膜下滴灌技术综合效益评价方法初步研究

2019-01-21牛靖冉王春霞何新林

节水灌溉 2019年1期

牛靖冉，王春霞，何新林，黄丹

(1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832000；2.新疆北控水务有限公司，乌鲁木齐 830001)

0 引言

膜下滴灌作为一种高效的节水灌溉技术，自新疆生产建设兵团于1996年引入至今，技术不断成熟，前人革命性的将滴灌与覆膜技术相结合，使其不仅拥有滴灌技术节水的特点而且覆膜技术也使其达到了抑制棵间蒸发、增温保墒的效果[1,2]，滴灌带的自主生产也使其成本不断降低。技术的进步使其在中国的干旱与半干旱地区广泛推广，仅新疆地区就有200 万hm2的耕地在使用膜下滴灌技术，产生了巨大的社会与经济效益[3]，尤其是大幅度提高了田间水利用效率[4,5]，目前技术也朝着“技术集成”以及“自动化”的方向发展[6]。但是随着我国可持续发展理念的深入以及生态环境的进一步恶化，人们更加关心的是节水灌溉技术所能产生的环境及生态效益。所以，对于膜下滴灌技术的评价有必要从单一的经济效益及社会效益的评价提升到一个综合效益评价的高度。膜下滴灌的综合效益即是从经济、环境、社会效益三个方面全面客观的对该技术的可行性进行评价，膜下滴灌技术经过多年的研究，其发展已经遇到了瓶颈，所以为了找到一个兼顾经济、环境、社会效益的发展方向，有必要对膜下滴灌的综合效益进行评价。

学术界也有人对此做出了一些研究。朱美玲[7]对干旱绿洲灌区高效节水灌溉技术设计了一套评价指标体系。陈晓东[8]对烤烟膜下滴灌从节水效率和经济效益两个方面进行了评价，并且认为膜下滴灌的使用可以带来良好的生态及经济效益。李晓渊[9]从农户的收益角度出发，为干旱区高效节水灌溉技术设计了一套评价模型，对其经济合理性进行评价。黄丹[10]设计了一套针对膜下滴灌微咸水灌溉的轮灌顺序的评价模型，并且通过该模型评价出了最优的轮灌顺序。总结前人的研究，发现缺少专门针对与膜下滴灌的综合效益评估的研究。所以，本文设计了一套膜下滴灌的综合效益的评价指标体系。通过该指标体系，以新疆最典型的经济作物-棉花为例，在膜下滴灌条件下对其两年的综合效益进行了评价及对比。本文希望通过构建一套能够全面客观的评价膜下滴灌技术的综合效益的评价方法，为膜下滴灌技术未来的应用推广及发展方向提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2013-2014年在石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室进行，该实验室位于新疆生产建设兵团农八师西郊(44°18′N，86°02′E)。该地区气候为中温带干旱区气候，年均降水量为213 mm，年均蒸发量为1 342 mm。属于典型的绿洲农业[10]。该试验站全部使用滴灌技术种植棉花的有2 hm2，种植方式采取了典型的一膜两管四行，膜宽140 cm，其中窄行为30 cm，宽行为60 cm，株距为10 cm。

1.2 试验设置

该试验以当地主要的经济作物棉花为研究对象，选取的棉花品种为新陆早7号，该品种在当地具有一定的典型性及代表性。每年的5月1日采用“干播湿出”方式播种。全生育期内的灌水量为4 395 m3/hm2，灌水次数为11次，灌水间隔为7 d，滴头间距为30 cm，滴头流量为3.0 L/h。另外，生育期内施肥量为尿素300 kg/hm2、磷肥150 kg/hm2。该实验共布种3膜棉花，面积为5.5 m×10 m。为了防止土壤的测漏，两边的膜作为保护区，中间的膜作为实验数据的收集区。

取样点随机分布在棉田，设置5处，并用竹竿做标记，测定时期分别为苗期、蕾期、花铃期、吐絮期。进行取土样时是以滴头为中心，在滴头下方、棉株位置、膜内及膜间的中间位置取样，即图1中的b、c、a、d位置，取样深度为0～5、5～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm，相同位置相同土层的土样混合后测定；棉株的生长调查在取土样点的附近，并挂上吊牌进行标识；棉花产量在取土样点的附近随机选取长势一致的2 m×10 m区域测定。

中间的膜作为实验数据的收集区。

图1 膜下滴灌种植模式及取样示意图[10]

1.3 测定的项目及其方法

1.3.1 灌水量的测定

额定灌水量为4 395 m3/hm2，每次灌水前后记录水表数据以及灌水时间来得到实际灌水量。

1.3.2 土壤含水率的测定

测定土壤含水率的方法为土壤烘干法。

1.3.3 土壤含盐量的测定

将土样制成1∶5浸提液，用DDP-210便携式电导仪测试其电导率，再将所得数据根据标定系数换算为土壤盐，电导率与土壤含盐量之间具有良好的线性关系，其方程为y=0.000 6x(R2=0.933)。

1.3.4 棉花理论产量的测定

选取长势均匀的2 m宽膜，根据其棉桃吐絮重量计算得到棉花理论产量。

1.4 综合效益评价方法的建立

因为用于评价膜下滴灌的指标众多，如果不对这些指标进行筛选，工作量将会十分巨大而且这些指标之间存在着自相关性会降低评价结果的精度。如何从众多指标中选取出能够全面反映膜下滴灌的综合效益的指标且避免其自相关性成为该项工作的重点及难点。

构建一套科学合理的评价指标体系，是对膜下滴灌技术的综合效益评价的基础。对于评价指标体系的构建需遵循以下步骤：

(1)首先明确指标体系内部的层次结构以及逻辑关系，根据实际情况，将指标体系分为目标层、准则层及指标层，从而构建出指标体系的基本框架。

(2)然后依据各个准则层尽可能多的收集能够反映该准则层的指标，指标可以通过咨询专家或者从阅读文献中获得。

(3)最后是对指标的筛选，总的原则是筛除掉无效及重复的指标，具体的方法是通过专家的经验进行筛选和对其进行独立性分析，筛选出来的指标应具备以下特征：①选取出的指标具备清晰的概念、能够准确地抓住评价目标的本质。②选取被学术界所认可的、有一定科学理论支撑的指标。③避免人为因素的干扰，尽量做到客观合理。④指标所需要的数据要便于收集，便于计算、具备可比性。

(4)最终选取了6个指标分别为公顷净效益、经济效益费用比、平均含水率[10]以及脱盐率还有推广示范作用和农民素质的提升[12]，构建出如表1所示的评价指标体系。

表1 膜下滴灌综合效益评价指标体系

1.5 指标的定义及其计算方法

1.5.1 经济效益指标

(1)每公顷的净效益 (C1)。每公顷的总投资与其总收益之差为其净效益，该指标可以直接反映该技术的产出效益，其计算公式为：

p=o-k

(1)

式中：p代表每公顷的净收益，元/hm2；o代表每公顷的总产值，元/hm2；k代表每公顷的总投资，元/hm2，包括膜下滴灌设备所需的安装运行费用；设备、工具的购置费平均到每公顷上以及每公顷平均的种植投入费用。

(2)经济效益费用比(C2)。经济效益费用比是用来评定某一工程的经济可行性的常用指标，它可以体现出单位投资所获得的效益，其计算公式为：

(2)

1.5.2 环境效益指标

(1)平均含水率(C3)。土壤的含水率是用来衡量土壤水分含量高低的指标。用烘干法测定，具体计算公式为：

(3)

式中：w%为平均含水率；w1为土壤湿重；w2为土壤干重。

将0～60 cm的土壤含水率取平均得到土壤平均含水率，再将全试验期内的土壤平均含水率取平均得到该年的平均含水率。

(2)脱盐率(C4)。由于膜下滴灌浅灌的特点，只能对一定深度的土壤达到较好的淋洗效果，并没有改变盐分累积的总体趋势，长期使用会产生次生盐碱化问题[11]。盐分的累积会造成土壤环境的恶化，不利于作物的生长，所以这项指标是评价膜下滴灌工程环境效益的重要指标。通过对0～60 cm的土壤初始以及试验终期的平均含盐量进行比较来得到土壤含盐量的变化，计算公式如下：

Δs=sa-sb

(4)

该值为正即为脱盐，反之为积盐，脱盐率由Δs/sa求得。

1.5.3 社会效益指标

(1)推广示范作用(C5)。膜下滴灌技术是一种高效的节水灌溉技术，其节省成本、增产增效的优势可以使其起到良好的推广示范作用，有利于该节水灌溉技术在该地区的普及。

(2)农民素质的提升(C6)。膜下滴灌技术不同于一般的灌溉技术,其不仅依靠现代化的基础设施,也需要人为的管理,所以需要对农民进行培训,通过农民切身的体会膜下滴灌技术独特的水肥管理理念和设施所带来的效益及便捷,改变他们对于传统的灌溉方式及水肥管理理念的看法,对于农民自身素质的提升有着积极的作用。由于社会效益的评价指标均为定性指标，其内容比较抽象，无法用具体的数值直接计算出来，所以需要对社会效益的指标进行量化处理，具体的方法为专家打分法，将指标的水平划分为极好、较好、一般、差，其分数分别为100、80、60、40。其结果见表2。

表2 社会效益指标评价结果

其中，评分1和评分2分别代表2012及2013年两年的指标的评价，其评价结果均为较好(分数为80分)[12]。

1.6 指标的标准化处理

由于各个指标的计量单位与物理意义不相同，所以在进行综合效益的计算前，需要对已经计算出来的各个指标进行无量纲化处理，具体的方法为比重法，其计算公式为：

(5)

1.7 指标权重的确定

因为各个指标对最终结果的影响程度不同，所以在进行最终效益的计算之前，需要对各个指标的权重进行计算，计算方法用的是层次分析法。

层次分析发是一种定性与定量分析相结合的多目标决策的分析方法。该方法的具体思路是将复杂的问题先整理分解为若干层次和若干因素，对这些指标的重要程度进行两两之间的比较，构建出判断矩阵，通过对判断矩阵的最大特征值以及特征向量的计算，就可以得到各个指标的权重。具体步骤如下：

构建判断矩阵，以A为最终的目标ui代表各个指标(i=1,2，…,n)。uij表示ui与uj通过两两之间相对重要性的比较所得到的数值(也称标度)，其取值方法见表3。

通过表3对各个指标根据实际情况进行一一比较，最后即可得到判断矩阵P:

(6)

表3 判断矩阵标度

(1)各个指标的权重的确定需要对判断矩阵的最大特征值及其特征向量进行计算，所得最大特征向量的各分量即为各个指标的权重值。具体步骤为：

①首先将各行元素相乘，其结果记为mi；

(7)

(8)

③将各行所得的ϖ(i=1,2,…,n)进行归一化处理，最后得出特征向量ω=(ω1,ω2,ω3,…,ωn)；④计算最大特征值λmax；⑤层次分析法受人的主观因素影响有时候计算出的结果不具备一致性而导致最终结果的不可靠，所以需要对最终的计算结果进行一致性检验。其具体步骤为：

首先，计算判断矩阵P的指标CI来对其进行一致性检验。

(9)

之后，通过查表4得到RI即判断矩阵的平均随机一致性指标。求得一致性比例CR。

(10)

若CR<0.1，则该判断矩阵符合一致性检验的要求，若CR≥0.1，则该判断矩阵不符合一致性检验要求，需要对该判断矩阵进行修正。

表4 平均随机一致性指标RI[10]

1.8 评价方法

膜下滴灌技术的影响范围广泛，评价指标众多，涵盖经济、环境、社会三大领域，且具有层次性。综上考虑用如下数学模型对众多因素进行综合计算：

(11)

式中:rij为各个指标无量纲化处理后的数值；aij为各个指标的权重值；ai为准则层三大效益的权重值。

2 结果与分析

2.1 指标权重的计算结果

依据第二节所提到的层次分析法来计算各个指标的权重，其计算结果见表5。

表5 指标权重计算结果

各指标权重的计算结果的平均随机一致性比例CR均满足表4的要求，可知各判断矩阵具有良好的一致性。

2.2 指标的标准化处理

依据公式(5)来对各指标进行标准化处理，处理结果见表6。

表6 2012-2013年指标的标准化处理

2.3 膜下滴灌综合效益的计算

用公式(11)，来计算膜下滴灌的综合效益，其计算结果见表7。

表7 综合效益计算结果

通过表6及表7的计算结果可以看出两年的各类效益以及综合效益都有所波动。

(1)在经济效益方面2013年略高于2012年，2013年与2012年的投资及产量差异较小，究其主要原因是棉花价格的波动，2012年的棉花价格仅为7.7 元/kg，2013年上升至8.6 元/kg。

(2)在环境效益方面，2013年明显高于2012年。其主要原因是由于盐分含量的波动受气候影响较大，2012年为干旱年，降水较少，蒸发强烈，土壤中的盐分很多被蒸发到了土壤上层，而2013年相对降水充沛，土壤中的盐分得到了很好的淋洗，尤其是2013年年初，大量的积雪开始融化，雪水不断的渗入土壤深处同时也将盐分带走。

(3)在社会效益方面，由于膜下滴灌技术便捷的操作，廉价的设施以及良好的经济效益使其推广及示范的效果在这两年处于一个稳定的状态。而且其独特的灌水方式和不同于传统灌溉方式的水肥管理理念，使农民在学习中掌握知识，素质稳步提升。

(4)在综合效益方面可以看出2013年的综合效益明显高于2012年，这是由于棉花市场价格的波动以及降水量等因素所造成的。所以，为了来年膜下滴灌技术综合效益的提升，可以通过政府干预来调控棉花价格以及在大旱年适当的调整灌溉制度等措施来稳定脱盐率。

3 讨论

膜下滴灌技术引用几十年来，以其独特的节水节肥及高产的特点，为人们带来可观的经济效益。但是其压盐效果及对地下水的补给作用不及漫灌，其现代化的灌溉技术让农民在学习过程中素质能否得到显著提升、其造成的社会影响有多大，将这些综合考虑起来，膜下滴灌技术能产生多大效益？本文通过田间试验以及社会调查对膜下滴灌两年的综合效益进行了评价，找到了两年效益变化的原因，验证了其实用性，以期为膜下滴灌更好地发展提供指导。

对于膜下滴灌技术综合效益的评价，国内外的学者做了很多的研究。在生态及经济效益方面，本文选取了四个指标，重点从投资的净效益及水盐方面的影响考虑，这与陈晓冬[8]在评价烤烟膜下滴灌时选取的评价指标大体一致，但是在环境方面，他没有考虑盐分累积的问题，膜下滴灌由于其浅灌的特点，导致其盐分的淋洗效果不如漫灌等传统的灌溉方式，它会让土壤盐分在一定深度聚集，形成一个壳状的盐层，这也是滴灌技术所存在的一个缺陷，所以盐分累积是需要考虑进去的。同样，朱美玲在对干旱绿洲农业高效用水进行评价时，从技术本身及使用者两个角度考虑，对其经济及社会效益进行了充分的考虑，但是没有考虑到盐分累积等一些环境问题。

在社会效益方面，膜下滴灌良好的经济效益带来了良好的推广示范作用。其现代化的灌溉理念，改变了农户对于传统灌溉方式的看法，通过对现代化的灌溉技术的学习以及实际的操作来提升自身的素质。这与董伟伟[12]在对新疆国家农作物原种场棉花节水灌溉项目效益分析与风险评价时，所得到的结论基本一致。

膜下滴灌技术通过局部灌溉的方式，仅湿润植物根系，有效避免了灌溉水的浪费，其良好的经济效益使得其大面积推广并让农户在使用过程中适应现代化的灌溉理念，素质得以提升。但是其一系列的设备购置及安装费用又比传统灌溉多出了一部分投入。浅灌的特点又使得盐分无法淋洗到土壤深处。前人对滴管技术评价设计出了自己的评价指标体系，但是侧重点不同，评价效果也不尽相同。本文在前人基础上多考虑了可持续发展的理念，重点考虑了盐分累积的影响。但是该评价指标体系还有很多方面没有考虑到，评价结果的全面性还有所欠缺，在以后的研究工作中通过考虑膜下滴灌技术的自动化发展、田间布置方式的改变、灌溉水质的变化、滴灌管理水平的提高等因素，来完善该评价指标体系，使评价效果更加全面准确。