石家莊市農業種植結構變化對水資源和能源利用的影響

王岳光，黃銀洲，宋丹

（蘭州大學資源環境學院，甘肅蘭州730000）

石家莊市農業種植結構變化對水資源和能源利用的影響

王岳光，黃銀洲，宋丹

（蘭州大學資源環境學院，甘肅蘭州730000）

為研究農業種植結構對水能利用的影響，以實現糧食增產、農民增收、農業節水節能的協調發展，對石家莊各縣（市）2002年、2007年、2012年的農業種植結構以及農業用水和用能量的變化情況進行分析。結果表明：（1）石家莊市農業耗水大縣主要集中在東部及東南部；西部及西南部的縣（市）耗水量較少，同時農業能耗量呈現出與水耗量變化的相對一致性，這主要受西部地區地形所限，可耕地面積少，農業種植結構中除夏玉米、冬小麥外，谷子等低耗水的傳統農作物仍較多，經濟作物種植面積遠小于東部縣市；（2）2002～2012年石家莊各縣（市）農業水能利用量變化表現出一定差異：其中，藁城、辛集、贊皇、平山、行唐、趙縣、深澤、元氏、新樂和鹿泉10個縣（市）呈現出水能變化的一致性；其余7縣（市）及市區仍存在著水能變化不一致的現象。這主要是由各地的自然條件及其對農業種植結構的調整造成的。

農業種植結構；耗水量；耗能量

水循環、碳能循環、農業生產和氣候變化緊密聯系[1]，水資源和能源是區域經濟發展的重要要素[2，3]，石家莊市地處河北省中南部，北緯37°27＇～38°47’、東經113°30＇～115°20＇，地勢西高東低，平原面積約占全市總面積的50%，是華北平原農業生產的重點地區。該地區作為河北省的糧食主產區，糧食以小麥、玉米為主，種植面積約37.7萬hm2，蔬菜種植面積約15.8萬hm2，油料作物（以花生為主）種植面積約6.1萬hm2，棉花種植面積約1.1萬hm2。年均降水量529.4 mm，人均水資源僅270 m3，水資源相對匱乏，水能矛盾突出，如何通過農業產業結構調整緩解水能矛盾，具有重要的生產指導意義。作者對近年來該地區農業種植結構與水耗、能耗的變化情況進行了分析，旨在通過研究農業種植結構變化與水能利用的關系，為實現糧食增產-農民增收-節水節能的農業發展模式提供理論基礎。

1　材料與方法

1.1數據來源

基于徐建輝等[8]對農作物生產過程中的農業投入量機械、電力、柴油、化肥、農藥、地膜和灌溉系統等的能源利用量進行計算。根據Guzman等[10]的研究結果，電力在生產和傳輸過程中的損耗約70%，即用于灌溉的1 kW·h耗電量約相當于12.1×106J。基于此，本研究將能源分為直接能源利用量和間接能源利用量。本研究中的直接能源主要包括農業液態燃料（柴油、煤油、汽油、燃料油）和電力，由于柴油占全部農業液態燃料投入的88.29%，且其他燃料數據難以獲取，農業液態燃料僅對柴油進行分析；電力消耗主要指火電（80%）和水電（20%）[11]。在農業投入中人力和畜力所占比重較小且能源不消耗，因此忽略不計。間接能源利用量指各項農業生產投入的“載能量”[10]，包括農藥（殺蟲劑）、化肥（氮肥、磷肥、鉀肥和復合肥）、地膜、農業機械和灌溉系統的投入，以及這些產品的制造、包裝和運輸等過程所需的能耗[11]。其中，水資源數據來源于河北省水利廳（2002、2007、2012年）；柴油、肥料、農藥、地膜的利用量等數據均來源于《石家莊市統計年鑒》（2002、2007、2012年）；電力、農業機械的使用量等數據均來源于《全國農產品成本收益資料匯編》；能耗系數來源于《農業經濟技術手冊》；高密度聚乙烯購物袋的生命周期相關數據來源于《國家統計局標準》和《煉油廠能量消耗計算方法》，1 kg購物袋的能耗系數1 449.64，天然物中水能耗系數3.01。

1.2能耗計算方法

農業投入量的能耗計算模型：

式中，EUt：能源總能耗（t/hm2）；t：時間（2002～2012年）；Q1t：柴油的使用量（t/hm2）；N1、N2、N3和Nj分別表示柴油、電、農藥和化肥（氮肥、磷肥、鉀肥和復合肥）的能耗系數；p2t：排灌用電價（元/kW·h），p3t：農藥價格（元/kg）；f1、f2、f3分別表示單位面積排灌費（元/hm2）、水費（元/hm2）和農藥費（元/hm2）；Mi：單位產值能耗（tce/萬元）；C1：租賃作業費（元/ hm2），C2：機械作業費（元/hm2），C3：排灌費（元/ hm2），C4：工具材料費（元/hm2），C5：修理維護費（元/hm2），C0：排灌費中用于水費的支出（元/hm2）。

2　結果與分析

2.12002耀2012年石家莊地區種植結構變化

石家莊地區屬溫帶大陸性半濕潤半干旱氣候區，西部太行山中段面積約占全市總面積的50%，東部為滹沱河沖積平原，是河北省的糧棉主產區。糧食作物以小麥、玉米為主，谷子、薯類次之，雜糧為輔，種植面積約37.7萬hm2，下轄各縣均有分布，市區分布較少；油料作物以花生為主，種植面積約6.1萬hm2，主要分布在南部和北部地區；棉花種植面積約1.1萬hm2，主要分布在東部的辛集市，占總種植區域的1/2以上；蔬菜種植面積約15.8萬hm2，主要分布在藁城、欒城和鹿泉等地；瓜類以西瓜為主，種植面積約0.98hm2，主要分布在新樂和趙縣等地。

從2002～2012年石家莊各縣區農業種植結構的變化情況（表1）來看：石家莊市轄區以夏玉米、冬小麥種植為主，二者種植面積基本持平且波動較小。周邊縣市基本以冬小麥、夏玉米及蔬菜種植為主，比重略有不同。其中，平山、井陘、靈壽、贊皇、行唐、深澤等遠離市區的縣除玉米、小麥種植較多外，馬鈴薯和蔬菜種植也漸成規模：10 a間西部各縣區種植作物始終以夏玉米、冬小麥為主，馬鈴薯或蔬菜種植面積較小且略有波動。藁城、正定、欒城、鹿泉等市區縣及晉州、辛集、趙縣、無極等東部縣區主要種植作物以小麥、玉米及蔬菜為主，且蔬菜面積遠大于其他地區，種植面積多在1萬hm2以上，是石家莊市名副其實的蔬菜主產區，其中藁城蔬菜種植面積最大，種植面積僅次于冬小麥。整體來看，這些地區3種作物種植面積變化不大，呈現出無規律的小幅波動，傳統作物呈逐年減少趨勢。

2.2各地區農業的水資源利用量

2.1.1不同縣域間農業水資源利用石家莊地區各縣域耗水量差異較大，東部低平原區農業耗水量較大，主要集中在藁城、辛集和趙縣等地；西部山麓平原區耗水量相對較小，以贊皇、井陘、平山等縣為代表。2012年與2002年各縣域耗水量相比，石家莊市轄區和贊皇基本保持不變，高邑、晉州、行唐和鹿泉耗水量均有不同程度的升高，其他縣域均有明顯下降趨勢，且耗水量最高縣域（藁城）與最低縣域（贊皇）相差約5倍（圖1），造成這一現象的主要原因為藁城作為農業生產大縣，作物種植面積約是贊皇縣的4倍，且常年以高耗水型的糧食作物（冬小麥）、大棚蔬菜種植為主，約占農業種植面積的64.8%（表1），且Xu等[13]研究表明，蔬菜和冬小麥的耗水量遠高于玉米和其他作物，是造成藁城農業耗水量遠高于贊皇的重要原因。

2.1.2不同年份水資源利用情況2002年、2007年、2012年石家莊地區水資源利用分別呈“∩”型、“∪”型和持續下降發展趨勢（圖1）。

表1　2002年、2007年、2012年石家莊地區主要作物的種植面積（hm2）Table1　The planting area of main crops in Shijiazhuang City in 2002，2007 and 2012

圖1　2002年、2007年、2012年石家莊縣域農業耗水量情況Fig.1　Water consumptions on all counties of Shijiazhuang City in 2002，2007 and 2012

（1）“∩”型發展趨勢。石家莊市轄區、欒城、贊皇、高邑、無極、辛集和藁城的農業耗水量呈先增長后降低的變化趨勢。藁城作為農業生產大縣，主要耗水作物有蔬菜、冬小麥和夏玉米，2002～2012年該地區3種主要耗水作物的種植面積呈現先增長后降低的小幅度變化趨勢，而種植結構同時發生了明顯的變化，2007年冬小麥和夏玉米種植面積分別增加8 570 hm2和3 474 hm2，2012年蔬菜和玉米種植面積分別增加了1 486 hm2和1 734 hm2，而小麥種植面積減少5 183 hm2；因此，農業種植結構的變化是導致藁城農業耗水量變化的最重要因素。

（2）“∪”型。鹿泉、新樂、靈壽、正定、晉州、平山、行唐等縣（市）農業耗水量呈“∪”字型。其中2002年正定主要耗水作物小麥和夏玉米的種植面積約占63.1%；2007年增至66.7%，但是由于水果和花生種植面積大幅度下降，該年耗水量總體下降。2012年夏玉米和蔬菜種植面積增幅分別達到22.5%和7.2%，致使農業耗水量又有所回升。

表2　1990耀2000年河北平原區農作物單位面積地下水利用量Table2　Groundwater used by crops in the Hebei plain in 1990-2000

（3）持續下降發展趨勢。深澤、元氏、趙縣、井陘及礦區等縣（市）農業耗水量呈持續下降趨勢。2002年趙縣農業種植以冬小麥和夏玉米為主，傳統作物和其他經濟作物同時占有一定的比重，但2007年和2012年的數據顯示其傳統作物高粱和大豆、馬鈴薯等面積急劇減少，這是導致其耗水量下降的主要原因。

綜上所述，石家莊各縣（市）資源稟賦、農業種植產業結構的不同，導致各地區的農業耗水量差異明顯。各縣（市）在農業產業結構調整過程中，一方面應充分考慮經濟效益最大化，另一方面還應考慮當地的資源稟賦，發展適合當地的低水耗高產出的糧食作物，以實現單方水產出的最大化，應對農業缺水問題。

2.1.3種植結構調整與水資源利用情況之間的關系

農業種植結構的變化，往往與市場環境、國家相關政策緊密相關，對農業水資源利用量也會產生直接影響。通過上述分析可以發現：一方面，在種植結構調整過程中，單純通過種植高產量、高收益的糧食或經濟作物以取代傳統作物的做法，可能會增加對淡水資源的需求，如通過擴大冬小麥及夏玉米的種植面積來替代谷子、高粱，雖大幅增加了糧食產量，養活了更多的人口，但單位面積作物需水量會增加2～4倍；同理，蔬菜種植取代其他作物的做法亦是如此；另一方面，由于市場價格的波動，農民通過種植收益更高的作物取代短時盈利較低作物的做法也可能會減少單位面積作物的用水需求，例如通過擴大玉米種植替代部分馬鈴薯的做法可使單位面積需水量降低約16.5%。

綜上所述，種植結構調整與水資源利用量存在著一定的正向相關聯系。即：以低耗水量作物替代高耗水量作物可降低農業用水量。

2.2農作物生產的能源投入量

總體而言，石家莊各縣（市）的能源投入量自東向西呈梯次遞減的發展趨勢，各縣域不同年份農業能耗量與水能耗變化趨勢基本一致。其中，石家莊東部地區農業耗能量最大，2012年辛集、藁城、趙縣、正定、行唐、晉州及新樂等縣（市）的能耗均在＞20萬MWh；市轄區以及西南等縣（市）耗能量最小，2012年深澤、高邑、靈壽等縣及石家莊市轄區能耗均＜10萬MWh；兩者相差達4～5倍；其余縣（市）2012年農業能耗量處于10萬～20萬MWh。區域間能耗變化差異較大，2002～2012年除靈壽縣呈現連續下降變化，其余各縣（市）呈現出不同的變化趨勢：（1）連續增長式：以晉州、無極、高邑、欒城、井陘以及市轄區為代表；（2）“∩”型。以行唐、深澤、正定、贊皇、平山、元氏、趙縣、藁城、辛集、新樂及鹿泉等縣（市）為代表。究其原因，主要受農業種植結構變化而導致的化肥、農藥等投入量、機械化作業面積變化的影響。具體表現在：部分縣（市）如藁城、趙縣、辛集等地由于冬小麥或蔬菜種植面積存在著較大的年際變化，導致其化肥使用量、農業總能耗呈同步變化的現象；根據張玲敏等人的調研，河北省輪作小麥玉米化肥養分在分配上存在“重冬輕夏”現象，氮磷鉀素分別有63.7%、85.3%、76.9%投在冬小麥上，而蔬菜生產對化肥的需求遠大于其他作物[14]，這也說明冬小麥或蔬菜種植面積對化肥使用量存在著較大影響。同時，部分縣（市）農業能耗不斷增加，如晉州、無極等地作物種植結構變化不大，主要受農業機械作業面積擴大、灌溉面積增加、化肥投入量加大等因素的影響；市區近年大棚蔬菜種植發展較快，帶動其能耗的增加；平山、井陘以經濟作物替代雜糧種植也增加了化學物質的使用。綜合來看，不同縣（市）由于農業發展條件不同，導致其能耗變化的主要因素差異也較大。通過對石家莊市各縣（市）農業生產中的耗水量及耗能量的定量分析發現，農業水能消耗量變化呈現出2種截然不同的模式：一方面，藁城、辛集、贊皇、平山、行唐、趙縣、深澤、元氏、新樂及鹿泉等10縣（市）呈現出水能變化的一致性，如耗水量大的辛集、藁城等縣（市）除耗能量大外，水能變化趨勢均呈“∩”字，這說明2市在調整農業種植結構、增加經濟效益的同時，實現了糧食-水資源-能源的協調發展；另一方面，其他7個縣（市）及市轄區仍存在著水能變化不一致的現象，如井陘及礦區，2002～2012年其農業耗水量呈連續下降趨勢，而耗能量卻呈逐年增加態勢，這主要是由于當地在農業種植結構調整過程中對種植作物選擇上的差異及地形條件導致的。玉米及蔬菜種植面積不斷擴大，其農業用水和化學物質（以農藥、化肥為主）的投入不斷增加，同時井陘多山地、丘陵的地貌形態也不利于機械化作業的展開，導致耕種和收割更多的依靠人力，水利設施的逐步完善在使遠距離引水灌溉成為可能[15～17]的同時加大了電耗，這些因素都客觀上推動了農業能耗的增加。

圖2　2002年、2007年、2012年石家莊縣域農業耗能量情況Fig.2　Energy consumptions on all counties of Shijiazhuang City in 2002，2007 and 2012

3.3水能關系

有學者認為，海河流域不僅是我國人口最為稠密的地區，同時由于糧食安全保障任務的需要，單純通過種植結構調整實現節水的難度較大。石家莊市地處海河流域，長期以來，節水一直是促進農業健康發展的重要舉措，2002～2012年農業節水取得很大進展，農業用水總量（含農、林、牧、漁）由2002年的26.795 6億m3下降到2012年的22.886 9億m3，降幅14.59%；同期，糧食總產量由2002年的4 564 927 t上漲到2012年的5 320 951 t，增幅16.56%。從糧食構成來看，夏玉米貢獻最大，2012年較2002年增幅33.39%；冬小麥產量次之，增幅16.06%。在保障糧食安全的前提下，通過適當調整農業結構，發展適合當地的低耗水、高產出、高經濟效益的糧食作物（如玉米），進而實現單方水產出的最大化以緩解農業缺水問題是可行的。與此同時，要真正解決農業缺水問題，除節水外，更重要的是調整當地的供水結構，將主要依靠地表水、地下水開采為主的供水結構向更加依靠跨區域調水和非常規水源利用，減少地下水使用量的供水結構過渡。一方面，可以解決用水短缺的問題，緩解因地下水超采而造成的生態與環境問題，如北京加大外調水在供水總量中的比重減少了對地下水的開采；另一方面，可以應對農民選擇高效益、高耗水作物種植所出現的用水量增加的現象，如藁城、趙縣蔬菜產業的發展帶來水耗的增加。

通過良好的農業政策管理，適當的氮肥投入量，不僅可以增加灌溉農業產量及凈能源產出，同時還能有效降低溫室氣體排放強度值，使糧食增產與農業溫室氣體減排良性發展。從石家莊農業生產的能耗變化趨勢可以看出，通過農業種植制度的不斷調整，低水耗高經濟效益的作物不但保障了農業的穩產增收，而且還降低了能耗量。以夏玉米為例，其單位面積耗水量不及冬小麥的一半，但其單產卻遠高于冬小麥；同時，玉米收獲季節較長也減少了機械作業面積，在一定程度上減少了燃油的使用量，降低了農業能耗[17]。我國人口的持續增長，人們生活水平提高帶來的飲食結構的變化（從低能量食物到高能量食物）都給糧食安全帶來了挑戰。我國農業需要消耗越來越多的資源以保證供給，在構建節水節能的農業發展模式的同時，必須保證農業效益和農民的自主權。通過前人大量研究以及我們的工作可以發現，盡管某些作物屬低耗水、低耗能的作物，但其產量較低；農民在決定種植作物的同時并非以節能節水為參照，而傾向于作物種植所帶來的效益最大化和風險最小，這也就解釋了為何玉米和大棚蔬菜種植面積在大多數縣（市）增加明顯。

4　結論與討論

通過對石家莊各縣（市）農業耗水量進行定量分析發現，農業耗水大縣主要集中在石家莊東部及東南部，以藁城、辛集、趙縣等地最具典型性，主要作物有糧食作物（夏玉米、冬小麥）和經濟作物（蔬菜）；以贊皇、井陘及礦區、元氏等地為代表的石家莊西部及西南部耗水量最少，由于受資源稟賦限制，谷子等低耗水的傳統農作物種植面積較大。同時，從各年份農業耗水量變化情況看，各縣（市）呈現出不同的變化趨勢。辛集、藁城等11縣（市）耗水量總體呈下降趨勢；鹿泉、新樂、晉州等7縣（市）耗水量呈先降后升的上升趨勢，分析后發現，農業種植結構是影響農業耗水量的重要因素。

通過對農業耗能量的定量分析發現，各縣（市）的農業能耗量與水耗量變化相對一致，石家莊東部地區農業耗能量最大，市區以及西南等縣（市）耗能量最小。2002～2012年各縣域農業耗能量變化差異較大，藁城、辛集、贊皇、平山、行唐、趙縣、深澤、元氏、新樂及鹿泉等10縣（市）水能變化的一致性，呈“∩”字；其余7縣（市）及市區仍存在著水能變化不一致的現象，如井陘及礦區，2002～2012年其農業耗水量呈連續下降趨勢，而耗能量卻呈逐年增加態勢。這主要是由各地的自然條件及其對農業種植結構的調整造成的。當前，隨著我國人口的持續增長及居民飲食結構的變化，糧食安全問題會更加突出，這就要求農業節水節能必須在保障糧食穩產增產的前提下進行，應在尊重農民自主性的基礎上進行政策引導，著重發展適合當地的低投入高收益的農作物。

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Effect of Changes in Agricultural Planting Structure on Water and Energy Use in Shijiazhuang City

WANG Yue-guang，HUANG Yin-zhou，SONG Dan
（College of Earth&Environmental Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China）

The changes of agricultural planting structure，agricultural water and energy use in each county of Shijiazhuang City in 2002，2007，2012 were analyzed to study the impact of agricultural planting structure on water and energy use，in order to achieve the coordinated development of grain increase，income of farmers increase and agricultural water and energy saving.The results showed that the counties which consume larger amount of water are mainly located in the east and southeast，and other counties with less water consumption are located in the west and southwest of Shijiazhuang City.Meanwhile，agricultural energy consumption showed relatively consistent with the change in water consumption，which is mainly due to terrain constraints of western region，the small amount of arable land，agricultural planting structure in addition to maize，wheat，millet and other low water use of traditional crops still more，cash crops is far less than the eastern counties.Agricultural energy consumption changes from all counties of Shijiazhuang showed considerable differences，among them，Gaocheng，Xinji，Zanhuang，Pingshan，Xingtang，Zhaoxian，Shenze，Yuanshi，Xinle and Luquan showed the consistency of the water and energy change.The remaining seven counties had the inconsistencies between water and energy.This is mainly due to the natural conditions of different counties and the adjustment of agricultural planting structure.

Agricultural planting structure；Water use；Energy use

F323.214

A

1008-1631（2016）05-0098-06

2015-11-06

國家自然科學基金項目（41101187）；博士后面上基金項目（2012M512051）

王岳光（1991-），男，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事水資源與能源的相關性研究。E-mail：Wangyg14@lzu. edu.cn。