AHP,结合DTOPSIS,法评价丽江金沙江生态区烟叶工业适用性
时间：2023-02-17 21:00:05 来源：千叶帆 本文已影响人
范幸龙，陈悦，付金存，马文广，韩天华，马志远，余洋，邢亚伟，杨雪彪，张莉*
(1 江苏中烟工业有限责任公司，江苏 南京 210019；
2 云南省烟草公司丽江市公司，云南 丽江 674100；
3 云南烟草农业科学研究院，云南 昆明 650021)
云南是我国最重要的优质烟叶产区之一[1]。丽江金沙江生态区位于云南西部，地处三江并流核心自然保护区腹地，年产优质烟叶30 000 t。所产烟叶是云南清香型烟叶的代表，更是苏产卷烟品牌配方中不可替代的核心原料[2]。烤烟品种是决定烟叶质量的关键因素之一[3]，直接影响烟叶的工业可用性。近年来，对不同烤烟品种烟叶的工业可用性评价主要依赖烟叶外观质量、化学成分和感官质量[4]。如叶协峰等[5]采用外观质量和常规化学成分相结合的方法建立了基于主成分分析和聚类分析的Fisher 判别函数烟叶质量评价模型。邵惠芳等[6]建立了基于BP 神经网络的烤烟感官质量预测模型。层次分析法(AHP)是一种定性与定量相结合的加权分配方法，目前在农作物的综合评估中得到了广泛的运用[7]。而优劣解距离法(DTOPSIS)也已被普遍应用到农作物的综合质量评估中[8]。如代顺东等[7]、姚旺等[9]将AHP 和DTOPSIS 两种评价方法相结合，对我国区域试验中的烤烟新品种进行综合评价。但是上述研究中多关注烤烟新品种的大田植物学性状、抗病性和产质量等指标，未能全面体现各品种烟叶的工业适用性。本文基于前人的大量研究，选择国内烟草工业企业较为关注的10 项烟叶品质指标为分析对象，采用“AHP ＋DPOPSIS”组合评价法对丽江金沙江生态区试种的烤烟新品种烟叶综合质量进行评价，旨在丰富我国卷烟工业烟叶原料应用评价体系，更好地指导卷烟工业原料品种采购和基地品种布局，实现烤烟新品种资源的快速应用。
1.1 试验地概况
试验于2019 年和2020 年在云南省丽江市玉龙纳西族自治县黎明乡进行。试验地海拔1 850 m，属低纬度高原季风气候。连续2 年试验在紧邻的两块烟田进行，不重茬。试验地前作为大麦，土壤肥力中等，pH 值5.5～7.0，土壤有机质含量43.6 g/kg、碱解氮含量201.2 mg/kg、有效磷含量35.0 mg/kg、速效钾含量145.5 mg/kg。
1.2 供试材料
供试的烤烟新品种为云烟116、云烟105、云烟207，对照为当地主栽品种云烟87。试验用种子由云南烟草农业科学研究院提供。
1.3 试验设计及大田管理
本试验采用随机区组设计，试验田面积667 m2，设3 次重复。各品种每年均于5 月15 日前统一完成移栽，移栽的规格均为120 cm×50 cm，种植密度16 500株/hm2，按3 ∶7的基追肥比例施用烤烟专用复合肥(N ∶P ∶K＝15 ∶15 ∶15)600 kg/hm2、硫酸钾300 kg/hm2。烟株50%中心花开放时打顶，各参试品种有效叶片数为18，其它田间管理措施均按当地优质烟叶栽培技术要求进行。
1.4 采样方法及数量
按照GB2635—1992 标准，各品种烟叶初烤后，每个处理选取C3F(中桔三)等级烟叶样品2.0 kg，3次重复；
然后将3 次重复的样品分别混合后再取混合样1 个，各品种均取样10 个，2 年共计80 个样品。
1.5 测定项目及方法
所有烟叶样品的外观质量、常规化学成分和感官评吸由江苏中烟工业有限责任公司的专业技术人员进行统一检测和评价。烤后烟叶外观质量3 项指标(成熟度、身份、油分)采用GB2635—1992 烤烟分级标准进行量化评定；
常规化学成分烟碱、总糖和钾含量采用近红外光谱法[10]进行检测；
4 项品质特征指标(香气质、香气量、刺激性、余味)和9 项风格特征指标(清香型、干草香、清甜香、青香、木香、辛香、飘逸、浓度、劲头)由不少于7 名烟叶感官评吸专家按照《烤烟烟叶质量风格特色感官评价方法》(YC/T530—2015)进行评价，采用5 分制评分法进行打分后取平均值。
1.6 DTOPSIS 法评价步骤
(1)首先利用AHP 法确定评价指标的权重；
(2)利用连续2 年从丽江金沙江生态区采集的各品种指标平均值构建评价矩阵B；
(3)将成熟度、油分、身份、香气质、香气量和余味6 项指标采用DTOPSIS 法正向指标模型无量纲化处理，刺激性指标采用DTOPSIS 法负向指标模型无量纲化处理，总糖和烟碱两项指标采用抛物线型隶属函数无量纲化处理，钾含量采用S 型隶属函数无量纲化处理，所有指标经过处理后得规范化矩阵Z；
(4)根据层次分析法(AHP)确定的权重值与规范化矩阵Z 中j 列相乘得到决策矩阵R；
(5)构建丽江生态区原料烟叶的理想解和负理想解矩阵，再利用欧基里德范数计算丽江生态区不同年份各品种与理想解和负理想解的距离；
(6)分别计算不同年份各品种与理想解的近似度Ci值，Ci值大即为参试品种烟叶工业可用性优。
1.7 评价指标选择及权重确定
参照文献[11]，选用烟叶油分、成熟度、身份、烟碱含量、总糖含量、钾含量、香气质、香气量、余味和刺激性10 个指标作为综合评价丽江金沙江生态区不同烤烟新品种烟叶工业可用性的指标。
1.7.1 构建判断矩阵
根据苏产卷烟品牌配方对原料烟叶品质的关注倾向和专家意见，采用由美国运筹学家Satty 提出的1～9标度比较尺度法(表1)，参考前人研究结果中[7-9，11]相关指标对烤烟原料工业适用性的影响程度，将表2 中各指标进行两两比较后重新赋值，构建判断矩阵A(表2)。
表1 1～9 尺度的含义Table1 The meaning of the 1-9 scale
表2 判断矩阵ATable 2 Judgment matrix A
1.7.2 权向量计算及检验
根据AHP 理论进行权向量计算，并进行一致性检验。权向量计算过程如下:(1)将判断矩阵A每一行各因素连乘得向量Mi＝[M1M2M3……Mn]T，计算公式为Mn＝∏nj＝1Xij，j＝1，2，3……n；
(2)将Mi开n(n＝10)次方得向量Ki＝[K1K2K3……Kn]T，计算公式为对向量Ki开展归一化处理得权重向量Wi，计算公式为
1.7.3 一致性检验采用的方法
1.8 无量纲规范化矩阵
参照以往研究结论[11]，同时结合苏产卷烟配方原料的使用需求，将身份、成熟度、油分、香气量、香气质和余味定义为正向指标，刺激性定义为负向指标，烟碱、总糖和钾含量定义为中性指标。其中，正向指标按负向指标按进行无量纲化处理，烟碱和总糖含量则按抛物线隶属函数P(x)进行无量纲化处理。
1.9 各品种与理想解的距离和近似度计算
根据公式M＋＝(maxri1＋maxri2……maxrij)构建丽江金沙江生态区烤烟品种理想解矩阵M＋；
根据公式M-＝(minri1＋minri2……minrij)构建丽江金沙江生态区烤烟品种负理想解矩阵M-。再利用欧几里德范数(Euclidnorm)分别按公式(3)和(4)计算丽江金沙江生态区烤烟品种的理想解和负理想解的距离S＋和S-，再按公式(5)分别计算不同年份各参试品种与理想解的近似度Ci值(表7)。
1.10 数据统计与分析
采用Excel 2010 和DPS7.05 软件进行数据统计分析。
2.1 不同品种烟叶感官风格特征
由表4 可知，丽江金沙江生态区不同烤烟品种烟叶香型均为清香型，以干草香、清甜香和青香为主体香韵，香气状态均为飘逸。云烟87 和云烟116 烟叶为甜香韵、青香韵，且烟气整体飘逸感明显好于云烟105 和云烟207；
云烟105 和云烟207 烟叶清香型风格特色彰显不足，且云烟207 烟气劲头偏大；
云烟116 烟叶风格特征与当前丽江金沙江生态区主栽品种云烟87 较为接近，但较云烟87 的烟气浓度稍偏大，清甜香韵的彰显略弱。
表3 权向量计算相关数据Table 3 Related data of weight vector calculation
表4 丽江金沙江生态区不同品种C3F 等级烟叶风格特征Table 4 Characteristics of C3F grade tobacco leaf in Jinsha River Ecological region of Lijiang
2.2 不同品种烟叶工业适用性评价
2.2.1 判断矩阵一致性检验结果
通过计算，上述构建的判断矩阵A一致性比率CR＝0.0177，CR值小于0.1，说明判断矩阵具有一致性，评价指标的权重分配合理，各指标权重值为表3 中对应的Wi值。
2.2.2 构建无量纲规范化矩阵
根据江苏中烟对丽江金沙江生态区优质烤烟化学成分需求，本研究中中部烟叶烟碱、总糖含量的下临界值x1分别为10.0、1.0，上临界值x2分别为40.0、3.5，最优值下限x3分别为29.0、1.6，最优值上限x4分别为37.0、2.4；
钾含量按S型隶属函数S(x)无量纲化处理(下临界值x1为1.00，上临界值x2为1.80)，构建规范化矩阵Z。
2.2.3 构建决策矩阵
将各指标的权重值Wi(表3)与规范化矩阵Z中j列相乘得到决策矩阵R(表5)。
表5 决策矩阵RTable 5 Decision matrix R
2.2.4 理想解和负理想解矩阵
根据公式计算出理想解矩阵为M＋＝{0.032 1，0.028 5，0.019 4，0.088 7，0.095 1，0.050 4，0.230 7，0.230 7，0.139 2，0.085 2}，负理想解矩阵为M-＝{0.028 5，0.025 7，0.017 0，0.061 6，0.072 3，0.044 1，0.180 3，0.200 9，0.103 2，0.061 4}。
2.2.5 烟叶质量综合评价结果(Ci值)
按照Ci值的大小对烟叶的工业可用性进行综合评价。连续2 年试验结果表明，丽江金沙江生态区不同烤烟新品种烟叶工业适用性表现为:云烟116(0.729 0)＞云烟105(0.611 8)＞云烟207(0.366 1)(表6)。在丽江金沙江生态区生态气候条件下，新品种中，云烟116 烟叶的工业适用性最高，且其综合质量最接近当前主栽品种云烟87，可作为丽江金沙江生态区云烟87 的首选替代新品种；
云烟207 烟叶工业适用性较差，不适宜在该地区种植。
表6 综合评价结果Table 6 The result of comprehensive evaluation
在现有卷烟工业原料采购调拨模式下，烤烟品种的优劣直接决定了烟叶原料品质的好坏，如果针对各个性状对不同品种一一进行评价，步骤很繁琐。因此，笔者用一种操作简便、处理结果准确的方法将同一种植区域不同品种的多个性状结合起来，从卷烟工业原料使用角度对各品种烟叶的工业可用性进行客观评价。本研究建立的烟叶质量评价方法可同时考虑烟叶外观质量、化学成分、感官质量，而前人评价原料烟叶工业可用性多集中在烟叶品质的某一方面。如蒋佳磊等[12]运用隶属关系和AHP 法建立的烟草化学成分可用性指数(CCUI)对我国各大产区烟叶可用性进行了研究。在指标权重分配上，本研究采用层次分析法(AHP)为后续DTOPSIS 法中各指标提供合理权重，较其它指标权重的确定方法(如主成分分析法、专家打分法等[13])更好。因为其根据统一尺度运用各性状间两两比较的方法分层确定权重，以组合权重计算综合指数，减少了不同研究者根据自己的经验主观定权存在的偏差对各指标权重的赋值的影响。且常规DTOPSIS 评价法一般采用最优指标来处理中性指标。为了进一步提高评价结果的准确性，本研究在DTOPSIS 法的无量纲化处理环节中，针对烟叶总糖、烟碱和钾含量3 项指标，引入抛物线和S 型隶属度函数，使指标在最优范围内的评价结果相同，有效提高了烟叶质量评价结果的科学性。
本研究将AHP 法和DTOPSIS 法相结合应用于烟叶工业可用性评价，但在指标的选择、各指标的权重分配及普适性方面还有待进一步验证。且根据最终模型对不同烤烟品种综合质量评价的结果来看，2020 年，参试品种在大田生育期遭遇了较为严重的干旱天气，云烟105 和云烟207 烟叶综合质量明显下降，抗逆性较差，而云烟87 和云烟116 的抗逆性较好；
在2020 年逆境条件下，云烟116 烟叶Ci值超过云烟87，排名第一，说明该品种烟叶工业可用性仍存在较大的提升空间。虽然目前云烟116 烟叶清甜香韵彰显程度和烟气飘逸感稍弱于云烟87，但可通过采取适当增加钾肥施用量、调整移栽期等相关农艺措施进一步改善烟叶内在品质，更好的彰显云烟116 烟叶的清甜香韵。因此，云烟116 可作为丽江金沙江生态植烟区主栽品种云烟87 的首选替代升级品种。
本试验利用优化的DTOPSIS 法对云南丽江金沙江生态区烤烟新品种烟叶的工业适用性进行评价，结果为:云烟116＞云烟105＞云烟207。各品种的烟叶品质风格特征均为清香型，且以干草香、清甜香和青香为主体香韵，香气状态均表现为飘逸。云烟116 烟叶清香型风格彰显程度优于云烟105 和云烟207，并且综合质量与当前丽江金沙江生态区主栽品种云烟87 极为接近，可作为云烟87 的首选替代升级新品种；
云烟207 烟叶工业可用性差，不建议在该地区继续种植。
