基于多目標優(yōu)化的黑龍江省農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整

李闖 高萱 祝悅 李林峰 劉家福

(吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，吉林 四平 136000)

引言

隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展、耕地保護能力提高,以及國家對農(nóng)業(yè)政策的扶持工作等舉措,我國糧食生產(chǎn)已達到國際先進水平,直至2015年我國基本上保證了糧食自給的供需平衡,為未來農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)。在我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展進程中一直伴隨著不斷的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)變化,結(jié)構(gòu)的變化和調(diào)整推動了農(nóng)業(yè)發(fā)展、適應(yīng)了不斷變化的食品和其它農(nóng)產(chǎn)品需求,也有力地促進了我國農(nóng)產(chǎn)品的市場化改革和農(nóng)民增收,種植業(yè)是農(nóng)業(yè)的主體部分,種植結(jié)構(gòu)調(diào)整一直以來受到農(nóng)業(yè)部門的高度重視,因此施行一些有關(guān)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的政策,這些政策的特點是由適應(yīng)性調(diào)整政策過渡至決策性政策[1-3]。隨著全國各行業(yè)的快速發(fā)展,人們的收入逐漸增加,人均可支配收入及恩格爾系數(shù)隨之提高。此3項數(shù)據(jù)的提高,促進人們對于更高品質(zhì)生活的追求,尤其是對糧食的需求。目前我國糧食已經(jīng)可以滿足溫飽,且逐步由溫飽型轉(zhuǎn)向至營養(yǎng)型。然而發(fā)展農(nóng)業(yè)的同時,也同樣顯露出許多問題。雖然農(nóng)業(yè)是人類生存和發(fā)展的命脈,也是水資源使用的大戶,但是據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計,農(nóng)業(yè)用水量占全國總用水量的62.1%,這也使其成為農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的一個重要因素[4-6]。如何在提高水資源利用率的同時節(jié)約現(xiàn)有的水資源并可以滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展,是目前研究的重點問題。一味的節(jié)水會導(dǎo)致糧食產(chǎn)量縮減及質(zhì)量下降,從而帶來如人均量糧食需求無法滿足及社會經(jīng)濟效益受損等一系列負面影響。所以需要通過一定的方法調(diào)整現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu),以農(nóng)作物的需水量以及市場效益等方面為目標,使得調(diào)整后的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)目標的情況下完成區(qū)域綜合效益的最大化,是目前我國農(nóng)業(yè)應(yīng)著力解決的重大問題。

1 研究區(qū)位置與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)位置

黑龍江位于我國的東北部地區(qū),其省會為哈爾濱市,面積約為47.3萬km2,是我國位置最北、緯度最高的省份,其經(jīng)緯度為N43°25′～53°33′,E121°11′～135°05′。黑龍江東、北以烏蘇里江、黑龍江為界河與俄羅斯為鄰,西接內(nèi)蒙古,南接吉林。黑龍江面積遼闊約占我國總面積的4.9%,西北、東南部地勢高,東北、西南部低,主要由山地、平原、臺地構(gòu)成,主要生產(chǎn)水稻、玉米、大豆等作物,形成以三江平原、松嫩平原為主要地區(qū)的糧食產(chǎn)地[1]。研究區(qū)位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文研究數(shù)據(jù)來源主要包括《黑龍江省統(tǒng)計年鑒(2016)年》《中國居民膳食指南》《全國農(nóng)產(chǎn)品收益匯編(2016年)》《中國糧食統(tǒng)計年鑒》,以及中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)等。

2 研究方法

2.1 模型的建立

2.1.1 各目標函數(shù)構(gòu)建2.1.1.1 經(jīng)濟效益目標函數(shù)

根據(jù)水稻、玉米、大豆、高粱、馬鈴薯各作物的單價、單產(chǎn)以及種植面積。計算黑龍江省2015年5種作物總體收益之和,構(gòu)建經(jīng)濟效益目標函數(shù)表達式[9,11-13]:

式中,pi、qi、xi和ki分別為第i種作物的單價,元·kg-1,單產(chǎn),kg·hm-2,面積,hm2,以及種植成本,元·kg-1。

2.1.1 .2 節(jié)水效益目標函數(shù)

在滿足黑龍江省社會經(jīng)濟正常發(fā)展以及糧食安全的作物產(chǎn)量要求下,調(diào)整5種作物的種植面積,至使農(nóng)業(yè)需水量最小[13,14],進而構(gòu)建節(jié)水效益目標函數(shù)。表達式:

式中,f2(x)為黑龍江省5種作物需水量之和,m3；Mi為i種作物的需水量,m3·hm-2；xi為5種作物播種面積,hm2。

2.1.1 .3 生態(tài)效益目標函數(shù)

生態(tài)效益是一個定性指標并不能直接參與運算,因此需轉(zhuǎn)化為定量指標來構(gòu)建生態(tài)效益目標函數(shù)[15]。因此,采用農(nóng)業(yè)對生態(tài)環(huán)境造成的危害來表示這一指標,主要體現(xiàn)在化肥、農(nóng)藥以及農(nóng)膜對自然環(huán)境的污染程度表示。構(gòu)建出生態(tài)效益目標函數(shù)表達式:

式中,f3(x)為黑龍江省5種作物生態(tài)收益(衡量)；Hi為第i種作物化肥、農(nóng)藥及農(nóng)膜費用之和,元·hm-2；

2.1.2 約束條件的構(gòu)建

2.1.2 .1 總面積約束約束條件

農(nóng)作物結(jié)構(gòu)調(diào)整應(yīng)在合理的耕地面積內(nèi)進行調(diào)整,上限為耕地面積(5種作物耕地總面積),構(gòu)建表達式:

式中,s為黑龍江省5種作物耕種總面積,hm2。

2.1.2 .2 水資源總量約束條件

農(nóng)作物需要一定量的水資源,但是不可能超過該地區(qū)的整體總水量,構(gòu)建表達式:

式中,yi為第i種作物需水量,m3·hm-2；Q為黑龍江省總水量,m3。

2.1.2 .3 糧食要求約束條件

區(qū)域內(nèi)糧食產(chǎn)量應(yīng)滿足該區(qū)域內(nèi)人口所需要,以此根據(jù)《中國居民膳食指南》中420kg為人均糧食水平的底線。

式中,p為黑龍江省總?cè)丝凇?/p>

2.1.2 .4 其他約束條件

黑龍江省5種作物面積不能為負數(shù)。

2.2 種植結(jié)構(gòu)多目標優(yōu)化調(diào)整模型構(gòu)建

通過對目標函數(shù)、約束條件以及其他約束條件,進而確定出黑龍江省種植結(jié)構(gòu)調(diào)整模型中的相關(guān)參數(shù)。結(jié)合多目標優(yōu)化算法,通過MatLAB構(gòu)建出黑龍江省種植結(jié)構(gòu)多目標優(yōu)化調(diào)整模型。

3 黑龍江省種植結(jié)構(gòu)調(diào)整

3.1 作物需水量

農(nóng)業(yè)用水主要由灌溉用水及畜牧用水組成,作物需水量是灌溉用水重要組成部分。農(nóng)業(yè)部門在不同區(qū)域制定符合當?shù)馗艣r的灌溉制度,以期合理利用農(nóng)業(yè)水資源,因此作物需水量一直以來是相關(guān)領(lǐng)域研究者所關(guān)注的重點問題[16]。

作物需水量是指在滿足高產(chǎn)量的目標下,其生長周期內(nèi)所有用水之和。同一作物生育階段不同其需水量也不同,影響作物需水量的外界因素主要包括氣候氣象、土壤質(zhì)地、作物種類及地形地貌等。利用Arc-GIS中柵格統(tǒng)計工具統(tǒng)計出各地級市參照需水量。利用彭曼公式的單作物系數(shù)法,計算黑龍江省各地級市不同作物整個生育周期的需水量,見表1。

表1 黑龍江省各地級市作物需水量

3.2 生態(tài)效益指標選取

耕地在為人類提供經(jīng)濟價值的同時,也帶來相應(yīng)的生態(tài)效益。生態(tài)效益主要表現(xiàn)在涵養(yǎng)水源、凈化空氣、改善土壤質(zhì)量、豐富生物多樣性等方面。國內(nèi)外對耕地生態(tài)效益評估方法很多,主要包括偏好價值評估法(Revealed Preference,RP)、收益還原法、市場比較法、剩余法和基準地價系數(shù)法[17]。查詢2015年全國農(nóng)產(chǎn)品收益匯編中黑龍江省每667m2水稻、玉米、大豆、高粱、馬鈴薯的化肥費、農(nóng)膜費與農(nóng)藥費用,以三者之和為數(shù)據(jù)源。為直觀取該值的倒數(shù)乘以7500表示(該值與生態(tài)效益成正),見表2。

表2 5種作物生態(tài)效益指標

3.3 5種糧食人均年需求量

我國是發(fā)展中的農(nóng)業(yè)大國,糧食是人類生活的必需品,關(guān)乎到國家與社會的穩(wěn)定,因此糧食安全備受政府的重視。通過分析我國人均糧食需求量的組成情況,從營養(yǎng)學(xué)上以人類健康生活為角度,估算人均糧食的需求量。本研究主要依據(jù)中國營養(yǎng)學(xué)會制定的《2017年中國居民膳食指南》,所給出的中國人口每日糧食需求量,以1a 365d為準。計算出水稻、玉米、大豆、高粱、馬鈴薯5種作物人均年需求量,見表3。

表3 糧食人均年需求量

3.4 黑龍江省各地級市作物單產(chǎn)

2004—2015 年,我國糧食產(chǎn)量連續(xù)11a呈現(xiàn)增長形式。出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要因為科技的進步、資源的合理利用以及國家政策的支持。本研究通過查閱2016年黑龍江省統(tǒng)計年鑒,分別查出各地級市5種主要農(nóng)作物總種植面積以及總產(chǎn)量,計算出相應(yīng)作物單位面積的產(chǎn)量,得出的結(jié)果見表4,在中國糧食網(wǎng)上可以查詢到2015年主要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量、面積以及單位面積產(chǎn)量數(shù)據(jù),其中,玉米單產(chǎn)為5890.5kg·hm-2,水稻單產(chǎn)為6523.1kg·hm-2,其他3種作物在中國糧食網(wǎng)中沒有表示,因此,本文不予列出。由表4可以看出,黑龍江省玉米單產(chǎn)最高出現(xiàn)在大慶市,比全國平均產(chǎn)量多2250kg·hm-2,而水稻單產(chǎn)不一,均在全國水平左右,其中雙鴨山單產(chǎn)最高為7270.15kg·hm-2,大興安嶺地區(qū)單產(chǎn)最低4500kg·hm-2,與全國相比少單產(chǎn)少了2023.1kg·hm-2。黑龍江省是我國大豆主要產(chǎn)區(qū),其產(chǎn)量大致相當,均保持在2000kg·hm-2左右,高粱單產(chǎn)七臺河最高而牡丹江市最低。馬鈴薯佳木斯最高為7876.13kg·hm-2,具體單產(chǎn)見表4。

表4 2015年5種主要糧食作物單位面積產(chǎn)量

3.5 多目標優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)調(diào)整結(jié)果

將黑龍江省各個地級市數(shù)據(jù)帶入多目標優(yōu)化模型進行求解,以經(jīng)濟效益為目標函數(shù),計算出各地級市水稻、玉米、大豆、高粱、馬鈴薯相應(yīng)的種植面積結(jié)果,見表5。

表5 綜合效益目標各地級市農(nóng)作物種植面積

由綜合效益目標函數(shù)下各地級市農(nóng)作物面積結(jié)果可以看出,調(diào)整后各地級市種植面積與2015年5種農(nóng)作物種植面積相同；由黑龍江省整體農(nóng)作物種植面積來看,玉米種植面積最多,面積為6432676hm2,占5種農(nóng)作物總面積的57%；其次是水稻,約占總面積的22.17%；大豆面積居中,為1839050hm2；馬鈴薯和高粱的面積最少,僅占黑龍江省5種作物總面積的3.54%。由各地級市作物種植面積可以看出,水稻種植面積最多的是哈爾濱市,種植面積約占全省水稻面積的26.91%,其次是佳木斯市、綏化市和齊齊哈爾市；玉米種植面積最多的是齊齊哈爾市,哈爾濱市與綏化市面積相當,分別為1160024hm2,11056533hm2,面積最小的是大興安嶺地區(qū)僅為3182hm2；大豆種植面積最多的是大興安嶺地區(qū),面積為152094hm2,其次是佳木斯和哈爾濱市；高粱種植面積在全省看來面積較為平均,最多的是齊齊哈爾市,面積最少的是伊春市,二者的差為14749hm2,馬鈴薯種植面積最多的是齊齊哈爾市,面積為115045hm2,面積最少的是大興安嶺地區(qū),面積為2896hm2。

利用ArcGIS軟件,對黑龍江省各個地級市進行面積賦值,用柱狀圖表示出各個地級市5種農(nóng)作物相應(yīng)的種植面積,見圖2。

圖2 調(diào)整后5種農(nóng)作物種植面積空間分布

4 黑龍江省綜合效益與現(xiàn)狀對比分析

4.1 綜合效益面積與現(xiàn)狀對比

將綜合效益目標調(diào)整后的面積大小與2015年黑龍江省5種農(nóng)作物種植現(xiàn)狀面積做差,對比各地級市農(nóng)作物面積的變化情況,見表6。

表6 綜合效益面積與現(xiàn)狀差

通過觀察黑龍江省5種農(nóng)作物總面積的變化情況可以看出,玉米、大豆的面積減少,其中玉米面積變化最多,共減少373601hm2,而大豆面積僅減少63300hm2,減少比例占玉米減少面積的16.94%。水稻、高粱及馬鈴薯面積呈增加狀態(tài),共增加面積為436901hm2,其中主要來自玉米面積的轉(zhuǎn)換。從各地級市5種農(nóng)作物面積變化來看,水稻面積均呈現(xiàn)增加的趨勢。其中哈爾濱市水稻增加面積最多,共增加67861hm2,其次是綏化市,占水稻增加面積的13.89%,水稻面積增加較少的地級市是七臺河市和黑河市,共增加1927hm2；玉米面積有增有減,面積增加的有大慶市和伊春市,大慶市增加的面積大于伊春市,玉米種植面積減少最多的是哈爾濱市,其次是佳木斯市和雙鴨山市,面積減少最少的是七臺河市和鶴崗市,均在1000hm2左右；大豆的種植面積也有增有減,減少最多的是綏化市共減少178909hm2,其次是伊春市,增加的城市主要有齊齊哈爾、哈爾濱、黑河市及牡丹江市；高粱的種植面積在各地級市中呈現(xiàn)整體增加的態(tài)勢,增加的主要城市是佳木斯、牡丹江及綏化市；馬鈴薯種植面積只有大興安嶺是減少682hm2,其他地級市均增加,共增加10809hm2。

4.2 綜合效益產(chǎn)值與現(xiàn)狀對比

通過查閱全國成本收益匯編得出黑龍江省5種農(nóng)作物的現(xiàn)金成本以及5種農(nóng)作物的平均價格。并計算出5種農(nóng)作物的收益、作物需水量及生態(tài)效益值,以及黑龍江省綜合效益目標的產(chǎn)值,其中生態(tài)效益是一個衡量值,值越大生態(tài)效益越高。將綜合效益目標調(diào)整后的效益產(chǎn)值與2015年黑龍江省效益產(chǎn)值做差,對比各地級市效益產(chǎn)值的變化情況,見表7。

表7 綜合效益目標產(chǎn)值

通過觀察黑龍江省各地級市效益產(chǎn)值的變化情況,綜合效益目標下的黑龍江省種植結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟效益比2015年現(xiàn)狀的減少757482×104元,但農(nóng)業(yè)用水量卻減少了19693714.6×104m3,生態(tài)效益值提高829324.9；整體來看綜合效益目標下的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整,雖然經(jīng)濟效益減少了,但是為黑龍江省帶來了生態(tài)效益及節(jié)水效益。從可持續(xù)發(fā)展觀來看,綜合效益目標的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整更合理,更有利于黑龍江省未來的社會經(jīng)濟發(fā)展。由各個地級市可以看出,調(diào)整后只有黑河市的經(jīng)濟效益增加了382.9×104元,其他地級市效益均減少；用水量各個地級市均減少,減少前2位的是綏化市和齊齊哈爾市；從生態(tài)效益角度來看,各地級市中齊齊哈爾市、雙鴨山市以及大興安嶺地區(qū)生態(tài)效益減少,其他地級市均增加。

5 結(jié)論

通過對黑龍江省種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的現(xiàn)狀以及存在的問題進行分析,進而尋找出影響黑龍江省種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的因素。同時結(jié)合國家政策以及市場導(dǎo)向,確定出調(diào)整方向。應(yīng)用MatLAB軟件構(gòu)建種植結(jié)構(gòu)多目標優(yōu)化調(diào)整模型,獲得綜合效益目標下各個地級市5種農(nóng)作物相應(yīng)的面積,及產(chǎn)生的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益及節(jié)水效益值,與現(xiàn)狀進行對比分析?？梢缘贸鼍C合效益目標下調(diào)整后的黑龍江省馬鈴薯種植面積增加108691hm2,主要因為馬鈴薯的生長周期需水量小于水稻、玉米、大豆,在水資源較缺的地區(qū)將其他糧食作物改為種植馬鈴薯,可有效解決農(nóng)業(yè)水資源短缺的問題。但是通過對比多目標優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)調(diào)整及種植結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的5種農(nóng)作物經(jīng)濟效益、用水量及生態(tài)效益值來看,黑龍江省種植結(jié)構(gòu)調(diào)整后的經(jīng)濟效益減少,而節(jié)水效益及生態(tài)效益增加,這也意味著,經(jīng)濟效益的增加是以破壞生態(tài)效益及資源來取得的。

結(jié)果表明,基于生態(tài)效益、節(jié)水效益及經(jīng)濟效益的多目標優(yōu)化的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整是可行的。針對黑龍江省資源稟賦、環(huán)境現(xiàn)狀以及農(nóng)業(yè)政策的引導(dǎo),確定研究模型及方法,進行種植結(jié)構(gòu)調(diào)整,得出的結(jié)果為黑龍江省政府進行決策未來種植結(jié)構(gòu)調(diào)整方向,提供了可信度極高的調(diào)整方案及辦法。