤水熱狀況，給作物根系營造一個良好的生長環境[1,2]。Mukherjee A[3]認為膜下滴灌能大幅提高水分利用效率(IWUE)，并增加作物產量；Ngouajio M[4]的研究結果表明，膜下滴灌在節約了20%水資源的前提下，提高作物產量約8%～15%；胡曉棠[5]認為膜下滴灌作為局部灌溉技術，具有土壤濕潤區小、灌水頻繁等特點，而地膜覆蓋可使土壤增溫和保溫，可提高土壤水分的有效運動；張振華[6]的試驗結果表明，膜下滴灌條件下作物根系層處于較好的水熱條件下，有利于作物根系的生長發育。鑒于上述優勢，目前很多農作物的生產中都采用膜下滴灌技術[7-11]，獲得很多成果。

貴州省是我國煙草大省，自20世紀30年代末開始就在貴州大面積推廣，至今已有近80年歷史。貴州煙區的雨量雖然充沛，但是降雨通常集中在烤煙生長的前期和中期，后期會出現階段性的干旱現象，影響烤煙上部葉正常成熟，使烤煙上部葉的質量和可用性大大降低。縱觀近年來烤煙節水灌溉的基礎研究，主要偏重于發掘能夠對高產優質煙葉生產產生積極影響的節水灌溉方案，對于研究成果在我國主要煙區應用和推廣缺乏一定的可行性分析。因此，充分認識烤煙需水規律，尋找適合貴州煙區使用的烤煙節水灌溉制度至關重要。本文一方面以基礎研究為主，確定適合貴州煙區優質煙葉生產的膜下滴灌制度；另一方面著眼于成果推廣和生產實踐，計算并分析膜下滴灌工程建設的成本和效益，引入主成分分析模型與熵權系數法評價模型，旨在對多種滴灌方案進行科學的評價和優選。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2013年3-8月在貴州省畢節市進行。畢節市受北亞熱帶季風氣候影響，平均溫度在10～15 ℃，年日照數在1 096～1 769 h，無霜期245～290 d，年均降水量為849～1 399 mm。試驗區土壤品種為黃棕壤，速效氮含量為94.32 mg/kg，速效磷含量為18.88 mg/kg，速效鉀含量為179.98 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗在若干小區中進行，小區以田埂為界，上方安裝防雨棚，以隔絕自然降水。每個小區的面積均為(4×0.8)m2，栽煙(烤煙K326)4株，行距與株距均為0.8 m。為防止滴灌水分側滲，各試驗小區之間用0.6 m深的防滲膜隔開。試驗設3種灌溉量，3種施氮量，共設10個水氮處理，其中對照處理CK的設計主要依據貴州煙區傳統的溝灌供水及施氮方式。每個處理重復3次，如表1所示。基于前人研究經驗[12]，本試驗灌水按照烤煙伸根期，旺長期，成熟期的灌水量分別占總灌水量的30%、40%和30%進行分配，每個生育期灌溉10次；施肥按照基肥∶追肥=7∶3施用，除施氮量不同外，各處理鉀肥和磷肥用量一致，分別為P2O5150 kg/hm2，K2O 200 kg/hm2。基肥在烤煙移栽前一次性穴施，追肥時間為移栽后30 d，把各處理烤煙專用無機肥的用量折算成純氮量施入蒸滲儀土壤中。

1.3 測定項目與方法

(1)干物質量。采用烘干稱重法，烤煙煙葉成熟時，把植株分別按根、莖、葉分開，75 ℃烘干后，再進行稱重，75 ℃烘至恒溫并稱重，并據此計算烤煙產量。

(2)烤煙品質。每個處理選3株烤煙，烘烤每株成熟充分的中部煙葉，烘干后碾磨并混合至均勻，待測。測定煙堿，還原糖，總氮等煙葉化學成分：運用連續流動法測定[13]，并采用連續流動分析儀，參照標準為YC/T 159-2002(中華人民共和國煙草行業標準，2002a)，YC/T 160-2002(中華人民共和國煙草行業標準，2002b)與YC/T 161-2002(中華人民共和國煙草行業標準，2002c)。

表1 試驗設計Tab.1 Test design

(3)灌溉水利用效率。以每單位灌溉水所獲得烤煙產量計算，kg/m3。

(4)棵間蒸發量。采用內徑100 mm，深350 mm，壁厚1.0 mm的粗口徑PVC管微型蒸滲儀，將其埋于大蒸滲儀正中央，土面保持齊平，以保證微蒸滲儀內水分變化規律、土溫與大蒸滲儀內一致。稱重后計算重量差。在滴灌時，將滴灌水量折算后灌入蒸滲儀內。測定結果用以計算節水效益。

Ea=W1-W2-I

(1)

式中：Ea為棵間蒸發量；W1為起始蒸滲儀重；W2為稱重時蒸滲儀重；I為換算后微蒸滲儀內的灌溉水量。

當灌溉量很大時，則：

Ea=W2+I-W1

(2)

(5)國民經濟內部收益率、經濟凈現值、經濟效益費用比。國民經濟內部收益率EIRR、經濟凈現值ENPV、經濟效益費用比EBCR均按照《水利建設項目經濟評價規范》(SL72-94)和《建設項目經濟評價方法與參數》進行計算與評價。

國民經濟內部收益率的計算公式如下：

(3)

式中：EIRR為國民經濟內部收益率，%；B為國民經濟效益流量，元；C為年費用，元；(B-C)t為第t年的國民經濟凈效益流量，元；n為計算期,a；t為計算期，從0計起。

經濟凈現值的計算公式如下：

(4)

式中：ENPV為經濟凈現值，元；is為社會折現率。

經濟效益費用比的計算公式如下：

(5)

式中：EBCR為經濟效益費用比；Bt為第t年的效益，元；Ct為第t年的費用，元。

2 結果與分析

2.1 烤煙品質指標的主成分分析

表2所示為各處理烤煙品質指標值；表3所示為烤煙化學成分指標及其適宜的范圍，該評價指標是由國家煙草專賣局根據煙葉化學成分的協調性對感官質量的影響而制定[14]。表2中可看出，相同灌溉量條件下，烤煙葉片中的煙堿含量與總氮含量總體與施氮量呈正相關關系，這一結果也充分印證和補充了張迪[15]等人的研究成果。施氮量對還原糖含量影響較大，高氮處理T7和T8處于較低水平，低氮處理T1與T3還原糖含量顯著高于其他處理(P<0.05)。而本試驗中煙葉鉀含量、糖堿比、氮堿比和鉀氯比與灌溉量及施氮量的關系并不明顯。

表2 各處理烤煙品質Tab.2 The treatment of flue-cured tobacco quality

注：表2中a，b，c等字母表示同一列同一測定項目在P0.05水平上的統計顯著性。

表3 烤煙化學成分指標及其適宜范圍Tab.3 Chemical components of flue-cured tobacco and its appropriate range

基于特征值大于1，累積貢獻率大于80%的原則對表2中烤煙主要化學成分指標進行主成分提取[16]，由于表3最適宜的烤煙化學成分指標為區間指標，需要對表2中的指標作一些變換。假設最優取值為區間的最中心值，那么離中心值近的實測值所代表的指標越好，即 |實際值-中心值| 越小越好[17]。這樣，評價指標可用新的表達方式，如下：煙堿*=|實際值-25|、總氮*=|實際值-22.5|、還原糖*=|實際值-200|、糖堿比*=|實際值-9|、氮堿比*=|實際值-1|。對變換后的指標，采用SPSS14.0對其進行主成分分析計算，特征向量、特征值、貢獻率rc與累計貢獻率rT如表4所示。第1個主成分f1主要反映了煙堿含量X1，總氮含量X2、還原糖含量X3、糖堿比X5和氮堿比X6的變異信息，第2個主成分f2反映了鉀含量X4和氯鉀比X7的變異信息，累積方差貢獻率達83.023%，保留了大量的原始信息。計算所得品質綜合主成分如表6所示，品質綜合主成分值越高，說明烤煙綜合品質越優，本試驗以T5綜合主成分值最高，達到2.592，說明400 mm灌溉量及6 g/株施氮量更有利于烤煙養分的平衡吸收。

表4 主要主成分系數與貢獻率Tab.4 Main principal component coefficient and the rate of contribution

2.2 經濟效益評價指標的計算

按照《貴州省建設工程造價信息》(2013年第12期)對膜下滴灌工程進行成本預算。考慮因素包括建筑工程，機電與金屬結構，臨時費用及獨立費用。方便成本估計，將計算結果折合為每667 m2造價，如表5所示。

表5 項目投資概算計算結果 元

烤煙收購價按照《關于2013年煙葉收購價格政策的通知》(2012-3923)計。3種灌溉水平下的節水效益按照86.4、121.6、181.3 mm計算(即小蒸滲儀測定的棵間蒸發量)。工程投入使用后，預計可節省勞力3工(一般每公頃煙田一季烤煙栽培需用工450～525)，每工50元，節工2 250元/(hm2·a)。項目年運行費(取項目總投資的5%)。計算可得EIRR、ENPV、EBCR值，與烤煙品質綜合主成分M、產量、灌溉水利用效率IWUE一并列入表6。表6中可看出，T2～T9處理經濟效益指標均處于適宜水平；而T1處理經濟效益不佳，ENPV出現負值，EBCR<1，這可能因為T1處理增產效應較差(由于T1處理經濟可行性較差，在評價不同水氮耦合方案綜合效益時不考慮T1)。

2.3 不同滴灌方案熵權系數法評價建模

試驗采用熵權系數法[18]對表6中不同水氮耦合方案進行優選，設膜下滴灌條件下烤煙水氮耦合方案的評價指標為n個，水氮耦合方案有m種，m種水氮耦合方案對應n個指標的指標值構成評價矩陣為(本試驗中n=6，m=8)：

R=(rij)m×n (6)

式中：rij為第i種水氮耦合方案下第j個指標值。

對于某個指標rj，有信息熵：

(8)

第j個指標值的熵值為：

(9)

第j個指標的客觀權重為：

(11)

試驗也考慮決策者的主觀判斷經驗，將決策者的主觀權重ω1,ω2,…,ωn與客觀權重θj(j=1,2,…,n) 相互結合可得最終的指標權重為(以高產、優質、節水、經濟為主要目的，本文依次賦予烤煙品質綜合主成分、產量、灌溉水利用效率、EIRR、ENPV、EBCR主觀權重0.20、0.20、0.20、0.133、0.133、0.133)：

(12)

記為r*j代表矩陣R中每列的最優值，對矩陣中的各元素進行標準化處理，r*j的大小由于不同的評價指標性質而有所差異。評價指標值分為兩類[19]：r*j越大越優，即收益性指標；r*j越小越優，即損失性指標。整理得：

(13)

各種滴灌模式的綜合評價系數熵權評價值λi可表示為：

(14)

根據烤煙品質綜合主成分、產量、灌溉水利用效率及主要經濟效益指標，確定8種滴灌處理的綜合評價系數熵權評價值，如圖1所示。

圖1 8種滴灌處理熵權評價值Fig.1 Eight kinds of entropy evaluation of drip irrigation

以烤煙品質綜合主成分、產量、灌溉水利用效率和工程建設的EIRR、ENPV、EBCR為評價指標，經計算得熵權信息綜合權重αj為0.456 8，0.015 8，0.237 8，0.037 2，0.238 5，0.013 9。在綜合上述6項指標的情況下，熵權評價值越大說明該膜下滴灌條件下水氮耦合方案越優，因此對8種滴灌設計的優劣排序依次為：T5，T6，T9，T4，T2，T3，T8，T7。從綜合評價結果可知，T5為膜下滴灌條件下最優水氮耦合方案，T6次之，最差的處理為T7。

3 結 語

(1)在生產優質煙的過程中，煙葉的可用性尤為重要，因此在設計節水灌溉時應充分考慮到烤煙的品質。主成分分析過程中，將烤煙的多個主要品質指標轉化為烤煙品質綜合評價指標，可較好地反映不同滴灌模式下烤煙的品質水平。

(2)膜下滴灌工程建設的經濟可行性分析，決定基礎研究成果是否可以被推廣和接受。對不同處理滴灌工程進行國民經濟評價，并引入熵權系數法，同時使用客觀權重和主觀權重，避免了僅使用單一權重的片面性，提高評價結果的可靠性。

(3)以烤煙品質綜合主成分，產量，水分生產效率，滴灌工程建設的國民經濟內部收益率，經濟凈現值，經濟效益費用比為評價指標，計算膜下滴灌條件下不同水氮耦合方案的熵權系數評價值，確定T5為最優方案，T6次之，最差的處理為T7。即伸根期、旺長期、成熟期滴灌量12、16、12 mm，施氮量75 kg/hm2可作為貴州煙區膜下滴灌工程烤煙優質高產的水氮耦合方案。

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