水資源約束下的黃河下游河口區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

摘 要：針對(duì)黃河用水緊張與作物安全生產(chǎn)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(qū)為研究對(duì)象，以可供灌溉水資源量作為剛性約束，選取作物經(jīng)濟(jì)效益、綜合水分生產(chǎn)率、生態(tài)效益為研究目標(biāo)，基于信息熵理論和模糊優(yōu)選理論構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型（Ｅ－ＦＯＳ－ＭＯＰ），探究河口區(qū)現(xiàn)狀年作物在不同降水保證率（５０％、７５％、９５％） 下的最優(yōu)種植結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：不同保證率下優(yōu)化結(jié)果均是以糧食作物為主的“糧－經(jīng)”二元結(jié)構(gòu)，降水量的變化對(duì)當(dāng)?shù)刈魑锓N植結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果影響較大，優(yōu)化后可滿足河口區(qū)糧食生產(chǎn)需求。５０％、７５％保證率下，對(duì)優(yōu)化前后糧食總產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益、水分生產(chǎn)率、生態(tài)效益、農(nóng)業(yè)用水量進(jìn)行了對(duì)比分析，表明優(yōu)化后的種植結(jié)構(gòu)不僅減少了灌溉用水量，而且各項(xiàng)指標(biāo)均有很大提升，特別是蔬菜、瓜果經(jīng)濟(jì)作物，顯著提高河口區(qū)種植業(yè)的綜合效益；９５％保證率下，隨著地表水資源的限制和農(nóng)田灌溉需求的增加，模型在選擇綜合效益好的作物時(shí)受到抑制，導(dǎo)致各項(xiàng)指標(biāo)比優(yōu)化前有所降低。

關(guān)鍵詞：降水保證率；多目標(biāo)優(yōu)化模型；種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化；河口區(qū)；黃河下游

中圖分類號(hào)：Ｓ１２７；Ｓ２７４ 文獻(xiàn)標(biāo)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(qū)作物種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（１２）：１１７－１２２．

０ 引言

黃河下游豫魯?shù)貐^(qū)引黃灌區(qū)有效灌溉面積約２１３．３ 萬(wàn)ｈｍ２，近年來(lái)年均引黃水量近９０ 億ｍ３，其中農(nóng)業(yè)用水量占下游總用水量的８０％以上［１］ 。黃河下游引黃灌區(qū)經(jīng)過(guò)７０ 多年的發(fā)展，已經(jīng)成為我國(guó)重要的商品糧食、棉花和油料生產(chǎn)基地，為魯豫地區(qū)的供水安全和糧食生產(chǎn)作出了重大貢獻(xiàn)。隨著區(qū)域工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，用水量急劇增長(zhǎng)，農(nóng)業(yè)用水份額受到擠占，加之黃河水資源費(fèi)用低廉、水資源利用效率低等問(wèn)題加重了農(nóng)業(yè)水資源供需矛盾。２０２１ 年，習(xí)近平總書記在深入推動(dòng)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上再次強(qiáng)調(diào)全面貫徹“四水四定”原則［２］ ，通過(guò)水資源剛性約束抑制不合理用水現(xiàn)象，提高水資源的利用效率和產(chǎn)出效果［３］ 。在嚴(yán)格控制用水總量的制度下，水資源供給量減少將進(jìn)一步限制作物灌溉能力、威脅糧食安全生產(chǎn)，調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)已成為緩解用水短缺和保障下游引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。

早期的調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)研究主要以經(jīng)濟(jì)增益或糧食產(chǎn)量增大為目標(biāo)建立單一目標(biāo)規(guī)劃模型，隨著可持續(xù)發(fā)展觀念的普及，由單純追求產(chǎn)量或經(jīng)濟(jì)效益轉(zhuǎn)向多目標(biāo)模式受到越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注［４］ ，王璐等［５］以經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益、節(jié)水效益為目標(biāo)，構(gòu)建基于遺傳算法（ＮＳＧＡ－Ⅱ）的作物種植結(jié)構(gòu)多目標(biāo)調(diào)整模型；王禹植等［６］ 基于模糊集理論結(jié)合魯棒規(guī)劃建立農(nóng)業(yè)水資源多目標(biāo)配置模型，探究了瑪納斯河灌區(qū)水資源約束下的最優(yōu)種植結(jié)構(gòu)；Ｗｕ 等［７］ 建立凈收益、高產(chǎn)量和低耗水的多目標(biāo)優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)了小浪底南岸灌區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化。然而，關(guān)于黃河下游區(qū)域的種植結(jié)構(gòu)研究欠缺，曹丹等［８］ 雖然計(jì)算了黃河下游墾利區(qū)主要作物的需水量并提出作物種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化的建議，但未對(duì)作物面積優(yōu)化展開(kāi)深入研究。黃河流域降水年際變化大，下游水量在不同季節(jié)和年份之間存在較大波動(dòng)，存在明顯的豐、枯水年交替現(xiàn)象，目前水資源總量控制的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化研究多是以作物灌溉定額為目標(biāo)函數(shù)或用水約束條件，以此構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)而生成優(yōu)化方案［９－１１］ ，相關(guān)研究很少考慮降水保證率的變化對(duì)作物種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化的影響，研究結(jié)果不具備完全實(shí)踐性。本文以黃河下游河口區(qū)為研究對(duì)象，把可供水資源量作為最大的剛性約束，基于多目標(biāo)優(yōu)化模型探究不同降水保證率下河口區(qū)最優(yōu)的種植結(jié)構(gòu)，以期為當(dāng)?shù)胤N植結(jié)構(gòu)優(yōu)化決策和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供重要依據(jù)。

１ 研究區(qū)概況

黃河下游河口區(qū)位于山東省東營(yíng)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(fēng)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(nèi)分配不均，７５％的年降水量集中在汛期６—９ 月。河口區(qū)地處黃泛平原渤海之濱，在成陸過(guò)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(dāng)?shù)乜退Y源主要為黃河水，全區(qū)目前有２ 處引黃灌區(qū)，其中：大型引黃灌區(qū)１ 處，為王莊灌區(qū)，設(shè)計(jì)灌溉面積６．５３ 萬(wàn)ｈｍ２（其中河口區(qū)２．０７ 萬(wàn)ｈｍ２ ）；中型引黃灌區(qū)１ 處，為東水源灌區(qū)，設(shè)計(jì)灌溉面積１．８７ 萬(wàn)ｈｍ２。近年來(lái)灌區(qū)進(jìn)行了多次續(xù)建配套與節(jié)水改造，全面完成境內(nèi)引黃主干渠襯砌改造，累計(jì)實(shí)施灌區(qū)管道輸水、微噴、滴灌和水肥一體化等高效農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉面積１． ５８ 萬(wàn)ｈｍ２。灌區(qū)經(jīng)濟(jì)以農(nóng)業(yè)為主，現(xiàn)狀年（２０２２ 年）河口區(qū)糧食作物播種面積２４ ５８４ ｈｍ２、總產(chǎn)量１１．８７２ 萬(wàn)ｔ，經(jīng)濟(jì)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(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

２．１ 數(shù)據(jù)來(lái)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(biāo)作物。作物播種面積、單位產(chǎn)量、價(jià)格從《東營(yíng)統(tǒng)計(jì)年鑒》和《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》獲取；水資源相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于《東營(yíng)市河口區(qū)２０２２ 年水資源供需年度分析報(bào)告》和《山東省水利廳、山東省發(fā)展和改革委員會(huì)關(guān)于印發(fā)“十四五”用水總量和強(qiáng)度雙控目標(biāo)的通知》（魯水資字〔２０２２〕９ 號(hào)）；計(jì)算作物需水量的氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于河口區(qū)氣象站１９９３—２０２２ 年逐日數(shù)據(jù)，包括最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度、降水量等。

２．２ 凈灌溉需水量計(jì)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(jù)河口區(qū)歷年降水?dāng)?shù)據(jù)通過(guò)擬合降水累積頻率曲線，確定河口區(qū)代表年份２０１１ 年、２００６ 年、２０１７ 年對(duì)應(yīng)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(qū)作物灌溉水供需之間的關(guān)系，在計(jì)算凈灌溉需水量的基礎(chǔ)上，需考慮灌溉用水在運(yùn)輸、配送等過(guò)程中的損失量，計(jì)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(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（ ＧＢ５０２８８—２０１８），在計(jì)算作物灌溉總需水量時(shí)將凈灌溉需水量轉(zhuǎn)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(shù)，根據(jù)各類灌溉技術(shù)灌溉水利用系數(shù)與對(duì)應(yīng)作物實(shí)際灌溉面積采用加權(quán)平均法計(jì)算；ＥＴｃ 為作物計(jì)算需水量；Ｋｃ為作物系數(shù)；ＥＴ０ 為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（ＦＡＯ）推薦的Ｐｅｎｍａｎ－Ｍｏｎｔｅｉｔｈ（ＰＭ）公式［１２］ 進(jìn)行計(jì)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(shí)際降水量；α為有效降水量系數(shù)。

２．３ 可供灌溉水量

河口區(qū)現(xiàn)狀年可供水源包括黃河水、地表水、地下水和非常規(guī)水等，境內(nèi)利用的客水資源主要為黃河水，分配指標(biāo)為１１ ０００ 萬(wàn)ｍ３，河口區(qū)設(shè)計(jì)河道蓄水能力為３ ４０６ 萬(wàn)ｍ３，地表水在保證率為５０％、７５％、９５％時(shí)的可供水量分別為５ ０１８ 萬(wàn)、４ １３０ 萬(wàn)、３ ４５０ 萬(wàn)ｍ３，非常規(guī)水利用水量為３８０ 萬(wàn)ｍ３，地下水可開(kāi)采量的上限約為１０３ 萬(wàn)ｍ３。河口區(qū)現(xiàn)狀年主要用水類型為農(nóng)田灌溉用水、林牧漁畜用水、工業(yè)用水、居民生活用水（包含居民用水、建筑服務(wù)業(yè)用水），其中工業(yè)用水２ １４６萬(wàn)ｍ３、居民生活用水９７２ 萬(wàn)ｍ３、林牧漁畜用水２ １５０ 萬(wàn)ｍ３。以用水總量控制指標(biāo)為約束，按生活、工業(yè)、服務(wù)業(yè)分配優(yōu)先的原則，最后分配農(nóng)業(yè)灌溉用水，在保證率為５０％、７５％、９５％時(shí)可用于作物進(jìn)行灌溉的水量分別為１０ ７８０萬(wàn)、１０ ２９４ 萬(wàn)、９ ６１４ 萬(wàn)ｍ３。

２．４ 種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型構(gòu)建

在水資源約束條件下，通過(guò)合理調(diào)整和配置作物種植結(jié)構(gòu)，提高水資源的利用效率和產(chǎn)出效果，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)目標(biāo)，同時(shí)，種植結(jié)構(gòu)調(diào)整關(guān)系到生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生物多樣性維持，必須注重人與自然之間的協(xié)調(diào)性，因此本文把河口區(qū)經(jīng)濟(jì)效益、綜合水分生產(chǎn)率和生態(tài)效益最大作為目標(biāo)，基于陳守煜等［１４］ 提出的模糊優(yōu)選理論，有機(jī)融合信息熵和模糊優(yōu)選方法，建立的多目標(biāo)模糊優(yōu)化模型（Ｅ－ＦＯＳＭＯＰ）［１５］ 為

式中：Ｚ 為河口區(qū)作物種植綜合效益；ｕｉ 為模糊優(yōu)化模型對(duì)應(yīng)作物綜合效益的對(duì)優(yōu)相對(duì)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(shù)；ｊ 為指標(biāo)序號(hào)（１ 代表經(jīng)濟(jì)效益，２ 代表綜合水分生產(chǎn)率，３ 代表生態(tài)效益）；ａｉｊ為作物ｉ 指標(biāo)ｊ 的特征值（見(jiàn)表１）；ｒｉｊ為目標(biāo)對(duì)“優(yōu)”的相對(duì)隸屬度；ｐ 為距離參數(shù)，為計(jì)算方便取值為２［１５］ ；Ｅｊ 、Ｗｊ分別為第ｊ 個(gè)目標(biāo)屬性輸出的信息熵、權(quán)重。

由表１ 可得河口區(qū)１０ 種作物指標(biāo)特征值相對(duì)隸屬度矩陣Ｒ 應(yīng)用兩級(jí)模糊優(yōu)選模型，得到不同保證率下作物ｉ 的綜合效益最優(yōu)相對(duì)隸屬度ｕｉ 。以５０％保證率為例，相對(duì)隸屬度矩陣和最優(yōu)相對(duì)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(qū)不同降水保證率下的作物種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的總需水量不超過(guò)對(duì)應(yīng)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(shì)日益嚴(yán)峻，在保證區(qū)域糧食播種總面積要求前提下，避免種植面積擴(kuò)大導(dǎo)致的灌溉用水量增加，另外河口區(qū)作物種植者主要是個(gè)體農(nóng)戶，耕地較為破碎化，復(fù)種指數(shù)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(xiàn)狀農(nóng)作物播種總面積優(yōu)化后不超過(guò)現(xiàn)狀作物播種總面積。

３）穩(wěn)定糧食生產(chǎn)。根據(jù)區(qū)域發(fā)展規(guī)劃，要求合理保障農(nóng)民種糧收益，保護(hù)農(nóng)民種糧積極性，全區(qū)糧食播種面積、產(chǎn)量分別穩(wěn)定在２．４６７×１０４ ｈｍ２、１１ 萬(wàn)ｔ 以上。

４）作物播種面積約束。為貼合實(shí)際，防止優(yōu)化后出現(xiàn)較大的波動(dòng)，根據(jù)當(dāng)?shù)胤N植業(yè)發(fā)展規(guī)劃、農(nóng)業(yè)深度節(jié)水控水要求及決策部門接受風(fēng)險(xiǎn)的程度，對(duì)作物播種面積增加相關(guān)約束（見(jiàn)表２）。

３ 結(jié)果與分析

３．１ 灌溉水供需平衡分析

根據(jù)河口區(qū)現(xiàn)狀年種植面積數(shù)據(jù)，計(jì)算不同降水保證率下作物充分灌溉的總需水量（見(jiàn)圖１），隨著降水量的減少，灌溉水總需求量大幅度增加，可見(jiàn)降水量對(duì)灌溉用水量影響極大，黃河水作為主要的客水資源，對(duì)作物生育至關(guān)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(zhǎng)的作物，補(bǔ)充灌溉量整體較?。?。

根據(jù)不同時(shí)期供水能力和不同降水保證率需水情況，計(jì)算出河口區(qū)灌溉水資源供需平衡情況（見(jiàn)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(dá)９６１ 萬(wàn)～２ ６６３ 萬(wàn)ｍ３，無(wú)法滿足作物生育期對(duì)水分的需求，制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，亟待通過(guò)調(diào)整作物種植比例建立與水資源承載能力相適應(yīng)的種植結(jié)構(gòu)。

３．２ 種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果分析

利用ＬＩＮＧＯ 軟件構(gòu)建Ｅ－ＦＯＳ－ＭＯＰ 模型，設(shè)置３種降水保證率（５０％、７５％、９５％）對(duì)河口農(nóng)作物進(jìn)行種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化前后的作物面積和灌溉用水量對(duì)比見(jiàn)表４、表５，在保證糧食安全生產(chǎn)的前提下，不同保證率下經(jīng)優(yōu)化后糧食作物播種面積占比均在９０％以上，優(yōu)化前后并未平衡糧經(jīng)作物的比例，原因在于河口區(qū)糧食生產(chǎn)考核任務(wù)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(yōu)化后結(jié)果均是以糧食作物為主的“糧－經(jīng)”二元結(jié)構(gòu)。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(nóng)田灌溉需水的增加，相比優(yōu)化前總面積減少了９４４ ｈｍ２。從表５ 中可看出５０％保證率下優(yōu)化前灌溉需水約為９ ９６２ 萬(wàn)ｍ３，可供水量約為１０ ７８０ 萬(wàn)ｍ３，經(jīng)優(yōu)化后灌溉需水量?jī)H為８ ７３２萬(wàn)ｍ３，減少約１ ２２９ 萬(wàn)ｍ３的灌溉用水；７５％保證率下優(yōu)化前灌溉需水約為１１ ２５５ 萬(wàn)ｍ３，可供水量約為１０ ２９４萬(wàn)ｍ３，經(jīng)優(yōu)化后灌溉需水量?jī)H為９ ８６０ 萬(wàn)ｍ３，減少約１ ３９５ 萬(wàn)ｍ３的灌溉用水；９５％保證率優(yōu)化前灌溉需水量約為１２ ２７７ 萬(wàn)ｍ３，而可供灌溉使用的水量?jī)H為９ ６１５萬(wàn)ｍ３，在優(yōu)化后灌溉需水量與可供水量保持一致，可見(jiàn)水資源約束下調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)對(duì)緩解灌溉用水壓力至關(guān)重要。

研究發(fā)現(xiàn)不同降水保證率下種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)“糧－經(jīng)”內(nèi)部種植結(jié)構(gòu)影響顯著，糧食作物中冬小麥雖然水分生產(chǎn)率高于糧食平均水平，但生育期降水與需水耦合性差且經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)效益偏低，在５０％、７５％、９５％保證率下冬小麥的播種面積占比由優(yōu)化前的３４．７％分別降至２６．０％、２６．７％、２１．０％；水稻雖凈產(chǎn)值和生態(tài)效益較高，但水稻屬高耗水作物且水分生產(chǎn)率偏低，播種面積占比在不同保證率下由優(yōu)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(bǔ)，春玉米各項(xiàng)指標(biāo)均高于糧食平均水平，其播種面積占比由優(yōu)化前的１２．１％分別增加到３１．５％、３１．５％、３２．７％。大豆凈產(chǎn)值和生態(tài)效益雖然達(dá)到糧食作物平均水平，但水分生產(chǎn)率不占優(yōu)勢(shì)，在５０％、７５％保證率下播種面積占比由優(yōu)化前的１１．２％ 均降至８．７％；夏玉米各項(xiàng)指標(biāo)良好，但整體不及春玉米，春玉米優(yōu)先調(diào)整至約束上限后，在５０％、７５％保證率下播種面積占比由優(yōu)化前的２３． ５％ 分別增加到２４． ６％、２３．９％；高粱因各項(xiàng)指標(biāo)低于平均水平，在５０％、７５％保證率下，優(yōu)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(duì)正常水分的需求，模型優(yōu)化的結(jié)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(yōu)化前的１１．２％增加到２２．８％，高粱播種面積占比由優(yōu)化前的０．８％增加到１０．１％。經(jīng)濟(jì)作物中重點(diǎn)調(diào)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(yōu)化后均調(diào)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(qū)的農(nóng)作物綜合效益，與河口區(qū)大力發(fā)展蔬菜、瓜果優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃一致；棉花灌溉雖然需水量低于蔬菜、瓜果，但綜合指標(biāo)明顯低于其他經(jīng)濟(jì)作物，同時(shí)棉花屬勞動(dòng)密集型作物，隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展，當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)勞動(dòng)力緊缺，人工成本上升，不同保證率下其面積占比由優(yōu)化前的５％均降至１％左右；花生雖然各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于棉花，但整體優(yōu)勢(shì)不及蔬菜、瓜果，不同保證率下優(yōu)化前后面積維持原狀。

３．３ 優(yōu)化前后各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比

由表６ 可知，在５０％、７５％保證率下，經(jīng)過(guò)調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)后各項(xiàng)指標(biāo)比現(xiàn)狀均有所提高，其中：糧食產(chǎn)量由１３．３９ 萬(wàn)ｔ 均增加到１４．９９ 萬(wàn)ｔ；綜合水分生產(chǎn)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(tài)效益在５０％、７５％保證率下由６ ０２３ 萬(wàn)元均提升到６ １４２萬(wàn)元；凈產(chǎn)值在５０％、７０％ 保證率下由優(yōu)化前４１ ６６４萬(wàn)元分別增加到６３ ７６７ 萬(wàn)、６３ ７１９ 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)主要來(lái)源于蔬菜與瓜果（產(chǎn)值由２５ ３０９ 萬(wàn)元均增加到４６ ９９８ 萬(wàn)元。但在９５％保證率下，模型在選擇綜合效益好的作物時(shí)受到抑制，同時(shí)因糧食作物擠占了大部分灌溉水資源，經(jīng)濟(jì)作物播種面積縮減為約束下限值，種植業(yè)整體效益受限，經(jīng)優(yōu)化后其糧食產(chǎn)量降低至１２．５７ 萬(wàn)ｔ，綜合水分生產(chǎn)率由１．２８ ｋｇ／ ｍ３降到１．２７ ｋｇ／ ｍ３，凈產(chǎn)值降至４０ ９３２ 萬(wàn)元，生態(tài)效益降至５ ７３６ 萬(wàn)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(qū)作物最佳種植結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)降水量的變化對(duì)當(dāng)?shù)刈魑锓N植結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果影響較大，在兼顧作物多目標(biāo)優(yōu)化的前提下，種植業(yè)有很大的優(yōu)化空間。河口區(qū)作為山東省糧食主產(chǎn)區(qū)，糧食安全生產(chǎn)保障是重中之重，在５０％、７５％保證率下，在保證糧食安全生產(chǎn)的前提下，通過(guò)增加蔬菜、瓜果等經(jīng)濟(jì)作物的種植比例可顯著提高種植業(yè)的綜合效益，優(yōu)化后的農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)符合當(dāng)?shù)亓夹园l(fā)展需求，可實(shí)現(xiàn)水資源節(jié)約高效利用，保障糧食安全生產(chǎn)、提升種植業(yè)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(shí)受到抑制，導(dǎo)致各項(xiàng)指標(biāo)都比優(yōu)化前有所降低，當(dāng)?shù)毓┧Ｕ戏矫鎽?yīng)考慮利用南水北調(diào)的長(zhǎng)江水資源或加強(qiáng)雨洪水?dāng)r蓄工程建設(shè)以補(bǔ)充灌溉水資源，或者在降水相對(duì)充沛的年份對(duì)多余的可供水量或預(yù)留水量開(kāi)展水權(quán)市場(chǎng)化交易，以此保障降水匱乏年份河口區(qū)種植業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

５ 結(jié)論

１）河口區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化前在５０％保證率下灌溉可供水量能夠滿足作物生育期對(duì)水分的需要，在７５％、９５％保證率下灌溉水虧缺量為９６１ 萬(wàn)～２ ６６３ 萬(wàn)ｍ３。

２）不同保證率下（５０％、７５％、９５％）優(yōu)化結(jié)果均是以糧食作物為主的“糧－經(jīng)”二元結(jié)構(gòu)，可滿足河口區(qū)糧食生產(chǎn)考核要求，與優(yōu)化前相比可分別實(shí)現(xiàn)灌溉節(jié)水１２．３％、１２．４％、２１．７％。

３）５０％、７５％保證率下，種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化后與優(yōu)化前相比綜合水分生產(chǎn)率分別提升３０％、３１％，凈產(chǎn)值提升５３％、５２．９％，生態(tài)效益提升１．９８％、１．９１％，糧食總產(chǎn)量均提升１１．９％；９５％保證率下，各項(xiàng)指標(biāo)都比優(yōu)化前有所下降，其中綜合水分生產(chǎn)率降低０．８％，凈產(chǎn)值降低１．８％，生態(tài)效益降低４．８％，糧食總產(chǎn)量降低６．１％。

參考文獻(xiàn)：

［１］ 景明，程獻(xiàn)國(guó)，王軍濤，等．黃河下游灌區(qū)引黃灌溉需水預(yù)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)分析［Ｊ］．水資源與水工程學(xué)報(bào)，２０１３，２４（６）：６０－６３．

［２］ 王若禹，趙志軒，黃昌碩，等．“四水四定”水資源管控理論研究進(jìn)展［Ｊ］．水資源保護(hù)，２０２３，３９（４）：１１１－１１７．

［３］ 趙瞳．黃河流域協(xié)同治理存在的突出問(wèn)題及其破解［Ｊ］．學(xué)習(xí)論壇，２０２３（３）：１０９－１１５．

［４］ 王志鵬．水資源約束下的多目標(biāo)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［Ｄ］．北京：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，２０２０：３－５．

［５］ 王璐，杜雄，王榮，等．基于ＮＳＧＡ－Ⅱ算法的白洋淀上游種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化［Ｊ］．中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)（中英文），２０２１，２９（８）：１３７０－１３８３．

［６］ 王禹植，薛聯(lián)青，楊廣，等．水資源三條紅線約束下瑪納斯河灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［Ｊ］．水電能源科學(xué)，２０２２，４０（１）：１４５－１４９．

［７］ ＷＵ Ｌ，ＴＩＡＮ Ｊ，ＬＩＵ Ｙ，ｅｔ ａｌ．Ｍｕｌｔｉ?Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ Ｃｒｏｐ Ｐｌａｎｔｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｏｐｔｉｍｉｓａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｇａｍｅ Ｔｈｅｏｒｙ［Ｊ］． Ｗａｔｅｒ，２０２２，１４（１３）：２１２５．

［８］ 曹丹，易秀，陳小兵．基于農(nóng)業(yè)灌溉需水量計(jì)算的黃河三角洲作物結(jié)構(gòu)優(yōu)化［Ｊ］．水資源保護(hù)，２０２２，３８（２）：１５４－１５９，１６７．

［９］ 郭萍，趙敏，張妍，等．基于水足跡的河套灌區(qū)多目標(biāo)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整與評(píng)價(jià)［Ｊ］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，２０２１，５２（１２）：３４６－３５７．

［１０］ 潘月，楊廣，薛聯(lián)青，等．ＤＳＦ－ＧＷＯ 算法在瑪納斯河灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用［Ｊ］．排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，２０２３，４１（９）：９４３－９５１．

［１１］ 李碩．水資源約束下渭干河流域農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［Ｄ］．北京：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)（中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院），２０２２：５０－５１．

［１２］ ＡＬＬＥＮ Ｒ Ｇ，ＳＭＩＴＨ Ｍ，ＰＥＲＲＩＥＲ Ａ，ｅｔ ａｌ．Ａｎ Ｕｐｄａｔｅ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｅｖａｐｏｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｈｅａｌｔｈ，１９９４，４３：１－３５．

［１３］ ＡＭＭＡＲ Ｍ Ｅ，ＤＡＶＩＥＳ Ｅ．Ｏｎ ｔｈｅ Ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ Ｃｒｏｐ Ｐｒｏｄｕｃ?ｔｉｏｎ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ： Ｐｒｏｃｅｓｓ?Ｂａｓｅｄ Ｃｒｏｐ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｔ Ｄａｉｌｙ，Ｓｅｍｉ?Ｗｅｅｋｌｙ，ａｎｄ Ｗｅｅｋｌｙ Ｔｉｍｅ Ｓｔｅｐｓ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｍａｎ? ａｇｅｍｅｎｔ，２０１９，２３８：４６０－４７２．

［１４］ 陳守煜，馬建琴，張振偉．作物種植結(jié)構(gòu)多目標(biāo)模糊優(yōu)化模型與方法［Ｊ］． 大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，２００３，４３ （１）：１２－１５．

［１５］ 李小娟，牛俊，佟玲，等．結(jié)合信息熵和模糊優(yōu)選的種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型［Ｊ］．東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，２０２２，５３（９）：１－７，１６．

［１６］ ＷＵ Ｊ，ＳＨＥＮ Ｗ，ＳＵＮ Ｗ，ｅｔ ａｌ．Ｅｍｐｉｒｉｃａｌ Ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｃｈａｎｇｉｎｇ Ｓｃａｌｅ ｏｎ Ｌａｎｄｓｃａｐｅ Ｍｅｔｒｉｃｓ［Ｊ］．Ｌａｎｄ?ｓｃａｐｅ Ｅｃｏｌｏｇｙ，２００２，１７（８）：７６１－７８２．

【責(zé)任編輯 簡(jiǎn) 群】

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（４２０６１０５１）；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（２０２１ＬＨＭＳ０７００２）