區域農業水土資源復雜適應系統配置研究
——以三江平原為例

馬吉巍, 郭翔宇, 付 強, 王 凱, 馬效松

(東北農業大學, 哈爾濱 150030)

區域農業水土資源復雜適應系統配置研究
——以三江平原為例

馬吉巍, 郭翔宇, 付 強, 王 凱, 馬效松

(東北農業大學, 哈爾濱 150030)

針對三江平原農業用水、用地結構不合理，難以發揮系統最大效能問題，以農墾建三江分局2011年數據為基礎，運用復雜適應系統的思想，構建了三江平原農業水土資源復雜適應性配置模型，并對不同地下水開采方案下的農業水土資源優化配置進行了演化分析。結果表明：隨著地下水開采量的增加，農業產值和糧食產量都有所增加，生態面積在一定范圍內有所減少。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，嚴重阻礙了區域水資源與土地資源的耦合與當地經濟的發展，上述非線性關系以及各子系統對水量變化敏感程度的不同正是其適應性的表現。研究成果對于指導三江平原科學合理的開發利用農業水土資源，提高農業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; 農業水土資源; 復雜適應系統; 主體; 建三江分局

水土資源是農業生產的核心資源[1-2]，是人類賴以生存、發展的基本資料，對區域的可持續發展具有重要作用[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濟的快速發展，對水土資源利用的廣度和強度不斷增加，各部門、各行業之間爭地爭水的矛盾日益尖銳，而農業生產活動作為水土資源的消耗大戶，其配置合理與否，不僅關系到社會經濟的發展，而且影響著生態環境恢復與重建的進程。然而，以往區域資源優化配置研究中，往往是將農業水資源和農業土地資源視為獨立系統分別進行研究[4-11]，且多偏重于農業水資源系統，缺乏與農業土地資源系統的有效耦合，阻礙了區域農業水土資源系統整體效能的充分發揮，容易導致系統超負荷運行的弊端。為此，有必要將農業水、土資源視為一個統一系統進行整體優化配置，以提高區域農業水土資源利用效率，維持系統的相對平衡，并獲得最優的生態經濟效益，實現農業水土資源的可持續利用。因此，本文以三江平原農墾建三江分局為例，將農業水、土資源視為一個復雜適應系統，對其進行復雜適應性配置，從而為提高區域農業水土資源利用效率，獲得更高的糧食生產效益和實現農業水土資源的可持續利用提供重要參考。

1 研究區概況

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區[12]。土地面積1.24萬km2，擁有15個大中型農場，耕地40萬hm2。開發建設以來，全分局累計生產糧食500億kg，為國家提供優質商品糧450億kg。目前，全局農業綜合機械化率達到97%，人均年生產糧食2.5萬kg，農業人均勞動生產率58 080元。雖然建三江分局農業水土資源豐富，但卻存在著嚴重的資源利用問題，其開發利用資源的各種功能都比較滯后。尤其是近年來，隨著農業經濟的發展，在高強度的農業開發下，建三江分局農業水土資源面臨著嚴峻的考驗。由于長期的種植結構單一，而農業灌溉用水80%來自地下水，導致地下水面臨嚴重壓力，加之，耕地“只墾不治”，土壤質量嚴重退化，導致中低產田比例加大。因此，科學合理的配置建三江分局的農業水土資源，實現農業水土資源的可持續利用對于建三江分局具有重要的意義。

2 復雜適應性配置模型構建

2.1 主體分類及適應性描述

對于區域農業水土資源系統，涉及多個具有不同目標的利益實體，因此本著協調發展及概化原則，主體分類按照資源用戶類型進行。有一個區域級政府主體；兩個部門級主體，分別是農業部門主體和生態部門主體；農業部門中分為：水稻主體、玉米主體、大豆主體、小麥主體、油料主體，生態部門分為：森林主體、草原主體、水域主體。

復雜適應系統中主體的學習能力是接收外部環境的刺激，根據規則強度選取反應規則，再對環境產生作用。通過不斷修改規則強度來達到“學習”和“積累經驗”的目的。復雜適應系統的適應過程在本質上是一個優化過程，本文采用一定約束和邊界條件下的目標優化模式來描述主體的學習能力。每個主體都有自己特定的目標，主體根據輸入的邊界條件的變化選取不同的行為參數，以達到自身目標最大化，適應環境的改變。也可以說，每個主體適應性的描述都是一個局部優化模型[13]。

2.1.1 政府主體 區域級政府是整個區域的調控者，其最終優化目標不是單一的，即：政府主體的適應性表現為一個多目標問題的描述。本模型中提出的政府主體適應性表現為區域綜合效益最大，本模型的綜合效益就是農業效益目標和生態效益目標，經過多目標分析方法采用效用函數處理后的單一目標，可以用來綜合評價系統的狀態。而農業效益目標是由糧食產量目標和農業收益目標均衡的結果。具體是將兩個無量綱化的效用函數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——標準生態面積(hm2)；ECOS——無量綱化后的標準生態面積；Y——糧食產量(t)；YS——無量綱化后的糧食產量；M——農業產值(元)；MS——無量綱化后的農業產值；ECOAMAX——最大標準生態面積閾值(hm2)；ECOAMIN——最小標準生態面積閾值(hm2)；YSMAX——最大糧食產量(t)；YSMIN——最小糧食產量(t)；MSMAX——最大糧食產值(元)；MSMIN——最小糧食產值(元)；AWEL——農業效益；SWEL——綜合效益；f——效用函數。

其主要的行為包括：① 水量分配管理：根據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類型的占地面積，由政府土地調度機構完成。③ 糧食管理：確定各糧食作物產量和產值指標，由政府糧食管理部門完成。④ 生態管理：確定生態環境的發展規劃制定發展目標等工作，由政府中的生態管理部門完成。⑤ 社會統計：糧食產量、糧食產值和生態面積實際發生量的統計和匯總工作，由政府中的統計部門完成。

2.1.2 農業生產主體 作為部門級主體，其適應性表現為農業部門的綜合效益最大，包括對糧食產量和農業產值的追求，也是一個多目標問題。

糧食產量核算：Y=yj·sj

(6)

式中：Y——糧食總產量(t)；yj——第j種作物單位面積產量(t/hm2)；sj——第j種作物種植面積(hm2)，j=1，…，6對應農業部門六種作物。

(7)

式中：M——農業收益(元)；Yj——第j種作物產量(t)；Pj——第j種作物單價(元/t)。

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

2.1.3 生態主體 作為部門級主體，其適應性表現為生態部門效益最大，本文采用標準生態面積來衡量生態部門的效益。采用生態足跡法[14]，將不同的生態類型通過“當量因子”轉化成標準生態面積。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，轉化為標準生態面積[15]。

(8)

式中：SECO——標準生態面積；ai——第i類生態主體面積，i=(1，…，3)對應三種生態類型。

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

2.1.4 主體的約束關系 對于政府級主體涉及的約束關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年的農業生產用水量；WE(Y)——第Y年的生態用水量；WB——灌溉回歸水量；Q——區域可利用水資源總量(由于本文研究區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)。

(10)

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

對于部門級主體涉及的約束關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年的農業生產用水量；WE(i,Y)——第i類生態類型第Y年的生態用水量。

2.2 模型框架

模型整體上分為三層，上層是區域政府，其行為包括糧食產量、產值和生態面積的控制、水土資源部門間配置及調度。決策目標是區域綜合效益最大。中層為部門級主體，具有各自的行為和優化的目標，用特定函數描述它們相互之間的連接，實現層次內部“流”的交互，最底層為用戶級主體，通過各自適應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

原始數據來自2012年《建三江統計年鑒》及《黑龍江省水利建設統計資料》。黑龍江省農墾總局建三江分局2011年農業部門相關數據見表1，生態部門相關數據見表2[16]，模型約束條件由各年數據按一定百分比計算得到，見表3。依據如下數據對模型進行初始化，設定相關邊界條件和約束。

表1 農業部門相關數據

圖1 農業水土資源系統整體模型的框架結構表2 生態部門相關數據

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

運用基于實數編碼的多目標嵌套加速遺傳算法對所構建的模型[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。部門級主體根據分配到的水量和土地面積對部門內部的生產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實踐成果如糧食產量和產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生量統計并根據其內部目標進行資源重新分配，用戶級主體進行新一輪生產實踐。如此反復，直至達到部門內部目標效用最大。

(3) 部門級主體將部門內部的最優化結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，再根據區域綜合效益最大化為目標，對各部門進行資源的重新分配，直至到達區域綜合效益最大化。

表3 邊界和約束

4 結果與分析

建三江分局2011年農業和生態可利用土地面積約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，由于該地區主要采用地下水進行灌溉，即農業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根據建三江分局的土壤條件，選擇為0.3，對該地區不同地下水開采方案下的農業水土資源優化配置進行演化分析，方案編號見表4，具體水量分配方案、種植結構調整方案見表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 種植結構調整方案 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致的。小麥雖然經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業產值、糧食產量、標準生態面積以及高效利用土地面積間的關系，如圖2—3所示。

圖2 地下水開采量與糧食產量、農業產值關系

圖3 地下水開采量與標準生態面積、高效利用土地面積關系

由圖2可知，農業產值和糧食產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，嚴重阻礙了區域水資源與土地資源的耦合與當地經濟的發展。上述非線性關系以及各子系統對水量變化敏感程度的不同正是其適應性的表現。

5 結 論

(1) 在分析建三江分局農業水土資源特點的基礎上，構建了擁有一個區域級政府主體和兩個部門級主體的農業水土資源復雜適應性配置模型，為墾區、灌區和其他以農業生產為主的地區進行農業水土資源優化配置研究提供理論參考。

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

(3) 水資源已經成為制約三江平原經濟、社會、生態綜合發展的瓶頸因素，必須結合各用水子系統對水量變化的敏感性和適應性，科學合理地配置地表水和地下水資源，才能實現三江平原農業水土資源的高效利用以及經濟、社會、生態的協調可持續發展。

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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

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

馬吉巍(1980—),男,哈爾濱人,講師,博士生,主要從事農業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,博士生導師,主要從事農業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