新疆莎車灌區(qū)農(nóng)作物多目標種植優(yōu)化調(diào)整

武夢晗　王弋

關(guān)鍵詞：種植結(jié)構(gòu)；“十四五”規(guī)劃；多目標規(guī)劃；優(yōu)化方案

中圖分類號：Ｓ２７ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０１．０２１

引用格式：武夢晗，王弋．新疆莎車灌區(qū)農(nóng)作物多目標種植優(yōu)化調(diào)整［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（１）：１２０－１２５，１３１．

新疆位于我國西北邊陲，是名副其實的農(nóng)業(yè)省份。境內(nèi)早晚氣溫溫差較大，日照時數(shù)充足，可為農(nóng)作物提供充足的光熱。然而灌區(qū)作物農(nóng)業(yè)用水量大且利用率不高，加重了水資源的緊缺現(xiàn)象［１］ 。因此，在農(nóng)業(yè)發(fā)達和水資源寶貴的新疆推進農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)性優(yōu)化改革，是保障新疆生態(tài)文明建設(shè)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要舉措［２－３］ 。

在過去幾十年中，為了保證糧食安全和提高糧食產(chǎn)量，我國大部分優(yōu)化糧食種植結(jié)構(gòu)的研究往往把經(jīng)濟效益作為主要目標函數(shù)，忽視了水資源保護效益和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對環(huán)境效益可持續(xù)性的影響，間接導致了水資源的不合理使用和生態(tài)環(huán)境的惡化［４］ 。地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展需要平衡經(jīng)濟、生態(tài)和農(nóng)業(yè)水資源三者之間的關(guān)系，才能實現(xiàn)最佳的整體效益［５］ 。

近年來，農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整普及到各地區(qū)，發(fā)展趨于多元化，逐漸帶動了利用多目標優(yōu)化模型對種植結(jié)構(gòu)的研究［６］ ，如李睿環(huán)等［７］ 在西北旱區(qū)的黑河中游三區(qū)（縣），通過模糊目標規(guī)劃方法優(yōu)化后，整體經(jīng)濟效益增長了４．２３ 億元，而用水量減少了９．８３×１０６ ｍ^３；侯慶豐［８］ 通過水足跡分析了甘肅省種植模式的調(diào)整和優(yōu)化情況，發(fā)現(xiàn)增加綠水資源利用并減少藍水資源利用是當?shù)睾侠砝盟Y源的基礎(chǔ)；周惠成等［９］ 在求解作物種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化中應(yīng)用了交互式模糊多目標優(yōu)化算法，提出合理的種植結(jié)構(gòu)對增加經(jīng)濟效益和社會效益的重要性；馬林瀟等［１０］ 通過遺傳算法建立農(nóng)作物優(yōu)化模型，結(jié)合耦合經(jīng)濟、社會等因素，進行水資源和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展研究。上述學者們對農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的優(yōu)化進行了各類分析，為種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有益參考。但在西北干旱區(qū)這種特殊的地理和氣候環(huán)境下的綠洲農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，不僅需要考慮當?shù)氐膶嶋H條件，而且需要結(jié)合國家發(fā)展政策與指引，而此類研究目前還處于探索階段［１１］ 。如何利用當前政策對作物生產(chǎn)結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，使其更具有針對性和合理性，從而提高農(nóng)產(chǎn)品在市場上的競爭力和作物的相對經(jīng)濟價值［１２］ 。因此，本文將根據(jù)目標灌區(qū)的未來發(fā)展綱要和規(guī)劃并結(jié)合實際情況，以生態(tài)、經(jīng)濟、作物灌溉水量為目標進行種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化，旨在對灌區(qū)農(nóng)作物的種植有一定指導作用。

１ 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來源

１．１ 研究區(qū)域

截至２０１９ 年，我國共有４３４ 處大型灌區(qū)，其中新疆葉爾羌河灌區(qū)為中國６ 個特大型灌區(qū)之一［１３］ ，也是新疆最大的灌區(qū)。作為南疆主要農(nóng)業(yè)區(qū)的葉爾羌河流域?qū)ΡＵ夏辖貐^(qū)糧食安全及全疆棉花種植、特色林果業(yè)發(fā)展等做出了重要的貢獻。葉爾羌河流域的莎車灌區(qū)是徑流出山口后的第一個子灌區(qū)，也是流域內(nèi)最大的子灌區(qū)，面積８ １９５．６９ ｋｍ^２。該灌區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)的西南部，屬典型的西北干旱、半干旱地區(qū)。區(qū)域內(nèi)地表水資源相對豐富，日照時間長，土壤質(zhì)地砂黏適中，適種范圍廣，良好的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件尤其適合種植糧棉和瓜果等各種特色作物［１４］ 。截至２０２０年，國家統(tǒng)計局調(diào)查得到莎車灌區(qū)灌溉面積為１４．２７１萬ｈｍ^２。灌區(qū)內(nèi)全年播種糧食作物９．３４３ 萬ｈｍ^２，其中小麥和玉米占９４％左右，瓜果類特色經(jīng)濟作物播種面積１．０５５ 萬ｈｍ^２，為新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了有力的支持。

改革開放以來，新疆農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值逐年增長，由１９７９ 年的１３．９７億元上升為２０１９ 年的１ ５５１．８４ 億元，同時莎車灌區(qū)種植業(yè)的產(chǎn)值也在逐年增加［１５］ 。

１．２ 數(shù)據(jù)來源

本文選取研究區(qū)種植面積大、產(chǎn)量高的小麥、玉米、棉花、番茄、辣椒、甜瓜６ 種農(nóng)作物作為種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究目標，作物種植面積、單位面積產(chǎn)量、價格從《中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒》和《２０１８ 年全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》獲取，研究區(qū)人口數(shù)據(jù)從莎車縣統(tǒng)計公報獲取，單位水量供水費用參照新疆維吾爾自治區(qū)發(fā)展改革委發(fā)布的自２０１６ 年１ 月１ 日起執(zhí)行的新的水資源費征收標準。

２ 研究方法

主要農(nóng)作物相關(guān)參數(shù)計算并整理歸納見表１、表２。

２．２ 決策因子

根據(jù)莎車灌區(qū)多年種植條件以及未來規(guī)劃目標，經(jīng)過分析預(yù)測流域內(nèi)農(nóng)業(yè)種植現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，選取小麥、玉米、棉花、番茄、辣椒、甜瓜６ 種作物種植面積作為本次研究的決策因子（單位為ｈｍ^２）。

２．３ 農(nóng)作物多目標優(yōu)化模型

《全國農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃（２０１６—２０２０年）》和《喀什地區(qū)“十四五”規(guī)劃綱要和２０３５ 年遠景目標綱要》文件提出，要堅持“穩(wěn)糧、優(yōu)棉、增菜、促經(jīng)、興果、強牧”的目標，不斷優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和區(qū)域布局。因此，本文主要選取莎車灌區(qū)小麥、玉米、棉花、番茄、辣椒、甜瓜６ 種作物種植面積較大的農(nóng)作物進行優(yōu)化調(diào)整研究。設(shè)６ 種農(nóng)作物種植面積分別為ｘ_１，ｘ_２，…， ｘ_６，以生態(tài)效益、經(jīng)濟效益最大和農(nóng)業(yè)灌溉水量最小為目標進行種植結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析計算。

從表５ 中可以看出，優(yōu)化結(jié)果１ 使農(nóng)作物生態(tài)效益最大化，優(yōu)化結(jié)果２ 使農(nóng)作物經(jīng)濟收益最大化，優(yōu)化結(jié)果３ 使農(nóng)作物灌溉用水量最少（節(jié)水效果最佳），這３ 種情況都存在小麥和辣椒種植面積直接減少到０ 的情況。現(xiàn)實生活中，人們?nèi)孕枰N植小麥等作物來保證糧食安全與基本生活需要，因此單純的單目標最優(yōu)不符合實際種植情況和需求。因此，我們根據(jù)喀什政府農(nóng)業(yè)規(guī)劃和實際生活情況，對小麥、番茄等所有作物面積增加約束條件，以優(yōu)化后作物種植面積上生產(chǎn)的糧食產(chǎn)量至少能保證“區(qū)內(nèi)平衡、自給有余”為底線，即減少面積不能超過原有面積的７５％，得到單目標優(yōu)化結(jié)果４、５、６。優(yōu)化結(jié)果７ 是多目標優(yōu)化結(jié)果，實現(xiàn)農(nóng)作物生態(tài)效益、經(jīng)濟收益與節(jié)水效果最優(yōu)化。

上述優(yōu)化結(jié)果１、２、３ 屬于極端情景，不符合客觀實際，故不再對其進行分析。從上述求解得到的結(jié)果來看（見圖１）：優(yōu)化結(jié)果４ 中小麥、番茄、辣椒種植面積都減少到最低限制值，優(yōu)化結(jié)果５ 中玉米種植面積減少到最低限制值，優(yōu)化結(jié)果６ 中小麥和辣椒種植面積減少到最低限制值。根據(jù)喀什地區(qū)“十四五”規(guī)劃要求瓜類種植面積保持穩(wěn)定提升，因此其種植面積增加了３８．９４％。當玉米種植面積增加４４．９３％，棉花種植面積減少１８．１８％時生態(tài)效益最優(yōu)；小麥種植面積減少２４．７４％，棉花種植面積增加２８．１７％，番茄種植面積增加２２３％，辣椒種植面積增加３２２％時經(jīng)濟效益最優(yōu)；玉米種植面積減少２４．７７％，番茄種植面積減少１９．９５％時作物需水量最少，節(jié)水效果最優(yōu)。優(yōu)化結(jié)果７ 是生態(tài)、經(jīng)濟以及作物灌溉需水量三者折中化情景，其具體變化情況見表６。

從表５、表６ 可以看出，對現(xiàn)狀年來說：１）糧食作物總播種面積基本保持原有水平，其中小麥種植面積減少２４．２９％，玉米種植面積增加了６．６７％。玉米經(jīng)濟價值較高且更加符合當?shù)胤N植的氣候條件，同時可以利用玉米帶動當?shù)氐谌a(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如：通過喂養(yǎng)牛羊等畜牧業(yè)和加工小商品等零食產(chǎn)業(yè)，多方面提高玉米帶來的經(jīng)濟效益。２）棉花種植面積由５１ ７３０．００ ｈｍ^２增加到５５ ３２２．１７ ｈｍ^２，增加了６．９４％，基本保持穩(wěn)定。

莎車灌區(qū)盛產(chǎn)棉花且棉花品質(zhì)較高，保證棉花產(chǎn)量穩(wěn)步提升符合莎車縣未來規(guī)劃目標。番茄種植面積增加１２２．２％，甜瓜種植面積增加３８．４８％，莎車灌區(qū)具有天然種植優(yōu)勢，日照時間長，番茄和瓜類作為特色農(nóng)作物，政府和農(nóng)業(yè)部門應(yīng)當加強管理，利用并放大自身優(yōu)勢，建立健全規(guī)范化和統(tǒng)一化規(guī)章制度。３）灌區(qū)優(yōu)化后作物固碳量增加０．８ ｔ，經(jīng)濟效益增加５８ ４５３．８８ 萬元、提高了３０．２９％，灌溉用水量減少了１１１．０２ 萬ｍ^３。多目標優(yōu)化在保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的同時，也給當?shù)氐慕?jīng)濟、生態(tài)帶來最大效益，還緩解了水資源短缺的壓力。因此，對農(nóng)業(yè)種植進行多目標優(yōu)化，使作物種植結(jié)構(gòu)合理調(diào)整，具有很好的指導意義［２８］ 。

３．２ 不同規(guī)劃水平年種植結(jié)構(gòu)計算及分析

根據(jù)《喀什地區(qū)“十四五”規(guī)劃綱要》和《二零三五年遠景目標綱要》文件，為了更好地規(guī)劃莎車灌區(qū)未來發(fā)展趨勢和種植方向，本研究對未來不同水平年作物種植結(jié)構(gòu)進行了多目標優(yōu)化，結(jié)果見表７。

由表７ 可以看出：１）２０２５ 年和２０３５ 年作物總體種植面積都相應(yīng)減少，此結(jié)果符合喀什地區(qū)“十四五”規(guī)劃綱要，對于減少的部分面積可以用來發(fā)展莎車巴旦姆干堅果類特色作物，創(chuàng)建縣域特色林果品牌，使農(nóng)業(yè)種植全面發(fā)展。２）從生態(tài)效益看，２０２５ 年和２０３５年作物的固碳量總量基本相同，但其單位面積作物固碳量由５．９０ ｋｇ／ ｈｍ^２分別增加到５．９４、６．０１ ｋｇ／ ｈｍ^２，所以在生態(tài)效益方面有很大提升。從經(jīng)濟效益看，２０２５年作物的經(jīng)濟效益為２４８ ５５１．３８ 萬元，相比現(xiàn)狀年提升了２８．７８％；２０３５ 年作物經(jīng)濟效益為２２１ ８７２．９１ 萬元，相比現(xiàn)狀年提升了１４．９６％。莎車灌區(qū)調(diào)整后的種植結(jié)構(gòu)對當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展、生態(tài)改善和水資源節(jié)約都有大幅提升。

４ 討論

本研究對莎車灌區(qū)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)進行了分析，優(yōu)化后的灌區(qū)經(jīng)濟、生態(tài)與節(jié)水效益都有很大提升。根據(jù)計算結(jié)果，得出以下思考與建議：

１）通過本文對灌區(qū)農(nóng)作物種植面積進行多目標優(yōu)化和調(diào)整可以發(fā)現(xiàn)，小麥、棉花和辣椒的種植面積有一定減少，玉米、番茄和甜瓜的種植面積有所增加，這個優(yōu)化結(jié)果也是符合新疆近年來的農(nóng)業(yè)實際情況。新疆綠洲地區(qū)得天獨厚的氣候和光熱資源條件，使得種植出的番茄具有較高的番茄紅素和可溶性固形物含量，營養(yǎng)價值更高。所以大幅度提高番茄種植面積既符合國家要求，也可為當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展助力。此優(yōu)化情形符合《喀什地區(qū)“十四五”規(guī)劃綱要》中關(guān)于“大力發(fā)展糧飼兼用型玉米；加快培育甜瓜、加工辣椒、番茄等特色經(jīng)濟作物的種植相關(guān)方針”。因此建議灌區(qū)在農(nóng)作物種植上，在耕地條件允許和保證當?shù)鼐用窦Z食正常需求下，可優(yōu)先考慮增加玉米和番茄的種植面積。

２）種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化不僅要促進農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、水資源的高效利用，而且必須有效地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟。本研究發(fā)現(xiàn)通過改進層次分析法與線性加權(quán)法相結(jié)合進行多目標優(yōu)化計算，對現(xiàn)狀年和不同水平年進行優(yōu)化調(diào)整后，可以制定出有效利用水資源的最佳方案，同時滿足當?shù)氐恼吣繕撕图Z食生產(chǎn)需求。但是，在實際生產(chǎn)生活中，市場和社會的需求等多方面問題也要求種植結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，莎車灌區(qū)在作物種植分配方面還存在很大的優(yōu)化空間。因此，我們要根據(jù)國家政策導向與人民實際生活需求，利用科學的方法，逐步優(yōu)化作物種植結(jié)構(gòu)，使得作物種植更加科學合理。

５ 結(jié)論

本研究對比分析莎車灌區(qū)６ 種作物在多目標種植結(jié)構(gòu)調(diào)整前后的生態(tài)、經(jīng)濟和節(jié)水效益價值。結(jié)果表明，與優(yōu)化前相比，作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整后的生態(tài)效益、經(jīng)濟效益都大幅增加，灌溉用水量降低，同時本文的優(yōu)化結(jié)果也與該地區(qū)目前的農(nóng)業(yè)實際情況和未來發(fā)展趨勢和規(guī)劃相符合。由此可見，基于莎車灌區(qū)目前自然環(huán)境條件和資源狀況，結(jié)合國家對第一產(chǎn)業(yè)的相關(guān)政策，通過本研究的優(yōu)化方法進行的多目標優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)調(diào)整是可靠的，并且具有一定實際科研價值。本研究為新疆莎車灌區(qū)“十四五”規(guī)劃期間農(nóng)作物種植提供了明確決策方案，也為干旱區(qū)其他灌區(qū)提供了有益的參考。

【責任編輯 簡群】