基于綜合效益的石羊河流域主導作物優(yōu)化順序研究

鄧建偉 金彥兆

摘要：優(yōu)化出石羊河流域主導作物適種優(yōu)劣順序，為流域綜合治理和農(nóng)業(yè)種植結構調整提供借鑒。以流域種植作物為研究對象，以作物經(jīng)濟、社會、生態(tài)的綜合效益最大化為目標，建立基于綜合效益的主導作物優(yōu)化順序模型，優(yōu)化提出石羊河流域主導作物種植順序。結果表明：石羊河流域作物綜合效益優(yōu)先種植順序為：洋蔥、籽瓜、小麥、玉米、辣椒、棉花、茴香、向日葵。石羊河流域種植結構調整和主導作物推廣中，應按照作物經(jīng)濟、社會和生態(tài)綜合效益最大的原則，根據(jù)石羊河流域主導作物綜合效益優(yōu)化順序結果進行推廣應用，為石羊河流域節(jié)水高效優(yōu)質農(nóng)業(yè)發(fā)展奠定基礎。

關鍵詞：綜合效益;主導作物;種植結構;優(yōu)化順序;石羊河流域

中圖分類號： S-01，TV213.4???? 文獻標志碼：A???? 論文編號：cjas2020-0101

The Optimized Sequence of Leading Crops in Shiyang River Basin Based on Comprehensive Benefits

DENG Jianwei， JIN Yanzhao

（Gansu Research Institutefor Water Conservancy， Lanzhou 730000， Gansu， China）

Abstract： The study aims to optimize the planting sequence of leading crops in Shiyang River Basin， and provide reference for watershed management and the adjustment of planting structure. Taking the leading crops as subjects， we maximized the comprehensive benefits of crop economy， society and ecology， established the optimized sequence model of leading crops based on the comprehensive benefits， and proposed the planting sequence of leading crops in Shiyang River Basin. The results show that the optimized planting sequence of leading crops is onion， seed melon， wheat， corn， pepper， cotton， fennel and sunflower in the Shiyang River Basin. In the process of the planting structure adjustment and leading crop extension in Shiyang River Basin， the principle of maximizing the comprehensive benefits of crop economy， society and ecology should be followed， and the results of the optimized planting sequence of leading crops should be applied， in order to lay a foundation for the development ofwater-saving， efficient and high-quality agriculture in Shiyang River Basin. Keywords： comprehensive benefits; leading crops; planting structure; optimized sequence; ShiYang River Basin

0引言

人們在不同區(qū)域內特定的自然條件下，經(jīng)過長期的耕作、生產(chǎn)等活動，已經(jīng)總結出適合區(qū)域發(fā)展的主導作物，為了生存與發(fā)展，一直以經(jīng)濟效益最大原則確定種植作物種類，為了追求最大的經(jīng)濟效益，開山造地、圍湖造田，過量施用化肥與農(nóng)藥，過量灌溉等，造成了土壤板結、土壤酸化、鹽堿化等一系列的問題[1]。為了扼制破壞自然的行為，國家提出了節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策，走綠色發(fā)展的道路。中國非常重視作物主導品種的推廣，農(nóng)業(yè)部于2004年制定了《農(nóng)業(yè)主導品種和主推技術推介發(fā)布辦法》[2]，引導廣大農(nóng)戶選擇優(yōu)良品種;農(nóng)業(yè)部啟動了《四大作物綜合生產(chǎn)能力科技提升試點行動》[3]，在小麥、玉米、水稻、大豆四大作物的13個主產(chǎn)省的30個縣，大面積示范推廣50個優(yōu)質高產(chǎn)新品種和10項先進實用的糧食節(jié)本增效新技術。隨后，各地方政府也分別制定了本區(qū)域的主導品種，2009年湖南省農(nóng)業(yè)廳發(fā)布2009年糧食作物主導品種[4]，2012年湖南省發(fā)布2012—2013年糧油作物良種補貼主導品種[5]。為了評估主導品種推廣績效，莊道元[6]以安徽小麥為例，系統(tǒng)分析了安徽小麥主導品種推廣現(xiàn)狀、影響農(nóng)戶選擇主導品種的因素、增產(chǎn)效果等。目前關于不同區(qū)域、不同流域主導作物的研究較少，人們對作物的選擇往往以經(jīng)濟效益最大作為目標，但隨著國內水資源短缺、生態(tài)問題等因素制約，必須重新考慮主導作物確定的方法。面對國家對水土資源嚴格監(jiān)管的政策，傳統(tǒng)的高耗低效型農(nóng)業(yè)已難以繼續(xù)，單純以追求經(jīng)濟效益的思路必須轉變，相應的農(nóng)業(yè)結構和作物布局必須順應形勢調整，向追求經(jīng)濟、社會、生態(tài)綜合效益最優(yōu)的高效優(yōu)質型農(nóng)業(yè)轉變[7]。因此，亟需探索基于綜合效益最優(yōu)的主導作物優(yōu)化順序方法，篩選適合區(qū)域條件的主導作物種植順序，為區(qū)域高效優(yōu)質農(nóng)業(yè)發(fā)展提供理論依據(jù)與重要借鑒。本研究以石羊河流域主導作物[8-9]為研究對象，以作物經(jīng)濟、社會、生態(tài)的綜合效益最大為目標，建立基于綜合效益的主導作物優(yōu)化順序模型，通過模型計算后，優(yōu)化提出了石羊河流域主導作物適種作物優(yōu)劣順序，對于優(yōu)化農(nóng)作物種植結構、指導區(qū)域農(nóng)作物生產(chǎn)具有重要意義。

1材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

石羊河是甘肅省河西走廊三大內陸河水系之一，發(fā)源于祁連山冷龍嶺，終于民勤綠洲，是民勤綠洲唯一的地表河流。流域位于甘肅省河西走廊東部，烏稍嶺以西，祁連山北麓，介于101°41′—104°16′E，36°29′—39°27′N之間，流域土地總面積4.16×104 km2。流域涉及甘肅省武威市古浪縣、涼州區(qū)、民勤縣以及天祝藏族自治鄉(xiāng)，金昌市永昌縣、金川區(qū)，張掖市肅南裕固族自治縣、山丹縣，白銀市景泰縣。為遏制流域生態(tài)惡化趨勢，拯救民勤綠洲，甘肅省成立石羊河流域管理機構，國務院于2007年批復實施《甘肅省石羊河流域重點治理規(guī)劃》。歷經(jīng)十多年艱苦治理，初步解決了水資源開發(fā)利用程度過高、用水矛盾突出、生態(tài)環(huán)境惡化等突出問題，有效阻隔了巴丹吉林和騰格里兩大沙漠合攏，民勤沒有變成“第二個羅布泊”[10]。截至2017年底，流域總人口229.45×104人，耕地面積325.7×103 hm2，農(nóng)田有效灌溉面積306.93×103 hm2，林草實灌面積33.69×103 hm2，糧食總產(chǎn)量148.00×107 kg[11]。

1.2 研究方法

作物生長的重要決定因素就是土壤和水分，作物最終產(chǎn)量和產(chǎn)值是衡量作物效益的最終目標，不同領域的研究者對作物效益用不同方法衡量，土地生產(chǎn)力是農(nóng)業(yè)科研人員采用指標，而水分生產(chǎn)力是水利科研人員經(jīng)常采用的指標。土地生產(chǎn)力是作物在某種土地自然情況和人類對土地改造后產(chǎn)生的效益[12-15];水分生產(chǎn)力是作物在一定的水分條件下，人類采用灌溉、耕作等改造措施后所獲得的產(chǎn)量或產(chǎn)值[16-17]。他們的共同特點都是人類對自然條件的改造成果，都受自然因素和社會因素影響。自然因素是決定主體，影響土地的自然因素包括土壤物理性質、化學性質和土壤環(huán)境，影響水分的自然因素包括區(qū)域降水、區(qū)域水源條件、水質等因素。隨著人類改造自然水平的不斷增強，社會因素將逐漸成為影響土地生產(chǎn)力和水分生產(chǎn)力的主要因素，影響土地生產(chǎn)力和水分生產(chǎn)力的社會因素相似，主要是人類改良土壤、改善水分條件的投入情況，如為提高土地生產(chǎn)力而產(chǎn)生的勞動力投入、肥料投入和機械投入等，為提高水分生產(chǎn)力而建造的灌溉工程、田間灌溉措施和灌溉管理措施等。因此，在衡量作物的生產(chǎn)水平時，應協(xié)調、綜合考慮作物的土地生產(chǎn)力和水分生產(chǎn)力，改變傳統(tǒng)的以經(jīng)濟效益衡量作物的方法，用作物的經(jīng)濟、社會、生態(tài)的綜合效益衡量作物。

參考聯(lián)合國糧農(nóng)組織于1971年提出的土地生產(chǎn)力指數(shù)模型[18]，綜合考慮影響作物的土地生產(chǎn)力和水分生產(chǎn)力的綜合因素，建立基于綜合效益的主導作物優(yōu)化順序模型，取經(jīng)濟、社會、生態(tài)各單因素的幾何平均值作為總的目標函數(shù)，計算公式見公式（1）。PI為綜合效益評價指數(shù)，PI越大表示綜合效益越好;F1為水分生產(chǎn)率（kg/m3或元/m3），表示在一定的作物品種和耕作栽培條件下，單位水資源量所獲得的產(chǎn)量或產(chǎn)值;F2為第j 種作物的經(jīng)濟效益（元/hm2），計算方法見公式（2）;F3為農(nóng)業(yè)水管理科學化程度，主要對灌區(qū)管理機構設置情況、灌溉水管理秩序、水價政策、地下水灌溉相關政策以及農(nóng)民是否參與灌溉管理和參與程度等方面的情況進行綜合評價;F4為社會節(jié)水意識程度，灌區(qū)群眾的節(jié)水意識除了受當?shù)厮Y源稟賦條件影響之外，還受到農(nóng)業(yè)水資源利用方式的影響，高效節(jié)水的利用方式在向灌區(qū)群眾展示高效節(jié)水的效果之外，直接影響著農(nóng)戶的灌溉習慣，評價方法可以采用評分法，就幾個主要方面進行評分，并綜合評分結果;F5為有益耗水比例，作物用于生產(chǎn)性消耗的水量與總用水量的比值，其中作物生產(chǎn)性消耗的水量采用甘肅省水利科學研究院已開展的相關實驗數(shù)據(jù)[19];F6種植作物產(chǎn)生的生態(tài)效益，主要采用單位面積上作物的生態(tài)貢獻率計算，見公式（3），Aj為第j種作物的種植面積（hm2）;Cj為第j種作物產(chǎn)品的單價（元/kg）;Sj為第j種作物灌溉條件下產(chǎn)量（kg/hm2）;ECOj為第j種作物灌溉時單位面積對生態(tài)的貢獻率。

PI =6? ……………………………（1）

F2=AjCjSj?? ……………………………………（2）

F6=AjECOj? ……………………………………（3）

生態(tài)效益定量化指標參考甘肅省水利科學研究院承擔的國家科技支撐計劃“民勤生態(tài)經(jīng)濟型綠洲技術集成試驗示范”中作物種植結構優(yōu)化中成果[20]。

2結果與分析

2.1 評價指標的確定

評價指標的選取本著指標的代表性、可量化性和獨立性等原則，另外還要考慮評價指標的數(shù)據(jù)來源易于得到和進行分析計算。綜合以上考慮，選擇了水分生產(chǎn)效率、作物每公頃凈效益、農(nóng)業(yè)水管理程度、社會節(jié)水意識程度、作物有益耗水比例和作物生態(tài)貢獻率作為評價指標，構建了石羊河流域主導作物優(yōu)化順序指標體系。

石羊河流域主導作物優(yōu)化順序指標體系計算結果表 1。

2.2 評價指標標準化

由于不同參數(shù)具有不同的量綱且數(shù)量級差別很大。為了排除不同量綱和不同數(shù)量級對評價結果的影響，需要對各參數(shù)的原始數(shù)據(jù)進行標準化處理[21]。在

此采用極差標準化進行處理，具體公式見式（4）。

式中，Xij為評價指標標準化后的值，xij為評價指標原始值。

采用公式（4）對石羊河流域主導作物優(yōu)化順序指標體系進行標準化，計算結果見表2。

2.3 評價結果

采用本研究建立的基于綜合效益的主導作物優(yōu)化順序模型，應用公式（1），采用表2中標準化后的指標數(shù)據(jù)對所選用的指標進行綜合評價，評價結果見表3。從評價結果可以看出，綜合考慮作物的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益，流域內各灌區(qū)作物種植的優(yōu)劣順序為洋蔥、籽瓜、小麥、玉米、辣椒、棉花、茴香、食葵。

3討論

石羊河流域水土資源緊缺，通過治理雖然取得了一定成效，但隨著經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展，水土資源緊缺的形勢將愈加嚴峻，因此，石羊河流域要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須合理控制農(nóng)業(yè)開發(fā)與灌溉規(guī)模，發(fā)展節(jié)水高效農(nóng)業(yè)是干旱區(qū)水資源可持續(xù)利用與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇[22]。在發(fā)展節(jié)水高效農(nóng)業(yè)的過程中，農(nóng)業(yè)結構和作物布局應充分考慮區(qū)域的水土資源條件，根據(jù)各地區(qū)的最嚴格的水資源管理制度和土壤質量標準、耕地紅線等指標，優(yōu)化種植結構，實現(xiàn)由單一節(jié)水高產(chǎn)向節(jié)水提質高效轉變[23]，實現(xiàn)由追求單產(chǎn)最高的豐水高產(chǎn)型農(nóng)業(yè)向節(jié)水高效優(yōu)質型農(nóng)業(yè)轉變，為流域的經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展提供支撐。

鄧建偉[8]2014年開展了石羊河流域主導作物篩選研究，本文是在此基礎上的進一步深化，力求通過綜合效益最大的目標，優(yōu)化出石羊河流域主導作物的優(yōu)化順序。關于石羊河流域主導作物和主導作物優(yōu)化順序的研究較少，而主導作物是流域種植結構優(yōu)化的重要參數(shù)，因此，采用石羊河流域種植結構的優(yōu)化成果與本文的研究結論進行比較。在石羊河流域近期治理的初期，王以兵[24]、李新平[25]認為應壓縮玉米等高耗水糧食作物種植比例，發(fā)展高效節(jié)水灌溉，提高籽瓜等效益高的經(jīng)濟作物種植比例。徐萬林[26]對民勤縣75%水文年種植結構進行了優(yōu)化，優(yōu)化的種植結構增加了白蘭瓜、辣椒和棉花等經(jīng)濟效益相對較高、灌水量相對較少的作物種植面積，減少了苜蓿、小麥、玉米等經(jīng)濟效益相對較低、灌水量相對較多的作物種植面積。李萬希[27] 研究發(fā)現(xiàn)1970—2009年石羊河流域農(nóng)耕期的有效積溫明顯增多，無霜期日數(shù)增加，使農(nóng)業(yè)種植結構發(fā)生了變化，玉米、葡萄、棉花等喜溫作物種植面積進一步擴大，春小麥、春油菜等喜涼作物種植面積逐年減少。何鳳[28]提出大力壓縮高耗水作物小麥、玉米，同時加大低耗水高效益的經(jīng)濟作物棉花、葵花、瓜類等種植比例。陳樂[29]通過研究發(fā)現(xiàn)，石羊河流域從起初以糧食作物種植為主發(fā)展到現(xiàn)在追求經(jīng)濟效益最大化的多種作物協(xié)調種植，這種變化使得石羊河流域農(nóng)作物種植結構變得日趨合理。趙建明[30]建立了石羊河多要素農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置模型，對流域內小麥、玉米、棉花等主要作物的種植面積進行優(yōu)化，結果顯示，經(jīng)濟作物的相對最優(yōu)隸屬度大于糧食作物。王雪[31]研究發(fā)現(xiàn)在種植業(yè)結構中小麥的主體地位日益喪失，近幾年糧改飼種植結構模式發(fā)展趨勢明顯。與上述研究比較，流域內種植的主要作物為小麥、玉米、棉花、向日葵、籽瓜、洋蔥、辣椒、茴香等，種植的主要作物一致，本研究的篩選確定的作物為石羊河流域的主導種植作物。種植結構調整的研究結果普遍認為應大力壓縮小麥、玉米等傳統(tǒng)高耗水糧食作物的種植比例，加大瓜類、蔬菜、棉花等低耗水經(jīng)濟作物的種植比例，與本研究主導作物優(yōu)化順序是統(tǒng)一的。

種植結構調整、主導作物推廣是國家推進農(nóng)業(yè)供給側結構改革的重要措施，是提高農(nóng)業(yè)供給體系質量和效率的重要措施。隨著中國生態(tài)建設、綠色發(fā)展力度的不斷加大，單純以追求經(jīng)濟凈效益最大為目標的種植方式已然不適合現(xiàn)階段的發(fā)展要求，因此，政府必須加強引導，加大宣傳力度，重視作物的綜合效益，逐步提高群眾意識，最終使成果在實際中普遍應用。

4結論

面對石羊河流域水土資源緊缺的嚴峻形勢，和國家最嚴格水土資源管理的要求，必須改變傳統(tǒng)的以經(jīng)濟效益最大為目標選擇主導作物，重視作物的經(jīng)濟、社會和生態(tài)等綜合效益，按照確定的石羊河流域主導作物綜合效益優(yōu)化順序進行種植結構調整與作物的推廣應用，為石羊河流域節(jié)水高效優(yōu)質農(nóng)業(yè)發(fā)展奠定基礎。

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