“三条红线”控制指标下玛纳斯县主要农作物种植结构优化方案研究

马林潇，何 英，林 丽

(新疆农业大学 水利与土木工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830052)

“三条红线”控制指标下玛纳斯县主要农作物种植结构优化方案研究

马林潇，何 英，林 丽

(新疆农业大学 水利与土木工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830052)

近年来新疆玛纳斯县水资源供需矛盾尤为突出。文章分析了玛纳斯县农业种植结构特点，采用线性规划法对主要农作物进行结构优化；在最严格水资源管理下，结合“三条红线”各项指标，提出2020水平年、2030水平年种植结构调整优化方案。结果表明，粮食作物中玉米的种植比例要提高，小麦的种植比例可以维持现状；经济作物中要减少棉花的种植比例，小幅度地增加葵花和甜菜的种植面积。

种植结构；优化方案；三条红线

新疆地处干旱半干旱地区，水资源极度匮乏。玛纳斯县地处新疆腹地，单项节水技术已经非常先进，膜下滴灌技术占主导地位，面对有限的水资源，单靠灌溉技术的革新来发展节水农业的空间已经非常有限，非常有必要从整体节水的角度出发探索今后节水农业的发展方向。在农业灌溉用水不能增加而农作物产量和农民经济效益不减少的背景下，如何将有限水资源在多种作物之间及生育阶段间进行合理分配，以获得最高产量来缓解农业用水供需矛盾，变得尤为重要。

农业种植结构优化对于水资源的利用和社会经济都具有积极的意义。在水资源利用方面，Jin C等[1]通过量化农业水足迹和考虑城市化水平等关键因素建立模型，分析得出通过农业种植调整可以在一定程度上应对水资源短缺。李亚婷[2]根据万元GDP水足迹分析得出农作物种植结构优化可以使宁夏中部干旱带的水资源的利用率得到提高。林琳等[3]利用Visual Modflow软件模拟了灌区在种植结构变化下的节水效率，为灌区节水改造提供了理论依据。在农业经济方面，加尔恒·托合塔汗[4]分析了玛纳斯县农业经济现状后，认为因地制宜调整农业种植结构可以使区域经济逐步过渡为农业工业化后通过产业化增值。邱俊杰[5]通过对农业结构优化对土地生产率提高和农业增长贡献及其相关影响因素的评估后，发现尽管农业结构优化不是农业增长的决定性因素，但农业结构优化对农业增长仍有显著影响。Pan H等[6]探索了中国西部农村地区农业产业结构与能源效率之间的关系，结果表明优化农业产业结构是提高能源效率和增加农民收入的重要方式。刘松颖[7]收集西部十省市1985年—2008年农村居民纯收入和衡量农业产业结构、能源效率指标的数据后建立数据模型，实证结果表明西部地区农业内部层次的结构优化对农民增收、节能降耗具有不同程度的积极效应。《新疆农垦科技》[8]也发文指出2016年新疆农民对农业种植结构调整增收态势明显。

本文选取玛纳斯县为研究区，分析其农业种植结构特点，采用线性规划法对玛纳斯县主要农作物进行种植结构优化，并结合最严格水资源管理“三条红线”各项指标，提出种植结构调整优化方案。

1 研究区概况

1.1 自然地理概况

新疆玛纳斯县地处新疆腹地，位于天山山脉博格达峰北麓，准格尔盆地南缘。北部为古尔班通古特沙漠，中部为冲积扇平原。地貌可以分为三大类型：南部为天山山区和丘陵区，是优良的夏牧场；中部为冲积平原区，是该县主要粮产区；北部为沙漠区，是古尔班通古特沙漠的一部分。地理坐标为E85°34′—E86°43′，N43°23′—N45°38′。南北最大长度241.7 km，东西最大宽度88.7 km[9]。玛纳斯县属于典型的中温带大陆性气候，冬冷夏热，且冬季时间较长，光热条件较好，昼夜温差较大[10]。年平均气温7.2℃，极端最低气温零下37.4℃。全年无霜期165 d～172 d，最长达190 d。玛纳斯县年平均降水量173.3 mm，历史最高可达到251.1 mm，最大日降水量34.5 mm。

玛纳斯县有玛纳斯河及塔西河两条河流，但玛纳斯河和塔西河河流水量年内分布极不均匀[11]，夏季6月—8月水量约占全年的65%，11月至次年3月为枯水期，流量较少，占全年20%左右，最小的是冬蓄期[12]。

1.2 水资源开发利用情况

2015年玛纳斯县总用水量55 000万m3，其中农业用水量48 300万m3，占总用水量的87.8%；工业用水量2 100万m3，占总用水量的3.8%；生活用水量1 100万m3，占总用水量的1.9%；生态环境用水量3 600万m3，占总用水量6.5%。

按供水类型分，地表水供水量42 600万m3，占总供水量的77.5%；地下水供水量12 400万m3。

2015年玛纳斯县灌溉面积为78.73×103hm2，其中高效节水面积为40.60×103hm2，占总灌溉面积的51.5%。农田综合灌溉定额为6 135 m3/hm2，比新疆平均定额8 925 m3/hm2偏小32%，说明灌溉水平较先进。

1.3 “三条红线”用水指标

2013年5月新疆维吾尔自治区人民政府向玛纳斯县行署下发了《关于实行最严格水资源管理制度落实“三条红线”控制指标的通知》(新政函[2013]111号)文件。2014年新疆维吾尔自治区政协在十一届七次常委会上，要求玛纳斯县2020年用水总量控制指标为51 800万m3，2030年用水总量控制指标为49 200万m3，分别较2015年用水量55 000万m3减少3 200万m3和5 800万m3[8]，2020年农业用水总量控制在48 000万m3，2030年农业用水总量控制在43 500万m3，分别较2015年农业用水量48 300万m3减少300万m3和4 800万m3。根据《新疆用水总量控制方案》，要实现上述目标，玛纳斯县还需退减灌溉面积，2016年—2020年需退减2.733×103hm2，2020年—2030年需退减1.867×103hm2，共计退减4.600×103hm2。

1.4 玛纳斯县种植结构特点

玛纳斯县经济以农业为主，是昌吉州的农业大县，农业是传统产业，工业经济正在快速发展，其中规模较大的有天山电力有限责任公司等，农业主要以种植棉花、葡萄、蔬菜为主[13]。至2015年末玛纳斯县总人口17.83万，地方生产总值(GDP)1 653 094万元，较2014年增长166 523万元。其中农业总产值为358 049万元，增长了3%。

图1绘出了玛纳斯县2008年—2015年主要农作物的面积百分比。

图1玛纳斯县各代表年份主要农作物面积构成图

从图1可以看出葵花和甜菜的种植比例始终比较稳定，2011年小麦和玉米种植比例增加，棉花的种植比例下降，自2011年后各种主要农作物的种植面积趋于稳定。从图1可以进一步看出该县是围绕玉米和棉花生产，符合国家发展和改革委员会及农业部于2008年1月编制完成的《全国旱作节水农业发展建设规划》(2008年—2015年)中对于西北旱作区规定的区域发展方向。

玛纳斯县2015年末总耕地面积为142.651×103hm2，其中水浇地占98%，旱地占1%。2015年农业产业结构见表1。从表1可以看出，小麦和玉米是玛纳斯县主要的粮食作物，棉花是主要的经济作物，占了总播种面积的一半，经济作物占主导地位。

表1 2015年玛纳斯县农作物播种面积结构表

2 作物结构优化模型的建立与求解

2.1 目标函数

调整种植结构是为了在严格控制地表水和地下水资源使用量的情况下，在有限的水资源且维持生态环境稳定的条件下创造出更多的农业经济效益[14]。目标函数以经济效益最大化为目的：

(1)

式中：N为结构优化后纯收益，万元；Ai为作物种植面积，103hm2；Pi为作物i的产品单价，元/kg；Yi为单位面积产量，kg/hm2；Px为单位水量供水费用，元/m3；Wdi为作物i的净灌溉定额，m3/hm2；η为灌溉利用系数；i为作物种类数，i=1,2，…，n。

2.2 约束条件

(1) 水量约束

(2)

式中：W为农田灌溉用水量，万m3。

(2) 面积约束

(3)

0≤x1+x2+…+xn1≤Aa

0≤x3+x4+…+xn2≤Ab

(4)

式中：A为耕地面积，103hm2；x1，x2代表粮食作物的种植面积，103hm2；x3代表经济作物的种植面积，103hm2；该县主要的粮食作物种植面积不得大于近三年来现有粮食种植总面积Aa，103hm2；主要经济作物也要小于目前的经济作物总种植面积Ab，103hm2。

(3) 粮食约束

(5)

(4) 农作物产量约束

YiAi≥Zi

(6)

式中：xi代表作物i的种植面积，103hm2；Zi代表近5年作物i的最低产量，kg；Z代表近5年各种作物的总产量的最小值，kg。

2.3 模型求解

2.3.1 具体参数设定

具体的参数设定见表2，产品单价、农作物单位面积产量、总人口和作物播种面积均为2015年新疆统计年鉴中的数据。净灌溉定额参照2014年《新疆维吾尔自治区农业灌溉用水定额地方标准》。单位水量供水费用参照自治区发改委发布的自2016年1月1日起执行的新的水资源费征收标准。灌溉利用系数和农业用水量参照2015年自治区“三条红线”有关控制指标。

2.3.2 主要农作物结构优化结果

为了计算方便，选取小麦、玉米、棉花、葵花和甜菜5种主要作物进行分析。利用LINGO(Linear Interactive and General Optimizer, LINGO)软件线性规划求解，经过迭代，全局最优计算结果见表3。

表2 具体参数说明表

表3 优化前后结果对比

从表3优化结果中可以看出：

(1) 粮食作物。优化前后小麦的种植面积没变，可以继续维持现状。玉米的种植面积增加380 hm2，可以利用玉米带动畜牧业和加工业，完善种、养、加、产、供、销的一条龙模式，进一步提高玉米的经济效益。

(2) 经济作物。棉花的种植面积减少2.04×103hm2，因为玛纳斯县棉花产量几乎占昌吉全州棉花产量的一半，所以棉花生产在整个昌吉州具有举足轻重的地位，但是由于近几年棉花上市时的价格远没有预期的那么好，棉花价格不尽如意，从价差、财政负担、农资成本等多个角度综合来看，存在调减棉花种植面积的可能性。缩减棉花种植面积时应尽量选择低产田，缩减的土地可以发展林果业，建设苗木花卉基地，发展特色农作物等。葵花等油料作物的种植面积增加1.33×103hm2，可以把食用葵花当做特色农作物，政府和合作社应当加强引导，推广该特色农作物的种植技术。玛纳斯县可以加大甜菜的种植，增加0.33×103hm2的种植面积。玛纳斯县有得天独厚的自然优势，新疆甜菜生产水平和栽培技术已经在国内处于较高水平，在今后的生产中，更加注重选取优质优价的丰产型新品种，不同甜菜品种科学合理搭配，加强病虫害的防止，不断完善收购、贮藏与加工一条龙，使甜菜生产为农民致富做出更大贡献。

优化后的农作物种植面积不变，其总的经济效益却由136 228.25万元增加至138 496.78万元，增加了2 268.53万元。优化后需水量由44 533.26万m3减少至44 396.25万m3，减少了137.01万m3。以上仅是通过软件计算得出的最优的主要农作物种植比例，在实际生产生活中，玛纳斯县的农作物种植比例不可能在短时间内达到最优化的状态且不可盲目调整，但随着自治区实行最严格水资源管理制度和落实“三条红线”控制指标，种植结构会向着更科学合理的趋势发展。

3 作物种植结构优化方案

应用上述模型，结合“三条红线”用水指标和《用水总量控制方案》对玛纳斯县2020、2030水平年主要农作物种植结构进行优化，提出种植结构方案，见表4。

从表4可以看出，2020和2030水平年优化的种植总面积和农业用水量都符合“三条红线”相关规定。总体来看是巩固小麦和玉米面积，调减棉花面积，推广特色农作物等的农业结构调整思路。小麦和玉米的种植面积保持不变，远期水平年如果棉花的单价持续下跌，可以继续减少棉花的种植面积，尤其是低产地。适当增加葵花和甜菜的种植面积(优先增加甜菜种植面积)。此次优化时五种作物的单价按2015年计算，2020和2030水平年灌溉利用系数分别取0.69和0.72，作物单位面积产量和年末人口数利用2002年—2015年的相应数据采用SPSS19.0版进行线性回归和人口序列分析预测得出。

表4 不同水平年种植结构优化方案

4 结 论

在学习前人对农作物种植结构优化研究的基础上，结合线性优化与数理统计分析，针对玛纳斯县农业用水比重大和作物结构不合理等问题，借鉴可持续发展理论和比较优势理论，建立了以“三条红线”指标为基础的玛纳斯县种植结构优化方案，并应用LINGO软件对其进行求解。

优化后的玛纳斯县农作物种植面积，主要是缩减了棉花种植面积、增加了玉米和甜菜的种植面积，政府还应该结合相关政策，完善市场体系，特别是要建立完备的农产品市场体系，搞好市场划分，合理确定市场定位，确立市场引导机制，增加农业生产的科技含量，以科技发展为重点，全面推进科技进步，用科研提升农业生产水平，例如玉米种植面积的调整，应进一步完善玉米的配套机械和农机更新换代的选型，提高玛纳斯县的农业生产机械化水平，用高新技术改造传统产业[15]；通过产业政策和信息引导农业产业结构调整，广泛利用广播、电视、网络和报纸等信息传播媒介发布有关于农业的信息，引导农民自觉地优化种植结构，政府可以定期发布一些最新的国家农业政策措施，避免农民盲目跟风地进行农业生产。在产业结构调整的同时应坚持发挥本地比较优势，合理调整农业产业结构，以促使形成产业比较优势。还可以深化水价改革，进一步促进水资源可持续利用[16]，与种植结构优化相辅相成，满足经济效益、水资源供需和生态三方面的平衡。

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OptimalSchemeofMainCropsPlantingStructureinManasCountyundertheControlof“ThreeRedLines”

MA Linxiao, HE Ying, LIN Li

(CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China)

In recent years, water resources contradiction between supply and demand is prominent in Manas county in Xinjiang Uygur Autonomous Region. In this paper the characteristics of the agricultural planting structure in Manas county is analyzed and the optimal scheme of main crops planting structure is determined by adopting linear programming. Combined with the implementing the specific requirements of “three red lines” under the most strictest water resources management system, we proposed 2020, 2030 planting structure adjustment and optimization program. The results show that the planting proportion of corns can be increased compared with current structure and the planting proportion of wheat can maintain the status quo in the area of grain crops. As for the cash crops, the planting proportion of cotton can be decreased and the planting proportion of helianthus and beetroots can be increased modestly.

plantingstructure;optimalscheme;threeredlines

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.024

2017-05-12

2017-07-28

国家自然科学基金项目(51569031)

马林潇(1992—)，女，新疆昌吉人，硕士研究生，研究方向为干旱区水资源利用与环境保护。 E-mail:1415236663@qq.com

何 英(1982—)，女，四川涪陵县人，副教授，主要从事干旱区水文模拟与水资源评价方面的研究工作。 E-mail：xjheying@126.com

S274

A

1672—1144(2017)06—0122—05