摘 要:针对黄河用水紧张与作物安全生产之间的矛盾,并考虑黄河流域降水量年际变化较大的情况,以黄河下游河口区为研究对象,以可供灌溉水资源量作为刚性约束,选取作物经济效益、综合水分生产率、生态效益为研究目标,基于信息熵理论和模糊优选理论构建多目标优化模型(E-FOS-MOP),探究河口区现状年作物在不同降水保证率(50%、75%、95%) 下的最优种植结构。结果表明:不同保证率下优化结果均是以粮食作物为主的“粮-经”二元结构,降水量的变化对当地作物种植结构优化结果影响较大,优化后可满足河口区粮食生产需求。50%、75%保证率下,对优化前后粮食总产量、经济效益、水分生产率、生态效益、农业用水量进行了对比分析,表明优化后的种植结构不仅减少了灌溉用水量,而且各项指标均有很大提升,特别是蔬菜、瓜果经济作物,显著提高河口区种植业的综合效益;95%保证率下,随着地表水资源的限制和农田灌溉需求的增加,模型在选择综合效益好的作物时受到抑制,导致各项指标比优化前有所降低。
关键词:降水保证率;多目标优化模型;种植结构优化;河口区;黄河下游
中图分类号:S127;S274 文献标志码:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2024.12.019
引用格式:毕春宁,孙斌,薛建春,等.水资源约束下的黄河下游河口区作物种植结构优化研究[J].人民黄河,2024,46(12):117-122.
0 引言
黄河下游豫鲁地区引黄灌区有效灌溉面积约213.3 万hm2,近年来年均引黄水量近90 亿m3,其中农业用水量占下游总用水量的80%以上[1] 。黄河下游引黄灌区经过70 多年的发展,已经成为我国重要的商品粮食、棉花和油料生产基地,为鲁豫地区的供水安全和粮食生产作出了重大贡献。随着区域工业化和城镇化进程加快,用水量急剧增长,农业用水份额受到挤占,加之黄河水资源费用低廉、水资源利用效率低等问题加重了农业水资源供需矛盾。2021 年,习近平总书记在深入推动黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上再次强调全面贯彻“四水四定”原则[2] ,通过水资源刚性约束抑制不合理用水现象,提高水资源的利用效率和产出效果[3] 。在严格控制用水总量的制度下,水资源供给量减少将进一步限制作物灌溉能力、威胁粮食安全生产,调整作物种植结构已成为缓解用水短缺和保障下游引黄灌区农业可持续发展的重要手段。
早期的调整作物种植结构研究主要以经济增益或粮食产量增大为目标建立单一目标规划模型,随着可持续发展观念的普及,由单纯追求产量或经济效益转向多目标模式受到越来越多学者的关注[4] ,王璐等[5]以经济效益、生态效益、节水效益为目标,构建基于遗传算法(NSGA-Ⅱ)的作物种植结构多目标调整模型;王禹植等[6] 基于模糊集理论结合鲁棒规划建立农业水资源多目标配置模型,探究了玛纳斯河灌区水资源约束下的最优种植结构;Wu 等[7] 建立净收益、高产量和低耗水的多目标优化模型,实现了小浪底南岸灌区作物种植结构优化。然而,关于黄河下游区域的种植结构研究欠缺,曹丹等[8] 虽然计算了黄河下游垦利区主要作物的需水量并提出作物种植结构优化的建议,但未对作物面积优化展开深入研究。黄河流域降水年际变化大,下游水量在不同季节和年份之间存在较大波动,存在明显的丰、枯水年交替现象,目前水资源总量控制的农业种植结构调整优化研究多是以作物灌溉定额为目标函数或用水约束条件,以此构建多目标优化模型进而生成优化方案[9-11] ,相关研究很少考虑降水保证率的变化对作物种植结构优化的影响,研究结果不具备完全实践性。本文以黄河下游河口区为研究对象,把可供水资源量作为最大的刚性约束,基于多目标优化模型探究不同降水保证率下河口区最优的种植结构,以期为当地种植结构优化决策和农业可持续发展规划提供重要依据。
1 研究区概况
黄河下游河口区位于山东省东营市的最北端,地处渤海之滨,介于37°45′—38°10′N、118°10′—119°05′E,属于暖温带大陆性季风气候,多年平均气温13.6 ℃、降水量为557.3 mm(最大年降水量为1 037.5 mm、最小年降水量为213.5 mm),降水量不仅年际变化大,而且年内分配不均,75%的年降水量集中在汛期6—9 月。河口区地处黄泛平原渤海之滨,在成陆过程中,受黄河泥沙淤淀及海水侵蚀,深层土壤为含盐度很高的重盐土,致使地下水矿化度高(平均矿化度24.63 g/ L),地下水很难利用。当地客水资源主要为黄河水,全区目前有2 处引黄灌区,其中:大型引黄灌区1 处,为王庄灌区,设计灌溉面积6.53 万hm2(其中河口区2.07 万hm2 );中型引黄灌区1 处,为东水源灌区,设计灌溉面积1.87 万hm2。近年来灌区进行了多次续建配套与节水改造,全面完成境内引黄主干渠衬砌改造,累计实施灌区管道输水、微喷、滴灌和水肥一体化等高效农业节水灌溉面积1. 58 万hm2。灌区经济以农业为主,现状年(2022 年)河口区粮食作物播种面积24 584 hm2、总产量11.872 万t,经济作物播种面积1 906 hm2,其中大豆、冬小麦、玉米、棉花、水稻、高粱、花生、蔬菜和瓜果分别占总播种面积的11. 25%、34. 70%、33. 97%、5.00%、12.10%、0.79%、0.15%、1.00%和1.04%。
2 数据来源与研究方法
2.1 数据来源
本文选取春玉米、大豆、冬小麦、夏玉米、水稻、高粱、棉花、花生、蔬菜、瓜果10 种目标作物。作物播种面积、单位产量、价格从《东营统计年鉴》和《全国农产品成本收益资料汇编》获取;水资源相关数据来源于《东营市河口区2022 年水资源供需年度分析报告》和《山东省水利厅、山东省发展和改革委员会关于印发“十四五”用水总量和强度双控目标的通知》(鲁水资字〔2022〕9 号);计算作物需水量的气象数据来源于河口区气象站1993—2022 年逐日数据,包括最高气温、最低气温、平均气温、平均风速、相对湿度、降水量等。
2.2 净灌溉需水量计算
作物净灌溉需水量(Net Irrigation Requirement,NIR)等于作物需水量与有效降水量之差。根据河口区历年降水数据通过拟合降水累积频率曲线,确定河口区代表年份2011 年、2006 年、2017 年对应的降水保证率分别为50%、75%、95%(降雨量分别为576.0、479.6、410.0 mm)。为探究灌区作物灌溉水供需之间的关系,在计算净灌溉需水量的基础上,需考虑灌溉用水在运输、配送等过程中的损失量,计算公式为
式中:W 为作物灌溉总需水量;W iNIR为作物i 的净灌溉需水量, 根据《灌溉与排水工程设计标准》( GB50288—2018),在计算作物灌溉总需水量时将净灌溉需水量转换为净灌溉定额W iNIN (Net Irrigation Norm,NIN);Si为第i 种作物种植面积;η 为灌溉水有效利用系数,根据各类灌溉技术灌溉水利用系数与对应作物实际灌溉面积采用加权平均法计算;ETc 为作物计算需水量;Kc为作物系数;ET0 为参考作物蒸发蒸腾量,采用联合国粮农组织(FAO)推荐的Penman-Monteith(PM)公式[12] 进行计算;Pe为有效降水量,有效降水量为作物根层土壤吸收的净水量[13] ;P 为实际降水量;α为有效降水量系数。
2.3 可供灌溉水量
河口区现状年可供水源包括黄河水、地表水、地下水和非常规水等,境内利用的客水资源主要为黄河水,分配指标为11 000 万m3,河口区设计河道蓄水能力为3 406 万m3,地表水在保证率为50%、75%、95%时的可供水量分别为5 018 万、4 130 万、3 450 万m3,非常规水利用水量为380 万m3,地下水可开采量的上限约为103 万m3。河口区现状年主要用水类型为农田灌溉用水、林牧渔畜用水、工业用水、居民生活用水(包含居民用水、建筑服务业用水),其中工业用水2 146万m3、居民生活用水972 万m3、林牧渔畜用水2 150 万m3。以用水总量控制指标为约束,按生活、工业、服务业分配优先的原则,最后分配农业灌溉用水,在保证率为50%、75%、95%时可用于作物进行灌溉的水量分别为10 780万、10 294 万、9 614 万m3。
2.4 种植结构优化模型构建
在水资源约束条件下,通过合理调整和配置作物种植结构,提高水资源的利用效率和产出效果,实现经济效益增长目标,同时,种植结构调整关系到生态环境保护和生物多样性维持,必须注重人与自然之间的协调性,因此本文把河口区经济效益、综合水分生产率和生态效益最大作为目标,基于陈守煜等[14] 提出的模糊优选理论,有机融合信息熵和模糊优选方法,建立的多目标模糊优化模型(E-FOSMOP)[15] 为
式中:Z 为河口区作物种植综合效益;ui 为模糊优化模型对应作物综合效益的对优相对隶属度;xi 为决策变量(第i 类作物种植面积);n 为作物类别数;j 为指标序号(1 代表经济效益,2 代表综合水分生产率,3 代表生态效益);aij为作物i 指标j 的特征值(见表1);rij为目标对“优”的相对隶属度;p 为距离参数,为计算方便取值为2[15] ;Ej 、Wj分别为第j 个目标属性输出的信息熵、权重。
由表1 可得河口区10 种作物指标特征值相对隶属度矩阵R 应用两级模糊优选模型,得到不同保证率下作物i 的综合效益最优相对隶属度ui 。以50%保证率为例,相对隶属度矩阵和最优相对隶属度分别为
2.5 约束条件
1)水资源约束。水资源作为最大的刚性约束,河口区不同降水保证率下的作物种植结构优化后的总需水量不超过对应保证率的灌溉可供水量。
式中:Q 为不同保证率的灌溉可供水量。
2)作物总面积约束。水资源形势日益严峻,在保证区域粮食播种总面积要求前提下,避免种植面积扩大导致的灌溉用水量增加,另外河口区作物种植者主要是个体农户,耕地较为破碎化,复种指数很低,本研究只考虑冬小麦-夏玉米和冬小麦-大豆轮作制度,约束现状农作物播种总面积优化后不超过现状作物播种总面积。
3)稳定粮食生产。根据区域发展规划,要求合理保障农民种粮收益,保护农民种粮积极性,全区粮食播种面积、产量分别稳定在2.467×104 hm2、11 万t 以上。
4)作物播种面积约束。为贴合实际,防止优化后出现较大的波动,根据当地种植业发展规划、农业深度节水控水要求及决策部门接受风险的程度,对作物播种面积增加相关约束(见表2)。
3 结果与分析
3.1 灌溉水供需平衡分析
根据河口区现状年种植面积数据,计算不同降水保证率下作物充分灌溉的总需水量(见图1),随着降水量的减少,灌溉水总需求量大幅度增加,可见降水量对灌溉用水量影响极大,黄河水作为主要的客水资源,对作物生育至关重要(其中:冬小麦由于降水与需水耦合度较低,因此在不同保证率下始终为灌溉需水量最大的作物;水稻处于夏季生长的作物,补充灌溉量整体较小)。
根据不同时期供水能力和不同降水保证率需水情况,计算出河口区灌溉水资源供需平衡情况(见表3)。由表3 可知,在保证率为50%的情况下有余水,余水率为8.21%;75%、95%保证率下灌溉水存在供需矛盾,亏缺量高达961 万~2 663 万m3,无法满足作物生育期对水分的需求,制约当地农业的可持续发展,亟待通过调整作物种植比例建立与水资源承载能力相适应的种植结构。
3.2 种植结构优化结果分析
利用LINGO 软件构建E-FOS-MOP 模型,设置3种降水保证率(50%、75%、95%)对河口农作物进行种植结构优化,优化前后的作物面积和灌溉用水量对比见表4、表5,在保证粮食安全生产的前提下,不同保证率下经优化后粮食作物播种面积占比均在90%以上,优化前后并未平衡粮经作物的比例,原因在于河口区粮食生产考核任务即播种总面积要求在2.467×104 hm2以上,作物总面积需控制在2.649×104 hm2以下,决定了不同保证率下优化后结果均是以粮食作物为主的“粮-经”二元结构。50%、75%保证率下,作物播种总面积前后保持一致;95%保证率下,随着地表水资源的限制和农田灌溉需水的增加,相比优化前总面积减少了944 hm2。从表5 中可看出50%保证率下优化前灌溉需水约为9 962 万m3,可供水量约为10 780 万m3,经优化后灌溉需水量仅为8 732万m3,减少约1 229 万m3的灌溉用水;75%保证率下优化前灌溉需水约为11 255 万m3,可供水量约为10 294万m3,经优化后灌溉需水量仅为9 860 万m3,减少约1 395 万m3的灌溉用水;95%保证率优化前灌溉需水量约为12 277 万m3,而可供灌溉使用的水量仅为9 615万m3,在优化后灌溉需水量与可供水量保持一致,可见水资源约束下调整农业种植结构对缓解灌溉用水压力至关重要。
研究发现不同降水保证率下种植结构优化对“粮-经”内部种植结构影响显著,粮食作物中冬小麦虽然水分生产率高于粮食平均水平,但生育期降水与需水耦合性差且经济价值和生态效益偏低,在50%、75%、95%保证率下冬小麦的播种面积占比由优化前的34.7%分别降至26.0%、26.7%、21.0%;水稻虽净产值和生态效益较高,但水稻属高耗水作物且水分生产率偏低,播种面积占比在不同保证率下由优化前的12.1%均降至3%左右;粮食播种面积的缺口主要由春玉米弥补,春玉米各项指标均高于粮食平均水平,其播种面积占比由优化前的12.1%分别增加到31.5%、31.5%、32.7%。大豆净产值和生态效益虽然达到粮食作物平均水平,但水分生产率不占优势,在50%、75%保证率下播种面积占比由优化前的11.2% 均降至8.7%;夏玉米各项指标良好,但整体不及春玉米,春玉米优先调整至约束上限后,在50%、75%保证率下播种面积占比由优化前的23. 5% 分别增加到24. 6%、23.9%;高粱因各项指标低于平均水平,在50%、75%保证率下,优化前后面积基本保持一致。95%保证率下,为保证作物生育期对正常水分的需求,模型优化的结果更偏向于大豆、高粱等低耗水作物,其大豆播种面积占比由优化前的11.2%增加到22.8%,高粱播种面积占比由优化前的0.8%增加到10.1%。经济作物中重点调整蔬菜、瓜果的播种面积,除95%保证率下播种面积维持原状外,50%、75%保证率下,其优化后均调整至约束上限值,播种面积占比均由2% 增加到4.1%,蔬菜、瓜果虽然单位面积耗水量大,但在水资源允许的条件下,提升种植比例能够大大提高河口区的农作物综合效益,与河口区大力发展蔬菜、瓜果优势产业的发展规划一致;棉花灌溉虽然需水量低于蔬菜、瓜果,但综合指标明显低于其他经济作物,同时棉花属劳动密集型作物,随着城镇化发展,当地农业劳动力紧缺,人工成本上升,不同保证率下其面积占比由优化前的5%均降至1%左右;花生虽然各项指标优于棉花,但整体优势不及蔬菜、瓜果,不同保证率下优化前后面积维持原状。
3.3 优化前后各项指标对比
由表6 可知,在50%、75%保证率下,经过调整农业种植结构后各项指标比现状均有所提高,其中:粮食产量由13.39 万t 均增加到14.99 万t;综合水分生产率在50%保证率下由1.35 kg/ m3 提升到1.76 kg/ m3,在75%保证率下由1.29 kg/ m3 增加到1.69 kg/ m3;生态效益在50%、75%保证率下由6 023 万元均提升到6 142万元;净产值在50%、70% 保证率下由优化前41 664万元分别增加到63 767 万、63 719 万元,经济贡献主要来源于蔬菜与瓜果(产值由25 309 万元均增加到46 998 万元。但在95%保证率下,模型在选择综合效益好的作物时受到抑制,同时因粮食作物挤占了大部分灌溉水资源,经济作物播种面积缩减为约束下限值,种植业整体效益受限,经优化后其粮食产量降低至12.57 万t,综合水分生产率由1.28 kg/ m3降到1.27 kg/ m3,净产值降至40 932 万元,生态效益降至5 736 万元。
4 讨论
本文基于E-FOS-MOP 模型探究不同降水保证率下黄河河口区作物最佳种植结构,研究发现降水量的变化对当地作物种植结构优化结果影响较大,在兼顾作物多目标优化的前提下,种植业有很大的优化空间。河口区作为山东省粮食主产区,粮食安全生产保障是重中之重,在50%、75%保证率下,在保证粮食安全生产的前提下,通过增加蔬菜、瓜果等经济作物的种植比例可显著提高种植业的综合效益,优化后的农作物种植结构符合当地良性发展需求,可实现水资源节约高效利用,保障粮食安全生产、提升种植业综合效益等。在95%保证率下,模型在选择综合效益好的作物时受到抑制,导致各项指标都比优化前有所降低,当地供水保障方面应考虑利用南水北调的长江水资源或加强雨洪水拦蓄工程建设以补充灌溉水资源,或者在降水相对充沛的年份对多余的可供水量或预留水量开展水权市场化交易,以此保障降水匮乏年份河口区种植业的可持续发展。
5 结论
1)河口区作物种植结构优化前在50%保证率下灌溉可供水量能够满足作物生育期对水分的需要,在75%、95%保证率下灌溉水亏缺量为961 万~2 663 万m3。
2)不同保证率下(50%、75%、95%)优化结果均是以粮食作物为主的“粮-经”二元结构,可满足河口区粮食生产考核要求,与优化前相比可分别实现灌溉节水12.3%、12.4%、21.7%。
3)50%、75%保证率下,种植结构优化后与优化前相比综合水分生产率分别提升30%、31%,净产值提升53%、52.9%,生态效益提升1.98%、1.91%,粮食总产量均提升11.9%;95%保证率下,各项指标都比优化前有所下降,其中综合水分生产率降低0.8%,净产值降低1.8%,生态效益降低4.8%,粮食总产量降低6.1%。
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