基于模糊層次分析的水稻化肥減施效果評估研究——以湖北省為例

楊 利，馬朝紅，2，胡時友，2，段建設，徐維明，涂 濤

（1.湖北省農業科學院植保土肥研究所∕農業農村部廢棄物肥料化利用重點實驗室∕湖北省秸稈農業利用工程技術研究中心，武漢 430064；2.潛江農業環境與耕地保育科學觀測實驗站，湖北 潛江 433110；3.襄陽市襄州區農業技術推廣中心，湖北 襄陽 441103；4.沙洋縣農業技術推廣中心，湖北 沙洋 448200；5.潛江市農業農村局，湖北 潛江 433100）

自21 世紀以來，中國農業發展取得了巨大成就，化肥作為主要農業投入品，對保障國家糧食安全作出了巨大的貢獻，但隨著糧食產量的增加，也帶來了化肥使用量的持續增長。有數據表明，1949—2015年中國糧食產量增長了4.5 倍，但農用化肥使用量（折純，下同）增長了1 萬倍，化肥的大量使用對環境造成的影響已經日益顯現［1-4］。鑒于此，2015年原農業部正式發布了《化肥使用量零增長行動方案》，明確提出控制化肥用量，力爭到2020年全國主要農作物化肥使用量實現零增長，并將此納入十九大政府工作報告［5］。同時，科學技術部啟動了國家重點研發計劃“化肥農藥減施增效技術應用研究”項目，分區域、分作物集成組裝化肥農藥減量增效的技術模式，創建不同模式下化肥減量增效示范區，帶動科學施肥技術的推廣。

在各種技術支持、政策激勵、行政干預等措施下，中國化肥使用總量持續上漲的趨勢得到減緩，甚至出現歷史性的下降［6］。化肥使用量的零增長，是技術與裝備研發、技術的推廣應用以及政府職能與管理等多方面共同作用的結果，對社會、經濟、環境整體持續發展等方面作出了貢獻。科學地評價和分析減肥增效技術實施以來的效果和趨勢，對區域內化肥使用方案提出建議具有十分重要的意義。湖北省是中國的糧食大省之一，水稻、小麥是湖北省最主要的糧食作物，目前湖北省水稻面積240 萬hm2，總產量2 000 萬t；小麥面積穩定在108 萬hm2，總產量415 萬t［7，8］。

本研究旨在湖北省特定的稻麥輪作種植制度模式下，對集成組裝水稻化肥減量增效的技術模式效果進行評估。

1 化肥減量現狀與評價

化肥的過量施用會造成環境問題，是河流湖泊富營養問題的主因，對化肥減量評價時，因研究方法、研究對象的不同，對化肥過量程度的研究結論往往并不一致。

趙明正等［9］基于LMDI 分解和面板回歸分析認為，中國化肥使用量分別下降了38.49 萬t（2016年）和124.23 萬t（2017年），但化肥減少量主要是受種植結構效應驅動而引起的，農作物單位面積施肥強度下降較少。虞祎等［10］從給予滿足農產品供給與水資源雙重約束的目標進行分析，認為種植業生產中仍然會優先使用有機肥，只有在有機肥不足的情況下才使用化肥，如果考慮新型緩釋∕控釋等高利用率化肥的發展和應用，即水肥一體化、精準農業等技術的發展及應用，化肥減量幅度將會增加。

楊鈺蓉等［11］對湖北省茶葉種植戶調查數據進行實證分析，認為當前茶葉種植的肥料施用仍以化肥為主，有機肥施用率相對較低。但農戶普遍對化肥減施與有機肥替代具有較強的行動意愿，多數農戶對有機肥替代技術模式的意愿是接受。項朝陽等［12］認為，化肥減施與不減施只是農戶的認同感與生態價值觀的博弈，當農戶群體認同感比較高時，為了與周邊農戶保持一致，他們也會更傾向于采取減施肥行為。魏莉麗等［13］對湖北省沙洋縣進行問卷調查分析，認為雖然農戶對過量施肥造成的不利影響有一定的認知，對政府推動化肥減量增效新技術也有一定期待，但目前在肥料的使用（品種、數量）上仍然考慮較少，隨意性大。

本研究通過構建優化模型，針對受多因素影響的模糊現象，用層次分析法確定評價體系中各指標的權重，然后根據客觀情況進行模糊評判，最后得出終值。以化肥減量程度作為判斷依據，從技術、經濟、社會、環境等要素方面構建框架，研究基于省域的化肥減施內涵。

2 基于模糊綜合評價的的模型構建

2.1 模糊綜合分析法

國內外系統評價方法較多，常用的有成本分析法［14-17］、生命周期法［18-22］、層次分析法［23-28］、模糊綜合評價［29-36］法等。但是，任何一種系統評價方法都有其優勢和局限性，都需要遵循客觀性、局部與整體、評價指標的合理性與可操作性等原則。模糊綜合評價是一種基于模糊數學理論，其通過對多指標模糊子集隸屬度的評價，把定性評價轉化為定量分析。在對各種技術效果評價進行定量分析時，層次分析、模糊綜合評價方法應用比較廣泛。

水稻化肥減施效果評價是一個復雜的系統工程，它受到技術、經濟、社會、環境等多種因素的影響，有些評價指標難以量化，如果僅運用客觀評價法，不能全面地反映真實情況；如果僅運用主觀評價方法，又缺乏客觀性。

本研究利用模糊綜合評價模型，將有些定性的評價指標轉化為定量化指標進行處理，通過建立一套較為完整的指標體系，以期客觀、公正地評價化肥減施的效果，為進一步推進化肥減施技術、更新及科學決策提供借鑒。

2.2 評價指標體系確定

2.2.1 評價指標的選取原則 評價指標的選取對整個評價過程以及評價結果具有關鍵性的影響。而化肥減施效果評價是一項復雜的系統工程，其內涵豐富、涉及面廣泛。因此，為了能夠客觀、準確而且比較全面地評價化肥減施效果，結合本項目的研究［37］，在確定指標體系時采取了以下原則。

1）理論性與實用性相結合原則。水稻作為中國的主要糧食作物，化肥施用成本處于復雜的社會-經濟-環境的復合系統及各個子系統中，各層次指標的內涵與外延相互影響、牽制與制約，選取的評價指標要概念明確，具有科學內涵與理論依據，既要反映化肥減量的效果，也要反映農業生產的特點，使其組成一個較完整的體系，全面反映化肥減量效果的內涵、特征及其水平、目標及方向；力求反映化肥減量效果對農業生產的影響關系，還要注重技術、經濟、社會、環境四者之間兼顧。同時，既要滿足科學評價的需要，又要具備簡潔概要、方便計算等實用性特點。

2）完整性與代表性相結合原則。化肥減量效果評價指標要力求全面完整表達出化肥減量的技術效果，有效避免因自然或人為因素造成的偏差，反映出農業生產的特點，并能便于進行考核和評價。指標體系應包括水稻作物生長周期中技術研發、推廣與應用全過程參數評估，既能夠比較不同技術的優勢，又能減少指標，直接突出技術的減施效果。指標體系需要考慮動態變化與一定時期的相對穩定，以便于評估技術實施效果的發展趨勢。

3）定量與定性相結合原則。化肥減量效果評價牽涉多方面的內容，有些評價屬于定性判定指標，另外的一些評價可以用定量的指標進行判定。評價指標選取時，盡可能減少難以量化的定性指標，選取定量指標能確保技術施用過程中獲取準確數據。由于技術試驗點區域性差異，要保證技術在區域上存在可比性，對確立技術推廣優先順序具有參考價值。因此，評價指標要定性和定量相結合。

2.2.2 評價指標體系的設置 本研究把水稻化肥減施增效技術評價指標體系作為目標層，依次給出指標體系的一般結構，即準則層、指標層以及子指標層。根據評價指標的選取原則進行細化與完善，從而構建出水稻化肥減施增效指標，結合水稻生產特點，綜合土壤、肥料、環境、經濟、推廣等相關研究以及推廣、生產領域工作人員的意見，最終形成水稻化肥減施增效技術評價指標體系。

1）水稻作物化肥減施增效技術評價指標選取。選取技術評價的指標總集，鑒于本次化肥減施增效項目主要目的是在不減產的情況下減少化肥使用量，以化肥減施量、化肥利用率和水稻增產率作為主要考核評價指標。在具體實施過程中，除了技術研發集成外，有研究者認為其對經濟、社會和環境三大效益所產生的影響在其效果評價中占有重要比重，將上述因素進行科學統一方能實現綜合評價［1，38-40］。

結合相關資料［41］，本研究將準則層分為技術效果、經濟效果、社會效果、環境效果4 個方面。指標層及子指標層分別選取了有機肥替代化肥、化肥施用量減少值、政府政策支撐響應程度、改善農田土壤環境程度等若干個指標［42，43］。

2）水稻作物化肥減施增效技術評價指標體系確立。為篩選水稻作物評價指標集，完善初步構建的指標體系，對水稻栽培、土肥、生態學、農經等領域的前沿專家進行問卷調查，采用專家咨詢法［44，45］，對每一層次、每一指標依次進行鑒定與評價，對存在爭議的指標進行完善或刪除，補充未考慮到的指標。

遵循上述指標體系構建原則，構建了水稻化肥減施增效技術效果評價指標體系，如表1 所示。

表1 水稻化肥減施增效技術效果評價指標體系

2.3 評價模型構建

2.3.1 確定模糊評價因素集和評語集 水稻化肥減施增效技術效果評價的因素集根據所設立的評價指標體系確定，評價指標的集合構成評價模型的因素集。從設置的水稻化肥減施增效技術效果評價體系可以看出，水稻化肥減施增效技術效果評價因素中，包括技術效果、經濟效果、社會效果和環境效果4 個一級評價因素，有機肥替代化肥、化肥施用量減少值、政府政策支撐響應程度、改善農田土壤環境程度等14 個二級評價因素。水稻化肥減施增效技術效果評價總的因素集為：

B=｛B1，B2，B3，B4｝

其中，B1、B2、B3、B4 分別代表技術效果、經濟效果、社會效果和環境效果，其對應的單個因素集分別為：

B1=｛C1，C2，C3，C4｝

B2=｛C5，C6，C7，C8｝

B3=｛C9，C10，C11｝

B4=｛C12，C13，C14｝

評語集是對每個評價指標進行判斷所劃分的可能的評價結果等級，根據評價對象的性質與具體情況，劃分為若干等級評價標準。根據評價目的，將水稻化肥減施增效技術效果評價的優劣程度作為評語集V的元素，共分為5 個等級，具體表示為：

式中，V1、V2、V3、V4、V5 分別表示評價相關指標的完成情況良好、較好、一般、較差和很差5 個級別。

2.3.2 建立模糊關系矩陣 為了將水稻化肥減施增效技術效果評價的每個評價因素量化，每一個評價對象都應建立一個綜合評價矩陣R，其中，Ri=（ri1，ri2，…，rin）為第i個因素Ci的單因素評價，因此，rij表示第i（1≤i≤m）個因素Ci在第j（1≤j≤n）個評語Vj上的頻率分布，并將其歸一化之后，使之滿足1，從而得到某一個因素相對于被評價對象的模糊子集的隸屬程度，最終構成水稻化肥減施增效技術效果評價的模糊關系矩陣：

2.3.3 熵權法確定評價因素的權重 熵是信息論的一個概念。在系統中，信息是衡量系統有序程度的一個度量，而這個度量則是熵；若指標的信息熵越小，則該指標提供的信息量越大，其在綜合評價中所起作用理當越大，所占權重就越高。定義水稻化肥減施增效技術效果評價系統中第j個指標的熵為：

式中，k=，n為評價指標可能處于的評價標準等級數量；Pi為某個評價指標在4 個評價標準等級中處于i的評價標準上的頻率，Pi滿足0≤Pi≤1，且∑Pi=1，在模糊關系矩陣中，Pi=Rij。當Pi=0 時，-kPilnPi= 0，且n=4。由上可定義，第j個指標的熵權為：

即可得到基于熵權法求得的水稻化肥減施增效技術效果評價的權重向量集合：

2.3.4 合成模糊綜合評價結果 根據求得的各指標的隸屬度矩陣，即模糊關系矩陣，以及指標的權向量集合，利用模糊數學理論，通過模糊轉換合成評價結果矩陣，即水稻化肥減施增效技術效果評價矩陣B。

式中，Bi為被評價指標屬于Vj等級模糊子集的程度，得出模糊綜合評價矩陣后，采用最大隸屬度原則對評價結果進行分析。在得出水稻化肥減施增效技術效果評價的基礎上進行二級模糊綜合評價，最終得出水稻化肥減施增效技術效果評價的結論。

3 化肥減量效果實證評價

國家“十三五”以來，自2016年起陸續啟動了化學肥料和農藥減施增效綜合技術研發、糧食豐產增效科技創新等重大專項，其都與化肥的減施增效相關，涉及的作物包括水稻、小麥、玉米、柑橘、蘋果、茶葉、蔬菜等多種作物。湖北省稻麥（油）輪作區水稻化肥農藥減施增效技術集成與示范課題，即屬于長江中下游水稻化肥農藥減施增效技術集成研究與示范項目的內容。項目實施5年以來，在技術研發、示范推廣方面取得了一定的成績。

課題以湖北省水稻減肥增效為主要目的，在江漢平原、鄂北崗地和鄂西山地3 個主要稻區，開展了稻麥、稻油、稻田綜合種養（蝦稻、鴨蛙稻等）等不同輪作模式下的技術研發、集成與試驗示范。通過技術研發，凝練了有機肥替代化肥（秸稈還田、沼渣沼液還田、增施有機肥等）、調整化肥結構（平衡施肥、水稻專用復合肥、硅鋅協同配施等）、改進施肥技術（側深施肥、前氮后移、肥水耦合等）等多項技術，組合集成構建了湖北省水稻化肥農藥減施增效技術體系。并開展試驗示范，通過①優化技術，集成組裝；②產品驅動，技物結合；③媒體助力，全面推廣；④依托政府，借勢發力等多種形式，采取政府主導、科技把關、多方聯動、全面推進的方式，開展示范推廣。目前全省已示范推廣13.3 萬hm2，輻射面積56.7 萬hm2以上。

3.1 隸屬度及評價矩陣R的確定

由于定量指標的邊界值較為模糊，難以通過精確的數學公式對其進行轉化判斷，因此，按照湖北省水稻化肥減施增效技術效果評價要求，結合實際試驗示范，開展了針對試驗示范區為主的調查問卷，發出調查問卷130 份，包括省級農業科研部門20 份，省級農業推廣部門10 份、省級農業教育部門10 份，縣市級農業推廣部門30 份，縣市級種植戶（含合作社、家庭農場等）60 份，收到有效問卷123 份。問卷對湖北省水稻化肥減施增效技術效果評價的各個因素采用等級評語的方式進行打分評價。按照上述步驟分別計算各指標的隸屬度，并將隸屬度匯總得到模糊隸屬度評價矩陣R。

將表2 中的模糊隸屬度評價矩陣中的量歸一化處理，按照與評價體系中一級指標的從屬關系歸類后，最終得到技術效果B1、經濟效果B2、社會效果B3 和環境效果B4 的二級模糊隸屬度矩陣，分別為R1、R2、R3、R4。

表2 湖北省水稻化肥減施增效技術效果評價矩陣R

3.2 熵權法確定指標權重

根據熵值算法和上述二級模糊隸屬度矩陣R1、R2、R3、R4，可分別求得各指標的熵值與熵權（表3）。

表3 各指標的熵值與熵權

由此可得，二級指標的權重向量分別為：

W1=（0.267，0.223，0.314，0.196）

W2=（0.256，0.218，0.275，0.251）

W3=（0.220，0.428，0.352）

W4=（0.366，0.351，0.283）

3.3 多層次模糊綜合評價

3.3.1 一級指標模糊綜合評價 根據求得的隸屬度矩陣R以及二級指標的權重向量，運用模糊綜合評價公式，可計算得到一級指標的綜合評價結果。技術效果的評價結果為：

按照隸屬度最大原則，技術效果的評價等級為良好。同理，經濟效果的評價結果B2=W2×R2=（0.316，0.330，0.268，0.086，0），評價等級為較好。

社 會 效 果 的 評 價 結 果B3 =W3×R3=（0.322，0.354，0.251，0.074，0），評價等級為較好。

環 境 效 果 的 評 價 結 果B4 =W4×R4=（0.307，0.299，0.297，0.097，0），評價等級為很好。

3.3.2 湖北省稻麥輪作區水稻化肥減量綜合評價根據二級指標評價結果，組成湖北省稻麥輪作區水稻化肥減量綜合評價矩陣R，即：

運用熵權法計算可得一級指標權重向量為W=（0.260，0.245，0.262，0.233）。因此，湖北省稻麥輪作區水稻化肥減量的模糊綜合評價矩陣B=W×R=（0.324，0.327，0.267，0.083，0）。由上述綜合評價結果可以看出，湖北省稻麥輪作區水稻化肥減量評價等級中，很好占比為32.4%，較好占比為32.7%，一般占比為26.7%，較差占比為8.2%，很差占比為0。按照最大隸屬度原則，湖北省稻麥輪作區水稻化肥減量評價結果為較好。

湖北省稻麥輪作區水稻化肥減量基本取得了較好的效果，包括技術方面、經濟方面、社會方面和環境方面。其中，技術效果、經濟效果、社會效果均評價為較好，環境效果評價為很好。這與湖北省出臺《化肥減量增效工作方案》《化肥減施行動方案》《耕地質量保護提升與化肥減量增效工作方案》，以及將化肥減量增效集成技術列入湖北省農業主推技術等具有很大的關聯。

4 啟示與結論

本研究構建了針對湖北省稻麥輪作區水稻化肥減量效果評價指標體系，并建立了基于熵權理論的模糊層次評價模型。通過實證研究，得出符合實際情況的可信結果，并對最終的評價結果進行分析，實例證明，這種基于熵權模糊綜合評價方法可行。

從評價等級來看，很好與較好的占比非常接近，二者相差僅為0.3 個百分點，按照最大隸屬度原則，湖北省稻麥輪作區水稻化肥減量評價結果為較好，接近很好。一方面，湖北省稻麥輪作區水稻化肥減量仍然還有提高的空間，包括技術層面、經濟效果、社會效果、環境效果等。減施化肥技術上還可以在拓展有機肥源、優化施肥技術與農機配套、肥水耦合等方面進行挖掘；另一方面，目前減施化肥的數量目標為化肥用量減少17%、產量目標為增產3%，表明這一目標是合理的，但在社會推廣體系、政府配套政策與激勵機制及環境評價要求等方面仍需有更明確的目標。