膜下滴灌水氮耦合对烤烟综合效益的影响

邢贞相，高 月，刘美鑫，付 强

(1.东北农业大学水利与建筑学院，哈尔滨 150030；2.农业部农业水资源高效利用重点实验室，哈尔滨 150030)

作为一种高效节水的灌溉方式，膜下滴管是结合滴灌技术和覆膜种植技术，在显著降低课件蒸发、节约水资源的同时，通过滴灌水分的淋洗作用，抑制盐分向耕层土壤迁移，以改善土壤水热状况，给作物根系营造一个良好的生长环境[1,2]。Mukherjee A[3]认为膜下滴灌能大幅提高水分利用效率(IWUE)，并增加作物产量；Ngouajio M[4]的研究结果表明，膜下滴灌在节约了20%水资源的前提下，提高作物产量约8%～15%；胡晓棠[5]认为膜下滴灌作为局部灌溉技术，具有土壤湿润区小、灌水频繁等特点，而地膜覆盖可使土壤增温和保温，可提高土壤水分的有效运动；张振华[6]的试验结果表明，膜下滴灌条件下作物根系层处于较好的水热条件下，有利于作物根系的生长发育。鉴于上述优势，目前很多农作物的生产中都采用膜下滴灌技术[7-11]，获得很多成果。

贵州省是我国烟草大省，自20世纪30年代末开始就在贵州大面积推广，至今已有近80年历史。贵州烟区的雨量虽然充沛，但是降雨通常集中在烤烟生长的前期和中期，后期会出现阶段性的干旱现象，影响烤烟上部叶正常成熟，使烤烟上部叶的质量和可用性大大降低。纵观近年来烤烟节水灌溉的基础研究，主要偏重于发掘能够对高产优质烟叶生产产生积极影响的节水灌溉方案，对于研究成果在我国主要烟区应用和推广缺乏一定的可行性分析。因此，充分认识烤烟需水规律，寻找适合贵州烟区使用的烤烟节水灌溉制度至关重要。本文一方面以基础研究为主，确定适合贵州烟区优质烟叶生产的膜下滴灌制度；另一方面着眼于成果推广和生产实践，计算并分析膜下滴灌工程建设的成本和效益，引入主成分分析模型与熵权系数法评价模型，旨在对多种滴灌方案进行科学的评价和优选。

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2013年3-8月在贵州省毕节市进行。毕节市受北亚热带季风气候影响，平均温度在10～15 ℃，年日照数在1 096～1 769 h，无霜期245～290 d，年均降水量为849～1 399 mm。试验区土壤品种为黄棕壤，速效氮含量为94.32 mg/kg，速效磷含量为18.88 mg/kg，速效钾含量为179.98 mg/kg。

1.2 试验设计

试验在若干小区中进行，小区以田埂为界，上方安装防雨棚，以隔绝自然降水。每个小区的面积均为(4×0.8)m2，栽烟(烤烟K326)4株，行距与株距均为0.8 m。为防止滴灌水分侧渗，各试验小区之间用0.6 m深的防渗膜隔开。试验设3种灌溉量，3种施氮量，共设10个水氮处理，其中对照处理CK的设计主要依据贵州烟区传统的沟灌供水及施氮方式。每个处理重复3次，如表1所示。基于前人研究经验[12]，本试验灌水按照烤烟伸根期，旺长期，成熟期的灌水量分别占总灌水量的30%、40%和30%进行分配，每个生育期灌溉10次；施肥按照基肥∶追肥=7∶3施用，除施氮量不同外，各处理钾肥和磷肥用量一致，分别为P2O5150 kg/hm2，K2O 200 kg/hm2。基肥在烤烟移栽前一次性穴施，追肥时间为移栽后30 d，把各处理烤烟专用无机肥的用量折算成纯氮量施入蒸渗仪土壤中。

1.3 测定项目与方法

(1)干物质量。采用烘干称重法，烤烟烟叶成熟时，把植株分别按根、茎、叶分开，75 ℃烘干后，再进行称重，75 ℃烘至恒温并称重，并据此计算烤烟产量。

(2)烤烟品质。每个处理选3株烤烟，烘烤每株成熟充分的中部烟叶，烘干后碾磨并混合至均匀，待测。测定烟碱，还原糖，总氮等烟叶化学成分：运用连续流动法测定[13]，并采用连续流动分析仪，参照标准为YC/T 159-2002(中华人民共和国烟草行业标准，2002a)，YC/T 160-2002(中华人民共和国烟草行业标准，2002b)与YC/T 161-2002(中华人民共和国烟草行业标准，2002c)。

表1 试验设计Tab.1 Test design

(3)灌溉水利用效率。以每单位灌溉水所获得烤烟产量计算，kg/m3。

(4)棵间蒸发量。采用内径100 mm，深350 mm，壁厚1.0 mm的粗口径PVC管微型蒸渗仪，将其埋于大蒸渗仪正中央，土面保持齐平，以保证微蒸渗仪内水分变化规律、土温与大蒸渗仪内一致。称重后计算重量差。在滴灌时，将滴灌水量折算后灌入蒸渗仪内。测定结果用以计算节水效益。

Ea=W1-W2-I

(1)

式中：Ea为棵间蒸发量；W1为起始蒸渗仪重；W2为称重时蒸渗仪重；I为换算后微蒸渗仪内的灌溉水量。

当灌溉量很大时，则：

Ea=W2+I-W1

(2)

(5)国民经济内部收益率、经济净现值、经济效益费用比。国民经济内部收益率EIRR、经济净现值ENPV、经济效益费用比EBCR均按照《水利建设项目经济评价规范》(SL72-94)和《建设项目经济评价方法与参数》进行计算与评价。

国民经济内部收益率的计算公式如下：

(3)

式中：EIRR为国民经济内部收益率，%；B为国民经济效益流量，元；C为年费用，元；(B-C)t为第t年的国民经济净效益流量，元；n为计算期,a；t为计算期，从0计起。

经济净现值的计算公式如下：

(4)

式中：ENPV为经济净现值，元；is为社会折现率。

经济效益费用比的计算公式如下：

(5)

式中：EBCR为经济效益费用比；Bt为第t年的效益，元；Ct为第t年的费用，元。

2 结果与分析

2.1 烤烟品质指标的主成分分析

表2所示为各处理烤烟品质指标值；表3所示为烤烟化学成分指标及其适宜的范围，该评价指标是由国家烟草专卖局根据烟叶化学成分的协调性对感官质量的影响而制定[14]。表2中可看出，相同灌溉量条件下，烤烟叶片中的烟碱含量与总氮含量总体与施氮量呈正相关关系，这一结果也充分印证和补充了张迪[15]等人的研究成果。施氮量对还原糖含量影响较大，高氮处理T7和T8处于较低水平，低氮处理T1与T3还原糖含量显著高于其他处理(P<0.05)。而本试验中烟叶钾含量、糖碱比、氮碱比和钾氯比与灌溉量及施氮量的关系并不明显。

表2 各处理烤烟品质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测定项目在P0.05水平上的统计显著性。

表3 烤烟化学成分指标及其适宜范围Tab.3 Chemical components of flue-cured tobacco and its appropriate range

基于特征值大于1，累积贡献率大于80%的原则对表2中烤烟主要化学成分指标进行主成分提取[16]，由于表3最适宜的烤烟化学成分指标为区间指标，需要对表2中的指标作一些变换。假设最优取值为区间的最中心值，那么离中心值近的实测值所代表的指标越好，即 |实际值-中心值| 越小越好[17]。这样，评价指标可用新的表达方式，如下：烟碱*=|实际值-25|、总氮*=|实际值-22.5|、还原糖*=|实际值-200|、糖碱比*=|实际值-9|、氮碱比*=|实际值-1|。对变换后的指标，采用SPSS14.0对其进行主成分分析计算，特征向量、特征值、贡献率rc与累计贡献率rT如表4所示。第1个主成分f1主要反映了烟碱含量X1，总氮含量X2、还原糖含量X3、糖碱比X5和氮碱比X6的变异信息，第2个主成分f2反映了钾含量X4和氯钾比X7的变异信息，累积方差贡献率达83.023%，保留了大量的原始信息。计算所得品质综合主成分如表6所示，品质综合主成分值越高，说明烤烟综合品质越优，本试验以T5综合主成分值最高，达到2.592，说明400 mm灌溉量及6 g/株施氮量更有利于烤烟养分的平衡吸收。

表4 主要主成分系数与贡献率Tab.4 Main principal component coefficient and the rate of contribution

2.2 经济效益评价指标的计算

按照《贵州省建设工程造价信息》(2013年第12期)对膜下滴灌工程进行成本预算。考虑因素包括建筑工程，机电与金属结构，临时费用及独立费用。方便成本估计，将计算结果折合为每667 m2造价，如表5所示。

表5 项目投资概算计算结果 元

烤烟收购价按照《关于2013年烟叶收购价格政策的通知》(2012-3923)计。3种灌溉水平下的节水效益按照86.4、121.6、181.3 mm计算(即小蒸渗仪测定的棵间蒸发量)。工程投入使用后，预计可节省劳力3工(一般每公顷烟田一季烤烟栽培需用工450～525)，每工50元，节工2 250元/(hm2·a)。项目年运行费(取项目总投资的5%)。计算可得EIRR、ENPV、EBCR值，与烤烟品质综合主成分M、产量、灌溉水利用效率IWUE一并列入表6。表6中可看出，T2～T9处理经济效益指标均处于适宜水平；而T1处理经济效益不佳，ENPV出现负值，EBCR<1，这可能因为T1处理增产效应较差(由于T1处理经济可行性较差，在评价不同水氮耦合方案综合效益时不考虑T1)。

2.3 不同滴灌方案熵权系数法评价建模

试验采用熵权系数法[18]对表6中不同水氮耦合方案进行优选，设膜下滴灌条件下烤烟水氮耦合方案的评价指标为n个，水氮耦合方案有m种，m种水氮耦合方案对应n个指标的指标值构成评价矩阵为(本试验中n=6，m=8)：

R=(rij)m×n (6)

式中：rij为第i种水氮耦合方案下第j个指标值。

对于某个指标rj，有信息熵：

(8)

第j个指标值的熵值为：

(9)

第j个指标的客观权重为：

(11)

试验也考虑决策者的主观判断经验，将决策者的主观权重ω1,ω2,…,ωn与客观权重θj(j=1,2,…,n) 相互结合可得最终的指标权重为(以高产、优质、节水、经济为主要目的，本文依次赋予烤烟品质综合主成分、产量、灌溉水利用效率、EIRR、ENPV、EBCR主观权重0.20、0.20、0.20、0.133、0.133、0.133)：

(12)

记为r*j代表矩阵R中每列的最优值，对矩阵中的各元素进行标准化处理，r*j的大小由于不同的评价指标性质而有所差异。评价指标值分为两类[19]：r*j越大越优，即收益性指标；r*j越小越优，即损失性指标。整理得：

(13)

各种滴灌模式的综合评价系数熵权评价值λi可表示为：

(14)

根据烤烟品质综合主成分、产量、灌溉水利用效率及主要经济效益指标，确定8种滴灌处理的综合评价系数熵权评价值，如图1所示。

图1 8种滴灌处理熵权评价值Fig.1 Eight kinds of entropy evaluation of drip irrigation

以烤烟品质综合主成分、产量、灌溉水利用效率和工程建设的EIRR、ENPV、EBCR为评价指标，经计算得熵权信息综合权重αj为0.456 8，0.015 8，0.237 8，0.037 2，0.238 5，0.013 9。在综合上述6项指标的情况下，熵权评价值越大说明该膜下滴灌条件下水氮耦合方案越优，因此对8种滴灌设计的优劣排序依次为：T5，T6，T9，T4，T2，T3，T8，T7。从综合评价结果可知，T5为膜下滴灌条件下最优水氮耦合方案，T6次之，最差的处理为T7。

3 结 语

(1)在生产优质烟的过程中，烟叶的可用性尤为重要，因此在设计节水灌溉时应充分考虑到烤烟的品质。主成分分析过程中，将烤烟的多个主要品质指标转化为烤烟品质综合评价指标，可较好地反映不同滴灌模式下烤烟的品质水平。

(2)膜下滴灌工程建设的经济可行性分析，决定基础研究成果是否可以被推广和接受。对不同处理滴灌工程进行国民经济评价，并引入熵权系数法，同时使用客观权重和主观权重，避免了仅使用单一权重的片面性，提高评价结果的可靠性。

(3)以烤烟品质综合主成分，产量，水分生产效率，滴灌工程建设的国民经济内部收益率，经济净现值，经济效益费用比为评价指标，计算膜下滴灌条件下不同水氮耦合方案的熵权系数评价值，确定T5为最优方案，T6次之，最差的处理为T7。即伸根期、旺长期、成熟期滴灌量12、16、12 mm，施氮量75 kg/hm2可作为贵州烟区膜下滴灌工程烤烟优质高产的水氮耦合方案。

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