基于模糊數(shù)學(xué)法評價甲基溴及其替代技術(shù)

摘要：為履行《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》規(guī)定，運用模糊數(shù)學(xué)綜合評判法，探討了甲基溴及其替代技術(shù)在土壤熏蒸過程中的各項因素，構(gòu)建了作物產(chǎn)量、作物品質(zhì)、病蟲害防治效果、技術(shù)安全、操作過程、環(huán)境影響、應(yīng)用時長和投入成本8個指標(biāo)集，并劃分了模糊評判集，綜合評估了生姜、草莓作物甲基溴及其替代技術(shù)。生姜作物綜合評估結(jié)果為甲基溴（83.61）>氯化苦（79.06）>棉?。?8.03）>威百畝（69.07），草莓作物綜合評估結(jié)果為甲基溴（69.13）>氯化苦（64.60）>棉?。?6.80）。各單項指標(biāo)評價結(jié)果表明，甲基溴在作物產(chǎn)量、作物品質(zhì)、防治效果以及應(yīng)用時長等4個指標(biāo)上均高于各項替代技術(shù)，但由于自身毒性、對臭氧層物質(zhì)消耗以及受生產(chǎn)管控等因素的影響，在其余指標(biāo)上低于替代技術(shù)；氯化苦在作物產(chǎn)量、作物品質(zhì)和病蟲害防治效果等6項指標(biāo)上均高于其他替代技術(shù)，但由于為劇毒農(nóng)藥，而在技術(shù)安全和操作過程2項指標(biāo)上低于其余替代技術(shù)。以上結(jié)果表明，生姜作物和草莓作物主流替代技術(shù)的消毒效果并不具備甲基溴的廣譜性，當(dāng)前最佳替代技術(shù)為氯化苦。

關(guān)鍵詞：甲基溴；替代技術(shù)；模糊數(shù)學(xué)綜合評判法；技術(shù)評估

中圖分類號：S472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）14-3626-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.021

Abstract： To fulfill The Montreal Protocol on Ozone Depleting Substances， fuzzy mathematics comprehensive evaluation method was used to discuss the effect of methyl bromide and its alternatives on the process of soil fumigation. The factors included crop yields， crop quality， pest control， technical safety， technical operation， environmental impact and costs， which were divided into fuzzy evaluation set to assess effect of methyl bromide and its alternatives on the ginger and strawberry comprehensively. The results showed that the order of effect on ginger was bromide（83.61）>chloropicrin（79.06）>dazomet（78.03）>metam sodium（69.07）， the order of effect on strawberry was bromide（69.13）>chloropicrin（64.60）>dazomet（56.80）. The comprehensive results showed that methyl bromide was higher than the alternatives in four factors such as crop yields， crop quality， control effect and time of technical operations， but it was worse than the alternatives because of the toxicity of methyl bromide and its consumption of O3 as well as production controlling. Chloropicrin was better than other alternatives in six indicators including crop yields， crop quality and pest control， but it was a highly toxic pesticide so that it was worse than other alternatives in the process of technical and operational safety. These results suggested that the effect of mainstream alternatives on the ginger and strawberry did not have the broad spectrum of methyl bromide， and currently， chloropicrin was the best alternative technology.

Key words： methyl bromide； alternative technologies； fuzzy mathematics comprehension evaluation method； technology evaluation

甲基溴是一種用途廣、作用大、操作簡便的高效、廣譜土壤熏蒸劑，土壤穿透力強并能迅速作用于靶標(biāo)生物，在農(nóng)業(yè)中用于土壤消毒可防治真菌、細(xì)菌、土壤線蟲、昆蟲和雜草等，尚未發(fā)現(xiàn)對甲基溴有抗藥性的有害生物[1]。甲基溴自20世紀(jì)40年代開始應(yīng)用以來，一直是世界上應(yīng)用最廣泛的熏蒸劑。但是，甲基溴是一種顯著的臭氧層消耗物[2]，用于土壤消毒的甲基溴約30%～85%到達(dá)大氣，成為危害人類和環(huán)境安全的污染物，終究將被其他技術(shù)所替代[3]。為履行《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》規(guī)定，2015年1月1日起將全面禁止甲基溴在農(nóng)業(yè)行業(yè)的應(yīng)用。因此，各國都在為逐步淘汰甲基溴而不斷努力[4]，而篩選有效甲基溴替代技術(shù)則需要對各項技術(shù)進(jìn)行合理的評估[5]。

中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，集約化、專業(yè)化程度迅速提高。農(nóng)戶為了提高收入，在高附加值經(jīng)濟作物種植過程中，同一種農(nóng)作物常年連作，形成連作障礙，造成產(chǎn)量降低、品質(zhì)變劣、生育狀況變差的現(xiàn)象。甲基溴防治土傳病蟲害效果明顯而得到廣泛的應(yīng)用和推廣[6]。自2008年以來，中國以草莓、生姜和蔬菜為目標(biāo)作物，在河北和山東等項目區(qū)采用化學(xué)替代品和非化學(xué)替代等多種新技術(shù)和新產(chǎn)品，開展了甲基溴替代技術(shù)的研究、應(yīng)用。

模糊綜合評判法是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，將技術(shù)評估中不易定量的因素結(jié)合層次分析法定量化，從多個因素對被評估對象隸屬等級狀況進(jìn)行綜合性評估的方法。該方法充分體現(xiàn)了評價因素和評價過程的模糊性，又盡量減少個人主觀臆斷的弊端，比一般的評比打分方法更符合客觀實際[7]，在環(huán)境評價、資源調(diào)查以及農(nóng)業(yè)耕地質(zhì)量評價中已被廣泛應(yīng)用[8-11]，然而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)評估中未見報道。本研究采用模糊數(shù)學(xué)綜合評判法，探討甲基溴及其替代技術(shù)在土壤熏蒸過程中的各項因素，構(gòu)建模糊數(shù)學(xué)綜合評估模型，綜合評估甲基溴及其替代技術(shù)，以生姜、草莓作物為評估對象，深入分析各項替代技術(shù)特征，為中國順利淘汰甲基溴提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 技術(shù)評估對象

通過現(xiàn)場調(diào)研、專家座談等方式，明確了中國目前主要應(yīng)用在生姜、草莓兩種作物上的甲基溴替代技術(shù)，即技術(shù)評估對象。其中生姜作物甲基溴替代技術(shù)主要是氯化苦、棉隆和威百畝，草莓作物甲基溴替代技術(shù)主要是氯化苦和棉隆。

1.2 選擇技術(shù)評估專家

針對生姜、草莓作物甲基溴及其替代技術(shù)應(yīng)用狀況，綜合考慮技術(shù)研究與技術(shù)應(yīng)用，分別篩選技術(shù)評估專家。其中技術(shù)應(yīng)用評估專家分別考慮生姜、草莓作物的甲基溴及其替代技術(shù)主要應(yīng)用地區(qū)的農(nóng)業(yè)部門。

1.2.1 生姜作物評估專家 生姜作物技術(shù)評估專家共選擇18位。技術(shù)研究專家5位，主要來自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所、全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心、北京市植物保護站和農(nóng)業(yè)部農(nóng)藥檢定所；技術(shù)應(yīng)用專家13位，主要來自山東省煙臺市、萊蕪市和濰坊市。

1.2.2 草莓作物評估專家 草莓作物技術(shù)評估專家共選擇15位。技術(shù)研究專家5位，主要來自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所、全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心、北京市植物保護站和農(nóng)業(yè)部農(nóng)藥檢定所；技術(shù)應(yīng)用專家10位，主要來自北京市昌平區(qū)、河北省保定市清苑縣、滿城縣、順平縣和徐水縣。

1.3 構(gòu)建模糊評估指標(biāo)集

對生姜、草莓作物甲基溴及其替代技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，形成符合技術(shù)目標(biāo)評估指標(biāo)集。初步擬出評估指標(biāo)集之后，進(jìn)一步征詢甲基溴及其替代技術(shù)有關(guān)專家的意見，對指標(biāo)進(jìn)行篩選、修改和完善。

X={X1，X2，…X8}

X為甲基溴及其替代技術(shù)指標(biāo)，共有8個指標(biāo)。甲基溴及其替代技術(shù)綜合評估指標(biāo)集及其說明如下：①作物產(chǎn)量指應(yīng)用甲基溴或替代技術(shù)后，作物的產(chǎn)量情況。②作物品質(zhì)指應(yīng)用甲基溴或替代技術(shù)后，作物的品質(zhì)情況。③病蟲害防治效果指應(yīng)用甲基溴或替代技術(shù)后，作物的病蟲害防治效果。④技術(shù)自身安全指甲基溴或替代技術(shù)自身的危害，如氯化苦熏蒸劑具有毒性。⑤技術(shù)操作過程指應(yīng)用甲基溴或替代技術(shù)操作過程的難易程度，主要包括是否需要輔助專業(yè)機械、機械復(fù)雜程度及安全性等。⑥技術(shù)環(huán)境影響指應(yīng)用甲基溴或替代技術(shù)對地下水污染、空氣污染以及土壤殘留污染等。⑦技術(shù)應(yīng)用時長指甲基溴或替代技術(shù)的應(yīng)用時間長短。⑧技術(shù)投入成本指應(yīng)用甲基溴或替代技術(shù)的投入成本大小。

1.4 確定評判集

每個技術(shù)評估指標(biāo)對應(yīng)一個模糊評判集。

V={V1，V2，…V5}

V為甲基溴及其替代技術(shù)評估數(shù)值。評判等級設(shè)為優(yōu)、良、中、低、差5個等級，評估數(shù)值分別對應(yīng)為0.9、0.7、0.5、0.3、0.1。

1.5 建立模糊關(guān)系矩陣

評判等級模糊集確定后，請生姜、草莓作物的技術(shù)評估專家分別就甲基溴及替代技術(shù)每個指標(biāo)進(jìn)行評判，獲得各項技術(shù)指標(biāo)集（X8）的模糊評判集（V5）。其次，從生姜、草莓作物每個技術(shù)的每個評估指標(biāo)，確定待評對象各等級模糊集的隸屬度，進(jìn)而構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣。

R=r11 r12 … r1mr21 r22 … r2m… … … …rn1 rn2 … rnm

r表示待評估對象從第i個指標(biāo)考慮對第j個評判等級模糊集的隸屬度。

1.6 確定評估指標(biāo)模糊權(quán)向量

通常狀況下，每種作物每種技術(shù)的評價指標(biāo)對評估目標(biāo)的重要程度是不一樣的，因此還需要模糊權(quán)向量。

W={W1，W2，…W8}T

W為各個指標(biāo)的權(quán)重。綜合評估指標(biāo)集確定后，采用層次分析法，確定每個指標(biāo)的相對重要度，即明確各個指標(biāo)的權(quán)重（表1）。

1.7 計算技術(shù)模糊綜合評價結(jié)果向量

利用模糊合成算法將權(quán)向量W與模糊關(guān)系矩陣R合成計算甲基溴及其替代技術(shù)的模糊綜合評價結(jié)果向量S。

由于評估專家數(shù)量以及對各項技術(shù)熟悉程度的不同，因此對各項評估結(jié)果進(jìn)行概率化轉(zhuǎn)換，以便對各項結(jié)果進(jìn)行縱向和橫向比較。綜合評價結(jié)果通常是甲基溴及替代技術(shù)的綜合值，即通過對多個甲基溴及替代技術(shù)的綜合分值進(jìn)行排序。模糊綜合評價的結(jié)果為模糊向量。

2 結(jié)果與分析

2.1 模糊數(shù)學(xué)綜合評判法結(jié)果

通過模糊數(shù)學(xué)綜合評判法，計算得出生姜作物、草莓作物甲基溴及其替代技術(shù)的評估結(jié)果（圖1）。評價結(jié)果顯示，在生姜和草莓兩種作物上，甲基溴的評估分值最高，分別為83.61和69.13，說明兩種作物最優(yōu)的土壤熏蒸劑均為甲基溴。但由于在兩種作物上替代技術(shù)應(yīng)用效果的不同，甲基溴技術(shù)評估分值有所差異。

在生姜作物上，甲基溴替代技術(shù)評價結(jié)果為氯化苦（79.06）>棉?。?8.03）>威百畝（69.07）。評估結(jié)果表明，氯化苦和棉隆替代技術(shù)在整體水平上要明顯優(yōu)于威百畝。在草莓作物上，甲基溴替代技術(shù)氯化苦（64.60）優(yōu)于棉?。?6.80）。

2.2 模糊數(shù)學(xué)綜合評判法指標(biāo)集評估結(jié)果

從生姜和草莓作物各單項指標(biāo)評估結(jié)果來看（圖2），甲基溴在作物產(chǎn)量、病蟲害防治效果以及技術(shù)應(yīng)用時長等4個方面均明顯優(yōu)于各項替代技術(shù)，在作物品質(zhì)指標(biāo)上略高于替代技術(shù)。以上結(jié)果說明甲基溴能夠保證作物產(chǎn)量、有效防治病蟲害，并且土壤熏蒸時間最短，僅為2～3 d，而替代技術(shù)均在15～25 d以上，從而增加了作物的生長時間。

從技術(shù)自身安全指標(biāo)來看，各項技術(shù)排序為棉隆>威百畝>甲基溴>氯化苦。主要由于氯化苦和甲基溴同屬于劇毒農(nóng)藥，收錄于《危險化學(xué)品名錄（2012版）》，并且氯化苦毒性高于甲基溴，必須由專業(yè)熏蒸人員操作，而棉隆、威百畝均屬于低毒土壤熏蒸劑。從技術(shù)操作過程來看，棉隆>甲基溴>威百畝>氯化苦，其中棉隆操作以撒施為主，最為簡單；甲基溴為液化產(chǎn)品可直接熏蒸；威百畝需稀釋后噴灑施用；而氯化苦操作最為復(fù)雜，但由于在不同地區(qū)間施用技術(shù)培訓(xùn)與推廣不同而有所差異。從對環(huán)境影響來看，各項技術(shù)中甲基溴分值最低，因為甲基溴是一種臭氧層消耗物（臭氧消耗潛能為0.65），而其他土壤熏蒸劑擴散后均對環(huán)境無影響。在各項技術(shù)中，甲基溴技術(shù)投入成本指標(biāo)評價低于替代技術(shù)，主要由于中國作為《蒙特利爾議定書》締約國，按照甲基溴的限控和淘汰進(jìn)程，逐年降低用于農(nóng)業(yè)的甲基溴生產(chǎn)量，造成價格上漲，同時隨著國家對替代技術(shù)的不斷支持，替代技術(shù)價格保持穩(wěn)定。

3 小結(jié)與討論

本研究結(jié)果表明，目前中國生姜作物和草莓作物主流替代技術(shù)的消毒效果并不具備甲基溴的廣譜性。而不同作物有不同的病蟲害特點，因此，針對不同作物可能有不同的替代技術(shù)。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，部分常見作物上的土壤消毒替代技術(shù)已經(jīng)可以逐步替代甲基溴，并且效果良好，如異硫氰酸酯可以替代甲基溴防治番茄雜草[12]、威百畝和棉隆可以替代甲基溴防治煙草根結(jié)線蟲[13]等。然而，也有一些作物甲基溴替代技術(shù)效果并不理想，本研究結(jié)果顯示，無論草莓還是生姜，甲基溴都仍然是目前最有效的消毒技術(shù)。

中國是世界上生姜和草莓種植、生產(chǎn)最多的國家之一，長期的單一作物種植帶來了一系列病蟲害問題，對作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響極其嚴(yán)重，甲基溴是防治這些作物病蟲害的主要藥物，但隨著甲基溴的逐步淘汰，替代技術(shù)的研究也活躍起來，并形成了一些潛在有效的替代技術(shù)[14-17]，但受中國相關(guān)法規(guī)和環(huán)境條件的限制，目前中國生姜可用的替代技術(shù)主要有氯化苦、棉隆和威百畝等，而草莓主要的替代技術(shù)是氯化苦和棉隆，其中氯化苦的效果僅次于甲基溴。這些替代技術(shù)還不能達(dá)到甲基溴的施用效果，主要是因為生姜和草莓種植中病蟲害和雜草較多，根結(jié)線蟲病、真菌病、細(xì)菌病以及莎草等混雜，而甲基溴替代品如氯化苦等雖然對真菌和細(xì)菌等引起的病害有較好效果[14]，但對根結(jié)線蟲所造成病害的防治效果不佳[18，19]。此外，氯化苦的施用需要專業(yè)性極強的工具，對施藥人員和周圍環(huán)境需要設(shè)置專門的防護措施[20]；棉隆受溫度限制很大，低溫時消毒效果極差，在土壤中殘留時間長且易導(dǎo)致藥害[21]；威百畝需要結(jié)合滴灌系統(tǒng)施用才能更加有效，但中國草莓和生姜種植區(qū)普遍缺少滴灌系統(tǒng)[22]。盡管用于生姜和草莓上的替代技術(shù)仍達(dá)不到甲基溴的施用效果，但鑒于甲基溴的環(huán)境危害，根據(jù)蒙特利爾議定書協(xié)議，中國必須在2015年1月1日淘汰甲基溴在糧食、煙草和農(nóng)業(yè)行業(yè)的使用[23]。本研究表明，為達(dá)到協(xié)議要求，用氯化苦替代甲基溴是目前較為有效的手段，已有的一些研究也為這一結(jié)論提供了技術(shù)支撐[5，14]。但是，當(dāng)前還應(yīng)該借鑒國內(nèi)蔬菜作物上效果良好的甲基溴替代技術(shù)[24-26]，加強生姜和草莓作物上甲基溴替代技術(shù)的研發(fā)，為中國盡快淘汰甲基溴創(chuàng)造條件。

本研究針對甲基溴及其替代技術(shù)缺乏綜合評估的問題，基于模糊數(shù)學(xué)綜合評價方法，構(gòu)建了甲基溴及其替代技術(shù)指標(biāo)集，提出了甲基溴及其替代技術(shù)評估模型。應(yīng)用評估模型，綜合評估了生姜、草莓作物甲基溴及其替代技術(shù)，研究結(jié)果表明，目前中國生姜作物和草莓作物主流替代技術(shù)的消毒效果并不具備甲基溴的廣譜性，兩種作物最佳替代技術(shù)均為氯化苦，其次為棉隆和威百畝。

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