基于模糊數學法評價甲基溴及其替代技術

摘要：為履行《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》規定，運用模糊數學綜合評判法，探討了甲基溴及其替代技術在土壤熏蒸過程中的各項因素，構建了作物產量、作物品質、病蟲害防治效果、技術安全、操作過程、環境影響、應用時長和投入成本8個指標集，并劃分了模糊評判集，綜合評估了生姜、草莓作物甲基溴及其替代技術。生姜作物綜合評估結果為甲基溴（83.61）>氯化苦（79.06）>棉隆（78.03）>威百畝（69.07），草莓作物綜合評估結果為甲基溴（69.13）>氯化苦（64.60）>棉隆（56.80）。各單項指標評價結果表明，甲基溴在作物產量、作物品質、防治效果以及應用時長等4個指標上均高于各項替代技術，但由于自身毒性、對臭氧層物質消耗以及受生產管控等因素的影響，在其余指標上低于替代技術；氯化苦在作物產量、作物品質和病蟲害防治效果等6項指標上均高于其他替代技術，但由于為劇毒農藥，而在技術安全和操作過程2項指標上低于其余替代技術。以上結果表明，生姜作物和草莓作物主流替代技術的消毒效果并不具備甲基溴的廣譜性，當前最佳替代技術為氯化苦。

關鍵詞：甲基溴；替代技術；模糊數學綜合評判法；技術評估

中圖分類號：S472 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）14-3626-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.021

Abstract： To fulfill The Montreal Protocol on Ozone Depleting Substances， fuzzy mathematics comprehensive evaluation method was used to discuss the effect of methyl bromide and its alternatives on the process of soil fumigation. The factors included crop yields， crop quality， pest control， technical safety， technical operation， environmental impact and costs， which were divided into fuzzy evaluation set to assess effect of methyl bromide and its alternatives on the ginger and strawberry comprehensively. The results showed that the order of effect on ginger was bromide（83.61）>chloropicrin（79.06）>dazomet（78.03）>metam sodium（69.07）， the order of effect on strawberry was bromide（69.13）>chloropicrin（64.60）>dazomet（56.80）. The comprehensive results showed that methyl bromide was higher than the alternatives in four factors such as crop yields， crop quality， control effect and time of technical operations， but it was worse than the alternatives because of the toxicity of methyl bromide and its consumption of O3 as well as production controlling. Chloropicrin was better than other alternatives in six indicators including crop yields， crop quality and pest control， but it was a highly toxic pesticide so that it was worse than other alternatives in the process of technical and operational safety. These results suggested that the effect of mainstream alternatives on the ginger and strawberry did not have the broad spectrum of methyl bromide， and currently， chloropicrin was the best alternative technology.

Key words： methyl bromide； alternative technologies； fuzzy mathematics comprehension evaluation method； technology evaluation

甲基溴是一種用途廣、作用大、操作簡便的高效、廣譜土壤熏蒸劑，土壤穿透力強并能迅速作用于靶標生物，在農業中用于土壤消毒可防治真菌、細菌、土壤線蟲、昆蟲和雜草等，尚未發現對甲基溴有抗藥性的有害生物[1]。甲基溴自20世紀40年代開始應用以來，一直是世界上應用最廣泛的熏蒸劑。但是，甲基溴是一種顯著的臭氧層消耗物[2]，用于土壤消毒的甲基溴約30%～85%到達大氣，成為危害人類和環境安全的污染物，終究將被其他技術所替代[3]。為履行《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》規定，2015年1月1日起將全面禁止甲基溴在農業行業的應用。因此，各國都在為逐步淘汰甲基溴而不斷努力[4]，而篩選有效甲基溴替代技術則需要對各項技術進行合理的評估[5]。

中國農業生產進入20世紀90年代以后，集約化、專業化程度迅速提高。農戶為了提高收入，在高附加值經濟作物種植過程中，同一種農作物常年連作，形成連作障礙，造成產量降低、品質變劣、生育狀況變差的現象。甲基溴防治土傳病蟲害效果明顯而得到廣泛的應用和推廣[6]。自2008年以來，中國以草莓、生姜和蔬菜為目標作物，在河北和山東等項目區采用化學替代品和非化學替代等多種新技術和新產品，開展了甲基溴替代技術的研究、應用。

模糊綜合評判法是以模糊數學為基礎，應用模糊關系合成的原理，將技術評估中不易定量的因素結合層次分析法定量化，從多個因素對被評估對象隸屬等級狀況進行綜合性評估的方法。該方法充分體現了評價因素和評價過程的模糊性，又盡量減少個人主觀臆斷的弊端，比一般的評比打分方法更符合客觀實際[7]，在環境評價、資源調查以及農業耕地質量評價中已被廣泛應用[8-11]，然而在農業生產技術評估中未見報道。本研究采用模糊數學綜合評判法，探討甲基溴及其替代技術在土壤熏蒸過程中的各項因素，構建模糊數學綜合評估模型，綜合評估甲基溴及其替代技術，以生姜、草莓作物為評估對象，深入分析各項替代技術特征，為中國順利淘汰甲基溴提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 技術評估對象

通過現場調研、專家座談等方式，明確了中國目前主要應用在生姜、草莓兩種作物上的甲基溴替代技術，即技術評估對象。其中生姜作物甲基溴替代技術主要是氯化苦、棉隆和威百畝，草莓作物甲基溴替代技術主要是氯化苦和棉隆。

1.2 選擇技術評估專家

針對生姜、草莓作物甲基溴及其替代技術應用狀況，綜合考慮技術研究與技術應用，分別篩選技術評估專家。其中技術應用評估專家分別考慮生姜、草莓作物的甲基溴及其替代技術主要應用地區的農業部門。

1.2.1 生姜作物評估專家 生姜作物技術評估專家共選擇18位。技術研究專家5位，主要來自中國農業科學院植物保護研究所、全國農業技術推廣服務中心、北京市植物保護站和農業部農藥檢定所；技術應用專家13位，主要來自山東省煙臺市、萊蕪市和濰坊市。

1.2.2 草莓作物評估專家 草莓作物技術評估專家共選擇15位。技術研究專家5位，主要來自中國農業科學院植物保護研究所、全國農業技術推廣服務中心、北京市植物保護站和農業部農藥檢定所；技術應用專家10位，主要來自北京市昌平區、河北省保定市清苑縣、滿城縣、順平縣和徐水縣。

1.3 構建模糊評估指標集

對生姜、草莓作物甲基溴及其替代技術進行系統分析，形成符合技術目標評估指標集。初步擬出評估指標集之后，進一步征詢甲基溴及其替代技術有關專家的意見，對指標進行篩選、修改和完善。

X={X1，X2，…X8}

X為甲基溴及其替代技術指標，共有8個指標。甲基溴及其替代技術綜合評估指標集及其說明如下：①作物產量指應用甲基溴或替代技術后，作物的產量情況。②作物品質指應用甲基溴或替代技術后，作物的品質情況。③病蟲害防治效果指應用甲基溴或替代技術后，作物的病蟲害防治效果。④技術自身安全指甲基溴或替代技術自身的危害，如氯化苦熏蒸劑具有毒性。⑤技術操作過程指應用甲基溴或替代技術操作過程的難易程度，主要包括是否需要輔助專業機械、機械復雜程度及安全性等。⑥技術環境影響指應用甲基溴或替代技術對地下水污染、空氣污染以及土壤殘留污染等。⑦技術應用時長指甲基溴或替代技術的應用時間長短。⑧技術投入成本指應用甲基溴或替代技術的投入成本大小。

1.4 確定評判集

每個技術評估指標對應一個模糊評判集。

V={V1，V2，…V5}

V為甲基溴及其替代技術評估數值。評判等級設為優、良、中、低、差5個等級，評估數值分別對應為0.9、0.7、0.5、0.3、0.1。

1.5 建立模糊關系矩陣

評判等級模糊集確定后，請生姜、草莓作物的技術評估專家分別就甲基溴及替代技術每個指標進行評判，獲得各項技術指標集（X8）的模糊評判集（V5）。其次，從生姜、草莓作物每個技術的每個評估指標，確定待評對象各等級模糊集的隸屬度，進而構造模糊關系矩陣。

R=r11 r12 … r1mr21 r22 … r2m… … … …rn1 rn2 … rnm

r表示待評估對象從第i個指標考慮對第j個評判等級模糊集的隸屬度。

1.6 確定評估指標模糊權向量

通常狀況下，每種作物每種技術的評價指標對評估目標的重要程度是不一樣的，因此還需要模糊權向量。

W={W1，W2，…W8}T

W為各個指標的權重。綜合評估指標集確定后，采用層次分析法，確定每個指標的相對重要度，即明確各個指標的權重（表1）。

1.7 計算技術模糊綜合評價結果向量

利用模糊合成算法將權向量W與模糊關系矩陣R合成計算甲基溴及其替代技術的模糊綜合評價結果向量S。

由于評估專家數量以及對各項技術熟悉程度的不同，因此對各項評估結果進行概率化轉換，以便對各項結果進行縱向和橫向比較。綜合評價結果通常是甲基溴及替代技術的綜合值，即通過對多個甲基溴及替代技術的綜合分值進行排序。模糊綜合評價的結果為模糊向量。

2 結果與分析

2.1 模糊數學綜合評判法結果

通過模糊數學綜合評判法，計算得出生姜作物、草莓作物甲基溴及其替代技術的評估結果（圖1）。評價結果顯示，在生姜和草莓兩種作物上，甲基溴的評估分值最高，分別為83.61和69.13，說明兩種作物最優的土壤熏蒸劑均為甲基溴。但由于在兩種作物上替代技術應用效果的不同，甲基溴技術評估分值有所差異。

在生姜作物上，甲基溴替代技術評價結果為氯化苦（79.06）>棉隆（78.03）>威百畝（69.07）。評估結果表明，氯化苦和棉隆替代技術在整體水平上要明顯優于威百畝。在草莓作物上，甲基溴替代技術氯化苦（64.60）優于棉隆（56.80）。

2.2 模糊數學綜合評判法指標集評估結果

從生姜和草莓作物各單項指標評估結果來看（圖2），甲基溴在作物產量、病蟲害防治效果以及技術應用時長等4個方面均明顯優于各項替代技術，在作物品質指標上略高于替代技術。以上結果說明甲基溴能夠保證作物產量、有效防治病蟲害，并且土壤熏蒸時間最短，僅為2～3 d，而替代技術均在15～25 d以上，從而增加了作物的生長時間。

從技術自身安全指標來看，各項技術排序為棉隆>威百畝>甲基溴>氯化苦。主要由于氯化苦和甲基溴同屬于劇毒農藥，收錄于《危險化學品名錄（2012版）》，并且氯化苦毒性高于甲基溴，必須由專業熏蒸人員操作，而棉隆、威百畝均屬于低毒土壤熏蒸劑。從技術操作過程來看，棉隆>甲基溴>威百畝>氯化苦，其中棉隆操作以撒施為主，最為簡單；甲基溴為液化產品可直接熏蒸；威百畝需稀釋后噴灑施用；而氯化苦操作最為復雜，但由于在不同地區間施用技術培訓與推廣不同而有所差異。從對環境影響來看，各項技術中甲基溴分值最低，因為甲基溴是一種臭氧層消耗物（臭氧消耗潛能為0.65），而其他土壤熏蒸劑擴散后均對環境無影響。在各項技術中，甲基溴技術投入成本指標評價低于替代技術，主要由于中國作為《蒙特利爾議定書》締約國，按照甲基溴的限控和淘汰進程，逐年降低用于農業的甲基溴生產量，造成價格上漲，同時隨著國家對替代技術的不斷支持，替代技術價格保持穩定。

3 小結與討論

本研究結果表明，目前中國生姜作物和草莓作物主流替代技術的消毒效果并不具備甲基溴的廣譜性。而不同作物有不同的病蟲害特點，因此，針對不同作物可能有不同的替代技術。近年來的研究發現，部分常見作物上的土壤消毒替代技術已經可以逐步替代甲基溴，并且效果良好，如異硫氰酸酯可以替代甲基溴防治番茄雜草[12]、威百畝和棉隆可以替代甲基溴防治煙草根結線蟲[13]等。然而，也有一些作物甲基溴替代技術效果并不理想，本研究結果顯示，無論草莓還是生姜，甲基溴都仍然是目前最有效的消毒技術。

中國是世界上生姜和草莓種植、生產最多的國家之一，長期的單一作物種植帶來了一系列病蟲害問題，對作物產量和品質的影響極其嚴重，甲基溴是防治這些作物病蟲害的主要藥物，但隨著甲基溴的逐步淘汰，替代技術的研究也活躍起來，并形成了一些潛在有效的替代技術[14-17]，但受中國相關法規和環境條件的限制，目前中國生姜可用的替代技術主要有氯化苦、棉隆和威百畝等，而草莓主要的替代技術是氯化苦和棉隆，其中氯化苦的效果僅次于甲基溴。這些替代技術還不能達到甲基溴的施用效果，主要是因為生姜和草莓種植中病蟲害和雜草較多，根結線蟲病、真菌病、細菌病以及莎草等混雜，而甲基溴替代品如氯化苦等雖然對真菌和細菌等引起的病害有較好效果[14]，但對根結線蟲所造成病害的防治效果不佳[18，19]。此外，氯化苦的施用需要專業性極強的工具，對施藥人員和周圍環境需要設置專門的防護措施[20]；棉隆受溫度限制很大，低溫時消毒效果極差，在土壤中殘留時間長且易導致藥害[21]；威百畝需要結合滴灌系統施用才能更加有效，但中國草莓和生姜種植區普遍缺少滴灌系統[22]。盡管用于生姜和草莓上的替代技術仍達不到甲基溴的施用效果，但鑒于甲基溴的環境危害，根據蒙特利爾議定書協議，中國必須在2015年1月1日淘汰甲基溴在糧食、煙草和農業行業的使用[23]。本研究表明，為達到協議要求，用氯化苦替代甲基溴是目前較為有效的手段，已有的一些研究也為這一結論提供了技術支撐[5，14]。但是，當前還應該借鑒國內蔬菜作物上效果良好的甲基溴替代技術[24-26]，加強生姜和草莓作物上甲基溴替代技術的研發，為中國盡快淘汰甲基溴創造條件。

本研究針對甲基溴及其替代技術缺乏綜合評估的問題，基于模糊數學綜合評價方法，構建了甲基溴及其替代技術指標集，提出了甲基溴及其替代技術評估模型。應用評估模型，綜合評估了生姜、草莓作物甲基溴及其替代技術，研究結果表明，目前中國生姜作物和草莓作物主流替代技術的消毒效果并不具備甲基溴的廣譜性，兩種作物最佳替代技術均為氯化苦，其次為棉隆和威百畝。

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