新疆典型節(jié)水灌溉技術(shù)的三級模糊評價(jià)模型及分析

牛靖冉，王春霞，何新林*，李玥，白蒙，王澤林，徐強(qiáng)，於嘉聞

(1 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2 現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003)

新疆地處我國西北內(nèi)陸地區(qū)，面積約為全國的1/6，氣候干旱少雨、蒸發(fā)強(qiáng)烈，農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的94%[1]。對于農(nóng)業(yè)的依賴和干旱的氣候使得新疆形成了獨(dú)特的節(jié)水灌溉發(fā)展歷史，從開始以覆膜灌溉為主到后來從國外引入膜下滴灌技術(shù)，如今新疆膜下滴灌面積已突破2.66×106hm2[2]，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能化逐漸融入到人們的生活當(dāng)中，新疆很多地區(qū)也已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)了通過土壤水分傳感器來決策灌溉的自動(dòng)化膜下滴灌技術(shù)(簡稱自動(dòng)化)[3]。隨著節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣也產(chǎn)生一些問題，如膜下滴灌技術(shù)有效提高了產(chǎn)量，但是其對土壤的鹽分分布也有顯著影響[4]，另外，自動(dòng)化所需的電磁閥及傳感器等設(shè)備使其比傳統(tǒng)滴灌的投入大，傳統(tǒng)的膜上灌對鹽分的淋洗效果是灌溉方式中最好的。

以往對節(jié)水灌溉技術(shù)的評價(jià)僅局限于經(jīng)濟(jì)效益的評價(jià)，但是隨著可持續(xù)發(fā)展理念的深入，也逐漸開始重視其所產(chǎn)生的環(huán)境效益及其所輻射到的社會(huì)效益[5]。學(xué)者們對于灌溉技術(shù)、灌區(qū)的節(jié)水灌溉水平的評價(jià)都設(shè)計(jì)了自己的評價(jià)指標(biāo)體系及評價(jià)方法[6-10]，具有一定的可行性和代表性，但是存在以下問題：一是缺乏針對灌溉技術(shù)自身適用性的評價(jià)；二是忽略了田間試驗(yàn)的重要性，而對于灌溉技術(shù)的評價(jià)必須要通過資料收集、田間試驗(yàn)、社會(huì)調(diào)查相結(jié)合的方法才能夠做到全面、、科學(xué)的評價(jià)，三是對灌溉技術(shù)的評價(jià)既要充分考慮其橫向影響(經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì))，也要重視其縱向的影響(從宏觀到微觀)，以往學(xué)者對于灌溉技術(shù)宏觀方面的的評價(jià)指標(biāo)選取較多，而對于微觀方面例如作物光合效率等指標(biāo)選擇很少，而作物的光合效率直接對其生長及產(chǎn)量造成影響，是很重要的指標(biāo)。

因此，為了充分了解不同節(jié)水灌溉技術(shù)的綜合效益及其突出優(yōu)勢，對其進(jìn)行評估，從而為今后其發(fā)展方向提供理論依據(jù)，本文在借鑒以往學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，充分考慮橫向及縱向因素對節(jié)水灌溉技術(shù)的影響，構(gòu)建新疆典型節(jié)水灌溉技術(shù)的三級模糊評價(jià)模型，選取涵蓋經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益、社會(huì)效益三方面26項(xiàng)指標(biāo)對其綜合效益進(jìn)行評價(jià)。充分考慮到人為判斷的模糊性，將層次分析法拓展到模糊環(huán)境里，這是一種有效的定性與定量相結(jié)合的分析方法[11],所以本文在確定權(quán)重時(shí)，選用評價(jià)指標(biāo)體系具有多層次、多目標(biāo)特點(diǎn)的層次分析法(AHP)；考慮到影響評價(jià)對象的因素多，且各個(gè)因素對目標(biāo)的影響程度存在差異，無法用一個(gè)確定的數(shù)值來評價(jià)對象，故選用模糊綜合評價(jià)法來對其綜合效益進(jìn)行評價(jià)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年4—10月在位于新疆石河子市現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)試驗(yàn)室(44°18'N，85°59'E)進(jìn)行。該地區(qū)屬于中溫帶干旱區(qū)氣候，年均降水量207 mm，蒸發(fā)量1 660 mm，年均溫7.7 ℃,土壤為中壤土，0～100 cm的平均土壤容重為1.59 g/cm3，田間持水率為29.78%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

本文選取的研究對象為棉花，品種為農(nóng)豐133。采用大田試驗(yàn)，共設(shè)置3種處理，分別如下：

膜上灌的地塊四周做壟，膜寬145 cm，布置方式為一膜4行，膜上開放苗孔方便水分滲入，灌溉面積為為297 m2，灌水量為7 190.32 m3/hm2,灌水次數(shù)為5次；

膜下滴灌采用一膜兩管四行的布置方式，膜寬140 cm，株距為10 cm，窄行為30 cm，寬行為60 cm，灌溉面積為175 m2，，灌水量為6 039.47 m3/hm2，灌水次數(shù)為13次；

自動(dòng)化膜下滴灌布置方式與膜下滴灌相同，在地塊左右兩部分的中心位置各埋設(shè)1組土壤水分傳感器，每組傳感器分別埋設(shè)在滴頭正下方的20、40、60處，灌溉面積為350 m2，灌水量為5 315.68 m3/hm2，灌水次數(shù)為17次。

膜下滴灌及自動(dòng)化都采用施肥灌、隨水施肥，膜上灌采用水流沖洗的方式進(jìn)行施肥，每次尿素(CO(NH2)2)與磷酸鉀胺(KH2PO4)按2∶1的比例進(jìn)行施肥。

1.3 測試項(xiàng)目及方法

(1)土壤含水量及含鹽量的測定。分別于每次灌水前后在各處理的膜內(nèi)按0～5、5～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm深度進(jìn)行取土，通過土壤烘干法測定其土壤含水率，用電導(dǎo)率儀測試其土壤含鹽率。

(2)棉花各生長指標(biāo)的測定。在生育期末選取長勢相當(dāng)?shù)拿藁?株，分別用卷尺測量其株高及莖粗同時(shí)量出每片葉子的長和寬，通過計(jì)算得到葉面積，最后將其葉、莖、根、蕾、鈴分別裝入袋中，再烘干、稱樣、記錄其干物質(zhì)重量。

(3)光合及熒光指標(biāo)的測定。采用PAM2500熒光儀(Walz，德國)在各生育期天氣晴朗時(shí)選取2片長勢相當(dāng)?shù)娜~片測量其各時(shí)段的初始熒光F0、最大熒光Fm和相對電子傳遞速率ETR等熒光參數(shù)，熒光指標(biāo)的計(jì)算參考ROHCEK K[12]的方法計(jì)算。在同一天用CI-340型手持式光合儀(CID,美國)選取2片長勢相當(dāng)?shù)娜~片測定其各時(shí)段的凈光合速率Pn、蒸騰速率Tr。

(4)灌水量及產(chǎn)量的測定。灌水量通過記錄田間布置的水表所得，產(chǎn)量通過稱量記錄各棉田所收皮棉總質(zhì)量所得。

(5)田間水利用系數(shù)通過田間實(shí)測法公式[13]計(jì)算。

(6)定性指標(biāo)值通過文獻(xiàn)[14-18](D1、D3)和設(shè)計(jì)問卷(D11至D13，D22至D26)的方式確定。

2 結(jié)果與分析

2.1 評價(jià)模型的構(gòu)建與步驟

本文研究所構(gòu)建的新疆典型節(jié)水灌溉技術(shù)綜合效益評價(jià)模型的具體步驟如下：

(1)依據(jù)指標(biāo)選取原則[5]建立評價(jià)指標(biāo)集和評價(jià)指標(biāo)體系F={f1,f2,...,fn}以及評語集V={v1,v2,...,vn}。

(2)運(yùn)用層次分析法[5]計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重W={w1,w2...wn}，計(jì)算結(jié)果見表1。表1中評價(jià)等級設(shè)定極好、較好、一般、差、極差5個(gè)等級，評價(jià)指標(biāo)體系分指標(biāo)層(D)、亞準(zhǔn)則層(C)、準(zhǔn)則層(B)、目標(biāo)層(A)4層。

表1 新疆典型節(jié)水灌溉技術(shù)綜合效益評價(jià)指標(biāo)體系及其權(quán)重和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

注：各指標(biāo)分別為D1—基礎(chǔ)設(shè)施投資量(萬元/hm2),D2—田間水利用系數(shù)(%),D3—雇工人數(shù)(個(gè)/hm2),D4—產(chǎn)量(kg/hm2),D5—水分生產(chǎn)率(kg/m3)，D6—平均含水率變化率，D7—脫鹽率(%)，D8殘膜量(kg/hm2)，D9—化肥施用量(kg/hm2)，D10—化控藥劑施用量(g/hm2)，D11—植被覆蓋情況，D12—生態(tài)用水轉(zhuǎn)移情況，D13—對水環(huán)境的影響，D14—吐絮期葉面積(cm2)，D15—吐絮期株高(cm)，D16—吐絮期莖粗(cm)，D17—吐絮期干物質(zhì)(g)，D18—Pn的平均值，D19—Tr的平均值，D20—最大光化學(xué)效率，D21—ETR,D22—推廣示范效果,D23—推廣難度,D24—可持續(xù)性,D25—對農(nóng)民素質(zhì)的影響,D26—農(nóng)業(yè)剩余勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移情況。

(3)建立隸屬度方程，確定各指標(biāo)的模糊隸屬度。本文所選用的隸屬度方程[9]使得相鄰評價(jià)等級數(shù)值平滑過渡，避免了邊界值變化過大或變化不明顯的弊端。其中，運(yùn)用隸屬度方程式(1)至式(5)計(jì)算各越大越優(yōu)型定量指標(biāo)的隸屬度。越小越優(yōu)型定量指標(biāo)只需將<和>、≤和≥互換即可。定性指標(biāo)根據(jù)表2的原則確定，其中t1為v1、v2的臨界值，t2為v2的中間值，t3為v2、v3的臨界值，t4為v3的中間值，t5為v3、v4的臨界值，t6為v4的中間值，t7為v4、v5的臨界值。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

表2 定性指標(biāo)隸屬度

(4)依據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重及各灌溉方式對應(yīng)各評價(jià)等級的隸屬度來對其進(jìn)行三級模糊評價(jià)。根據(jù)各個(gè)指標(biāo)對于某一灌溉技術(shù)的實(shí)際值及其評價(jià)等級來確定其對于各個(gè)評價(jià)等級的隸屬度得到隸屬度矩陣B[9]，

B=W·F，

(6)

式(6)中，W表示權(quán)重集，F(xiàn)表示指標(biāo)集。

各灌溉技術(shù)對應(yīng)各指標(biāo)的隸屬度計(jì)算結(jié)果見表3,其中各指標(biāo)的數(shù)值通過大田試驗(yàn)、資料搜集和社會(huì)調(diào)查的方式獲得。

表3 各指標(biāo)現(xiàn)值及其隸屬度計(jì)算結(jié)果

表3續(xù)

指標(biāo)灌溉技術(shù)指標(biāo)現(xiàn)值隸屬度計(jì)算結(jié)果極好較好一般差極差指標(biāo)灌溉技術(shù)指標(biāo)現(xiàn)值隸屬度計(jì)算結(jié)果極好較好一般差極差膜上灌9500000.250.75膜上灌15.902 4000.680 50.319 00D9膜下滴灌67500.3750.62500D18膜下滴灌16.954 2000.890 80.109 20自動(dòng)化56000.60.400自動(dòng)化21.379 800.7760.22400膜上灌75000.8750.1250膜上灌5.6650000.6650.335D10膜下滴灌4800.60.400D19膜下滴灌6.46000.4920.5080自動(dòng)化91000.40.60自動(dòng)化7.6300.760.2400膜上灌較好0.250.50.2500膜上灌0.763 5000.6750.3250D11膜下滴灌一般00.250.50.250D20膜下滴灌0.77400.20.800自動(dòng)化一般00.250.50.250自動(dòng)化0.77900.450.5500膜上灌一般00.250.50.250膜上灌219.990000.899 80.100 2D12膜下滴灌較好0.250.50.2500D21膜下滴灌246.97000.439 40.560 60自動(dòng)化較好0.250.50.2500自動(dòng)化261.37000.720.280膜上灌較大000.250.50.25膜上灌一般00.250.50.250D13膜下滴灌一般00.250.50.250D22膜下滴灌較好0.250.50.2500自動(dòng)化一般00.250.50.250自動(dòng)化較好0.250.50.2500膜上灌963.90000.963 90.036 1膜上灌一般00.250.50.250D14膜下滴灌2 034.900.001 50.998 500D23膜下滴灌一般00.250.50.250自動(dòng)化3 3200.680.32000自動(dòng)化較大000.250.50.25膜上灌54.3000.2150.7850膜上灌一般00.250.50.250D15膜下滴灌76.7500.337 50.662 50.290D24膜下滴灌較好0.250.50.2500自動(dòng)化86.300.8150.18500自動(dòng)化較好0.250.50.2500膜上灌1.1000.70.30膜上灌一般00.250.50.250D16膜下滴灌1.3500.20.800D25膜下滴灌較好0.250.50.2500自動(dòng)化1.600.70.300自動(dòng)化極好0.70.3000膜上灌60.50000.5250.475膜上灌一般00.250.50.250D17膜下滴灌84.2000.710.290D26膜下滴灌較好0.250.50.2500自動(dòng)化117.60.350.65000自動(dòng)化極好0.70.3000

2.2 評價(jià)的結(jié)果及分析

依據(jù)最大隸屬度原則[19-23]來評價(jià)其所對應(yīng)的亞準(zhǔn)則層的優(yōu)劣狀態(tài)，準(zhǔn)則層與目標(biāo)層的評價(jià)方法也按照此方法評,三級模糊評價(jià)結(jié)果見表4。

表4 三級模糊綜合評價(jià)結(jié)果

表4續(xù)

評價(jià)目標(biāo)灌溉技術(shù)隸屬度矩陣評價(jià)結(jié)果膜上灌[0,0.25,0.5,0.25,0]一般推廣效果C7膜下滴灌[0.187,0.457 1,0.312 9,0.062 9,0]較好自動(dòng)化[0.187 1,0.374 2,0.25,0.125 8,0.062 9]較好膜上灌[0,0.25,0.5,0.25,0]一般社會(huì)輻射效益C8膜下滴灌[0.25,0.5,0.25,0,0]較好自動(dòng)化[0.7,0.3,0,0,0]極好膜上灌[0.054 5,0.076 5,0,0.128 1,0.696 4]極差經(jīng)濟(jì)效益B1膜下滴灌[0,0.08,0.571 1,0.348 9,0]一般自動(dòng)化[0.011 6,0.537 3,0.312 9,0.132,0]較好膜上灌[0.028 4,0.051 2,0.302 7,0.478 8,0.141 0]較差環(huán)境效益B2膜下滴灌[0.013 1,0.109 7,0.744 6,0.166 7,0]一般自動(dòng)化[0.162 5,0.469 9,0.269 4,0.102 9,0]較好膜上灌[0,0.25,0.666 5,0.25,0]一般社會(huì)效益B3膜下滴灌[0.280 1,0.458 1,0.291 9,0.041 9,0]較好自動(dòng)化[0.358,0.349 5,0.166 7,0.083 9,0.041 9]極好膜上灌[0.038 2,0.092 3,0.193 7,0.261 7,0.414 4]極差綜合效益A膜下滴灌[0.033 4,0.142 7,0.589 8,0.245 4,0]一般自動(dòng)化[0.110 1,0.463 1,0.281 3,0.115 6,0.005 8]較好

3 討論

依據(jù)最大隸屬度原則，利用三級模糊評價(jià)模型對膜上灌、膜下滴灌、自動(dòng)化滴灌技術(shù)的綜合效益進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果顯示：

(1) 在投入方面，膜上灌在極差等級的隸屬度最大為0.313 6，而膜下滴灌及自動(dòng)化在較差等級的隸屬度最大分別為0.566 6、0.395 9。膜下滴灌及自動(dòng)化技術(shù)在大幅度提升田間水利用效率解放勞動(dòng)力的同時(shí)，其設(shè)備相對較大的投資量是拉低其評分的原因，這與陳林等[24]研究所得的觀點(diǎn)一致，膜上灌雖設(shè)備投資較小，但是其田間水利用效率卻極低。

(2) 在產(chǎn)出方面，膜上灌評分在極差等級的隸屬度最大為0.887 8，膜下滴灌一般等級的隸屬度最大為0.64，自動(dòng)化在較好等級的隸屬度最大為0.668 8，所以從評價(jià)結(jié)果來看，技術(shù)的進(jìn)步帶來了產(chǎn)量的不斷升高，另外，王風(fēng)姣等[25-26]對自動(dòng)化的研究表明，合理的灌水閾值可使自動(dòng)化較普通滴灌增產(chǎn)32.54%。

(3) 在土壤質(zhì)量方面，三種灌溉方式的評分均在一般等級的隸屬度最大,分別為0.487 3、0.571 1、0.460 5，3種灌溉方式均存在殘膜污染的問題，尤其膜上灌由于大水的沖洗，導(dǎo)致膜的破損，增加了回收難度。膜下滴灌及自動(dòng)化雖然洗鹽及土壤保墑效果不及膜上灌，但有效提升了肥料利用效率，減少了土壤肥料污染，顧明[27]研究表明較傳統(tǒng)地面漫灌，自動(dòng)化平均節(jié)肥20%，但是其過好的長勢也必須要增加化控量來保證產(chǎn)量，這一方面又增加了土壤的污染。

(4) 在對生態(tài)環(huán)境的改善方面，三種灌溉方式均在一般等級隸屬度最大分別為0.312 9、0.437 1、0.437 1，膜上灌對于土壤墑情的改善有效提升了植被覆蓋率，但是其卻加大了農(nóng)業(yè)用水量的負(fù)擔(dān)及對水環(huán)境的影響，減小了農(nóng)業(yè)用水對生態(tài)用水的轉(zhuǎn)移量，而膜下滴灌及自動(dòng)化正好與之相反。

(5) 在作物生長方面，膜上灌在較差等級的隸屬度最大為0.669 1、膜下滴灌在一般等級的隸屬度最大為0.954 6、自動(dòng)化在較好等級的隸屬度最大為0.588 4，因此，從評價(jià)結(jié)果看，技術(shù)的進(jìn)步使得作物生長越來越好。

(6) 在作物光和效率方面，膜上灌及膜下滴灌在一般等級的隸屬度最大為0.438 9、0.751 9，自動(dòng)化在較好等級的隸屬度最大為0.565 1，作物的光合效率與其生長與產(chǎn)量息息相關(guān)，膜下滴灌相對膜上灌雖有優(yōu)勢，但不明顯，自動(dòng)化卻在這方面有明顯優(yōu)勢,王風(fēng)姣等[25-26]研究表明自動(dòng)化在最優(yōu)灌水閾值的條件下其生長及光合熒光指標(biāo)都要優(yōu)于普通膜下滴灌，二者的研究結(jié)果一致。

(7) 在推廣效果方面，膜上灌在一般等級的隸屬度最大為0.5，膜下滴灌及自動(dòng)化均在較好等級的隸屬度最大為0.457 1、0.374 2，自動(dòng)化雖然有良好的使用效果，但是也存在成本較大的問題限制了其推廣，所以推廣效果最好的是膜下滴灌，但是其與自動(dòng)化相差不大且沒有超過一個(gè)等級。

(8) 在社會(huì)輻射效益方面，膜上灌在一般等級的隸屬度最高為0.5，膜下滴灌在較好等級的隸屬度最高為0.5，自動(dòng)化在極好等級的隸屬度最高為0.7，自動(dòng)化獨(dú)特的灌溉方式讓農(nóng)戶在使用過程中提升了自己對信息化時(shí)代自動(dòng)化技術(shù)的重視及理解程度，增加了其節(jié)水意識而且解放了大量的農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移到社會(huì)的其他領(lǐng)域。

(9) 在經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益方面，膜上灌、膜下滴灌、自動(dòng)化的評分分別為較差、一般、較好。在社會(huì)效益方面，膜上灌、膜下滴灌、自動(dòng)化評分分別為一般、較好、極好，膜上灌、膜下滴灌、自動(dòng)化綜合效益評分分別為極差、一般、較好，其對應(yīng)等級的隸屬度分別為0.414 4、0.589 8、0.463 1。

4 結(jié)論

(1)本文結(jié)合新疆節(jié)水灌溉技術(shù)的特點(diǎn)，在充分考慮其橫向及縱向的影響因素下構(gòu)建了用于評價(jià)其綜合效益的評價(jià)指標(biāo)體系及評價(jià)方法，得出了較為合理的結(jié)果，說明該評價(jià)模型科學(xué)可行。

(2)與膜上灌相比，膜下滴灌的優(yōu)勢為田間水利用系數(shù)提高28.8%、節(jié)省人力35.7%、節(jié)水潛力為1 150.84 m3/hm2、每公頃產(chǎn)量提升2 361 kg，而自動(dòng)化膜下滴灌的優(yōu)勢為灌溉水利用系數(shù)提高38.7%、節(jié)水潛力為1 874.64 m3/hm2、每公頃產(chǎn)量提升了2 820.9 kg、尤其是可節(jié)省人力62.3%。

5 對策與措施

根據(jù)上述評價(jià)結(jié)果及新疆節(jié)水技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)況，對新疆節(jié)水技術(shù)可持續(xù)發(fā)展提出以下對策與措施：

(1)通過設(shè)備改進(jìn)及消化吸收國外技術(shù)來降低其成本，尤其在電磁閥及傳感器等自動(dòng)化設(shè)備上有較大的發(fā)展空間。

(2)自動(dòng)化普遍采用機(jī)采棉布置方式，殘膜污染問題依然嚴(yán)峻，需要繼續(xù)治理。

(3)基于土壤水分傳感器決策的自動(dòng)化灌溉制度普遍在普通膜下滴灌基礎(chǔ)上更“淺灌勤灌”，其對土壤的鹽分淋洗和保墑不如膜上灌好，所以今后要以合適的頻率進(jìn)行茬灌來改善土壤環(huán)境。

(4)自動(dòng)化因其獨(dú)特的灌溉方式及較高的基礎(chǔ)設(shè)施投入使得農(nóng)戶難以接受，所以要加大其宣傳和推廣的力度。