區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)配置研究
——以三江平原為例

馬吉巍, 郭翔宇, 付 強, 王 凱, 馬效松

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué), 哈爾濱 150030)

區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)配置研究
——以三江平原為例

馬吉巍, 郭翔宇, 付 強, 王 凱, 馬效松

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué), 哈爾濱 150030)

針對三江平原農(nóng)業(yè)用水、用地結(jié)構(gòu)不合理，難以發(fā)揮系統(tǒng)最大效能問題，以農(nóng)墾建三江分局2011年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的思想，構(gòu)建了三江平原農(nóng)業(yè)水土資源復(fù)雜適應(yīng)性配置模型，并對不同地下水開采方案下的農(nóng)業(yè)水土資源優(yōu)化配置進行了演化分析。結(jié)果表明：隨著地下水開采量的增加，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值和糧食產(chǎn)量都有所增加，生態(tài)面積在一定范圍內(nèi)有所減少。隨著地下水開采量的減少，其高效利用的土地面積會隨之減少，造成大量的土地不能有效得到利用，嚴重阻礙了區(qū)域水資源與土地資源的耦合與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展，上述非線性關(guān)系以及各子系統(tǒng)對水量變化敏感程度的不同正是其適應(yīng)性的表現(xiàn)。研究成果對于指導(dǎo)三江平原科學(xué)合理的開發(fā)利用農(nóng)業(yè)水土資源，提高農(nóng)業(yè)水土資源的利用效率具有重要的理論和實踐意義。

三江平原; 農(nóng)業(yè)水土資源; 復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng); 主體; 建三江分局

水土資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的核心資源[1-2]，是人類賴以生存、發(fā)展的基本資料，對區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用[3]。我國是水土資源嚴重不足的國家，隨著人口的不斷增加和經(jīng)濟的快速發(fā)展，對水土資源利用的廣度和強度不斷增加，各部門、各行業(yè)之間爭地爭水的矛盾日益尖銳，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動作為水土資源的消耗大戶，其配置合理與否，不僅關(guān)系到社會經(jīng)濟的發(fā)展，而且影響著生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與重建的進程。然而，以往區(qū)域資源優(yōu)化配置研究中，往往是將農(nóng)業(yè)水資源和農(nóng)業(yè)土地資源視為獨立系統(tǒng)分別進行研究[4-11]，且多偏重于農(nóng)業(yè)水資源系統(tǒng)，缺乏與農(nóng)業(yè)土地資源系統(tǒng)的有效耦合，阻礙了區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源系統(tǒng)整體效能的充分發(fā)揮，容易導(dǎo)致系統(tǒng)超負荷運行的弊端。為此，有必要將農(nóng)業(yè)水、土資源視為一個統(tǒng)一系統(tǒng)進行整體優(yōu)化配置，以提高區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源利用效率，維持系統(tǒng)的相對平衡，并獲得最優(yōu)的生態(tài)經(jīng)濟效益，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)水土資源的可持續(xù)利用。因此，本文以三江平原農(nóng)墾建三江分局為例，將農(nóng)業(yè)水、土資源視為一個復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)，對其進行復(fù)雜適應(yīng)性配置，從而為提高區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源利用效率，獲得更高的糧食生產(chǎn)效益和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)水土資源的可持續(xù)利用提供重要參考。

1 研究區(qū)概況

建三江分局位于祖國北部邊陲的三江平原腹地，與同江、富錦、撫遠、饒河兩市兩縣相鄰，系黑龍江、松花江、烏蘇里江匯流的河間地帶，是我國的主要糧食產(chǎn)區(qū)[12]。土地面積1.24萬km2，擁有15個大中型農(nóng)場，耕地40萬hm2。開發(fā)建設(shè)以來，全分局累計生產(chǎn)糧食500億kg，為國家提供優(yōu)質(zhì)商品糧450億kg。目前，全局農(nóng)業(yè)綜合機械化率達到97%，人均年生產(chǎn)糧食2.5萬kg，農(nóng)業(yè)人均勞動生產(chǎn)率58 080元。雖然建三江分局農(nóng)業(yè)水土資源豐富，但卻存在著嚴重的資源利用問題，其開發(fā)利用資源的各種功能都比較滯后。尤其是近年來，隨著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，在高強度的農(nóng)業(yè)開發(fā)下，建三江分局農(nóng)業(yè)水土資源面臨著嚴峻的考驗。由于長期的種植結(jié)構(gòu)單一，而農(nóng)業(yè)灌溉用水80%來自地下水，導(dǎo)致地下水面臨嚴重壓力，加之，耕地“只墾不治”，土壤質(zhì)量嚴重退化，導(dǎo)致中低產(chǎn)田比例加大。因此，科學(xué)合理的配置建三江分局的農(nóng)業(yè)水土資源，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)水土資源的可持續(xù)利用對于建三江分局具有重要的意義。

2 復(fù)雜適應(yīng)性配置模型構(gòu)建

2.1 主體分類及適應(yīng)性描述

對于區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源系統(tǒng)，涉及多個具有不同目標的利益實體，因此本著協(xié)調(diào)發(fā)展及概化原則，主體分類按照資源用戶類型進行。有一個區(qū)域級政府主體；兩個部門級主體，分別是農(nóng)業(yè)部門主體和生態(tài)部門主體；農(nóng)業(yè)部門中分為：水稻主體、玉米主體、大豆主體、小麥主體、油料主體，生態(tài)部門分為：森林主體、草原主體、水域主體。

復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)中主體的學(xué)習(xí)能力是接收外部環(huán)境的刺激，根據(jù)規(guī)則強度選取反應(yīng)規(guī)則，再對環(huán)境產(chǎn)生作用。通過不斷修改規(guī)則強度來達到“學(xué)習(xí)”和“積累經(jīng)驗”的目的。復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的適應(yīng)過程在本質(zhì)上是一個優(yōu)化過程，本文采用一定約束和邊界條件下的目標優(yōu)化模式來描述主體的學(xué)習(xí)能力。每個主體都有自己特定的目標，主體根據(jù)輸入的邊界條件的變化選取不同的行為參數(shù)，以達到自身目標最大化，適應(yīng)環(huán)境的改變。也可以說，每個主體適應(yīng)性的描述都是一個局部優(yōu)化模型[13]。

2.1.1 政府主體 區(qū)域級政府是整個區(qū)域的調(diào)控者，其最終優(yōu)化目標不是單一的，即：政府主體的適應(yīng)性表現(xiàn)為一個多目標問題的描述。本模型中提出的政府主體適應(yīng)性表現(xiàn)為區(qū)域綜合效益最大，本模型的綜合效益就是農(nóng)業(yè)效益目標和生態(tài)效益目標，經(jīng)過多目標分析方法采用效用函數(shù)處理后的單一目標，可以用來綜合評價系統(tǒng)的狀態(tài)。而農(nóng)業(yè)效益目標是由糧食產(chǎn)量目標和農(nóng)業(yè)收益目標均衡的結(jié)果。具體是將兩個無量綱化的效用函數(shù)形成政府的綜合效益指標：

(1)

(2)

(3)

AWEL=f(YS,MS)

(4)

SWEL=f(AWEL,ECOS)

(5)

式中：ECOA——標準生態(tài)面積(hm2)；ECOS——無量綱化后的標準生態(tài)面積；Y——糧食產(chǎn)量(t)；YS——無量綱化后的糧食產(chǎn)量；M——農(nóng)業(yè)產(chǎn)值(元)；MS——無量綱化后的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值；ECOAMAX——最大標準生態(tài)面積閾值(hm2)；ECOAMIN——最小標準生態(tài)面積閾值(hm2)；YSMAX——最大糧食產(chǎn)量(t)；YSMIN——最小糧食產(chǎn)量(t)；MSMAX——最大糧食產(chǎn)值(元)；MSMIN——最小糧食產(chǎn)值(元)；AWEL——農(nóng)業(yè)效益；SWEL——綜合效益；f——效用函數(shù)。

其主要的行為包括：① 水量分配管理：根據(jù)可利用水資源量確定水量分配等工作，由政府中的水利及相關(guān)部門完成。② 土地分配管理：分配各作物種植面積和不同生態(tài)類型的占地面積，由政府土地調(diào)度機構(gòu)完成。③ 糧食管理：確定各糧食作物產(chǎn)量和產(chǎn)值指標，由政府糧食管理部門完成。④ 生態(tài)管理：確定生態(tài)環(huán)境的發(fā)展規(guī)劃制定發(fā)展目標等工作，由政府中的生態(tài)管理部門完成。⑤ 社會統(tǒng)計：糧食產(chǎn)量、糧食產(chǎn)值和生態(tài)面積實際發(fā)生量的統(tǒng)計和匯總工作，由政府中的統(tǒng)計部門完成。

2.1.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主體 作為部門級主體，其適應(yīng)性表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)部門的綜合效益最大，包括對糧食產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的追求，也是一個多目標問題。

糧食產(chǎn)量核算：Y=yj·sj

(6)

式中：Y——糧食總產(chǎn)量(t)；yj——第j種作物單位面積產(chǎn)量(t/hm2)；sj——第j種作物種植面積(hm2)，j=1，…，6對應(yīng)農(nóng)業(yè)部門六種作物。

(7)

式中：M——農(nóng)業(yè)收益(元)；Yj——第j種作物產(chǎn)量(t)；Pj——第j種作物單價(元/t)。

其主要行為包括：① 具體分配農(nóng)業(yè)部門水量。將政府分配給農(nóng)業(yè)部門的水量在各作物中進行分配。② 具體分配農(nóng)業(yè)部門土地。將政府分配給農(nóng)業(yè)部門的土地面積在各作物中進行分配。

2.1.3 生態(tài)主體 作為部門級主體，其適應(yīng)性表現(xiàn)為生態(tài)部門效益最大，本文采用標準生態(tài)面積來衡量生態(tài)部門的效益。采用生態(tài)足跡法[14]，將不同的生態(tài)類型通過“當(dāng)量因子”轉(zhuǎn)化成標準生態(tài)面積。本文將牧草地、林地和水域的均衡因子分別為0.5，1.1，0.2，分別與實際面積相乘，轉(zhuǎn)化為標準生態(tài)面積[15]。

(8)

式中：SECO——標準生態(tài)面積；ai——第i類生態(tài)主體面積，i=(1，…，3)對應(yīng)三種生態(tài)類型。

其主要行為包括：① 具體分配生態(tài)部門水量。將政府分配給生態(tài)部門的水量在各生態(tài)類型中進行分配。② 具體分配生態(tài)部門土地。將政府分配給生態(tài)部門的土地在各生態(tài)類型中進行分配。

2.1.4 主體的約束關(guān)系 對于政府級主體涉及的約束關(guān)系主要是總用水量和總用地面積，具體如下：

WA(Y)+WE(Y)+WB≤Q

(9)

式中：WA(Y)——第Y年的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量；WE(Y)——第Y年的生態(tài)用水量；WB——灌溉回歸水量；Q——區(qū)域可利用水資源總量(由于本文研究區(qū)域主要采用地下水灌溉，此處為地下水可開采量，與地下水開采率有關(guān))。

(10)

式中：a(j,Y)——第j種作物第Y年的種植面積；a(i,Y)——第i種生態(tài)類型第Y年的面積；S——區(qū)域總土地面積。

對于部門級主體涉及的約束關(guān)系主要是具體作物種植面積與水量，具體如下：

a(j,Y)≤TA(j,Y) CIA(j,Y)≤IA(Y)

a(i,Y)≤ME(i,Y)

(11)

式中：TA(j,Y) ——第j種作物第Y年的允許最大種植面積；CIA(j,Y) ——第j種作物第Y年的灌溉面積；IA(Y) ——第Y年有效灌溉面積；ME(i,Y) ——第i種生態(tài)類型第Y年允許的最大占地面積。

(12)

式中：WA(j,Y)——第j種作物第Y年的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量；WE(i,Y)——第i類生態(tài)類型第Y年的生態(tài)用水量。

2.2 模型框架

模型整體上分為三層，上層是區(qū)域政府，其行為包括糧食產(chǎn)量、產(chǎn)值和生態(tài)面積的控制、水土資源部門間配置及調(diào)度。決策目標是區(qū)域綜合效益最大。中層為部門級主體，具有各自的行為和優(yōu)化的目標，用特定函數(shù)描述它們相互之間的連接，實現(xiàn)層次內(nèi)部“流”的交互，最底層為用戶級主體，通過各自適應(yīng)性行為達到部門級效益最大，如圖1所示。

3 模型求解

3.1 邊界條件率定

原始數(shù)據(jù)來自2012年《建三江統(tǒng)計年鑒》及《黑龍江省水利建設(shè)統(tǒng)計資料》。黑龍江省農(nóng)墾總局建三江分局2011年農(nóng)業(yè)部門相關(guān)數(shù)據(jù)見表1，生態(tài)部門相關(guān)數(shù)據(jù)見表2[16]，模型約束條件由各年數(shù)據(jù)按一定百分比計算得到，見表3。依據(jù)如下數(shù)據(jù)對模型進行初始化，設(shè)定相關(guān)邊界條件和約束。

表1 農(nóng)業(yè)部門相關(guān)數(shù)據(jù)

圖1 農(nóng)業(yè)水土資源系統(tǒng)整體模型的框架結(jié)構(gòu)表2 生態(tài)部門相關(guān)數(shù)據(jù)

項目林地牧草地水域占地面積/萬hm213.074.675.07灌溉定額/(m3·hm-2)15030000均衡因子1.10.50.2

3.2 模型運行

運用基于實數(shù)編碼的多目標嵌套加速遺傳算法對所構(gòu)建的模型[17-18]進行求解，主要包括以下幾個部分：

(1) 政府級主體對部門級主體分配初始水量和土地使用面積。部門級主體根據(jù)分配到的水量和土地面積對部門內(nèi)部的生產(chǎn)主體進行資源再次分配，資

源用戶使用分配的資源進行生產(chǎn)活動以追求各自目標效用最大化。

(2) 底層的用戶級主體將各自的生產(chǎn)實踐成果如糧食產(chǎn)量和產(chǎn)值等反饋給上一層的部門級主體，部門級主體進行該部門微觀實際發(fā)生量統(tǒng)計并根據(jù)其內(nèi)部目標進行資源重新分配，用戶級主體進行新一輪生產(chǎn)實踐。如此反復(fù)，直至達到部門內(nèi)部目標效用最大。

(3) 部門級主體將部門內(nèi)部的最優(yōu)化結(jié)果反饋給政府級主體，政府級主體將各部門反饋的信息進行匯總，再根據(jù)區(qū)域綜合效益最大化為目標，對各部門進行資源的重新分配，直至到達區(qū)域綜合效益最大化。

表3 邊界和約束

4 結(jié)果與分析

建三江分局2011年農(nóng)業(yè)和生態(tài)可利用土地面積約80萬hm2，水資源可利用量為25.76億m3，地下水資源可開采量為23.93億m3，由于該地區(qū)主要采用地下水進行灌溉，即農(nóng)業(yè)用水主要來自地下水，不考慮地表水，同時灌溉回歸水量系數(shù)根據(jù)建三江分局的土壤條件，選擇為0.3，對該地區(qū)不同地下水開采方案下的農(nóng)業(yè)水土資源優(yōu)化配置進行演化分析，方案編號見表4，具體水量分配方案、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整方案見表5—6。

表4 不同地下水開采量方案

表5 水資源配置方案

表6 種植結(jié)構(gòu)調(diào)整方案 萬hm2

由表6可以可知，隨著地下水開采量的減少，耗水較多的水稻種植面積逐年減少，而耗水量相對較少的玉米呈現(xiàn)出增長的趨勢，這主要是由于，一方面玉米耗水量相對較少，另一方面2011年玉米的價格相對較高導(dǎo)致的。小麥雖然經(jīng)濟效益和玉米存在較大差距，但用水量要小于玉米、且種植面積已經(jīng)較少，故其種植面積波動較小。其它作物耗水較少，其種植面積也只是在一定范圍內(nèi)變化，整體播種面積降低幅度不大。

以2011年實際用水量為基準，其他約束條件不變，對各方案進行模擬演算，得到地下水開采量與農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、糧食產(chǎn)量、標準生態(tài)面積以及高效利用土地面積間的關(guān)系，如圖2—3所示。

圖2 地下水開采量與糧食產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值關(guān)系

圖3 地下水開采量與標準生態(tài)面積、高效利用土地面積關(guān)系

由圖2可知，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值和糧食產(chǎn)量隨著地下水開采量的增加均呈增加趨勢；而由圖3可知，地下水開采量較少時，生態(tài)面積呈增加趨勢，達到一定值后開始減小，隨后隨著地下水開采量的增加又呈現(xiàn)增加的趨勢。如果地下水開采量縮減，高效利用的土地面積迅速減少，會造成大量土地的浪費，嚴重阻礙了區(qū)域水資源與土地資源的耦合與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展。上述非線性關(guān)系以及各子系統(tǒng)對水量變化敏感程度的不同正是其適應(yīng)性的表現(xiàn)。

5 結(jié) 論

(1) 在分析建三江分局農(nóng)業(yè)水土資源特點的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了擁有一個區(qū)域級政府主體和兩個部門級主體的農(nóng)業(yè)水土資源復(fù)雜適應(yīng)性配置模型，為墾區(qū)、灌區(qū)和其他以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主的地區(qū)進行農(nóng)業(yè)水土資源優(yōu)化配置研究提供理論參考。

(2) 采用基于實數(shù)編碼的多目標嵌套加速遺傳算法對建三江分局農(nóng)業(yè)水土資源復(fù)雜適應(yīng)性配置模型進行演化分析，演化結(jié)果準確反映了不同地下水開采方案下建三江分局農(nóng)業(yè)水土資源的變化趨勢，表明該模型具有較好的應(yīng)用和推廣價值。

(3) 水資源已經(jīng)成為制約三江平原經(jīng)濟、社會、生態(tài)綜合發(fā)展的瓶頸因素，必須結(jié)合各用水子系統(tǒng)對水量變化的敏感性和適應(yīng)性，科學(xué)合理地配置地表水和地下水資源，才能實現(xiàn)三江平原農(nóng)業(yè)水土資源的高效利用以及經(jīng)濟、社會、生態(tài)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

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StudyonComplexAdaptiveAllocationofRegionalAgriculturalWaterandSoilResources—TakingSanjiangPlainforExample

MA Ji-wei, GUO Xiang-yu, FU Qiang, WANG Kai, MA Xiao-song

(NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

With respect to the unreasonable agriculture water and land structure and difficult to bring into full playing the system effectiveness, taking Jiansanjiang branch 2011 data as an example, the complex adaptive allocation model of regional agricultural water and soil resources can be built by the complex adaptive system idea, and the agriculture water and soil resource optimization allocation can be evolutionarily analyzed. The results show that the agricultural output value and food production are increasing with the increase of groundwater resources, the ecological area reduces in a specific range. The efficient utilization land reduction due to the amount of groundwater mining is restricted, which leads to ineffective use of large land, seriously hindering the coupling of regional water and land resources and local economic development. It is the adaptive performance that the non-linear relationship and the sensitive degree of each subsystem for water amount change. It is of great theory and practice significance to guide scientific and reasonable development and utilization agricultural water and soil resources and improve the use efficiency of agricultural water and soil resources.

Sanjiang Plain; agricultural water and soil resources; complex adaptive system; Jiansanjiang branch

2013-12-16

：2014-01-06

國家自然科學(xué)基金(51179032,51279031);水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201301096);黑龍江省高校長江學(xué)者后備支持計劃項目;黑龍江省普通高校新世紀優(yōu)秀人才培養(yǎng)計劃(1155-NCET-004);教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃

馬吉巍(1980—),男,哈爾濱人,講師,博士生,主要從事農(nóng)業(yè)水土資源管理方面的研究工作。E-mail:297511232@qq.com

郭翔宇(1965—),男,山東昌邑人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事農(nóng)業(yè)水管理等方面的研究工作。E-mail:guoxiangyu_neau@163.com

S273

：A

：1005-3409(2014)03-0256-05