基于水—能—糧關聯關系的山西省農業種植結構優化調整

張鵬飛，肖夢琳，張兆瑞，戴燕燕，韓順莉，劉 庚，趙景波

（1.太原師范學院地理科學學院，山西晉中 030619；2.太原師范學院碳中和研究院，山西晉中 030619；3.陜西師范大學地理科學與旅游學院，西安 710119；4.中國科學院地球環境研究所黃土與第四紀地質國家重點實驗室，西安 710061）

0 引言

水安全、能源安全、糧食安全是人類生存和發展的重要保障，但由于氣候的變化、人口的快速增長、城市化進程的加快及社會經濟的發展，嚴重威脅著水、能源和糧食的供給安全[1,2]。有研究表明食物生產占全球30%的能源消耗和70%以上的淡水消耗[3]。同時，2015年前后的研究預測，到2030年全球的食物需求增加50%，能源需求增加40%，水需求增加30%[4,5]。這將嚴重威脅水資源、能源和糧食的安全[6]。因此，人類必須建立基于水資源、能源和糧食的可持續管理模式。

2011年波恩的水—能源—糧食（WEF）紐帶關系會議，首次將水資源、能源和糧食3者組成的安全協同關系稱為“紐帶”（WEF—Nexus）[7]。該紐帶的核心在于綜合考慮水資源、能源和糧食3者之間的關聯關系，通過構建數學模型來模擬不同條件下的配水量、能源消耗量以及可收獲的利益，最終得到滿足約束條件的最優解[8,9]。

我國人口眾多，存在水土資源稟賦短缺的基本矛盾，保障糧食安全具有特殊的戰略地位，該矛盾在山西省顯得尤為突出。山西省水資源總量居全國省級行政區后三位，人均水資源量為317.9 m3，僅占全國人均水資源量的15.3%，遠低于聯合國嚴重缺水界限(500 m3)[10]。山西省糧食產量和種植面積一直處于全國較低水平，雖在近年來提高了科技水平和政策扶持，但2018年的糧食產值和種植面積分別只占到全國的2.1%和2.68%，且全省口糧自給率為92.8%，仍與95%的標準有一定的差距[11]。另外，山西省水資源嚴重短缺，水土流失面積占全省土地面積的69%，地表水重度污染斷面比例為32%。全省11個地市中除太原市外皆為資源型城市。同時山西地處生態環境脆弱區，耕地資源少且極易受到破壞。基于山西省水資源、環境及農業資源等現狀，深入剖析山西省農業生產過程中水、能源和糧食的關聯關系，研究山西省在糧食生產中的現狀與問題，為山西省農業種植結構優化提供理論依據和實踐指導。

目前關于水—能源—糧食紐帶關系的研究多集中在對全國或流域的水—能—糧關聯關系的分析和關聯框架的研究，研究方法主要以定量為主[12]。趙良仕等[13]構建了黃河流域地級市水－能源－糧食系統綜合評價框架，分析了水－能源－糧食系統耦合協調發展水平及空間關聯特征。周露明等[14]基于江蘇省2010-2016年的數據，利用生命周期理論與灰色預測模型模擬了2017-2020年各產業部門的水資源、能源和糧食滿足度及全社會資源自給率。本文則主要利用水足跡和能源消耗核算模型分析山西省主要農作物的耗水及耗能特點，以水資源、能源、糧食等作為約束條件構建多目標規劃模型，對主要農作物的種植結構進行優化，并對未來的種植結構進行規劃。

1 研究方法與數據來源

1.1 水足跡核算模型

Hoekstra等[15]在2002年提出了水足跡的概念。水足跡是指生產過程中所消耗的水資源總量，包括藍水、綠水和灰水足跡[16]。基于虛擬水理論方法的水足跡模型可以真實地反映水資源的需求和消耗情況，為模擬農業用水量提供了一種新方法[17]。對于農作物而言，藍水足跡指農作物灌溉用水，即作物生長過程中消耗的地表和地下水；綠水足跡指作物吸收的有效降水；灰水足跡指稀釋農藥化肥等污染物所消耗的水資源量[18-20]。農作物水足跡計算方法具體如下：

式中：WFc為農作物水足跡，m3；WFc-blue為農作物藍水足跡，m3；WFc-green為農作物綠水足跡，m3；WFc-grey為農作物灰水足跡，m3。

本研究采用聯合國糧農組織FAO-56提供的Cropwat模型，利用作物蒸發蒸騰需水量計算農作物的藍水足跡和綠水足跡，灰水足跡則主要計算作物生長過程中的化肥、農藥造成的水資源污染量。具體計算公式如下：

式中：ETc表示單位面積農作物需水量；Kc為作物生長發育期的作物系數，參考FAO推薦的84種作物系數表，FAO推薦了84種作物不同生長環境下的作物系數，結合山西省實際環境及栽培情況，選擇最終參數進行計算；ET0為參考作物蒸散量，利用Penman-Monteith公式根據溫度、濕度、風速和日照時數計算；Peff表示有效降水量；ETc和Peff利用Cropwat 8.0軟件輔助計算；A表示農作物種植面積；n為農作物全生育期天數；d=1，2，…，n；ɑ表示淋溶率，為進入水中的污染量占總化學物質投入量的比重，一般為10%[21]；AF表示單位面積內農作物的化肥施用量；cmax表示最大環境容許污染物濃度，本研究僅考慮氮肥污染，一般氮元素污染上限為10 mg/L[14]；cnat表示污染物的自然本底濃度，一般取0。

1.2 能耗核算模型

農作物的能耗指的是農作物生長過程中所消耗的全部能源消耗量，包括所使用的燃料、電力、農藥、化肥和農業機械等投入的所有能源。本文以能量形式進行核算，能源消耗量（ECi）根據各個能源投入量（EIi）乘以相應的能耗系數（Ni）得出[22]：

投入到農業中的各能源及核算計算方法包括燃料、電力、化肥、農藥、農用機械和灌溉等。在農業種植過程中，燃料主要包括天然氣、汽油、柴油、燃料油等，通過燃燒為農業機械提供動力；在農業中電力則主要用于灌溉；化肥包括氮、磷、鉀和復合肥，其中氮肥作為本研究中的主要能源消耗；在對農藥核算時直接采用總農藥使用量來計算；農業機械和灌溉則包括機械作業和排灌動力能源等。各項能源投入的消耗計算如下：

式中：ECf、ECe、ECp、ECcf分別為農作物單位種植面積的燃料、電力、農藥、化肥能耗，kJ/hm2；Cf、Ce、Cp分別為燃料、電力、農藥費用；UAcf表示單位面積的化肥用量，kg/hm2；UPf、UPe、UPp分別為燃料、電力、農藥的單位價格；Nf、Ne、Np、Ncf分別為燃料、電力、農藥、化肥的能耗系數；UAf1、UAf2、UAe1、UAe2、UAp分別為單位面積燃料動力費、機械作業費、排灌費、水費、農藥費；b表示燃料動力費在機械作業費中的比重，一般取40%；EC表示農作物能源消耗總量；A為農作物種植面積。

1.3 種植結構優化模型

種植結構優化可以促進資源的優化配置，通過調整作物種植結構以提高糧食生產目標，實現最大目標效益[23]。本文主要利用Lingo構建多目標規劃模型，進行種植結構優化分析。

1.3.1 決策變量

決策變量考慮到農業種植結構優化的目標是實現各種農作物種植面積的合理比例與相對最佳生態效益和經濟效益[24]，所以以山西省主要農作物的種植面積為決策變量，包括小麥（x1）、玉米（x2）、谷子（x3）、大豆（x4）、油料（x5）、蔬菜（x6）。

1.3.2 目標函數

本研究以經濟效益最大化和生態效益最大化為目標，其中生態效益最大化以化肥施用量最小衡量：

式中：F1(x)表示總經濟效益，萬元；F2(x)表示總化肥施用量；Gi表示第i種作物單位面積收益，元/hm2；Ci表示第i種作物單位面積成本，元/hm2；Ei表示第i種作物單位面積化肥用量，kg/hm2；xi表示第i種作物規劃期種植面積，hm2。

1.3.3 約束條件

由于種植結構受國家、社會、自然資源等多方條件約束，因此本研究綜合考慮土地、能源、水資源、糧食等因素，設定的約束條件如下。

（1）種植面積約束。由于山西省是以能源和重工業為主的基地，耕地后備資源不足，人地矛盾突出，因此要落實嚴格的耕地保護制度，加強對耕地特別是基本農田的保護，穩定數量，提高質量。規劃期的耕地面積不應小于基準期，各類農作物種植面積之和不應大于規劃期耕地總面積[20]（2018年山西省耕地總面積為480.4萬hm2）：

（2）水、能源約束。規劃期的資源消耗量應不大于基準期的資源消耗量：式中：WFci表示第i種作物規劃期水足跡；WFc0表示作物基準期水足跡；ECi表示第i種作物規劃期能源消耗量；EC0表示作物基準期能源消耗量。

（3）糧食約束。按照山西省委“四為四高兩同步”總體思路和要求，把確保糧食安全作為“三農”工作的首要任務，把穩定糧食生產作為農業供給側結構性改革的前提。規劃期糧食生產總量至少達到糧食生產的最低要求。根據《山西省人民政府關于印發山西省“十四五”農業現代化三大省級戰略、十大產業集群培育及鞏固拓展脫貧成果規劃的通知》，到2025年，糧食綜合生產能力穩定在1 365萬t以上：

式中：Yi表示第i種作物規劃期單產，萬t/hm2。

（4）非負性。即：

1.4 數據來源

本文以2015年為基準期，2020年為規劃期對山西省種植結構進行規劃，同時利用2020年統計數據對規劃結果進行驗證。基于2020年的驗證結果對模型進行優化，并以2020年為基準期，對2025年主要農作物種植結構進行規劃。研究數據主要來自于官方文件及統計年鑒等，見表1。

表1 數據來源說明Tab.1 Description of the data source

2 結果與分析

2.1 山西省主要農作物水足跡特征分析

山西省2010-2018年主要農作物單產水足跡計算結果見圖1。由圖1可知山西省各類主要農作物多年平均單產水足跡存在較大差異，其中大豆的單產水足跡均值達到8 023.7 m3/t，明顯高于該區其他農作物，屬該區極高耗水作物；谷子和油料的單產水足跡分別為5 343.2 m3/t、5 428.7 m3/t，屬該區高耗水作物；小麥單產水足跡為4 332.7 m3/t，屬該區中等耗水作物；玉米單產水足跡為1 582.5 m3/t，屬該區低耗水作物；蔬菜單產水足跡為337.6 m3/t，顯著低于該區其他農作物，屬該區極低耗水作物。

圖1 2010-2018年山西省主要農作物單產水足跡Fig.1 Water footprint of major crops in Shanxi Province from 2010 to 2018

圖2顯示了各主要農作物2010-2018年單產水足跡年際變化，結果表明小麥、玉米、油料和蔬菜的單產水足跡年際變化較小，但有異常點出現，大豆也存在異常點。小麥在2013年和油料在2015年，主要是由于2013年小麥和2015年油料的單位面積產量與其他年份相比明顯減少，而水消耗總量并沒有明顯變化。谷子和大豆的單產水足跡年際變化較大且隨年份的變化逐漸降低，最大年份是最小年份的2倍以上，主要是由于隨著近年來山西省農業現代化進程的加速，谷子種植格局的優化和產業化的形成，提高了谷子的種植水平和生產效率[26]，降低了單產耗水量。而近年來山西省大豆單產上升趨于停滯，與其他作物相比效益低下，種植規模逐年下降[27]。總體來講，種植規模較大的年份單產水足跡相對較大，且大豆單產較低，這主要是由于這些年份大豆價格的微漲，小農種植的增加，降低了大豆種植的整體水平和生產效率[28]。小麥和玉米是山西省種植面積最大的2種農作物，2010-2018年小麥和玉米年均種植面積分別占耕地總面積的21.2%和56.3%，且玉米種植面積有逐年增加的趨勢。就單產水足跡而言，小麥屬于中等耗水作物，而玉米屬于低耗水作物，但2者的水足跡結構卻有明顯區別（見圖3）。小麥的水足跡構成為藍水（62.3%）、灰水（26.3%）、綠水（11.4%），表明山西省小麥對灌溉水的依賴程度非常高，給區域水資源合理利用帶來較大的壓力。這主要由于山西省小麥種植以冬小麥為主，小麥生長需水期與山西省雨季不相匹配。玉米的水足跡構成為藍水（40.7%）、灰水（40.2%）、綠水（19.1%），表明山西省玉米同樣主要依靠灌溉水，但降水對玉米的貢獻大于小麥，然而玉米的水足跡中灰水占比較大，接近于藍水，在嚴重缺水的山西省而言，玉米種植帶來的水資源污染不容忽視。谷子的水足跡構成為藍水（36.5%）、灰水（41.8%）、綠水（21.7%），大豆的水足跡構成為藍水（58.0%）、灰水（18.0%）、綠水（24.0%），油料的水足跡構成為藍水（35.9%）、灰水（38.9%）、綠水（25.2%），蔬菜的水足跡構成為藍水（44.1%）、灰水（44.9%）、綠水（11.0%）。以上4種農作物水足跡構成結果表明各農作物對灌溉水的依賴程度相對較高，另外谷子、油料和蔬菜帶來的水資源污染也相對較嚴重。

圖2 2010-2018年山西省主要農作物單產水足跡年際變化Fig.2 Water footprint interannual variation of major crops in Shanxi Province from 2010 to 2018

圖3 2010-2018年山西省主要農作物水足跡結構Fig.3 The water footprint structure of the main crops in Shanxi Province from 2010 to 2018

山西省2010-2018年總水足跡計算結果（見圖4）顯示，山西省主要農作物年際總水足跡介于307～331億m3，平均值為315.5億m3，變化幅度較小。其中小麥和玉米水足跡占據總水足跡的79.3%，是山西省農作物水足跡的主要貢獻作物。各主要農作物年際水足跡變化情況來看，玉米和蔬菜的水足跡呈現波動上升的趨勢，谷子水足跡年際變化不大，小麥、大豆和油料的水足跡呈現波動下降趨勢。所有農作物的變化規律與其種植面積的變化規律大體一致，因此，調整作物的種植規模對區域水資源配置具有重要作用，這個結論與仇蕾等[20]在吉林省的研究結果一致。

圖4 2010-2018年山西省主要農作物總水足跡Fig.4 Total water footprint of major crops in Shanxi Province from 2010 to 2018

2.2 山西省主要農作物能源消耗特征分析

山西省2010-2018年主要農作物單產能源消耗計算結果見圖5。由圖5可知山西省各類主要農作物多年平均單產能源消耗存在較大差異，其中谷子的單產能耗均值達到12.7 GJ/t，明顯高于該區其他農作物，是玉米的5倍左右，小麥的2倍以上，屬該區極高耗能作物；大豆和油料的單產能耗相差不大，均接近于8.0 GJ/t，屬該區高耗能作物；小麥單產能耗為5.96 GJ/t，屬該區中等耗能作物；玉米單產水能耗為2.6 GJ/t，屬該區低耗能作物；蔬菜單產能耗為0.8 GJ/t，顯著低于該區其他農作物，屬該區極低耗能作物。

圖5 2010-2018年山西省主要農作物單產能耗Fig.5 The yield energy consumption of major crops in Shanxi Province from 2010 to 2018

圖6顯示了各主要農作物2010-2018年單產能耗年際變化，結果表明小麥的單產能耗的年際變化較小，變化范圍為5.29～6.96 GJ/t；玉米、油料和蔬菜的單產能耗在2010-2018年呈現波動上升的趨勢；谷子和大豆的單產能耗呈現波動下降的趨勢。玉米單產耗能的變化主要是由于具有經濟作物的特點，不僅可作為口糧，也可作為飼料用糧、工業用糧。近年來，由于期貨市場上國際玉米價格持續走高，帶動了農民種植和生產投入的積極性，使得近年來山西省玉米種植面積不斷增加[29]，種植規模及生產效率的參差不齊，投入的加大，使得玉米單產能源消耗呈現波動上升趨勢。受到玉米種植規模增加的影響，其他作物種植規模在逐年下降，特別是大豆種植面積下降最為明顯。與單產水足跡相同，谷子種植格局的優化和產業化的形成，降低了谷子的單產能源消耗。

圖6 2010-2018年山西省主要農作物單產能耗年際變化Fig.6 The yield capacity interannual variation of major crops in Shanxi Province from 2010 to 2018

山西省各主要農作物能源結構見圖7。能源構成中化肥耗能在各農作物中占比均超過了30%，變化范圍在30.4%～46.3%，均值為36.4%。這主要是由于山西省近些年來化肥使用量持續增加且大多數地區過量投入[30]。小麥、玉米、谷子、大豆和油料等大田作物中，柴油和電力的能耗占比也較大，這一方面是由于近年來農業機械化水平的提高，加大了農業生產過程中柴油和電力的使用量；另一方面由于山西省雨季與農作物生長季需水季不相匹配，農作物藍水需求量普遍較高，農業灌溉對柴油和電力的需求同樣很大。以上大田作物中農藥的能耗占比最小，變化范圍在5.2%～15.6%，均值為10.7%。蔬菜的能源構成與大田作物略有不同，由大到小依次為化肥（33.3%）、電力（31.5%）、農藥（20.5%）和柴油（14.7%）。這表明相比于大田作物，山西省蔬菜種植過程中對化肥和農藥的依賴性強。

圖7 2010-2018年山西省主要農作物單產能耗構成Fig.7 The energy consumption of major crops in Shanxi Province were composed from 2010 to 2018

山西省2010-2018年總能耗計算結果（見圖8）顯示，山西省主要農作物年際總能耗介于4 064.6～5 682.3萬GJ，平均值為5 189.9萬GJ，變化趨勢為在2010-2014年逐年上升，之后保持穩定。其中小麥（26.0%）和玉米（48.6%）能耗占據總能耗的74.6%，是山西省農作物總能耗的主要貢獻作物。另外，2種作物年際能耗變化趨勢相反，小麥逐年波動遞減，玉米逐年波動遞增，且2者總能耗年際變化較小，這表明近年來山西省小麥種植中減少的能耗主要被玉米所消耗。其他農作物能耗由大到小依次為蔬菜（12.9%）、谷子（7.6%）、油料（2.5%）和大豆（2.4%）。年際能耗變化情況來看，蔬菜能耗呈現波動上升的趨勢，谷子、大豆和油料能耗呈現波動下降趨勢。所有農作物的變化規律與其種植面積的變化規律大體一致。

圖8 2010-2018年山西省主要農作物總能耗Fig.8 Total energy consumption of major crops in Shanxi Province from 2010 to 2018

2.3 山西省主要農作物種植結構優化

基于2015年山西省主要農作物種植情況，對2020年進行規劃（見表2），結果顯示2015年山西省主要農作物種植總面積為308.7萬hm2，2020年規劃種植面積為299.7萬hm2，下降了2.9%。對2020年規劃值與實際值比較發現，2者誤差較小，表明規劃結果較好，符合預期，能夠以2020年為基期規劃2025年種植結構。以2020年主要農作物實際種植情況規劃2025年種植結構（見表3），規劃結果表明，規劃期2025年山西省主要農作物種植面積及比例均發生一定程度的變化，基準期（2020年）主要農作物種植總面積為289.5萬hm2，規劃2025年種植面積增加為302萬hm2。比較各類農作物的變化幅度，可以發現小麥和谷子變化幅度最大，小麥種植面積增加8.1萬hm2，比例上升了1.93個百分點，谷子種植面積減少3.1萬hm2，比例下降了1.35個百分點。油料作為高耗水高耗能作物，種植面積減少1.3萬hm2，比例下降了0.58個百分點。蔬菜屬于極低耗水極低耗能作物，種植面積增加了1.0萬hm2，比例上升了0.07個百分點。玉米作為低耗水低耗能作物，種植面積增加了3.9萬hm2，比例下降了1.2個百分點。大豆屬于高耗水極高耗能作物，種植面積和比例均有所增加。總體而言，優化結果基本符合《山西省“十四五”農業現代化規劃》里穩定糧食生產，適當擴大玉米種植面積，并且符合中華人民共和國農業農村部的擴大大豆玉米帶狀復合種植政策。

表2 山西省2020年主要農作物種植結構規劃結果Tab.2 Results of the planting structure planning of major crops in Shanxi Province in 2020

表3 山西省2025年主要農作物種植結構規劃結果Tab.3 Results of the planting structure of major crops in Shanxi Province in 2025

3 討論

3.1 山西省不同耗水與耗能作物分布規律與分布特征

不同區域農作物種植類型及空間分布特征受自然要素和人文經濟等要素影響[31]。本研究將山西省分為晉南區（運城市和臨汾市）、晉東南區（長治市和晉城市）、晉中區（太原市、晉中市和陽泉市）、呂梁地區（呂梁市）和晉北區（忻州市、朔州市和大同市）。據山西省統計年鑒數據，各地區2010-2018年農作物年均種植面積和比例存在差異（見表4），中耗水中耗能的小麥主要分布于晉南區和晉東南區。這主要是由于山西省的小麥種植主要以冬小麥為主，以上區域氣候較適宜，地勢平坦，特別是晉南區，大部分地區為一年兩熟或兩年三熟制[32]，可實施冬小麥與夏糧輪作種植，很大程度上增加了糧食的產量，而山西省的晉中和晉北區及呂梁地區氣候條件和地形條件不適合小麥的種植。低耗水低耗能的玉米在山西省各區域種植比例均最大且區域差異小，這主要是由于玉米是一種旱地作物，低耗水低耗能且對溫度的敏感程度較其他作物低。另外，相較于其他作物，玉米利于機械化種植，隨著現代化的發展，玉米種植對勞動力的需求越來越低。高耗水極高耗能的谷子作為山西省主要種植小雜糧，產量僅次于玉米和小麥，其耐寒、耐貧瘠、抗逆性強，地域優勢明顯。據研究全省谷子種植適宜區由優到劣依次為，晉東南區、晉南區、晉中區、呂梁地區、晉北區[33]。但在本研究中各區谷子的種植比例與適宜情況不匹配，例如呂梁地區在各區中適宜性排第4，但種植比例排第1。這主要與各區的地形、種植制度、農業人口以及經濟發展水平等差異有關。極高耗水高耗能的大豆和高耗水高耗能的油料的種植以呂梁地區占比最高，主要是由于呂梁地區溝壑縱深，山地和半山地占全市面積的92%，約87%的耕地為旱地，中低產農田面積廣，不適合大宗農作物種植，農業結構還處于“小、散、弱”狀態，農業生產仍以家庭為單位，沒有形成規模化，因此農作物種植類型較散[34]。晉中區基于其優越的地形結構、氣候條件、便利的交通網及其地方政府的大力扶持，使得露地和設施蔬菜的種植遙遙領先于其他地區[35]。

表4 山西省各區域2010-2018年主要農作物年均種植面積和比例Tab.4 The planting area and proportion of major crops in all regions of Shanxi Province from 2010 to 2018

3.2 地形對山西省不同耗水與耗能作物分布的影響

通過對山西省高程圖和耕地圖的柵格數據統計，得出各區域耕地中按照海拔高度分級統計結果（見表5）。由表5得知，全省近60%的耕地分布在海拔600～1 200 m，其次是1 200～1 800 m占27.1%，0～600 m占12.7%，海拔1 800 m以上耕地占比較少，僅為0.4%。晉南區近95%的耕地分布在海拔1 200 m以下，其余4區耕地主要分布在海拔600～1 800 m，且越往北高海拔耕地占比越多，特別是晉北區，50%的耕地分布在海拔1 200～1 800 m。根據全球氣候的分布特征，緯度升高，海拔升高，氣溫降低，無霜期變短。另外，參考山西省農業農村廳《2021年糧食作物生產技術指導意見》，山西省主要農作物適宜播種時間按照由南到北（晉南區、晉東南區、晉中區、呂梁地區和晉北區）的次序分別推遲5 d。由以上論述可知，山西省耕地中晉南區海拔0～600 m所分布耕地氣候條件最優越，物候期最長，晉北區海拔1 200～1 800 m分布耕地氣候條件最差，物候期最短。

表5 山西省各區域耕地海拔分級占比情況%Tab.5 Proportion of cultivated land in Shanxi Province

按照地形分布特征，中耗水中耗能的小麥種植區主要分布于晉南區和晉東南區海拔低于1 200 m的平川和丘陵地帶[36]。盡管全省均適合低耗水低耗能的玉米種植，但前人根據不同的氣候資源（水平地帶性、垂直地帶性）把全省分為了4大類型種植區，分別為春播特早熟區（晉北區）、春播早熟區（呂梁地區）、春播中晚熟區（晉中區）和夏播中早熟區（晉東南區和晉南區），各區產量差異較大，晉北區單產最低[37]。高耗水極高耗能的谷子和極高耗水高耗能的大豆在全省均有種植，但由于水熱條件的差異，品種和產量差異較大。高耗水高耗能的油料在全省的種植也很廣泛，但不同地域主要種植作物差異明顯，其中晉北區以胡麻、向日葵和油菜為主，晉中區和呂梁地區以向日葵、花生和芝麻為主，晉南區以油葵和油菜為主，晉東南區以油菜和花生為主[38]。山西省極低耗水極低耗能的蔬菜產業主要分布于地域條件及水熱條件較優越的盆地，從北到南有大同盆地（晉北區）、忻定盆地（晉北區）、晉中盆地（晉中區）、上黨盆地（晉東南區）和晉南盆地（晉南區）[39]。

4 結論

（1）山西省6種主要農作物中谷子屬于高耗水極高耗能，大豆屬于極高耗水高耗能，油料屬于高耗水高耗能，小麥屬于中耗水中耗能，玉米為低耗水低耗能，蔬菜為極低耗水極低耗能作物。

（2）小麥和大豆是典型的藍水消耗型作物，即種植需要更多的水資源灌溉。谷子是典型的灰水消耗型作物，表明化肥施用量較大，應減小施肥量以控制灰水足跡。玉米、油料和蔬菜是灰水—藍水消耗型作物。

（3）對于能耗結構，小麥、玉米、谷子、大豆和油料等大田作物的能耗主要是柴油和電力，蔬菜的能耗結構主要以化肥、電力為主。

（4）水足跡能耗變化規律與種植面積變化規律大體一致，因此調整農作物的種植面積是影響區域水資源配置和能源消耗變化的重要因素。優化后的種植結構方案中，玉米、谷子和油料種植比例下降，小麥和大豆種植比例提高，蔬菜變化比例不大，符合山西省“十四五”農業現代化規劃，整體方案具有趨于低耗能、低耗水、低污染、耕地規模穩定的特點。

（5）山西省中耗水中耗能的小麥主要種植于晉南區和晉東南區海拔低于1 200 m的平川和丘陵地帶，低耗水低耗能的玉米、高耗水極高耗能的谷子、極高耗水高耗能的大豆和高耗水高耗能的油料作物在全域均有種植，但由于水熱條件的差異，品種和產量差異較大。極低耗水極低耗能的蔬菜主要分布于地域條件及水熱條件相對優越的盆地。