种植业用水结构演变与种植结构调整研究----以石河子垦区为例

王永静，闫周府

(1.石河子大学经济与管理学院，新疆 石河子 832003；2.石河子大学农业现代化研究中心，新疆 石河子 832003)

石河子垦区是我国西北典型的农业灌溉区，是新疆维吾尔自治区农业开发的典范。经过多年的发展，垦区种植结构发生了很大变化，农业形成了具有干旱区特色的种植业格局，逐渐由以粮食作物生产为主的时代转变为以棉花生产为主的时代[1]，种植结构的转变也促使用水问题的产生，水资源供需矛盾日益紧张。因此，本研究根据笔者实地生活经验以及新中国成立以来垦区农业统计数据分析种植业演变情况，并借助信息熵理论来考察垦区种植业用水结构的稳定性及其用水特征，以期为石河子垦区种植业结构调整以及水资源合理开发利用提供有价值的参考。

1 石河子垦区概况

石河子垦区地处天山北麓中段玛纳斯河流域，古尔班通古特大沙漠南缘，位于东经86°04′40″，北纬44°18′12″。垦区东西宽115.2 km，南北长202.3 km，由11个片块组成，地形复杂，自东南向西北倾斜[2]。垦区平均海拔高度在300～500 m之间，属典型的温带大陆性气候。由于远离海洋且周围荒漠较多，石河子垦区干旱少雨，蒸发量大，年平均降水量为180～270 mm。垦区农业生产用水以灌溉为主，灌溉水资源主要取自地表水和地下水，地表水资源为9.9亿m3，主要由天山北坡的降水和冰雪融水汇流而成，以玛纳斯河为主。地下水资源储备8.4亿m3，可开采量为5.4亿m3。受水资源总量的限制，水资源开发潜力有限，水资源利用以内部挖掘作为突破口。垦区现有耕地面积2 510.1 km2，耕地规模的扩大，加重了对流域水资源的开采力度，在入境水量有限的情况下，如何合理分配农业灌溉用水是维护与恢复该垦区生态系统的关键。

2 种植结构演变

新中国成立以来，垦区农作物播种面积由1950年的42.6 km2增加到2014年的2 510.1 km2，耕地面积扩大了近59倍，农作物种植从以粮食生产为主导的时代转向以种植经济作物为主的时代，棉花种植占据了主要地位，到2014年棉花种植比例达到73.4%，远远超过小麦、玉米等粮食作物种植比例。

根据石河子垦区种植业变化特点，其种植结构演变大致可以分为如下5个阶段：

第一阶段，农作物种植规模低水平快速增长阶段(1950-1961年)。在此阶段，总播种面积、粮食作物、经济作物、其他作物播种面积均不断扩大，尤其是小麦种植面积增加幅度最为明显。1961年较之1950年，粮食播种面积增加了1 077.5 km2，棉花播种面积增加143.6 km2。

第二阶段，农作物种植规模稳定协调发展阶段(1962-1978年)。在此阶段，总播种面积在1 520.3 km2上下浮动,作物种植规模基本恒定，变化不大，种植结构比较合理。这期间，小麦、玉米、棉花等作物年均播种面积基本维持在383.1、308.8、172.3 km2，油料、甜菜以及其他作物协调稳定发展。

第三阶段，棉花作物种植规模低水平快速增长阶段(1979-1989年)。在此阶段，总播种面积变化不大，不过种植结构发生了明显的变化。小麦、玉米等粮食作物以及其他作物播种面积开始减少，棉花播种面积开始快速增加。1989年棉花播种面积为350.5 km2，是1979年的两倍之多。10年间，小麦播种面积减少24.4 km2，玉米播种面积减少132.8 km2，其他作物播种面积减少205.9 km2。

第四阶段，棉花作物种植规模高水平快速增长阶段(1990-2007年)。在此阶段，小麦、玉米等粮食作物以及其他作物播种面积继续减少，棉花播种面积急剧增加。到2007年，棉花播种面积增加到1 608.2 km2，种植比例高达89.69%，为史上最高，是1990年的3.5倍，年均增长7.2%。小麦播种面积仅为52.2 km2，是1990年的13.48%；玉米播种面积仅有24.9 km2,是1990年的16.38%；其他作物播种面积减少到45.7 km2，是1990年的14.69%。

第五阶段，种植结构调整新阶段(2008-2014年)。在此期间，棉花种植比例缓慢减少，到2014年为73.43%，不过由于垦区总的播种面积在不断扩大，棉花播种面积依然呈逐年增加趋势。较之2007年，2014年棉花播种面积增加到1 843.1 km2。这期间，小麦、玉米等粮食作物以及其他作物种植比例整体呈下降趋势。为了保障粮食生产安全，2009年种植结构临时调整，粮食种植比例有小幅提升。

综上所述，1950年到1978年，作物种植以粮食作物为主，棉花与其他作物种植面积呈等比例增长，种植结构比较协调。从1978年开始，棉花种植比例开始迅速增加，粮食与其他作物种植比例大幅减少，作物种植转向以棉花为主。2000年以后，种植结构明显倾向于单一种植作物，种植结构失衡(见图1)。种植结构的变化带来农业用水在种植业间的重新分配，用水问题也日趋紧张。

图1 石河子垦区粮食、棉花、其他作物种植比例变化趋势注：资料来源《2015年石河子统计年鉴》。

3 种植业用水结构演变分析

3.1 种植业用水情况

新中国成立以来，石河子垦区种植业规模不断扩大，种植业引水问题日益突出。目前，流域地表水引用超过97%，泉水引用接近100%，地下水的引用也达到了57%，流域水资源可挖掘的潜力非常小。由于来水条件的限制，农业用水基本在14.0亿m3上下浮动，种植业灌溉用水占农业总用水量的90%。垦区当前推行的节水灌溉技术，极大提高了水资源的利用效率，为实现耕地的充分灌溉提供了可能。

3.2 用水结构的变化

通过上文分析可知，单一经济作物规模的持续扩张使得种植结构严重失衡，种植业用水矛盾日益凸显。为了研究方便，下文统一按粮食作物(小麦和玉米)、经济作物(棉花)和其他作物进行用水结构分析。

由图2可知，粮食作物、经济作物、其他作物用水趋势先合后开，农业水资源在粮食、经济、其他作物之间的分配随时间的变化呈“X”型分布。1980年以前，农业水资源主要以粮食作物灌溉为主。在此期间，由于播种面积比较少，农业水资源的开发利用处于原生状态，在满足生产需水的同时，有大量生态富余。1980-1990年，经济作物种植面积开始扩张，其灌溉用水也相应增加，粮食、其他作物用水比例开始下降。在此期间，作物种植结构比较合理，用水比例相对协调，农业水资源在保障灌溉、生态需水条件下略有盈余。1990年以后，经济作物种植面积开始迅速扩张，其灌溉用水开始迅速增加，粮食作物、其他经济作物用水比例急剧减少。其中，2007年，经济作物用水比例达到了91.5%，农业用水严重倾向于经济作物灌溉，单一作物用水对整个垦区的用水结构影响显著。在此期间，农业水资源的利用处于超采状态，由于水资源的总量限制，部分耕地得不到灌溉保障，耕地转出现象严重，部分草场退化，林木死亡率开始上升，甚至有下游防护林死亡率达到了15%，农业水资源的过度开采及其不合理的开发利用已经威胁到垦区的生态平衡。为此，下文通过信息熵理论来观察不同年份农作物用水熵值及其均衡度动态演化情况及其用水结构稳定性。

图2 石河子垦区粮食作物、经济作物、其他作物用水比例变化趋势 注：资料来源：《2002-2014年石河子年鉴》、《2015年石河子统计年鉴》、《玛纳斯河流域水利志》、《新疆维吾尔自治区农业灌溉用水定额指标(试行)》。

3.3 基于信息熵的种植业用水结构演变分析

信息熵(entropy)是信息的基本单位，是一种描述随机变量分散程度的统计量，信息熵越大，表示变量的离散程度越高，对应的系统越混乱。按照信息熵理论构想，若随机变量是离散变量，设x的取值为(x1,x2,…,xn)(n≥2)，每一取值对应的概率为P=(p1,p2,…,pn)，(0≤pi≤1,i=1,2,3,…,n)且∑pi=1，则该离散系统信息熵为：

H(x)=-∑p(x)logp(x)

根据信息熵的定义可知H(x)≥0，由于不同时间尺度，用水户类型有多有少，假设处于极端状态，整个用水系统只有一个用水户，此时H(x)min=0，相反，若存在n个用户，每个用户的用水比例为1/n，即用水系统结构最无序时，H(x)max=ln(n)。实际中，这两种极端情况不会出现，信息熵一般会介于二者之间，即H(x)min≤H(x)≤H(x)max[35]。考虑到不同时间尺度所包含的水资源利用类型不同，针对不同用水户对信息熵的影响，引入均衡度J，即J=H(x)/ln(x)。信息熵H(x)越大，表明系统无序度的增加，系统结构的分配越平均，均衡度J越大表示单一用水类型优势度越弱，系统均衡性越强，系统越稳定[4]。

由图3可以看出，信息熵值总体呈下降趋势。1950-1980年，信息熵值不断上升，信息熵值在1980年达到局部极大值1.05；1980-1990年，信息熵值在1上下浮动，1990年信息熵值达到最大值1.06；1990年到2007年，信息熵值急剧下降，2007年达到最小值0.31，年均下降4.2%；2007年至今，随着种植结构的短暂调整，种植业用水结构得到优化，信息熵值在2009年取得局部极大值0.71，但之后开始下降，近5年信息熵值基本维持在0.57上下。可以看出，整个垦区的用水结构依然有明显的倾斜现象，单一用水类型对整个垦区的用水结构造成了显著影响，种植业用水结构乃至农业用水结构严重失衡。

图3 石河子垦区种植业用水结构信息熵值及均衡度动态演化过程

与此同时，种植业用水均衡度发生很大变化(见图3)，1950-1990年，系统均衡度较高，用水结构比较合理，均衡度在1990年取得最大值0.96，逼近于1，说明系统受单一因素的影响不大，系统结构复杂，各种用水类型综合利用程度高，系统趋于稳定，这与经济作物、粮食作物、其他作物合理的种植结构是相符的；1990-2007年，系统的均衡度开始下降，均衡性逐渐减弱，并在2007年达到最低值0.28，这说明系统单一用水类型的用水优势不断加强，用水比例严重失调，种植业用水倾向明显，种植业用水结构愈发的不合理，而这与垦区种植业用水一致趋向于经济作物是相符的；2007年至今，系统均衡度出现短暂回升，2009年取得局部极大值0.65，这说明垦区的种植业结构调整取得了成效。2009年以后，均衡度基本维持在0.52，说明种植业用水问题依然突出。

信息熵理论对垦区种植业用水结构的分析表明，石河子垦区种植业用水时间变化呈现出不合理的分配现象，经济作物、粮食作物、其他作物的用水时间差异较大，已经影响到了种植业用水平衡。

4 种植结构调整与需水计算

4.1 宜耕土地面积计算

目前垦区种植业灌溉用水比例占农业用水的90%，灌溉用水的综合利用系数为0.70，以当前年均径流量测算，种植业实际灌溉用水量仅有8.82亿m3。按照水利部门给定农作物节水灌溉条件下的平均灌溉定额 4 500 m3/hm2，计算出流域适宜耕地面积见表1。

表1 给定灌溉水利用系数下的宜耕土地面积测算

根据表1计算结果可知，目前垦区实际耕地面积已经超过了最低生态需水条件下的耕地面积，根据多年平均水资源量，宜耕土地面积为1 960 km2，应退耕550.0 km2。按照农田防护林建设满足8%的要求，需要防护林面积为156.8 km2，实际播种面积应该控制在1 803.2 km2以内。从2009年开始，垦区的实际播种面积已经超过这一数值，水土资源超载，承载能力下降。

4.2 垦区主要作物灌溉定额

根据当地试验资料,结合农作物灌溉制度与节灌水平,分别拟定各类农作物田间灌溉定额。见表2。

表2 石河子垦区主要农作物灌溉定额 m3/hm2

数据来源：《新疆维吾尔自治区农业灌溉用水定额指标(试行)》与试验资料。

4.3 粮食种植面积与需水计算

根据李玉平，蔡运龙[5]的区域粮食安全状况测算方法计算出垦区当前的耕地压力为1.68>1，说明粮食供给远远小于需求。石河子垦区现有人口69万，按照人均420 kg的粮食生产安全线进行测算，需要粮食29万t。以2014年的粮食生产水平作为参考，还有141.9万t的粮食缺口，这部分主要通过虚拟水贸易进行补足。由于粮食的可得性、贸易的稳定性以及粮食品质都存在一定风险，为了保证地区粮食生产安全，需要播种粮食作物面积为366.1 km2。实际上，自2000年以来，粮食年均播种面积仅为175.1 km2，远远低于安全线水平。因此，在退耕的同时，宜扩大粮食作物播种面积。按照给定的当前粮食作物灌溉定额 4 700 m3/hm2的标准计算，得到粮食安全水平下的灌溉需水量为1.72亿m3。

4.4 其他作物种植面积与需水计算

当前，垦区其他作物种植比例为7.7%，低于兵团农场规划设计的10%的目标[6]。因此，垦区在推进“减棉，增量”的结构调整过程中，宜扩大其他作物的种植面积。在宜耕土地范围内播种其他作物种植180.3 km2,按照给定的其他作物灌溉定额4 800 m3/hm2的标准计算，其他作物灌溉需水量为0.87亿m3。

4.5 棉花及其他经济作物种植面积与需水计算

根据上文分析结果，垦区宜耕土地面积为1 960 km2，防护林面积156.8 km2，其灌溉需水量0.72亿m3，粮食播种面积为366.1 km2，其他作物播种面积为180.3 km2，经济作物播种面积应控制在1 256.9 km2以内为宜。根据垦区多年种植习惯以及光热资源禀赋，棉花与其他经济作物种植比例设定为92:8，棉花播种面积1 156.4 km2，其他经济作物播种面积为100.6 km2。由表2可知，棉花灌溉定额为4 100 m3/hm2，其灌溉需水量4.74亿m3，其他经济作物灌溉定额为5 050 m3/hm2,其灌溉需水量0.51亿m3。

种植结构调整后，粮食作物、经济作物、其他作物以及防护林累计需水8.56亿m3，在保证农作物充分灌溉的条件下，实现水土资源的合理开发利用，有利于种植业的可持续发展。

5 结 论

石河子垦区农业经过多年的发展，种植结构逐步由以粮食作物为主的种植结构转变为以棉花为主的种植结构，形成了具有干旱区特色的种植业格局。从2009年开始，垦区的实际播种面积已突破1 803.2 km2，超过安全阈值，到2014年，水土资源已严重超载。受种植结构的影响，农业水资源在粮食、经济、其他作物之间的分配随时间的变化呈“X”型分布，种植业用水明显倾向于单一种植作物(棉花)，单一用水类型对整个垦区的用水结构造成了显著地影响。由于来水条件的限制，宜退耕550.0 km2耕地，减少棉花播种面积，扩大207.1 km2的粮食作物播种面积，扩大蔬菜、瓜果、牧草等其他作物的播种比例，加快种植业结构优化调整，以期实现垦区农业健康稳定发展。

根据4.1分析发现，当灌溉水利用系数为0.90时，宜耕面积达到2 520.0 km2。因此，在水资源约束条件下，应推进节水措施，不断从内部挖掘水资源利用潜力，加大农田水利建设力度，修防渗渠道，提高渠系水利用效率，以促进农业生产。

[1] 封 玲,田晓明.玛纳斯河流域农业开发与水资源分配格局的改变及其生态效应[J].中国农史,2006,(1):119-126,133.

[2] 程 钢.石河子垦区农业开发与绿洲生态演变研究[D].新疆石河子：石河子大学,2013.

[3] 王小军,张建云,贺瑞敏,等.区域用水结构演变规律与调控对策研究[J].中国人口.资源与环境,2011,(2):61-65.

[4] 陈秀芬.基于信息熵的厦门市用水结构演变及其驱动力的灰色关联分析[J].水资源与水工程学报,2013,(2):188-191.

[5] 李玉平,蔡运龙.区域耕地-人口-粮食系统动态分析与耕地压力预测----以河北省邢台市为例[J].北京大学学报(自然科学版),2007,(2):230-234.

[6] 范文波,赵建民,何晓华,等.石河子垦区种植业用水构成与种植结构调整[J].灌溉排水学报,2011,(4):91-95.