膜下滴灌技術(shù)綜合效益評價方法初步研究

牛靖冉，王春霞，何新林，黃 丹

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.新疆北控水務(wù)有限公司，烏魯木齊 830001)

0 引 言

膜下滴灌作為一種高效的節(jié)水灌溉技術(shù)，自新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團于1996年引入至今，技術(shù)不斷成熟，前人革命性的將滴灌與覆膜技術(shù)相結(jié)合，使其不僅擁有滴灌技術(shù)節(jié)水的特點而且覆膜技術(shù)也使其達到了抑制棵間蒸發(fā)、增溫保墑的效果[1,2]，滴灌帶的自主生產(chǎn)也使其成本不斷降低。技術(shù)的進步使其在中國的干旱與半干旱地區(qū)廣泛推廣，僅新疆地區(qū)就有200 萬hm2的耕地在使用膜下滴灌技術(shù)，產(chǎn)生了巨大的社會與經(jīng)濟效益[3]，尤其是大幅度提高了田間水利用效率[4,5]，目前技術(shù)也朝著“技術(shù)集成”以及“自動化”的方向發(fā)展[6]。但是隨著我國可持續(xù)發(fā)展理念的深入以及生態(tài)環(huán)境的進一步惡化，人們更加關(guān)心的是節(jié)水灌溉技術(shù)所能產(chǎn)生的環(huán)境及生態(tài)效益。所以，對于膜下滴灌技術(shù)的評價有必要從單一的經(jīng)濟效益及社會效益的評價提升到一個綜合效益評價的高度。膜下滴灌的綜合效益即是從經(jīng)濟、環(huán)境、社會效益三個方面全面客觀的對該技術(shù)的可行性進行評價，膜下滴灌技術(shù)經(jīng)過多年的研究，其發(fā)展已經(jīng)遇到了瓶頸，所以為了找到一個兼顧經(jīng)濟、環(huán)境、社會效益的發(fā)展方向，有必要對膜下滴灌的綜合效益進行評價。

學(xué)術(shù)界也有人對此做出了一些研究。朱美玲[7]對干旱綠洲灌區(qū)高效節(jié)水灌溉技術(shù)設(shè)計了一套評價指標體系。陳曉東[8]對烤煙膜下滴灌從節(jié)水效率和經(jīng)濟效益兩個方面進行了評價，并且認為膜下滴灌的使用可以帶來良好的生態(tài)及經(jīng)濟效益。李曉淵[9]從農(nóng)戶的收益角度出發(fā)，為干旱區(qū)高效節(jié)水灌溉技術(shù)設(shè)計了一套評價模型，對其經(jīng)濟合理性進行評價。黃丹[10]設(shè)計了一套針對膜下滴灌微咸水灌溉的輪灌順序的評價模型，并且通過該模型評價出了最優(yōu)的輪灌順序?？偨Y(jié)前人的研究，發(fā)現(xiàn)缺少專門針對與膜下滴灌的綜合效益評估的研究。所以，本文設(shè)計了一套膜下滴灌的綜合效益的評價指標體系。通過該指標體系，以新疆最典型的經(jīng)濟作物-棉花為例，在膜下滴灌條件下對其兩年的綜合效益進行了評價及對比。本文希望通過構(gòu)建一套能夠全面客觀的評價膜下滴灌技術(shù)的綜合效益的評價方法，為膜下滴灌技術(shù)未來的應(yīng)用推廣及發(fā)展方向提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2013-2014年在石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室進行，該實驗室位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)八師西郊(44°18′N，86°02′E)。該地區(qū)氣候為中溫帶干旱區(qū)氣候，年均降水量為213 mm，年均蒸發(fā)量為1 342 mm。屬于典型的綠洲農(nóng)業(yè)[10]。該試驗站全部使用滴灌技術(shù)種植棉花的有2 hm2，種植方式采取了典型的一膜兩管四行，膜寬140 cm，其中窄行為30 cm，寬行為60 cm，株距為10 cm。

1.2 試驗設(shè)置

該試驗以當(dāng)?shù)刂饕慕?jīng)濟作物棉花為研究對象，選取的棉花品種為新陸早7號，該品種在當(dāng)?shù)鼐哂幸欢ǖ牡湫托约按硇浴Ｃ磕甑?月1日采用“干播濕出”方式播種。全生育期內(nèi)的灌水量為4 395 m3/hm2，灌水次數(shù)為11次，灌水間隔為7 d，滴頭間距為30 cm，滴頭流量為3.0 L/h。另外，生育期內(nèi)施肥量為尿素300 kg/hm2、磷肥150 kg/hm2。該實驗共布種3膜棉花，面積為5.5 m×10 m。為了防止土壤的測漏，兩邊的膜作為保護區(qū)，中間的膜作為實驗數(shù)據(jù)的收集區(qū)。

取樣點隨機分布在棉田，設(shè)置5處，并用竹竿做標記，測定時期分別為苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期。進行取土樣時是以滴頭為中心，在滴頭下方、棉株位置、膜內(nèi)及膜間的中間位置取樣，即圖1中的b、c、a、d位置，取樣深度為0～5、5～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm，相同位置相同土層的土樣混合后測定；棉株的生長調(diào)查在取土樣點的附近，并掛上吊牌進行標識；棉花產(chǎn)量在取土樣點的附近隨機選取長勢一致的2 m×10 m區(qū)域測定。

中間的膜作為實驗數(shù)據(jù)的收集區(qū)。

圖1 膜下滴灌種植模式及取樣示意圖[10]

1.3 測定的項目及其方法

1.3.1 灌水量的測定

額定灌水量為4 395 m3/hm2，每次灌水前后記錄水表數(shù)據(jù)以及灌水時間來得到實際灌水量。

1.3.2 土壤含水率的測定

測定土壤含水率的方法為土壤烘干法。

1.3.3 土壤含鹽量的測定

將土樣制成1∶5浸提液，用DDP-210便攜式電導(dǎo)儀測試其電導(dǎo)率，再將所得數(shù)據(jù)根據(jù)標定系數(shù)換算為土壤鹽，電導(dǎo)率與土壤含鹽量之間具有良好的線性關(guān)系，其方程為y=0.000 6x(R2=0.933)。

1.3.4 棉花理論產(chǎn)量的測定

選取長勢均勻的2 m寬膜，根據(jù)其棉桃吐絮重量計算得到棉花理論產(chǎn)量。

1.4 綜合效益評價方法的建立

因為用于評價膜下滴灌的指標眾多，如果不對這些指標進行篩選，工作量將會十分巨大而且這些指標之間存在著自相關(guān)性會降低評價結(jié)果的精度。如何從眾多指標中選取出能夠全面反映膜下滴灌的綜合效益的指標且避免其自相關(guān)性成為該項工作的重點及難點。

構(gòu)建一套科學(xué)合理的評價指標體系，是對膜下滴灌技術(shù)的綜合效益評價的基礎(chǔ)。對于評價指標體系的構(gòu)建需遵循以下步驟：

(1)首先明確指標體系內(nèi)部的層次結(jié)構(gòu)以及邏輯關(guān)系，根據(jù)實際情況，將指標體系分為目標層、準則層及指標層，從而構(gòu)建出指標體系的基本框架。

(2)然后依據(jù)各個準則層盡可能多的收集能夠反映該準則層的指標，指標可以通過咨詢專家或者從閱讀文獻中獲得。

(3)最后是對指標的篩選，總的原則是篩除掉無效及重復(fù)的指標，具體的方法是通過專家的經(jīng)驗進行篩選和對其進行獨立性分析，篩選出來的指標應(yīng)具備以下特征：①選取出的指標具備清晰的概念、能夠準確地抓住評價目標的本質(zhì)。②選取被學(xué)術(shù)界所認可的、有一定科學(xué)理論支撐的指標。③避免人為因素的干擾，盡量做到客觀合理。④指標所需要的數(shù)據(jù)要便于收集，便于計算、具備可比性。

(4)最終選取了6個指標分別為公頃凈效益、經(jīng)濟效益費用比、平均含水率[10]以及脫鹽率還有推廣示范作用和農(nóng)民素質(zhì)的提升[12]，構(gòu)建出如表1所示的評價指標體系。

表1 膜下滴灌綜合效益評價指標體系

1.5 指標的定義及其計算方法

1.5.1 經(jīng)濟效益指標

(1)每公頃的凈效益 (C1)。每公頃的總投資與其總收益之差為其凈效益，該指標可以直接反映該技術(shù)的產(chǎn)出效益，其計算公式為：

p=o-k

(1)

式中：p代表每公頃的凈收益，元/hm2；o代表每公頃的總產(chǎn)值，元/hm2；k代表每公頃的總投資，元/hm2，包括膜下滴灌設(shè)備所需的安裝運行費用；設(shè)備、工具的購置費平均到每公頃上以及每公頃平均的種植投入費用。

(2)經(jīng)濟效益費用比(C2)。經(jīng)濟效益費用比是用來評定某一工程的經(jīng)濟可行性的常用指標，它可以體現(xiàn)出單位投資所獲得的效益，其計算公式為：

(2)

1.5.2 環(huán)境效益指標

(1)平均含水率(C3)。土壤的含水率是用來衡量土壤水分含量高低的指標。用烘干法測定，具體計算公式為：

(3)

式中：w%為平均含水率；w1為土壤濕重；w2為土壤干重。

將0～60 cm的土壤含水率取平均得到土壤平均含水率，再將全試驗期內(nèi)的土壤平均含水率取平均得到該年的平均含水率。

(2)脫鹽率(C4)。由于膜下滴灌淺灌的特點，只能對一定深度的土壤達到較好的淋洗效果，并沒有改變鹽分累積的總體趨勢，長期使用會產(chǎn)生次生鹽堿化問題[11]。鹽分的累積會造成土壤環(huán)境的惡化，不利于作物的生長，所以這項指標是評價膜下滴灌工程環(huán)境效益的重要指標。通過對0～60 cm的土壤初始以及試驗終期的平均含鹽量進行比較來得到土壤含鹽量的變化，計算公式如下：

Δs=sa-sb

(4)

該值為正即為脫鹽，反之為積鹽，脫鹽率由Δs/sa求得。

1.5.3 社會效益指標

(1)推廣示范作用(C5)。膜下滴灌技術(shù)是一種高效的節(jié)水灌溉技術(shù)，其節(jié)省成本、增產(chǎn)增效的優(yōu)勢可以使其起到良好的推廣示范作用，有利于該節(jié)水灌溉技術(shù)在該地區(qū)的普及。

(2)農(nóng)民素質(zhì)的提升(C6)。膜下滴灌技術(shù)不同于一般的灌溉技術(shù),其不僅依靠現(xiàn)代化的基礎(chǔ)設(shè)施,也需要人為的管理,所以需要對農(nóng)民進行培訓(xùn),通過農(nóng)民切身的體會膜下滴灌技術(shù)獨特的水肥管理理念和設(shè)施所帶來的效益及便捷,改變他們對于傳統(tǒng)的灌溉方式及水肥管理理念的看法,對于農(nóng)民自身素質(zhì)的提升有著積極的作用。由于社會效益的評價指標均為定性指標，其內(nèi)容比較抽象，無法用具體的數(shù)值直接計算出來，所以需要對社會效益的指標進行量化處理，具體的方法為專家打分法，將指標的水平劃分為極好、較好、一般、差，其分數(shù)分別為100、80、60、40。其結(jié)果見表2。

表2 社會效益指標評價結(jié)果

其中，評分1和評分2分別代表2012及2013年兩年的指標的評價，其評價結(jié)果均為較好(分數(shù)為80分)[12]。

1.6 指標的標準化處理

由于各個指標的計量單位與物理意義不相同，所以在進行綜合效益的計算前，需要對已經(jīng)計算出來的各個指標進行無量綱化處理，具體的方法為比重法，其計算公式為：

(5)

1.7 指標權(quán)重的確定

因為各個指標對最終結(jié)果的影響程度不同，所以在進行最終效益的計算之前，需要對各個指標的權(quán)重進行計算，計算方法用的是層次分析法。

層次分析發(fā)是一種定性與定量分析相結(jié)合的多目標決策的分析方法。該方法的具體思路是將復(fù)雜的問題先整理分解為若干層次和若干因素，對這些指標的重要程度進行兩兩之間的比較，構(gòu)建出判斷矩陣，通過對判斷矩陣的最大特征值以及特征向量的計算，就可以得到各個指標的權(quán)重。具體步驟如下：

構(gòu)建判斷矩陣，以A為最終的目標ui代表各個指標(i=1,2，…,n)。uij表示ui與uj通過兩兩之間相對重要性的比較所得到的數(shù)值(也稱標度)，其取值方法見表3。

通過表3對各個指標根據(jù)實際情況進行一一比較，最后即可得到判斷矩陣P:

(6)

表3 判斷矩陣標度

(1)各個指標的權(quán)重的確定需要對判斷矩陣的最大特征值及其特征向量進行計算，所得最大特征向量的各分量即為各個指標的權(quán)重值。具體步驟為：

①首先將各行元素相乘，其結(jié)果記為mi；

(7)

(8)

③將各行所得的?(i=1,2,…,n)進行歸一化處理，最后得出特征向量ω=(ω1,ω2,ω3,…,ωn)；④計算最大特征值λmax；⑤層次分析法受人的主觀因素影響有時候計算出的結(jié)果不具備一致性而導(dǎo)致最終結(jié)果的不可靠，所以需要對最終的計算結(jié)果進行一致性檢驗。其具體步驟為：

首先，計算判斷矩陣P的指標CI來對其進行一致性檢驗。

(9)

之后，通過查表4得到RI即判斷矩陣的平均隨機一致性指標。求得一致性比例CR。

(10)

若CR<0.1，則該判斷矩陣符合一致性檢驗的要求，若CR≥0.1，則該判斷矩陣不符合一致性檢驗要求，需要對該判斷矩陣進行修正。

表4 平均隨機一致性指標RI[10]

1.8 評價方法

膜下滴灌技術(shù)的影響范圍廣泛，評價指標眾多，涵蓋經(jīng)濟、環(huán)境、社會三大領(lǐng)域，且具有層次性。綜上考慮用如下數(shù)學(xué)模型對眾多因素進行綜合計算：

(11)

式中:rij為各個指標無量綱化處理后的數(shù)值；aij為各個指標的權(quán)重值；ai為準則層三大效益的權(quán)重值。

2 結(jié)果與分析

2.1 指標權(quán)重的計算結(jié)果

依據(jù)第二節(jié)所提到的層次分析法來計算各個指標的權(quán)重，其計算結(jié)果見表5。

表5 指標權(quán)重計算結(jié)果

各指標權(quán)重的計算結(jié)果的平均隨機一致性比例CR均滿足表4的要求，可知各判斷矩陣具有良好的一致性。

2.2 指標的標準化處理

依據(jù)公式(5)來對各指標進行標準化處理，處理結(jié)果見表6。

表6 2012-2013年指標的標準化處理

2.3 膜下滴灌綜合效益的計算

用公式(11)，來計算膜下滴灌的綜合效益，其計算結(jié)果見表7。

表7 綜合效益計算結(jié)果

通過表6及表7的計算結(jié)果可以看出兩年的各類效益以及綜合效益都有所波動。

(1)在經(jīng)濟效益方面2013年略高于2012年，2013年與2012年的投資及產(chǎn)量差異較小，究其主要原因是棉花價格的波動，2012年的棉花價格僅為7.7 元/kg，2013年上升至8.6 元/kg。

(2)在環(huán)境效益方面，2013年明顯高于2012年。其主要原因是由于鹽分含量的波動受氣候影響較大，2012年為干旱年，降水較少，蒸發(fā)強烈，土壤中的鹽分很多被蒸發(fā)到了土壤上層，而2013年相對降水充沛，土壤中的鹽分得到了很好的淋洗，尤其是2013年年初，大量的積雪開始融化，雪水不斷的滲入土壤深處同時也將鹽分帶走。

(3)在社會效益方面，由于膜下滴灌技術(shù)便捷的操作，廉價的設(shè)施以及良好的經(jīng)濟效益使其推廣及示范的效果在這兩年處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)。而且其獨特的灌水方式和不同于傳統(tǒng)灌溉方式的水肥管理理念，使農(nóng)民在學(xué)習(xí)中掌握知識，素質(zhì)穩(wěn)步提升。

(4)在綜合效益方面可以看出2013年的綜合效益明顯高于2012年，這是由于棉花市場價格的波動以及降水量等因素所造成的。所以，為了來年膜下滴灌技術(shù)綜合效益的提升，可以通過政府干預(yù)來調(diào)控棉花價格以及在大旱年適當(dāng)?shù)恼{(diào)整灌溉制度等措施來穩(wěn)定脫鹽率。

3 討 論

膜下滴灌技術(shù)引用幾十年來，以其獨特的節(jié)水節(jié)肥及高產(chǎn)的特點，為人們帶來可觀的經(jīng)濟效益。但是其壓鹽效果及對地下水的補給作用不及漫灌，其現(xiàn)代化的灌溉技術(shù)讓農(nóng)民在學(xué)習(xí)過程中素質(zhì)能否得到顯著提升、其造成的社會影響有多大，將這些綜合考慮起來，膜下滴灌技術(shù)能產(chǎn)生多大效益？本文通過田間試驗以及社會調(diào)查對膜下滴灌兩年的綜合效益進行了評價，找到了兩年效益變化的原因，驗證了其實用性，以期為膜下滴灌更好地發(fā)展提供指導(dǎo)。

對于膜下滴灌技術(shù)綜合效益的評價，國內(nèi)外的學(xué)者做了很多的研究。在生態(tài)及經(jīng)濟效益方面，本文選取了四個指標，重點從投資的凈效益及水鹽方面的影響考慮，這與陳曉冬[8]在評價烤煙膜下滴灌時選取的評價指標大體一致，但是在環(huán)境方面，他沒有考慮鹽分累積的問題，膜下滴灌由于其淺灌的特點，導(dǎo)致其鹽分的淋洗效果不如漫灌等傳統(tǒng)的灌溉方式，它會讓土壤鹽分在一定深度聚集，形成一個殼狀的鹽層，這也是滴灌技術(shù)所存在的一個缺陷，所以鹽分累積是需要考慮進去的。同樣，朱美玲在對干旱綠洲農(nóng)業(yè)高效用水進行評價時，從技術(shù)本身及使用者兩個角度考慮，對其經(jīng)濟及社會效益進行了充分的考慮，但是沒有考慮到鹽分累積等一些環(huán)境問題。

在社會效益方面，膜下滴灌良好的經(jīng)濟效益帶來了良好的推廣示范作用。其現(xiàn)代化的灌溉理念，改變了農(nóng)戶對于傳統(tǒng)灌溉方式的看法，通過對現(xiàn)代化的灌溉技術(shù)的學(xué)習(xí)以及實際的操作來提升自身的素質(zhì)。這與董偉偉[12]在對新疆國家農(nóng)作物原種場棉花節(jié)水灌溉項目效益分析與風(fēng)險評價時，所得到的結(jié)論基本一致。

膜下滴灌技術(shù)通過局部灌溉的方式，僅濕潤植物根系，有效避免了灌溉水的浪費，其良好的經(jīng)濟效益使得其大面積推廣并讓農(nóng)戶在使用過程中適應(yīng)現(xiàn)代化的灌溉理念，素質(zhì)得以提升。但是其一系列的設(shè)備購置及安裝費用又比傳統(tǒng)灌溉多出了一部分投入。淺灌的特點又使得鹽分無法淋洗到土壤深處。前人對滴管技術(shù)評價設(shè)計出了自己的評價指標體系，但是側(cè)重點不同，評價效果也不盡相同。本文在前人基礎(chǔ)上多考慮了可持續(xù)發(fā)展的理念，重點考慮了鹽分累積的影響。但是該評價指標體系還有很多方面沒有考慮到，評價結(jié)果的全面性還有所欠缺，在以后的研究工作中通過考慮膜下滴灌技術(shù)的自動化發(fā)展、田間布置方式的改變、灌溉水質(zhì)的變化、滴灌管理水平的提高等因素，來完善該評價指標體系，使評價效果更加全面準確。

4 結(jié) 語

本文建立了膜下滴灌綜合效益的評價方法，以新疆典型的經(jīng)濟作物-棉花兩年的綜合效益為例，對它進行了評價。得到了2012及2013兩年的效益評價結(jié)果。通過兩年的試驗數(shù)據(jù)的評價結(jié)果也可以分析出效益波動的原因，驗證了其實用性，可以在一定程度上評價膜下滴灌技術(shù)的綜合效益，為其更好的發(fā)展提供方向。