黃淮井灌區冬小麥-夏玉米連作噴灌模式綜合評價與優選研究

劉 見，張寄陽，寧東峰，秦安振，劉戰東，肖俊夫，劉俊明，張明智，丁鵬飛， 孫 彬

(1.許昌市農田水利技術試驗推廣站，河南 許昌 461000 ；2.中國農業科學院農田灌溉研究所 農業農村部作物需水與調控重點實驗室，河南 新鄉453002；3.河南省水利科學研究院，鄭州 450000)

我國黃淮井灌區農業水資源緊缺、利用效率低和地下水無序開發甚至過度超采，嚴重制約著生態環境改善和農業可持續發展。除采用限水灌溉、非充分灌溉、調虧灌溉、分根區交替灌溉等農技措施外，破解困境的關鍵還在于加強農田水利基本建設，發展高效節水灌溉[1,2]。噴灌是一種技術成熟、應用廣泛的節水灌溉方式，在北方地區具有廣闊的前景[3]。與常規地面灌相比，噴灌具有灌水均勻、灌溉水利用系數高、對地形適應性強、機械化程度高的特點[4,5]。同時，噴灌可以調節田間小氣候，提高作物產量和品質，與水肥藥一體化技術結合更能促進規模化經營，減少農業面源污染[6-9]。我國噴、微灌面積占總灌溉面積的比例僅為13.7%，遠低于發達國家的53.1%，且低于發展中國家的平均水平[10,11]，我國農業節水灌溉仍有較大發展潛力。

氣候、土壤、地形、作物等的空間變異性決定了農業灌溉生產的多樣性，優選適合當地的節水灌溉模式是有效避免水資源浪費、節約人力成本，發展高效節水農業的重要前提。節水灌溉模式的優選與評價要與當地經濟發展水平、生產經營、管理體制相適應。戚迎龍[12]對西遼河流域春玉米節水灌溉模式進行了研究，認為淺埋不覆膜滴灌綜合效益最高，適宜當地推廣應用。王成剛研究得出半固定式噴灌是最適合嶺東南地區的節水灌溉方式[13]。王豐凱在阜蒙縣農業節水灌溉項目投資方案優選中得出滴灌是最佳方案，其次是低壓管道灌溉[14]。黃淮井灌區農業種植制度多以冬小麥-夏玉米連作為主，受地形、水文氣象、作物種植模式和人工成本增加的影響，節水灌溉產品和設備的推廣及應用多以噴灌為主。盡管目前噴灌在該地區已得到長足的發展，但普遍存在“重建設，輕管理，缺評價”的不合理現象，尤其是對黃淮井灌區集中連片高效節水示范區農業節水設備的評價缺乏深入細致的調查和論證。本文以許昌市3.33 萬hm2高效節水示范區為例，通過建立綜合評價模型和計算方法，從經濟、社會、技術、農業生態、資源等5個方面開展不同噴灌類型方案優化分析研究，旨在探索適宜本地區的節水灌溉模式，為黃淮井灌區水資源開發利用和農業發展規劃提供技術支撐和決策依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2016年10月至2018年10月在河南省許昌市3.33 萬hm2高效灌溉示范區內(113°59′E，34°09′N)進行，該示范區地處淮河流域潁河上游，屬雙洎河和黃河沖積平原，包括許昌市中部、許昌縣東部和長葛市東部。示范區平均海拔79.6 m，暖溫帶大陸性季風氣候，雨熱同期，多年平均氣溫14.7 ℃，年平均日照時數2 183 h，年平均降水量為698 mm，年平均蒸發量1 044 mm，地下水埋深大于5 m。試驗田供試土壤為潮土，質地為沙壤土，0～60 cm土壤平均干容重為1.43 g/cm3，田間持水量為25%(重量含水率)。示范區屬干旱和水資源緊缺地區，該區種植方式為冬小麥-夏玉米連作。為加快發展節水灌溉，提高水資源利用效率，夯實糧食穩產增產基礎，嚴格按照國家灌溉工程建設標準和技術要求，示范區內建設有半固定式噴灌、智能化灌溉、小流量中心支軸噴灌機、地埋自動伸縮一體化噴灌、自驅動絞盤式噴灌、固定式噴灌等多種高效節水灌溉形式。

1.2 研究方法

1.2.1 評價指標及其數據來源

示范區內灌溉工程形式多樣，本研究選取半固定式噴灌、智能化灌溉、中心支軸式噴灌機、地埋自動伸縮一體化噴灌、自驅動絞盤式噴灌等五種推廣示范效果好的節水模式形成5種方案(分別為A、B、C、D、E)。由于節水灌溉技術的優化選擇是由多種因素決定的，因此本文在冬小麥-夏玉米連作周期試驗基礎上研究和借鑒國內外節水灌溉評價指標最終確定了5個一級指標：經濟評價、技術評價、社會評價、農業生態評價、資源評價。相應的二級指標21個，指標體系見表1。其中，工程投資、年維修養護費用、灌水均勻度、灌水強度、灌溉水利用率是根據工程建設實際和2年具體投入運行情況實測獲得。在冬小麥-夏玉米連作周期試驗基礎上，計算作物籽粒產出，利用水量平衡方程計算冬小麥和夏玉米全生育期耗水量。用水量和用電量由設備監測記錄，與地面灌相比，計算連作周期的節水量和節能量。為客觀詳實獲取灌溉工程的實施效果，深入示范區內建安區、長葛、禹州、鄢陵和襄縣等5個縣(市)區，發放調查問卷300余份，涉及農戶、水管理協會、基層水管站、工程設計和施工單位以及相關專家。調查問卷以社會和生態指標為主，采用指標評語集V=(好，較好，適中，差，較差)，對應的標準隸屬度集U=(1，0.8，0.6，0.4，0.2)，取平均隸屬度作為該指標的量化隸屬函數值。

表1 節水灌溉模式綜合評價指標體系

注：表中a、b、c、d分別為試驗實測、專家和農戶問卷調研、運行設備監測和水利年鑒、工程資料查閱。

1.2.2 指標權重

熵權法是一種客觀賦權方法。它根據各項指標觀測值所提供信息的大小來確定指標權重，能盡量消除各因素權重的主觀性，增強指標的差異性和分辨性，以避免選取指標的差異過小而造成的分析不清，從而達到全面反映各類信息的目的，使評價結果更符合實際[15]。

(1)數據標準化。

(1)

(2)

式中：i為評價方案；j為評價指標；xmax和xmin分別為同一評價指標的最大值和最小值；m為評價方案個數；k為評價指標個數。

在本研究實際中，工程投資、年維修養護費用、水電費和作物耗水量均為成本型指標，其余為效益型指標。

(2)指標信息熵。第j個指標熵值：

(3)

(4)

(3)熵權確定。第j個指標的熵權：

(5)

層次分析法(AHP)是把研究方案作為一個系統，按照相互影響和隸屬關系將因素聚集組合，形成多層次結構模型，從而將主觀判斷轉換成模糊數學語言，有機結合定性與定量，清晰明確簡潔實用。在節水灌溉模式優選、水資源與生態環境評價、飲用水安全等[13,16,17]水問題究中得到了廣泛應用。其步驟包括建立層次結構模型和因素間兩兩比較判斷矩陣、計算最大特征值和特征向量、一致性檢驗等。該方法雖然充分地發揮了專家的知識和經驗，但是主觀隨意性太強。

本文綜合熵權法和層次分析法，兼顧數據本身及專家知識和經驗，從而科學確定指標權重[18,19]。

(6)

式中：wj和βj分別為熵權法和層次分析法確定的權重；αj為得到的最終綜合權重。

1.2.3 節水灌溉模式評價模型構建

Topsis法即接近理想方案排序法，其基本思路是在加權規范化決策矩陣的基礎上，確定評價方案與最優解、最劣解的距離，然后計算相對接近度，其值越大，該方案越理想，否則為最差[20]。

(1)構造規范化決策矩陣R。

(7)

規范化包括指標的同趨化和歸一化，成本型指標通過倒數法轉化為大值為優。

(2)構造加權規范化矩陣V。

(8)

(9)

式中：W為方案指標的權重矩陣。

(3)確定理想方案和負理想方案。第j個指標的理想方案A*和負理想方案A-。

(10)

(4)計算距離和相對接近度。

(11)

(12)

2 結果與分析

2.1 數據規范化處理

通過工程資料查閱、大田試驗計算、實地問卷調研和運行設備監測得出各方案統計指標結果見表2。

表2 各方案指標統計值

為便于層次內指標分析比較和排序，需對原始數據作同趨化和無量綱化處理，計算方法見下式。經濟、技術、社會、農業生態、資源等5種節水灌溉方案評價指標規范化處理數值結果見表3。

Eij=Xij/Xmax(效益型指標)

(13)

Eij=(Xmax+Xmin-Xij)/Xmax(成本型指標)

(14)

式中：Eij為規范化后的指標值；Xij為原始指標值；Xmax和Xmin為原始指標中的最大值和最小值。

表3 規范化處理后各方案指標值

2.2 各指標綜合權重的確定

通過AHP法計算指標客觀權重β=(0.043，0.061，0.080，0.032，0.123，0.067，0.020，0.037，0.066，0.044，0.013，0.032，0.020，0.036，0.023，0.010，0.016，0.026，0.077，0.044，0.129)；根據熵值法公式(1)～(5)，計算得到數據熵權重W=(0.083，0.082，0.079，0.090，0.078，0.092，0.078，0，0.008，0.008，0.004，0.003，0.002，0.014，0.002，0.001，0.001，0.092，0.111，0.079，0.091)；根據公式(6)計算最終綜合權重α=(0.056 00，0.079 42，0.101 06，0.046 02，0.151 74，0.098 16，0.025 28，0.000 06，0.008 26，0.005 25，0.000 91，0.001 60，0.000 72，0.007 85，0.000 84，0.000 20，0.000 32，0.038 41，0.135 06，0.055 59，0.187 24)。

2.3 基于模糊綜合評判法和Topsis法的灌溉模式綜合評價結果

根據式(8)計算得到加權規范化矩陣：

根據式(10)得到理想方案和負理想方案，由公式(11)和(12)得到與正負理想方案的距離以及相近接近度。

A*=(0.031 1,0.045 8,0.052 7,0.021 8,0.083 8,0.046 1,0.011 7,0,0.004 5,0.002 7,0.000 5, 0.000 8,0.000 4,0.004 2,0.000 4,0.000 1,0.000 2,0.019 0,0.067 9,0.028 8,0.102 6)

A-=(0.011 1,0.012 1,0.0351,0.019 3,0.032 6,0.042 6,0.010 7,0,0.002 9,0.001 7,0.000 3,0.000 6,0.000 3,0.002 5,0.000 3,0.000 1,0.000 1,0.015 6,0.053 7,0.018 3,0.020 9)

S*=(0.082 7,0.065 3,0.028 8,0.025 3,0.046 5)

S-=(0.066 9,0.083 8,0.092 6,0.094 2,0.067 3)

C=(0.45,0.56,0.76,0.79,0.59)

為確保評價結果的可靠性及準確性，同時利用模糊綜合評判法[21,22]得出各節水灌溉模式最終評分依次為0.80、0.78、0.87、0.93、0.82。兩種方法求得的評價結果見表4。

表4 各方案評價結果

2.4 綜合評價結果分析

從表2可知，半固定式噴灌投資1.5 萬元/hm2，分別比智能化噴灌和地埋自動伸縮一體化噴灌減少64.3%和33.3%，年維修養護費用較智能化噴灌和中心支軸式噴灌機減少73.9%和28.6%，缺點是省工效益差。在效益費用比方面，最大值和最小值分別出現在半固定式噴灌和智能化噴灌，大小分別為2.23和0.87。地埋自動伸縮一體化噴灌節能省工效益明顯，比中心支軸噴灌節能57.1%，省工效益是半固定式噴灌的4.8倍。中心支軸式噴灌機作物適應性最強，但是耗電量比地埋自動伸縮一體化噴灌增加300 kWh/hm2。連作周期內，智能化噴灌節水量為1 920 m3/hm2，較自驅動絞盤式噴灌節水26.3%，節水效果最好。

從表3可以看出，每種噴灌模式都有各自特點和適應性。噴灌模式A工程投資低，效益費用比高。噴灌模式B智能化程度高，節水效果最好。C噴灌模式作物適應性最強。在農民歡迎程度、節能量和水電費用方面噴灌模式D占有優勢。指標權重排在前三位的是省工效益、效益費用比和節水量，權重值分別為0.187、0.152和0.135。可見在灌溉方式決策和實施前應優先考慮效益費用和節水程度。

表4評價結果表明，運用Topsis法和模糊評判法計算出來的總排序順序基本是一致的，均表現為D>C>E。其中，地埋自動伸縮一體化噴灌得分表現最高，分別為0.79和0.93。兩種方法中，噴灌模式A和B得分排序結果不同，Topsis法中B>A，模糊評判法中排序相反。綜合考慮經濟、技術、社會、農業生態、資源利用等環節，地埋自動伸縮一體化噴灌是黃淮井灌區冬小麥-夏玉米連作體系節水灌溉最佳模式。

3 討 論

評價體系和方法的選擇在很大程度上取決于灌溉系統的性質和評價的目的[23]。指標體系權重的確定主要有兩類方法，一是主觀賦值法，包括專家調查法、層次分析法、比較加權法和模糊統計法等，這類方法的特點是簡潔實用，但偏向性強；二是客觀賦值法，包括主成分分析法、熵權法、Critic法和均方差法等，這類方法的特點是精度高信息量大，但解釋性差。本文采用“AHP+熵權法”組合賦權，統籌兼顧主客觀因素，使結果更真實可靠。兩種評判方法中，半固定式噴施和智能化噴灌得分排序結果不一致，原因可能是：①指標函數值到規范化值所用的指標同趨勢化和歸一化方法不同；②Topsis法充分利用了統計指標原始數據，信息損失少。就本文而言，模糊評判法和Topsis法得出的綜合評價結果均表現為D>C>E，結果符合生產實際，這也間接證明了評價方法和模型的可行性和正確性。

采用高效節水灌溉可整體提升井灌區的灌溉效率[24]。從流域、區域經濟社會發展的全局出發，因地制宜地選用適宜的噴灌形式，應兼顧經濟、社會、生態效益[25]。從評價得分來看，地埋自動伸縮一體化噴灌和中心支軸式噴灌機得分總排序處于前兩位，主要是因為二者機械化和自動化程度高，省水省力，作物適應性強且不影響作物收割和田間耕作，受到老百姓普遍歡迎。在調研中發現，用工緊缺和勞務費用高是農業發展面臨的突出問題。因此，省工省力的灌溉模式具有廣闊的應用前景。自驅動絞盤式噴灌模式排名第三，該灌溉模式操作簡單機動靈活，噴灌強度大，適合大面積小麥、大豆等短稈作物。在夏玉米后期噴灌作業時，由于玉米莖稈障礙，自驅動絞盤車移動受阻，會對作物造成一定程度的傷害，這是值得重視并改進的問題。隨著人工智能、現代信息技術等的應用，多功能、低能耗、低成本、智能化、精準化、綠色化的節水灌溉裝備是今后的發展趨勢[26,27]。本次研究中，智能化噴灌(半固定式噴灌)排名最低，主要在于智能化噴灌一次性投資較高，其投資費用是其他噴灌模式的1.87～2.8倍。最重要的原因還在于其技術集成度高，設備出現故障時，需要專業技術人員全程維修，投資風險大，回收成本慢。雖然半固定式噴灌投資費用低，但是需要很高的人工成本，而且移動安裝不方便。然而，隨著灌溉現代化發展和勞動力成本快速增加，智能化噴灌可以根據土壤墑情、降雨等實時信息做到適時、適地、適量供水，從而提高農業生產效率與效益，達到科學監控精準灌溉。可以預見，智能化噴灌必將成為未來研究的重點和熱點。

4 結 語

(1)本文構建了包括經濟、技術、社會、農業生態、資源利用等5個方面的節水優選綜合評價體系，提出一種兼顧主客觀因素的“AHP+熵權法”組合賦權法確定指標權重，在此基礎上構建基于Topsis法的灌溉管理綜合評價模型，并運用模糊綜合評判法對該模型進行驗證。評價結果科學合理且符合農業生產實際情況。

(2)地埋自動伸縮一體化噴灌模式節能省工效益明顯，比中心支軸噴灌節能57.1%，省工效益是半固定式噴灌的4.8倍，農民歡迎程度高。指標權重排在前三位的是省工效益、效益費用比和節水量，權重值分別為0.187、0.152和0.135。在灌溉方式決策和實施前，應優先考慮效益費用和節水程度。黃淮井灌區冬小麥-夏玉米連作體系節水灌溉模式排序為：地埋自動伸縮一體化噴灌>中心支軸式噴灌機>自驅動絞盤式噴灌>智能化噴灌(半固定式噴灌)。在當前經濟和技術條件下，黃淮井灌區采用地埋自動伸縮一體化噴灌可獲得最佳綜合效益，建議在該區域適度推廣和應用。