節水灌溉技術下農業種植結構優化模型研究

李 玥，王春霞，何新林

(石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000)

我國西北內陸干旱、半干旱地區的可利用水資源量有限，高效節水灌溉技術應用廣泛，尤其是新疆部分地區膜下滴灌的應用比例達90%以上。因此這些地區的種植結構優化不能忽略高效節水灌溉技術應用的影響；且這些地區的生態環境較為脆弱，構建種植結構優化模型時應加強對優化方案生態效益方面的考慮，并嚴守“三條紅線”，落實最嚴格水資源管理制度。

種植結構優化可以促進水資源的優化配置，提高水資源的有效利用率[1]。種植結構優化模型一般分為單目標模型和多目標模型兩種，常用的優化方法有：線性規劃、動態規劃、非線性規劃和目標權重法等。

國際上，Joeres[2]于1971年利用線性規劃法解決 Baltimore 的多水源供水問題。同年，Dudley[3]在研究季節性灌水分配問題時，將具有二維狀態變量的隨機動態規劃與作物生長模型結合運用。1973 年，Smith[4]也采用線性規劃模型，對灌區用水優化配置問題建模并求解。 Meredith等[5]人利用動態規劃模型初步給出2個灌溉配水系統的例子。1992年Afzal J等[6]建立線性規劃模型對Pakistan的某個區域的不同水質的水使用問題進行優化。

近年來，國內在這方面的研究也有了極大的發展。劉瀟等[7]以甘肅民勤縣為例針對灌區規劃問題, 將模糊概念引入多目標線性優化模型。李茉等[1]構建了基于雙層分式規劃的種植結構多目標優化模型，并通過交互式模糊規劃方法進行求解，定量得到研究區域在最小灌溉水量情況下的最大種植收益。胡洪靜等[8]提出了基于作物水分生產函數的多目標種植結構優化模型，并以衡水市為例得出了不同灌溉水價水平下對應的種植結構和灌水量調整方案。李建芳等[9]通過作物需水量、生育期有效降雨量及農產品單產，細分了農產品虛擬水中的藍水和綠水，建立了多目標農業種植結構優化模型。周惠成等[10]將交互式模糊多目標優化算法應用于求解作物種植結構優化調整模型，改善作物種植結構調整多目標決策過程中數據處理、模型構建、決策者偏好等方面存在的模糊性問題。張帆等[11-12]構建以經濟效益最大為目標的雙區間兩階段隨機規劃模型，實現有限農業水資源量下的最大經濟效益；還以甘肅省武威市民勤縣為例，構建了以單方水效益期望值最大為目標的分式兩階段隨機規劃模型。陳敏等[13]將水足跡引入作物種植結構優化中，以青海省三江源區為例，構建以單位作物藍水足跡的農業凈收益最大為目標的作物種植結構分式規劃模型。梁美社等[14]提出基于虛擬水戰略的區域農業產業結構優化線性規劃模型。彭致功等[15]以農業耗水總量及灌溉取水總量為約束條件，采用優化灌溉制度和種植結構調整措施下京郊農業發展面積閾值。

現階段的種植結構優化大多構建多目標優化模型，分別考慮經濟效益和生態效益，在種植結構優化上起到了一定的指導意義，但大多數多目標優化方法在系數的計算、目標函數指標權重的確定上存在主觀因素，缺乏理論依據；且大多數模型在調整農業種植結構時，沒有將灌水技術考慮在內。本文將灌溉技術與線性規劃方法相結合，初步建立適用于石河子灌區的種植結構優化模型。該地區生態環境脆弱，節水灌溉技術應用廣泛，導致了灌溉面積擴大，造成了“越節水越缺水”的局面，引起地下水位急劇下降和土地荒漠化加劇等問題。因此，在不同灌水技術下對農業種植結構進行優化是必要的。

1 模型的建立

在人類活動中，不同的灌溉技術對生態環境的影響是不同的。其中高效的節水灌溉技術在減少農業灌溉用水的同時，影響了灌溉水對地下水的補給、淋洗壓鹽的效果等；地膜的殘留阻礙了土壤中水分、空氣等作物生長必需物質的運移，次生鹽堿化加劇，對生態環境造成更為惡劣的影響。本文根據《中華人民共和國國家環境保護標準生態環境狀況評價技術規范》(HJ 192-2015)，利用生態環境狀況指數EI，以運用不同灌溉技術的農田為不同的研究區域，分別計算其生態環境狀況指數，并通過面積加權的方法給出優化方案的綜合生態環境狀況指數，來反映區域生態環境的整體狀態，評價模型優化結果的生態效益。

本文將不同的灌水技術考慮在模型內，通過采用單目標線性規劃方法初步建立農業種植結構優化模型。構造的數學模型包括目標函數與約束條件兩部分。其中，目標函數以灌區農業生產總值即經濟效益最大化為優化目標，綜合考慮對生態安全的影響。根據國家對新疆地區的基本政策要求與灌區特點，其約束條件包括種植面積約束、農作物社會需求約束、農業用水量約束、綜合生態環境狀況指數計算。本文將灌溉條件與綜合生態環境狀況指數相結合，初步給出在不同灌溉技術條件下的農業種植結構優化模型。

1.1 設置目標函數

模型以農業生產總值增加量(即實施優化方案后與實施前的農業總產值的差值)為目標函數，并考慮不同的灌溉技術，設置目標函數如下：

其中,xi為不同灌溉技術下各種農作物的總種植面積(hm2)；ai為不同灌溉技術下各種農作物單位面積凈產值(萬元·m-3)；F為種植結構調整前的各種農作物總凈產值(萬元)。

1.2 約束條件

1.2.1 種植面積約束 灌區各種農作物的總種植面積不得大于可耕地總面積，且該綠洲灌區種植總面積已經接近現有種植技術下的最大耕地面積，開發新的耕地會對本就脆弱的生態環境造成更加惡劣的影響。因此，其約束條件為：

其中,L為灌區現有最大農業種植面積(hm2)。

1.2.2 農作物社會需求約束 考慮到新疆地區地理位置的特殊性，灌區內生產的糧食產量能夠達到灌區內人口的總需求即可。該需求根據灌區內歷年的糧食產量以及人口數量得出。因此，其約束條件為：

其中,di為各種農作物單位面積產量(t·hm-2)；N為各種農作物社會總需求量(t)。

1.2.3 農業用水量約束 考慮到灌區內農業用水量約占每年可利用水資源利用總量的95%左右，且要保證居民的日常生活用水，以及一定的生態用水和工業用水，即農業用水量占水資源總量的比重較高，不宜再增加。受所研究灌區的地理水文條件的影響，膜下滴灌的節水灌溉形式分布較廣，同時還存在一些其他灌溉技術。特別是灌區內葡萄的灌溉技術以溝灌為主。因此，其約束條件為：

xij=bjxj

其中,cij為各種農作物在各種灌溉技術下的灌溉定額(m3·hm-2)；xij為各種農作物在各種灌溉技術下的種植面積(hm2)；WA為灌區當年農業總用水量(104m3)；bj為在不同灌溉技術下各種農作物種植面積占種植總面積的比例。

1.2.4 綜合生態環境狀況指數 自1996年灌區開始大力推行膜下滴灌，人為因素對水資源的空間分配產生極大的影響。本文考慮將灌溉技術與生態安全相結合，不同的灌溉技術計算出不同的生態環境狀況指數值。其中其他灌溉技術包括塊灌、垅灌、畦灌、噴灌等非膜下滴灌節水技術在內的各種灌溉技術。

根據《中華人民共和國國家環境保護標準生態環境狀況評價技術規范》(HJ 192—2015)，利用生態環境狀況指數EI反映區域生態環境的整體狀態，指標體系包括生物豐富度指數、植被覆蓋指數、水網密度指數、土地脅迫指數、污染負荷指數5個分指數和一個環境限制指數，各項評價指標的權重分別為0.35、0.25、0.15、0.15、0.10和約束性指標。計算方法EI=0.35×生物豐富度指數+0.25×植被覆蓋指數+0.15×水網密度指數+0.15×(100-土地脅迫指數)+0.10×(100-污染負荷指數)+環境限制指數。

在研究區內可將運用不同灌溉技術的農田分為不同的小區域，通過計算不同優化方案的生態環境狀況指數及其差值，評價優化方案對生態環境的影響。其中：

(1)生物豐富度指數=(BI+HQ)/2 本文是以干旱區農田為研究區域，物種貧乏，生態系統類型單一、脆弱，生物多樣性極低，生物多樣性等級低，生物多樣性指數BI<20；生境質量指數HQ的生境類型僅為耕地，因此HQ≈56.24。

(2)植被覆蓋指數NDVI(區域均值) 根據規范中的計算方法，農田植被覆蓋度較高。

(3)水網密度指數 根據研究區域的特點該指數中的河流長度和水域面積近似為0，則

水網密度指數=Ares×水資源量/(3×區域面積)。

其中,Ares為水資源量的歸一化系數，參考值為86.387；水資源量為運用不同灌溉技術的農作物灌溉水量；區域面積為不同灌溉技術的農作物種植面積。因此

符號含義同上。

(4)土地脅迫指數 長期運用膜下滴灌高效節水技術造成白色污染和土地次生鹽堿化，屬于對土地的重度侵蝕，土地脅迫指數約等于94.12；而基于石河子灌區土壤含鹽量較高的特點，運用其他灌溉技術的農田，屬于對土地的中度侵蝕，土地脅迫指數約等于47.21。

(5)污染負荷指數 運用膜下滴灌技術的農田，主要污染源是農業殘膜造成的白色污染，1 km2耕地大概需使用6 t地膜，則污染負荷指數約等于0.04。

(6)環境限制指數 膜下滴灌高效節水技術中，地膜為不可降解物質，殘膜的逐年積累阻斷了土壤中水分運移，影響水流下滲，導致次生鹽堿化加劇，影響作物的生長發育。因此，根據規范對運用膜下滴灌技術農田的生態環境狀況級別降1級。

由此可分別計算出優化方案中運用膜下滴灌技術農田和運用其他灌溉技術農田的生態環境狀況指數(EI1、EI2)，可利用面積加權平均的方法來計算優化后灌區農田的綜合生態環境狀況指數EI總。即：

符號含義同上。本文主要利用不同優化方案綜合環境生態指數及其差值來評價模型結果的優劣。

2 模型運用

2.1 研究區現狀

石河子灌區位于天山北麓中段，古爾班通古特大沙漠南緣，瑪納斯河流域中下游，屬溫帶大陸氣候，為典型沙漠綠洲。灌區自1996年將地膜與滴灌技術結合并成功應用于農業種植，膜下滴灌技術的出現與廣泛應用使綠洲區的農作物總產值得到大幅度提升，但該技術是人類調配水資源的重要措施，對農田的水文循環有極大的影響，引發綠洲下游荒漠植物退化、土地次生鹽漬化等一系列生態問題，且運用該技術節省下來的水資源大部分用于增加農業種植面積，造成了越節水越缺水的惡性循環。灌區內大力推廣膜下滴灌，地表水含沙量較大,易堵塞過濾器和滴灌管帶，大量開采地下水進行農業灌溉，地下水水位逐年下降，下游的荒漠植被退化，對生態環境影響極大。

2.2 變量及相關數據

以2014年為現狀年，查詢《2015年石河子統計年鑒》等相關資料，嚴格遵守石河子灌區“三條紅線”制度，以石河子灌區當年的實際情況為邊界條件，并綜合考慮當年的農產品社會需求來確定相關變量及數據。決策變量考慮到農業種植結構優化的目標是實現不同灌溉條件下各種農作物種植面積的合理比例與相對最佳生態效益和經濟效益，所以以石河子灌區主要農作物的種植面積為決策變量(hm2)。決策變量包括：小麥(x1)、玉米(x2)、棉花(x3)、葡萄(x4)、桃子(x5)。而主要利用膜下滴灌技術進行節水灌溉的農產品變量設為：小麥(x11)、玉米(x21)、棉花(x31)、葡萄(x41)、桃子(x51)。具體數據如表1、表2及表3所示。

2.3 模型計算結果與分析

利用LINGO優化軟件編程并將以上數據代入模型中，通過設置不同的膜下滴灌所占比例，對上述模型進行求解，結果見表3和表4。

根據石河子灌區“三條紅線”中的農業用水量，將現狀年的種植結構優化為方案2。方案1是除葡萄外全部以膜下滴灌進行灌溉，且由于農業種植總面積的約束，方案1與方案2不同作物的種植面積相同，經濟效益相同，綜合生態環境指數下降，但農業種植用水量減少4.5668×106m3。雖然該方案的農業用水量有所減少，但農田的生態環境狀況變差。石河子灌區為人工綠洲，農作物種植面積占總面積的40%左右，農田生態環境狀況對整個灌區的生態環境有較大影響，且根據石河子灌區的地理環境與水文特性的特殊性以及膜下滴灌的特點，這部分節水用于生產、生活、生態等方面，在緩解人為對生態環境的破壞、提高灌區生態環境承載力方面均沒有顯著作用，這對于原本生態環境脆弱的石河子灌區是不適合的。且在方案1中EI<20，為生態環境狀況差的等級，即條件惡劣，人類生活受到限制，因此石河子灌區內全部運用膜下滴灌技術灌溉主要農作物是不合適的。

表1 石河子灌區2014年農作物主要決策變量相關數據

表2 石河子灌區主要農作物不同灌溉技術下的灌溉定額

表3 不同膜下滴灌技術比例下經濟效益和生態安全影響系數

注：2014年的農業總產值為121 568.8萬元;b1表示膜下滴灌技術運用比例。

Note: The gross output value of agriculture in 2014 was 121 568.8×104yuan;b1represents the proportion of drip irrigation under mulch.

表4不同膜下滴灌技術比例下農作物種植面積/hm2

Table4Plantingareaunderdifferentdripirrigationtechniques

方案Project小麥 WheatAB玉米 CornAB棉花 CottonAB葡萄 GrapeAB桃子 PeachAB11306.70.02826.70.021033.30.00.04080.0866.70.021173.3133.32546.7280.018926.72106.70.04080.0780.086.731146.7160.02486.7340.018466.72520.00.04080.0762.7106.741126.7180.02433.3393.317873.32906.70.04080.0745.3120.051100.0206.72373.3453.317286.73293.30.04080.0728.0140.061073.3233.32320.0506.716713.33666.70.04080.0710.7153.371046.7260.02260.0566.716146.74040.00.04080.0693.3173.38913.3393.31980.0846.713480.05773.30.04080.0606.7260.0

注：A為膜下滴灌，B為其他灌溉。

Note: A is mulched drip irrigation and B is other irrigation techniques.

方案3～8是逐漸減小膜下滴灌技術運用比例后的結果。由表3、表4可知，隨著膜下滴灌技術運用面積占總灌溉面積比例的下降，其他灌溉技術運用面積增加，經濟效益增量減少，即農業種植產生的經濟效益下降，尤其方案8當b1=0.7時，優化方案經濟效益較現狀年下降3.7%；綜合生態環境指數提高，根據規范中生態環境狀況變化度分級，方案8與方案2的ΔEI=3.55，屬于明顯變化等級，即生態環境質量明顯變好，方案5～7與方案2相比1≤ΔEI<3，屬于略微變化等級，即生態環境質量略微變好，方案3、4與方案2相比ΔEI<1，為無明顯變化等級，即生態環境質量無明顯變化；由于農業用水量的限制，隨著b值的增大主要農作物的種植總面積減少，適量減少種植面積，增加自然綠洲面積，對恢復改善荒漠生態環境狀況有積極作用；方案2～8的綜合生態環境狀況指數20

方案7、8的綜合生態環境狀況指數較高，但其經濟效益過低，且主要農作物種植總面積大幅減小，土地未得到較為充分的利用。若這大面積土地需生態恢復，會增加生態效益的用水量，短時間內不適用于較為缺水的荒漠綠洲灌區，不利于生產、生態和生活的協調發展；若用于增加社會經濟效益，不僅增加了生產、生活用水，還對生態環境造成了二次破壞，因此不適用于石河子灌區。“生態環境保護是功在當代、利在千秋的事業”，方案3、4較方案2生態環境質量改善不明顯，與國家發展走向和本文基本目的符合度較差。方案5、6滿足了灌區規劃的基本要求，較方案2生態環境質量略微變好。方案5較現狀年的經濟效益增長62.2萬元，方案6較現狀年經濟效益降低了0.5%，降幅較小，對灌區GDP的影響較小，且隨著該方案在灌區內的實施，生態環境不斷改善，社會總經濟狀況也會有所提升，從長遠來看該方案經濟效益降低的影響可忽略。因此石河子灌區的膜下滴灌技術運用比例為0.84和0.82時在保證經濟效益平穩、社會民生穩定、生態環境友好等方面與其他方案相比有很大的優勢。

3 結 論

1)本文是基于不同灌溉技術的農業種植結構優化模型，在模型中增加了生態安全影響系數，與以往研究中將經濟效益最大化作為主要優化條件相比，將生態環境保護作為模型優化的主要條件之一，涉及研究區農業生產中的主要農作物，并設置不同的方案進行優化比較。

2)通過對優化結果的分析發現，石河子灌區的膜下滴灌技術應用比例為0.84或0.82時，保證了經濟穩定，生態安全影響系數較高，即在保證灌區內人們生產、生活的前提下，減輕了人類活動對生態環境本就脆弱的沙漠綠洲灌區的破壞。

3)經模型優化調整后的農業種植結構，膜下滴灌技術運用面積減少約1 938.7～2 609.3 hm2，其他灌溉技術使用面積增加約1 486.7～1 953.3 hm2。膜下滴灌運用面積有兩種方案：(1)膜下滴灌面積小麥1 100.0 hm2、玉米2 373.3 hm2、棉花17 286.7 hm2、桃子728.0 hm2,其他灌溉技術運用面積為小麥206.7 hm2、玉米453.3 hm2、棉花3 293.3 hm2、桃子140.0 hm2;(2)膜下滴灌面積小麥1 073.3 hm2、玉米2 320.0 hm2、棉花16 713.3 hm2和桃子710.7 hm2，其他灌溉技術小麥233.3 hm2、玉米506.7 hm2、棉花3 666.7 hm2和桃子153.3 hm2。研究結果對石河子灌區的種植結構調整，有一定的借鑒價值。