基于AHP-熵权法的农业节水技术综合效益评价

高金花，高晓珊，廉冀宁，柏 宇，王 莉

(1.长春工程学院 水利与环境工程学院，长春 130012；2.吉林省水工程安全与灾害防治工程实验室，长春130012；3.武汉大学 水利水电学院，武汉 430072)

0 引言

近年来，随着人口的增长和耕地面积的减少，大力推广农业节水灌溉技术对保障农业可持续发展、缓解水资源短缺具有重要意义[1]。全国农业工作会议提出以绿色发展、友好环境、带动农民增粮增收等为考核指标，建立效益优先、质量兴农、绿色兴农的农业考核评价体系。因此，建立农业节水灌溉技术综合评价体系不仅要注重经济效益，同时也要以社会效益、生态效益为抓手。由于节水灌溉技术种类较多，如何因地制宜地选择科学合理的灌溉方式变得尤为重要。农业节水灌溉技术综合效益评价就是从多维角度出发，对不同农业节水灌溉技术带来的综合效益进行评估，从而选出最佳的节水灌溉技术，来辅助农民及农业主管部门。

吉林省西部地区是我国北方脆弱带的一部分，也是世界三大苏打盐碱地集中分布区之一[2]。该地区干旱机率达68%～90%，粮食减产可达18亿～23亿kg，土壤盐碱化面积已占该地区国土总面积的31%，干旱缺水和土壤盐碱化等生态问题影响着吉林省西部地区农业生产效率及农业生产形势。目前，吉林省为响应国家节水增粮的号召，已经采取高效农业节水灌溉技术，如膜下滴灌技术、暗管排水技术、高光效膜下滴灌技术、膜下滴灌+暗管排水技术[3-5]。

本文以松原市前郭县灌溉实验地为例，在综合考虑不同农业节水灌溉技术带来的经济效益、生态效益及社会效益的基础上构建综合效益评价体系，应用AHP-熵权法确定指标综合权重，采用线性加权法对膜下滴灌+暗管排水、膜下滴灌及传统漫灌3种节水灌溉技术进行评价研究，从而选出适合吉林省前郭县的节水灌溉技术。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于吉林省松原市前郭县前诸尔钦村，东经124°49′，北纬45°18′，平均海拔为134m，年平均气温4.5℃，年平均日照时数2 879.8h，年平均降水量为400～500mm，为大陆性季风气候。试验区为砂壤土，土壤容重为1.53g/cm3，土壤初始持水量24%，土壤初始含盐量为0.2%。

1.2 试验方案

试验方案为3个处理：处理一，膜下滴灌+暗管排水方案(简称T1，下同)；处理二，膜下滴灌方案(T2)；处理三，传统漫灌种植方案(T3)。T1采用的暗管排水系统由3条南北方向布置的PVC波纹吸水管和1条东西方向布置的PE集水管组成，暗管内径均100mm，暗管间距8m，暗管埋深0.8m，暗管外包有无纺布。T1与T2采用的膜下滴灌系统由PE干管、PE支管、毛管和地膜等组成。其中，干管内径34mm，干管外径40mm；支管内径28.8mm，支管外径32mm；毛管直径16mm，毛管间距0.6m；滴头间距0.3m，滴头额定流量为2.1L/h，且二者均采用一行一管、两行一膜的种植模式，灌水量相同。T1、T2、T3株距和行距分别为20、60cm，且施肥时间、施肥次数及施肥量均相同。不同处理之间采用隔水塑料进行防渗处理。

1.3 AHP-熵权法

目前，农业节水技术灌溉评价方法有Rough Set、AHP、熵权法及模糊评价法等[6-9]，本文主要采用主客观相结合的AHP-熵权法来确定各项评价指标综合权重值。

1.3.1 AHP法主观权重的确定

层次分析法(Analytic Hierarchy Process，简称AHP)由运筹学家托马斯·塞蒂正式提出[10]。该方法是通过9级标度表对准则层、指标层的各项评价指标进行两两比较，进而构造判断矩阵A=(aij)n×n。其中，aij表示第i个指标对第j个指标的重要程度。通过主观权重公式求得各项评价指标权重值，即

(1)

(2)

构造判断矩阵时可能存在不合理性，需要将矩阵的一致性检验指标除以平均随机一致性指标，即CR=CI/RI。当CR<0.1时，一致性满足要求；否则，重新调整判断矩阵，直到一致性满足为止。

1.3.2 熵权法客观权重的确定

熵权法是在综合考虑各项评价指标所提供信息的基础上，构建评价指标原始数据矩阵X=(xij)m×n。其中，xij为第i样本的第j个指标值。由于原始矩阵之间量纲不同，所以采用极值法对原始数据进行标准化处理，得标准化矩阵R=(Rij)m×n[11]。越大越优的效益型指标采用公式(3)，越小越优的成本型指标采用公式(4)，即

(3)

(4)

计算各指标权重，即

(5)

(6)

(7)

1.3.3 AHP-熵权法综合权重的确定

AHP法求得的指标权重侧重决策者的主观偏好，熵权法的权重侧重数据之间相互关系[12-13]。为了使指标权重具有准确性和科学性，应将AHP确定的主观权重与熵权法确定的客观权重相结合，来求得评价指标的综合权重。考虑主观权重与客观权重的偏差，选择加法集成法建立综合权重公式(8)。为求出权重系数β，则需联立最小二乘优化函数(9)，并用MatLab求得。

(8)

(9)

1.3.4 确定综合效益测度值

采用线性加权法求得各项节水灌溉技术的综合效益测度值，即

(10)

2 结果与分析

2.1 构建节水灌溉技术评价指标体系

为了准确反映3个处理各自的综合效益，构建评价指标体系时以生态效益、经济效益、社会效益相互耦合的发展理念为指导，以科学性、代表性、一致性为原则，同时结合前郭县节水灌溉实验相关数据[14]，建立农业节水灌溉技术综合效益评价体系，如图1所示。

图1 农业节水灌溉技术综合效益评价体系

water-saving irrigation technology

2.1.1 经济效益

农业经济效益评价指标种类繁多，指标间的关系颇为复杂，因而参考国内学者对农业经济效益指标的相关研究，主要从产值、物耗产值率及劳动生产率3个指标考虑，各指标含义及计算公式如下：

1)产值C1。

C1=V×Y

(11)

式中C1—单位面积玉米产值(元/hm2)；

V—单位面积玉米产量(kg/hm2)；

Y—玉米单价，实验区玉米单价为2.24元/kg。

2)物耗产值率C2。物耗产值率是指单位土地面积农作物总产值与农作物耗资金之比。

(12)

式中C2—物耗产值率；

N—单位面积玉米物耗资金(元/hm2)。

3)劳动生产率C3。劳动生产率是指每个农业劳动者在单位时间内带来的总产值。

(13)

式中C3—劳动生产率(元/人)；

L—单位面积年用工量(人/hm2)。

2.1.2 生态效益

提高生态效益是建设现代农业的重要环节之一。结合松原市前郭县节水灌溉实验地的现状和发展特点，将水分利用效率、土壤含盐量及农田化肥污染作为生态效益的主要考虑因素，各因素的含义及相应的指标值如下：

1)水分利用效率C4。水分利用效率是指单位面积农作物的总产量与农作物生育期内的实际耗水量之比。

(14)

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

(15)

式中C4—水分利用效率(kg/m3)；

ETa—单位面积玉米全生育内的耗水量(m3/hm2)；

W2-W1—单位面积玉米全生育内的土壤含水量之差(m3/hm2)；

R—单位面积玉米全生育内的降雨量(m3/hm2)；

I—单位面积玉米全生育内的灌水量(m3/hm2)；

G—单位面积玉米全生育内的渗漏量(m3/hm2)；

U—单位面积玉米全生育内的地下水补给量(m3/hm2)。

2)土壤含盐量C5。用烘干法测定土层深度为60cm时玉米不同生育阶段的平均土壤含盐量，T1、T2、T3分别为1.22‰、1.44‰、1.82‰。

3)农田化肥污染C6。农田化肥污染主要是作物未利用的肥料(以氮、磷元素为主)通过下渗水转移至作物根系以下而造成的污染。从肥料流失率的角度考虑，肥料流失越多，污染就越严重。根据我国节水灌溉网可知：在吉林省中西部旱区，T3传统种植的肥料利用率为30%，肥料流失率为70%，则农田化肥污染程度为70%；T2采用膜下滴灌种植技术，该技术可使肥料利用率达到60%，肥料流失率为40%，则T2的农田化肥污染程度为40%；T1是在采用膜下滴灌的基础上应用暗管排水技术，由于流失的肥料随着入渗水进入排水暗管，并且暗管出水口直接接入具有净化作用人工潜流湿地，人工湿地对农业废水的处理效率可达50%[15]，所以T1的农田化肥污染程度为40%-(40%×50%)=20%。

2.1.3 社会效益

基于3种节水灌溉技术的内在联系与差别，社会效益评价指标因素的选取应考虑农业技术施工难易度、农业技术先进水平及农民收入贡献率3个方面。其中，农业技术施工难易度和农业技术先进水平为定性指标。各指标因素的含义如下：

1)农业技术施工难易度C7。根据前郭县实验地各自节水灌溉技术的施工难易情况进行对比分析，从而确定3个处理的农业技术施工难易度。规定判别值在[0,1]之间，判别值越大，节水灌溉技术的施工程度就会越难。本文以T2为参照对象，来确定T1与T3节水灌溉技术的施工难易度。T2铺设干管、支管、毛管及地膜，将其技术施工难易度值定为0.5；T1不仅需要铺设地膜及管带，还需要埋设暗管，因此T1施工难易性相对T2较为困难，将其技术施工难易度定为0.7；T3为传统灌溉模式，即不需要暗管排水也不需要膜下滴灌，其施工难易度相对T2较为简单，将其施工难易性的判别值定为0.2。

2)农业技术先进水平C8。选择先进的节水灌溉技术是提高农作物综合效益的一种有效手段。农业节水灌溉技术的先进水平是指为促进农业生产力的发展使用先进的农业节水灌溉技术来代替落后的农业节水灌溉技术。基于3种节水灌溉的技术先进性，将判别值规定在[0,1]之间，即判别值越大技术先进性越佳。本文以T2为参照对象，T2的技术先进性赋值为0.5；T1在T2的基础上考虑了暗管排水技术，该技术是通过暗管将土壤中的盐分排出达到淋盐洗盐的目的，且排水暗管使用年限较长，所以在技术水平上T1相对于T2更为先进，则T1的判别值为0.7；T3为传统种漫灌植模式，其技术先进性相对于T2较为落后，则技术先进性判别值为0.1。

3)农民收入贡献率C9。

(15)

式中C9—农民收入贡献率(人/hm2)；

N—区域农业总人口，前郭县N=43万人；

M—区域农业总产值，前郭县M=155亿元。

根据上述公式计算出不同处理的各项评价指标值，如表1所示。

表1 不同处理的各项指标值

2.2 节水灌溉技术综合效益评价

2.2.1 节水灌溉技术评价指标权重

1)AHP法。考虑到吉林省前郭县干旱少雨和土壤盐碱化趋于严重等生态环境问题，为使前郭县节水灌溉实验地的综合效益值达到最佳，不仅要注重经济效益，而且要加强生态效益和社会效益的提高。所以，B1与B2同等重要，根据9级标度表，其标度值为1；同理，认为B1比B3稍微重要，其标度值为2；B2与B3也同等重要，其标度值为。建立判断矩阵A-B，然后用一致性检验公式对A-B判断矩阵进行检验，当判断矩阵通过一致性检验时，根据公式(1)和公式(2)，即可求得准则层的各项指标权重。同理，建立判断矩阵B1-C、B2-C、B3-C，如表2所示；最终确定指标层对目标层的主观权重，如表3所示。

2)熵权法。采用公式(3)和公式(4)将3个处理各项指标值构成的原始数据矩阵进行标准化处理，得标准化矩阵；然后，根据公式(5)和公式(7)计算各项评价指标的信息熵及客观权重，如表3所示。

3)AHP-熵权法。联立综合权重公式与最小二乘函数公式，并将主观权重和客观权重代入，应用MatLab软件求出β=0.5，最终算出前郭县灌溉实验区各项评价指标的综合权重。

表2 判断矩阵及其一致性检验结果

判断矩阵B1-C一致性检验B1C1C2C3C111/21C2211C3111λmax=3.054CI=0.027CR=0.046<0.1

判断矩阵B2-C一致性检验 B2C4C5C6C4111/2C5111C6211λmax=3.054CI=0.027CR=0.046<0.1

判断矩阵B3-C一致性检验B3C7C8C9C7111/2C8111/2C9221λmax=3CI=0CR=0<0.1

表3 标准化矩阵及权重计算结果

2.2.2 节水灌溉技术综合效益测度值

采用公式(10)将标准化矩阵和各项指标的综合权重进行线性加权，求出各项处理的综合效益测度值及综合效益排序，如表4所示。

表4 各处理的效益测度值

2.3 节水灌溉技术综合效益评价结果分析

为了更加直接地观察和分析吉林省松原市前郭县3种节水灌溉技术的经济效益、生态效益、社会效益及综合效益测度得分情况，将测度得分结果用图2表示。由表4及图2可以看出：

1)3种节水灌溉技术的综合效益测度值排序为T1(0.665)> T3(0.566)>T2(0.324)。可见，膜下滴灌+暗管排水技术使前郭县实验地综合效益达到最佳。

2)从经济效益可知，T1的经济效益测度值要小于T2与T3。虽然T1的玉米产值最高，但是物耗产值率和劳动生产率相对较小，且经济效益的指标权重排序为物耗产值率(0.132)>产值(0.118)>劳动生产率(0.114)。由此可见，要想增加前郭县的玉米经济效益，在注重提高产值及劳动生产效率的同时，更应该注重物耗产值率。

3)社会效益的得分情况为T1>T2>T3，采用膜下滴灌+暗管排水技术更有助于提高前郭县的社会效益。农民收入贡献率对社会效益的贡献程度要大于农业技术施工难易度和农业技术先进水平。

4) 生态效益的测度排序为T1>T2>T3。T1生态效益测度得分值为T2的2.1倍，T3无得分。可见，膜下滴灌+暗管排水技术相对于膜下滴灌和传统漫灌更有助于改善吉林西部前郭县干旱缺水、土壤盐碱化及农业化肥污染等若干生态环境问题。

图2 不同处理效益测度值

3 结论

针对如何能够选出综合效益最佳的农业节水灌溉技术，采用了主观赋权AHP法与客观赋权熵权法相结合的评价方法。以吉林省前郭县灌溉实验地为研究对象，从经济效益、生态效益、社会效益3个维度选取了9个评价指标，构建了节水灌溉综合效益评价指标体系。通过AHP-熵权法对评价指标进行综合赋权，并根据线性加权法实现了3种节水灌溉技术的综合效益测度，最终确定膜下滴灌+暗管排水技术的综合效益测度值最大。结果表明：运用AHP-熵权法可以科学、合理地选出综合效益最佳的节水灌溉技术。