新疆典型节水灌溉技术的三级模糊评价模型及分析

牛靖冉，王春霞，何新林*，李玥，白蒙，王泽林，徐强，於嘉闻

(1 石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003；2 现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832003)

新疆地处我国西北内陆地区，面积约为全国的1/6，气候干旱少雨、蒸发强烈，农业用水量占总用水量的94%[1]。对于农业的依赖和干旱的气候使得新疆形成了独特的节水灌溉发展历史，从开始以覆膜灌溉为主到后来从国外引入膜下滴灌技术，如今新疆膜下滴灌面积已突破2.66×106hm2[2]，随着科学技术的发展，智能化逐渐融入到人们的生活当中，新疆很多地区也已经逐步实现了通过土壤水分传感器来决策灌溉的自动化膜下滴灌技术(简称自动化)[3]。随着节水灌溉技术的推广也产生一些问题，如膜下滴灌技术有效提高了产量，但是其对土壤的盐分分布也有显著影响[4]，另外，自动化所需的电磁阀及传感器等设备使其比传统滴灌的投入大，传统的膜上灌对盐分的淋洗效果是灌溉方式中最好的。

以往对节水灌溉技术的评价仅局限于经济效益的评价，但是随着可持续发展理念的深入，也逐渐开始重视其所产生的环境效益及其所辐射到的社会效益[5]。学者们对于灌溉技术、灌区的节水灌溉水平的评价都设计了自己的评价指标体系及评价方法[6-10]，具有一定的可行性和代表性，但是存在以下问题：一是缺乏针对灌溉技术自身适用性的评价；二是忽略了田间试验的重要性，而对于灌溉技术的评价必须要通过资料收集、田间试验、社会调查相结合的方法才能够做到全面、、科学的评价，三是对灌溉技术的评价既要充分考虑其横向影响(经济、环境、社会)，也要重视其纵向的影响(从宏观到微观)，以往学者对于灌溉技术宏观方面的的评价指标选取较多，而对于微观方面例如作物光合效率等指标选择很少，而作物的光合效率直接对其生长及产量造成影响，是很重要的指标。

因此，为了充分了解不同节水灌溉技术的综合效益及其突出优势，对其进行评估，从而为今后其发展方向提供理论依据，本文在借鉴以往学者研究成果的基础上，充分考虑横向及纵向因素对节水灌溉技术的影响，构建新疆典型节水灌溉技术的三级模糊评价模型，选取涵盖经济效益、环境效益、社会效益三方面26项指标对其综合效益进行评价。充分考虑到人为判断的模糊性，将层次分析法拓展到模糊环境里，这是一种有效的定性与定量相结合的分析方法[11],所以本文在确定权重时，选用评价指标体系具有多层次、多目标特点的层次分析法(AHP)；考虑到影响评价对象的因素多，且各个因素对目标的影响程度存在差异，无法用一个确定的数值来评价对象，故选用模糊综合评价法来对其综合效益进行评价。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2018年4—10月在位于新疆石河子市现代节水灌溉兵团重点试验室(44°18'N，85°59'E)进行。该地区属于中温带干旱区气候，年均降水量207 mm，蒸发量1 660 mm，年均温7.7 ℃,土壤为中壤土，0～100 cm的平均土壤容重为1.59 g/cm3，田间持水率为29.78%。

1.2 试验设置

本文选取的研究对象为棉花，品种为农丰133。采用大田试验，共设置3种处理，分别如下：

膜上灌的地块四周做垄，膜宽145 cm，布置方式为一膜4行，膜上开放苗孔方便水分渗入，灌溉面积为为297 m2，灌水量为7 190.32 m3/hm2,灌水次数为5次；

膜下滴灌采用一膜两管四行的布置方式，膜宽140 cm，株距为10 cm，窄行为30 cm，宽行为60 cm，灌溉面积为175 m2，，灌水量为6 039.47 m3/hm2，灌水次数为13次；

自动化膜下滴灌布置方式与膜下滴灌相同，在地块左右两部分的中心位置各埋设1组土壤水分传感器，每组传感器分别埋设在滴头正下方的20、40、60处，灌溉面积为350 m2，灌水量为5 315.68 m3/hm2，灌水次数为17次。

膜下滴灌及自动化都采用施肥灌、随水施肥，膜上灌采用水流冲洗的方式进行施肥，每次尿素(CO(NH2)2)与磷酸钾胺(KH2PO4)按2∶1的比例进行施肥。

1.3 测试项目及方法

(1)土壤含水量及含盐量的测定。分别于每次灌水前后在各处理的膜内按0～5、5～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm深度进行取土，通过土壤烘干法测定其土壤含水率，用电导率仪测试其土壤含盐率。

(2)棉花各生长指标的测定。在生育期末选取长势相当的棉花3株，分别用卷尺测量其株高及茎粗同时量出每片叶子的长和宽，通过计算得到叶面积，最后将其叶、茎、根、蕾、铃分别装入袋中，再烘干、称样、记录其干物质重量。

(3)光合及荧光指标的测定。采用PAM2500荧光仪(Walz，德国)在各生育期天气晴朗时选取2片长势相当的叶片测量其各时段的初始荧光F0、最大荧光Fm和相对电子传递速率ETR等荧光参数，荧光指标的计算参考ROHCEK K[12]的方法计算。在同一天用CI-340型手持式光合仪(CID,美国)选取2片长势相当的叶片测定其各时段的净光合速率Pn、蒸腾速率Tr。

(4)灌水量及产量的测定。灌水量通过记录田间布置的水表所得，产量通过称量记录各棉田所收皮棉总质量所得。

(5)田间水利用系数通过田间实测法公式[13]计算。

(6)定性指标值通过文献[14-18](D1、D3)和设计问卷(D11至D13，D22至D26)的方式确定。

2 结果与分析

2.1 评价模型的构建与步骤

本文研究所构建的新疆典型节水灌溉技术综合效益评价模型的具体步骤如下：

(1)依据指标选取原则[5]建立评价指标集和评价指标体系F={f1,f2,...,fn}以及评语集V={v1,v2,...,vn}。

(2)运用层次分析法[5]计算各指标权重W={w1,w2...wn}，计算结果见表1。表1中评价等级设定极好、较好、一般、差、极差5个等级，评价指标体系分指标层(D)、亚准则层(C)、准则层(B)、目标层(A)4层。

表1 新疆典型节水灌溉技术综合效益评价指标体系及其权重和评价标准

注：各指标分别为D1—基础设施投资量(万元/hm2),D2—田间水利用系数(%),D3—雇工人数(个/hm2),D4—产量(kg/hm2),D5—水分生产率(kg/m3)，D6—平均含水率变化率，D7—脱盐率(%)，D8残膜量(kg/hm2)，D9—化肥施用量(kg/hm2)，D10—化控药剂施用量(g/hm2)，D11—植被覆盖情况，D12—生态用水转移情况，D13—对水环境的影响，D14—吐絮期叶面积(cm2)，D15—吐絮期株高(cm)，D16—吐絮期茎粗(cm)，D17—吐絮期干物质(g)，D18—Pn的平均值，D19—Tr的平均值，D20—最大光化学效率，D21—ETR,D22—推广示范效果,D23—推广难度,D24—可持续性,D25—对农民素质的影响,D26—农业剩余劳动力转移情况。

(3)建立隶属度方程，确定各指标的模糊隶属度。本文所选用的隶属度方程[9]使得相邻评价等级数值平滑过渡，避免了边界值变化过大或变化不明显的弊端。其中，运用隶属度方程式(1)至式(5)计算各越大越优型定量指标的隶属度。越小越优型定量指标只需将<和>、≤和≥互换即可。定性指标根据表2的原则确定，其中t1为v1、v2的临界值，t2为v2的中间值，t3为v2、v3的临界值，t4为v3的中间值，t5为v3、v4的临界值，t6为v4的中间值，t7为v4、v5的临界值。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

表2 定性指标隶属度

(4)依据各指标的权重及各灌溉方式对应各评价等级的隶属度来对其进行三级模糊评价。根据各个指标对于某一灌溉技术的实际值及其评价等级来确定其对于各个评价等级的隶属度得到隶属度矩阵B[9]，

B=W·F，

(6)

式(6)中，W表示权重集，F表示指标集。

各灌溉技术对应各指标的隶属度计算结果见表3,其中各指标的数值通过大田试验、资料搜集和社会调查的方式获得。

表3 各指标现值及其隶属度计算结果

表3续

指标灌溉技术指标现值隶属度计算结果极好较好一般差极差指标灌溉技术指标现值隶属度计算结果极好较好一般差极差膜上灌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自动化56000.60.400自动化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自动化91000.40.60自动化7.6300.760.2400膜上灌较好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自动化一般00.250.50.250自动化0.77900.450.5500膜上灌一般00.250.50.250膜上灌219.990000.899 80.100 2D12膜下滴灌较好0.250.50.2500D21膜下滴灌246.97000.439 40.560 60自动化较好0.250.50.2500自动化261.37000.720.280膜上灌较大000.250.50.25膜上灌一般00.250.50.250D13膜下滴灌一般00.250.50.250D22膜下滴灌较好0.250.50.2500自动化一般00.250.50.250自动化较好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自动化3 3200.680.32000自动化较大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膜下滴灌较好0.250.50.2500自动化86.300.8150.18500自动化较好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膜下滴灌较好0.250.50.2500自动化1.600.70.300自动化极好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膜下滴灌较好0.250.50.2500自动化117.60.350.65000自动化极好0.70.3000

2.2 评价的结果及分析

依据最大隶属度原则[19-23]来评价其所对应的亚准则层的优劣状态，准则层与目标层的评价方法也按照此方法评,三级模糊评价结果见表4。

表4 三级模糊综合评价结果

表4续

评价目标灌溉技术隶属度矩阵评价结果膜上灌[0,0.25,0.5,0.25,0]一般推广效果C7膜下滴灌[0.187,0.457 1,0.312 9,0.062 9,0]较好自动化[0.187 1,0.374 2,0.25,0.125 8,0.062 9]较好膜上灌[0,0.25,0.5,0.25,0]一般社会辐射效益C8膜下滴灌[0.25,0.5,0.25,0,0]较好自动化[0.7,0.3,0,0,0]极好膜上灌[0.054 5,0.076 5,0,0.128 1,0.696 4]极差经济效益B1膜下滴灌[0,0.08,0.571 1,0.348 9,0]一般自动化[0.011 6,0.537 3,0.312 9,0.132,0]较好膜上灌[0.028 4,0.051 2,0.302 7,0.478 8,0.141 0]较差环境效益B2膜下滴灌[0.013 1,0.109 7,0.744 6,0.166 7,0]一般自动化[0.162 5,0.469 9,0.269 4,0.102 9,0]较好膜上灌[0,0.25,0.666 5,0.25,0]一般社会效益B3膜下滴灌[0.280 1,0.458 1,0.291 9,0.041 9,0]较好自动化[0.358,0.349 5,0.166 7,0.083 9,0.041 9]极好膜上灌[0.038 2,0.092 3,0.193 7,0.261 7,0.414 4]极差综合效益A膜下滴灌[0.033 4,0.142 7,0.589 8,0.245 4,0]一般自动化[0.110 1,0.463 1,0.281 3,0.115 6,0.005 8]较好

3 讨论

依据最大隶属度原则，利用三级模糊评价模型对膜上灌、膜下滴灌、自动化滴灌技术的综合效益进行评价，结果显示：

(1) 在投入方面，膜上灌在极差等级的隶属度最大为0.313 6，而膜下滴灌及自动化在较差等级的隶属度最大分别为0.566 6、0.395 9。膜下滴灌及自动化技术在大幅度提升田间水利用效率解放劳动力的同时，其设备相对较大的投资量是拉低其评分的原因，这与陈林等[24]研究所得的观点一致，膜上灌虽设备投资较小，但是其田间水利用效率却极低。

(2) 在产出方面，膜上灌评分在极差等级的隶属度最大为0.887 8，膜下滴灌一般等级的隶属度最大为0.64，自动化在较好等级的隶属度最大为0.668 8，所以从评价结果来看，技术的进步带来了产量的不断升高，另外，王风姣等[25-26]对自动化的研究表明，合理的灌水阈值可使自动化较普通滴灌增产32.54%。

(3) 在土壤质量方面，三种灌溉方式的评分均在一般等级的隶属度最大,分别为0.487 3、0.571 1、0.460 5，3种灌溉方式均存在残膜污染的问题，尤其膜上灌由于大水的冲洗，导致膜的破损，增加了回收难度。膜下滴灌及自动化虽然洗盐及土壤保墒效果不及膜上灌，但有效提升了肥料利用效率，减少了土壤肥料污染，顾明[27]研究表明较传统地面漫灌，自动化平均节肥20%，但是其过好的长势也必须要增加化控量来保证产量，这一方面又增加了土壤的污染。

(4) 在对生态环境的改善方面，三种灌溉方式均在一般等级隶属度最大分别为0.312 9、0.437 1、0.437 1，膜上灌对于土壤墒情的改善有效提升了植被覆盖率，但是其却加大了农业用水量的负担及对水环境的影响，减小了农业用水对生态用水的转移量，而膜下滴灌及自动化正好与之相反。

(5) 在作物生长方面，膜上灌在较差等级的隶属度最大为0.669 1、膜下滴灌在一般等级的隶属度最大为0.954 6、自动化在较好等级的隶属度最大为0.588 4，因此，从评价结果看，技术的进步使得作物生长越来越好。

(6) 在作物光和效率方面，膜上灌及膜下滴灌在一般等级的隶属度最大为0.438 9、0.751 9，自动化在较好等级的隶属度最大为0.565 1，作物的光合效率与其生长与产量息息相关，膜下滴灌相对膜上灌虽有优势，但不明显，自动化却在这方面有明显优势,王风姣等[25-26]研究表明自动化在最优灌水阈值的条件下其生长及光合荧光指标都要优于普通膜下滴灌，二者的研究结果一致。

(7) 在推广效果方面，膜上灌在一般等级的隶属度最大为0.5，膜下滴灌及自动化均在较好等级的隶属度最大为0.457 1、0.374 2，自动化虽然有良好的使用效果，但是也存在成本较大的问题限制了其推广，所以推广效果最好的是膜下滴灌，但是其与自动化相差不大且没有超过一个等级。

(8) 在社会辐射效益方面，膜上灌在一般等级的隶属度最高为0.5，膜下滴灌在较好等级的隶属度最高为0.5，自动化在极好等级的隶属度最高为0.7，自动化独特的灌溉方式让农户在使用过程中提升了自己对信息化时代自动化技术的重视及理解程度，增加了其节水意识而且解放了大量的农业劳动力转移到社会的其他领域。

(9) 在经济效益与环境效益方面，膜上灌、膜下滴灌、自动化的评分分别为较差、一般、较好。在社会效益方面，膜上灌、膜下滴灌、自动化评分分别为一般、较好、极好，膜上灌、膜下滴灌、自动化综合效益评分分别为极差、一般、较好，其对应等级的隶属度分别为0.414 4、0.589 8、0.463 1。

4 结论

(1)本文结合新疆节水灌溉技术的特点，在充分考虑其横向及纵向的影响因素下构建了用于评价其综合效益的评价指标体系及评价方法，得出了较为合理的结果，说明该评价模型科学可行。

(2)与膜上灌相比，膜下滴灌的优势为田间水利用系数提高28.8%、节省人力35.7%、节水潜力为1 150.84 m3/hm2、每公顷产量提升2 361 kg，而自动化膜下滴灌的优势为灌溉水利用系数提高38.7%、节水潜力为1 874.64 m3/hm2、每公顷产量提升了2 820.9 kg、尤其是可节省人力62.3%。

5 对策与措施

根据上述评价结果及新疆节水技术应用的现况，对新疆节水技术可持续发展提出以下对策与措施：

(1)通过设备改进及消化吸收国外技术来降低其成本，尤其在电磁阀及传感器等自动化设备上有较大的发展空间。

(2)自动化普遍采用机采棉布置方式，残膜污染问题依然严峻，需要继续治理。

(3)基于土壤水分传感器决策的自动化灌溉制度普遍在普通膜下滴灌基础上更“浅灌勤灌”，其对土壤的盐分淋洗和保墒不如膜上灌好，所以今后要以合适的频率进行茬灌来改善土壤环境。

(4)自动化因其独特的灌溉方式及较高的基础设施投入使得农户难以接受，所以要加大其宣传和推广的力度。