基于灰色关联分析的关键粮食生产技术筛选

张淑华，黄高彦，张一帆，李炳军

(1.河南农业大学信息与管理科学学院,河南 郑州 450046;2.英国皇家农业大学工商管理学院,英格兰 格洛斯特 GLTFJS)

粮食生产始终是关系中国国民经济发展、社会和谐稳定与国家安全自主的全局性重大战略问题。河南作为农业大省，是国家粮食生产核心区，粮食生产对河南省乃至全国的影响举足轻重，对保障国家粮食安全起到十分重要的作用。而在粮食需求刚性增长以及耕地、水等资源约束的形势下，如何保障中国粮食安全是亟须解决的一个重要问题。据测算，在生产条件相同、投入不增加的情况下，仅通过提高农业技术到户率，粮食单产的提高幅度便可达10%以上，因此，依靠农业生产现代化、农业技术的进步以提高生产要素的产出效率是实现粮食安全及农业经济持续增长的主要途径。同时，作为中央确保粮食产能新思路、“十三五”规划新途径的“藏粮于地、藏粮于技”政策的提出，为河南省依托技术保障粮食安全提供了政策引导。习近平总书记也高度重视河南省粮食生产，多次强调“粮食生产这个优势、这张王牌任何时候都不能丢”“要发挥好粮食生产这个优势，立足打造全国重要的粮食生产核心区，推动藏粮于地、藏粮于技，稳步提升粮食产能，在确保国家粮食安全方面有新担当新作为”。

改革开放以来，中国在耕地面积有限及劳动力转移的背景下，粮食产量始终保持稳步增长，其背后的关键在于农业生产技术进步的驱动。不少农业实践者、管理者研究分析了机械化对现代农业的作用[1]、农业机械化对粮食增产的影响[2-5]、农业机械化与农户农业增收的关系[6-7]、精准农业[8]等。刘青利等[9]运用剩余法和改进的广义灰色关联分析法对影响河南省粮食生产波动的因素进行了定性分析，得出粮食单产、农田有效灌溉面积和农业机械总动力是河南省粮食生产的主控因素，而且农药和化肥对粮食增产的作用越来越大。孙玉竹等[10]选取1999—2016年各省水稻、小麦、玉米的面板数据，运用E-S模型和C-D函数，分析生物化学型技术与机械型技术对粮食技术进步的贡献率，并得出水稻(早稻)生化型技术进步在产量提高中起主导作用，小麦、玉米产量的提高依托于机械型技术。田红宇等[11]与何泽军等[12]分别选取2004—2016年与2007—2015年各省域粮食安全的相关指标数据，基于DEA-Malmquist指数法对其进行检验分析，研究结果发现，粮食全要素生产率的改进主要源于技术进步，同时田红宇等[4]剖析得到化肥、农用机械等指标对粮食全要素生产率、技术进步等均具有积极促进的作用。粮食生产技术各指标对粮食产量的影响，是一个多属性分析问题。耿宇宁等[13]通过分析中国13个粮食主产省份的面板数据进行回归建模分析，发现技术进步显著正向影响粮食产量，且程度逐渐提高。唐建等[14]选取中国31个省份1990—2013年的面板数据，运用SFA模型(随机前沿方法)和时不变估计法测算各省粮食生产技术效率与变动趋势，研究结果表明粮食生产中技术的贡献率越来越大。目前，对于系统中各指标权重的确定采取的方法主要有主观赋权法、客观赋权法以及通过对大数据的挖掘，采用智能化算法进行计算的智能赋权法[15]。但这3种赋权法皆有优缺点，主观赋权法常见的有层次分析法(AHP)[16]、德尔菲法[17]等，客观赋权法主要有主成分分析法[16]、变异系数法[18]、熵值法[18]、TOPSIS法[19]等，智能赋权法包括BP神经网络[20]等。但由于各单一赋权法的机理不同、不同权重赋值途径各异，在应用中多种评价方法之间评价结论会存在差异。为同时反映出主观认知和客观数据的规律，现有对组合系数的研究也常将主客观权重相结合，但组合系数的确定却常采用主观经验、偏好或者平均加权的方法来赋值，缺乏科学严谨性。而采用组合评价确定组合系数可以克服这一缺陷，其在自然灾害评估[21-22]、方案优化[23]、综合评价[24]、产业经济[25]等各方面得到了广泛的应用。

总体来讲，关于中国粮食生产中技术效率及影响因素的研究文献较多，其研究成果对于优化农业资源配置、提高农业生产效率、要素配置有重要的意义，但多是侧重于对粮食生产技术效率或技术非效率及影响因素的研究，忽略了对投入要素中影响粮食生产的具体机械型技术指标进行分析。鉴于此，本研究将以更加科学合理的主客观相结合的组合权重对粮食生产技术指标进行赋权，综合分析各粮食生产技术指标对粮食产量的影响程度，并运用灰色关联分析方法评判粮食生产技术体系，以此对关键粮食生产技术进行分析筛选，系统量化分析生产技术对粮食产量的影响。最后以河南省为例，基于MATLAB软件进行测算分析，旨在探析粮食生产技术与粮食产量之间的关系，并为河南省粮食生产技术的可持续发展提出可资借鉴的决策依据。

1 粮食生产技术评估体系

1.1 评价指标组合权重的确定方法

对于粮食生产技术水平的评价可以表达为采用不同粮食生产技术指标所构成的不同粮食生产技术的评估。设粮食生产技术分别为X1,X2,…,Xn(n为粮食生产技术类别个数)，且每种粮食生产技术Xk(k=1,2,…,n)用指标x1,x2,…,xm代表(m为不同粮食生产技术的不同代表指标的个数)。本研究基于组合权重确定的方法，主要运用AHP法确定主观权重，TOPSIS法确定客观权重。

AHP法(层次分析法)确定主观权重是一种多目标系统决策方法，它将一个复杂系统分解为不同的要素，并将各要素归纳为多个不同的层次，然后通过对每一层次的要素进行重要性的两两比较，定性地将组合数据与专家意见结合起来计算各层次元素的权重，从而计算各指标的权重，该方法兼顾定性、定量因素，清晰各层次、各准则与各要素之间的关系，具有系统而灵活的优点(具体步骤详见文献[13])。

TOPSIS法(逼近理想解排序法)是一种常用的有限方案多属性决策分析的科学决策方法。其基本原理是通过归一化不同年份下粮食生产技术指标构成的矩阵，找出各指标的最优最劣解(用最优最劣向量表示)，计算各指标与最优最劣解间的距离，再利用得到的各指标与最优最劣解的组合贴近度，实现各粮食生产技术指标的分级排序(具体步骤详见文献[16]式(1)～(6))。

组合权重的确定是基于博弈论思想，分析各种评价方法之间相互竞争又协调一致的关系，将纳什均衡作为协调目标，组合考虑主客观权重，寻求某种可能的权重，使其与各赋权法权重的离差最小，从而达到各赋权法权重之间的均衡。具体步骤如下[26]：

(1)基本权重集的表示。设有f种方法确定系统中各指标的权重，即可得到f个权重向量ωi=[ωil,ωi2,…,ωil],i=1,2,…,f，其中，l为粮食生产技术指标总个数。于是，基本权重集为ω={ω1,ω2,…,ωf}，f个权重向量的任意线性组合可以表示为：

(1)

式中：λk>0为权重组合系数。

(2)优化组合系数。优化λk，使得ω与各λk的离差极小化，因此可得最优权重向量模型：

(2)

通过矩阵性质，可求得式(2)的最优化一阶导数的条件为：

(3)

其对应的线性方程组的矩阵表达为：

(4)

(3)通过式(4)可求得λ1,λ2,…,λf，对权重组合系数λk进行归一化处理：

(5)

则组合权重为:

(6)

1.2 基于灰色关联分析的组合评估模型

灰色关联分析方法[27]的本质是分析不同序列之间的联系是否紧密，并通过数据序列曲线的几何形状相似程度来区分，系统中参考数列和比较数列2个因素之间的灰色关联度越接近于1，相应序列的几何形状越接近，联系越紧密，关联程度就越大，也即说明该比较数列因素是影响系统发展的主要影响因素。本研究采用灰色关联分析方法的思想，对粮食生产技术与粮食产量之间的关联度进行分析，具体步骤如下[28]：

(1)根据上文所建系统进行分析确定理想方案(x01,x02,…,x0l);

(2)进行无量纲化处理：

(7)

(3)计算关联系数：

i=1,2,…,t;j=1,2,…,l。

(8)

式中：ζ∈(0,1)称为分辨系数，一般取ζ=0.5；t在本研究中为样本年份；

(4)计算灰色关联度：

(9)

综上,可得基于组合权重灰色关联分析的粮食生产技术评估模型的步骤：

Step 1 建立粮食生产技术评估体系下的评价矩阵；

Step 2 采用AHP法、TOPSIS法分别得到主、客观权重；

Step 3 通过式(1)～(6)计算得到组合权重；

Step 4 确定理想方案；

Step 5 计算公式(7)～(8)得到灰色关联系数；

Step 6 运算式(9)得到灰色关联度；

Step 7 判断分析评估体系，对粮食生产技术进行筛选。

2 河南省关键粮食生产技术筛选

2.1 数据来源

本研究数据来源于2016—2019年《河南省统计年鉴》，即为2015—2018年河南省粮食生产技术各指标的统计数据(表1)。其中，指标是通过查询相关文献[3]、[11]，结合专家经验，遵循目的性、全面性、可操作性、可比性、定量与定性相结合的基本原则选取得出，并将排灌动力机械数量等12个主要粮食生产技术指标按照生产过程及技术性能分为9类，分别反映灌溉技术、机械化技术、农田基本建设技术、耕作技术、收获技术、化肥施用技术、农药施用技术、农膜使用技术、收获后技术等粮食生产技术，因为考虑到指标数据的可取性等因素，本研究未选取种子品种差异等指标下的育种技术。具体粮食生产技术体系详见图1，其中耕作技术下的耕整地机械为机引犁数量、机引耙数量以及旋耕机数量的累加和，机动喷雾(粉)机数量作为粮食生产的农药施药技术指标。

表1 2015—2018年粮食生产技术指标数据Table 1 Data on grain production technology index from 2015 to 2018

图1 粮食生产技术评估指标体系Fig.1 Index system of food production technology assessment

2.2 数据处理及分析

通过以下步骤建立并计算分析河南省粮食生产技术评估体系：

(1)通过表1建立粮食生产技术评估体系下的评价矩阵A，根据上文提出的方法步骤，应用MATLAB软件实现。

(2)采用AHP法和TOPSIS法得到主、客观权重，在AHP 法指标权值计算中，本研究邀请农业专业专家采用1～9标度法得到；TOPSIS法用于对河南省2015—2018年的粮食生产技术指标进行综合评价：

ω1=[0.097 8,0.169 4,0.104 1,0.043 5,0.017 0,0.170 6,0.087 6,0.157 3,0.056 4,0.026 5,0.017 2,0.052 5]

ω2=[0.082 5,0.087 5,0.084 0,0.082 8,0.079 9,0.082 1,0.082 0,0.082 3,0.081 9,0.082 5,0.090 4,0.082 3]

(3)计算得到组合权重；根据式(1)～(6)运用MATLAB软件计算可得组合权重为：

λ=[0.084 2,0.096 7,0.086 2,0.078 2,0.072 9,0.092 0,0.082 6,0.090 7,0.079 1,0.076 2,0.082 2,0.079 0]

因此，河南省粮食生产技术指标权重的排序为：农机总动力>化肥使用折纯量>机动喷雾(粉)机数量>农田基本建设机械数量>排灌动力机械数量>农药施用实物>谷物烘干机数量>农膜使用量>种子加工机械数量>耕整地机械数量(机引犁数量、机引耙数量以及旋耕机)>机动脱粒机数量>联合收割机数量。

(4)确定理想方案。选定理想方案就是各指标判断粮食产量是提高的，即提高的概率为1，不提高的概率为0，进而计算灰色关联系数，得到关联矩阵εij。

(5)计算灰色关联系数。

1)根据式(7)将评价指标进行无量纲化处理，因此可得矩阵E：

2)根据式(8)可得到关联矩阵εij：

(6)计算灰色关联度。由式(9)计算可得(γ1,γ2,γ3,γ4)=(0.543 4,0.535 1,0.545 2,0.571 8)。γi是每个测得的指标与理想方案的指标的关联度，即1-γi表示粮食产量可提高的概率。

(7)判断分析评估体系。对粮食生产技术进行筛选。在基于博弈论思想测算得到的组合权重中，通过计算可知组合权重排名前6的技术指标权重占总权重的53.24%，且权重排名前6的粮食生产技术指标在计算得到的关联矩阵中2015—2018年的关联度也较高。农机总动力占据最大的比重(0.096 7)，对于粮食产量的提高具有非常积极的促进作用，体现出在粮食生产中机械化技术的支持有助于增产。因此，为促进粮食产量的提高，对农机利用率的提升以及农机技术的创新优化是非常必要的。化肥使用折纯量的组合权重排名为第二(0.092 0)，说明化肥施用技术的投入能够提升粮食生产水平，但由于会对环境造成的恶劣影响，农业污染可能也会随之增加，这与当前中国粮食生产现状相符，中国普遍存在增产主要依靠生产要素的高投入、高消耗、高污染为代价来实现的现状，这也进一步表明提高化肥投入零增长及其技术创新与优化是非常紧迫及重要的。灌溉、基本农田建设、机动喷雾机等技术指标的权重排名较靠前，体现了农田水利建设、农药施用技术是保障粮食稳产高产的重要物质基础，也是实现粮食生产完善基础设施建设和生态环境建设的保障。种子加工机械及耕整地机械是粮食生产产前、产中必不可少的农具，但在粮食生产技术占据较低的权重，这主要是因为当前中国种子加工体系较为庞大，在粮食生产技术中已不占据主导作用，以及保护性耕作技术尚未得到全面推广所致。其他生产技术为收获及收获后技术，此类型的机械技术不仅能够提高人们的工作效率、解放劳动力，同时也是直接影响粮食脱粒、精选、干燥后产量计算的重要粮食生产技术，对于收获后技术的创新同样不可忽视。

基于博弈论思想下组合权重与灰色关联分析法综合得到的灰色关联度，可以看出随着博弈次数的不断增加，关联度γi是呈波动性增加的，表明以排灌动力机械等指标为代表的粮食生产技术在粮食生产中发挥着重要作用，同时在近几年在对粮食生产技术愈加注重的政策背景下，河南省粮食产量的提高与粮食生产技术的投入关系密切，也表现出粮食产量在整个评价过程中体现出积极正向的反映，使得粮食生产技术的作用得到体现。本研究只运用到2018年的数据，该年粮食生产可提高的水平为0.428 2，说明粮食生产技术的投入潜力还有待挖掘，其中粮食生产技术的创新同样具有至关重要的作用。综上，通过对粮食生产技术指标组合权重的测算及基于灰色关联分析对粮食生产技术综合评估，筛选得出以农机总动力等为指标的机械化技术、化肥施用技术、农药施用技术、农田基本建设技术、灌溉技术是粮食生产的关键技术，在河南省粮食生产技术体系中具有显著的正向促进作用，耕作技术、收获技术、农膜使用技术以及收获后技术为粮食生产的辅助技术。

3 结论及建议

近年来，中国政府加大了对农业科技创新的支持，但目前中国农业还存在生产基础薄弱、农业投入与产出不成正比、缺乏技术支撑等问题，多数农民还是依靠多年累积的经验来实施耕种，对于粮食生产技术、现代化农业的意识还很薄弱。基于此，本研究借助粮食生产技术指标，运用组合权重与灰色关联分析结合的方法构建了粮食生产技术评估体系，并通过量化评估发现，机械化技术、化肥施用技术、农药施用技术、农田基本建设技术、灌溉技术是影响河南省粮食产量的关键粮食生产技术，对提升粮食生产水平起到了积极的作用，而耕作技术等4项技术在河南省粮食生产技术体系的组合权重中占据较小的比重，是粮食生产的辅助技术，并且分析判断评估体系类型得知河南省粮食生产技术水平还有很大的提升潜力。

根据结论提出以下政策建议，旨在为河南省政府部门加强粮食生产技术创新提供新思路和决策参考、为粮食生产管理部门合理配置农业资源提供技术指导。

(1)强化农业机械化生产，开发推广适宜农机农艺有效结合的机具和作物种植模式。农机是农业科技的物质载体，同样也是推动“藏粮于技”，稳步提升粮食产量的保障之一。在加快推进农业机械化进程中，不仅要大力推进农业技术的创新，更要建立健全的农机农艺结合的体制机制。中国已是世界上第一农机制造和使用的大国，粮食生产农机技术可以减轻农民劳动强度，确保农艺精准到位，对实现生产节本增效、提高粮食产量具有重要作用。因此，在加快推进农业生产现代化、加强粮食生产技术创新的进程中，应大力推进农业技术进步、提高粮食生产技术效率，建立健全粮食科技创新体系，确保粮食生产关键技术与辅助技术协同创新，推进粮食生产全程机械化服务，鼓励农机服务组织向广大农户提供覆盖粮食生产产前、产中和产后全过程的机械化服务，提高农技农机农艺等粮食生产技术条件和社会化服务水平，以及农业生产的农机配套综合能力，推动要素投入结构优化和作物种植结构调整，逐渐从以“量”为主的粗放型增收模式，转换为以“质”“量”并存的现代化、绿色化方向发展，从而实现河南省粮食“增产、增效、增绿”的多元化目标，落实“藏粮于技”政策，打造全国重要的粮食生产核心区，构建符合河南省省情的多元化粮食生产安全保障体系，始终保持粮食安全战略定力。

(2)发展精细施肥技术，开发推广新型肥料，构建绿色有机农业。化肥作为粮食生产的重要催化剂，合理施肥能给粮食带来丰产，过量则会破坏土壤结构、严重影响耕地生态环境、导致粮食减产，对粮食安全起到不利的影响，因而为提高化肥技术对粮食生产效率的影响可精细施肥、合理的管控化肥的投入，加快低毒高效化肥等技术的创新实现，建立和完善适合河南省的农业土壤环境检测体系，定期对土壤进行质量评估，制定一套有针对性适宜各地区的农用化肥施用方案。同时，加大实施测土配方等施肥技术的补贴力度，积极鼓励农户施用缓释肥等有机肥，以减缓化肥的施用强度，实现绿色农业的目标。

(3)加快新型农药技术创新及推广，提高施用生物农药补贴，完善农药监管机制。农药的施用虽对粮食生产起到了促进作用，但对生态和人体健康造成了极大的隐患。依靠科技创新通过新方法、新技术研发低毒低残留的农药新产品，推动以机动喷雾(粉)机等为代表的施药技术的创新提高粮食生产的效率。适当引进优质、抗虫、高产的粮食作物新品种与先进的农作物种苗培育、作物栽种技术等，可从源头上减缓病虫害的发生，实现提高粮食生产效率的同时保障粮食安全。通过有序的技术推广组织体系，利用基础教育、技术示范、专家入户等多种方式，不仅能够提高农药使用者的技术水平，而且还能树立其科学、环保的用药意识，引导农民减少农药施用量，增加有机肥低毒低残留农药的施用量，从终端用户防控农药滥用。政府可根据有机肥的施用量给予一定的补贴，加快改变农作物对农药过分依赖的传统生产方式，同时还可以运用市场供求的杠杆功能，提升农药安全监测能力，开展农药安全状况综合评估，健全农药废弃物管理制度，实现其废弃物统一回收处理，明确农药安全管理职责，加强各流程监管，从而增加农民使用高毒或高残留农药的成本及风险，使农民被动的合理使用低毒低残留农药，将保障粮食质量安全、建设生态环境根植到每个人的心中。

(4)加强农田基本建设，建立完善灌溉体系。农田基础设施是维持农业生产率、提高农业综合生产能力的基础，其中灌溉技术在缺水严重的河南省占据相当重要的地位，灌溉设施能够保障农业生产的水源供给，改善农作物生长环境。农业基础设施的质和量都要适应现代农业的发展需求，需要强化农业基础，加大农田水利灌溉技术的科技投入，加快中低农田改造、高标准农田建设，提升机械化结构、加强信息化技术及分析工具的利用，科学合理地提高农田灌溉有效率及农田基本建设水平，积极推广以微灌为代表的节水灌溉新技术，从而推动将专家的试验产量变为农民的大田产量。