综合指数法定量评价地膜产品综合效应初探

华利民，刘慧颖，薛颖昊，兰希平，王艺陶，蔡广兴

（1辽宁省农业科学院，沈阳 110161；2农业农村部农业生态与资源保护总站，北京 100125；3辽宁省农业发展服务中心，沈阳 110034）

0 引言

地膜覆盖能够保温、保水、保肥、抑制杂草、延长作物生长期、确保作物增产，已成为农业生产的重要物质资料[1-5]。截至2019年，全国地膜用量达到137.9万t，地膜覆盖种植面积达到1762.8万hm2，约占耕地总面积的12.1%[6]。目前，普遍使用的地膜多为聚乙烯地膜，属于高分子化合物，在自然界中极难降解，随着地膜使用年限、使用量和使用面积的增加，地膜污染已经成为农业绿色发展面临的突出问题[7-9]。

地西泮(diazepam)作为苯二氮卓类抗焦虑药物[1],具有抗焦虑、镇静、催眠、抗惊厥、抗癫痫及中枢性肌肉松弛作用[2]。这可能与其选择性地作用于大脑边缘系统，与中枢苯二氯卓受体结合而促进γ-氨基丁酸(GABA)的释放或突触传递功能有关[3～8]。通过刺激上行性网状激活系统内γ-氨基丁酸受体从而增强对中枢神经系统的抑制性,提高人体脑干网状结构受到刺激后皮质与皮质边缘觉醒反应的阻断性[9]。虽然可以通过肝脏代谢生成奥沙西泮，但是依然具有生物活性，可以在人体内累积，具有一定的危害[10，11]。

2017年，农业部关于印发《农膜回收行动方案》的通知指出，要着力解决农田残膜污染问题，地膜应用目的从“以增产为核心”向“可持续发展的高产、优质、高效和环境友好”转变，地膜应用效果评价也需要向多元的综合评价方式转变，注重其经济性、实用性和生态环境效应。随着地膜产品的不断革新，不同颜色[10-16]、材料[16-19]、厚度[16,20-21]地膜等应用效果的评价，通常以作物产量、降解性能、成本、抑制杂草效果、作用机理、机械性能、土壤地膜残留量等单一或几个指标来评估考核，其中兼顾了产量、成本、土壤温湿度变化机理等较常见[7-22]。王斌等[22]研究认为PBAT型全生物降解地膜在南疆棉花和玉米产量上比PE地膜更具增产效果。而邬强、龚照龙等[23-24]研究表明，生物降解膜的棉花产量比PE地膜的产量有所降低。韩文贺等[25]应用氧化生物双降解地膜有效减少了地膜残留，但仅以地膜残留特征为考核对象。可见不同的地膜产品在不同地区和作物、不同考核指标上的表现是不同的，很难定义哪种产品更优，难以全方位综合确定某地区的适宜推广地膜产品。本研究方法受综合指数法定量评价玉米氮肥施用综合效应启示[26]，采用戒上型隶属函数确定考核指标的隶属度值，采用相关分析法确定考核指标的权重系数，应用综合指数法评价不同地膜应用的综合效应。数据基于半干旱风沙土区花生覆膜3年定位试验结果，选取花生产量、土壤肥力综合养分指数、经济成本、地膜残留量、地膜机械性能综合指数作为考核指标，考核指标的选取代表了本研究主要目的，兼顾评价不同地膜覆膜对花生产量、土壤肥力、投入成本，土壤残膜，上机性能的影响。地膜产品应用效果的参照对比为普通PE地膜，对地膜的抑制杂草等功能视为相同，因此综合效应指标的选取忽略了对抑制杂草等其他功能的考核，是对该方法的初步探讨，还有待于进一步完善。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验布置在辽宁省阜新市细河区桃李村，位于温带半干旱季风大陆性气候区，平均气温7.2℃，有效积温为3298.3℃，无霜期为144天；平均年降雨量为423 mm，年平均蒸发量为1847.6 mm。试验区土壤类型为砂壤土。0～20 cm耕层土壤全氮0.72 g/kg，全磷0.37 g/kg，全钾 23.71 g/kg，有机质 14.80 g/kg，pH 6.7，速效氮66.17 mg/kg，速效磷13.64 mg/kg，速效钾57.78 mg/kg。

1.2 试验地点

采用随机区组设计，4个处理，3次重复，每个试验小区面积为30 m2。处理分别为不覆膜CK、普通地膜PE、全生物可降解地膜T1、光生物双降解地膜T2，供试地膜机械性能及成分见表1。

表1 供试地膜机械性能及成分

花生为珍珠豆型，采取大垄双行机械覆膜种植，垄距90 cm左右，垄高10～12 cm，垄面宽50～60 cm，种植密度27万～30万株/hm2；花生施复合肥（N:P2O5:K2O=15:15:15）375～450 kg/hm2，一次性施入。

1.3 采样及测定方法

土壤全氮用凯氏法，全磷用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法，全钾用氢氧化钠熔融-火焰光度法，有机质用重铬酸钾法，土壤pH用电位法，速效氮用碱解扩散法，速效磷用碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法，速效钾用醋酸铵浸提火焰光度法，拉伸性能测定按GB/T 1040—2006规定进行测试，直角撕裂负荷按QB/T 1130—1991规定进行测试。

1.4 计算方法

1.4.1 土壤养分综合指数SNI土壤养分综合指数SNI（soil nutrient index）计算如式（1）。

（4）成本计算忽略一切同等条件下影响因素，只考虑地膜购买成本和回收成本，建立在辽宁省地膜市场调研的90个地膜产品价格基础上。

1.4.2 地膜成本 地膜成本计算如式（2）。

其中，F代表分值，W代表权重系数，i代表养分指标。养分评价指标包括有机质、有效磷、有效钾、碱解氮。

1.4.3 机械性能综合指数MPI机械性能综合指数MPI（mechanical properties index）计算如式（3）。

其中，F代表分值，W代表权重系数，i代表性能评价指标。评价指标选取材质、厚度、纵向拉伸负荷表征上机性能，横向、纵向直角撕裂负荷表征穿刺性能（一般表征为抗秸秆、草的穿刺性）5个指标。

首先建立各评价指标的隶属函数，对其进行归一化处理，并计算其隶属度值ƒ（x），以此表示各项评价指标的状态值。本研究采用戒上型隶属函数确定指标的隶属度值，即在一定范围内，评价指标有效，而低于或超过此范围，指标变化影响很小，其隶属函数的解析式如式（5）。

权重系数的确定方法有很多种，但为保证评价精度和评价结果的准确性，本试验采用相关分析法确定权重系数Wi，即利用各指标间相关系数来确定权重系数。首先计算单项评价指标之间的相关系数，然后求评价指标之间相关系数的平均值，并以该平均值占所有评价指标相关系数平均值总和的比作为该单项评价指标的权重（表5）。

“长/太息/以掩涕兮，哀/民生/之多艰。余/虽/好修姱/以羁兮，謇/朝谇/而夕替。既/替余/以蕙兮，又/申之/以揽茝。亦/余心/之所善兮，虽/九死/其犹未悔。怨/灵修/之浩荡兮，终/不察/夫民心。众女/嫉余/之蛾眉兮，谣诼/谓余/以善淫。固/时俗/之工巧兮，偭/规矩/而改错。背/绳墨/以追曲兮，竞/周容/以为度。忳/郁邑/余侘傺兮，吾/独/穷困乎/此时也。宁/溘死/以流亡兮，余/不忍/为此态也！鸷/鸟/之不群兮，自/前世/而固然。何/方圜/之能周兮？夫/孰/异道/而相安？屈心/而抑志兮，忍尤/而攘诟。伏/清白/以死直兮，固/前圣/之所厚。

（1）由于本试验为小区试验，质地、坡度等指标没有差异，同时本试验中的各处理pH隶属度值相同，因此pH也不作为评价指标。选取指标与北京市土壤养分评价指标相一致，因此采用北京市土壤养分指标评分权重系数对不同施氮方式的培肥效果进行评价[27]。根据3年覆膜与不覆膜对比定位试验的土壤养分变化及2008年阜蒙地区耕地质量调查评价等级，确定土壤养分指标评分标准。

（2）产量数据计算建立在3年定位试验和该地区覆膜栽培条件下花生产量统计的210个数据基础上。

（3）地膜残留量的计算建立在农业部农业生态环境保护项目“辽宁省全生物可降解地膜对比试验”（2016—2019）和“辽宁省地膜残留国控监测点”（2014—2018）的210个监测数据基础上；鉴于试验地气候、土壤特征，参试降解地膜完全降解周期要超过365天，而残留量测定是在秋收之后，所以降解地膜有一定残留，花生采收过程根系也携带部分残膜，因此地膜残留量较实际残留值低。

稳定流模拟的河道边界条件为1981年最大流量和平均流量，初始条件为河道比降。非稳定流模拟的河道边界条件为1981年至1982年逐月流量，初始条件为河道基流。根据稳定流模拟所得水深和流速情况调整模型几何数据并进行保存。建立非稳定流模型时，运用稳定流模拟中调整过的几何数据再现河道情况。模型所用边界条件和初始条件见表1。

由Simulink仿真得到的图形可以看出原系统的阶跃响应并不理想，其响应的速度慢，而且超调量明显过大，因此要将此系统串联滞后—超前校正来改善其性能指标。

我国的青海、西藏等偏远农村地区适合发展建设微电网。这些地区地广人稀，负荷分散，与主网架联系薄弱，同时又有着丰富的风光等可再生能源资源，且用能形式相对单一。因此，发展微电网不但能够解决这些地区的用电难题，还能够节约电网建设成本，改善人民生活水平[32]。

2 结果与分析

2.1 不同地膜对各项考核指标的影响

3年定位试验的年均经济成本、地膜机械性能指数、年均产量、地膜残留量、土壤肥力综合养分指数的试验结果如表2。

表2 不同处理对各项考核指标的影响

2.2 隶属函数的确定

1.4.4 地膜应用综合效应指数IEI地膜应用综合效应指数IEI（integrated evaluation index）计算如式（4）。

式中，x1和x2分别为隶属函数的转折点，表征指标的低和高2种极端水平状况，取值为各指标背景数据库的上、下限第10%位置的数据指标。函数中的转折点相应取值见表3，土壤养分综合指数、机械性能综合指数已按此方法计算直接取隶属度值[13]。各项指标隶属度值见表4。

（5）机械性能综合指数评价指标数据建立在农业农村部对全国22个可降解膜机械性能测试176个数据基础上，主要因子选取地膜厚度、横向直角撕裂负荷、成分、纵向直角撕裂负荷、纵向拉伸负荷5个主要指标。

表3 隶属函数曲线中转折点的取值

表4 不同地膜的各项指标隶属度值ƒ（x）

2.3 权重系数的确定

其中，F代表分值，W代表权重系数，i代表经济成本、地膜机械性能指数、产量、地膜残留量、土壤肥力综合养分指数5个指标。

表5 各指标间相关系数及其权重系数

2.4 不同地膜应用的综合效应指数法定量评价

由表6可见，地膜机械性能指标、年均产量指标和地膜成本指标表现出相同的规律，即T1>T2>PE，而地膜的残留量和土壤养分综合指数却表现出相反的规律。全生物可降解地膜的产量最高，机械性能最好，地膜残留量最低，但其成本也最高，对土壤肥力的消耗最大；尽管普通PE地膜成本低，但在花生上的增产效果比其他2种降解膜差，而且土壤残留量最大；光生物双降解地膜T2的各种指标都介于全生物可降解地膜和普通PE地膜之间。各项单一指标很难反映地膜产品应用效果的综合性、复杂性，难以推断某个产品综合效果的优劣，无法选择区域推广的地膜产品。而综合了地膜成本、地膜机械性能、产量、地膜残留量、土壤肥力综合养分等诸多因素，应用综合指标法评价不同地膜产品的综合效果显示，全生物可降解地膜应用的综合效应指数为0.991，比普通PE地膜的综合效应指数0.520高出了90.58%，比光生物双降解地膜的0.646高出53.41%。

村里的猫啊狗啊，都有点憨，见了陌生人来也不认生。猫自顾卧着，眯眼打盹。狗三三两两，在街上追逐，其中一只略警觉些，朝来人叫两声，很快又贴上来，一会左，一会右，故意让尾巴蹭着你的腿。

表6 不同地膜应用综合效应指标值

3 结论

本试验初次尝试应用戒上型隶属函数确定考核指标的隶属度值，采用相关分析法确定考核指标的权重系数，综合指数法评价不同地膜应用评价的综合效果，是一种评价方式的初步探讨。利用此方法评价的不同地膜在花生上的应用，对花生产量、土壤培肥、经济成本、地膜机械性能、土壤残留环境等应用综合效应的结果显示，全生物可降解地膜和光生物双降解地膜应用综合效应指标分别比普通PE地膜高出90.58%和24.23%，全生物可降解地膜比光生物双降解地膜综合效应指标高出了53.41%。如果从这3种地膜产品中选择，建议在花生生产中推广应用全生物可降解地膜。

4 讨论

地膜应用效果的评价，更多的研究仅是对一两种考核指标的定量评价，而对该地膜综合效果的评价多采取了模糊定性的方式。赵刚等[28]在旱塬区通过5年定位试验研究全生物降解地膜对冬小麦生长发育的影响，降解地膜较普通地膜的冬小麦产量和水分利用效率分别降低3.43%和5.55%，但全生物可降解地膜可以完全降解，因此得到旱塬区降解地膜可以替代普通聚乙烯地膜，并可用于冬小麦覆土栽培。数学方法的引入可根据量化的考核指标计算出综合效应的综合得分值，使地膜应用效果定量与定性评价结合起来，评价结果更全面、客观、准确[27-29]。

本研究采用戒上型隶属函数确定考核指标的隶属度值，采用相关分析法确定考核指标的权重系数，应用综合指数法评价不同施氮处理方式的综合效应，主要参考了玉米氮肥施用综合效应评价的研究方法[26]。该综合指标值是一个全面反映地膜应用后对作物产量、土壤培肥、覆膜及捡拾地膜产生的经济成本、地膜上机的机械性能、土壤环境等影响效果状况的指标值，因子的选择和因子权重的确定是评价的关键内容，应选择适宜的考核评价指标，合理开发利用综合指数法，全面考虑每一个因子对评价单元的影响，使评价结果更加客观。因为本研究只是该方法对地膜应用综合效果的初步探讨，因此有许多不完备之处，如忽略了地膜抑制杂草而减少了农药施用成本的计算、对花生品质指标的评价、对回收再利用潜力的分析、土壤中邻苯二甲酸酯类（PAEs）增塑剂对土壤的污染差异[30]等考核指标，其方法和指标有待于进一步完善推敲。本例证试验处理较少，结果差异明显。如果此方法应用于较多的试验处理，或者多重管理措施的综合因子的分析，会对试验技术或产品效果的评估更加具有科学性和现实意义。

直播时，待播种7～8天，幼苗相继出土，要及时查苗、补苗，确保全苗。待幼苗8～10片叶时，拔除生长势弱，畸形苗，选留健壮的幼苗，每穴保留2棵苗。

建议进一步研究综合指数法定量评价地膜的应用效果，其定量评价的结果清晰，区域代表性强，简单易行，便于基层农业推广部门快速筛选推广优良的地膜品种；同时该方法可以根据地域特色要求，人为政策调控某个因子的权重系数，满足社会、政治、经济、管理的需要。