基于多目標優化的黑龍江省農作物種植結構調整

李闖 高萱 祝悅 李林峰 劉家福

(吉林師范大學旅游與地理科學學院，吉林 四平 136000)

引言

隨著農業科學技術發展、耕地保護能力提高,以及國家對農業政策的扶持工作等舉措,我國糧食生產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,為未來農業現代化發展打下堅實基礎。在我國的農業發展進程中一直伴隨著不斷的農業結構變化,結構的變化和調整推動了農業發展、適應了不斷變化的食品和其它農產品需求,也有力地促進了我國農產品的市場化改革和農民增收,種植業是農業的主體部分,種植結構調整一直以來受到農業部門的高度重視,因此施行一些有關種植結構調整的政策,這些政策的特點是由適應性調整政策過渡至決策性政策[1-3]。隨著全國各行業的快速發展,人們的收入逐漸增加,人均可支配收入及恩格爾系數隨之提高。此3項數據的提高,促進人們對于更高品質生活的追求,尤其是對糧食的需求。目前我國糧食已經可以滿足溫飽,且逐步由溫飽型轉向至營養型。然而發展農業的同時,也同樣顯露出許多問題。雖然農業是人類生存和發展的命脈,也是水資源使用的大戶,但是據相關部門統計,農業用水量占全國總用水量的62.1%,這也使其成為農業結構調整的一個重要因素[4-6]。如何在提高水資源利用率的同時節約現有的水資源并可以滿足農業發展,是目前研究的重點問題。一味的節水會導致糧食產量縮減及質量下降,從而帶來如人均量糧食需求無法滿足及社會經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整現有的農業結構,以農作物的需水量以及市場效益等方面為目標,使得調整后的農業結構在實現目標的情況下完成區域綜合效益的最大化,是目前我國農業應著力解決的重大問題。

1 研究區位置與數據來源

1.1 研究區位置

黑龍江位于我國的東北部地區,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、臺地構成,主要生產水稻、玉米、大豆等作物,形成以三江平原、松嫩平原為主要地區的糧食產地[1]。研究區位置如圖1所示。

圖1 研究區位置圖

1.2 數據來源

本文研究數據來源主要包括《黑龍江省統計年鑒(2016)年》《中國居民膳食指南》《全國農產品收益匯編(2016年)》《中國糧食統計年鑒》,以及中國氣象科學數據共享服務網等。

2 研究方法

2.1 模型的建立

2.1.1 各目標函數構建2.1.1.1 經濟效益目標函數

根據水稻、玉米、大豆、高粱、馬鈴薯各作物的單價、單產以及種植面積。計算黑龍江省2015年5種作物總體收益之和,構建經濟效益目標函數表達式[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,kg·hm-2,面積,hm2,以及種植成本,元·kg-1。

2.1.1 .2 節水效益目標函數

在滿足黑龍江省社會經濟正常發展以及糧食安全的作物產量要求下,調整5種作物的種植面積,至使農業需水量最小[13,14],進而構建節水效益目標函數。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 生態效益目標函數

生態效益是一個定性指標并不能直接參與運算,因此需轉化為定量指標來構建生態效益目標函數[15]。因此,采用農業對生態環境造成的危害來表示這一指標,主要體現在化肥、農藥以及農膜對自然環境的污染程度表示。構建出生態效益目標函數表達式:

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

2.1.2 約束條件的構建

2.1.2 .1 總面積約束約束條件

農作物結構調整應在合理的耕地面積內進行調整,上限為耕地面積(5種作物耕地總面積),構建表達式:

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

農作物需要一定量的水資源,但是不可能超過該地區的整體總水量,構建表達式:

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

區域內糧食產量應滿足該區域內人口所需要,以此根據《中國居民膳食指南》中420kg為人均糧食水平的底線。

式中,p為黑龍江省總人口。

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。

2.2 種植結構多目標優化調整模型構建

通過對目標函數、約束條件以及其他約束條件,進而確定出黑龍江省種植結構調整模型中的相關參數。結合多目標優化算法,通過MatLAB構建出黑龍江省種植結構多目標優化調整模型。

3 黑龍江省種植結構調整

3.1 作物需水量

農業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。農業部門在不同區域制定符合當地概況的灌溉制度,以期合理利用農業水資源,因此作物需水量一直以來是相關領域研究者所關注的重點問題[16]。

作物需水量是指在滿足高產量的目標下,其生長周期內所有用水之和。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、土壤質地、作物種類及地形地貌等。利用Arc-GIS中柵格統計工具統計出各地級市參照需水量。利用彭曼公式的單作物系數法,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 生態效益指標選取

耕地在為人類提供經濟價值的同時,也帶來相應的生態效益。生態效益主要表現在涵養水源、凈化空氣、改善土壤質量、豐富生物多樣性等方面。國內外對耕地生態效益評估方法很多,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法[17]。查詢2015年全國農產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、農膜費與農藥費用,以三者之和為數據源。為直觀取該值的倒數乘以7500表示(該值與生態效益成正),見表2。

表2 5種作物生態效益指標

3.3 5種糧食人均年需求量

我國是發展中的農業大國,糧食是人類生活的必需品,關乎到國家與社會的穩定,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,從營養學上以人類健康生活為角度,估算人均糧食的需求量。本研究主要依據中國營養學會制定的《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

2004—2015 年,我國糧食產量連續11a呈現增長形式。出現這種現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年黑龍江省統計年鑒,分別查出各地級市5種主要農作物總種植面積以及總產量,計算出相應作物單位面積的產量,得出的結果見表4,在中國糧食網上可以查詢到2015年主要農產品產量、面積以及單位面積產量數據,其中,玉米單產為5890.5kg·hm-2,水稻單產為6523.1kg·hm-2,其他3種作物在中國糧食網中沒有表示,因此,本文不予列出。由表4可以看出,黑龍江省玉米單產最高出現在大慶市,比全國平均產量多2250kg·hm-2,而水稻單產不一,均在全國水平左右,其中雙鴨山單產最高為7270.15kg·hm-2,大興安嶺地區單產最低4500kg·hm-2,與全國相比少單產少了2023.1kg·hm-2。黑龍江省是我國大豆主要產區,其產量大致相當,均保持在2000kg·hm-2左右,高粱單產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,具體單產見表4。

表4 2015年5種主要糧食作物單位面積產量

3.5 多目標優化種植結構調整結果

將黑龍江省各個地級市數據帶入多目標優化模型進行求解,以經濟效益為目標函數,計算出各地級市水稻、玉米、大豆、高粱、馬鈴薯相應的種植面積結果,見表5。

表5 綜合效益目標各地級市農作物種植面積

由綜合效益目標函數下各地級市農作物面積結果可以看出,調整后各地級市種植面積與2015年5種農作物種植面積相同；由黑龍江省整體農作物種植面積來看,玉米種植面積最多,面積為6432676hm2,占5種農作物總面積的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僅為3182hm2；大豆種植面積最多的是大興安嶺地區,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,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種農作物相應的種植面積,見圖2。

圖2 調整后5種農作物種植面積空間分布

4 黑龍江省綜合效益與現狀對比分析

4.1 綜合效益面積與現狀對比

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

表6 綜合效益面積與現狀差

通過觀察黑龍江省5種農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,共增加面積為436901hm2,其中主要來自玉米面積的轉換。從各地級市5種農作物面積變化來看,水稻面積均呈現增加的趨勢。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整體增加的態勢,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 綜合效益產值與現狀對比

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

表7 綜合效益目標產值

通過觀察黑龍江省各地級市效益產值的變化情況,綜合效益目標下的黑龍江省種植結構的經濟效益比2015年現狀的減少757482×104元,但農業用水量卻減少了19693714.6×104m3,生態效益值提高829324.9；整體來看綜合效益目標下的種植結構調整,雖然經濟效益減少了,但是為黑龍江省帶來了生態效益及節水效益。從可持續發展觀來看,綜合效益目標的種植結構調整更合理,更有利于黑龍江省未來的社會經濟發展。由各個地級市可以看出,調整后只有黑河市的經濟效益增加了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生態效益減少,其他地級市均增加。

5 結論

通過對黑龍江省種植結構調整的現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結構調整的因素。同時結合國家政策以及市場導向,確定出調整方向。應用MatLAB軟件構建種植結構多目標優化調整模型,獲得綜合效益目標下各個地級市5種農作物相應的面積,及產生的經濟效益、生態效益及節水效益值,與現狀進行對比分析?？梢缘贸鼍C合效益目標下調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將其他糧食作物改為種植馬鈴薯,可有效解決農業水資源短缺的問題。但是通過對比多目標優化種植結構調整及種植結構現狀的5種農作物經濟效益、用水量及生態效益值來看,黑龍江省種植結構調整后的經濟效益減少,而節水效益及生態效益增加,這也意味著,經濟效益的增加是以破壞生態效益及資源來取得的。

結果表明,基于生態效益、節水效益及經濟效益的多目標優化的種植結構調整是可行的。針對黑龍江省資源稟賦、環境現狀以及農業政策的引導,確定研究模型及方法,進行種植結構調整,得出的結果為黑龍江省政府進行決策未來種植結構調整方向,提供了可信度極高的調整方案及辦法。