石家庄市农业种植结构变化对水资源和能源利用的影响

王岳光，黄银洲，宋丹

（兰州大学资源环境学院，甘肃兰州730000）

石家庄市农业种植结构变化对水资源和能源利用的影响

王岳光，黄银洲，宋丹

（兰州大学资源环境学院，甘肃兰州730000）

为研究农业种植结构对水能利用的影响，以实现粮食增产、农民增收、农业节水节能的协调发展，对石家庄各县（市）2002年、2007年、2012年的农业种植结构以及农业用水和用能量的变化情况进行分析。结果表明：（1）石家庄市农业耗水大县主要集中在东部及东南部；西部及西南部的县（市）耗水量较少，同时农业能耗量呈现出与水耗量变化的相对一致性，这主要受西部地区地形所限，可耕地面积少，农业种植结构中除夏玉米、冬小麦外，谷子等低耗水的传统农作物仍较多，经济作物种植面积远小于东部县市；（2）2002～2012年石家庄各县（市）农业水能利用量变化表现出一定差异：其中，藁城、辛集、赞皇、平山、行唐、赵县、深泽、元氏、新乐和鹿泉10个县（市）呈现出水能变化的一致性；其余7县（市）及市区仍存在着水能变化不一致的现象。这主要是由各地的自然条件及其对农业种植结构的调整造成的。

农业种植结构；耗水量；耗能量

水循环、碳能循环、农业生产和气候变化紧密联系[1]，水资源和能源是区域经济发展的重要要素[2，3]，石家庄市地处河北省中南部，北纬37°27＇～38°47’、东经113°30＇～115°20＇，地势西高东低，平原面积约占全市总面积的50%，是华北平原农业生产的重点地区。该地区作为河北省的粮食主产区，粮食以小麦、玉米为主，种植面积约37.7万hm2，蔬菜种植面积约15.8万hm2，油料作物（以花生为主）种植面积约6.1万hm2，棉花种植面积约1.1万hm2。年均降水量529.4 mm，人均水资源仅270 m3，水资源相对匮乏，水能矛盾突出，如何通过农业产业结构调整缓解水能矛盾，具有重要的生产指导意义。作者对近年来该地区农业种植结构与水耗、能耗的变化情况进行了分析，旨在通过研究农业种植结构变化与水能利用的关系，为实现粮食增产-农民增收-节水节能的农业发展模式提供理论基础。

1　材料与方法

1.1数据来源

基于徐建辉等[8]对农作物生产过程中的农业投入量机械、电力、柴油、化肥、农药、地膜和灌溉系统等的能源利用量进行计算。根据Guzman等[10]的研究结果，电力在生产和传输过程中的损耗约70%，即用于灌溉的1 kW·h耗电量约相当于12.1×106J。基于此，本研究将能源分为直接能源利用量和间接能源利用量。本研究中的直接能源主要包括农业液态燃料（柴油、煤油、汽油、燃料油）和电力，由于柴油占全部农业液态燃料投入的88.29%，且其他燃料数据难以获取，农业液态燃料仅对柴油进行分析；电力消耗主要指火电（80%）和水电（20%）[11]。在农业投入中人力和畜力所占比重较小且能源不消耗，因此忽略不计。间接能源利用量指各项农业生产投入的“载能量”[10]，包括农药（杀虫剂）、化肥（氮肥、磷肥、钾肥和复合肥）、地膜、农业机械和灌溉系统的投入，以及这些产品的制造、包装和运输等过程所需的能耗[11]。其中，水资源数据来源于河北省水利厅（2002、2007、2012年）；柴油、肥料、农药、地膜的利用量等数据均来源于《石家庄市统计年鉴》（2002、2007、2012年）；电力、农业机械的使用量等数据均来源于《全国农产品成本收益资料汇编》；能耗系数来源于《农业经济技术手册》；高密度聚乙烯购物袋的生命周期相关数据来源于《国家统计局标准》和《炼油厂能量消耗计算方法》，1 kg购物袋的能耗系数1 449.64，天然物中水能耗系数3.01。

1.2能耗计算方法

农业投入量的能耗计算模型：

式中，EUt：能源总能耗（t/hm2）；t：时间（2002～2012年）；Q1t：柴油的使用量（t/hm2）；N1、N2、N3和Nj分别表示柴油、电、农药和化肥（氮肥、磷肥、钾肥和复合肥）的能耗系数；p2t：排灌用电价（元/kW·h），p3t：农药价格（元/kg）；f1、f2、f3分别表示单位面积排灌费（元/hm2）、水费（元/hm2）和农药费（元/hm2）；Mi：单位产值能耗（tce/万元）；C1：租赁作业费（元/ hm2），C2：机械作业费（元/hm2），C3：排灌费（元/ hm2），C4：工具材料费（元/hm2），C5：修理维护费（元/hm2），C0：排灌费中用于水费的支出（元/hm2）。

2　结果与分析

2.12002耀2012年石家庄地区种植结构变化

石家庄地区属温带大陆性半湿润半干旱气候区，西部太行山中段面积约占全市总面积的50%，东部为滹沱河冲积平原，是河北省的粮棉主产区。粮食作物以小麦、玉米为主，谷子、薯类次之，杂粮为辅，种植面积约37.7万hm2，下辖各县均有分布，市区分布较少；油料作物以花生为主，种植面积约6.1万hm2，主要分布在南部和北部地区；棉花种植面积约1.1万hm2，主要分布在东部的辛集市，占总种植区域的1/2以上；蔬菜种植面积约15.8万hm2，主要分布在藁城、栾城和鹿泉等地；瓜类以西瓜为主，种植面积约0.98hm2，主要分布在新乐和赵县等地。

从2002～2012年石家庄各县区农业种植结构的变化情况（表1）来看：石家庄市辖区以夏玉米、冬小麦种植为主，二者种植面积基本持平且波动较小。周边县市基本以冬小麦、夏玉米及蔬菜种植为主，比重略有不同。其中，平山、井陉、灵寿、赞皇、行唐、深泽等远离市区的县除玉米、小麦种植较多外，马铃薯和蔬菜种植也渐成规模：10 a间西部各县区种植作物始终以夏玉米、冬小麦为主，马铃薯或蔬菜种植面积较小且略有波动。藁城、正定、栾城、鹿泉等市区县及晋州、辛集、赵县、无极等东部县区主要种植作物以小麦、玉米及蔬菜为主，且蔬菜面积远大于其他地区，种植面积多在1万hm2以上，是石家庄市名副其实的蔬菜主产区，其中藁城蔬菜种植面积最大，种植面积仅次于冬小麦。整体来看，这些地区3种作物种植面积变化不大，呈现出无规律的小幅波动，传统作物呈逐年减少趋势。

2.2各地区农业的水资源利用量

2.1.1不同县域间农业水资源利用石家庄地区各县域耗水量差异较大，东部低平原区农业耗水量较大，主要集中在藁城、辛集和赵县等地；西部山麓平原区耗水量相对较小，以赞皇、井陉、平山等县为代表。2012年与2002年各县域耗水量相比，石家庄市辖区和赞皇基本保持不变，高邑、晋州、行唐和鹿泉耗水量均有不同程度的升高，其他县域均有明显下降趋势，且耗水量最高县域（藁城）与最低县域（赞皇）相差约5倍（图1），造成这一现象的主要原因为藁城作为农业生产大县，作物种植面积约是赞皇县的4倍，且常年以高耗水型的粮食作物（冬小麦）、大棚蔬菜种植为主，约占农业种植面积的64.8%（表1），且Xu等[13]研究表明，蔬菜和冬小麦的耗水量远高于玉米和其他作物，是造成藁城农业耗水量远高于赞皇的重要原因。

2.1.2不同年份水资源利用情况2002年、2007年、2012年石家庄地区水资源利用分别呈“∩”型、“∪”型和持续下降发展趋势（图1）。

表1　2002年、2007年、2012年石家庄地区主要作物的种植面积（hm2）Table1　The planting area of main crops in Shijiazhuang City in 2002，2007 and 2012

图1　2002年、2007年、2012年石家庄县域农业耗水量情况Fig.1　Water consumptions on all counties of Shijiazhuang City in 2002，2007 and 2012

（1）“∩”型发展趋势。石家庄市辖区、栾城、赞皇、高邑、无极、辛集和藁城的农业耗水量呈先增长后降低的变化趋势。藁城作为农业生产大县，主要耗水作物有蔬菜、冬小麦和夏玉米，2002～2012年该地区3种主要耗水作物的种植面积呈现先增长后降低的小幅度变化趋势，而种植结构同时发生了明显的变化，2007年冬小麦和夏玉米种植面积分别增加8 570 hm2和3 474 hm2，2012年蔬菜和玉米种植面积分别增加了1 486 hm2和1 734 hm2，而小麦种植面积减少5 183 hm2；因此，农业种植结构的变化是导致藁城农业耗水量变化的最重要因素。

（2）“∪”型。鹿泉、新乐、灵寿、正定、晋州、平山、行唐等县（市）农业耗水量呈“∪”字型。其中2002年正定主要耗水作物小麦和夏玉米的种植面积约占63.1%；2007年增至66.7%，但是由于水果和花生种植面积大幅度下降，该年耗水量总体下降。2012年夏玉米和蔬菜种植面积增幅分别达到22.5%和7.2%，致使农业耗水量又有所回升。

表2　1990耀2000年河北平原区农作物单位面积地下水利用量Table2　Groundwater used by crops in the Hebei plain in 1990-2000

（3）持续下降发展趋势。深泽、元氏、赵县、井陉及矿区等县（市）农业耗水量呈持续下降趋势。2002年赵县农业种植以冬小麦和夏玉米为主，传统作物和其他经济作物同时占有一定的比重，但2007年和2012年的数据显示其传统作物高粱和大豆、马铃薯等面积急剧减少，这是导致其耗水量下降的主要原因。

综上所述，石家庄各县（市）资源禀赋、农业种植产业结构的不同，导致各地区的农业耗水量差异明显。各县（市）在农业产业结构调整过程中，一方面应充分考虑经济效益最大化，另一方面还应考虑当地的资源禀赋，发展适合当地的低水耗高产出的粮食作物，以实现单方水产出的最大化，应对农业缺水问题。

2.1.3种植结构调整与水资源利用情况之间的关系

农业种植结构的变化，往往与市场环境、国家相关政策紧密相关，对农业水资源利用量也会产生直接影响。通过上述分析可以发现：一方面，在种植结构调整过程中，单纯通过种植高产量、高收益的粮食或经济作物以取代传统作物的做法，可能会增加对淡水资源的需求，如通过扩大冬小麦及夏玉米的种植面积来替代谷子、高粱，虽大幅增加了粮食产量，养活了更多的人口，但单位面积作物需水量会增加2～4倍；同理，蔬菜种植取代其他作物的做法亦是如此；另一方面，由于市场价格的波动，农民通过种植收益更高的作物取代短时盈利较低作物的做法也可能会减少单位面积作物的用水需求，例如通过扩大玉米种植替代部分马铃薯的做法可使单位面积需水量降低约16.5%。

综上所述，种植结构调整与水资源利用量存在着一定的正向相关联系。即：以低耗水量作物替代高耗水量作物可降低农业用水量。

2.2农作物生产的能源投入量

总体而言，石家庄各县（市）的能源投入量自东向西呈梯次递减的发展趋势，各县域不同年份农业能耗量与水能耗变化趋势基本一致。其中，石家庄东部地区农业耗能量最大，2012年辛集、藁城、赵县、正定、行唐、晋州及新乐等县（市）的能耗均在＞20万MWh；市辖区以及西南等县（市）耗能量最小，2012年深泽、高邑、灵寿等县及石家庄市辖区能耗均＜10万MWh；两者相差达4～5倍；其余县（市）2012年农业能耗量处于10万～20万MWh。区域间能耗变化差异较大，2002～2012年除灵寿县呈现连续下降变化，其余各县（市）呈现出不同的变化趋势：（1）连续增长式：以晋州、无极、高邑、栾城、井陉以及市辖区为代表；（2）“∩”型。以行唐、深泽、正定、赞皇、平山、元氏、赵县、藁城、辛集、新乐及鹿泉等县（市）为代表。究其原因，主要受农业种植结构变化而导致的化肥、农药等投入量、机械化作业面积变化的影响。具体表现在：部分县（市）如藁城、赵县、辛集等地由于冬小麦或蔬菜种植面积存在着较大的年际变化，导致其化肥使用量、农业总能耗呈同步变化的现象；根据张玲敏等人的调研，河北省轮作小麦玉米化肥养分在分配上存在“重冬轻夏”现象，氮磷钾素分别有63.7%、85.3%、76.9%投在冬小麦上，而蔬菜生产对化肥的需求远大于其他作物[14]，这也说明冬小麦或蔬菜种植面积对化肥使用量存在着较大影响。同时，部分县（市）农业能耗不断增加，如晋州、无极等地作物种植结构变化不大，主要受农业机械作业面积扩大、灌溉面积增加、化肥投入量加大等因素的影响；市区近年大棚蔬菜种植发展较快，带动其能耗的增加；平山、井陉以经济作物替代杂粮种植也增加了化学物质的使用。综合来看，不同县（市）由于农业发展条件不同，导致其能耗变化的主要因素差异也较大。通过对石家庄市各县（市）农业生产中的耗水量及耗能量的定量分析发现，农业水能消耗量变化呈现出2种截然不同的模式：一方面，藁城、辛集、赞皇、平山、行唐、赵县、深泽、元氏、新乐及鹿泉等10县（市）呈现出水能变化的一致性，如耗水量大的辛集、藁城等县（市）除耗能量大外，水能变化趋势均呈“∩”字，这说明2市在调整农业种植结构、增加经济效益的同时，实现了粮食-水资源-能源的协调发展；另一方面，其他7个县（市）及市辖区仍存在着水能变化不一致的现象，如井陉及矿区，2002～2012年其农业耗水量呈连续下降趋势，而耗能量却呈逐年增加态势，这主要是由于当地在农业种植结构调整过程中对种植作物选择上的差异及地形条件导致的。玉米及蔬菜种植面积不断扩大，其农业用水和化学物质（以农药、化肥为主）的投入不断增加，同时井陉多山地、丘陵的地貌形态也不利于机械化作业的展开，导致耕种和收割更多的依靠人力，水利设施的逐步完善在使远距离引水灌溉成为可能[15～17]的同时加大了电耗，这些因素都客观上推动了农业能耗的增加。

图2　2002年、2007年、2012年石家庄县域农业耗能量情况Fig.2　Energy consumptions on all counties of Shijiazhuang City in 2002，2007 and 2012

3.3水能关系

有学者认为，海河流域不仅是我国人口最为稠密的地区，同时由于粮食安全保障任务的需要，单纯通过种植结构调整实现节水的难度较大。石家庄市地处海河流域，长期以来，节水一直是促进农业健康发展的重要举措，2002～2012年农业节水取得很大进展，农业用水总量（含农、林、牧、渔）由2002年的26.795 6亿m3下降到2012年的22.886 9亿m3，降幅14.59%；同期，粮食总产量由2002年的4 564 927 t上涨到2012年的5 320 951 t，增幅16.56%。从粮食构成来看，夏玉米贡献最大，2012年较2002年增幅33.39%；冬小麦产量次之，增幅16.06%。在保障粮食安全的前提下，通过适当调整农业结构，发展适合当地的低耗水、高产出、高经济效益的粮食作物（如玉米），进而实现单方水产出的最大化以缓解农业缺水问题是可行的。与此同时，要真正解决农业缺水问题，除节水外，更重要的是调整当地的供水结构，将主要依靠地表水、地下水开采为主的供水结构向更加依靠跨区域调水和非常规水源利用，减少地下水使用量的供水结构过渡。一方面，可以解决用水短缺的问题，缓解因地下水超采而造成的生态与环境问题，如北京加大外调水在供水总量中的比重减少了对地下水的开采；另一方面，可以应对农民选择高效益、高耗水作物种植所出现的用水量增加的现象，如藁城、赵县蔬菜产业的发展带来水耗的增加。

通过良好的农业政策管理，适当的氮肥投入量，不仅可以增加灌溉农业产量及净能源产出，同时还能有效降低温室气体排放强度值，使粮食增产与农业温室气体减排良性发展。从石家庄农业生产的能耗变化趋势可以看出，通过农业种植制度的不断调整，低水耗高经济效益的作物不但保障了农业的稳产增收，而且还降低了能耗量。以夏玉米为例，其单位面积耗水量不及冬小麦的一半，但其单产却远高于冬小麦；同时，玉米收获季节较长也减少了机械作业面积，在一定程度上减少了燃油的使用量，降低了农业能耗[17]。我国人口的持续增长，人们生活水平提高带来的饮食结构的变化（从低能量食物到高能量食物）都给粮食安全带来了挑战。我国农业需要消耗越来越多的资源以保证供给，在构建节水节能的农业发展模式的同时，必须保证农业效益和农民的自主权。通过前人大量研究以及我们的工作可以发现，尽管某些作物属低耗水、低耗能的作物，但其产量较低；农民在决定种植作物的同时并非以节能节水为参照，而倾向于作物种植所带来的效益最大化和风险最小，这也就解释了为何玉米和大棚蔬菜种植面积在大多数县（市）增加明显。

4　结论与讨论

通过对石家庄各县（市）农业耗水量进行定量分析发现，农业耗水大县主要集中在石家庄东部及东南部，以藁城、辛集、赵县等地最具典型性，主要作物有粮食作物（夏玉米、冬小麦）和经济作物（蔬菜）；以赞皇、井陉及矿区、元氏等地为代表的石家庄西部及西南部耗水量最少，由于受资源禀赋限制，谷子等低耗水的传统农作物种植面积较大。同时，从各年份农业耗水量变化情况看，各县（市）呈现出不同的变化趋势。辛集、藁城等11县（市）耗水量总体呈下降趋势；鹿泉、新乐、晋州等7县（市）耗水量呈先降后升的上升趋势，分析后发现，农业种植结构是影响农业耗水量的重要因素。

通过对农业耗能量的定量分析发现，各县（市）的农业能耗量与水耗量变化相对一致，石家庄东部地区农业耗能量最大，市区以及西南等县（市）耗能量最小。2002～2012年各县域农业耗能量变化差异较大，藁城、辛集、赞皇、平山、行唐、赵县、深泽、元氏、新乐及鹿泉等10县（市）水能变化的一致性，呈“∩”字；其余7县（市）及市区仍存在着水能变化不一致的现象，如井陉及矿区，2002～2012年其农业耗水量呈连续下降趋势，而耗能量却呈逐年增加态势。这主要是由各地的自然条件及其对农业种植结构的调整造成的。当前，随着我国人口的持续增长及居民饮食结构的变化，粮食安全问题会更加突出，这就要求农业节水节能必须在保障粮食稳产增产的前提下进行，应在尊重农民自主性的基础上进行政策引导，着重发展适合当地的低投入高收益的农作物。

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Effect of Changes in Agricultural Planting Structure on Water and Energy Use in Shijiazhuang City

WANG Yue-guang，HUANG Yin-zhou，SONG Dan
（College of Earth&Environmental Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China）

The changes of agricultural planting structure，agricultural water and energy use in each county of Shijiazhuang City in 2002，2007，2012 were analyzed to study the impact of agricultural planting structure on water and energy use，in order to achieve the coordinated development of grain increase，income of farmers increase and agricultural water and energy saving.The results showed that the counties which consume larger amount of water are mainly located in the east and southeast，and other counties with less water consumption are located in the west and southwest of Shijiazhuang City.Meanwhile，agricultural energy consumption showed relatively consistent with the change in water consumption，which is mainly due to terrain constraints of western region，the small amount of arable land，agricultural planting structure in addition to maize，wheat，millet and other low water use of traditional crops still more，cash crops is far less than the eastern counties.Agricultural energy consumption changes from all counties of Shijiazhuang showed considerable differences，among them，Gaocheng，Xinji，Zanhuang，Pingshan，Xingtang，Zhaoxian，Shenze，Yuanshi，Xinle and Luquan showed the consistency of the water and energy change.The remaining seven counties had the inconsistencies between water and energy.This is mainly due to the natural conditions of different counties and the adjustment of agricultural planting structure.

Agricultural planting structure；Water use；Energy use

F323.214

A

1008-1631（2016）05-0098-06

2015-11-06

国家自然科学基金项目（41101187）；博士后面上基金项目（2012M512051）

王岳光（1991-），男，河北石家庄人，硕士研究生，主要从事水资源与能源的相关性研究。E-mail：Wangyg14@lzu. edu.cn。