基于AHP-熵權(quán)法的農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)綜合效益評價

高金花，高曉珊，廉冀寧，柏 宇，王 莉

(1.長春工程學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，長春 130012；2.吉林省水工程安全與災(zāi)害防治工程實驗室，長春130012；3.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，武漢 430072)

0 引言

近年來，隨著人口的增長和耕地面積的減少，大力推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)對保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、緩解水資源短缺具有重要意義[1]。全國農(nóng)業(yè)工作會議提出以綠色發(fā)展、友好環(huán)境、帶動農(nóng)民增糧增收等為考核指標(biāo)，建立效益優(yōu)先、質(zhì)量興農(nóng)、綠色興農(nóng)的農(nóng)業(yè)考核評價體系。因此，建立農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)綜合評價體系不僅要注重經(jīng)濟(jì)效益，同時也要以社會效益、生態(tài)效益為抓手。由于節(jié)水灌溉技術(shù)種類較多，如何因地制宜地選擇科學(xué)合理的灌溉方式變得尤為重要。農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)綜合效益評價就是從多維角度出發(fā)，對不同農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)帶來的綜合效益進(jìn)行評估，從而選出最佳的節(jié)水灌溉技術(shù)，來輔助農(nóng)民及農(nóng)業(yè)主管部門。

吉林省西部地區(qū)是我國北方脆弱帶的一部分，也是世界三大蘇打鹽堿地集中分布區(qū)之一[2]。該地區(qū)干旱機(jī)率達(dá)68%～90%，糧食減產(chǎn)可達(dá)18億～23億kg，土壤鹽堿化面積已占該地區(qū)國土總面積的31%，干旱缺水和土壤鹽堿化等生態(tài)問題影響著吉林省西部地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形勢。目前，吉林省為響應(yīng)國家節(jié)水增糧的號召，已經(jīng)采取高效農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)，如膜下滴灌技術(shù)、暗管排水技術(shù)、高光效膜下滴灌技術(shù)、膜下滴灌+暗管排水技術(shù)[3-5]。

本文以松原市前郭縣灌溉實驗地為例，在綜合考慮不同農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)帶來的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益及社會效益的基礎(chǔ)上構(gòu)建綜合效益評價體系，應(yīng)用AHP-熵權(quán)法確定指標(biāo)綜合權(quán)重，采用線性加權(quán)法對膜下滴灌+暗管排水、膜下滴灌及傳統(tǒng)漫灌3種節(jié)水灌溉技術(shù)進(jìn)行評價研究，從而選出適合吉林省前郭縣的節(jié)水灌溉技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉林省松原市前郭縣前諸爾欽村，東經(jīng)124°49′，北緯45°18′，平均海拔為134m，年平均氣溫4.5℃，年平均日照時數(shù)2 879.8h，年平均降水量為400～500mm，為大陸性季風(fēng)氣候。試驗區(qū)為砂壤土，土壤容重為1.53g/cm3，土壤初始持水量24%，土壤初始含鹽量為0.2%。

1.2 試驗方案

試驗方案為3個處理：處理一，膜下滴灌+暗管排水方案(簡稱T1，下同)；處理二，膜下滴灌方案(T2)；處理三，傳統(tǒng)漫灌種植方案(T3)。T1采用的暗管排水系統(tǒng)由3條南北方向布置的PVC波紋吸水管和1條東西方向布置的PE集水管組成，暗管內(nèi)徑均100mm，暗管間距8m，暗管埋深0.8m，暗管外包有無紡布。T1與T2采用的膜下滴灌系統(tǒng)由PE干管、PE支管、毛管和地膜等組成。其中，干管內(nèi)徑34mm，干管外徑40mm；支管內(nèi)徑28.8mm，支管外徑32mm；毛管直徑16mm，毛管間距0.6m；滴頭間距0.3m，滴頭額定流量為2.1L/h，且二者均采用一行一管、兩行一膜的種植模式，灌水量相同。T1、T2、T3株距和行距分別為20、60cm，且施肥時間、施肥次數(shù)及施肥量均相同。不同處理之間采用隔水塑料進(jìn)行防滲處理。

1.3 AHP-熵權(quán)法

目前，農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)灌溉評價方法有Rough Set、AHP、熵權(quán)法及模糊評價法等[6-9]，本文主要采用主客觀相結(jié)合的AHP-熵權(quán)法來確定各項評價指標(biāo)綜合權(quán)重值。

1.3.1 AHP法主觀權(quán)重的確定

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)由運(yùn)籌學(xué)家托馬斯·塞蒂正式提出[10]。該方法是通過9級標(biāo)度表對準(zhǔn)則層、指標(biāo)層的各項評價指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，進(jìn)而構(gòu)造判斷矩陣A=(aij)n×n。其中，aij表示第i個指標(biāo)對第j個指標(biāo)的重要程度。通過主觀權(quán)重公式求得各項評價指標(biāo)權(quán)重值，即

(1)

(2)

構(gòu)造判斷矩陣時可能存在不合理性，需要將矩陣的一致性檢驗指標(biāo)除以平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，即CR=CI/RI。當(dāng)CR<0.1時，一致性滿足要求；否則，重新調(diào)整判斷矩陣，直到一致性滿足為止。

1.3.2 熵權(quán)法客觀權(quán)重的確定

熵權(quán)法是在綜合考慮各項評價指標(biāo)所提供信息的基礎(chǔ)上，構(gòu)建評價指標(biāo)原始數(shù)據(jù)矩陣X=(xij)m×n。其中，xij為第i樣本的第j個指標(biāo)值。由于原始矩陣之間量綱不同，所以采用極值法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得標(biāo)準(zhǔn)化矩陣R=(Rij)m×n[11]。越大越優(yōu)的效益型指標(biāo)采用公式(3)，越小越優(yōu)的成本型指標(biāo)采用公式(4)，即

(3)

(4)

計算各指標(biāo)權(quán)重，即

(5)

(6)

(7)

1.3.3 AHP-熵權(quán)法綜合權(quán)重的確定

AHP法求得的指標(biāo)權(quán)重側(cè)重決策者的主觀偏好，熵權(quán)法的權(quán)重側(cè)重數(shù)據(jù)之間相互關(guān)系[12-13]。為了使指標(biāo)權(quán)重具有準(zhǔn)確性和科學(xué)性，應(yīng)將AHP確定的主觀權(quán)重與熵權(quán)法確定的客觀權(quán)重相結(jié)合，來求得評價指標(biāo)的綜合權(quán)重?？紤]主觀權(quán)重與客觀權(quán)重的偏差，選擇加法集成法建立綜合權(quán)重公式(8)。為求出權(quán)重系數(shù)β，則需聯(lián)立最小二乘優(yōu)化函數(shù)(9)，并用MatLab求得。

(8)

(9)

1.3.4 確定綜合效益測度值

采用線性加權(quán)法求得各項節(jié)水灌溉技術(shù)的綜合效益測度值，即

(10)

2 結(jié)果與分析

2.1 構(gòu)建節(jié)水灌溉技術(shù)評價指標(biāo)體系

為了準(zhǔn)確反映3個處理各自的綜合效益，構(gòu)建評價指標(biāo)體系時以生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會效益相互耦合的發(fā)展理念為指導(dǎo)，以科學(xué)性、代表性、一致性為原則，同時結(jié)合前郭縣節(jié)水灌溉實驗相關(guān)數(shù)據(jù)[14]，建立農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)綜合效益評價體系，如圖1所示。

圖1 農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)綜合效益評價體系

water-saving irrigation technology

2.1.1 經(jīng)濟(jì)效益

農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益評價指標(biāo)種類繁多，指標(biāo)間的關(guān)系頗為復(fù)雜，因而參考國內(nèi)學(xué)者對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)的相關(guān)研究，主要從產(chǎn)值、物耗產(chǎn)值率及勞動生產(chǎn)率3個指標(biāo)考慮，各指標(biāo)含義及計算公式如下：

1)產(chǎn)值C1。

C1=V×Y

(11)

式中C1—單位面積玉米產(chǎn)值(元/hm2)；

V—單位面積玉米產(chǎn)量(kg/hm2)；

Y—玉米單價，實驗區(qū)玉米單價為2.24元/kg。

2)物耗產(chǎn)值率C2。物耗產(chǎn)值率是指單位土地面積農(nóng)作物總產(chǎn)值與農(nóng)作物耗資金之比。

(12)

式中C2—物耗產(chǎn)值率；

N—單位面積玉米物耗資金(元/hm2)。

3)勞動生產(chǎn)率C3。勞動生產(chǎn)率是指每個農(nóng)業(yè)勞動者在單位時間內(nèi)帶來的總產(chǎn)值。

(13)

式中C3—勞動生產(chǎn)率(元/人)；

L—單位面積年用工量(人/hm2)。

2.1.2 生態(tài)效益

提高生態(tài)效益是建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要環(huán)節(jié)之一。結(jié)合松原市前郭縣節(jié)水灌溉實驗地的現(xiàn)狀和發(fā)展特點(diǎn)，將水分利用效率、土壤含鹽量及農(nóng)田化肥污染作為生態(tài)效益的主要考慮因素，各因素的含義及相應(yīng)的指標(biāo)值如下：

1)水分利用效率C4。水分利用效率是指單位面積農(nóng)作物的總產(chǎn)量與農(nóng)作物生育期內(nèi)的實際耗水量之比。

(14)

ETa=(W2-W1)+R+I+U-G

(15)

式中C4—水分利用效率(kg/m3)；

ETa—單位面積玉米全生育內(nèi)的耗水量(m3/hm2)；

W2-W1—單位面積玉米全生育內(nèi)的土壤含水量之差(m3/hm2)；

R—單位面積玉米全生育內(nèi)的降雨量(m3/hm2)；

I—單位面積玉米全生育內(nèi)的灌水量(m3/hm2)；

G—單位面積玉米全生育內(nèi)的滲漏量(m3/hm2)；

U—單位面積玉米全生育內(nèi)的地下水補(bǔ)給量(m3/hm2)。

2)土壤含鹽量C5。用烘干法測定土層深度為60cm時玉米不同生育階段的平均土壤含鹽量，T1、T2、T3分別為1.22‰、1.44‰、1.82‰。

3)農(nóng)田化肥污染C6。農(nóng)田化肥污染主要是作物未利用的肥料(以氮、磷元素為主)通過下滲水轉(zhuǎn)移至作物根系以下而造成的污染。從肥料流失率的角度考慮，肥料流失越多，污染就越嚴(yán)重。根據(jù)我國節(jié)水灌溉網(wǎng)可知：在吉林省中西部旱區(qū)，T3傳統(tǒng)種植的肥料利用率為30%，肥料流失率為70%，則農(nóng)田化肥污染程度為70%；T2采用膜下滴灌種植技術(shù)，該技術(shù)可使肥料利用率達(dá)到60%，肥料流失率為40%，則T2的農(nóng)田化肥污染程度為40%；T1是在采用膜下滴灌的基礎(chǔ)上應(yīng)用暗管排水技術(shù)，由于流失的肥料隨著入滲水進(jìn)入排水暗管，并且暗管出水口直接接入具有凈化作用人工潛流濕地，人工濕地對農(nóng)業(yè)廢水的處理效率可達(dá)50%[15]，所以T1的農(nóng)田化肥污染程度為40%-(40%×50%)=20%。

2.1.3 社會效益

基于3種節(jié)水灌溉技術(shù)的內(nèi)在聯(lián)系與差別，社會效益評價指標(biāo)因素的選取應(yīng)考慮農(nóng)業(yè)技術(shù)施工難易度、農(nóng)業(yè)技術(shù)先進(jìn)水平及農(nóng)民收入貢獻(xiàn)率3個方面。其中，農(nóng)業(yè)技術(shù)施工難易度和農(nóng)業(yè)技術(shù)先進(jìn)水平為定性指標(biāo)。各指標(biāo)因素的含義如下：

1)農(nóng)業(yè)技術(shù)施工難易度C7。根據(jù)前郭縣實驗地各自節(jié)水灌溉技術(shù)的施工難易情況進(jìn)行對比分析，從而確定3個處理的農(nóng)業(yè)技術(shù)施工難易度。規(guī)定判別值在[0,1]之間，判別值越大，節(jié)水灌溉技術(shù)的施工程度就會越難。本文以T2為參照對象，來確定T1與T3節(jié)水灌溉技術(shù)的施工難易度。T2鋪設(shè)干管、支管、毛管及地膜，將其技術(shù)施工難易度值定為0.5；T1不僅需要鋪設(shè)地膜及管帶，還需要埋設(shè)暗管，因此T1施工難易性相對T2較為困難，將其技術(shù)施工難易度定為0.7；T3為傳統(tǒng)灌溉模式，即不需要暗管排水也不需要膜下滴灌，其施工難易度相對T2較為簡單，將其施工難易性的判別值定為0.2。

2)農(nóng)業(yè)技術(shù)先進(jìn)水平C8。選擇先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)是提高農(nóng)作物綜合效益的一種有效手段。農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)的先進(jìn)水平是指為促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的發(fā)展使用先進(jìn)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)來代替落后的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)。基于3種節(jié)水灌溉的技術(shù)先進(jìn)性，將判別值規(guī)定在[0,1]之間，即判別值越大技術(shù)先進(jìn)性越佳。本文以T2為參照對象，T2的技術(shù)先進(jìn)性賦值為0.5；T1在T2的基礎(chǔ)上考慮了暗管排水技術(shù)，該技術(shù)是通過暗管將土壤中的鹽分排出達(dá)到淋鹽洗鹽的目的，且排水暗管使用年限較長，所以在技術(shù)水平上T1相對于T2更為先進(jìn)，則T1的判別值為0.7；T3為傳統(tǒng)種漫灌植模式，其技術(shù)先進(jìn)性相對于T2較為落后，則技術(shù)先進(jìn)性判別值為0.1。

3)農(nóng)民收入貢獻(xiàn)率C9。

(15)

式中C9—農(nóng)民收入貢獻(xiàn)率(人/hm2)；

N—區(qū)域農(nóng)業(yè)總?cè)丝冢肮hN=43萬人；

M—區(qū)域農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值，前郭縣M=155億元。

根據(jù)上述公式計算出不同處理的各項評價指標(biāo)值，如表1所示。

表1 不同處理的各項指標(biāo)值

2.2 節(jié)水灌溉技術(shù)綜合效益評價

2.2.1 節(jié)水灌溉技術(shù)評價指標(biāo)權(quán)重

1)AHP法?？紤]到吉林省前郭縣干旱少雨和土壤鹽堿化趨于嚴(yán)重等生態(tài)環(huán)境問題，為使前郭縣節(jié)水灌溉實驗地的綜合效益值達(dá)到最佳，不僅要注重經(jīng)濟(jì)效益，而且要加強(qiáng)生態(tài)效益和社會效益的提高。所以，B1與B2同等重要，根據(jù)9級標(biāo)度表，其標(biāo)度值為1；同理，認(rèn)為B1比B3稍微重要，其標(biāo)度值為2；B2與B3也同等重要，其標(biāo)度值為。建立判斷矩陣A-B，然后用一致性檢驗公式對A-B判斷矩陣進(jìn)行檢驗，當(dāng)判斷矩陣通過一致性檢驗時，根據(jù)公式(1)和公式(2)，即可求得準(zhǔn)則層的各項指標(biāo)權(quán)重。同理，建立判斷矩陣B1-C、B2-C、B3-C，如表2所示；最終確定指標(biāo)層對目標(biāo)層的主觀權(quán)重，如表3所示。

2)熵權(quán)法。采用公式(3)和公式(4)將3個處理各項指標(biāo)值構(gòu)成的原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得標(biāo)準(zhǔn)化矩陣；然后，根據(jù)公式(5)和公式(7)計算各項評價指標(biāo)的信息熵及客觀權(quán)重，如表3所示。

3)AHP-熵權(quán)法。聯(lián)立綜合權(quán)重公式與最小二乘函數(shù)公式，并將主觀權(quán)重和客觀權(quán)重代入，應(yīng)用MatLab軟件求出β=0.5，最終算出前郭縣灌溉實驗區(qū)各項評價指標(biāo)的綜合權(quán)重。

表2 判斷矩陣及其一致性檢驗結(jié)果

判斷矩陣B1-C一致性檢驗B1C1C2C3C111/21C2211C3111λmax=3.054CI=0.027CR=0.046<0.1

判斷矩陣B2-C一致性檢驗 B2C4C5C6C4111/2C5111C6211λmax=3.054CI=0.027CR=0.046<0.1

判斷矩陣B3-C一致性檢驗B3C7C8C9C7111/2C8111/2C9221λmax=3CI=0CR=0<0.1

表3 標(biāo)準(zhǔn)化矩陣及權(quán)重計算結(jié)果

2.2.2 節(jié)水灌溉技術(shù)綜合效益測度值

采用公式(10)將標(biāo)準(zhǔn)化矩陣和各項指標(biāo)的綜合權(quán)重進(jìn)行線性加權(quán)，求出各項處理的綜合效益測度值及綜合效益排序，如表4所示。

表4 各處理的效益測度值

2.3 節(jié)水灌溉技術(shù)綜合效益評價結(jié)果分析

為了更加直接地觀察和分析吉林省松原市前郭縣3種節(jié)水灌溉技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益、社會效益及綜合效益測度得分情況，將測度得分結(jié)果用圖2表示。由表4及圖2可以看出：

1)3種節(jié)水灌溉技術(shù)的綜合效益測度值排序為T1(0.665)> T3(0.566)>T2(0.324)?？梢?，膜下滴灌+暗管排水技術(shù)使前郭縣實驗地綜合效益達(dá)到最佳。

2)從經(jīng)濟(jì)效益可知，T1的經(jīng)濟(jì)效益測度值要小于T2與T3。雖然T1的玉米產(chǎn)值最高，但是物耗產(chǎn)值率和勞動生產(chǎn)率相對較小，且經(jīng)濟(jì)效益的指標(biāo)權(quán)重排序為物耗產(chǎn)值率(0.132)>產(chǎn)值(0.118)>勞動生產(chǎn)率(0.114)。由此可見，要想增加前郭縣的玉米經(jīng)濟(jì)效益，在注重提高產(chǎn)值及勞動生產(chǎn)效率的同時，更應(yīng)該注重物耗產(chǎn)值率。

3)社會效益的得分情況為T1>T2>T3，采用膜下滴灌+暗管排水技術(shù)更有助于提高前郭縣的社會效益。農(nóng)民收入貢獻(xiàn)率對社會效益的貢獻(xiàn)程度要大于農(nóng)業(yè)技術(shù)施工難易度和農(nóng)業(yè)技術(shù)先進(jìn)水平。

4) 生態(tài)效益的測度排序為T1>T2>T3。T1生態(tài)效益測度得分值為T2的2.1倍，T3無得分。可見，膜下滴灌+暗管排水技術(shù)相對于膜下滴灌和傳統(tǒng)漫灌更有助于改善吉林西部前郭縣干旱缺水、土壤鹽堿化及農(nóng)業(yè)化肥污染等若干生態(tài)環(huán)境問題。

圖2 不同處理效益測度值

3 結(jié)論

針對如何能夠選出綜合效益最佳的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)，采用了主觀賦權(quán)AHP法與客觀賦權(quán)熵權(quán)法相結(jié)合的評價方法。以吉林省前郭縣灌溉實驗地為研究對象，從經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益、社會效益3個維度選取了9個評價指標(biāo)，構(gòu)建了節(jié)水灌溉綜合效益評價指標(biāo)體系。通過AHP-熵權(quán)法對評價指標(biāo)進(jìn)行綜合賦權(quán)，并根據(jù)線性加權(quán)法實現(xiàn)了3種節(jié)水灌溉技術(shù)的綜合效益測度，最終確定膜下滴灌+暗管排水技術(shù)的綜合效益測度值最大。結(jié)果表明：運(yùn)用AHP-熵權(quán)法可以科學(xué)、合理地選出綜合效益最佳的節(jié)水灌溉技術(shù)。