基于熵權(quán)系數(shù)評價模型的煙田灌排工程綜合效益分析

王 燕，彭 劼

(1. 正德職業(yè)技術(shù)學院，南京 210000；2. 河海大學，南京 210098)

烤煙是我國重要的經(jīng)濟作物，合理的灌溉對烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)的提高十分重要[1]。然而，我國部分煙區(qū)由于自然降雨量較少，旱情較為嚴重，如貴州煙區(qū)，烤煙生育后期的階段性干旱嚴重影響煙葉的落黃成熟，降低了烤煙的產(chǎn)量和品質(zhì)[2,3]。不僅如此，半干旱煙區(qū)的土壤缺乏降雨淋洗，加上連年的烤煙種植，使得土傳病蟲害和連作障礙也愈發(fā)嚴重[4]。因此，對于灌溉設(shè)施落后的煙區(qū)，“煙-水”配套工程的建設(shè)是當?shù)責煵蒉r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。

目前，關(guān)于煙田的低壓管道[5]、微噴灌[6]工程建設(shè)已有一些報道，但其對烤煙產(chǎn)量、品質(zhì)影響的研究還不多見，以“增產(chǎn)、提質(zhì)、高經(jīng)濟效益”為目的的煙田水利工程方面的研究則更為匱乏。本文主要針對煙區(qū)土壤連作障礙、病蟲害、灌溉設(shè)施落后等問題，設(shè)計不同的灌排處理，對不同處理烤煙的增產(chǎn)效益、提質(zhì)效益和灌排工程的經(jīng)濟效益進行分析，同時以產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟效益指標為評價依據(jù)，對不同灌排工程方案進行優(yōu)選和評價，以期為旱區(qū)“煙-水”配套工程的建設(shè)和煙草農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2014年在江蘇省南京市江寧區(qū)橫溪鎮(zhèn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)觀光園中進行。試驗區(qū)每年平均降雨天數(shù)約為117 d，年均降雨量為1 106.5 mm，年平均溫度和濕度分別為15.7 ℃和81%，年最大風速為19.8 m/s，無霜期約為237 d。試驗區(qū)土壤種類為黃棕壤，有機質(zhì)含量為12.97 g/kg，速效氮含量為117.10 mg/kg，速效磷含量17.27 mg/kg，速效鉀含量為143.09 mg/kg，pH值為5.66，0～60 cm土壤密度約為1.37 g/cm3。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用低壓管道和微噴灌進行灌溉，采用暗管進行排水。暗管埋深根據(jù)試驗區(qū)地下水位實際情況設(shè)為0.8 m，暗管間距設(shè)3個不同梯度：4 m、6 m和8 m。以不灌排處理作為對照，共設(shè)7個處理，具體如表1所示。

每個處理的面積均為30 m×40 m，處理內(nèi)設(shè)重復，處理之間不設(shè)重復。由于面積較小，低壓管道干管采用DN90 PE管，按照設(shè)計灌溉量每10 d灌溉一次。微噴灌采用固定方式，支管間距2 m，噴頭間距1 m，流量 40 L/(h·m)。暗管為塑料波紋管，用無紡布進行包裹處理。不同灌排處理之間采用80 cm的防滲膜，防止水分側(cè)滲。

試驗選取烤煙K326為主要材料，采用育苗盤育苗，當幼苗含6片新葉時將其移栽至試驗區(qū)。試驗設(shè)計灌溉量為300 mm，烤煙伸根期、旺長期和成熟期灌溉量分別占總灌溉量的30%、40%和30%。各處理施入純氮90 kg/hm2，K2O 220 kg/hm2，P2O5150 kg/hm2，基肥和追肥按照質(zhì)量比7∶3施用，其中基肥在移栽前一次性穴施，追肥時間為移栽后1個月。

表1 試驗設(shè)計

1.3 測定項目與方法

1.3.1烤煙品質(zhì)

烤煙成熟時，每個處理隨機選取6株煙株，取成熟中部葉測定煙葉主要化學成分。測定前煙葉需經(jīng)過充分烘干、碾磨并混合均勻。測定指標包括煙堿、總氮、還原糖、氯等，采用連續(xù)流動分析儀進行測定。測定標準參照YC/T 159-2002、YC/T 160-2002和YC/T 161-2002。

1.3.2烤煙產(chǎn)量

烤煙成熟時，取烤煙葉部，將其置入烘箱，105 ℃殺青后70 ℃烘干至恒重，測產(chǎn)。按照單株平均煙葉干重計。

1.3.3灌排工程經(jīng)濟效益

按照13.33 hm2的煙田面積進行灌排工程的成本預算，并按下述公式計算灌排工程主要經(jīng)濟效益指標[6]。

(1)國民經(jīng)濟內(nèi)部收益率按以下公式計算：

式中：EIRR為國民經(jīng)濟內(nèi)部收益率，%；B為年效益，元；C為年費用，元；(B-C)t為第t年的凈效益，元；n為計算期，a；t為計算期各年的序號，基準點序號為0。

(2)經(jīng)濟凈現(xiàn)值按以下公式計算：

式中：ENPV為經(jīng)濟凈現(xiàn)值，元；is為社會折現(xiàn)率。

(3)經(jīng)濟效益費用比按以下公式計算：

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

1.4 數(shù)據(jù)處理

顯著性分析與烤煙品質(zhì)的主成分分析采用SPSS 17.0軟件，熵權(quán)系數(shù)評價模型的編程采用Matlab 7.1軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌排處理下烤煙的品質(zhì)

表2所示為烤煙品質(zhì)指標及適宜范圍，適宜范圍由國家煙草專賣局制定，制定依據(jù)為煙葉化學成分的協(xié)調(diào)性和感官質(zhì)量[7]。表2中可看出，煙堿、總氮和鉀含量總體上與暗管間距呈負相關(guān)，這可能由于暗管間距小的處理排水量較大，降低了土壤水分儲量，提高了煙堿、總氮和鉀的濃度；而還原糖、糖堿比、氮堿比和鉀氯比與暗管布局之間的聯(lián)系并不明顯。

表2 烤煙品質(zhì)指標及適宜范圍

由于烤煙品質(zhì)是一個復雜的概念，包含指標眾多且部分指標之間有所關(guān)聯(lián)，故客觀評估烤煙的綜合品質(zhì)十分重要。本文采用主成分分析法對表2中的指標進行主成分提取，提取時遵循“特征值大于1，累積貢獻率大于80%”的原則[8,9]。提取后的烤煙品質(zhì)綜合主成分列入表3。品質(zhì)綜合主成分值越大，表明烤煙綜合品質(zhì)越優(yōu)。由此可見，本試驗設(shè)計條件下，W5處理煙葉綜合品質(zhì)最優(yōu)，其次為W4處理，而W1處理煙葉綜合品質(zhì)最差。此外，從表3中還可看出，微噴灌處理烤煙綜合品質(zhì)總體要優(yōu)于低壓管道。

2.2 不同灌排處理下烤煙的產(chǎn)量

不同灌排處理下的烤煙產(chǎn)量如表3所示。表3中可看出，相比對照處理CK，不同灌排處理均具備顯著(P<0.05)的增產(chǎn)效益，然而，不同灌排處理之間的差異并不十分明顯。不同處理以W5產(chǎn)量最高，達到158.17 g/株；W6次之，為150.28 g/株；W1最低，僅為132.66 g/株，且顯著(P<0.05)低于W5和W6。總體來看，微噴灌處理烤煙的產(chǎn)量處于較優(yōu)水平。

2.3 灌排工程的經(jīng)濟效益分析

納入建設(shè)成本的項目包括管道工程、臨時費用和獨立費用，按照《南京市建設(shè)工程造價信息》(2014-09)計算。其中管道工程包括：泵房基礎(chǔ)建設(shè)、混凝土支墩、土方挖填、PE給水管、DN160×9.5 PE給水管、DN90×5.4 PE給水管、塑料波紋管、無紡布、噴灌帶、噴頭、塑料給水栓、疊片式過濾器、水表、排氣閥、安全閥、泄水閥、管道附件、管道安裝費(按照管道費用的15%計)、水泵機組和閘閥。臨時費用包括：施工供電、供水、用房、排水和其他臨時費用(前4項的之和的1%計)。獨立費用包括：工程測量費、工程設(shè)計費、建設(shè)單位管理費、工程監(jiān)理費、生產(chǎn)及管理單位準備費、安全施工費，工程保險費、工程質(zhì)量檢測費。計算結(jié)果列入表3。

在計算經(jīng)濟效益時，灌排工程年均運行所花費用按照總造價的5%計算，增產(chǎn)量按照不同灌排工程與對照處理產(chǎn)量差值計算，年均工程節(jié)工效益按照10%用工數(shù)×用工單價(按60 元/工計)計算(平原地區(qū)一季烤煙用工數(shù)約為30工)。將所得EIRR、ENPV和EBCR列入表3。表3中可看出，除了W1，不同灌排工程均具備較好的經(jīng)濟效益，不同工程方案以W5經(jīng)濟效益最優(yōu)，EIRR、ENPV和EBCR值分別達到27.80%、2 894.35元和2.04。

表3 灌排工程方案綜合效益的評價指標

注：表中同一列數(shù)據(jù)后不同字母表示在0.05水平上差異顯著。

2.4 灌排工程方案的熵權(quán)系數(shù)評價模型

對表3中灌排工程方案綜合效益的評價指標建立熵權(quán)系數(shù)評價模型，建模方法如下[10,11]。

設(shè)灌排工程方案的評價指標為n個，灌排工程方案有m個，m種灌排工程方案對應(yīng)n個指標的指標值構(gòu)成評價矩陣為(由于W1無經(jīng)濟可行性，故不作考慮，因此m=5，n=6)：

R=(rij)m×n

(1)

式中：rij為第i種灌排工程方案下第j個指標值。

對于某個指標rj，有信息熵：

第j個指標值的熵值為：

(3)

第j個指標的客觀權(quán)重為：

(4)

本文充分考慮項目決策者的主觀經(jīng)驗，假設(shè)項目決策者的主觀權(quán)重為ω1,ω2,…,ωn，那么將其與客觀權(quán)重θj(j=1,2,…,n) 相互結(jié)合，可得到最終的評價指標權(quán)重：

(5)

記矩陣R中每列的最優(yōu)值為r*j，需要對矩陣中的數(shù)據(jù)進行標準化處理，r*j的大小因為評價指標性質(zhì)的不同而不同。評價指標值分為2類：r*j越大，指標越優(yōu)，稱為收益性指標；r*j越小，指標越優(yōu)，稱為損失性指標。本文中除了建設(shè)成本為損失性指標外，其余指標均為收益性指標。整理得：

(6)

不同灌排工程方案的綜合評價系數(shù)熵權(quán)評價值λi可表示為：

(7)

分別賦予烤煙品質(zhì)綜合主成分、產(chǎn)量、灌排工程建設(shè)成本、EIRR、ENPV、EBCR主觀權(quán)重0.3、0.3、0.1、0.1、0.1、0.1。所得熵權(quán)系數(shù)評價值如圖1所示。圖1中可看出，W5熵權(quán)系數(shù)評價值最高，達到1.002；W6次之，為0.895；W2處于最低水平，僅為0.730。這說明W5是模型計算所得綜合效益最優(yōu)的灌排工程方案。

3 結(jié) 語

根據(jù)上述分析，可得以下結(jié)論。

(1)除W1外，不同灌排工程均具備較好的增產(chǎn)效益和提質(zhì)效益，微噴灌工程的增產(chǎn)和提質(zhì)效益總體要優(yōu)于低壓管道。

(2)W2～W5灌排工程均具備了較好的經(jīng)濟效益，不同工程方案以W5經(jīng)濟效益最優(yōu)，EIRR、ENPV和EBCR值分別達到27.80%、2 894.35%和2.04。

圖1 灌排工程方案的熵權(quán)系數(shù)評價值

(3)熵權(quán)系數(shù)評價模型避免了單獨使用主觀權(quán)重或客觀權(quán)重的局限性，在本文工程方案的優(yōu)選中取得了較好的應(yīng)用效果。以烤煙品質(zhì)綜合主成分、產(chǎn)量、灌排工程建設(shè)成本、EIRR、ENPV、EBCR為評價指標，優(yōu)選出綜合效益最佳的灌排方案為：微噴灌灌溉結(jié)合暗管排水，其中暗管間距為6 m，埋深0.8 m。

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