邢貞相，高 月，劉美鑫，付 強

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院，哈爾濱 150030；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點實驗室，哈爾濱 150030)

作為一種高效節(jié)水的灌溉方式，膜下滴管是結(jié)合滴灌技術(shù)和覆膜種植技術(shù)，在顯著降低課件蒸發(fā)、節(jié)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(huán)境[1,2]。Mukherjee A[3]認(rèn)為膜下滴灌能大幅提高水分利用效率(IWUE)，并增加作物產(chǎn)量；Ngouajio M[4]的研究結(jié)果表明，膜下滴灌在節(jié)約了20%水資源的前提下，提高作物產(chǎn)量約8%～15%；胡曉棠[5]認(rèn)為膜下滴灌作為局部灌溉技術(shù)，具有土壤濕潤區(qū)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(jié)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(fā)育。鑒于上述優(yōu)勢，目前很多農(nóng)作物的生產(chǎn)中都采用膜下滴灌技術(shù)[7-11]，獲得很多成果。

貴州省是我國煙草大省，自20世紀(jì)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(qū)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(xiàn)階段性的干旱現(xiàn)象，影響烤煙上部葉正常成熟，使烤煙上部葉的質(zhì)量和可用性大大降低?？v觀近年來烤煙節(jié)水灌溉的基礎(chǔ)研究，主要偏重于發(fā)掘能夠?qū)Ω弋a(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)產(chǎn)生積極影響的節(jié)水灌溉方案，對于研究成果在我國主要煙區(qū)應(yīng)用和推廣缺乏一定的可行性分析。因此，充分認(rèn)識烤煙需水規(guī)律，尋找適合貴州煙區(qū)使用的烤煙節(jié)水灌溉制度至關(guān)重要。本文一方面以基礎(chǔ)研究為主，確定適合貴州煙區(qū)優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)的膜下滴灌制度；另一方面著眼于成果推廣和生產(chǎn)實踐，計算并分析膜下滴灌工程建設(shè)的成本和效益，引入主成分分析模型與熵權(quán)系數(shù)法評價模型，旨在對多種滴灌方案進行科學(xué)的評價和優(yōu)選。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2013年3-8月在貴州省畢節(jié)市進行。畢節(jié)市受北亞熱帶季風(fēng)氣候影響，平均溫度在10～15 ℃，年日照數(shù)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(qū)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(shè)計

試驗在若干小區(qū)中進行，小區(qū)以田埂為界，上方安裝防雨棚，以隔絕自然降水。每個小區(qū)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(cè)滲，各試驗小區(qū)之間用0.6 m深的防滲膜隔開。試驗設(shè)3種灌溉量，3種施氮量，共設(shè)10個水氮處理，其中對照處理CK的設(shè)計主要依據(jù)貴州煙區(qū)傳統(tǒng)的溝灌供水及施氮方式。每個處理重復(fù)3次，如表1所示?；谇叭搜芯拷?jīng)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?；试诳緹熞圃郧耙淮涡匝ㄊ?，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(zhì)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(jù)此計算烤煙產(chǎn)量。

(2)烤煙品質(zhì)。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(xué)成分：運用連續(xù)流動法測定[13]，并采用連續(xù)流動分析儀，參照標(biāo)準(zhǔn)為YC/T 159-2002(中華人民共和國煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2002a)，YC/T 160-2002(中華人民共和國煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2002b)與YC/T 161-2002(中華人民共和國煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2002c)。

表1 試驗設(shè)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(chǎn)量計算，kg/m3。

(4)棵間蒸發(fā)量。采用內(nèi)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(nèi)水分變化規(guī)律、土溫與大蒸滲儀內(nèi)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(nèi)。測定結(jié)果用以計算節(jié)水效益。

Ea=W1-W2-I

(1)

式中：Ea為棵間蒸發(fā)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(nèi)的灌溉水量。

當(dāng)灌溉量很大時，則：

Ea=W2+I-W1

(2)

(5)國民經(jīng)濟內(nèi)部收益率、經(jīng)濟凈現(xiàn)值、經(jīng)濟效益費用比。國民經(jīng)濟內(nèi)部收益率EIRR、經(jīng)濟凈現(xiàn)值ENPV、經(jīng)濟效益費用比EBCR均按照《水利建設(shè)項目經(jīng)濟評價規(guī)范》(SL72-94)和《建設(shè)項目經(jīng)濟評價方法與參數(shù)》進行計算與評價。

國民經(jīng)濟內(nèi)部收益率的計算公式如下：

(3)

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

經(jīng)濟凈現(xiàn)值的計算公式如下：

(4)

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

經(jīng)濟效益費用比的計算公式如下：

(5)

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。

2 結(jié)果與分析

2.1 烤煙品質(zhì)指標(biāo)的主成分分析

表2所示為各處理烤煙品質(zhì)指標(biāo)值；表3所示為烤煙化學(xué)成分指標(biāo)及其適宜的范圍，該評價指標(biāo)是由國家煙草專賣局根據(jù)煙葉化學(xué)成分的協(xié)調(diào)性對感官質(zhì)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(guān)關(guān)系，這一結(jié)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(guān)系并不明顯。

表2 各處理烤煙品質(zhì)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(tǒng)計顯著性。

表3 烤煙化學(xué)成分指標(biāo)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(xué)成分指標(biāo)進行主成分提取[16]，由于表3最適宜的烤煙化學(xué)成分指標(biāo)為區(qū)間指標(biāo)，需要對表2中的指標(biāo)作一些變換。假設(shè)最優(yōu)取值為區(qū)間的最中心值，那么離中心值近的實測值所代表的指標(biāo)越好，即 |實際值-中心值| 越小越好[17]。這樣，評價指標(biāo)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(biāo)，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(zhì)綜合主成分如表6所示，品質(zhì)綜合主成分值越高，說明烤煙綜合品質(zhì)越優(yōu)，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(yǎng)分的平衡吸收。

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

2.2 經(jīng)濟效益評價指標(biāo)的計算

按照《貴州省建設(shè)工程造價信息》(2013年第12期)對膜下滴灌工程進行成本預(yù)算。考慮因素包括建筑工程，機電與金屬結(jié)構(gòu)，臨時費用及獨立費用。方便成本估計，將計算結(jié)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(jié)果 元

烤煙收購價按照《關(guān)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(jié)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(fā)量)。工程投入使用后，預(yù)計可節(jié)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(jié)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(zhì)綜合主成分M、產(chǎn)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(jīng)濟效益指標(biāo)均處于適宜水平；而T1處理經(jīng)濟效益不佳，ENPV出現(xiàn)負(fù)值，EBCR<1，這可能因為T1處理增產(chǎn)效應(yīng)較差(由于T1處理經(jīng)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(quán)系數(shù)法評價建模

試驗采用熵權(quán)系數(shù)法[18]對表6中不同水氮耦合方案進行優(yōu)選，設(shè)膜下滴灌條件下烤煙水氮耦合方案的評價指標(biāo)為n個，水氮耦合方案有m種，m種水氮耦合方案對應(yīng)n個指標(biāo)的指標(biāo)值構(gòu)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(biāo)值。

對于某個指標(biāo)rj，有信息熵：

(8)

第j個指標(biāo)值的熵值為：

(9)

第j個指標(biāo)的客觀權(quán)重為：

(11)

試驗也考慮決策者的主觀判斷經(jīng)驗，將決策者的主觀權(quán)重ω1,ω2,…,ωn與客觀權(quán)重θj(j=1,2,…,n) 相互結(jié)合可得最終的指標(biāo)權(quán)重為(以高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、節(jié)水、經(jīng)濟為主要目的，本文依次賦予烤煙品質(zhì)綜合主成分、產(chǎn)量、灌溉水利用效率、EIRR、ENPV、EBCR主觀權(quán)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(yōu)值，對矩陣中的各元素進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，r*j的大小由于不同的評價指標(biāo)性質(zhì)而有所差異。評價指標(biāo)值分為兩類[19]：r*j越大越優(yōu)，即收益性指標(biāo)；r*j越小越優(yōu)，即損失性指標(biāo)。整理得：

(13)

各種滴灌模式的綜合評價系數(shù)熵權(quán)評價值λi可表示為：

(14)

根據(jù)烤煙品質(zhì)綜合主成分、產(chǎn)量、灌溉水利用效率及主要經(jīng)濟效益指標(biāo)，確定8種滴灌處理的綜合評價系數(shù)熵權(quán)評價值，如圖1所示。

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

以烤煙品質(zhì)綜合主成分、產(chǎn)量、灌溉水利用效率和工程建設(shè)的EIRR、ENPV、EBCR為評價指標(biāo)，經(jīng)計算得熵權(quán)信息綜合權(quán)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(biāo)的情況下，熵權(quán)評價值越大說明該膜下滴灌條件下水氮耦合方案越優(yōu)，因此對8種滴灌設(shè)計的優(yōu)劣排序依次為：T5，T6，T9，T4，T2，T3，T8，T7。從綜合評價結(jié)果可知，T5為膜下滴灌條件下最優(yōu)水氮耦合方案，T6次之，最差的處理為T7。

3 結(jié) 語

(1)在生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙的過程中，煙葉的可用性尤為重要，因此在設(shè)計節(jié)水灌溉時應(yīng)充分考慮到烤煙的品質(zhì)。主成分分析過程中，將烤煙的多個主要品質(zhì)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為烤煙品質(zhì)綜合評價指標(biāo)，可較好地反映不同滴灌模式下烤煙的品質(zhì)水平。

(2)膜下滴灌工程建設(shè)的經(jīng)濟可行性分析，決定基礎(chǔ)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(jīng)濟評價，并引入熵權(quán)系數(shù)法，同時使用客觀權(quán)重和主觀權(quán)重，避免了僅使用單一權(quán)重的片面性，提高評價結(jié)果的可靠性。

(3)以烤煙品質(zhì)綜合主成分，產(chǎn)量，水分生產(chǎn)效率，滴灌工程建設(shè)的國民經(jīng)濟內(nèi)部收益率，經(jīng)濟凈現(xiàn)值，經(jīng)濟效益費用比為評價指標(biāo)，計算膜下滴灌條件下不同水氮耦合方案的熵權(quán)系數(shù)評價值，確定T5為最優(yōu)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(qū)膜下滴灌工程烤煙優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的水氮耦合方案。

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