基于多目标线性规划的河北种植业结构调整研究

来源:用户上传      作者:张雅静　 李梦晨　 洪传春

　　 摘要：文章通过构建种植业结构调整多目标优化模型，分析在经济效益、节水效益和社会效益三大目标下河北省种植业结构调整优化问题。结果表明：优化条件下，规划期小麦、玉米和油料作物的种植面积较基期分别减少3.7%、3.9%和0.33%，而薯类和蔬菜的种植面积增加8.49%和2.94%;作物的总经济效益、总产量和蓝绿水需求量较基期分别增加了14.1%、14.5%和3%。可通过种植业结构的调整实现多目标的优化。
　　 关键词：蓝绿水;种植结构调整;多目标优化
　　 河北省是我国重要的粮食生产基地，同时面临严重的水资源短缺和水环境污染问题。因此，立足于农业水资源承载力的河北省种植业结构与布局调整的研究，为制定科学的农业水资源管理政策、农业生产力布局和种植业结构调整政策提供参考，对于缓解本区域水资源短缺、改善水环境质量，进而保障粮食安全和农业供给质量具有重要意义。
　　 目前，有关多目标规划在种植业结构调整方面的应用已经十分广泛，且求解方法也十分成熟。但是河北地区有关种植业结构调整的研究还十分有限，存在两点局限性：一是关于河北种植业结构调整的研究多为定性研究，缺乏定量研究。二是研究的尺度比较微观，主要是对某一个县市种植业结构调整的研究，宏观的研究较少。基于此，本文将以经济效益、粮食产量提高和水资源节约为目标，建立农业种植结构的多目标优化模型，定量分析得到种植业结构调整方案，给当前的农业生产提供建议。
　　 一、研究方法与数据来源
　　 （一）蓝绿水足迹计算
　　 水足迹分析法将作物需水量分为绿水、蓝水和灰水三类，本研究不考虑灰水。绿水足迹指被作物根部土壤存储的自然降水，蓝水足迹指看得见的地面径流和地下径流的液态水，需要人工从地下或者地表来提取。具体计算过程如下：
　　 首先计算玉米、小麦、薯类、蔬菜和油料作物等五类主要作物的实际蒸发蒸散量ETc及实际降雨量Pc。
　　
　　 其中（1）式为彭曼公式，计算五类主要作物的参考蒸发蒸散量ET0（mm/d）。Rn为作物的表面净辐射（MJ/m2・d），G为土壤热通量（MJ/m2・d），γ为温度计常数（KPa/℃），T代表日平均气温，U2为2m 高处的风速（m/s），es和ea分别为饱和水汽压和实际水汽压（KPa），Δ代表饱和水汽压与温度曲线的斜率。（2）式中ETc代表作物单日实际蒸发蒸散量（mm/d），Kc代表国际粮农组织推荐的作物系数，反映实际作物周围温度湿度等条件与参考作物周围温度湿度等条件的差异。（3）式中 P和Pc分别代表平均日降雨量和实际降雨量（mm），α为降雨有效利用系数，次降水量小于50mm时，α=1.0，次降雨量为在50mm到150mm之间时，α=0.80～0.75，次降雨量大于 150mm 时，α=0.70。
　　 其次计算单日作物绿水、蓝水需用量。
　　
　　 其中ETgreen为单日作物绿水需水量（mm），ETblue为单日作物蓝水需水量（mm）。
　　 最后，计算蓝绿水足迹之和。
　　
　　 其中wgreen、wblue和w总分别为绿水足迹、蓝水足迹及其总的水足迹（m3/t）。10为常量因子，lgp表示生长期的长度，以日计。
　　 （二）模型和参数的确定
　　 1.目标函数。目标函数反映了种植业结构调整希望实现的经济、生态与社会目标的最大化。
　　 其中：j=1，……，5对应小麦，玉米，薯类，蔬菜和油料作物。yj为第j类作物的单位面积产量（为t/hm2），Ej为各作物的销售单价（元/t）。Z表示作物的总经济价值，用总经济价值最大化来反映经济效益;W表示蓝绿水的消耗量，用消耗蓝绿水最小来反映生态效益;Y表示粮食总产量，用粮食产量最大化来反映社会效益。
　　 2.约束条件。包括粮食产量约束与耕地总面积约束。根据河北省现代农业发展“十三五”规划等规划文件对作物产量的要求，设小麦、玉米、薯类、蔬菜和油料作物的规划期目标值在1350万吨、1650万吨、450万吨、9000万吨和150万吨之上。
　　
　　 其中：Nj表示作物j要求的最低产量（t）。S 代表耕地总面积约束（hm2）。
　　 （三）求解方法
　　 1.熵值法确定权重。熵值法通过判断指标的离散程度确定每个指标所占的权重，经济效益、生态效益和社会效益三个指标分别用作物单价、作物需水量和作物单位面积产量来衡量。
　　
　　 计算得出经济效益、节水效益和社会效益的权重分别为0.13、0.27和0.60。
　　 2.线性加权法求解。采用线性加权法计算五种作物种植面积的最优解，通过计算可行解与最优解的距离，并乘以权重使多目标转换为单目标，当距离最短的时候，得到该权重下的最优解。
　　
　　 平均相对湿度（%）等气象数据来源于中国气象局国家气候信息中心;农作物价格、单位面积产量数据来自历年《河北农村统计年鉴》和《河北省经济年鉴》;CROPWAT模型计算所需的作物系数主要来源于国际粮农组织（FAO）推荐的84种作物的标准系数相关数据。
　　 二、结果分析
　　 以增加经济收益、减少用水量和提高产量为目的，以相应的作物产量要求和耕地面积约束为依据，借助软件lingo 12.0进行求解，得到规划期各类作物的种植面积（表1）。
　　 根据多目标规划模型分析，在综合效益最大化的情况下，规划期小麦和玉米的种植面积有所下降，薯类和蔬菜的种植面积所占的比重上升，油料作物的占比则没有明显变化（表1）。经济效益方面，规划期五种作物的总经济收益增加了447亿元，增长了14.1%，其增长份额来自于蔬菜和薯类。生态效益方面，五种作物蓝绿水需求量增加11.5亿立方米，比基期增长了3%。其中小麦、玉米和油料作物的蓝绿水需求量减少而薯类和蔬菜的有较大幅度的增加。尽管总需水量稍有增加，但这并不意味着此结果对生态效益具消极作用，因为蓝绿水需求量增加的百分比小于总耕地面积和作物产量变化的百分比，说明优化后的蓝绿水足迹强度均有降低。社会效益方面，规划期五种作物总产量增加了0.18|吨，增长了14.5%。小麦、玉米和油料作物产量减少而薯类和蔬菜的产量增加。
　　 三、结论和建议
　　 根据多目标线性规划模型结果的分析，在综合考虑经济效益、生态效益和社会效益的情况下，河北省种植业结构的调整方向为增加蔬菜与薯类作物的种植面积而适当减少小麦、玉米的种植面积。其中薯类和蔬菜的种植面积分别增加8.49%和2.94%而小麦、玉米和油料作物的种植面积分别减少3.7%、3.9%和0.33%。在此情况下，相较基期，作物总经济收益会增加14.1%，总产量增加14.5%而总需水量增加3%。
　　 为达到上述目标，并更好地维持生态承载力，提出如下建议：第一，积极调整种植业结构，采取措施鼓励农民种植薯类作物，因地制宜地增加蔬菜种植面积。同时，通过改进薯类的生产技术，提高薯类作物单产来实现薯类产量增加的目标。如建立薯类作物增产研究的专项基金，提高薯类作物的生产水平，加强对农民的短期培训等。第二，进一步提高农业用水效率。政府需要制定政策加强节水工程的建设，如在更多的地方建立喷灌滴灌等灌溉配套设施等;此外，政府可向农民发放节水器具以及通过建立合理的水价制度、对农民进行节水教育等来激励农民从而提高其节水自主性。
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　　 *基金项目：河北省社科规划基金一般项目（HB17YJ004）。
　　 （作者单位：东北大学秦皇岛分校）

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