基于水—能—粮关联关系的山西省农业种植结构优化调整

张鹏飞，肖梦琳，张兆瑞，戴燕燕，韩顺莉，刘 庚，赵景波

（1.太原师范学院地理科学学院，山西晋中 030619；2.太原师范学院碳中和研究院，山西晋中 030619；3.陕西师范大学地理科学与旅游学院，西安 710119；4.中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061）

0 引言

水安全、能源安全、粮食安全是人类生存和发展的重要保障，但由于气候的变化、人口的快速增长、城市化进程的加快及社会经济的发展，严重威胁着水、能源和粮食的供给安全[1,2]。有研究表明食物生产占全球30%的能源消耗和70%以上的淡水消耗[3]。同时，2015年前后的研究预测，到2030年全球的食物需求增加50%，能源需求增加40%，水需求增加30%[4,5]。这将严重威胁水资源、能源和粮食的安全[6]。因此，人类必须建立基于水资源、能源和粮食的可持续管理模式。

2011年波恩的水—能源—粮食（WEF）纽带关系会议，首次将水资源、能源和粮食3者组成的安全协同关系称为“纽带”（WEF—Nexus）[7]。该纽带的核心在于综合考虑水资源、能源和粮食3者之间的关联关系，通过构建数学模型来模拟不同条件下的配水量、能源消耗量以及可收获的利益，最终得到满足约束条件的最优解[8,9]。

我国人口众多，存在水土资源禀赋短缺的基本矛盾，保障粮食安全具有特殊的战略地位，该矛盾在山西省显得尤为突出。山西省水资源总量居全国省级行政区后三位，人均水资源量为317.9 m³，仅占全国人均水资源量的15.3%，远低于联合国严重缺水界限(500 m³)[10]。山西省粮食产量和种植面积一直处于全国较低水平，虽在近年来提高了科技水平和政策扶持，但2018年的粮食产值和种植面积分别只占到全国的2.1%和2.68%，且全省口粮自给率为92.8%，仍与95%的标准有一定的差距[11]。另外，山西省水资源严重短缺，水土流失面积占全省土地面积的69%，地表水重度污染断面比例为32%。全省11个地市中除太原市外皆为资源型城市。同时山西地处生态环境脆弱区，耕地资源少且极易受到破坏。基于山西省水资源、环境及农业资源等现状，深入剖析山西省农业生产过程中水、能源和粮食的关联关系，研究山西省在粮食生产中的现状与问题，为山西省农业种植结构优化提供理论依据和实践指导。

目前关于水—能源—粮食纽带关系的研究多集中在对全国或流域的水—能—粮关联关系的分析和关联框架的研究，研究方法主要以定量为主[12]。赵良仕等[13]构建了黄河流域地级市水－能源－粮食系统综合评价框架，分析了水－能源－粮食系统耦合协调发展水平及空间关联特征。周露明等[14]基于江苏省2010-2016年的数据，利用生命周期理论与灰色预测模型模拟了2017-2020年各产业部门的水资源、能源和粮食满足度及全社会资源自给率。本文则主要利用水足迹和能源消耗核算模型分析山西省主要农作物的耗水及耗能特点，以水资源、能源、粮食等作为约束条件构建多目标规划模型，对主要农作物的种植结构进行优化，并对未来的种植结构进行规划。

1 研究方法与数据来源

1.1 水足迹核算模型

Hoekstra等[15]在2002年提出了水足迹的概念。水足迹是指生产过程中所消耗的水资源总量，包括蓝水、绿水和灰水足迹[16]。基于虚拟水理论方法的水足迹模型可以真实地反映水资源的需求和消耗情况，为模拟农业用水量提供了一种新方法[17]。对于农作物而言，蓝水足迹指农作物灌溉用水，即作物生长过程中消耗的地表和地下水；绿水足迹指作物吸收的有效降水；灰水足迹指稀释农药化肥等污染物所消耗的水资源量[18-20]。农作物水足迹计算方法具体如下：

式中：WFc为农作物水足迹，m3；WFc-blue为农作物蓝水足迹，m3；WFc-green为农作物绿水足迹，m3；WFc-grey为农作物灰水足迹，m3。

本研究采用联合国粮农组织FAO-56提供的Cropwat模型，利用作物蒸发蒸腾需水量计算农作物的蓝水足迹和绿水足迹，灰水足迹则主要计算作物生长过程中的化肥、农药造成的水资源污染量。具体计算公式如下：

式中：ETc表示单位面积农作物需水量；Kc为作物生长发育期的作物系数，参考FAO推荐的84种作物系数表，FAO推荐了84种作物不同生长环境下的作物系数，结合山西省实际环境及栽培情况，选择最终参数进行计算；ET0为参考作物蒸散量，利用Penman-Monteith公式根据温度、湿度、风速和日照时数计算；Peff表示有效降水量；ETc和Peff利用Cropwat 8.0软件辅助计算；A表示农作物种植面积；n为农作物全生育期天数；d=1，2，…，n；ɑ表示淋溶率，为进入水中的污染量占总化学物质投入量的比重，一般为10%[21]；AF表示单位面积内农作物的化肥施用量；cmax表示最大环境容许污染物浓度，本研究仅考虑氮肥污染，一般氮元素污染上限为10 mg/L[14]；cnat表示污染物的自然本底浓度，一般取0。

1.2 能耗核算模型

农作物的能耗指的是农作物生长过程中所消耗的全部能源消耗量，包括所使用的燃料、电力、农药、化肥和农业机械等投入的所有能源。本文以能量形式进行核算，能源消耗量（ECi）根据各个能源投入量（EIi）乘以相应的能耗系数（Ni）得出[22]：

投入到农业中的各能源及核算计算方法包括燃料、电力、化肥、农药、农用机械和灌溉等。在农业种植过程中，燃料主要包括天然气、汽油、柴油、燃料油等，通过燃烧为农业机械提供动力；在农业中电力则主要用于灌溉；化肥包括氮、磷、钾和复合肥，其中氮肥作为本研究中的主要能源消耗；在对农药核算时直接采用总农药使用量来计算；农业机械和灌溉则包括机械作业和排灌动力能源等。各项能源投入的消耗计算如下：

式中：ECf、ECe、ECp、ECcf分别为农作物单位种植面积的燃料、电力、农药、化肥能耗，kJ/hm2；Cf、Ce、Cp分别为燃料、电力、农药费用；UAcf表示单位面积的化肥用量，kg/hm2；UPf、UPe、UPp分别为燃料、电力、农药的单位价格；Nf、Ne、Np、Ncf分别为燃料、电力、农药、化肥的能耗系数；UAf1、UAf2、UAe1、UAe2、UAp分别为单位面积燃料动力费、机械作业费、排灌费、水费、农药费；b表示燃料动力费在机械作业费中的比重，一般取40%；EC表示农作物能源消耗总量；A为农作物种植面积。

1.3 种植结构优化模型

种植结构优化可以促进资源的优化配置，通过调整作物种植结构以提高粮食生产目标，实现最大目标效益[23]。本文主要利用Lingo构建多目标规划模型，进行种植结构优化分析。

1.3.1 决策变量

决策变量考虑到农业种植结构优化的目标是实现各种农作物种植面积的合理比例与相对最佳生态效益和经济效益[24]，所以以山西省主要农作物的种植面积为决策变量，包括小麦（x1）、玉米（x2）、谷子（x3）、大豆（x4）、油料（x5）、蔬菜（x6）。

1.3.2 目标函数

本研究以经济效益最大化和生态效益最大化为目标，其中生态效益最大化以化肥施用量最小衡量：

式中：F1(x)表示总经济效益，万元；F2(x)表示总化肥施用量；Gi表示第i种作物单位面积收益，元/hm2；Ci表示第i种作物单位面积成本，元/hm2；Ei表示第i种作物单位面积化肥用量，kg/hm2；xi表示第i种作物规划期种植面积，hm2。

1.3.3 约束条件

由于种植结构受国家、社会、自然资源等多方条件约束，因此本研究综合考虑土地、能源、水资源、粮食等因素，设定的约束条件如下。

（1）种植面积约束。由于山西省是以能源和重工业为主的基地，耕地后备资源不足，人地矛盾突出，因此要落实严格的耕地保护制度，加强对耕地特别是基本农田的保护，稳定数量，提高质量。规划期的耕地面积不应小于基准期，各类农作物种植面积之和不应大于规划期耕地总面积[20]（2018年山西省耕地总面积为480.4万hm2）：

（2）水、能源约束。规划期的资源消耗量应不大于基准期的资源消耗量：式中：WFci表示第i种作物规划期水足迹；WFc0表示作物基准期水足迹；ECi表示第i种作物规划期能源消耗量；EC0表示作物基准期能源消耗量。

（3）粮食约束。按照山西省委“四为四高两同步”总体思路和要求，把确保粮食安全作为“三农”工作的首要任务，把稳定粮食生产作为农业供给侧结构性改革的前提。规划期粮食生产总量至少达到粮食生产的最低要求。根据《山西省人民政府关于印发山西省“十四五”农业现代化三大省级战略、十大产业集群培育及巩固拓展脱贫成果规划的通知》，到2025年，粮食综合生产能力稳定在1 365万t以上：

式中：Yi表示第i种作物规划期单产，万t/hm2。

（4）非负性。即：

1.4 数据来源

本文以2015年为基准期，2020年为规划期对山西省种植结构进行规划，同时利用2020年统计数据对规划结果进行验证。基于2020年的验证结果对模型进行优化，并以2020年为基准期，对2025年主要农作物种植结构进行规划。研究数据主要来自于官方文件及统计年鉴等，见表1。

表1 数据来源说明Tab.1 Description of the data source

2 结果与分析

2.1 山西省主要农作物水足迹特征分析

山西省2010-2018年主要农作物单产水足迹计算结果见图1。由图1可知山西省各类主要农作物多年平均单产水足迹存在较大差异，其中大豆的单产水足迹均值达到8 023.7 m3/t，明显高于该区其他农作物，属该区极高耗水作物；谷子和油料的单产水足迹分别为5 343.2 m3/t、5 428.7 m3/t，属该区高耗水作物；小麦单产水足迹为4 332.7 m3/t，属该区中等耗水作物；玉米单产水足迹为1 582.5 m3/t，属该区低耗水作物；蔬菜单产水足迹为337.6 m3/t，显著低于该区其他农作物，属该区极低耗水作物。

图1 2010-2018年山西省主要农作物单产水足迹Fig.1 Water footprint of major crops in Shanxi Province from 2010 to 2018

图2显示了各主要农作物2010-2018年单产水足迹年际变化，结果表明小麦、玉米、油料和蔬菜的单产水足迹年际变化较小，但有异常点出现，大豆也存在异常点。小麦在2013年和油料在2015年，主要是由于2013年小麦和2015年油料的单位面积产量与其他年份相比明显减少，而水消耗总量并没有明显变化。谷子和大豆的单产水足迹年际变化较大且随年份的变化逐渐降低，最大年份是最小年份的2倍以上，主要是由于随着近年来山西省农业现代化进程的加速，谷子种植格局的优化和产业化的形成，提高了谷子的种植水平和生产效率[26]，降低了单产耗水量。而近年来山西省大豆单产上升趋于停滞，与其他作物相比效益低下，种植规模逐年下降[27]。总体来讲，种植规模较大的年份单产水足迹相对较大，且大豆单产较低，这主要是由于这些年份大豆价格的微涨，小农种植的增加，降低了大豆种植的整体水平和生产效率[28]。小麦和玉米是山西省种植面积最大的2种农作物，2010-2018年小麦和玉米年均种植面积分别占耕地总面积的21.2%和56.3%，且玉米种植面积有逐年增加的趋势。就单产水足迹而言，小麦属于中等耗水作物，而玉米属于低耗水作物，但2者的水足迹结构却有明显区别（见图3）。小麦的水足迹构成为蓝水（62.3%）、灰水（26.3%）、绿水（11.4%），表明山西省小麦对灌溉水的依赖程度非常高，给区域水资源合理利用带来较大的压力。这主要由于山西省小麦种植以冬小麦为主，小麦生长需水期与山西省雨季不相匹配。玉米的水足迹构成为蓝水（40.7%）、灰水（40.2%）、绿水（19.1%），表明山西省玉米同样主要依靠灌溉水，但降水对玉米的贡献大于小麦，然而玉米的水足迹中灰水占比较大，接近于蓝水，在严重缺水的山西省而言，玉米种植带来的水资源污染不容忽视。谷子的水足迹构成为蓝水（36.5%）、灰水（41.8%）、绿水（21.7%），大豆的水足迹构成为蓝水（58.0%）、灰水（18.0%）、绿水（24.0%），油料的水足迹构成为蓝水（35.9%）、灰水（38.9%）、绿水（25.2%），蔬菜的水足迹构成为蓝水（44.1%）、灰水（44.9%）、绿水（11.0%）。以上4种农作物水足迹构成结果表明各农作物对灌溉水的依赖程度相对较高，另外谷子、油料和蔬菜带来的水资源污染也相对较严重。

图2 2010-2018年山西省主要农作物单产水足迹年际变化Fig.2 Water footprint interannual variation of major crops in Shanxi Province from 2010 to 2018

图3 2010-2018年山西省主要农作物水足迹结构Fig.3 The water footprint structure of the main crops in Shanxi Province from 2010 to 2018

山西省2010-2018年总水足迹计算结果（见图4）显示，山西省主要农作物年际总水足迹介于307～331亿m3，平均值为315.5亿m3，变化幅度较小。其中小麦和玉米水足迹占据总水足迹的79.3%，是山西省农作物水足迹的主要贡献作物。各主要农作物年际水足迹变化情况来看，玉米和蔬菜的水足迹呈现波动上升的趋势，谷子水足迹年际变化不大，小麦、大豆和油料的水足迹呈现波动下降趋势。所有农作物的变化规律与其种植面积的变化规律大体一致，因此，调整作物的种植规模对区域水资源配置具有重要作用，这个结论与仇蕾等[20]在吉林省的研究结果一致。

图4 2010-2018年山西省主要农作物总水足迹Fig.4 Total water footprint of major crops in Shanxi Province from 2010 to 2018

2.2 山西省主要农作物能源消耗特征分析

山西省2010-2018年主要农作物单产能源消耗计算结果见图5。由图5可知山西省各类主要农作物多年平均单产能源消耗存在较大差异，其中谷子的单产能耗均值达到12.7 GJ/t，明显高于该区其他农作物，是玉米的5倍左右，小麦的2倍以上，属该区极高耗能作物；大豆和油料的单产能耗相差不大，均接近于8.0 GJ/t，属该区高耗能作物；小麦单产能耗为5.96 GJ/t，属该区中等耗能作物；玉米单产水能耗为2.6 GJ/t，属该区低耗能作物；蔬菜单产能耗为0.8 GJ/t，显著低于该区其他农作物，属该区极低耗能作物。

图5 2010-2018年山西省主要农作物单产能耗Fig.5 The yield energy consumption of major crops in Shanxi Province from 2010 to 2018

图6显示了各主要农作物2010-2018年单产能耗年际变化，结果表明小麦的单产能耗的年际变化较小，变化范围为5.29～6.96 GJ/t；玉米、油料和蔬菜的单产能耗在2010-2018年呈现波动上升的趋势；谷子和大豆的单产能耗呈现波动下降的趋势。玉米单产耗能的变化主要是由于具有经济作物的特点，不仅可作为口粮，也可作为饲料用粮、工业用粮。近年来，由于期货市场上国际玉米价格持续走高，带动了农民种植和生产投入的积极性，使得近年来山西省玉米种植面积不断增加[29]，种植规模及生产效率的参差不齐，投入的加大，使得玉米单产能源消耗呈现波动上升趋势。受到玉米种植规模增加的影响，其他作物种植规模在逐年下降，特别是大豆种植面积下降最为明显。与单产水足迹相同，谷子种植格局的优化和产业化的形成，降低了谷子的单产能源消耗。

图6 2010-2018年山西省主要农作物单产能耗年际变化Fig.6 The yield capacity interannual variation of major crops in Shanxi Province from 2010 to 2018

山西省各主要农作物能源结构见图7。能源构成中化肥耗能在各农作物中占比均超过了30%，变化范围在30.4%～46.3%，均值为36.4%。这主要是由于山西省近些年来化肥使用量持续增加且大多数地区过量投入[30]。小麦、玉米、谷子、大豆和油料等大田作物中，柴油和电力的能耗占比也较大，这一方面是由于近年来农业机械化水平的提高，加大了农业生产过程中柴油和电力的使用量；另一方面由于山西省雨季与农作物生长季需水季不相匹配，农作物蓝水需求量普遍较高，农业灌溉对柴油和电力的需求同样很大。以上大田作物中农药的能耗占比最小，变化范围在5.2%～15.6%，均值为10.7%。蔬菜的能源构成与大田作物略有不同，由大到小依次为化肥（33.3%）、电力（31.5%）、农药（20.5%）和柴油（14.7%）。这表明相比于大田作物，山西省蔬菜种植过程中对化肥和农药的依赖性强。

图7 2010-2018年山西省主要农作物单产能耗构成Fig.7 The energy consumption of major crops in Shanxi Province were composed from 2010 to 2018

山西省2010-2018年总能耗计算结果（见图8）显示，山西省主要农作物年际总能耗介于4 064.6～5 682.3万GJ，平均值为5 189.9万GJ，变化趋势为在2010-2014年逐年上升，之后保持稳定。其中小麦（26.0%）和玉米（48.6%）能耗占据总能耗的74.6%，是山西省农作物总能耗的主要贡献作物。另外，2种作物年际能耗变化趋势相反，小麦逐年波动递减，玉米逐年波动递增，且2者总能耗年际变化较小，这表明近年来山西省小麦种植中减少的能耗主要被玉米所消耗。其他农作物能耗由大到小依次为蔬菜（12.9%）、谷子（7.6%）、油料（2.5%）和大豆（2.4%）。年际能耗变化情况来看，蔬菜能耗呈现波动上升的趋势，谷子、大豆和油料能耗呈现波动下降趋势。所有农作物的变化规律与其种植面积的变化规律大体一致。

图8 2010-2018年山西省主要农作物总能耗Fig.8 Total energy consumption of major crops in Shanxi Province from 2010 to 2018

2.3 山西省主要农作物种植结构优化

基于2015年山西省主要农作物种植情况，对2020年进行规划（见表2），结果显示2015年山西省主要农作物种植总面积为308.7万hm2，2020年规划种植面积为299.7万hm2，下降了2.9%。对2020年规划值与实际值比较发现，2者误差较小，表明规划结果较好，符合预期，能够以2020年为基期规划2025年种植结构。以2020年主要农作物实际种植情况规划2025年种植结构（见表3），规划结果表明，规划期2025年山西省主要农作物种植面积及比例均发生一定程度的变化，基准期（2020年）主要农作物种植总面积为289.5万hm2，规划2025年种植面积增加为302万hm2。比较各类农作物的变化幅度，可以发现小麦和谷子变化幅度最大，小麦种植面积增加8.1万hm2，比例上升了1.93个百分点，谷子种植面积减少3.1万hm2，比例下降了1.35个百分点。油料作为高耗水高耗能作物，种植面积减少1.3万hm2，比例下降了0.58个百分点。蔬菜属于极低耗水极低耗能作物，种植面积增加了1.0万hm2，比例上升了0.07个百分点。玉米作为低耗水低耗能作物，种植面积增加了3.9万hm2，比例下降了1.2个百分点。大豆属于高耗水极高耗能作物，种植面积和比例均有所增加。总体而言，优化结果基本符合《山西省“十四五”农业现代化规划》里稳定粮食生产，适当扩大玉米种植面积，并且符合中华人民共和国农业农村部的扩大大豆玉米带状复合种植政策。

表2 山西省2020年主要农作物种植结构规划结果Tab.2 Results of the planting structure planning of major crops in Shanxi Province in 2020

表3 山西省2025年主要农作物种植结构规划结果Tab.3 Results of the planting structure of major crops in Shanxi Province in 2025

3 讨论

3.1 山西省不同耗水与耗能作物分布规律与分布特征

不同区域农作物种植类型及空间分布特征受自然要素和人文经济等要素影响[31]。本研究将山西省分为晋南区（运城市和临汾市）、晋东南区（长治市和晋城市）、晋中区（太原市、晋中市和阳泉市）、吕梁地区（吕梁市）和晋北区（忻州市、朔州市和大同市）。据山西省统计年鉴数据，各地区2010-2018年农作物年均种植面积和比例存在差异（见表4），中耗水中耗能的小麦主要分布于晋南区和晋东南区。这主要是由于山西省的小麦种植主要以冬小麦为主，以上区域气候较适宜，地势平坦，特别是晋南区，大部分地区为一年两熟或两年三熟制[32]，可实施冬小麦与夏粮轮作种植，很大程度上增加了粮食的产量，而山西省的晋中和晋北区及吕梁地区气候条件和地形条件不适合小麦的种植。低耗水低耗能的玉米在山西省各区域种植比例均最大且区域差异小，这主要是由于玉米是一种旱地作物，低耗水低耗能且对温度的敏感程度较其他作物低。另外，相较于其他作物，玉米利于机械化种植，随着现代化的发展，玉米种植对劳动力的需求越来越低。高耗水极高耗能的谷子作为山西省主要种植小杂粮，产量仅次于玉米和小麦，其耐寒、耐贫瘠、抗逆性强，地域优势明显。据研究全省谷子种植适宜区由优到劣依次为，晋东南区、晋南区、晋中区、吕梁地区、晋北区[33]。但在本研究中各区谷子的种植比例与适宜情况不匹配，例如吕梁地区在各区中适宜性排第4，但种植比例排第1。这主要与各区的地形、种植制度、农业人口以及经济发展水平等差异有关。极高耗水高耗能的大豆和高耗水高耗能的油料的种植以吕梁地区占比最高，主要是由于吕梁地区沟壑纵深，山地和半山地占全市面积的92%，约87%的耕地为旱地，中低产农田面积广，不适合大宗农作物种植，农业结构还处于“小、散、弱”状态，农业生产仍以家庭为单位，没有形成规模化，因此农作物种植类型较散[34]。晋中区基于其优越的地形结构、气候条件、便利的交通网及其地方政府的大力扶持，使得露地和设施蔬菜的种植遥遥领先于其他地区[35]。

表4 山西省各区域2010-2018年主要农作物年均种植面积和比例Tab.4 The planting area and proportion of major crops in all regions of Shanxi Province from 2010 to 2018

3.2 地形对山西省不同耗水与耗能作物分布的影响

通过对山西省高程图和耕地图的栅格数据统计，得出各区域耕地中按照海拔高度分级统计结果（见表5）。由表5得知，全省近60%的耕地分布在海拔600～1 200 m，其次是1 200～1 800 m占27.1%，0～600 m占12.7%，海拔1 800 m以上耕地占比较少，仅为0.4%。晋南区近95%的耕地分布在海拔1 200 m以下，其余4区耕地主要分布在海拔600～1 800 m，且越往北高海拔耕地占比越多，特别是晋北区，50%的耕地分布在海拔1 200～1 800 m。根据全球气候的分布特征，纬度升高，海拔升高，气温降低，无霜期变短。另外，参考山西省农业农村厅《2021年粮食作物生产技术指导意见》，山西省主要农作物适宜播种时间按照由南到北（晋南区、晋东南区、晋中区、吕梁地区和晋北区）的次序分别推迟5 d。由以上论述可知，山西省耕地中晋南区海拔0～600 m所分布耕地气候条件最优越，物候期最长，晋北区海拔1 200～1 800 m分布耕地气候条件最差，物候期最短。

表5 山西省各区域耕地海拔分级占比情况%Tab.5 Proportion of cultivated land in Shanxi Province

按照地形分布特征，中耗水中耗能的小麦种植区主要分布于晋南区和晋东南区海拔低于1 200 m的平川和丘陵地带[36]。尽管全省均适合低耗水低耗能的玉米种植，但前人根据不同的气候资源（水平地带性、垂直地带性）把全省分为了4大类型种植区，分别为春播特早熟区（晋北区）、春播早熟区（吕梁地区）、春播中晚熟区（晋中区）和夏播中早熟区（晋东南区和晋南区），各区产量差异较大，晋北区单产最低[37]。高耗水极高耗能的谷子和极高耗水高耗能的大豆在全省均有种植，但由于水热条件的差异，品种和产量差异较大。高耗水高耗能的油料在全省的种植也很广泛，但不同地域主要种植作物差异明显，其中晋北区以胡麻、向日葵和油菜为主，晋中区和吕梁地区以向日葵、花生和芝麻为主，晋南区以油葵和油菜为主，晋东南区以油菜和花生为主[38]。山西省极低耗水极低耗能的蔬菜产业主要分布于地域条件及水热条件较优越的盆地，从北到南有大同盆地（晋北区）、忻定盆地（晋北区）、晋中盆地（晋中区）、上党盆地（晋东南区）和晋南盆地（晋南区）[39]。

4 结论

（1）山西省6种主要农作物中谷子属于高耗水极高耗能，大豆属于极高耗水高耗能，油料属于高耗水高耗能，小麦属于中耗水中耗能，玉米为低耗水低耗能，蔬菜为极低耗水极低耗能作物。

（2）小麦和大豆是典型的蓝水消耗型作物，即种植需要更多的水资源灌溉。谷子是典型的灰水消耗型作物，表明化肥施用量较大，应减小施肥量以控制灰水足迹。玉米、油料和蔬菜是灰水—蓝水消耗型作物。

（3）对于能耗结构，小麦、玉米、谷子、大豆和油料等大田作物的能耗主要是柴油和电力，蔬菜的能耗结构主要以化肥、电力为主。

（4）水足迹能耗变化规律与种植面积变化规律大体一致，因此调整农作物的种植面积是影响区域水资源配置和能源消耗变化的重要因素。优化后的种植结构方案中，玉米、谷子和油料种植比例下降，小麦和大豆种植比例提高，蔬菜变化比例不大，符合山西省“十四五”农业现代化规划，整体方案具有趋于低耗能、低耗水、低污染、耕地规模稳定的特点。

（5）山西省中耗水中耗能的小麦主要种植于晋南区和晋东南区海拔低于1 200 m的平川和丘陵地带，低耗水低耗能的玉米、高耗水极高耗能的谷子、极高耗水高耗能的大豆和高耗水高耗能的油料作物在全域均有种植，但由于水热条件的差异，品种和产量差异较大。极低耗水极低耗能的蔬菜主要分布于地域条件及水热条件相对优越的盆地。