西遼河流域春玉米節水灌溉模式評價與優選

戚迎龍，李 彬，趙 舉，張建華，李 敏，李經偉，包額爾敦噶，馮 曄，楊玉芬

(1. 內蒙古農牧業科學院資源環境與檢測技術研究所，內蒙古 呼和浩特 010031；2.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018；3. 通遼市農業科學研究院，內蒙古 通遼 028000；4. 包頭師范學院，內蒙古 包頭 014030；5. 內蒙古水利科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010020;6. 內蒙古河套灌區解放閘灌域管理局,內蒙古 巴彥淖爾 015400)

農業水資源短缺已經成為制約我國農業可持續發展的“結癥”，而破解危機，關鍵在于農業生產高效用水[3]。因此節水灌溉新技術及新模式的研發已成為迫切需求，也是持續性的研究熱點。現代節水灌溉技術已是工程節水與農藝節水相互結合并進的綜合技術，主要包括非充分灌溉、調虧灌溉、地面覆蓋、渠道防滲、低壓管道輸水、噴滴灌、滲灌、痕量灌溉等[4]。對于東北四省區，近幾年主要規模化發展微灌、噴灌、管道輸水灌溉，其中微灌(主要是膜下滴灌)發展面積約占54%[5]。大規模的應用膜下滴灌后，殘膜污染危害逐漸顯現，淺埋不覆膜滴灌開始嘗試，但應用面積少，缺乏相應的機理性研究以及應用效果考察，優缺點尚待論證。覆膜栽培增溫可保墑、增產保肥、降低地表蒸發、提高水肥利用率[6-8]，但地膜在自然條件下極難分解，可殘存于土壤200～400年[9]，部分地膜生產企業對國家標準執行力缺失，廣泛生產超薄地膜，對污染與回收帶來了諸多不便[10]。嚴昌榮等[11]研究表明，地表-土壤系統殘留地膜既惡化了土壤結構又破壞了農作物生長發育的平衡態，增產需要承擔農業生態環境惡化與未來多年連續減產的雙風險。

本文以西遼河流域玉米種植為作物依托，采用課題研究數據結合實地考察資料與專家評語征集，利用改進層次分析法，從多方面系統性地評價西遼河流域氣候條件的灌溉、栽培模式，旨在初步探索適宜該地區的技術模式，為當地玉米種植提供一定的指導意見。

1 材料與方法

1.1 研究區域

1.1.1 研究區概況 西遼河流域地處大興安嶺東南麓和燕山北麓夾角帶，屬我國古文明發源地，人-地系統也隨著歷史進程在改變與演化著[17-18]。該流域面積13.6萬km2，是國家西部大開發戰略重點區，其作為內蒙古重要的產糧基地，2010年糧食產量近1000萬t，種植玉米達60%以上[19]。年均氣溫5.0～6.5℃，日照時數2800～3100h，相對濕度45%～58%，降雨量300～400mm，蒸發量1199～2200mm，大部分區域處在半干旱季風氣候區，水資源總量多年平均70.2億m3，地下水資源量多年平均53.73億m3，西遼河流域2015年地表水及地下水供水量分別為7.94億m3及34.98億m3，農田用水量30.56億m3，占水資源供給量的71.2%，該區域玉米種植不同灌溉模式均以井灌水源為主。

1.1.2 考察地選擇 實地調研考察區選擇要求至少滿足以下條件之一：(1)具備一種以上玉米種植與灌溉技術模式；(2)針對某種新興技術模式有一定的應用面積或應用時間；(3)國家或地方科研項目實施區、節水工程項目建設區。本次調研區選擇通遼市科爾沁左翼后旗查金臺牧場、科爾沁左翼中旗腰林毛都鎮南塔林艾勒嘎查、科爾沁左翼中旗舍伯吐鎮前章古臺嘎查、科爾沁區錢家店鎮、開魯縣。其中科爾沁區錢家店鎮是通遼市農業科學研究院的試驗基地及內蒙古農牧業創新基金“西遼河玉米水肥減量與增效技術研究”的實施區；科爾沁左翼中旗腰林毛都鎮是東北四省區節水增糧行動節水工程建設區。

1.2 研究方法

1.2.1 模式優選方法與評價模型構建 隨著經濟社會發展，農業生產中利用水肥資源及采取農業、水利技術措施不再是以追求絕對高產為首要目的，而是提出了可持續發展與供給協調的新要求，其關鍵在保障國家糧食安全前提下關注農業資源的高效利用與保護生態環境的長遠目標。可見區域性節水農業發展規劃要多方面地統籌兼顧來提出適宜的灌溉與種植模式。本次西遼河流域節水灌溉種植模式效益評價與優選通過擬定多種評價視角、分別選擇多個評價指標，利用層次分析法[20-21]結合課題研究獲得的試驗數據與資料，量化各個評價指標，得出層次結構中各個項目的權重值結合統一量綱的指標值，得到低壓灌溉畦田灌(M1)、膜下滴灌(M2)、淺埋不覆膜滴灌(M3)、平移式噴灌(M4)各模式的最終得分，初步提出適宜的灌溉、栽培模式(圖1)，該方法可降低僅采用多位專家打分制導致計算所得各級權重過分主觀的弊端，將實際課題研究及農戶走訪中獲得的數據與專家評價所得模糊集合數據分別應用于不同的評價指標，通過主、客觀數據相結合改進了層次分析法。

圖1 節水灌溉模式評價網絡體系Fig.1 Theevaluating network system for thewater saving irrigation modes

1.2.2 數據獲取與應用方法 該典型區域指標層中的機械使用及人工、農資及灌溉材料、灌溉時電力與人工、農作物經濟產出、投資效益費用比、灌溉節水效果、灌溉水利用情況各指標采用調研考察采集和課題試驗研究過程中獲得的量化數據以及引用文獻[22]，可通過簡單的數學方法消除量綱，直接參與評價優選，而地形適應性、水肥一體化效果、運行維護便捷性、殘膜白色污染、化肥淋溶污染、殘留農藥污染、農業生產廢棄物各指標通過設計一定的規范化評價語言指令集，邀請節水灌溉、農業栽培、農田資源環境相關領域的專家合計15人進行指標評價，而每個專家的主觀的評語約定為區間[0,1]內的具體隸屬度(專家評語設計值：S={S1(很好)，S2(較好)，S3(適中)，S4(較差)，S5(很差)}，對應模糊語言設計值T={1，0.8，0.6，0.4，0.2})，然后在不同模式下分別對各評價指標的所有專家評語隸屬度值取平均，得到該指標的量化隸屬函數值。采用Excel 2016分析數據與繪制表格，相關矩陣計算采用Matlab 2015b軟件對Excel計算值做二次校核。

2 結果與分析

2.1 數據規范化處理

評價指標中客觀數據分別具有各自的量綱，不便于層次內比較分析與數學計算，故通過將指標數據與序列內的最大值相除得到的相對值即為規范化指標，而這樣得出的規范化數值雖然均在[0，1]內，但不同的評價角度與分析指標中有些是大則為優，有些是小則為優，故需要將實際數據中小而為優的數據進行處理，使得進入評價體系計算時的規范化無量綱數值均為大者為優[23]，計算方法見下式(1)。經濟效益、技術效果、環境效益評價中各指標進行同趨勢規范化處理，得出指標層內各模式的規范化數值見表1、2。

(1)

式中,Eii,Eij分別為規范化指標值；Ei為原指標值；Emax為最大指標值；Emin為最小指標值。

表1 不同節水灌溉模式經濟效益指標

表2 不同節水灌溉模式技術效果及環境效益指標

2.2 各層評價指標權重計算

2.2.1 構造比較矩陣與判斷矩陣 比較矩陣構造時可以選擇三標度法或者1～9標度法，兩種方法均有各自的優缺點。該研究為了在請教專家對各層指標兩兩比較中降低模棱兩可的權重語言，而采用簡明直接的三標度法，減少了專家在1～9標度的模糊語言匹配中產生的誤差。專家咨詢問卷設計為簡潔明了的決策勾選形式(兩指標者相比:前者重要□同樣重要□后者重要)，即可獲得比較矩陣(2)，然后用極比法轉換為判斷矩陣[23]為正互反矩陣(3)。

(2)

(3)

2.2.2 矩陣計算與層次排序 計算出判斷矩陣的歸一化條件下的特征向量Wi及最大特征值λmax，向量Wi中各元素即為該層次指標對向上一層某指標重要性權重值，組成的權重向量見公式(4)即得出層次單排序，并計算判斷矩陣與權重向量的乘積見公式(5)。

(4)

(5)

用同樣的方法，構造準則層B對指標層C的比較矩陣與判斷矩陣，并計算出指標層C各評價因子對準則層B相應項目的重要性權重向量以及相應的λmax值。

2.1.3 一致性檢驗 一致性檢驗主要是在驗證應用λmax對應Wi作權重值對上層因素影響的誤差是否在一定允許程度內，通過公式(1)、(2)、(3)計算與檢驗。

式中,CI為一致性指標；RI為隨機一致性指標；CR為一致性比率；λ為最大特征值；n為矩陣階數；

隨機構造500個成對比較矩陣，采用隨機一致性指標RI衡量CI的大小，各矩陣階數對應的RI值直接采用美國國家工程院院士Thomas L. Saaty的結果如表3[12]。

一般，當CR<0.1時，可認為不一致程度在允許限制內，滿意一致性檢驗通過，可直接使用其權重向量，若檢驗不通過，則需調整對比矩陣中元素值將其重新構造。經計算CR(B)=5.0×10-5，CR(C1)=0.00075，CR(C2)=0.00025，CR(C3)=0.00033，均小于0.1，通過一致性檢驗，有滿意的一致性。

2.3 灌溉模式綜合評價結果

改進層次分析法不對方案層進行判斷矩陣的構建及權重計算，而是將各評價指標的權重值分別乘以對應指標的同趨勢規范化值并累加求和(實際課題研究及調研考察數據、模糊語言求得的隸屬函數值)所得的無量綱綜合評價得分來找到較優的節水灌溉模式。通過層次結構內下層權重與上級權重逐級相乘，得出各具體指標的總權重見表4，并與各指標規范值相乘累加求和得出各節水灌溉模式最終評分。低壓管道畦田灌雖然在玉米種植生育期節約了農資及灌溉材料方面的投入，得分表現最高，但綜合經濟效益最終得分最低；農作物經濟產出得分以膜下滴灌最高，地膜覆蓋在西遼河流域增溫保墑的效應對產量仍有一定貢獻，但考慮了生育期的各種投入及投資效益費用比后，綜合經濟效益得分低于淺埋不覆膜滴灌。淺埋不覆膜滴灌與膜下滴灌對比低壓管道畦田灌與平移式噴灌有更好的地形適應性，膜下滴灌節水效果最好，綜合技術效果得分最高。綜合考慮經濟效益、技術效果、環境效益，本次西遼河流域春玉米節水灌溉模式評價以淺埋不覆膜滴灌得分最高。

表3 不同階數矩陣隨機一致性指標RI

3 結論與討論

3.1 討論

(1)層次分析法在水土資源評價、節水灌溉技術優選、節水工程生態效益評價等[13-16]多種水問題的研究中起到了重要的貢獻，靈活應用于多準則、多指標決策體系，通過將主觀判斷轉化為模糊數學語言，實現了有條理有層次的科學評價，而針對該方法的缺點，學者們也從方法中的數學計算以及與其它方法相結合來不斷地改進與完善[20-23]。本次研究對層次分析法的改進重點在于加入實際監測和調研考察數據來盡量平衡經典層次分析法過于主觀的核心缺陷，優化為一種主、客觀相結合的評價體系，而現階段該體系中主觀模糊語言部分即可作為下一階段的研究重點，每一項宏觀指標均是一個研究方向。

表4 各評價指標在系統中的總權重

(2)地膜白色污染日益嚴重，土壤地膜殘留量長期積累下去必然會越過環境承載力的底線，而針對地膜殘留的兩種現有解決方法：機械回收和降解膜應用，而這兩種方法在現有技術能力下并不能根本上解決問題。地膜零使用是從根本解決農田白色污染問題的方法，但對于水肥一體化點源灌溉施肥技術，地膜覆蓋對出苗和產量等綜合效應均有增效[24，25]，這就呈現出無法協調兼顧的矛盾。針對上述矛盾，不覆膜淺埋滴灌開始在西遼河流域小面積推廣應用，該新型節水灌溉方式的特點是：地膜零使用，用淺埋土層代替地膜以減少棵間蒸發，且為保障灌水效果的同時降低投入，其滴灌帶使用廉價的迷宮式滴灌帶，每年更換一次。然而，這種新型節水灌溉方式是否能夠統籌兼顧糧食產量和環境保護，仍然是科技工作者的首要任務與難點：在本次研究實地考察中發現不覆膜淺埋滴灌的埋深深度缺乏科學論證，目前，淺埋式滴灌公認的埋深深度為3～8cm[26-28]，但在實地調查發現，當埋深在3cm左右時，在玉米生育中期，玉米根系可能會將滴灌帶擠壓而導致滴灌帶輸水不暢；當埋深太深時，由于使用的是迷宮式滴灌帶，土層又可能導致滴頭堵塞。究竟哪一種玉米品種能夠配合該種灌溉方式使用，以彌補玉米生育前期土層代替地膜后造成土壤溫度降低的問題，至今也沒有相關報告。對上述問題的回答都將是今后研究的重點。

3.2 結論

本文以節水灌溉模式的經濟效益、技術效果、環境效益為評價準則構建了層次分析網絡模型，并將各級層次中客觀數據與主觀模糊語言統一規范化，逐層計算與分析結果表明：

(1)西遼河流域不同節水灌溉模式種植玉米在一個生產期內的優劣表現為：經濟效益淺埋不覆膜滴灌>膜下滴灌>平移式噴灌>低壓管道畦田灌；技術效果膜下滴灌>淺埋不覆膜滴灌>平移式噴灌>低壓管道畦田灌；環境效益淺埋不覆膜滴灌>平移式噴灌>膜下滴灌>低壓管道畦田灌。

(2)低壓管道畦田灌雖然在生育期農資及灌溉材料方面節約投入，但經濟效益最終得到0.262，為最低分。隨著經濟社會發展，勞動力分配于農業生產的比例降低，人工費增高，畦田灌過程中鋪設田間低壓軟管、筑畦田圍水壟以及按面積劃分畦田依次灌溉都需要較長時間的人力投入，追肥方式采用農機施入，灌溉定額高引起灌溉電力用量大，這些因素共同作用下顯著降低了其經濟效益。

(3)技術效果膜下滴灌得分0.068分，評價為最優，對比不覆膜淺埋滴灌有更好的節水效果，對比平移式噴灌有更好的運行維護便捷性與應用地形適應性。

(4)本次研究所獲得的主觀模糊語言，經計算得出不同灌溉模式的環境效益各指標權重較高，殘膜白色污染與化肥淋溶污染尤為突出，可見相關領域專家對西遼河玉米種植中，更為關注農業生產的環境效應，關注長遠的可持續發展要求。西遼河流域采用淺埋不覆膜滴灌種植玉米可獲得較好的綜合效益，建議在該區域適度推廣與應用。

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