“三條紅線”控制指標下瑪納斯縣主要農(nóng)作物種植結構優(yōu)化方案研究

馬林瀟，何 英，林 麗

(新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院， 新疆 烏魯木齊 830052)

“三條紅線”控制指標下瑪納斯縣主要農(nóng)作物種植結構優(yōu)化方案研究

馬林瀟，何 英，林 麗

(新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院， 新疆 烏魯木齊 830052)

近年來新疆瑪納斯縣水資源供需矛盾尤為突出。文章分析了瑪納斯縣農(nóng)業(yè)種植結構特點，采用線性規(guī)劃法對主要農(nóng)作物進行結構優(yōu)化；在最嚴格水資源管理下，結合“三條紅線”各項指標，提出2020水平年、2030水平年種植結構調整優(yōu)化方案。結果表明，糧食作物中玉米的種植比例要提高，小麥的種植比例可以維持現(xiàn)狀；經(jīng)濟作物中要減少棉花的種植比例，小幅度地增加葵花和甜菜的種植面積。

種植結構；優(yōu)化方案；三條紅線

新疆地處干旱半干旱地區(qū)，水資源極度匱乏?，敿{斯縣地處新疆腹地，單項節(jié)水技術已經(jīng)非常先進，膜下滴灌技術占主導地位，面對有限的水資源，單靠灌溉技術的革新來發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的空間已經(jīng)非常有限，非常有必要從整體節(jié)水的角度出發(fā)探索今后節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。在農(nóng)業(yè)灌溉用水不能增加而農(nóng)作物產(chǎn)量和農(nóng)民經(jīng)濟效益不減少的背景下，如何將有限水資源在多種作物之間及生育階段間進行合理分配，以獲得最高產(chǎn)量來緩解農(nóng)業(yè)用水供需矛盾，變得尤為重要。

農(nóng)業(yè)種植結構優(yōu)化對于水資源的利用和社會經(jīng)濟都具有積極的意義。在水資源利用方面，Jin C等[1]通過量化農(nóng)業(yè)水足跡和考慮城市化水平等關鍵因素建立模型，分析得出通過農(nóng)業(yè)種植調整可以在一定程度上應對水資源短缺。李亞婷[2]根據(jù)萬元GDP水足跡分析得出農(nóng)作物種植結構優(yōu)化可以使寧夏中部干旱帶的水資源的利用率得到提高。林琳等[3]利用Visual Modflow軟件模擬了灌區(qū)在種植結構變化下的節(jié)水效率，為灌區(qū)節(jié)水改造提供了理論依據(jù)。在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟方面，加爾恒·托合塔汗[4]分析了瑪納斯縣農(nóng)業(yè)經(jīng)濟現(xiàn)狀后，認為因地制宜調整農(nóng)業(yè)種植結構可以使區(qū)域經(jīng)濟逐步過渡為農(nóng)業(yè)工業(yè)化后通過產(chǎn)業(yè)化增值。邱俊杰[5]通過對農(nóng)業(yè)結構優(yōu)化對土地生產(chǎn)率提高和農(nóng)業(yè)增長貢獻及其相關影響因素的評估后，發(fā)現(xiàn)盡管農(nóng)業(yè)結構優(yōu)化不是農(nóng)業(yè)增長的決定性因素，但農(nóng)業(yè)結構優(yōu)化對農(nóng)業(yè)增長仍有顯著影響。Pan H等[6]探索了中國西部農(nóng)村地區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構與能源效率之間的關系，結果表明優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構是提高能源效率和增加農(nóng)民收入的重要方式。劉松穎[7]收集西部十省市1985年—2008年農(nóng)村居民純收入和衡量農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構、能源效率指標的數(shù)據(jù)后建立數(shù)據(jù)模型，實證結果表明西部地區(qū)農(nóng)業(yè)內部層次的結構優(yōu)化對農(nóng)民增收、節(jié)能降耗具有不同程度的積極效應。《新疆農(nóng)墾科技》[8]也發(fā)文指出2016年新疆農(nóng)民對農(nóng)業(yè)種植結構調整增收態(tài)勢明顯。

本文選取瑪納斯縣為研究區(qū)，分析其農(nóng)業(yè)種植結構特點，采用線性規(guī)劃法對瑪納斯縣主要農(nóng)作物進行種植結構優(yōu)化，并結合最嚴格水資源管理“三條紅線”各項指標，提出種植結構調整優(yōu)化方案。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

新疆瑪納斯縣地處新疆腹地，位于天山山脈博格達峰北麓，準格爾盆地南緣。北部為古爾班通古特沙漠，中部為沖積扇平原。地貌可以分為三大類型：南部為天山山區(qū)和丘陵區(qū)，是優(yōu)良的夏牧場；中部為沖積平原區(qū)，是該縣主要糧產(chǎn)區(qū)；北部為沙漠區(qū)，是古爾班通古特沙漠的一部分。地理坐標為E85°34′—E86°43′，N43°23′—N45°38′。南北最大長度241.7 km，東西最大寬度88.7 km[9]。瑪納斯縣屬于典型的中溫帶大陸性氣候，冬冷夏熱，且冬季時間較長，光熱條件較好，晝夜溫差較大[10]。年平均氣溫7.2℃，極端最低氣溫零下37.4℃。全年無霜期165 d～172 d，最長達190 d?，敿{斯縣年平均降水量173.3 mm，歷史最高可達到251.1 mm，最大日降水量34.5 mm。

瑪納斯縣有瑪納斯河及塔西河兩條河流，但瑪納斯河和塔西河河流水量年內分布極不均勻[11]，夏季6月—8月水量約占全年的65%，11月至次年3月為枯水期，流量較少，占全年20%左右，最小的是冬蓄期[12]。

1.2 水資源開發(fā)利用情況

2015年瑪納斯縣總用水量55 000萬m3，其中農(nóng)業(yè)用水量48 300萬m3，占總用水量的87.8%；工業(yè)用水量2 100萬m3，占總用水量的3.8%；生活用水量1 100萬m3，占總用水量的1.9%；生態(tài)環(huán)境用水量3 600萬m3，占總用水量6.5%。

按供水類型分，地表水供水量42 600萬m3，占總供水量的77.5%；地下水供水量12 400萬m3。

2015年瑪納斯縣灌溉面積為78.73×103hm2，其中高效節(jié)水面積為40.60×103hm2，占總灌溉面積的51.5%。農(nóng)田綜合灌溉定額為6 135 m3/hm2，比新疆平均定額8 925 m3/hm2偏小32%，說明灌溉水平較先進。

1.3 “三條紅線”用水指標

2013年5月新疆維吾爾自治區(qū)人民政府向瑪納斯縣行署下發(fā)了《關于實行最嚴格水資源管理制度落實“三條紅線”控制指標的通知》(新政函[2013]111號)文件。2014年新疆維吾爾自治區(qū)政協(xié)在十一屆七次常委會上，要求瑪納斯縣2020年用水總量控制指標為51 800萬m3，2030年用水總量控制指標為49 200萬m3，分別較2015年用水量55 000萬m3減少3 200萬m3和5 800萬m3[8]，2020年農(nóng)業(yè)用水總量控制在48 000萬m3，2030年農(nóng)業(yè)用水總量控制在43 500萬m3，分別較2015年農(nóng)業(yè)用水量48 300萬m3減少300萬m3和4 800萬m3。根據(jù)《新疆用水總量控制方案》，要實現(xiàn)上述目標，瑪納斯縣還需退減灌溉面積，2016年—2020年需退減2.733×103hm2，2020年—2030年需退減1.867×103hm2，共計退減4.600×103hm2。

1.4 瑪納斯縣種植結構特點

瑪納斯縣經(jīng)濟以農(nóng)業(yè)為主，是昌吉州的農(nóng)業(yè)大縣，農(nóng)業(yè)是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，工業(yè)經(jīng)濟正在快速發(fā)展，其中規(guī)模較大的有天山電力有限責任公司等，農(nóng)業(yè)主要以種植棉花、葡萄、蔬菜為主[13]。至2015年末瑪納斯縣總人口17.83萬，地方生產(chǎn)總值(GDP)1 653 094萬元，較2014年增長166 523萬元。其中農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值為358 049萬元，增長了3%。

圖1繪出了瑪納斯縣2008年—2015年主要農(nóng)作物的面積百分比。

圖1瑪納斯縣各代表年份主要農(nóng)作物面積構成圖

從圖1可以看出葵花和甜菜的種植比例始終比較穩(wěn)定，2011年小麥和玉米種植比例增加，棉花的種植比例下降，自2011年后各種主要農(nóng)作物的種植面積趨于穩(wěn)定。從圖1可以進一步看出該縣是圍繞玉米和棉花生產(chǎn)，符合國家發(fā)展和改革委員會及農(nóng)業(yè)部于2008年1月編制完成的《全國旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展建設規(guī)劃》(2008年—2015年)中對于西北旱作區(qū)規(guī)定的區(qū)域發(fā)展方向。

瑪納斯縣2015年末總耕地面積為142.651×103hm2，其中水澆地占98%，旱地占1%。2015年農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構見表1。從表1可以看出，小麥和玉米是瑪納斯縣主要的糧食作物，棉花是主要的經(jīng)濟作物，占了總播種面積的一半，經(jīng)濟作物占主導地位。

表1 2015年瑪納斯縣農(nóng)作物播種面積結構表

2 作物結構優(yōu)化模型的建立與求解

2.1 目標函數(shù)

調整種植結構是為了在嚴格控制地表水和地下水資源使用量的情況下，在有限的水資源且維持生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定的條件下創(chuàng)造出更多的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益[14]。目標函數(shù)以經(jīng)濟效益最大化為目的：

(1)

式中：N為結構優(yōu)化后純收益，萬元；Ai為作物種植面積，103hm2；Pi為作物i的產(chǎn)品單價，元/kg；Yi為單位面積產(chǎn)量，kg/hm2；Px為單位水量供水費用，元/m3；Wdi為作物i的凈灌溉定額，m3/hm2；η為灌溉利用系數(shù)；i為作物種類數(shù)，i=1,2，…，n。

2.2 約束條件

(1) 水量約束

(2)

式中：W為農(nóng)田灌溉用水量，萬m3。

(2) 面積約束

(3)

0≤x1+x2+…+xn1≤Aa

0≤x3+x4+…+xn2≤Ab

(4)

式中：A為耕地面積，103hm2；x1，x2代表糧食作物的種植面積，103hm2；x3代表經(jīng)濟作物的種植面積，103hm2；該縣主要的糧食作物種植面積不得大于近三年來現(xiàn)有糧食種植總面積Aa，103hm2；主要經(jīng)濟作物也要小于目前的經(jīng)濟作物總種植面積Ab，103hm2。

(3) 糧食約束

(5)

(4) 農(nóng)作物產(chǎn)量約束

YiAi≥Zi

(6)

式中：xi代表作物i的種植面積，103hm2；Zi代表近5年作物i的最低產(chǎn)量，kg；Z代表近5年各種作物的總產(chǎn)量的最小值，kg。

2.3 模型求解

2.3.1 具體參數(shù)設定

具體的參數(shù)設定見表2，產(chǎn)品單價、農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量、總人口和作物播種面積均為2015年新疆統(tǒng)計年鑒中的數(shù)據(jù)。凈灌溉定額參照2014年《新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水定額地方標準》。單位水量供水費用參照自治區(qū)發(fā)改委發(fā)布的自2016年1月1日起執(zhí)行的新的水資源費征收標準。灌溉利用系數(shù)和農(nóng)業(yè)用水量參照2015年自治區(qū)“三條紅線”有關控制指標。

2.3.2 主要農(nóng)作物結構優(yōu)化結果

為了計算方便，選取小麥、玉米、棉花、葵花和甜菜5種主要作物進行分析。利用LINGO(Linear Interactive and General Optimizer, LINGO)軟件線性規(guī)劃求解，經(jīng)過迭代，全局最優(yōu)計算結果見表3。

表2 具體參數(shù)說明表

表3 優(yōu)化前后結果對比

從表3優(yōu)化結果中可以看出：

(1) 糧食作物。優(yōu)化前后小麥的種植面積沒變，可以繼續(xù)維持現(xiàn)狀。玉米的種植面積增加380 hm2，可以利用玉米帶動畜牧業(yè)和加工業(yè)，完善種、養(yǎng)、加、產(chǎn)、供、銷的一條龍模式，進一步提高玉米的經(jīng)濟效益。

(2) 經(jīng)濟作物。棉花的種植面積減少2.04×103hm2，因為瑪納斯縣棉花產(chǎn)量幾乎占昌吉全州棉花產(chǎn)量的一半，所以棉花生產(chǎn)在整個昌吉州具有舉足輕重的地位，但是由于近幾年棉花上市時的價格遠沒有預期的那么好，棉花價格不盡如意，從價差、財政負擔、農(nóng)資成本等多個角度綜合來看，存在調減棉花種植面積的可能性?？s減棉花種植面積時應盡量選擇低產(chǎn)田，縮減的土地可以發(fā)展林果業(yè)，建設苗木花卉基地，發(fā)展特色農(nóng)作物等?？ǖ扔土献魑锏姆N植面積增加1.33×103hm2，可以把食用葵花當做特色農(nóng)作物，政府和合作社應當加強引導，推廣該特色農(nóng)作物的種植技術?，敿{斯縣可以加大甜菜的種植，增加0.33×103hm2的種植面積?，敿{斯縣有得天獨厚的自然優(yōu)勢，新疆甜菜生產(chǎn)水平和栽培技術已經(jīng)在國內處于較高水平，在今后的生產(chǎn)中，更加注重選取優(yōu)質優(yōu)價的豐產(chǎn)型新品種，不同甜菜品種科學合理搭配，加強病蟲害的防止，不斷完善收購、貯藏與加工一條龍，使甜菜生產(chǎn)為農(nóng)民致富做出更大貢獻。

優(yōu)化后的農(nóng)作物種植面積不變，其總的經(jīng)濟效益卻由136 228.25萬元增加至138 496.78萬元，增加了2 268.53萬元。優(yōu)化后需水量由44 533.26萬m3減少至44 396.25萬m3，減少了137.01萬m3。以上僅是通過軟件計算得出的最優(yōu)的主要農(nóng)作物種植比例，在實際生產(chǎn)生活中，瑪納斯縣的農(nóng)作物種植比例不可能在短時間內達到最優(yōu)化的狀態(tài)且不可盲目調整，但隨著自治區(qū)實行最嚴格水資源管理制度和落實“三條紅線”控制指標，種植結構會向著更科學合理的趨勢發(fā)展。

3 作物種植結構優(yōu)化方案

應用上述模型，結合“三條紅線”用水指標和《用水總量控制方案》對瑪納斯縣2020、2030水平年主要農(nóng)作物種植結構進行優(yōu)化，提出種植結構方案，見表4。

從表4可以看出，2020和2030水平年優(yōu)化的種植總面積和農(nóng)業(yè)用水量都符合“三條紅線”相關規(guī)定?？傮w來看是鞏固小麥和玉米面積，調減棉花面積，推廣特色農(nóng)作物等的農(nóng)業(yè)結構調整思路。小麥和玉米的種植面積保持不變，遠期水平年如果棉花的單價持續(xù)下跌，可以繼續(xù)減少棉花的種植面積，尤其是低產(chǎn)地。適當增加葵花和甜菜的種植面積(優(yōu)先增加甜菜種植面積)。此次優(yōu)化時五種作物的單價按2015年計算，2020和2030水平年灌溉利用系數(shù)分別取0.69和0.72，作物單位面積產(chǎn)量和年末人口數(shù)利用2002年—2015年的相應數(shù)據(jù)采用SPSS19.0版進行線性回歸和人口序列分析預測得出。

表4 不同水平年種植結構優(yōu)化方案

4 結 論

在學習前人對農(nóng)作物種植結構優(yōu)化研究的基礎上，結合線性優(yōu)化與數(shù)理統(tǒng)計分析，針對瑪納斯縣農(nóng)業(yè)用水比重大和作物結構不合理等問題，借鑒可持續(xù)發(fā)展理論和比較優(yōu)勢理論，建立了以“三條紅線”指標為基礎的瑪納斯縣種植結構優(yōu)化方案，并應用LINGO軟件對其進行求解。

優(yōu)化后的瑪納斯縣農(nóng)作物種植面積，主要是縮減了棉花種植面積、增加了玉米和甜菜的種植面積，政府還應該結合相關政策，完善市場體系，特別是要建立完備的農(nóng)產(chǎn)品市場體系，搞好市場劃分，合理確定市場定位，確立市場引導機制，增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科技含量，以科技發(fā)展為重點，全面推進科技進步，用科研提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，例如玉米種植面積的調整，應進一步完善玉米的配套機械和農(nóng)機更新?lián)Q代的選型，提高瑪納斯縣的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化水平，用高新技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)[15]；通過產(chǎn)業(yè)政策和信息引導農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構調整，廣泛利用廣播、電視、網(wǎng)絡和報紙等信息傳播媒介發(fā)布有關于農(nóng)業(yè)的信息，引導農(nóng)民自覺地優(yōu)化種植結構，政府可以定期發(fā)布一些最新的國家農(nóng)業(yè)政策措施，避免農(nóng)民盲目跟風地進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。在產(chǎn)業(yè)結構調整的同時應堅持發(fā)揮本地比較優(yōu)勢，合理調整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構，以促使形成產(chǎn)業(yè)比較優(yōu)勢。還可以深化水價改革，進一步促進水資源可持續(xù)利用[16]，與種植結構優(yōu)化相輔相成，滿足經(jīng)濟效益、水資源供需和生態(tài)三方面的平衡。

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OptimalSchemeofMainCropsPlantingStructureinManasCountyundertheControlof“ThreeRedLines”

MA Linxiao, HE Ying, LIN Li

(CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China)

In recent years, water resources contradiction between supply and demand is prominent in Manas county in Xinjiang Uygur Autonomous Region. In this paper the characteristics of the agricultural planting structure in Manas county is analyzed and the optimal scheme of main crops planting structure is determined by adopting linear programming. Combined with the implementing the specific requirements of “three red lines” under the most strictest water resources management system, we proposed 2020, 2030 planting structure adjustment and optimization program. The results show that the planting proportion of corns can be increased compared with current structure and the planting proportion of wheat can maintain the status quo in the area of grain crops. As for the cash crops, the planting proportion of cotton can be decreased and the planting proportion of helianthus and beetroots can be increased modestly.

plantingstructure;optimalscheme;threeredlines

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.024

2017-05-12

2017-07-28

國家自然科學基金項目(51569031)

馬林瀟(1992—)，女，新疆昌吉人，碩士研究生，研究方向為干旱區(qū)水資源利用與環(huán)境保護。 E-mail:1415236663@qq.com

何 英(1982—)，女，四川涪陵縣人，副教授，主要從事干旱區(qū)水文模擬與水資源評價方面的研究工作。 E-mail：xjheying@126.com

S274

A

1672—1144(2017)06—0122—05