河村项目区作物节水型种植结构优化

郝建平,王宏富,卢琛琛,王轶锋,王瑞

(山西农业大学 农学院,山西 太谷030801)

水资源紧缺是一个全球性问题,我国北方半干旱地区尤为严重。气候增暖,使得我国北方半干旱地区干旱化的形势更加严峻。降水是旱地农业唯一的水分补给源,而土壤水作为降水入渗后所形成的动态水资源,是作物赖以生存的直接水资源。现有的缺水条件下的增产增收迫切呼唤进行种植结构调整。如何科学调整种植业结构,节约用水,提高水分利用效率,使有限的水资源发挥最大经济效益和生态效益,实现水资源的可持续利用是当前需要解决的一个重大问题[1,2]。关于应用线性规划、多目标规划及灰色系统理论等方法进行种植结构的研究已有不少报道[3～9],这些研究主要围绕粮食需求与高产高效等进行作物结构调整,而关于不同降水年型及节水种植结构的研究还较少[10～14]。河村是国家“十一五”科技支撑计划旱作粮经作物综合节水技术与示范项目区,该文在分析研究河村项目区气候条件、作物需水基础上,利用多目标规划方法研究建立了项目区节水型种植结构,以期为广大旱作区节水高效种植结构优化提供参考。

1 项目区基本情况

河村是阳曲县凌井店乡一个以旱作农业为主产业的行政村,地处北纬 38.0°,东经112.9°,海拔1248.5 m,无霜期140 d左右,昼夜温差大。多年平均降雨约440 mm,年平均气温6.8°C,日蒸发量小。2008年全村总户数210户,总人口995人,劳动力482人(男330人,女152人),其中从事种植业劳动力417人;总耕地面积587.0 hm2,人均耕地近0.6 hm2,其中粮食作物面积346.2 hm2,油料作物面积9.1 hm2,药材2.6 hm2,蔬菜229.1 hm2,完全依靠自然降水从事农业生产,干燥度1.52,是典型的半干旱地区;种植作物中主要有玉米、大豆、马铃薯、谷子、葵花、红芸豆等,甜玉米种植面积居多,达67 hm2;旱地蔬菜作为全村的主导产业发展态势良好,种植面积229 hm2,比2007年(180 hm2)增加49 hm2,主要种植有甘蓝、菜豆、萝卜、西红柿等等,其中甘蓝147 hm2,单产52 500 kg·hm-2,菜豆 65 hm2,单产 22 500 kg·hm-2。

2 项目区降水与分布

河村项目区目前尚缺常年气象要素资料。根据三维(经度、纬度及海拔)与气象要素的内在相关关系,利用河村周边(阳曲、盂县、太原、寿阳、平定、阳泉、榆次、和顺、忻州、定襄、五台)11个气象站点1979～2008年30年的气象资料,采用多项式逐步回归方法,建立了气温、降水等气象要素(Y)与经度(X1)、纬度(X2)和海拔(X3)的三元二次回归模型,回归模型达到信度0.0001～0.01极显著水平,相关系数在0.9000以上。

由图1降水量的年际变化演变趋势可知,从1979～1988年,年平均降水量为 439.8mm;从1989～1998年,年平均降水量为436.4mm;从1999～2008年,年平均降水量为419.1mm。以上数据说明,本区降水量呈现逐年减少的趋势。

图1 河村1979～2008年降水量变化Fig.1 The annual precipitation trend during 1979～2008

根据1979～2008年降水统计资料,采用PIII(皮尔逊III型分布)法划分丰水年(25%)、平水年(50%)和干旱年(75%)三种降水年型,不同降水年型的各月降水量如表1。河村30年年平均降水量为431.8 mm,丰水年降水量为555.1 mm,平水年为437.9 mm,干旱年为318.5 mm,各年间降水量变化幅度大,属半干旱地区。历年降水主要集中在每年的5～9月份,期间多年平均占全年降水量的 84.7%;尤其以 6 、7、8 月为最多,达 62.2%,此期间降水比例与降水年型相关性较高。以上分析说明河村年降水量相当集中,年内分配不均。

表1 不同年型各月平均降水量及其比例Table 1 The monthly average precipitation and ratio in different years

3 项目区主要作物需水量分析

作物需水量是指生长在大面积上的、无病虫危害的作物,土壤水分和肥力条件适宜时,在给定的生长环境中能取得高产潜力的情况下,为满足植株蒸腾、棵间蒸发和组成植株体的水量之和。组成植株体的水量一般小于总需水量的0.2%,通常将其忽略,只考虑作物蒸腾和棵间蒸发。

3.1 作物蒸发蒸腾量(ET0)

根据我国各学者的研究,联合国粮农组织推荐的Penman公式在我国各地有较好的适用性,根据河村1979～2008年的相关气象资料,采用Penman公式计算河村各月各作物的最大蒸腾蒸发量。表2为1979～2008年河村各月气温平均值及应用Penman公式得出的每月各日ET0平均值(mm)。

表2 1979～2008年河村各月气温及ET 0Table2 1979～2008 in the monthly temperature and ET 0 in He Village

3.2 作物系数(Kc)

作物系数(Kc)是计算作物需水量必要的参数,主要受土壤、气候、作物生长状况和栽培管理方式等诸多因素影响,根据FAO灌溉与排水分册-56推荐的单值分段平均作物系数法,结合河村实际情况,不同作物的Kc值如表3。

表3 河村不同作物生育期内Kc值Table 3 Kc value of different crops during the growing in He Village

3.3 作物需水量(ETm)

根据公式ETm=Kc·ET0计算河村各种作物多年平均逐月需水量,即最大蒸散量(表4)。

3.4 主要作物水分生态适应性评价

作物需水与自然降水的耦合度,是指单位时间(一个月或一个生育期)内,自然降水对作物需水的满足程度,它是从时间维度上衡量自然降水对作物需水的满足率的指标。

表4 作物生育期内多年平均需水量/mmTable4 Average water requirement during whole growth stages/mm

由表5可知,由于项目区作物生育期内气温较低,蒸发不强,丰水年和平水年降水基本能满足作物需要。谷子的适应性最好,其次为红芸豆、红小豆和玉米,适应性较差的为甘蓝、菜豆和马铃薯。春玉米生育期较长,因而其需水量相对较大。春玉米整个生育期间雨热同季,不同降水年型下需水与自然降水耦合度分别为0.86、0.82和0.57,降水量基本能满足其需水要求,水分生态适应性除干旱年外较好。但由于不同降水年型下降水时间并不均匀,因此,存在个别月份自然降水与作物需水耦合度较差,但整体看在降水较多的月份所补注的地下水基本可以满足春玉米的需水要求。马铃薯由于春季降水少,适应性较差,需要采取措施储好地里墒才能保证马铃薯前期需水。甘蓝和菜豆等蔬菜需水量较大,平水年和干旱年需要补灌才能保证其需要。

表5 作物需水与自然降水耦合度分析Table 5 Crop water requirement and natural rainfall coupling degree analysis

4 项目区节水型种植结构优化调整

针对河村项目区降水资源与种植结构现状,遵循“市场导向、资源依托、环境友好、科技支撑、动态优化”等原则,以培育“节水型、高效益”的新型种植业体系为目标,利用多目标线性规划方法,对河村的种植业结构在不同降水年型下进行优化调整。

4.1 目标变量的确定

以河村近年来主要农作物的年种植面积,考虑到粮、豆、菜的比例,共设7个决策变量,分别为玉米(X1)、谷子(X2)、马铃薯(X3)、红芸豆(X4)、红小豆(X5)、甘蓝(X6)和菜豆(X7)。

4.2 目标函数

①总产值目标:

式中v j为第j种作物单位面积产值,x j为第j种作物最优种植面积。

②水分利用效益:指单位面积单位耗水量的产值(元·hm-2·mm-1)。

式中vj为第j种作物单位面积产值;ETaj为第j种作物全生育期耗水量。分别计算作物各自的水分利用效益,再以种植面积为权重,加权平均计算全部作物的水分利用效益。

4.3 约束条件的确定

根据多目标规划原理,原始数学模型是一组决策变量x j的约束条件,节水型种植结构优化方案是在满足一定约束条件下实现的。根据河村资源禀赋和种植业生产现状,建立以下约束条件:

4.3.1 耕地资源约束

①耕地总面积约束:保持耕地总量动态平衡,扣除面积较小的药材、荞麦等,耕地面积控制在现在水平550 hm2。该地为一年一熟制,所以约束为:

②每种作物面积约束:为保证生态环境的良性发展和轮作的要求,玉米的轮作周期应不少于2年,谷子、马铃薯、红芸豆、红小豆、甘蓝、菜豆的轮作周期应不少于3年;根据当地饮食习惯及耕地现状,谷子、马铃薯、红芸豆、红小豆的种植应保证一定的种植面积,即:

4.3.2 作物需水与降水协调程度约束

在旱作区,水资源是主要的约束条件之一,只有建立与当地水资源相匹配的种植结构,才能保证农业的可持续发展。

式中Oj为不同降水年型第j种作物的水分耦合度;b、b′为不同降水年型水分耦合度约束下、上限。

4.3.3 种植业总产值约束

式中v j为第j种作物单位面积产值,xj为第j种作物最优种植面积,为规划期末种植业总产值目标。

4.3.4 各决策变量的非负约束

4.4 优化结果与分析

多目标规划数学模型可经过标准化转化为向量极小值问题,并通过改进型单纯形法求解。但这种算法产生的有效点常常很多,使决策者应用起来不便,比较简单实用的处理方法是加权求和算法,即把多目标函数以固定权数求和转变成单目标函数求解。在此采用加权求和算法来求解以上的多目标规划模型。设第一、二个目标函数的权重分别为50%、50%,则多目标规划模型的目标函数转化为:Max 50%f1(x)+50%f2(x)。

表6表明,丰水年,大力发展甘蓝、菜豆等蔬菜作物和玉米,其比例大幅度加大,经济效益和水分利用效益最高,但耐旱作物谷子面积较小;平水年,几种作物平衡发展,且经济效益和水分利用效益都较高;干旱年,谷子、小杂豆大面积发展,玉米也有一定面积,即在现有的基础上增加粮豆作物种植面积,压减蔬菜种植面积,但经济效益和水分利用效益最低。

综合分析,作为一个村级单位的河村,受市场影响较大,在农业生产的社会效益、经济效益、生态效益三者的重要性方面,可以首先考虑经济效益而弱化社会效益。但从农牧结合、农业的可持续发展方面考虑,应在节水的同时稳定玉米的播种面积,所以应以平水年方案为基础(经济效益和水分利用效益都较高),在种植业内部适当调整不同作物种植比例,适量增加低耗水作物(谷子、小杂豆)面积,并采取选用耐旱作物品种、增施有机肥、合理轮作倒茬等农业技术措施,提高有限水资源的利用率。

表6 河村种植业结构优化结果/hm2Table6 Optimum consequence of planting structure in He Village/hm2

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