基于層次分析法-熵權法的中國棉花質量綜合評價與分析

孫魯云 王力

摘要： 提升棉花質量是中國棉花產業高質量發展的內在要求。在構建中國棉花質量綜合評價指標體系的基礎上，采用層次分析法-熵權法對2013-2019年中國棉花主產區的棉花質量進行綜合評價，并運用障礙度模型分析棉花質量的短板指標。結果表明：2013- 2019年，中國棉花質量指數總體呈現上升態勢，平均值為0.662。分棉區看，西北內陸棉區棉花質量指數總體呈上升趨勢，而長江流域棉區和黃河流域棉區的棉花質量指數下降幅度較大。在中國三大棉區中，西北內陸棉區的棉花質量整體優于內地2個棉區。各產棉地區中，甘肅省的棉花整體質量最好，其次是新疆兵團、新疆地方。棉花斷裂比強度和纖維長度是中國棉花優質發展最主要的障礙因素。

關鍵詞： 棉花; 質量; 層次分析法; 熵權法; 區域差異

中圖分類號： S562;F326.12?? 文獻標識碼： A?? 文章編號： 1000-4440（2022）03-0642-08

Comprehensive evaluation and analysis of Chinese cotton quality based on analytic hierarchy process and entropy weight method

SUN Lu-yun 1 ， WANG Li 2

（1.College of Finance and Mathematics， West Anhui University， Lu’an 237012， China; 2.Cotton Economic Research Center， Shihezi University， Shihezi 832003， China）

Abstract： Improving cotton quality is the internal requirement for the high-quality development of cotton industry in China. On the basis of constructing the comprehensive evaluation index system of cotton quality in China， the analytic hierarchy process（AHP） and entropy weight method was used to comprehensively evaluate the cotton quality in the main cotton producing areas in China from 2013 to 2019， and the obstacle degree model was used to analyze the main obstacle indicators of cotton quality. The results indicated that the cotton quality index in China showed an overall upward trend in 2013- 2019， with an average value of 0.662. In terms of cotton areas， the cotton quality index in northwest inland cotton areas generally showed an upward trend， while the cotton quality index in the Yangtze River Basin and the Yellow River Basin decreased significantly. Among the three major cotton regions in China， the overall quality of cotton in the northwest inland cotton region is significantly better than that in the other two major cotton regions. Among the cotton producing areas， the overall quality of cotton in Gansu is the best， followed by Xinjiang Production and Construction Corps and Xinjiang. Cotton breaking strength and fiber length have always been the main obstacles to the development of high-quality cotton in China.

Key words： cotton; quality; analytic hierarchy process; entropy weight method; regional differences

當前，高質量發展已經成為中國農業的主攻方向。2019年2月《國家質量興農戰略規劃（2018-2022年）》 [1] 發布，將優質化作為質量興農戰略的四大基本路徑之一。中國是棉花生產大國，也是棉花消費大國。提升棉花質量是中國棉花產業高質量發展的內在要求 [2-3] 。構建棉花質量綜合評價指標體系，綜合評價中國棉花質量狀況是質量興棉的重要前提，也是實現中國棉花產業高質量發展的重要基礎。然而，現有實踐和研究多采用從不同指標分別描述的方式來反映棉花質量狀況 [4-5] ，缺乏對棉花質量的綜合量化評價。因此，本研究擬通過構建中國棉花質量綜合評價指標體系，對中國棉花主產省份棉花質量水平進行監測，實證分析產棉省份之間、棉花質量指標之間存在的優勢和短板，以期為系統診斷中國棉花質量狀況提供量化依據，為中國棉花提質增效提供有力的決策參考。

1 材料與方法

1.1 層次分析法-熵權法組合賦權

在運用綜合評價指標體系進行評價分析時，一項關鍵的內容就是確定指標權重。確定指標權重的方法分為主觀賦權法和客觀賦權法。主觀賦權法基于評價者的知識和經驗，可解釋性、系統性較強，但存在主觀隨意性較大的不足。客觀賦權法由數據驅動，其基本思路大致為：變異程度越大的指標包含的信息量越大，因而該指標更重要。客觀賦權法能夠避免主觀隨意性，但有時結果可能與實際情況不符，甚至相悖 [6] 。將兩者相結合的組合賦權法，能夠使得評價結果更加科學、有效。本研究基于層次分析法（AHP）-熵權法（IEW）確定各指標權重，進而測量棉花質量指數。層次分析法和熵權法相結合的賦權方式在已有研究中得到很好的運用 [6-8] 。

層次分析法是一種系統化、層次化的分析方法 [9-12] ，核心思想在于通過兩兩比較構建判斷矩陣 [13] 。具體步驟如下：

步驟1：通過兩兩比較構建判斷矩陣 X 。判斷矩陣 X =（ xij? ） n? ×? n? 的元素 xij? 為 i 行指標對 j 列指標的重要性賦值，由相關領域專家根據重要性標度表來確定; n 為評價指標的個數。

步驟2：計算指標權重。將判斷矩陣 X 的各行向量進行幾何平均（公式1），然后做歸一化處理（公式2），得到的行向量即為權重向量。

mi=nxi1 xi2 xi3 …xin? （1）

式中， xin? 為判斷矩陣 X 第 i 行第 n 列的元素; mi? 為判斷矩陣行向量元素的幾何平均值; n 為評價指標的個數。

wi=mi∑ni=1mi （2）

式中， wi? 為第 i 個評價指標的權重; mi? 為判斷矩陣行向量元素的幾何平均值; n 為評價指標的個數。

步驟3：進行一致性檢驗。計算判斷矩陣的最大特征根（公式3），然后對判斷矩陣進行一致性檢驗（公式4和公式5）。

λ max = 1n∑ni=1（Xw）iwi （3）

式中， λ max 為判斷矩陣的最大特征根; w 為權重向量; wi? 為第 i 個評價指標的權重; n 為評價指標的個數。

CI=λ max - nn-1 （4）

式中， CI 為一致性指標; λ max 為判斷矩陣的最大特征根; n 為評價指標的個數。

CR=CIRI （5）

式中， CR 為隨機一致性比率; CI 為一致性指標; RI 為矩陣的平均隨機一致性指標。

當 CR 值小于0.10時，認為一致性較好;當 CR 值不滿足要求時，意味著評價者需要重新作出判斷，調整矩陣，直到滿足一致性要求。

熵權法是一種客觀賦權方法，它基于各指標包含的信息量來確定權重，結果客觀。該方法的核心概念為信息熵，用來反映指標的變異程度。設有 m 個評價對象， n 個評價指標。熵權法的主要步驟如下：

步驟1：采用極差法對各評價指標 Xij? 進行標準化。

當 Xij? 為正向指標時，

Yij =Xij? -min （Xij ） max （Xij ） -min （Xij ） （6）

當 Xij? 為負向指標時，

Yij? =max （Xij ）-Xij? max （Xij ） -min （Xij ） （7）

式中， Xij? 為第 i 個評價對象第 j 個評價指標的數值; Yij? 為標準化后的指標值;max（ Xij? ）和min（ Xij? ）分別表示 Xij? 的最大值和最小值。

步驟2：計算指標比重。

Pij? = Yij? /∑ ni=1? Yij? ， i =1，2，...， n ; j =1，2，...， m （8）

式中， Pij? 為第 i 個評價對象第 j 個指標的指標值比重; Yij? 為標準化后的指標值。

步驟3：計算指標的信息熵。

Ej? =-[ln（ n ）] -1 ×∑ ni=1 [ Pij? ×ln（ Pij? ）]（9）

其中， Ej? 為信息熵; n 為評價指標的個數; Pij? 為第 i 個評價對象第 j 個指標的指標值比重。若 Pij? = 0，則定義lim Pij? →0 Pij? ×ln（ Pij? ）=0。

步驟4：基于熵值計算指標的權重。

Wj =（1-Ej ）/∑mj=1（1-Ej ） （10）

其中， Wj? 為指標 j 的權重; Ej? 為信息熵; m 為評價對象的個數。

運用層次分析法得到主觀權重，運用熵權法得到客觀權重，基于線性加權合成法進行組合賦權，按照公式（11） [14] 進行計算。

wi =αwiAHP +（1-α）wiIEW? （11）

其中， wi? 為組合賦權權重; wiAHP? 為通過層次分析法獲得的主觀權重; wiIEW? 為通過熵權法獲得的客觀權重; α 為主觀權重的系數，0≤? α ≤ 1，具體取值由研究者主觀確定。如戴桂林等 [7] 在評價海洋藥物生物資源可持續利用潛力時，將 α 設定為0.5;李娟等 [6] 在研究發明專利價值評估問題時，將 α 設定為0.6。本研究征詢了10位專家的意見，其中5位專家的意見為 α =0.6，2位專家的意見為 α = 0.7，2位專家的意見為 α = 0.5，1位專家的意見為 α =0.4，綜合專家意見及經驗，確定系數 α 為0.6。

棉花質量指數是在確定各個評價指標權重之后，通過線性加權得出的，計算公式如下：

Q = ∑ni=1wi Yi? （12）

式中， Q 為棉花質量指數; wi? 為組合賦權權重; Yi? 為標準化后的指標值; n 為評價指標的個數。

1.2 指標體系框架

中國棉花國家標準GB 1103.1-2012《棉花 第1部分：鋸齒加工細絨棉》 [15] 從9個方面規定了鋸齒加工細絨棉的質量要求。遵從科學性、全面性、指標可得性原則，本研究選取了6項常用的棉花質量分析指標，包括顏色級、軋工質量、纖維長度、馬克隆值、斷裂比強度、長度整齊度。本研究通過構建棉花質量綜合評價體系（表1），測量棉花質量指數。

作為最重要的內在質量指標之一，纖維長度能夠反映棉花的整體使用價值。棉纖維長度長、整齊度好，則成紗能力高、毛羽少、紗條光澤 [16] 。本研究用細絨棉逐包檢驗的平均長度（加權平均）來反映該指標。馬克隆值能夠綜合反映棉花細度和成熟度，是影響成紗質量的重要因素。棉花的馬克隆值越高，棉花纖維一般越成熟。因此，適中的馬克隆值，意味著棉纖維細度適中，成熟度適中，紡紗性能較好。馬克隆值共分為三級五檔。其中，A級使用價值最好，B級為標準級，C級使用價值較差，本研究采用A級+B級的占比來反映該指標。斷裂比強度能夠反映紗線的成紗強力，斷裂比強度越大，成紗強力越好。本研究以平均斷裂比強度來反映該指標。長度整齊度，即棉纖維長度分布的整齊程度，長度整齊度越高，表明紡紗強力和條干越好。本研究以平均長度整齊度來反映該指標。顏色級是中國棉花國家標準GB 1103.1-2012《棉花 第1部分：鋸齒加工細絨棉》 [15] 引入的棉花質量指標。作為棉花品級的代替指標，顏色級反映了棉花顏色的類型和級別，與纖維長度、馬克隆值等內在物理指標相比，顏色級對棉花的可紡性影響較小 [16] 。本研究以白棉1～3級的占比來反映該指標。軋工質量反映皮棉外觀粗糙程度、所含疵點種類及數量的多少，分為P1（好）、P2（中）、P3（差）3檔，本研究以P1+P2的占比來反映該指標。

1.3 試驗數據

新疆維吾爾自治區的地方與生產建設兵團所生產的棉花因其在品種、生產方式、管理模式等方面存在差異，所以棉花質量各有特點。因此，本研究將新疆維吾爾自治區棉花分為新疆地方棉花和新疆兵團棉花。中國可以劃分為3大棉區：黃河流域棉區、長江流域棉區和西北內陸棉區。其中，黃河流域棉區包括河南省、山東省、河北省、山西省、陜西省、天津市、北京市;長江流域棉區包括湖北省、安徽省、江蘇省、湖南省、四川省、江西省、浙江省、上海市;西北內陸棉區包括甘肅省、新疆自治區（地方、兵團）。本研究選取天津市、河北省、江蘇省、安徽省、山東省、湖北省、湖南省、甘肅省、新疆地方、新疆兵團共10個產棉地區為研究對象，是全國新體制棉花細絨棉公證檢驗涉及的全部產棉區。事實上，本研究選取的10個產棉地區對所在棉區具有很好的代表性。以2019年為例，天津市、河北省、山東省種植棉花面積占黃河流域棉區的90.3%，江蘇省、安徽省、湖北省、湖南省種植棉花面積占長江流域棉區的85.3%。

本研究的考察期為2013-2019年，研究數據來自中國棉花公證檢驗網，各指標的描述性統計結果如表2所示，各個指標的觀測數均為70個。

2 結果與分析

2.1 棉花質量評價指標組合權重的確定

本研究向10位棉花研究領域的專家發放調查問卷，其中3位來自科研院校，4位來自紡織企業，3位來自軋花企業，共收回問卷10份。運用層次分析法計算各指標權重，結果（表3）顯示，各位專家意見的一致性比率均小于0.100，通過一致性檢驗。計算各指標的平均權重，得出最終主觀賦權數值，即：纖維長度、馬克隆值、斷裂比強度、長度整齊度、顏色級、軋工質量的權重分別為0.338、0.164、0.248、0.134、0.053、0.063。

基于2013-2019年10個產棉地區的棉花質量指標數據，運用熵權法計算各指標權重，然后按照公式（11）確定最終組合權重，結果（表4）顯示，主觀賦權和客觀賦權結果存在一定差異。主觀賦權中，權重最大的3項指標為纖維長度、斷裂比強度、馬克隆值，而客觀賦權中，權重最大的3項指標為顏色級、馬克隆值、纖維長度。通過組合賦權，最終組合權重最大的3項指標為纖維長度、斷裂比強度、馬克隆值。

2.2 中國棉花質量評價

表5顯示，2013- 2019年全國棉花質量指數平均值為0.662，總體呈上升態勢，由2013年的0.616增長到2019年的0.706，年均增長2.3%。值得注意的是，2015年全國棉花質量指數為0.584，較上一年下降7.4%。從纖維長度來看，2015年全國棉花平均纖維長度較上年略有下降，馬克隆值下降明顯。2019年全國棉花質量指數為0.706，較2018年下降3.6%，分析各項指標，除了軋工質量較上年有小幅提升，其他5項指標均有不同程度的下降。

在中國三大棉區中，西北內陸棉區的棉花質量整體優于長江流域棉區和黃河流域棉區（圖1）。2013- 2019年，西北內陸棉區棉花質量指數為0.699，長江流域棉區和黃河流域棉區的棉花質量指數分別為0.542和0.526。從總體趨勢上看，西北內陸棉區棉花質量指數總體呈上升趨勢，而長江流域棉區和黃河流域棉區的棉花質量指數下降幅度較大，尤其在2016- 2017年，下降幅度分別為35.0%、15.5%。氣候特點和變化對棉花質量有重要影響 [17] 。2017年，黃河流域東部部分棉區降水偏少，而長江流域棉區強降水頻繁，是兩大棉區棉花質量下降的主要原因。

表6顯示，2013- 2019年各產棉地區中，甘肅省棉花有較大的質量優勢，棉花質量指數總體位列第一，其次是新疆兵團、新疆地方，三者棉花質量指數平均值分別為0.764、0.669、0.663。值得注意的是，甘肅省棉花綜合質量優于新疆維吾爾自治區的棉花，這與通常的認知不太吻合。主要原因如下：第一，中國棉花分為細絨棉和長絨棉，長絨棉優于細絨棉，長絨棉僅在新疆維吾爾自治區有少量種植，新疆維吾爾自治區的長絨棉質量全國領先，但本研究比較的是細絨棉。第二，就細絨棉而言，新疆維吾爾自治區棉花質量的內部變異程度高于甘肅省棉花，即最好的棉花在新疆維吾爾自治區，但平均而言，甘肅省棉花質量最好。以2018年棉花纖維長度指標為例，甘肅省棉花平均纖維長度為29.01 mm，高于新疆維吾爾自治區棉花（28.59 mm）。新疆維吾爾自治區棉花最大纖維長度為36.50 mm，31.00 mm以上占比0.73%，而甘肅省棉花最大纖維長度僅為32.70 mm，31.00 mm以上占比0.28%。第三，甘肅省棉花在斷裂比強度等一些指標上明顯優于新疆維吾爾自治區棉花。第四，近年來新疆維吾爾自治區大力推廣機采棉，機采棉比例達到80%，與傳統的手摘棉相比，機采棉的生產和加工工藝不同，一些配套技術尚未完全成熟，棉花質量的損失程度較大。

2.3 中國棉花質量的短板識別

在對中國棉花質量進行綜合評價的基礎上，運用障礙度分析模型來識別中國棉花質量的障礙因素。障礙度計算公式 [18-19] 如下：

Iij =（1-yij ）×wj ∑mj=1（1-yij ）×wj? （13）

式中， Iij? 為障礙度，反映了單項棉花質量指標對棉花質量指數的障礙程度，障礙度數值越大，表明該指標對棉花優質發展的阻礙作用越大; yij? 為標準化后的指標值;（1- yij? ）為指標偏離度，反映了指標與系統發展目標之間的差距; wj? 為指標貢獻度，反映了單項指標對總目標的貢獻程度。

根據公式（13）計算全國及各棉花產區各質量指標對棉花質量指數的障礙度，并按障礙度大小進行排序。表7顯示，2013- 2019年，對中國棉花優質發展阻礙最大的指標是斷裂比強度（ X 3 ），其次是纖維長度（ X 1 ）和馬克隆值（ X 2 ），三者障礙度均值分別為46.18%、22.66%、11.14%，累計障礙度近80.00%。就全國而言，不同年份的主要障礙因素（排名前三）略有不同，但斷裂比強度（ X 3 ）、纖維長度（ X 1 ）一直是全國棉花優質發展最重要的障礙指標（圖2）。從質量指標障礙度的變化趨勢來看，2013- 2019年，斷裂比強度的障礙度整體先上升，2016年以后穩定在50%左右;纖維長度的障礙度在2013- 2016年總體呈下降態勢，從2013年的34.73%降到2016年的16.41%，之后保持在16.00%左右;其他質量指標的障礙度在小范圍內有波動，但相對斷裂比強度與纖維長度的障礙度而言，基本穩定。

表8顯示，不同地區棉花質量提升的障礙因素不盡相同。江蘇省、甘肅省、新疆地方、新疆兵團的最大障礙因素是斷裂比強度（ X 3 ），而天津市、河北省、安徽省、山東省、湖北省、湖南省的最大障礙因素是纖維長度（ X 1 ），這意味著不同產棉區應結合自身棉花質量實際，切實固優勢、補短板，有的放矢地推動棉花產業高質量發展。

3 結 論

本研究基于層次分析法-熵權法測量了中國棉花質量指數，并運用障礙度分析模型考察了中國棉花質量的短板指標。主要研究結論如下：第一，組合賦權結果表明，中國棉花質量指數評價體系中權重最大的3項指標分別為纖維長度（0.268）、斷裂比強度（0.210）、馬克隆值（0.184），三者累計權重達0.662。第二，2013- 2019年，全國棉花質量指數總體呈上升態勢，平均值為0.662。在三大棉區中，西北內陸棉區的棉花整體質量好于內地兩大棉區;從變化趨勢上看，西北內陸棉區棉花質量指數總體呈上升趨勢，而內地兩大棉區棉花質量指數下降幅度較大。各產棉區中，甘肅省的棉花整體質量全國最好，其次是新疆兵團、新疆地方。第三，2013- 2019年，對中國棉花優質發展阻礙最大的3項指標分別是斷裂比強度、纖維長度、馬克隆值，障礙度均值分別為46.18%、22.66%、11.14%，但不同地區棉花優質發展的障礙指標不盡相同。

為提升中國棉花質量，本研究提出以下建議：第一，更加注重棉業科技創新。持續開展優質棉品種研發，積極選育優質高產的機采棉品種，提升棉花纖維長度和斷裂比強度。同時，加大種植模式和配套栽培技術體系的研發和推廣。第二，擴大優質棉基地建設，增強優質棉生產能力。將新疆優質棉基地建設的經驗向內地棉區推廣，在內地棉區選擇2～ 3個試點推廣省份。根據近年來內地棉區各省份種植棉花的面積和棉花質量指數的表現，可以選擇山東省、湖北省作為內地優質棉基地建設的推廣試點省份。第三，完善棉花生產社會化服務體系，促進小農戶與現代棉業發展銜接。發展棉花生產性服務業，面向小農戶積極推動棉花生產托管服務。第四，強化棉花支持保護政策措施，特別是要進一步深化完善棉花目標價格改革。一方面要以種植面積作為主要補貼依據，同時輔之質量補貼，以此激發棉農種植棉花的積極性，引導棉農重視和提升棉花質量;另一方面要建立目標價格動態調整機制，引導次適宜種植棉區退出棉花生產。

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（責任編輯：王 妮）

收稿日期：2021-08-24

基金項目：皖西學院高層次人才科研啟動資金項目（WGKQ2021019）;國家自然科學基金項目（72163028）;兵團社科基金重點項目（20zd05）

作者簡介：孫魯云（1989-），男，山東東平人，博士，助理統計師，主要從事農業經濟、經濟統計研究。（E-mail）louissuen@163.com

通訊作者：王 力，（E-mail）wl2745@shzu.edu.cn