基于层次分析法的玉米秸秆离田利用效益评价

李昕　郭丽华

[摘要]本文利用层次分析法从经济、社会、生态三个方面分析河北省5种常见玉米秸秆离田利用方式的综合效益，比较得出几种秸秆利用方式的效益表现，并提出发展以优先满足压块饲料、颗粒燃料市场基本需求为目的;以鼓励发展基料种植作物和生物质燃气，促进良好经济效益为重点;以生物质发电消化剩余秸秆为补充的优势互补模式，对形成玉米秸秆综合利用体系，建立循环农业与可持续能源体系，促进国民经济绿色发展具有重要意义。

[关键词]玉米秸秆;离田利用;层次分析法;效益评价

中图分类号：F323.22 文献标识码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202006

1 研究背景

河北省作为我国玉米生产主要基地之一，有丰富的玉米秸秆资源，但玉米秸秆就地粉碎还田仍是最普遍的处理方式。2019年河北省农业农村厅提出，提升秸秆直接还田质量、提高秸秆离田比例和离田利用效率，全面提升农作物秸秆利用水平。因此，分析河北省常见玉米秸秆离田利用方式的综合效益以及优势特点，并将各种利用方式优势互补，形成可复制、可推广的高效秸秆利用模式。

2 研究内容和数据来源

采用层次分析法从经济效益、社会效益和生态效益三个方面分析压块饲料、颗粒燃料、食用菌基料、生物质燃气、生物质发电5种河北省常见秸秆利用方式。相关数据主要源于23家秸秆利用企业的调研数据，调研方式以实地走访和电话访谈为主，主要涉及衡水、石家庄、保定、邢台、廊坊等地。其中玉米秸秆饲料利用企业7家、玉米秸秆燃料利用企业3家、玉米秸秆基料利用企业5家、玉米秸秆生物质燃气4家、玉米秸秆生物质发电4家。层次分析过程中各项指标的重要性通过邀请高校专家、企业专家、基层技术专家、农业管理专家等各方面专家14人，经多次问询交流最终确定。

3 层次分析法下河北省玉米秸秆离田利用方效益评价

层次分析法将评价目标相关元素分解为目标层、准则层、方案层，构建评价指标体系，通过专家打分的方式判断各指标的重要性，再构建两两判断矩阵确定各项指标权重，是一种能够科学确定复杂系统中各项指标权重的分析方法。

3.1 建立递阶层次结构

递阶层次结构分为目标层、准则层、方案层。目标层为递阶层次结构的最高层，即问题决策的目标或理想结果，具体为河北省玉米秸秆离田利用的综合效益评价;准则层为中间层，是决策的准则以及需要考虑的因素，本文的准则层包括经济效益、社会效益、生态效益三个方面;方案层为递阶层次结构的最底层，是评价效益水平的具体指标（见图1）。

3.2 构造两两判断矩阵

本文采用专家打分法，构造判断矩阵的同时，对同一层次指标进行两两比较，其比较结果采用1～9比率标度法表示（见表1）。

（1）系统层判断矩阵如下：

（1）

（2）准则层判断矩阵如下：

（2）

3.3 确定指标权重值及一致性检验

3.3.1 计算指标权重

计算指标权重可以归结为计算判断矩阵的特征根和特征向量问题，采用方根法计算矩阵最大特征根及其对应特征向量，具体如下：

计算判断矩阵中每一行元素的乘积Mi：

（3）

计算Mi的n次方根：

（4）

对进行规范化处理，即可得到权重分量Wi：

（5）

计算判断矩阵的最大特征值λmax：

（6）

式中： B为判断矩阵; W为权重列向量;Wi为权重向量的第i个分量;n为矩阵阶数。

3.3.2 一致性检验

利用随机一致性比率CR（Consistency Ratio）作为检验判断矩阵是否满足一致性的指标。

其中，            ，λmax为判断矩阵的最大特征值，n为判断矩阵的阶数。RI由美国匹兹堡大学教授T.L.Saaty给出，见表2。

其中，CI越大，判断矩阵的一致性越差;当CI<0.1时，可以认为判断矩阵具有满意的一致性;当CI=0时，则认为判断矩阵B具有完全一致性。

（1）系统层。通过专家打分确定各项指标重要性，建立系统层判断矩阵，见表3。

λmax=3.018 3，W=（1.685 5，0.368 1，0.964 7）T，CI=0.009 1，RI=0.58，CR=0.017 6<0.1。對比矩阵通过一致性检验，经归一化处理后各向量权重为W=（0.558 4，0.122 0，0.319 6）T。

（2）指标层。通过专家打分确定各项指标重要性，建立经济效益判断矩阵，见表4。

λmax=2，CI=0，对比矩阵具有完全一致性，经归一化处理后各向量权重为W=（0.666 7，0.333 3）T。

通过专家打分确定各项指标重要性，建立社会效益判断矩阵，见表5。

λmax=2，CI=0，对比矩阵具有完全一致性，经归一化处理后各向量权重为W=（0.333 3，0.666 7）T。

通过专家打分确定各项指标重要性，建立生态效益判断矩阵，见表6。

λmax=2，CI=0，对比矩阵具有完全一致性，经归一化处理后各向量权重为W=（0.333 3，0.666 7）T。

（3） 综合结果。经过层次分析法后得到各层次中各项指标的权重值，见表7。

4 评价指标数据归一化处理

在多指标评价体系中，不同性质的各项指标通常具有不同的量纲和数量级。为了消除量纲和数量级造成的影响，对原始数据进行标准化处理，使各项指标数值都位于同一个数量级别，可以方便进行综合对比评价，并保证结果的可靠性。

Z-score标准化转化函数如下：

（7）

其中：为所有样本数据的均值，为所有样本数据的标准差。

经过Z-score标准化处理后的结果见表8。

加权计算得到河北省不同玉米秸秆离田利用方式效益评价结果，见表9。

5 结果分析

从经济效益结果看，河北省不同玉米秸秆离田利用方式效益排序为生物质燃气>食用菌基料>颗粒燃料>压块饲料>生物质发电。将玉米秸秆用作食用菌基料和生物质燃气的利用方式成本费用利润率高，销售利润率高，具有良好的经济效益。

从社会效益结果看，河北省不同玉米秸秆离田利用方式效益排序为颗粒燃料>食用菌基料>压块饲料>生物质发电>生物质燃气。颗粒燃料、食用菌基料、压块饲料利用方式对人工的需求程度较高，因此带动增收的效果较好。

从生态效益结果看，河北省不同玉米秸秆离田利用方式效益排序为颗粒燃料=生物质燃气>生物质发电>压块饲料>食用菌基料。颗粒燃料、生物质燃气、生物质发电等能源化利用方式，可以减少因煤炭等化石能源燃烧产生的污染气体，污染物排放减少量的指标效果较好。压块饲料能够在一定比例上替代苜蓿等高价产品，产生较好的资源替代效益。

从综合效益结果看，河北省不同玉米秸秆离田利用方式效益排序为生物质燃气>食用菌基料>颗粒燃料>生物质发电>压块饲料。其中，生物质燃气在经济效益与生态效益均有良好的表现，但对社会的带动效益相对较差。食用菌基料具有良好的经济效益，但社会效益不高，生态效益较差。颗粒燃料、生物质发电经济效益不高，但具有良好的的生态效益。压块饲料利用综合效益排在最后，且在各个效益层面的表现均不突出。

6 结 论

河北省不同玉米秸秆离田利用方式综合效益的影响因素不同。

（1） 生物质燃气的综合效益最高，主要是因为其经济、生态效益高。其中经济效益高主要是因为生物质燃气产品的单位售价高;生态效益好是因为生物质燃气作为一种清洁型能源，能够很好地替代煤炭等化石能源，产生替代效应，同时替代煤炭作为能源燃烧能够减少污染物的排放。生物质燃气的社会效益低主要是因为生物质燃气生产设备自动化程度高，对人工的依赖程度低。

（2）食用菌基料的综合效益高，主要是因为其良好的经济效益和社会效益。其中经济效益好主要是因为利用秸秆作为基料种植的产品市场售价高;社会效益好是由于食用菌的种植、采摘对人工依赖程度高，能够起到社会带动作用。食用菌基料的生态效益低是因为利用玉米秸秆作为基料主要用于种植赤松茸，且河北省引入赤松茸种植技术的目的是消纳、利用玉米秸秆，从这个角度考虑，食用菌基料利用没有资源替代效益，且基料无法替代煤炭等能源燃烧，导致减少污染物排放效益较差。

（3）颗粒燃料综合效益较好，主要由于其社会效益、生态效益高。其中社会效益好是由于对人工的需求程度较高，能够起到带动增收作用;生态效益好是由于颗粒燃料能够替代煤炭等污染物排放高的化石能源，产生替代效应，同时减少污染物的排放。由于其单位产量成本高，但产品单位售价一般，导致颗粒燃料的经济效益较低。

（4）生物质发电综合效益较差，主要是因为其经济效益和社会效益差。其中经济效益低是因为国家电网对于生物质发电的单位售价较低;社会效益低主要由于生物质发电的秸秆需求量大，消纳秸秆多，因此单位产量产生的社会带动效应低。但生物质发电能够很好地替代煤炭等化石能源，产生替代效应，同时替代煤炭作为能源燃烧能够减少无污染物的排放，并能消纳、利用大量废弃秸秆，具有良好的生态效益。

（5）压块饲料的综合效益最差，是因为其在各个效益层面的表现均不突出。

7 建 议

7.1 优势互补发展各类利用方式

经过查阅相关文献、多方调研、分析河北省不同玉米秸秆利用方式的综合效益及其各种方式的效益优势特点，河北省秸秆离田综合利用总体应遵循以消纳处理秸秆、减少秸秆废弃焚烧为目的，以企业经济利益为重点，以环保减排为补充的原则，发展以优先满足压块饲料、颗粒燃料市场基本需求为目的，以鼓励发展利用基料种植作物和生物质燃气，促进良好经济效益为重点，以生物质发电消化剩余秸秆为补充，最终实现保障需求、促进经济、消纳秸秆、资源替代、环保减排的优势互补多元利用模式[1-2]。

7.2 提高不同玉米秸秆离田利用方式综合效益

7.2.1 提高重点发展方式的利用比例

对于重点发展的食用菌基料与生物质燃气，应通过扩大市场需求、提高利用比例的方式，提高在河北省玉米秸秆离田利用总量中所占比例，从而提高河北省玉米秸秆离田利用整体经济效益。同时，生物质燃气可以在农林生物质资源丰富的地区，使用生物质气化炉进行集体供暖，在小型村落、片区实行连片集中供暖，提高相关生产设备的使用率，降低单位产量配套生产成本，进一步提高其经济效益。食用菌基料主要是通过种植高价值农产品品种和改良基料配比提高农产品产量来获得高收益[3]。例如，试验比较不同基料配比对农作物产量的影响，选择最优种植基料配方，提升农作物产量;探索、引进多种高收益农产品种植技术，拓宽玉米秸秆基料利用渠道;延长农产品产业链，研发、探索深加工产品并积极开拓市场，以增加农产品需要，从而扩大玉米秸秆基料利用的需求，并发挥带动效益的作用[4]。

7.2.2 降低补充发展方式的单位成本

对于以滿足基本需求为目的的补充发展方式，应当通过降低秸秆利用过程各环节成本，提高其经济利润;对于一些人工成本较高的玉米秸秆离田利用方式，可以通过提高玉米秸秆在获取、送料、装卸等环节的机械化水平的方式，用机械替代人工，减少秸秆利用各环节人工成本的同时提高生产效率。可以通过批量购置、循环利用、提高生产效率等方式，降低玉米秸秆离田利用企业包装材料成本，节约企业生产过程中的水电消耗，降低企业生产配套成本，减少不必要的浪费，有利于环境友好型社会的发展。

7.2.3 提升能源化利用方式的科技含量

产业发展的动力是科技。应充分释放科技创新发展活力，加大对生物质能源方面研究的支持力度，提升能源化利用方式的科技含量，让科技真正为产业创新发展服务，加强产业技术创新（下转第145页）

研究，提高玉米秸秆机械生产能力，提高玉米秸秆能量转化效率，提升玉米秸秆离田利用效益[5]。

参考文献

[1]毕于运，高春雨，王红彦，等.我国农作物秸秆离田多元化利用现状与策略[J].中国农业资源与区划，2019，40（9）：1-11.

[2]杨轶囡，吴迪，刘文明，等.吉林省玉米秸秆资源化利用的问题与对策研究[J].玉米科学，2016，24（2）：171-174.

[3]李慧星，许彬，王振泉，等.以玉米秸秆作赤松茸栽培基料的研究[J].中国农学通报，2019，35（27）：79-83.

[4]王金武，唐汉，王金峰.东北地区作物秸秆资源综合利用现状与发展分析[J].农业机械学报，2017，48（5）：1-21.

[5]魏巧云，赵冬梅.多种类生物质发电燃料物流成本研究[J].山西财经大学学报，2013，35（S2）：30-31+42.