基于虛擬水的廣西農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張 杰，鄧曉軍,2，鄒婷婷，翟祿新,2

(1.廣西師范大學環(huán)境與資源學院，廣西 桂林 541004；2.巖溶生態(tài)與環(huán)境變化研究廣西高校重點實驗室，廣西 桂林 541004)

水資源是人類生產(chǎn)與生活不可或缺的寶貴資源，是經(jīng)濟發(fā)展不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是生態(tài)環(huán)境維持正常狀態(tài)的基礎(chǔ)條件[1]。作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本供給要素，水資源不僅與農(nóng)業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)，還對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展具有不可替代的作用[2]。從區(qū)域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來看，水資源的稟賦程度往往誘導生產(chǎn)者按照成本最小的經(jīng)濟理性原則來組合各種生產(chǎn)要素，以實現(xiàn)利潤最大化目標[3]。因此，根據(jù)水資源稟賦、比較優(yōu)勢和市場需求來優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化并兼顧生態(tài)效益，已成為區(qū)域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的共同目標。

近幾十年來，國內(nèi)外對農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與調(diào)整進行了大量的研究。在國外，以印度和以色列等為代表的缺水發(fā)展中國家更為注重農(nóng)業(yè)發(fā)展與環(huán)境保護、資源優(yōu)化配置統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，并大力發(fā)展灌溉、節(jié)水和污水處理技術(shù)。而以德國和美國等為代表的發(fā)達國家更加注重農(nóng)業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理化。國內(nèi)的相關(guān)研究始于20世紀80年代，關(guān)于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與調(diào)整主要有傳統(tǒng)與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合、保持農(nóng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的持續(xù)性、以市場為導向的調(diào)整以及種植結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等做法[4]。盡管如此，很少有研究從水資源的稟賦條件出發(fā)，結(jié)合農(nóng)產(chǎn)品的生態(tài)和經(jīng)濟效益進行農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。同時，從區(qū)域的角度來看，國內(nèi)學者對發(fā)達地區(qū)的研究較多、而對經(jīng)濟落后的地區(qū)研究甚少，多集中于干旱少雨的西北地區(qū)、而對于水資源分配不均和利用困難的巖溶地區(qū)研究較少。此外，隨著近年來虛擬水相關(guān)研究的興起[5]，也有部分國內(nèi)外學者通過計算各種農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水，對農(nóng)作物的水資源利用效率和種植業(yè)的結(jié)構(gòu)進行了初步分析[6]，并認為虛擬水戰(zhàn)略是解決農(nóng)業(yè)水資源短缺和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效途徑之一[7,8]。

為此，本研究把水資源作為限制條件、構(gòu)建農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)多目標優(yōu)化模型，并以廣西為例，通過測算主要農(nóng)作物的虛擬水含量，對不同農(nóng)作物生產(chǎn)情景方案的生態(tài)經(jīng)濟效益進行比較分析，最終提出產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)控對策，以期為該地區(qū)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和水資源合理配置提供科學依據(jù)與決策參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所需水資源數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于《2000-2014年廣西水資源公報》和《廣西統(tǒng)計年鑒2001-2015》；研究區(qū)的氣象數(shù)據(jù)來自聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)的氣象數(shù)據(jù)庫，并參考了部分國內(nèi)外虛擬水含量相關(guān)研究的成果。

1.2 研究方法

1.2.1 農(nóng)作物虛擬水含量測算

虛擬水是指生產(chǎn)產(chǎn)品的全過程中所消耗的水資源量，其形式并非真正意義上的實體水，而是以虛擬的形式包含在產(chǎn)品中的那部分水資源量[9]。例如，生產(chǎn)1 kg玉米大約需要消耗1 m3水資源，即其虛擬水含量約為1 kg/m3。農(nóng)作物初級產(chǎn)品虛擬水含量的計算步驟如下[10]：

首先，基于聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)的氣象數(shù)據(jù)庫，采用推薦的標準彭曼公式計算參考作物蒸發(fā)量ET0。

其次，用作物系數(shù)Kc對ET0進行調(diào)整，獲得具體農(nóng)作物生長需水ETc：

ETc=KcET0

(1)

根據(jù)作物全育期生長天數(shù)研究地區(qū)該農(nóng)作物的單位面積需水量CWR。

CWR=10 ∑ni=1ETc=10Kc∑ni=1ET0

(2)

最后，通過單位面積作物虛擬水含量除以單位面積農(nóng)作物產(chǎn)量得該種農(nóng)作物單位質(zhì)量虛擬水含量SWDi。

SWDi=CWRi/CYi

(3)

式中：SWDi為作物i單位質(zhì)量的虛擬水含量，m3/kg；CWRi為作物i的生長需水量，m3/hm2；CYi為單位面積作物i的產(chǎn)量，kg/hm2。

1.2.2 主要農(nóng)作物多目標規(guī)劃[11]

(1)確定決策變量。根據(jù)廣西主要農(nóng)作物生產(chǎn)現(xiàn)狀和發(fā)展的可能前景，本研究以廣西主要農(nóng)作物的種植面積(hm2)作為決策變量，主要決策變量包括：糧食作物類(稻谷、小麥、玉米、豆類和薯類)，經(jīng)濟作物類(油菜籽、花生、甘蔗、木薯和烤煙)，蔬果類(蔬菜和水果)。

(2)構(gòu)建多目標體系。

①經(jīng)濟目標：以農(nóng)作物產(chǎn)值為目標函數(shù)。由經(jīng)濟效益最大化的原則確定模型，目標是使農(nóng)作物的產(chǎn)值達到最大。目標函數(shù)如下：

F農(nóng)=∑ni=1aixi

(4)

式中：ai為農(nóng)作物i的單位面積收益，萬元/hm2；xi為農(nóng)作物i的種植規(guī)模，hm2；F農(nóng)為各種農(nóng)作物目標總產(chǎn)值，萬元。

②生態(tài)目標：遵循自然規(guī)律，協(xié)調(diào)人與自然的關(guān)系，只有將生態(tài)環(huán)境建設(shè)放在優(yōu)先位置，才能保證廣西農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

ω農(nóng)=∑ni=1bixi

(5)

式中：ω農(nóng)為各種農(nóng)作物的目標虛擬水總量，m3；bi為農(nóng)作物i的單位面積虛擬水含量，m3/hm2。

(3)約束條件。

①經(jīng)濟條件約束：農(nóng)作物的生產(chǎn)必須以追求經(jīng)濟效益最佳為目標。因此，其規(guī)劃目標的經(jīng)濟收益應不小于當年的產(chǎn)值。

F農(nóng)≥F農(nóng)0

(6)

式中：F農(nóng)0為當年各種農(nóng)作物的總產(chǎn)值，萬元。

②土地面積約束：農(nóng)作物的可持續(xù)發(fā)展不能以犧牲生態(tài)用地而擴展耕地面積為代價，即不能在現(xiàn)有面積基礎(chǔ)上增加種植面積，所以農(nóng)作物耕地面積是其約束條件之一。

∑ni=1xi≤U0

(7)

式中：U0為區(qū)域主要農(nóng)作物現(xiàn)有的種植面積，hm2。

③農(nóng)作物安全約束：糧食和油料作物必須滿足當?shù)氐南M需求；在保證居民溫飽的同時，還應滿足居民對蔬菜水果的需求；甘蔗和木薯是當?shù)氐闹饕a(chǎn)業(yè)原料，故必須提供充足的原料，滿足其產(chǎn)業(yè)運行。因此，農(nóng)作物安全約束條件如下。

xi≥xi0

(8)

式中：xi0為作物i的安全種植面積，hm2。

④水資源約束：萬物生長離不開水，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)同樣如此。因此，農(nóng)業(yè)的發(fā)展必須受到水資源的約束。

W農(nóng)≤W農(nóng)0

(9)

式中：W農(nóng)0為區(qū)域當前農(nóng)業(yè)用水總量，m3。

⑤各變量非負約束：由于所設(shè)變量為農(nóng)作物種植面積，不存在種植面積為負數(shù)的情況，所以還需約束條件。

xi≥0

(10)

2 結(jié)果與討論

2.1 廣西主要農(nóng)作物虛擬水含量計算分析

根據(jù)《廣西統(tǒng)計年鑒2001-2015》資料獲得歷年各類農(nóng)作物種植面積和產(chǎn)量，基于FAO推薦的CROPWAT軟件，對廣西12種主要農(nóng)作物虛擬水進行計算，并由初級產(chǎn)品最終產(chǎn)品率將不同作物初級產(chǎn)品換算成最終產(chǎn)品[11-13]，計算其單位質(zhì)量最終產(chǎn)品虛擬水含量，結(jié)果如表1所示。

表1 2000-2014年廣西主要農(nóng)作物虛擬水含量 m3/kg

根據(jù)表1的計算結(jié)果可進行廣西主要農(nóng)作物虛擬水含量的對比。以2014年為例，制作各農(nóng)作物的虛擬水含量比較圖(見圖1)。可以看出，廣西主要農(nóng)作物的虛擬水含量差異性較大。其中，油菜籽的虛擬水含量最高(8.733 m3/kg)，是虛擬水含量最小的蔬菜的54倍。同時，盡管甘蔗的生長需水量是所有農(nóng)作物中最高的(1 173.88 m3/hm2)，但其單位面積產(chǎn)量遠遠高于其他農(nóng)作物(7.353 3 萬kg/hm2)，故其虛擬水含量僅為0.228 m3/kg。由于不同農(nóng)作物對水資源的需求具有差異性，故在可利用水資源有限的情況下，應根據(jù)各地氣候條件和水資源的狀況，合理調(diào)整區(qū)域農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，使農(nóng)作物布局更加優(yōu)化，進一步達到節(jié)約農(nóng)業(yè)水資源的目的。

為了更直觀地顯示廣西主要農(nóng)作物虛擬水含量的變化趨勢，可分別繪制出2000-2014年糧食作物、經(jīng)濟作物和蔬果類作物的虛擬水含量變化趨勢圖，具體如圖2所示。

圖1 2014年廣西主要農(nóng)作物虛擬水含量對比

可以看出，稻谷、甘蔗、木薯和蔬菜等主要糧食作物、經(jīng)濟作物和蔬果類農(nóng)作物的虛擬水含量變化較為平穩(wěn)。小麥的虛擬水含量變動于4～5 m3/kg之間，油菜籽在8～10 m3/kg之間波動，烤煙波動于4.5～5.3 m3/kg。主要是這三類農(nóng)作物的單位面積產(chǎn)量均處于全國較低值，在廣西適宜種植的地區(qū)不多，其種植面積變動較大，導致其虛擬水含量長期處于波動狀態(tài)。豆類、薯類和玉米的虛擬水含量雖有微弱波動，但總體呈下降趨勢。玉米的虛擬水含量大體上由1.650 m3/kg降至1.091 m3/kg，薯類大致由2.610 m3/kg降為1.909 m3/kg。水果的虛擬水含量下降幅度最為明顯，由2000年的1.008 m3/kg降至2014年的0.323 m3/kg，主要原因是其種植面積逐年增加的同時產(chǎn)量也日益提高。具體而言，廣西的水果種植面積從2000年78.50 萬hm2增長為2014年的108.85 萬hm2，增幅為38.9%；但其產(chǎn)量由36.01 億kg增長為156.06 億kg，增幅達到了333.4%。

2.2 廣西主要農(nóng)作物多目標優(yōu)化結(jié)果分析

基于線性規(guī)劃Lindo軟件，利用上述線性規(guī)劃的模型[公式(4)～(10)]針對兩個目標函數(shù)分別進行求解，得到結(jié)果如表2所示。

由表2結(jié)果計算廣西主要農(nóng)作物規(guī)劃前后的農(nóng)作物產(chǎn)值和單位虛擬水產(chǎn)值，具體如表3所示。

圖2 2000-2014年廣西糧食農(nóng)作物、經(jīng)濟農(nóng)作物和蔬果類虛擬水含量變化趨勢圖

類別現(xiàn)有種植模式經(jīng)濟效益模式生態(tài)效益模式稻谷2026.202122.391045.33小麥1.4000玉米584.00922.66301.26豆類162.8001698.45薯類273.8021.6221.62油菜籽24.2000花生204.30200.00200.00甘蔗1081.501066.671066.67木薯224.10200.00200.00煙葉21.006.116.11蔬菜1162.501477.981424.37水果1088.50839.16839.16

表3 各類種植模式的效益對比

在經(jīng)濟效益模式中，各主要農(nóng)作物的種植面積都有了不同程度的調(diào)整。其中，稻谷、玉米和蔬菜在現(xiàn)有種植面積的基礎(chǔ)上分別增加了9.619、33.866和31.548 萬hm2。蔬菜的單位面積產(chǎn)量2.245 2 萬kg/hm2，僅次于甘蔗，從產(chǎn)量來說是比較理想的農(nóng)作物。同時，蔬菜的單位面積產(chǎn)值9.834 萬元/hm2，是這些主要作物中的最大值，對產(chǎn)值貢獻最大。因此，從經(jīng)濟方面考慮，加大對蔬菜種植是合理的。此外，其余農(nóng)作物種植面積均在現(xiàn)有種植面積的基礎(chǔ)上減少了。其中，小麥、豆類和油菜籽經(jīng)規(guī)劃后其種植面積減為0。由于小麥和油菜籽在廣西種植面積較少，故取消種植該類作物其種植面積變化不大。豆類的單位面積產(chǎn)量是除小麥和油菜籽之后最小的，僅為1 511 kg/hm2，其單位面積產(chǎn)值也較小，其經(jīng)濟效益較低，因而對經(jīng)濟的貢獻較小。變動幅度較大的有水果、薯類和豆類，分別減少了24.934、25.216和16.28 萬hm2。雖然水果的單位面積產(chǎn)量為1.433 7 萬kg/hm2，僅次于甘蔗和蔬菜，但由于其單位面積產(chǎn)值與薯類一樣均較低，對經(jīng)濟的貢獻較小，所以從經(jīng)濟效益來看，應選擇種植對經(jīng)濟貢獻較大的農(nóng)作物。農(nóng)作物的種植結(jié)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化后，經(jīng)濟效益有明顯增加，農(nóng)作物產(chǎn)值從3 217.94 億元增加到3 392.94 億元，增幅達5.43%，而用水量在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上減少了5.4 億m3?？梢钥闯?，相對于現(xiàn)有種植模式，經(jīng)濟效益模式中農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)已經(jīng)有所優(yōu)化，但水資源總體消耗量依舊很大。

在生態(tài)效益模型中，種植面積增加的僅有豆類和蔬菜，分別增加了153.565和26.187 萬hm2。原因是這兩類作物的虛擬水含量均較小，僅高于木薯。從生態(tài)方面考慮，增加該類作物可有效減少農(nóng)業(yè)水資源的利用量。與經(jīng)濟效益模式一樣，小麥和油菜籽經(jīng)規(guī)劃后種植面積減為0，原因是除單位面積產(chǎn)值較低外，其虛擬水含量也比較高。與經(jīng)濟模式相反，糧食作物中稻谷的種植面積減少了98.087 萬hm2，而豆類的虛擬水含量最小，在滿足糧食安全的前提下考慮生態(tài)效益，豆類是最合適的選擇。薯類、花生、甘蔗、木薯、煙草和水果的種植面積變化幅度與經(jīng)濟效益模式一樣，在保證本地區(qū)基本需求外，對經(jīng)濟和生態(tài)的貢獻均較小。從優(yōu)化結(jié)果可以看出，生態(tài)效益模型與現(xiàn)有種植模式相比較，其農(nóng)業(yè)產(chǎn)值基本持平，但其虛擬水總量卻減少了24.46 億m3，降幅達5.47%，實現(xiàn)了在維持經(jīng)濟效益的同時，降低了用水量。在保證農(nóng)民糧食需求的狀況下，降低了糧食種植面積，增加經(jīng)濟作物的面積，提高了農(nóng)民的收入。

在現(xiàn)有種植模式中，其單位虛擬水的產(chǎn)值為7.19 元/m3。為了增加經(jīng)濟效益，規(guī)劃經(jīng)濟效益模式，調(diào)整農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)后，其單位虛擬水的產(chǎn)值提高為7.67 元/m3。以減少虛擬水總量，節(jié)約生態(tài)用水為目標，規(guī)劃生態(tài)效益模式，調(diào)整后的農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)其單位虛擬水的產(chǎn)值提高為7.61元/m3。由此可以看出，廣西現(xiàn)有的種植模式還存在著不合理，沒有實現(xiàn)經(jīng)濟效益和生態(tài)效益綜合目標的最大化。

3 結(jié) 論

對廣西主要農(nóng)作物虛擬水含量的測算結(jié)果表明，不同農(nóng)作物的虛擬水含量差別較大。從時間變化來看，稻谷、甘蔗、木薯和蔬菜的虛擬水含量較為平穩(wěn)，小麥、油菜籽和煙草這三類農(nóng)作物的虛擬水含量長期處于波動狀態(tài)，豆類、薯類和玉米的虛擬水含量總體呈下降趨勢，而水果的虛擬水含量下降幅度最為明顯。同時，2000-2014年廣西主要農(nóng)作物的虛擬水總量大體呈上升趨勢。利用多目標規(guī)劃方法對現(xiàn)有種植模式進行優(yōu)化，結(jié)果表明：在經(jīng)濟效益模式中，農(nóng)作物產(chǎn)值從3 217.94 億元增加到3 392.94 億元，增幅達5.43%，且其用水量在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上減少了5.4 億m3。相對于現(xiàn)有種植模式，經(jīng)濟效益模式中的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)已經(jīng)有所優(yōu)化，但水資源總體消耗量依舊很大。在生態(tài)效益模式中，其農(nóng)業(yè)產(chǎn)值與現(xiàn)有種植模式基本持平，但其虛擬水總量卻減少了24.46 億m3，降幅達5.47%，實現(xiàn)了在維持經(jīng)濟效益的同時，降低了用水量。

廣西目前的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)依舊是以糧食產(chǎn)業(yè)為主，但糧食作物的用水量相對較高且經(jīng)濟效益一般。因此，在滿足糧食需求的情況下，應適當減少糧食作物的種植面積，特別是小麥和玉米的種植面積，并適當增加經(jīng)濟作物的種植面積。同時，應發(fā)揮廣西農(nóng)產(chǎn)品的比較優(yōu)勢，特別是低耗水農(nóng)作物的種植優(yōu)勢，加強與其他省區(qū)間的虛擬水貿(mào)易，逐步應用虛擬水戰(zhàn)略緩解廣西水資源時空不均的不足。此外，還應遵循市場經(jīng)濟規(guī)律開發(fā)利用水資源，建立科學合理的農(nóng)業(yè)用水價格制度，創(chuàng)新區(qū)域水資源管理體制，減少虛擬水含量較高的農(nóng)作物種植，抑制農(nóng)業(yè)水資源的開發(fā)速度和規(guī)模。最后，應提倡多種飲食選擇模式，通過多種途徑加強宣傳綠色產(chǎn)品消費，增加居民的消費結(jié)構(gòu)多樣性。在此基礎(chǔ)上，倡導健康節(jié)水消費模式發(fā)展、形成全民參與珍惜和保護水資源的良好社會氛圍，并嚴格實行水資源管理制度、提高水資源利用效率，構(gòu)建節(jié)水型社會。

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