水資源約束下的黃河下游河口區作物種植結構優化研究

摘 要：針對黃河用水緊張與作物安全生產之間的矛盾，并考慮黃河流域降水量年際變化較大的情況，以黃河下游河口區為研究對象，以可供灌溉水資源量作為剛性約束，選取作物經濟效益、綜合水分生產率、生態效益為研究目標，基于信息熵理論和模糊優選理論構建多目標優化模型（Ｅ－ＦＯＳ－ＭＯＰ），探究河口區現狀年作物在不同降水保證率（５０％、７５％、９５％） 下的最優種植結構。結果表明：不同保證率下優化結果均是以糧食作物為主的“糧－經”二元結構，降水量的變化對當地作物種植結構優化結果影響較大，優化后可滿足河口區糧食生產需求。５０％、７５％保證率下，對優化前后糧食總產量、經濟效益、水分生產率、生態效益、農業用水量進行了對比分析，表明優化后的種植結構不僅減少了灌溉用水量，而且各項指標均有很大提升，特別是蔬菜、瓜果經濟作物，顯著提高河口區種植業的綜合效益；９５％保證率下，隨著地表水資源的限制和農田灌溉需求的增加，模型在選擇綜合效益好的作物時受到抑制，導致各項指標比優化前有所降低。

關鍵詞：降水保證率；多目標優化模型；種植結構優化；河口區；黃河下游

中圖分類號：Ｓ１２７；Ｓ２７４ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．１２．０１９

引用格式：畢春寧，孫斌，薛建春，等．水資源約束下的黃河下游河口區作物種植結構優化研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（１２）：１１７－１２２．

０ 引言

黃河下游豫魯地區引黃灌區有效灌溉面積約２１３．３ 萬ｈｍ２，近年來年均引黃水量近９０ 億ｍ３，其中農業用水量占下游總用水量的８０％以上［１］ 。黃河下游引黃灌區經過７０ 多年的發展，已經成為我國重要的商品糧食、棉花和油料生產基地，為魯豫地區的供水安全和糧食生產作出了重大貢獻。隨著區域工業化和城鎮化進程加快，用水量急劇增長，農業用水份額受到擠占，加之黃河水資源費用低廉、水資源利用效率低等問題加重了農業水資源供需矛盾。２０２１ 年，習近平總書記在深入推動黃河流域生態保護和高質量發展座談會上再次強調全面貫徹“四水四定”原則［２］ ，通過水資源剛性約束抑制不合理用水現象，提高水資源的利用效率和產出效果［３］ 。在嚴格控制用水總量的制度下，水資源供給量減少將進一步限制作物灌溉能力、威脅糧食安全生產，調整作物種植結構已成為緩解用水短缺和保障下游引黃灌區農業可持續發展的重要手段。

早期的調整作物種植結構研究主要以經濟增益或糧食產量增大為目標建立單一目標規劃模型，隨著可持續發展觀念的普及，由單純追求產量或經濟效益轉向多目標模式受到越來越多學者的關注［４］ ，王璐等［５］以經濟效益、生態效益、節水效益為目標，構建基于遺傳算法（ＮＳＧＡ－Ⅱ）的作物種植結構多目標調整模型；王禹植等［６］ 基于模糊集理論結合魯棒規劃建立農業水資源多目標配置模型，探究了瑪納斯河灌區水資源約束下的最優種植結構；Ｗｕ 等［７］ 建立凈收益、高產量和低耗水的多目標優化模型，實現了小浪底南岸灌區作物種植結構優化。然而，關于黃河下游區域的種植結構研究欠缺，曹丹等［８］ 雖然計算了黃河下游墾利區主要作物的需水量并提出作物種植結構優化的建議，但未對作物面積優化展開深入研究。黃河流域降水年際變化大，下游水量在不同季節和年份之間存在較大波動，存在明顯的豐、枯水年交替現象，目前水資源總量控制的農業種植結構調整優化研究多是以作物灌溉定額為目標函數或用水約束條件，以此構建多目標優化模型進而生成優化方案［９－１１］ ，相關研究很少考慮降水保證率的變化對作物種植結構優化的影響，研究結果不具備完全實踐性。本文以黃河下游河口區為研究對象，把可供水資源量作為最大的剛性約束，基于多目標優化模型探究不同降水保證率下河口區最優的種植結構，以期為當地種植結構優化決策和農業可持續發展規劃提供重要依據。

１ 研究區概況

黃河下游河口區位于山東省東營市的最北端，地處渤海之濱，介于３７°４５′—３８°１０′Ｎ、１１８°１０′—１１９°０５′Ｅ，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫１３．６ ℃、降水量為５５７．３ ｍｍ（最大年降水量為１ ０３７．５ ｍｍ、最小年降水量為２１３．５ ｍｍ），降水量不僅年際變化大，而且年內分配不均，７５％的年降水量集中在汛期６—９ 月。河口區地處黃泛平原渤海之濱，在成陸過程中，受黃河泥沙淤淀及海水侵蝕，深層土壤為含鹽度很高的重鹽土，致使地下水礦化度高（平均礦化度２４．６３ ｇ／ Ｌ），地下水很難利用。當地客水資源主要為黃河水，全區目前有２ 處引黃灌區，其中：大型引黃灌區１ 處，為王莊灌區，設計灌溉面積６．５３ 萬ｈｍ２（其中河口區２．０７ 萬ｈｍ２ ）；中型引黃灌區１ 處，為東水源灌區，設計灌溉面積１．８７ 萬ｈｍ２。近年來灌區進行了多次續建配套與節水改造，全面完成境內引黃主干渠襯砌改造，累計實施灌區管道輸水、微噴、滴灌和水肥一體化等高效農業節水灌溉面積１． ５８ 萬ｈｍ２。灌區經濟以農業為主，現狀年（２０２２ 年）河口區糧食作物播種面積２４ ５８４ ｈｍ２、總產量１１．８７２ 萬ｔ，經濟作物播種面積１ ９０６ ｈｍ２，其中大豆、冬小麥、玉米、棉花、水稻、高粱、花生、蔬菜和瓜果分別占總播種面積的１１． ２５％、３４． ７０％、３３． ９７％、５．００％、１２．１０％、０．７９％、０．１５％、１．００％和１．０４％。

２ 數據來源與研究方法

２．１ 數據來源

本文選取春玉米、大豆、冬小麥、夏玉米、水稻、高粱、棉花、花生、蔬菜、瓜果１０ 種目標作物。作物播種面積、單位產量、價格從《東營統計年鑒》和《全國農產品成本收益資料匯編》獲取；水資源相關數據來源于《東營市河口區２０２２ 年水資源供需年度分析報告》和《山東省水利廳、山東省發展和改革委員會關于印發“十四五”用水總量和強度雙控目標的通知》（魯水資字〔２０２２〕９ 號）；計算作物需水量的氣象數據來源于河口區氣象站１９９３—２０２２ 年逐日數據，包括最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、平均風速、相對濕度、降水量等。

２．２ 凈灌溉需水量計算

作物凈灌溉需水量（Ｎｅｔ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ，ＮＩＲ）等于作物需水量與有效降水量之差。根據河口區歷年降水數據通過擬合降水累積頻率曲線，確定河口區代表年份２０１１ 年、２００６ 年、２０１７ 年對應的降水保證率分別為５０％、７５％、９５％（降雨量分別為５７６．０、４７９．６、４１０．０ ｍｍ）。為探究灌區作物灌溉水供需之間的關系，在計算凈灌溉需水量的基礎上，需考慮灌溉用水在運輸、配送等過程中的損失量，計算公式為

式中：Ｗ 為作物灌溉總需水量；Ｗ ｉＮＩＲ為作物ｉ 的凈灌溉需水量， 根據《灌溉與排水工程設計標準》（ ＧＢ５０２８８—２０１８），在計算作物灌溉總需水量時將凈灌溉需水量轉換為凈灌溉定額Ｗ ｉＮＩＮ （Ｎｅｔ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ Ｎｏｒｍ，ＮＩＮ）；Ｓｉ為第ｉ 種作物種植面積；η 為灌溉水有效利用系數，根據各類灌溉技術灌溉水利用系數與對應作物實際灌溉面積采用加權平均法計算；ＥＴｃ 為作物計算需水量；Ｋｃ為作物系數；ＥＴ０ 為參考作物蒸發蒸騰量，采用聯合國糧農組織（ＦＡＯ）推薦的Ｐｅｎｍａｎ－Ｍｏｎｔｅｉｔｈ（ＰＭ）公式［１２］ 進行計算；Ｐｅ為有效降水量，有效降水量為作物根層土壤吸收的凈水量［１３］ ；Ｐ 為實際降水量；α為有效降水量系數。

２．３ 可供灌溉水量

河口區現狀年可供水源包括黃河水、地表水、地下水和非常規水等，境內利用的客水資源主要為黃河水，分配指標為１１ ０００ 萬ｍ３，河口區設計河道蓄水能力為３ ４０６ 萬ｍ３，地表水在保證率為５０％、７５％、９５％時的可供水量分別為５ ０１８ 萬、４ １３０ 萬、３ ４５０ 萬ｍ３，非常規水利用水量為３８０ 萬ｍ３，地下水可開采量的上限約為１０３ 萬ｍ３。河口區現狀年主要用水類型為農田灌溉用水、林牧漁畜用水、工業用水、居民生活用水（包含居民用水、建筑服務業用水），其中工業用水２ １４６萬ｍ３、居民生活用水９７２ 萬ｍ３、林牧漁畜用水２ １５０ 萬ｍ３。以用水總量控制指標為約束，按生活、工業、服務業分配優先的原則，最后分配農業灌溉用水，在保證率為５０％、７５％、９５％時可用于作物進行灌溉的水量分別為１０ ７８０萬、１０ ２９４ 萬、９ ６１４ 萬ｍ３。

２．４ 種植結構優化模型構建

在水資源約束條件下，通過合理調整和配置作物種植結構，提高水資源的利用效率和產出效果，實現經濟效益增長目標，同時，種植結構調整關系到生態環境保護和生物多樣性維持，必須注重人與自然之間的協調性，因此本文把河口區經濟效益、綜合水分生產率和生態效益最大作為目標，基于陳守煜等［１４］ 提出的模糊優選理論，有機融合信息熵和模糊優選方法，建立的多目標模糊優化模型（Ｅ－ＦＯＳＭＯＰ）［１５］ 為

式中：Ｚ 為河口區作物種植綜合效益；ｕｉ 為模糊優化模型對應作物綜合效益的對優相對隸屬度；ｘｉ 為決策變量（第ｉ 類作物種植面積）；ｎ 為作物類別數；ｊ 為指標序號（１ 代表經濟效益，２ 代表綜合水分生產率，３ 代表生態效益）；ａｉｊ為作物ｉ 指標ｊ 的特征值（見表１）；ｒｉｊ為目標對“優”的相對隸屬度；ｐ 為距離參數，為計算方便取值為２［１５］ ；Ｅｊ 、Ｗｊ分別為第ｊ 個目標屬性輸出的信息熵、權重。

由表１ 可得河口區１０ 種作物指標特征值相對隸屬度矩陣Ｒ 應用兩級模糊優選模型，得到不同保證率下作物ｉ 的綜合效益最優相對隸屬度ｕｉ 。以５０％保證率為例，相對隸屬度矩陣和最優相對隸屬度分別為

２．５ 約束條件

１）水資源約束。水資源作為最大的剛性約束，河口區不同降水保證率下的作物種植結構優化后的總需水量不超過對應保證率的灌溉可供水量。

式中：Ｑ 為不同保證率的灌溉可供水量。

２）作物總面積約束。水資源形勢日益嚴峻，在保證區域糧食播種總面積要求前提下，避免種植面積擴大導致的灌溉用水量增加，另外河口區作物種植者主要是個體農戶，耕地較為破碎化，復種指數很低，本研究只考慮冬小麥－夏玉米和冬小麥－大豆輪作制度，約束現狀農作物播種總面積優化后不超過現狀作物播種總面積。

３）穩定糧食生產。根據區域發展規劃，要求合理保障農民種糧收益，保護農民種糧積極性，全區糧食播種面積、產量分別穩定在２．４６７×１０４ ｈｍ２、１１ 萬ｔ 以上。

４）作物播種面積約束。為貼合實際，防止優化后出現較大的波動，根據當地種植業發展規劃、農業深度節水控水要求及決策部門接受風險的程度，對作物播種面積增加相關約束（見表２）。

３ 結果與分析

３．１ 灌溉水供需平衡分析

根據河口區現狀年種植面積數據，計算不同降水保證率下作物充分灌溉的總需水量（見圖１），隨著降水量的減少，灌溉水總需求量大幅度增加，可見降水量對灌溉用水量影響極大，黃河水作為主要的客水資源，對作物生育至關重要（其中：冬小麥由于降水與需水耦合度較低，因此在不同保證率下始終為灌溉需水量最大的作物；水稻處于夏季生長的作物，補充灌溉量整體較小）。

根據不同時期供水能力和不同降水保證率需水情況，計算出河口區灌溉水資源供需平衡情況（見表３）。由表３ 可知，在保證率為５０％的情況下有余水，余水率為８．２１％；７５％、９５％保證率下灌溉水存在供需矛盾，虧缺量高達９６１ 萬～２ ６６３ 萬ｍ３，無法滿足作物生育期對水分的需求，制約當地農業的可持續發展，亟待通過調整作物種植比例建立與水資源承載能力相適應的種植結構。

３．２ 種植結構優化結果分析

利用ＬＩＮＧＯ 軟件構建Ｅ－ＦＯＳ－ＭＯＰ 模型，設置３種降水保證率（５０％、７５％、９５％）對河口農作物進行種植結構優化，優化前后的作物面積和灌溉用水量對比見表４、表５，在保證糧食安全生產的前提下，不同保證率下經優化后糧食作物播種面積占比均在９０％以上，優化前后并未平衡糧經作物的比例，原因在于河口區糧食生產考核任務即播種總面積要求在２．４６７×１０４ ｈｍ２以上，作物總面積需控制在２．６４９×１０４ ｈｍ２以下，決定了不同保證率下優化后結果均是以糧食作物為主的“糧－經”二元結構。５０％、７５％保證率下，作物播種總面積前后保持一致；９５％保證率下，隨著地表水資源的限制和農田灌溉需水的增加，相比優化前總面積減少了９４４ ｈｍ２。從表５ 中可看出５０％保證率下優化前灌溉需水約為９ ９６２ 萬ｍ３，可供水量約為１０ ７８０ 萬ｍ３，經優化后灌溉需水量僅為８ ７３２萬ｍ３，減少約１ ２２９ 萬ｍ３的灌溉用水；７５％保證率下優化前灌溉需水約為１１ ２５５ 萬ｍ３，可供水量約為１０ ２９４萬ｍ３，經優化后灌溉需水量僅為９ ８６０ 萬ｍ３，減少約１ ３９５ 萬ｍ３的灌溉用水；９５％保證率優化前灌溉需水量約為１２ ２７７ 萬ｍ３，而可供灌溉使用的水量僅為９ ６１５萬ｍ３，在優化后灌溉需水量與可供水量保持一致，可見水資源約束下調整農業種植結構對緩解灌溉用水壓力至關重要。

研究發現不同降水保證率下種植結構優化對“糧－經”內部種植結構影響顯著，糧食作物中冬小麥雖然水分生產率高于糧食平均水平，但生育期降水與需水耦合性差且經濟價值和生態效益偏低，在５０％、７５％、９５％保證率下冬小麥的播種面積占比由優化前的３４．７％分別降至２６．０％、２６．７％、２１．０％；水稻雖凈產值和生態效益較高，但水稻屬高耗水作物且水分生產率偏低，播種面積占比在不同保證率下由優化前的１２．１％均降至３％左右；糧食播種面積的缺口主要由春玉米彌補，春玉米各項指標均高于糧食平均水平，其播種面積占比由優化前的１２．１％分別增加到３１．５％、３１．５％、３２．７％。大豆凈產值和生態效益雖然達到糧食作物平均水平，但水分生產率不占優勢，在５０％、７５％保證率下播種面積占比由優化前的１１．２％ 均降至８．７％；夏玉米各項指標良好，但整體不及春玉米，春玉米優先調整至約束上限后，在５０％、７５％保證率下播種面積占比由優化前的２３． ５％ 分別增加到２４． ６％、２３．９％；高粱因各項指標低于平均水平，在５０％、７５％保證率下，優化前后面積基本保持一致。９５％保證率下，為保證作物生育期對正常水分的需求，模型優化的結果更偏向于大豆、高粱等低耗水作物，其大豆播種面積占比由優化前的１１．２％增加到２２．８％，高粱播種面積占比由優化前的０．８％增加到１０．１％。經濟作物中重點調整蔬菜、瓜果的播種面積，除９５％保證率下播種面積維持原狀外，５０％、７５％保證率下，其優化后均調整至約束上限值，播種面積占比均由２％ 增加到４．１％，蔬菜、瓜果雖然單位面積耗水量大，但在水資源允許的條件下，提升種植比例能夠大大提高河口區的農作物綜合效益，與河口區大力發展蔬菜、瓜果優勢產業的發展規劃一致；棉花灌溉雖然需水量低于蔬菜、瓜果，但綜合指標明顯低于其他經濟作物，同時棉花屬勞動密集型作物，隨著城鎮化發展，當地農業勞動力緊缺，人工成本上升，不同保證率下其面積占比由優化前的５％均降至１％左右；花生雖然各項指標優于棉花，但整體優勢不及蔬菜、瓜果，不同保證率下優化前后面積維持原狀。

３．３ 優化前后各項指標對比

由表６ 可知，在５０％、７５％保證率下，經過調整農業種植結構后各項指標比現狀均有所提高，其中：糧食產量由１３．３９ 萬ｔ 均增加到１４．９９ 萬ｔ；綜合水分生產率在５０％保證率下由１．３５ ｋｇ／ ｍ３ 提升到１．７６ ｋｇ／ ｍ３，在７５％保證率下由１．２９ ｋｇ／ ｍ３ 增加到１．６９ ｋｇ／ ｍ３；生態效益在５０％、７５％保證率下由６ ０２３ 萬元均提升到６ １４２萬元；凈產值在５０％、７０％ 保證率下由優化前４１ ６６４萬元分別增加到６３ ７６７ 萬、６３ ７１９ 萬元，經濟貢獻主要來源于蔬菜與瓜果（產值由２５ ３０９ 萬元均增加到４６ ９９８ 萬元。但在９５％保證率下，模型在選擇綜合效益好的作物時受到抑制，同時因糧食作物擠占了大部分灌溉水資源，經濟作物播種面積縮減為約束下限值，種植業整體效益受限，經優化后其糧食產量降低至１２．５７ 萬ｔ，綜合水分生產率由１．２８ ｋｇ／ ｍ３降到１．２７ ｋｇ／ ｍ３，凈產值降至４０ ９３２ 萬元，生態效益降至５ ７３６ 萬元。

４ 討論

本文基于Ｅ－ＦＯＳ－ＭＯＰ 模型探究不同降水保證率下黃河河口區作物最佳種植結構，研究發現降水量的變化對當地作物種植結構優化結果影響較大，在兼顧作物多目標優化的前提下，種植業有很大的優化空間。河口區作為山東省糧食主產區，糧食安全生產保障是重中之重，在５０％、７５％保證率下，在保證糧食安全生產的前提下，通過增加蔬菜、瓜果等經濟作物的種植比例可顯著提高種植業的綜合效益，優化后的農作物種植結構符合當地良性發展需求，可實現水資源節約高效利用，保障糧食安全生產、提升種植業綜合效益等。在９５％保證率下，模型在選擇綜合效益好的作物時受到抑制，導致各項指標都比優化前有所降低，當地供水保障方面應考慮利用南水北調的長江水資源或加強雨洪水攔蓄工程建設以補充灌溉水資源，或者在降水相對充沛的年份對多余的可供水量或預留水量開展水權市場化交易，以此保障降水匱乏年份河口區種植業的可持續發展。

５ 結論

１）河口區作物種植結構優化前在５０％保證率下灌溉可供水量能夠滿足作物生育期對水分的需要，在７５％、９５％保證率下灌溉水虧缺量為９６１ 萬～２ ６６３ 萬ｍ３。

２）不同保證率下（５０％、７５％、９５％）優化結果均是以糧食作物為主的“糧－經”二元結構，可滿足河口區糧食生產考核要求，與優化前相比可分別實現灌溉節水１２．３％、１２．４％、２１．７％。

３）５０％、７５％保證率下，種植結構優化后與優化前相比綜合水分生產率分別提升３０％、３１％，凈產值提升５３％、５２．９％，生態效益提升１．９８％、１．９１％，糧食總產量均提升１１．９％；９５％保證率下，各項指標都比優化前有所下降，其中綜合水分生產率降低０．８％，凈產值降低１．８％，生態效益降低４．８％，糧食總產量降低６．１％。

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【責任編輯 簡 群】

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