基于AHP-熵权法的全生物降解地膜综合效益评价

余奋霞 ,  李虹 ,  马俊花 ,  贺婧

中国农业大学学报 ›› 2025, Vol. 30 ›› Issue (2) : 176 -188.

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中国农业大学学报 ›› 2025, Vol. 30 ›› Issue (2) : 176 -188. DOI: 10.11841/j.issn.1007-4333.2025.02.16

基于AHP-熵权法的全生物降解地膜综合效益评价

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Evaluation of the comprehensive benefit of biodegradable mulch based on AHP-entropy weight method

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摘要

为解决全生物降解地膜(BioDegradable Mulch,BDM)能否在宁夏银北灌区代替普通聚乙烯(PolyEthylene,PE)地膜以解决“白色污染”问题和实现土壤资源的可持续利用,以种植西红柿为例,在该地区设置2种BDM(F和X)、普通PE地膜(PE)、未覆膜(CK)共4种处理,开展了2年田间定位试验,采用主观赋权法即层次分析法,辅以客观赋权法即熵权法,并结合3大效益(经济效益、技术效益和生态效益)共9个指标对BDM的综合效益及敏感性进行分析。结果表明:综合效益指数表现为F最高,X次之,然后是PE,最低为CK。其中,F、X分别比PE高出38.72%、6.48%,比CK高出122.65%、70.91%;敏感性分析表明,与PE相比,BDM的最大敏感因子为西红柿产量与地膜分解率。综上,在宁夏银北灌区生产中推广应用BDM的可行性高,可以使用BDM代替普通PE地膜。

Abstract

In order to solve the problem of "white pollution" and realize the sustainable utilization of soil resources, the BioDegradable Mulch (BDM) could replace PolyEthylene (PE) plastic film in the north of Yinchuan City, Ningxia Province? Two kinds of BDM (F and X), common PE plastic film (PE) and non-mulching (CK) were set up in this area, and the field positioning experiment was carried out for 2 years. The comprehensive benefit and sensitivity of BDM were analyzed by using subjective weighting method (analytic hierarchy process), supplemented by objective weighting method (entropy weight), and combining with 9 indexes of three major benefits (economic benefit, technical benefit and ecological benefit). The results show that the comprehensive benefit index of F is the highest, followed by X, followed by PE, and the lowest is CK. Among them, F and X are 38.72% and 6.48% higher than PE, and 122.65% and 70.91% higher than CK respectively. Sensitivity analysis shows that compared with PE, the biggest sensitive factors of BDM are tomato yield and plastic film decomposition rate. To sum up, it is feasible to popularize and apply BDM in the production of the Yellow River diversion Irrigation District in the north of Yinchuan City, Ningxia Province, and BDM can be used instead of ordinary PE film.

Graphical abstract

关键词

AHP-熵权法 / 全生物降解地膜 / 综合效益 / 敏感性分析 / 田间试验

Key words

AHP-entropy weight / BDM / comprehensive benefit / sensitivity analysis / field trial

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余奋霞,李虹,马俊花,贺婧. 基于AHP-熵权法的全生物降解地膜综合效益评价[J]. 中国农业大学学报, 2025, 30(2): 176-188 DOI:10.11841/j.issn.1007-4333.2025.02.16

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地膜覆盖措施有利于土壤保水、土壤温度调节和杂草控制,从而有效提高作物产量和水分利用效率[1]。地膜覆盖技术自1974年被引进我国后,得到广泛应用,2017年我国地膜使用量约占世界总量的70%[2],成为全球最大的地膜使用国[3]。目前在我国使用的地膜的主要成分为聚乙烯(PolyEthylene,PE),其具有异常稳定的分子结构,在表层土壤中降解期高达数百年[4],残膜遗留在土壤中对土壤环境及作物产生“白色污染”[5],降低土壤透气性和蓄水性[6],阻碍作物根系发育和养分吸收等[7]。研究表明当残留薄膜超过240 kg/hm2,作物产量减少11.3%以上[8]。随着地膜产品的革新,全生物降解地膜(BioDegradable Mulch,BDM)因可被生物降解,成为替代传统地膜最有希望的地膜[9]。汪敏等[10]选取PBAT/秸秆基全生物降解地膜为研究对象,同时设立PE地膜组和不覆膜组进行对比,将其应用于江苏地区番茄生产。结果表明,全生物降解地膜在降解过程中微观结构与形貌、力学强度的变化特性在120 d覆膜期内物理化学性质发生一系列变化,逐步发生了降解,而PE地膜均没有明显变化;经济效益中全生物降解地膜的成本偏高,而PE地膜的回收成本高昂;综合效益表现为前者优于后者。此外,汪敏等[11]通过新材料开发的JAAS全生物降解地膜在成本、植株长势和生态效益3方面综合得出其优于PE地膜,可以进一步推广应用。生产中,对于全生物降解地膜的应用,不应仅依据其降解特性,还应结合其综合效益,如经济效益、技术效益和生态效益,进行全面和综合的效益评价,才能为全生物降解地膜的大面积推广提供科学的理论依据。
在综合效益评价过程中,评价指标是评价体系构建的基础,指标权重的确定是综合评价的关键环节[12],综合评价方法是获得评价结果的重要手段。目前综合评价的赋权分为主观赋权法、客观赋权法以及主客观相结合的赋权法[13]。主观赋权法主要有层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)、德尔菲法[14]、模糊评价法[15]等。AHP[16]是目前应用广泛的主观赋权法,由Saaty[17]提出,用于计算评价指标体系的权重,被广泛应用于分析、管理和评价领域[18]。客观赋权法主要有主成分分析法[19]、因子分析法[20]、熵权法[21]、灰色关系分析法[22]、模糊综合评价法[12]以及变异系数法[23]等。熵权法作为客观赋权法之一,通过计算指标的信息熵,并利用指标的差异程度来衡量已知数据中包含的有效信息和指标权重[24]。熵权法因其方便性而常被用于快速估计目标的风险活动,特别是用于农业经济和环境的多目标综合分析[25]。主观赋权法操作简单,主观随意性较强;客观赋权法主要利用试验实测数据,客观性强,但是如果过度依赖则易脱离实际。主客观结合赋权法则是将2种赋权方法相结合,能够克服单一赋权法各自的缺点,可以减少主观赋权法的主观随意性,提高客观赋权法的适用性,使得权重结果更准确可靠[13]。
目前,针对BDM降解问题进行综合评价的方法分别有:AHP和熵权法[13,26]、熵权-逼近理想解排序方法[27]、主成分分析法[28]、DNDC模型和TOPSIS法[29]、综合指标法[30-31]、AHP和灰色关联度法[32]、AHP和模糊评价法[33]。研究结果表明BDM代替普通PE地膜的可行性较高。因此,鉴于BDM综合效益属于评价领域,非常适合采用AHP方法进行分析,而熵权法可以减少主观因素的影响[34]。本研究拟以西红柿为研究对象,选取了2种BDM(F和X),以普通PE地膜(PE)和未覆膜裸地(CK)为对照,在宁夏回族自治区平罗县开展西红柿生产覆膜试验,分析其在不同地膜覆盖下,西红柿的产量、经济收入、地膜残留率、分解率等指标的变化,并基于AHP-熵权法,综合经济效益、技术效益和生态效益模型对BDM开展应用效应综合评价,以期为其大面积推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

田间试验在宁夏回族自治区石嘴山市平罗县盈丰植保专业合作社进行,研究区位于105°57′42″~106°58′02″ E和38°36′18″~39°51′13″ N。属于大陆性气候,日照时数3 072 h,年平均气温8.8 ℃,温差大,年平均降水量184 mm,年均蒸发量1 775 mm,蒸发强烈,无霜期为171 d。在2022年、2023年共2个试验年内的采样期间,日均温为20 ℃,除2022年覆膜第90天时14:00—18:00为小雨,降水量为10~15 mm外,其余采样时降水量均为0 mm,天气均为晴或多云。该地区地势平坦,土壤肥沃,耕作层深厚,土壤施有粪肥及颗粒有机肥做基肥,土壤肥力良好。

1.2 试验设计

试验设4个处理:2种PBAT/PLA(聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯/聚乳酸)型BDM,分别是F(弗润德力新材料(宁夏)股份有限公司,中国)、X(兰州鑫银环橡塑制品有限公司,中国);1种普通PE地膜——PE(弗润德力新材料(宁夏)股份有限公司,中国)和未覆膜的对照CK。3种地膜膜宽均为1.4 m,厚度0.010 mm,白色半透明。F、X地膜的主要成分均为PBAT和PLA。采用单因素随机区组设计,每个处理为1个试验小区,每个试验小区为15.0 m×7.5 m,设3次重复,共12个试验小区。供试蔬菜品种为西红柿丰收128(Solanum lycopersicum L.)。每年春季4月下旬进行人工覆膜,覆膜前,铺设滴灌带,喷洒除草剂仲丁灵,以抑制杂草。生长期间由合作社进行常规的水肥管理。

1.3 采样及测定方法

春季铺膜后每10 d 采样1次。采用曲管地温计在每个试验小区于8:00、14:00和18:00测定0~5、5~10、10~15和15~20 cm土层的土壤温度。每10 d一次在试验小区表层0~20 cm及深层20~40 cm土层采集土壤样品。采用铝盒烘干法测定土壤含水率。温度和含水率共采集11次。同时在覆膜前及生长季结束后采集各试验小区表层的土样,进行土壤养分特点(有机质、全氮、全磷、速效钾)及pH的测定[31]。

避开最边行,2022年、2023年分别在每个试验小区随机选择10株长势均匀的植株,自西红柿成熟起,定期采摘、称重,计算单株西红柿结果数、平均单果重,最终获得西红柿产量(kg/hm2)。在未覆膜前裁取3块40 cm×30 cm各处理的新膜,用万分之一天平称重后取平均值,作为基准值(A0)。从铺膜至生育期结束,每隔30 d在各小区内随机用中间镂空、大小为40 cm×30 cm的木框放置在地膜表面,沿木框裁取地膜1块,在室内用超声波清洗仪漂洗30 min后用蒸馏水洗干净,然后在室内自然风干。用万分之一天平称重漂洗后地膜的重量(A1),计算地表覆膜失重率。秋季西红柿采摘后,采用弹齿式收膜机收取PE地膜后深翻,BDM不回收,直接翻压入田。翻田整地后,在每个小区随机选取3个1 m×1 m的样地,收集深层土壤F、X、PE的残膜后带回试验室,用超声波清洗仪清洗30 min,晾干后称取碎片总重量,计算地膜残留量。同时,为了更进一步了解BDM的降解性能,在2022年春季铺设、秋季机器深翻入地下后,设置不再覆膜处理,直至2023年10月21日,采用同样方法回收残膜,计算F、X的分解率。

2 构建综合效益评估模型

2.1 综合评价体系的构建及指标测定

综合评价体系从上到下分为目标层A、标准层B和评价要素具体指标的方案层C 3个层次[19]。为了指标体系的准确合理性,参考文献[31]和[33]及多次向农用地膜领域专家、宁夏回族自治区生态环境厅领导等征询意见以确定关键要素。在综合考虑、分析和筛选后,确定各层级的指标,详见表1。

2.2 基于AHP模型的指标权重确定

2.2.1 构造判断矩阵

基于综合评价体系的构建及指标测定,构造判断矩阵。先进行同一层次2个方案的两两比较,再将同一层次中的两方案对于上一层次因素影响的重要性比较出来,最后根据比较的结果构造出各层次两两比较的判断矩阵[32],具体公式如下:

A=(aij)m×n

式中:i=1,2,3;j=1,2,3;m=n=3。

并且在判定矩阵中,各元素具有以下特征:aij> 0;aij =1/aji;aii =1。

在比较时为实现数据的科学量化,通常采用9标度法来进行[35]。

2.2.2 确定指标的主观权重WAHP

运用专家打分法,收集宁夏大学、生态环境厅、农业农村厅、平罗县农业机械化综合服务中心等25位相关领域专家的调查问卷,构造出判断矩阵后,采用Bo等[32]、张志成等[36]的方法对数据进行处理,符合一致性检后得出方案层C的主观权重Wbi 和标准层B的主观权重Wpj。最后得出AHP法的综合权重W综合[37],具体计算公式如下:

W综合=Wbi×Wpj

最后在单排序的基础上进行综合排序[19]。

2.3 基于熵权法的指标权重确定

2.3.1 指标归一化

因为指标量纲和数量级存在差异[26],首先采用极差法对各指标数据进行无量纲化[37]。

正向指标 Xij* = (Xij-Xijmin) / (Xij max-Xij min) 

(i=1,2,3;j=1,2,3)

负向指标 Xij* = (Xij max-Xij) / (Xij max-Xij min)

(i=1,2,3;j=1,2,3) 

式中:Xij 为第i行第j列指标的实际值;Xij max为第j列指标的最大值;Xij min为第j列指标的最小值;Xij *为Xij 标准化之后的评价值[37]。

其次,指标数据平移。由于计算熵值时有取对数步骤,因此将指标数据作加0.001处理,避免出现所求对数无意义的情况[26],得出C层的9个归一化值Vij。

方案层指标Xij 的比重的公式为:

Xij =Xij* / ∑Xij*

2.3.2 计算指标的客观权重W熵权法

计算C层指标的熵权ej、变异系数gj 、权重W熵权法[27]。

ej =-1/lnn ∑(Xij × ln Xij*) (0≤ej≤1)
gj = 1-ej
W熵权法C = gj /∑gj 
F= ∑W×V

依据式(9)将已得出的C层的9个客观权重W熵权法C,再分别乘以归一化后对应的9个指标值得出客观评价值FC,再运用式(3)~(9)归一化后得出B层的3个归一化值Vi 和对应的客观权重W熵权法B。

2.4 基于AHP-熵权法确定指标的组合权重Wij

将主观权重(层次分析法)和客观权重(熵权法)2种评价方法进行效益权重相乘后确定组合权重Wij[24,34]:

Wij =(∏WAHP×W熵权法) / (∑∏WAHP×W熵权法)

然后根据式(10)得出C1层中的综合评价值为Vij ×W熵权法C,同理得出C2和C3的评价值,求和即为B1层经济效益指数FB1,用同样方法求得技术效益指数FB2和生态效益指数FB3。

最后根据式(11)计算地膜的综合效益指数(Integrated Evaluation Index,IEI)[31]。具体计算公式如下:

IEI = ∑FB×Wij

2.5 对方案层指标进行敏感性分析

对比多标准决策分析中的各种敏感性分析方法[38],本研究选择单因素敏感性分析[39],研究某个指标改变对总目标的影响程度。敏感度系数的计算公式如下:

β = △A /△F

式中:β为评价指标A对于不确定因素F的敏感度系数;△A为不确定因素F发生△F变化率时,评价指标A的相应变化率,%;△F为不确定因素F的变化率,%[40]。通常考察不确定因素的变动比例在10%时对项目效益指标的影响,对β取绝对值以估计项目效益指标对它们的敏感程度,进而确定关键的敏感因素[41]。本研究根据式(12)得出方案层中的9个敏感度系数的因子分别为β1~β9。

3 结果与分析

3.1 三大效益指标归一化后的数值Vij

运用式(3)和式(4)和数据平移处理,得到各处理的归一化值Vij 结果见表2。可见:在2个试验年内,CK由于不覆膜使得负向指标地膜单位投入值、地表覆膜失重率和地膜残留率均最高,PE最低。西红柿产量最高的处理分别为F、X;覆膜增收值最高的处理为F,土壤养分特点及pH最高的处理为X,表明这几个指标中BDM处理均高于PE和CK处理。而PE处理由于其优于其他处理的增温保墒性能而表现为归一化值最高。此外,CK在增温保墒性能几乎为0,表现为归一化值最低。

3.2 三大效益指标的组合权重Wij

评价指标体系各层次判断矩阵的一致性检验结果见表3。λmax指的是最大特征根,CI是一致性指数,CR是随机一致性比率。一致性指数CI与随机一致性比率CR均<0.1表明一致性较好且数值越小越好。可见:表3数据均满足一致性检验且检验较好。

AHP主观赋权法的主观权重WAHP 见表4。可见:综合权重中地膜分解率指标所占比例较大;其次是保墒性能;最后是地膜残留率。

熵权法的客观权重W熵权法 见表5。可见:2022年的经济、技术和生态效益的W熵权法分别为0.732 8、0.746 8和0.738 3;2023年对应客观权重较2022年有所降低但降低幅度较小。表明试验在连续2年内数据较好,重复性较好。

AHP-熵权法的组合权重Wij 见表6。可见:2022年的经济、技术和生态效益的Wij 分别为0.363 8、0.281 1和0.321 1;2023年对应Wij 依次为0.390 9、0.334 9和0.307 2。表明2年内Wij 差异较小,重复性好。

3.3 综合效益指数IEI

4种覆膜处理的综合效益指数IEI结果见图1。可见:在2个试验年内,除生态效益指数略有不同外,其余各效益指数排序相同,与年份无关,故取平均值作为讨论的IEI。IEI最高的是F,其次是X,最低是PE。

3.4 关键影响因素

为了更进一步研究某个指标对综合效益的影响,对BDM综合效益进行敏感性分析,结果见图2。由图2(a)可见:对比F与PE,最大敏感度系数的因子分别为β6与β5、β6、β9,即影响F、PE的IEI变化程度最高的因子是地膜分解率与地膜残留率、地膜分解率、土壤养分特点及pH;F和PE这2种地膜的最大敏感因子均有地膜分解率这个指标,当其变化10%时,F的IEI的变化率△A为2.693%,且远低于PE的变化率(24.726%),表明较PE地膜,F的综合效益在实际应用中更易控制。由图2(b)可见:对比X与PE,最大敏感度系数分别为β2与β5、β6、β9,即影响X、PE的IEI变化程度最高的因子是西红柿产量与地膜残留率、地膜分解率、土壤养分特点及pH;当西红柿产量变化10%时,X的综合效益变化率为24.899%,表明较PE地膜,X的综合效益受西红柿产量的影响较大,而受地膜残留率、地膜分解率、土壤养分特点及pH这3个因子的影响程度相似且远小于PE地膜。

4 讨 论

研究发现,3种覆膜处理的IEI均高于CK,即覆膜处理具有一定的应用效果。此外,虽然不是所有类型BDM的IEI都高于PE,但若选择合适的BDM(如F),则能显著提高作物产量,同时应用效果显著优于PE,若选择X,则能极大的改善土壤养分特点及pH。此外,权重比值越大说明评价指标越重要[36]。在这三大效益中,经济效益所占比例略高于技术效益和生态效益,表明了在实际生产生活中,农民采取农业管理措施的决定性因素往往是经济效益[42]。

首先,从经济效益角度看:与CK处理相比,3种覆膜处理均可以满足作物增产的要求,这与Liu等[43]研究一致;BDM与普通PE地膜(PE)和未覆膜(CK)相比,X的经济效益指数均低于PE和CK,这与Sun等[44]、Qin等[8]研究结果一致。究其原因可能是X膜用量高(约12 kg/hm2)且价格贵(32 元/kg),使得X的地膜单位投入值较F、PE分别提高了24%、65%,而X覆盖下西红柿产量又相对较低,因而导致其经济效益指数低。相反,F的经济效益指数均高于PE、CK,主要原因是F膜虽然价格较高(32 元/kg)但其用量(约7 kg/hm2)与PE(约6.5 kg/hm2)相差不多,且其增产效果较好,能显著提高西红柿产量[45-46],而使得其经济效益指数高于PE和CK。

其次,从技术效益角度,总的来看表现为 BDM > CK > PE。原因可能是PE不能降解,失重率低、残留率高、短期内分解率接近为0,使得技术效益指数反而低于CK。3种覆膜处理的技术效益指数以F最高,X其次,PE最低,这与Yin等[47]研究一致。可能原因如下:一方面是X在覆膜时的开裂程度较高,导致在西红柿生育期间出现大面积裂洞,增温保墒效果差。有研究结果表明在半湿润干旱气候地区覆膜时,降解速率适中的BDM可以高效改善土壤环境[47]。而F覆膜时的降解速率适中,技术效益最高;另一方面是F在光照、机械穿插、水分等作用下,其分解速率较低,残留在土壤中的地膜碎片或质量较多,F的残留率(22.9%)较X(10.91%)高。然而,经过一年土壤中微生物的分解作用,F的分解率(87.82%)反而远远高于X(41.61%),表明F在地表光照作用下分解较慢,埋入土壤中,在微生物作用下,残膜转化为CO2和H2O的速率反而较高,降解趋势明显。

最后,与农民考虑因素不同,政府在解决能否全面推广BDM问题的决定因素往往是考虑生态效益。因此关注地膜的生态效益是必要的,更是重中之重。生态效益指数表现为 X > PE > F > CK。与CK相比,3种覆膜处理的增温保墒性能均较高[48],主要原因是从覆膜到6月21日覆膜处理的增温效果差异明显,但从6月21日到生长期结束,宁夏银北灌区大气温度大幅上升,温度不再是限制西红柿生长的主要因素,随着BDM的降解,地膜表面出现大面积的裂洞,表明地膜的增温性能基本结束[49],其作用逐渐转变为保墒性能和抑制杂草的功能。同时,由于残膜引起土壤表层的有机质、速效钾减少[50],会改变土壤特性,阻碍土壤水分渗透,影响土壤吸水,导致土壤二次盐渍化,限制根系发育和地上作物的生长[43]。在覆膜种类方面,BDM与PE相比,生态效益指数表现为PE高BDM低。可能原因是随着BDM开裂程度的增加,增温效果降低[51],因膜被撕裂使得其失去原有的覆盖功能,导致抗穿刺性、机械拉伸性、耐久性、疏水性不足[52],且对水蒸气的阻隔效果弱于PE[53]。最后,从综合效益角度来看,BDM的IEI优于PE,这与Chen等[25]研究一致。综合效益最低的是CK未覆膜对照组,这也与Jia等[54]和Zhao等[55]研究一致。

综上,在银北灌区连续2年的试验结果表明,BDM可代替PE在农业中广泛使用。这与刘群[48]、王斌等[56]、苏海英等[57]、向午燕等[58]的研究结果相吻合。此外,敏感性分析表明,BDM的最大敏感因子与PE地膜不同,主要与地膜种类的特性有关。BDM残留物对根际细菌群落和挥发性化合物的排放有显著影响[59],且土壤微生物生物量C和N、酶活性和微生物群落多样性与塑料薄膜残留物呈正相关[3]。BDM残膜停留在土壤中引起土壤孔隙度和空气循环的变化,改变了土壤微生物群落动态和土壤酶活性[3],还会通过改变土壤结构和特性,抑制作物根系的水平和垂直分布,干扰作物对水分和养分的吸收[60]。此外,其最终分解产物被植物吸收从根部运输到枝条[61],再通过消化道危害人体及动物健康。

5 结论与建议

为解决全生物降解地膜能否代替普通PE地膜以解决“白色污染”问题和实现土壤资源的可持续利用,本研究以种植西红柿为例,运用AHP-熵权法确定权重探究全生物降解地膜在宁夏银北灌区应用的综合效果。主要结论如下:

1)基于AHP─熵权法对全生物降解地膜进行综合效益评价,IEI表现为F(0.607 5)>X(0.466 3)>PE(0.437 9)>CK(0.272 8),其中F、X分别较PE高出38.72%、6.48%,较CK高出122.65%、70.91%。因此在宁夏银北灌区可以使用全生物降解地膜代替普通PE地膜以解决“白色污染”问题和实现土壤资源的可持续利用;

2)与普通PE地膜相比,全生物降解地膜的主要影响因子为西红柿产量与地膜分解率,需重点关注。

综上,虽然在所有处理中全生物降解地膜的IEI表现为最优,但其过高的价格,大大增加了农民的前期投入成本,降低了农民的使用意愿。因此,建议降低全生物降解地膜的生产成本以消除其推广瓶颈。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42277466)

宁夏自然科学基金项目(2023AAC02028)

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