基于熵權(quán)系數(shù)評價模型的白茶節(jié)水灌溉模式研究

陳 康，王會全,2，陳競楠

(1.福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院園藝園林學(xué)院，福建 福清 350000；2. 福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院，福建 福州 350000)

白茶外形細(xì)秀，鮮爽甘醇，香高持久，是中國的六大茶類之一[1,2]。在我國，白茶主要產(chǎn)區(qū)包括福建福鼎、政和蕉城天山、松溪和云南景谷等地。優(yōu)質(zhì)白茶主產(chǎn)區(qū)常在丘陵地區(qū)，隨著白茶及其制品需求量日益增加，相應(yīng)的白茶栽培面積也不斷擴(kuò)大，不少丘陵地區(qū)出現(xiàn)過度開墾的情況，水土流失嚴(yán)重，威脅下游生態(tài)環(huán)境。

眾多影響因素中，灌溉水是土壤滲漏和地表徑流損失的關(guān)鍵驅(qū)動因子，同時灌溉水分也對茶樹生長發(fā)育和茶葉產(chǎn)量品質(zhì)有直接影響[3,4]。然而，現(xiàn)階段茶區(qū)節(jié)水灌溉總體上停留在工程建設(shè)層面，缺乏不同節(jié)水灌溉模式優(yōu)劣的比較試驗，不同灌溉制度對茶葉產(chǎn)量及其綜合效益的影響研究則更為匱乏。本研究設(shè)計噴灌和滴灌2種灌溉方式及3種不同灌溉制度，分析不同節(jié)水灌溉模式對白茶生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的影響，探討不同節(jié)水灌溉模式對應(yīng)的實際工程的經(jīng)濟(jì)效益，構(gòu)建指標(biāo)體系和熵權(quán)系數(shù)評價模型，優(yōu)選白茶節(jié)水灌溉模式，以期為相似茶區(qū)水利工程建設(shè)提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗區(qū)位于福建省福鼎市磻溪鎮(zhèn)，屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，海洋性季風(fēng)氣候明顯，四季分明，雨量適宜。試驗區(qū)多年平均降雨量1 578 mm，年平均溫度18.5℃，相對濕度80%，無霜期227天。試驗茶葉品種為12年生白茶樹，土壤為典型福建地區(qū)紅壤土，pH 5.6，土壤容重1.42 g/cm3，孔隙度45.3%，有機(jī)質(zhì)含量2.1%，速效氮含量42 mg/kg，速效磷含量11.4 mg/kg，速效鉀含量58 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗時間為2018年7月-2019年6月，試驗區(qū)總面積0.4 hm2。試驗設(shè)計噴灌和滴灌2種節(jié)水灌溉方式，及65%、75%和85%共3種相對土壤含水率的灌水下限，即共有6個處理，每個處理占地15 m×15 m，各處理均重復(fù)3次。噴灌選用PY130型噴頭，壓力0.25 MPa。滴灌管選擇滴頭滴灌管，滴頭間距30 cm，內(nèi)徑8 mm，滴灌工作壓力0.25 MPa。滴灌和噴灌的干管均沿丘陵等高線布置，支管垂直于干管，毛管與支管垂直并雙向輸水。水分傳感器埋于茶樹主根區(qū)即40 cm土層深度。白茶于3月底陸續(xù)采摘。試驗期間滴灌處理累積灌水量分別為93、109和165 mm，噴灌處理灌水量為102，121和188 mm。

1.3 測定指標(biāo)與計算方法

百芽重：每個處理隨機(jī)抽取20株茶樹，每株茶樹隨機(jī)收集5個新梢(1芽3葉)，共100個新梢，稱其重量。葉面積指數(shù)：采用LAI-2200(美國LI-COR)測定，每個處理隨機(jī)選擇5個測量點，在每個點上均測定一次白茶葉面積指數(shù)，以5次測量結(jié)果的均值作為最終結(jié)果。干重和鮮重：將葉片置入烘箱，105 ℃殺青半小時后，烘干至恒重(約9 h)后稱量，鮮重直接測定，用于計算產(chǎn)量。產(chǎn)值：按照實際收購單價和產(chǎn)量計算。灌溉水利用效率：為產(chǎn)量與實際灌水量的比值。

按照《噴灌與微灌工程技術(shù)管理規(guī)程》國家標(biāo)準(zhǔn)和福建省水利廳《福建省水利工程造價信息(2019)》對不同節(jié)水灌溉工程進(jìn)行規(guī)劃和概預(yù)算。納入工程建設(shè)造價的內(nèi)容包括建筑工程、機(jī)電與金屬結(jié)構(gòu)、臨時費用和獨立費用。其中建筑工程包括土方挖填、管材、管道附件、彈簧壓力表、過濾器、排水井、安裝費等；機(jī)電與金屬結(jié)構(gòu)包括法蘭閘閥、逆止閥、水泵及安裝費等；臨時費用包括建筑工程臨時用水用電和臨時建筑費用；獨立費用包括建設(shè)單位管理費、工程監(jiān)理費、設(shè)計測量費、工程保險費和安全生產(chǎn)費等。節(jié)水灌溉工程屬于農(nóng)田水利工程，因此按照《水利建設(shè)項目經(jīng)濟(jì)評價規(guī)范》( SL72-1994) 和《建設(shè)項目經(jīng)濟(jì)評價方法與參數(shù)》對不同工程進(jìn)行國民經(jīng)濟(jì)評價，計算國民經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率(EIRR)、經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值(ENPV)和經(jīng)濟(jì)效益費用比(EBCR)[5]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用SPSS17.0軟件，依據(jù)Duncan’s multiple range test進(jìn)行顯著性分析[6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同節(jié)水灌溉模式對白茶生長的影響

表1所示為不同灌溉模式對番茄生長的影響。表中可看出，白茶百芽重隨灌水下限的提高成增長趨勢，以噴灌條件下85%下限白茶百芽重最高，達(dá)到58.1 g；滴灌條件下65%水分控制下限白茶百芽重最低，僅為50.0 g，顯著(p<0.05)低于噴灌條件下85%下限處理。不同灌溉模式下葉面積指數(shù)位于3.59～4.25，其中噴灌下85%、75%及滴灌下85%白茶葉面積指數(shù)處于較高水平，三者間差異并不顯著(p>0.05)。另外，噴灌模式下85%控水下限白茶干重為0.19 g，顯著(p<0.05)高于大多數(shù)其他處理。從芽葉顏色看，不同處理之間存在特征差異，其中滴灌模式下65%控水下限芽葉呈黃綠(夾紅)，而滴灌模式下85%和噴灌模式下85%、75%控水下限芽葉顏色呈綠色。

研究表明，水分的虧缺會對葉片生理代謝和光合過程產(chǎn)生直接影響，同時對氣孔開閉和植株生長有間接影響，最終導(dǎo)致葉面積的降低[3,4]。此外，低灌水量降低了茶樹葉片水勢和葉綠素含量[7]。這些研究解釋了低控水下限下葉面積指數(shù)降低和芽葉發(fā)暗的現(xiàn)象。吳瑞普[8]的研究成果表明，微噴灌改善了茶樹光合特性，使茶樹的新梢數(shù)量、芽葉數(shù)量和重量均有所提高，這與本研究的發(fā)現(xiàn)一致。

表1 不同灌溉方式下白茶生長指標(biāo)

注：同一列不同字母表示在P<0.05水平差異顯著。

2.2 不同節(jié)水灌溉模式對應(yīng)建設(shè)工程的經(jīng)濟(jì)效益分析

圖1所示為不同節(jié)水灌溉模式對應(yīng)建設(shè)工程的經(jīng)濟(jì)效益參數(shù)及其值。不同節(jié)水灌溉模式下經(jīng)濟(jì)效益參數(shù)的差異主要源于產(chǎn)值差異，圖中可看出，所有灌溉模式EIRR>12%、ENPV>0和EBCR>1，均滿足《建設(shè)項目經(jīng)濟(jì)評價方法與參數(shù)》的經(jīng)濟(jì)可行性要求。其中，噴灌模式下85%控水下限經(jīng)濟(jì)參數(shù)最優(yōu)，EIRR、ENPV和EBCR分別為22.9%、3.24 萬元和1.73，這表明噴灌工程下85%控水下限的工程經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

圖1 不同節(jié)水灌溉模式對應(yīng)實際工程的經(jīng)濟(jì)效益參數(shù)

2.3 白茶節(jié)水灌溉模式優(yōu)選

2.3.1 指標(biāo)體系

綜合考慮產(chǎn)值、工程經(jīng)濟(jì)效益及資源利用效率等因素，本研究選擇產(chǎn)量、產(chǎn)值、國民經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率和灌溉水利用效率為主要評價指標(biāo)，如表2所示。表2中可看出，不同灌溉模式均以噴灌的產(chǎn)量和產(chǎn)值優(yōu)于滴灌，這可能由于噴灌消除了根際土壤水分飽和區(qū)，使得茶樹根系通氣性更好，為茶樹高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。相同灌溉方式下，提升灌溉水量使滴灌條件下產(chǎn)量提升54.7～65.0 kg/hm2，使噴灌條件下產(chǎn)量提升67.0～121.1 kg/hm2。灌溉水利用效率隨灌溉水量的增加呈下降趨勢，噴灌和滴灌模式均以65%控水下限最高，達(dá)到0.39 kg/m3。

表2 白茶節(jié)水灌溉模式優(yōu)選的評價指標(biāo)與指標(biāo)值

2.3.2 評價模型建立

農(nóng)田水利方案評價往往涉及多目標(biāo)、多指標(biāo)的情況，需借助成熟的統(tǒng)計學(xué)工具協(xié)助方案決策[9,10]。本試驗利用熵權(quán)系數(shù)評價模型對不同節(jié)水灌溉模式進(jìn)行優(yōu)選。設(shè)本研究中的節(jié)水灌溉模式的評價指標(biāo)共有n個，節(jié)水灌溉模式有m種。本試驗中的評價指標(biāo)包括產(chǎn)量、產(chǎn)值、EIRR和灌溉水利用效率共4項指標(biāo)，節(jié)水灌溉模式共6種，所以n=4，m=6。所以用m種節(jié)水灌溉模式對應(yīng)n個不同指標(biāo)可以得到如下評價矩陣[11-13]：

R=(rij)m×n

式中：rij為第i種節(jié)水灌溉模式下第j個指標(biāo)值。對于某個指標(biāo)rj，存在信息熵：

第j個指標(biāo)值的熵值按下式計算：

第j個指標(biāo)的客觀權(quán)重按下式計算：

不同節(jié)水灌溉模式的綜合效益熵權(quán)評價值λi可通過如下公式計算：

2.3.3 計算結(jié)果

本研究中所有指標(biāo)均為收益性指標(biāo)。此外，本研究主要考慮經(jīng)濟(jì)效益和資源利用效率，為了防止主觀經(jīng)驗給決策造成不利影響，本研究將4個指標(biāo)的主觀權(quán)重均設(shè)置為0.25。計算所得不同節(jié)水灌溉模式綜合效益熵權(quán)系數(shù)評價值如圖2所示。依據(jù)熵權(quán)系數(shù)評價值越高，節(jié)水灌溉模式綜合效益越有的原則，本研究中噴灌條件下75%控水下限綜合效益最優(yōu)，熵權(quán)系數(shù)評價值達(dá)到0.96；噴灌條件下85%控水下限綜合效益為次優(yōu)，達(dá)到0.91；而滴灌條件下65%控水下限綜合效益最差，僅為0.73。

圖2 不同節(jié)水灌溉模式綜合效益熵權(quán)系數(shù)評價值

3 結(jié) 論

根據(jù)上述分析，可得以下結(jié)論：

(1)不同節(jié)水灌溉模式對白茶生長指標(biāo)的影響存在一定差異，噴灌下85%控水下限處理白茶百芽重、葉面積指數(shù)和干重處于最高水平。

(2)相同灌溉方式下，提升控水下限使滴灌條件下白茶產(chǎn)量提升2.4%～17.7%，使噴灌條件下產(chǎn)量提升16.7%～30.2%。

(3)熵權(quán)系數(shù)評價模型計算結(jié)果表明，噴灌條件下75%控水下限綜合效益最優(yōu)，熵權(quán)系數(shù)評價值達(dá)到0.96。該灌溉模式下，白茶產(chǎn)量為468.6 kg/hm2，產(chǎn)值為252.4 萬元/hm2，節(jié)水灌溉工程建設(shè)的國民經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率為22.3%，灌溉水利用效率為0.387 kg/m3。