權衡生產和耗水的區域小麥種植格局優化

任頻頻，李保國,2,3，黃 峰,2,3*

（1.中國農業大學 土地科學與技術學院，北京 100193；2.農業農村部華北耕地保育重點實驗室，北京 100193；3.自然資源部農用地質量與監控重點實驗室，北京 100193）

0 引 言1

【研究意義】小麥（Triticum aestivumL.）是世界上的主要農作物之一，其種植面積占全球耕地面積的1/6，對膳食熱量的貢獻達到了20%[1-2]。灌溉是農業生產中的重要農事措施[3]，灌溉農業對全球農業生產的貢獻達到了50%左右[4-5]。灌溉對作物增產貢獻巨大，尤其是對小麥產量的增加[6-7]。研究表明，若沒有灌溉，相對于20 世紀70 年代，20 世紀初印度小麥產量的增長將要減少13%[8]。從全球范圍看，灌溉和雨養小麥產量的差異可達34%±9%[9]。然而，對中國華北地區來說，小麥的集約種植及其巨大的灌溉需求正在加速該地區水資源的不可持續性利用。由于降水稀少、降水時期和小麥生育期不匹配等原因，抽取地下水灌溉成為保證華北地區小麥正常生產的普遍措施[10]，因此也加劇了該地區的水資源短缺現狀，導致地下水位快速下降，引發了一系列生態環境問題[11-14]。小麥生產和水資源短缺之間的矛盾正在影響該地區水資源的可持續利用，調整灌溉密集型的小麥種植，對實現該地區“糧-水”平衡的可持續發展具有重要意義。

【研究進展】可持續發展的理念推動國內外學者探索了許多農業節水生產措施，其中，調整農作物種植制度[15-16]、優化農作物種植結構[17-18]等成為熱點研究目標。Osama 等[19]通過建立線性規劃模型，優化了水資源和土地資源約束下的埃及地區28 種農作物的種植面積。Van 等[11]基于模型模擬了地下水平衡的農作物種植體系，并評估了作物種植變化對作物生產和耗水的影響。無論以上哪種方式，都引入了小麥季節性休耕或減少小麥種植面積的措施，這不僅可以直接節約水資源，還可以改善農業生態環境和土地質量[20]。然而，盡管小麥季節性休耕可以實現明顯的灌溉節水效果，但也會導致產量下降[21]。引進春玉米種植可以提高糧食總產量[22]，但仍應慎重考慮小麥、玉米和其他作物之間的種植權衡。在華北地區，小麥是最重要的主食之一，玉米則主要用作動物飼料[23]。農作物種植結構優化是指在一定的約束條件下，重新分配作物種植面積，從而實現作物總產量或總效益最大化，或總生產成本最小化等[24-26]。在華北地區，王璐等[27]、胡洪靜等[28]、Zhang 等[29]分別在不同地域尺度優化了相關農作物的種植結構，但在華北區域尺度上，探索農作物種植優化格局的研究尚不多見。

【切入點】由于農業生產的時空異質性，全方位考慮作物生產的影響因素、并在區域尺度上開展作物種植優化具有一定的挑戰性。聚焦于華北地區的“水糧”矛盾，在水資源短缺和小麥生產需求的背景下，如何構建有限水資源條件下“耗水少、產量高”的區域小麥種植格局？基于此，本文以華北地區縣域尺度的小麥種植面積為優化對象，通過引入權重系數權衡小麥生產和耗水，建立區域尺度小麥種植面積目標規劃模型，旨在明確“生產-耗水平衡”視角下的小麥生產空間布局優化潛力及其區域生產優勢，為實現華北地區的“糧水平衡”可持續發展提供理論支撐與實踐支持。

【擬解決的關鍵問題】①華北地區小麥生育期的蒸散量耗水（Evapotranspiration，ET）特征；②以“生產多、耗水少”為權衡目標，以縣域為最小研究單元，建立小麥種植面積目標規劃模型，探討華北地區小麥種植格局在區域上的優化潛力。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本文研究區如圖1 所示，覆蓋了河北中南部、河南北部以及山東魯西北地區的151 個縣市，陸地總面積約15 萬km2。研究區內的主要土地利用類型是耕地，主要農作物種植制度是冬小麥夏玉米一年兩熟的種植制度，該種植制度的周年蒸散量耗水約800～900 mm，而該地區年平均降水量僅有500～600 mm，其中約60%～70%的降水集中在夏季。由于降水時期與小麥生育期的不匹配性，小麥生長季通常需要抽取地下水灌溉來補充作物所需水分，這也導致該地區地下水位呈逐年下降趨勢，其中淺層地下水下降速率達到了（0.46±0.37）m/a，深層地下水下降速率達到了（1.14±0.58）m/a[30]。

圖1 研究區位置示意圖及其主要土地利用類型Fig.1 Location of the study area, and its main land use types

1.2 數據源

本文所用到的數據包括：小麥生育期的ET和灌溉耗水（Irrigation Water Consumption，IWC）數據、小麥總產量、小麥種植面積、小麥單產等縣域尺度統計數據。2001—2018 年小麥生育期的ET和IWC數據來自Ren 等[31]，其中ET的計算是基于經典的地表能量平衡模型SEBS（Surface Energy Balance System）[32]，IWC則是根據土壤水平衡由蒸散量和降水量估算得到，該方法廣泛應用于作物灌溉估算與評價[33-34]。小麥總產量、種植面積和單產等統計數據來源于各省市農業統計年鑒。為了反映總體現狀，本文以搜集到的2014、2016 年和2018 年的小麥單產均值作為單產平均水平，并以2018 年小麥種植面積作為當前小麥種植規模。

2 小麥種植面積目標規劃模型

2.1 模型建立

小麥生產直接關系到農民利益和糧食生產安全，小麥蒸散量總體描述了小麥生產過程中的耗水特征。綜合小麥蒸散量、耗水量和小麥生產，本文建立了小麥種植面積的多目標規劃模型，模型優化總目標為“小麥總產量最大，總蒸散量最小”，約束條件包括灌溉約束、種植面積約束、小麥需求約束等。此外，本文探討了不同情景下的目標優化結果，具體情景設置包括生產和耗水的不同權衡情景、不同水文年型情景、不同灌溉約束情景。

模型具體內容如下：

1）目標函數

式中：f為總目標函數；a和b分別為總產量和總蒸散量的權重系數，且a和b滿足a+b=1；為總產量的目標函數（t）；f1max為能達到的最大小麥總產量（t）；為總蒸散量的目標函數（m3）；f2min為能達到的最少小麥蒸散量（m3），由于產量和蒸散量是2 個不同的變量且單位不同，本文利用f1max和f2min分別對產量目標函數和蒸散量目標函數進行了標準化；Xi為第i個縣的小麥種植面積（hm2）；Yi為第i個縣的小麥單產（t/hm2）；ETi為第i個縣的小麥蒸散量（m3/hm2）；n為縣域數目。

2）約束條件

灌溉約束：

式中：IWCi為第i個縣的小麥灌溉需水（m3）；Qj為第j個（j=1,2,3,4,5）灌溉水平（m3），由各個縣域的小麥IWC和種植面積計算。在這一部分中，本文分別在省、市兩級進行了目標優化，即Qj分別在省和市級水平上進行統計。

種植面積約束：

式中：Xi,min為第i個縣的最少小麥種植面積（hm2）；Xi,max為第i個縣的最大小麥種植面積（hm2）。本文將小麥最少種植面積設置為當前種植面積的40%，最大種植面積設置為當前種植面積的110%[35]。

小麥需求約束：

式中：λ為人均小麥需求量[36]；P為總人口數目。

2.2 情景模擬

本文設置了5 個灌溉水平，包括根據IWC計算的現狀灌溉水平Q，以及分別減少灌溉10%、20%、30%、40%的4 個灌溉約束水平，分別表示為0.9Q、0.8Q、0.7Q、0.6Q。本文設置了3 組權重來研究小麥產量和蒸散量、耗水量之間的權衡關系，分別為：產量權重為1，蒸散量權重為0，此種情景下僅考慮小麥生產在區域尺度上達到最大化；產量權重為0，蒸散量權重為1，此種情景下僅考慮小麥蒸散量在區域尺度上達到最小化；產量和蒸散量的權重分別為0.5，此種情景下考慮區域尺度上小麥生產和蒸散量、耗水量的平衡。此外，本文考慮了水文年型的影響，基于降水數據，2001—2018 年小麥生育期觀測到4 個枯水年、6 個平水年和8 個豐水年?？紤]到小麥蒸散量和灌溉耗水量在不同水文年型間差異顯著（p<0.05，表1），本文開展了不同降水條件（多年平均，枯水年、平水年、豐水年）下的數據分析和小麥種植優化。

表1 小麥蒸散量和灌溉耗水量的線性擬合系數Table 1 Linear fitting coefficients of ET and irrigation water consumption of wheat

3 結果與分析

3.1 小麥蒸散量和灌溉耗水量

小麥蒸散量和灌溉耗水量的年際變化如圖2 所示。河北、河南和山東的小麥蒸散量變化范圍分別為283～411、313～463 mm 和322～470 mm，年際變異系數分別為10.8%、9.5%和10.5%。小麥灌溉耗水量的年際波動較大，河北、河南、山東小麥灌溉需水的標準偏差分別為65.0、65.7、73.5 mm，年際變異系數分別為28.2%、27.9%、28.1%。此外，2010 年以后，小麥蒸散量和灌溉耗水量均呈明顯的下降趨勢，進一步對2001—2009 年和2010—2018 年的蒸散量和灌溉耗水量進行線性擬合，結果表明（表1），2001—2009年小麥蒸散量顯著增加，2010—2018 年顯著減少（p<0.05）。2001—2009 年，小麥灌溉耗水量呈上升趨勢，2010—2018 年顯著下降（p<0.05）。

圖2 小麥蒸散量和灌溉耗水量的時序變化特征Fig.2 Temporal variations of ET and irrigation water consumption of wheat

表2 顯示了不同水文年型小麥蒸散量和灌溉耗水量的統計特征及其方差分析結果。河北省的小麥蒸散量最少（366.1 mm）、灌溉耗水量最少（231.9 mm），山東省的小麥蒸散量最大（414.3 mm）、灌溉耗水量最大（261.5 mm）。不同水文年型的小麥蒸散量和灌溉耗水量差異顯著（p<0.05），其中蒸散量由枯水年向平水年和豐水年遞減，在河北表現為396.7 mm>379.7 mm>340.5 mm，在山東表現為 449.7 mm>432.6 mm>382.8 mm，這可能歸因于枯水年較少的降水和較大的飽和水汽壓差，從而有利于蒸散量的進行。受蒸散量和降水量的雙重差異，枯水年的小麥灌溉耗水最多，在河北、河南和山東分別達到了302.9、311.5 mm和336.3 mm；豐水年的小麥灌溉耗水量最少，在河北、河南和山東分別為180.5、181.9 mm 和207.4 mm。

表2 小麥蒸散量和灌溉耗水量在不同水文年型的統計分析（平均值±標準差）Table 2 Statistics on ET and irrigation water consumption of wheat in different hydrological year types

3.2 省級水平小麥種植面積優化

表3 列出了省級水平下優化后的小麥總產量和蒸散量相對于現狀的變化比例。當前灌溉水平下，產量權重不低于0.5 時，通過優化，小麥總產量可提高1.2%～2.3%；當產量權重為0 時，河北、河南、山東的小麥總產量將會分別減少-1.3%、-1.2%、-0.2%。當灌溉量減少10%（0.9Q）時，小麥總產量最少可以減少-7.1%（河北）、-7.3%（河南）、-7.9%（山東），此時蒸散量的減少量也在10%以下；當僅優化蒸散量時，河北、河南、山東的蒸散量分別減少-11.2%、-11.0%、-10.5%。

表3 小麥總產量和蒸散量的優化結果（平均年，省級水平）Table 3 Optimization results of total yield and ET of wheat(average year, provincial level)

當僅優化產量時，小麥總產量的減少幅度少于灌溉量的減少幅度（即少于優化前小麥總產量的減少幅度），這體現了總產量的優化潛力，其在河北為2.3%～3.0%，在河南為 2.0%～3.1%，在山東為1.2%～2.8%。當僅優化蒸散量時，小麥蒸散量的減少幅度多于灌溉的減少幅度（即多于優化前小麥蒸散量的減少幅度），這體現了蒸散量耗水的優化潛力，其在河北為0.1%～1.4%，在河南為0.7%～1.1%、在山東為0.4%～0.7%。此外，產量權重為1 和0.5 的2 種權衡情景下，小麥總產量和蒸散量的變化比較接近。

不同灌溉水平和不同權重情景下，小麥種植面積優化結果的空間分布如圖3 所示（以小麥種植面積相對于現狀的變化比例表示，圖中Q表示當前灌溉水平，0.9Q、0.8Q、0.7Q、0.6Q分別表示減少了10%、20%、30%和40%的灌溉水平。所有子圖共用同一個比例尺，下同。）。當僅優化產量時，當前灌溉水平下，河北滄州東部和山東濱州北部的小麥種植面積減少，河北石家莊和邢臺西部的部分縣域也需要減少，其他縣可以保留較高的小麥種植面積。當灌溉逐漸減少時，小麥種植面積減少區域主要分布在河北西部、河北東北部、河南北部以及山東的聊城和濱州地區，河北山東交界處縣域均能維持較高的小麥種植規模。

圖3 不同權重和灌溉水平下優化后的小麥種植面積變化比例（平均年，省級水平）Fig.3 Change proportions of optimized wheat planting area under different weights and irrigation levels (average year, provincial level)

在相同灌溉水平下，當產量權重減少、蒸散量權重增加時，可以維持較高小麥種植面積的區域呈現規律性的空間轉移，其中以河北省最為明顯。以情景“0.8Q”為例，產量權重為1 時，能保持較高小麥種植面積的縣域主要分布在邯鄲、邢臺和衡水，而蒸散量權重為1 時則主要分布在石家莊和保定地區。山東德州的縣域在實現小麥總產量最大化方面的潛力最大，而濱州在減少小麥蒸散量耗水方面具有優勢。小麥生產和耗水不同權衡情景下，可以維持較高小麥種植規模的縣域及其空間變化，體現了充分發揮小麥區域生產優勢的潛力和意義。

3.3 市級水平小麥種植面積優化

圖4 展示了市級水平下小麥種植面積優化結果的空間分布（平均年）。表4 為不同灌溉水平和不同權重情景下，市級水平上的小麥總產量和蒸散量耗水優化結果。當前灌溉水平下，河北、河南、山東的小麥總產量最多分別可提高1.4%、1.6%、0.7%，蒸散量最少可分別減少0.5%、0.4%、0.3%。在灌溉約束水平下，小麥總產量的減少幅度可以低于灌溉量的減少幅度，這個“低”的變化范圍在河北為1.9%～2.3%，在河南為1.9%～2.7%，在山東為1.0%～1.2%，此外，小麥蒸散量、耗水量的減少幅度也可以高于灌溉的減少幅度，這個“高”的變化范圍在河北為0.6%～0.8%，在河南為0.6%～0.8%，在山東為0.3%～0.5%。

表4 小麥總產量和蒸散量的優化結果（平均年，市級水平）Table 4 Optimization results of total yield and ET of wheat(average year, municipal level)

圖4 不同權重和灌溉水平下優化后的小麥種植面積變化比例（平均年，市級水平）Fig.4 Change proportions of optimized wheat planting area under different weights and irrigation levels (average year, municipal level)

與省級水平下的優化結果相比，市級水平優化情景下小麥總產量和蒸散量、耗水量的變化幅度均較?。阂院颖笔〉那榫啊?.8Q”為例，省級水平下總產量最少可減少17.0%，市級水平下則是17.7%；省級水平下的蒸散量、耗水量最多可減少21.4%，市級水平則是20.8%。省級水平的優化結果從較大的地域層面反映了小麥生產或耗水的管理優勢，市級水平的優化結果進一步細化了這種優勢的縣域差異，可為地市級的小麥種植優化提供更多參考價值。

4 討 論

為了緩解地下水位下降、實現水資源的永續利用，已有研究探討了許多農業實踐措施，包括：①采用可減少灌溉的農作物種植制度；②優化灌溉時間、灌溉水量和灌溉方式，減少無效水分損失，提高灌溉水利用效率[37]；③農業節水措施的應用（如地膜或秸稈覆蓋等）；④以上措施的綜合實踐[38-39]；⑤其他措施，如土壤耕作方法和作物基因型改進等[40-41]。然而，許多研究都是基于田間試驗或模型模擬，農業生產的空間異質性在一定程度上限制了研究結果的區域應用性。此外，使用特定儀器（如TDR）實時監測土壤水分、制定灌溉措施對農民來說也具有一定的挑戰[22]。研究指出，在華北區域尺度上，減少小麥種植面積是減少地下水開采的最直接有效途徑之一[42]。

合理的農作物種植結構是實現區域水土資源優化配置的基礎，國外已開展了許多農作物種植結構優化研究[43-45]。在國內，有學者在東北[18]、西北[46]、全國[24]等不同尺度開展了研究。在華北地區的相關研究中[27-29]，由于研究區相對較小、水資源的年際變異性，已有研究結果在區域應用方面具有一定的局限。在華北區域層面上，Zhong 等[47]提出通過調整農作物種植制度來維持區域糧食生產水平和恢復當地地下水位，但河北地區小麥大面積休耕可能會對糧食安全帶來影響，Zhong 等[48]的研究結果也顯示了類似的局限性。由于氣候特征、土壤屬性、農業生產、作物耗水等因素的空間異質性，獲取完善的區域尺度農作物種植優化具有一定的挑戰，基于田間試驗尋找區域層面的最優解決方案也由于其耗時耗力而降低了可行性[49]。本文聚焦于華北地區面臨的“水糧”矛盾，以生產和耗水為主要權衡目標，以種植廣泛、灌溉密集的小麥為研究對象，建立面向種植面積和種植格局優化的目標規劃模型，通過綜合考慮小麥生產、耗水和灌溉水資源等因素，研究思路和研究結果可為區域農作物種植優化提供一定參考。

當前，針對華北地區的水資源短缺現狀，多數地區頒布了相關政策法規，旨在通過制定地下水壓采目標等實現水資源的可持續利用。從調整小麥種植面積壓采地下水的角度出發，本文中不同灌溉約束水平下的小麥種植面積優化結果為一定地下水壓采目標（即本文中的灌溉減少量）下的小麥種植格局優化提供了優化方向和優化區域方面的參考。此外，地下水壓采目標通常是正常供水條件下或多年平均供水條件下的壓采目標。丁躍元等[50]指出，枯水年灌溉會增加，相應的壓采目標應該降低；反之，豐水年灌溉需求會減少，相應的壓采目標應增加，這也是地下水“調豐補枯”特點的具體表現。然而，根據本文分析結果，“枯水年小麥蒸散量高、灌溉需求大，豐水年小麥蒸散量低、灌溉需求小”，從“適應降水種植”的角度考慮，應該探討“豐水年多種，枯水年少種”的種植策略。此外，當小麥生育期降水條件較好時（如平水年和豐水年），較高的灌溉節水目標會帶來較大的小麥減產，盡管作物蒸散量耗水也會減少，但從“適水種植”的角度考慮，也應該考慮“多水年多種，少水年少種”，并根據各年降水情況確定地下水壓采目標。

本文也存在一些不足之處，例如，在沒有精確小麥空間分布數據的情況下，提取旱地像元的蒸散量來代表小麥蒸散量，盡管華北地區的小麥生長季基本沒有其他作物生長，但后續研究中規劃模型的數據輸入需要進一步優化。

5 結 論

無論是現狀灌溉水平還是灌溉約束下，華北地區的小麥總產量有進一步提升的潛力、小麥蒸散量有進一步減少的潛力，其中在現狀灌溉水平下，優化后的小麥總產量最多可提升1.2%～2.3%，優化后的小麥蒸散量最多可減少0.4%～0.8%，在灌溉約束下，小麥總產量減少量可以比灌溉減少量最多低3.1%，蒸散耗水量減少量可以比灌溉減少量最多高1.4%。在同一灌溉水平下，當產量權重降低、蒸散量權重增加時，能維持較高小麥種植規模的區域呈現規律性的空間轉移，體現了不同縣域在發揮小麥生產或耗水管理方面的優勢。此外，由于小麥蒸散量和灌溉需水均呈“枯水年最多、平水年次之、豐水年最少”的顯著性差異（p<0.05），從“適應降水種植”的角度考慮，應該探討“多水年多種、少水年少種”的小麥種植策略。若從調整小麥種植面積以實現地下水壓采的角度考慮，地下水壓采目標的設定應該考慮不同降水年型帶來的影響。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）