基于模糊层次分析的水稻化肥减施效果评估研究——以湖北省为例

杨 利，马朝红，2，胡时友，2，段建设，徐维明，涂 涛

（1.湖北省农业科学院植保土肥研究所∕农业农村部废弃物肥料化利用重点实验室∕湖北省秸秆农业利用工程技术研究中心，武汉 430064；2.潜江农业环境与耕地保育科学观测实验站，湖北 潜江 433110；3.襄阳市襄州区农业技术推广中心，湖北 襄阳 441103；4.沙洋县农业技术推广中心，湖北 沙洋 448200；5.潜江市农业农村局，湖北 潜江 433100）

自21 世纪以来，中国农业发展取得了巨大成就，化肥作为主要农业投入品，对保障国家粮食安全作出了巨大的贡献，但随着粮食产量的增加，也带来了化肥使用量的持续增长。有数据表明，1949—2015年中国粮食产量增长了4.5 倍，但农用化肥使用量（折纯，下同）增长了1 万倍，化肥的大量使用对环境造成的影响已经日益显现［1-4］。鉴于此，2015年原农业部正式发布了《化肥使用量零增长行动方案》，明确提出控制化肥用量，力争到2020年全国主要农作物化肥使用量实现零增长，并将此纳入十九大政府工作报告［5］。同时，科学技术部启动了国家重点研发计划“化肥农药减施增效技术应用研究”项目，分区域、分作物集成组装化肥农药减量增效的技术模式，创建不同模式下化肥减量增效示范区，带动科学施肥技术的推广。

在各种技术支持、政策激励、行政干预等措施下，中国化肥使用总量持续上涨的趋势得到减缓，甚至出现历史性的下降［6］。化肥使用量的零增长，是技术与装备研发、技术的推广应用以及政府职能与管理等多方面共同作用的结果，对社会、经济、环境整体持续发展等方面作出了贡献。科学地评价和分析减肥增效技术实施以来的效果和趋势，对区域内化肥使用方案提出建议具有十分重要的意义。湖北省是中国的粮食大省之一，水稻、小麦是湖北省最主要的粮食作物，目前湖北省水稻面积240 万hm2，总产量2 000 万t；小麦面积稳定在108 万hm2，总产量415 万t［7，8］。

本研究旨在湖北省特定的稻麦轮作种植制度模式下，对集成组装水稻化肥减量增效的技术模式效果进行评估。

1 化肥减量现状与评价

化肥的过量施用会造成环境问题，是河流湖泊富营养问题的主因，对化肥减量评价时，因研究方法、研究对象的不同，对化肥过量程度的研究结论往往并不一致。

赵明正等［9］基于LMDI 分解和面板回归分析认为，中国化肥使用量分别下降了38.49 万t（2016年）和124.23 万t（2017年），但化肥减少量主要是受种植结构效应驱动而引起的，农作物单位面积施肥强度下降较少。虞祎等［10］从给予满足农产品供给与水资源双重约束的目标进行分析，认为种植业生产中仍然会优先使用有机肥，只有在有机肥不足的情况下才使用化肥，如果考虑新型缓释∕控释等高利用率化肥的发展和应用，即水肥一体化、精准农业等技术的发展及应用，化肥减量幅度将会增加。

杨钰蓉等［11］对湖北省茶叶种植户调查数据进行实证分析，认为当前茶叶种植的肥料施用仍以化肥为主，有机肥施用率相对较低。但农户普遍对化肥减施与有机肥替代具有较强的行动意愿，多数农户对有机肥替代技术模式的意愿是接受。项朝阳等［12］认为，化肥减施与不减施只是农户的认同感与生态价值观的博弈，当农户群体认同感比较高时，为了与周边农户保持一致，他们也会更倾向于采取减施肥行为。魏莉丽等［13］对湖北省沙洋县进行问卷调查分析，认为虽然农户对过量施肥造成的不利影响有一定的认知，对政府推动化肥减量增效新技术也有一定期待，但目前在肥料的使用（品种、数量）上仍然考虑较少，随意性大。

本研究通过构建优化模型，针对受多因素影响的模糊现象，用层次分析法确定评价体系中各指标的权重，然后根据客观情况进行模糊评判，最后得出终值。以化肥减量程度作为判断依据，从技术、经济、社会、环境等要素方面构建框架，研究基于省域的化肥减施内涵。

2 基于模糊综合评价的的模型构建

2.1 模糊综合分析法

国内外系统评价方法较多，常用的有成本分析法［14-17］、生命周期法［18-22］、层次分析法［23-28］、模糊综合评价［29-36］法等。但是，任何一种系统评价方法都有其优势和局限性，都需要遵循客观性、局部与整体、评价指标的合理性与可操作性等原则。模糊综合评价是一种基于模糊数学理论，其通过对多指标模糊子集隶属度的评价，把定性评价转化为定量分析。在对各种技术效果评价进行定量分析时，层次分析、模糊综合评价方法应用比较广泛。

水稻化肥减施效果评价是一个复杂的系统工程，它受到技术、经济、社会、环境等多种因素的影响，有些评价指标难以量化，如果仅运用客观评价法，不能全面地反映真实情况；如果仅运用主观评价方法，又缺乏客观性。

本研究利用模糊综合评价模型，将有些定性的评价指标转化为定量化指标进行处理，通过建立一套较为完整的指标体系，以期客观、公正地评价化肥减施的效果，为进一步推进化肥减施技术、更新及科学决策提供借鉴。

2.2 评价指标体系确定

2.2.1 评价指标的选取原则 评价指标的选取对整个评价过程以及评价结果具有关键性的影响。而化肥减施效果评价是一项复杂的系统工程，其内涵丰富、涉及面广泛。因此，为了能够客观、准确而且比较全面地评价化肥减施效果，结合本项目的研究［37］，在确定指标体系时采取了以下原则。

1）理论性与实用性相结合原则。水稻作为中国的主要粮食作物，化肥施用成本处于复杂的社会-经济-环境的复合系统及各个子系统中，各层次指标的内涵与外延相互影响、牵制与制约，选取的评价指标要概念明确，具有科学内涵与理论依据，既要反映化肥减量的效果，也要反映农业生产的特点，使其组成一个较完整的体系，全面反映化肥减量效果的内涵、特征及其水平、目标及方向；力求反映化肥减量效果对农业生产的影响关系，还要注重技术、经济、社会、环境四者之间兼顾。同时，既要满足科学评价的需要，又要具备简洁概要、方便计算等实用性特点。

2）完整性与代表性相结合原则。化肥减量效果评价指标要力求全面完整表达出化肥减量的技术效果，有效避免因自然或人为因素造成的偏差，反映出农业生产的特点，并能便于进行考核和评价。指标体系应包括水稻作物生长周期中技术研发、推广与应用全过程参数评估，既能够比较不同技术的优势，又能减少指标，直接突出技术的减施效果。指标体系需要考虑动态变化与一定时期的相对稳定，以便于评估技术实施效果的发展趋势。

3）定量与定性相结合原则。化肥减量效果评价牵涉多方面的内容，有些评价属于定性判定指标，另外的一些评价可以用定量的指标进行判定。评价指标选取时，尽可能减少难以量化的定性指标，选取定量指标能确保技术施用过程中获取准确数据。由于技术试验点区域性差异，要保证技术在区域上存在可比性，对确立技术推广优先顺序具有参考价值。因此，评价指标要定性和定量相结合。

2.2.2 评价指标体系的设置 本研究把水稻化肥减施增效技术评价指标体系作为目标层，依次给出指标体系的一般结构，即准则层、指标层以及子指标层。根据评价指标的选取原则进行细化与完善，从而构建出水稻化肥减施增效指标，结合水稻生产特点，综合土壤、肥料、环境、经济、推广等相关研究以及推广、生产领域工作人员的意见，最终形成水稻化肥减施增效技术评价指标体系。

1）水稻作物化肥减施增效技术评价指标选取。选取技术评价的指标总集，鉴于本次化肥减施增效项目主要目的是在不减产的情况下减少化肥使用量，以化肥减施量、化肥利用率和水稻增产率作为主要考核评价指标。在具体实施过程中，除了技术研发集成外，有研究者认为其对经济、社会和环境三大效益所产生的影响在其效果评价中占有重要比重，将上述因素进行科学统一方能实现综合评价［1，38-40］。

结合相关资料［41］，本研究将准则层分为技术效果、经济效果、社会效果、环境效果4 个方面。指标层及子指标层分别选取了有机肥替代化肥、化肥施用量减少值、政府政策支撑响应程度、改善农田土壤环境程度等若干个指标［42，43］。

2）水稻作物化肥减施增效技术评价指标体系确立。为筛选水稻作物评价指标集，完善初步构建的指标体系，对水稻栽培、土肥、生态学、农经等领域的前沿专家进行问卷调查，采用专家咨询法［44，45］，对每一层次、每一指标依次进行鉴定与评价，对存在争议的指标进行完善或删除，补充未考虑到的指标。

遵循上述指标体系构建原则，构建了水稻化肥减施增效技术效果评价指标体系，如表1 所示。

表1 水稻化肥减施增效技术效果评价指标体系

2.3 评价模型构建

2.3.1 确定模糊评价因素集和评语集 水稻化肥减施增效技术效果评价的因素集根据所设立的评价指标体系确定，评价指标的集合构成评价模型的因素集。从设置的水稻化肥减施增效技术效果评价体系可以看出，水稻化肥减施增效技术效果评价因素中，包括技术效果、经济效果、社会效果和环境效果4 个一级评价因素，有机肥替代化肥、化肥施用量减少值、政府政策支撑响应程度、改善农田土壤环境程度等14 个二级评价因素。水稻化肥减施增效技术效果评价总的因素集为：

B=｛B1，B2，B3，B4｝

其中，B1、B2、B3、B4 分别代表技术效果、经济效果、社会效果和环境效果，其对应的单个因素集分别为：

B1=｛C1，C2，C3，C4｝

B2=｛C5，C6，C7，C8｝

B3=｛C9，C10，C11｝

B4=｛C12，C13，C14｝

评语集是对每个评价指标进行判断所划分的可能的评价结果等级，根据评价对象的性质与具体情况，划分为若干等级评价标准。根据评价目的，将水稻化肥减施增效技术效果评价的优劣程度作为评语集V的元素，共分为5 个等级，具体表示为：

式中，V1、V2、V3、V4、V5 分别表示评价相关指标的完成情况良好、较好、一般、较差和很差5 个级别。

2.3.2 建立模糊关系矩阵 为了将水稻化肥减施增效技术效果评价的每个评价因素量化，每一个评价对象都应建立一个综合评价矩阵R，其中，Ri=（ri1，ri2，…，rin）为第i个因素Ci的单因素评价，因此，rij表示第i（1≤i≤m）个因素Ci在第j（1≤j≤n）个评语Vj上的频率分布，并将其归一化之后，使之满足1，从而得到某一个因素相对于被评价对象的模糊子集的隶属程度，最终构成水稻化肥减施增效技术效果评价的模糊关系矩阵：

2.3.3 熵权法确定评价因素的权重 熵是信息论的一个概念。在系统中，信息是衡量系统有序程度的一个度量，而这个度量则是熵；若指标的信息熵越小，则该指标提供的信息量越大，其在综合评价中所起作用理当越大，所占权重就越高。定义水稻化肥减施增效技术效果评价系统中第j个指标的熵为：

式中，k=，n为评价指标可能处于的评价标准等级数量；Pi为某个评价指标在4 个评价标准等级中处于i的评价标准上的频率，Pi满足0≤Pi≤1，且∑Pi=1，在模糊关系矩阵中，Pi=Rij。当Pi=0 时，-kPilnPi= 0，且n=4。由上可定义，第j个指标的熵权为：

即可得到基于熵权法求得的水稻化肥减施增效技术效果评价的权重向量集合：

2.3.4 合成模糊综合评价结果 根据求得的各指标的隶属度矩阵，即模糊关系矩阵，以及指标的权向量集合，利用模糊数学理论，通过模糊转换合成评价结果矩阵，即水稻化肥减施增效技术效果评价矩阵B。

式中，Bi为被评价指标属于Vj等级模糊子集的程度，得出模糊综合评价矩阵后，采用最大隶属度原则对评价结果进行分析。在得出水稻化肥减施增效技术效果评价的基础上进行二级模糊综合评价，最终得出水稻化肥减施增效技术效果评价的结论。

3 化肥减量效果实证评价

国家“十三五”以来，自2016年起陆续启动了化学肥料和农药减施增效综合技术研发、粮食丰产增效科技创新等重大专项，其都与化肥的减施增效相关，涉及的作物包括水稻、小麦、玉米、柑橘、苹果、茶叶、蔬菜等多种作物。湖北省稻麦（油）轮作区水稻化肥农药减施增效技术集成与示范课题，即属于长江中下游水稻化肥农药减施增效技术集成研究与示范项目的内容。项目实施5年以来，在技术研发、示范推广方面取得了一定的成绩。

课题以湖北省水稻减肥增效为主要目的，在江汉平原、鄂北岗地和鄂西山地3 个主要稻区，开展了稻麦、稻油、稻田综合种养（虾稻、鸭蛙稻等）等不同轮作模式下的技术研发、集成与试验示范。通过技术研发，凝练了有机肥替代化肥（秸秆还田、沼渣沼液还田、增施有机肥等）、调整化肥结构（平衡施肥、水稻专用复合肥、硅锌协同配施等）、改进施肥技术（侧深施肥、前氮后移、肥水耦合等）等多项技术，组合集成构建了湖北省水稻化肥农药减施增效技术体系。并开展试验示范，通过①优化技术，集成组装；②产品驱动，技物结合；③媒体助力，全面推广；④依托政府，借势发力等多种形式，采取政府主导、科技把关、多方联动、全面推进的方式，开展示范推广。目前全省已示范推广13.3 万hm2，辐射面积56.7 万hm2以上。

3.1 隶属度及评价矩阵R的确定

由于定量指标的边界值较为模糊，难以通过精确的数学公式对其进行转化判断，因此，按照湖北省水稻化肥减施增效技术效果评价要求，结合实际试验示范，开展了针对试验示范区为主的调查问卷，发出调查问卷130 份，包括省级农业科研部门20 份，省级农业推广部门10 份、省级农业教育部门10 份，县市级农业推广部门30 份，县市级种植户（含合作社、家庭农场等）60 份，收到有效问卷123 份。问卷对湖北省水稻化肥减施增效技术效果评价的各个因素采用等级评语的方式进行打分评价。按照上述步骤分别计算各指标的隶属度，并将隶属度汇总得到模糊隶属度评价矩阵R。

将表2 中的模糊隶属度评价矩阵中的量归一化处理，按照与评价体系中一级指标的从属关系归类后，最终得到技术效果B1、经济效果B2、社会效果B3 和环境效果B4 的二级模糊隶属度矩阵，分别为R1、R2、R3、R4。

表2 湖北省水稻化肥减施增效技术效果评价矩阵R

3.2 熵权法确定指标权重

根据熵值算法和上述二级模糊隶属度矩阵R1、R2、R3、R4，可分别求得各指标的熵值与熵权（表3）。

表3 各指标的熵值与熵权

由此可得，二级指标的权重向量分别为：

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 多层次模糊综合评价

3.3.1 一级指标模糊综合评价 根据求得的隶属度矩阵R以及二级指标的权重向量，运用模糊综合评价公式，可计算得到一级指标的综合评价结果。技术效果的评价结果为：

按照隶属度最大原则，技术效果的评价等级为良好。同理，经济效果的评价结果B2=W2×R2=（0.316，0.330，0.268，0.086，0），评价等级为较好。

社 会 效 果 的 评 价 结 果B3 =W3×R3=（0.322，0.354，0.251，0.074，0），评价等级为较好。

环 境 效 果 的 评 价 结 果B4 =W4×R4=（0.307，0.299，0.297，0.097，0），评价等级为很好。

3.3.2 湖北省稻麦轮作区水稻化肥减量综合评价根据二级指标评价结果，组成湖北省稻麦轮作区水稻化肥减量综合评价矩阵R，即：

运用熵权法计算可得一级指标权重向量为W=（0.260，0.245，0.262，0.233）。因此，湖北省稻麦轮作区水稻化肥减量的模糊综合评价矩阵B=W×R=（0.324，0.327，0.267，0.083，0）。由上述综合评价结果可以看出，湖北省稻麦轮作区水稻化肥减量评价等级中，很好占比为32.4%，较好占比为32.7%，一般占比为26.7%，较差占比为8.2%，很差占比为0。按照最大隶属度原则，湖北省稻麦轮作区水稻化肥减量评价结果为较好。

湖北省稻麦轮作区水稻化肥减量基本取得了较好的效果，包括技术方面、经济方面、社会方面和环境方面。其中，技术效果、经济效果、社会效果均评价为较好，环境效果评价为很好。这与湖北省出台《化肥减量增效工作方案》《化肥减施行动方案》《耕地质量保护提升与化肥减量增效工作方案》，以及将化肥减量增效集成技术列入湖北省农业主推技术等具有很大的关联。

4 启示与结论

本研究构建了针对湖北省稻麦轮作区水稻化肥减量效果评价指标体系，并建立了基于熵权理论的模糊层次评价模型。通过实证研究，得出符合实际情况的可信结果，并对最终的评价结果进行分析，实例证明，这种基于熵权模糊综合评价方法可行。

从评价等级来看，很好与较好的占比非常接近，二者相差仅为0.3 个百分点，按照最大隶属度原则，湖北省稻麦轮作区水稻化肥减量评价结果为较好，接近很好。一方面，湖北省稻麦轮作区水稻化肥减量仍然还有提高的空间，包括技术层面、经济效果、社会效果、环境效果等。减施化肥技术上还可以在拓展有机肥源、优化施肥技术与农机配套、肥水耦合等方面进行挖掘；另一方面，目前减施化肥的数量目标为化肥用量减少17%、产量目标为增产3%，表明这一目标是合理的，但在社会推广体系、政府配套政策与激励机制及环境评价要求等方面仍需有更明确的目标。