基于多目标优化的黑龙江省农作物种植结构调整

李闯 高萱 祝悦 李林峰 刘家福

(吉林师范大学旅游与地理科学学院，吉林 四平 136000)

引言

随着农业科学技术发展、耕地保护能力提高,以及国家对农业政策的扶持工作等举措,我国粮食生产已达到国际先进水平,直至2015年我国基本上保证了粮食自给的供需平衡,为未来农业现代化发展打下坚实基础。在我国的农业发展进程中一直伴随着不断的农业结构变化,结构的变化和调整推动了农业发展、适应了不断变化的食品和其它农产品需求,也有力地促进了我国农产品的市场化改革和农民增收,种植业是农业的主体部分,种植结构调整一直以来受到农业部门的高度重视,因此施行一些有关种植结构调整的政策,这些政策的特点是由适应性调整政策过渡至决策性政策[1-3]。随着全国各行业的快速发展,人们的收入逐渐增加,人均可支配收入及恩格尔系数随之提高。此3项数据的提高,促进人们对于更高品质生活的追求,尤其是对粮食的需求。目前我国粮食已经可以满足温饱,且逐步由温饱型转向至营养型。然而发展农业的同时,也同样显露出许多问题。虽然农业是人类生存和发展的命脉,也是水资源使用的大户,但是据相关部门统计,农业用水量占全国总用水量的62.1%,这也使其成为农业结构调整的一个重要因素[4-6]。如何在提高水资源利用率的同时节约现有的水资源并可以满足农业发展,是目前研究的重点问题。一味的节水会导致粮食产量缩减及质量下降,从而带来如人均量粮食需求无法满足及社会经济效益受损等一系列负面影响。所以需要通过一定的方法调整现有的农业结构,以农作物的需水量以及市场效益等方面为目标,使得调整后的农业结构在实现目标的情况下完成区域综合效益的最大化,是目前我国农业应着力解决的重大问题。

1 研究区位置与数据来源

1.1 研究区位置

黑龙江位于我国的东北部地区,其省会为哈尔滨市,面积约为47.3万km2,是我国位置最北、纬度最高的省份,其经纬度为N43°25′～53°33′,E121°11′～135°05′。黑龙江东、北以乌苏里江、黑龙江为界河与俄罗斯为邻,西接内蒙古,南接吉林。黑龙江面积辽阔约占我国总面积的4.9%,西北、东南部地势高,东北、西南部低,主要由山地、平原、台地构成,主要生产水稻、玉米、大豆等作物,形成以三江平原、松嫩平原为主要地区的粮食产地[1]。研究区位置如图1所示。

图1 研究区位置图

1.2 数据来源

本文研究数据来源主要包括《黑龙江省统计年鉴(2016)年》《中国居民膳食指南》《全国农产品收益汇编(2016年)》《中国粮食统计年鉴》,以及中国气象科学数据共享服务网等。

2 研究方法

2.1 模型的建立

2.1.1 各目标函数构建2.1.1.1 经济效益目标函数

根据水稻、玉米、大豆、高粱、马铃薯各作物的单价、单产以及种植面积。计算黑龙江省2015年5种作物总体收益之和,构建经济效益目标函数表达式[9,11-13]:

式中,pi、qi、xi和ki分别为第i种作物的单价,元·kg-1,单产,kg·hm-2,面积,hm2,以及种植成本,元·kg-1。

2.1.1 .2 节水效益目标函数

在满足黑龙江省社会经济正常发展以及粮食安全的作物产量要求下,调整5种作物的种植面积,至使农业需水量最小[13,14],进而构建节水效益目标函数。表达式:

式中,f2(x)为黑龙江省5种作物需水量之和,m3；Mi为i种作物的需水量,m3·hm-2；xi为5种作物播种面积,hm2。

2.1.1 .3 生态效益目标函数

生态效益是一个定性指标并不能直接参与运算,因此需转化为定量指标来构建生态效益目标函数[15]。因此,采用农业对生态环境造成的危害来表示这一指标,主要体现在化肥、农药以及农膜对自然环境的污染程度表示。构建出生态效益目标函数表达式:

式中,f3(x)为黑龙江省5种作物生态收益(衡量)；Hi为第i种作物化肥、农药及农膜费用之和,元·hm-2；

2.1.2 约束条件的构建

2.1.2 .1 总面积约束约束条件

农作物结构调整应在合理的耕地面积内进行调整,上限为耕地面积(5种作物耕地总面积),构建表达式:

式中,s为黑龙江省5种作物耕种总面积,hm2。

2.1.2 .2 水资源总量约束条件

农作物需要一定量的水资源,但是不可能超过该地区的整体总水量,构建表达式:

式中,yi为第i种作物需水量,m3·hm-2；Q为黑龙江省总水量,m3。

2.1.2 .3 粮食要求约束条件

区域内粮食产量应满足该区域内人口所需要,以此根据《中国居民膳食指南》中420kg为人均粮食水平的底线。

式中,p为黑龙江省总人口。

2.1.2 .4 其他约束条件

黑龙江省5种作物面积不能为负数。

2.2 种植结构多目标优化调整模型构建

通过对目标函数、约束条件以及其他约束条件,进而确定出黑龙江省种植结构调整模型中的相关参数。结合多目标优化算法,通过MatLAB构建出黑龙江省种植结构多目标优化调整模型。

3 黑龙江省种植结构调整

3.1 作物需水量

农业用水主要由灌溉用水及畜牧用水组成,作物需水量是灌溉用水重要组成部分。农业部门在不同区域制定符合当地概况的灌溉制度,以期合理利用农业水资源,因此作物需水量一直以来是相关领域研究者所关注的重点问题[16]。

作物需水量是指在满足高产量的目标下,其生长周期内所有用水之和。同一作物生育阶段不同其需水量也不同,影响作物需水量的外界因素主要包括气候气象、土壤质地、作物种类及地形地貌等。利用Arc-GIS中栅格统计工具统计出各地级市参照需水量。利用彭曼公式的单作物系数法,计算黑龙江省各地级市不同作物整个生育周期的需水量,见表1。

表1 黑龙江省各地级市作物需水量

3.2 生态效益指标选取

耕地在为人类提供经济价值的同时,也带来相应的生态效益。生态效益主要表现在涵养水源、净化空气、改善土壤质量、丰富生物多样性等方面。国内外对耕地生态效益评估方法很多,主要包括偏好价值评估法(Revealed Preference,RP)、收益还原法、市场比较法、剩余法和基准地价系数法[17]。查询2015年全国农产品收益汇编中黑龙江省每667m2水稻、玉米、大豆、高粱、马铃薯的化肥费、农膜费与农药费用,以三者之和为数据源。为直观取该值的倒数乘以7500表示(该值与生态效益成正),见表2。

表2 5种作物生态效益指标

3.3 5种粮食人均年需求量

我国是发展中的农业大国,粮食是人类生活的必需品,关乎到国家与社会的稳定,因此粮食安全备受政府的重视。通过分析我国人均粮食需求量的组成情况,从营养学上以人类健康生活为角度,估算人均粮食的需求量。本研究主要依据中国营养学会制定的《2017年中国居民膳食指南》,所给出的中国人口每日粮食需求量,以1a 365d为准。计算出水稻、玉米、大豆、高粱、马铃薯5种作物人均年需求量,见表3。

表3 粮食人均年需求量

3.4 黑龙江省各地级市作物单产

2004—2015 年,我国粮食产量连续11a呈现增长形式。出现这种现象主要因为科技的进步、资源的合理利用以及国家政策的支持。本研究通过查阅2016年黑龙江省统计年鉴,分别查出各地级市5种主要农作物总种植面积以及总产量,计算出相应作物单位面积的产量,得出的结果见表4,在中国粮食网上可以查询到2015年主要农产品产量、面积以及单位面积产量数据,其中,玉米单产为5890.5kg·hm-2,水稻单产为6523.1kg·hm-2,其他3种作物在中国粮食网中没有表示,因此,本文不予列出。由表4可以看出,黑龙江省玉米单产最高出现在大庆市,比全国平均产量多2250kg·hm-2,而水稻单产不一,均在全国水平左右,其中双鸭山单产最高为7270.15kg·hm-2,大兴安岭地区单产最低4500kg·hm-2,与全国相比少单产少了2023.1kg·hm-2。黑龙江省是我国大豆主要产区,其产量大致相当,均保持在2000kg·hm-2左右,高粱单产七台河最高而牡丹江市最低。马铃薯佳木斯最高为7876.13kg·hm-2,具体单产见表4。

表4 2015年5种主要粮食作物单位面积产量

3.5 多目标优化种植结构调整结果

将黑龙江省各个地级市数据带入多目标优化模型进行求解,以经济效益为目标函数,计算出各地级市水稻、玉米、大豆、高粱、马铃薯相应的种植面积结果,见表5。

表5 综合效益目标各地级市农作物种植面积

由综合效益目标函数下各地级市农作物面积结果可以看出,调整后各地级市种植面积与2015年5种农作物种植面积相同；由黑龙江省整体农作物种植面积来看,玉米种植面积最多,面积为6432676hm2,占5种农作物总面积的57%；其次是水稻,约占总面积的22.17%；大豆面积居中,为1839050hm2；马铃薯和高粱的面积最少,仅占黑龙江省5种作物总面积的3.54%。由各地级市作物种植面积可以看出,水稻种植面积最多的是哈尔滨市,种植面积约占全省水稻面积的26.91%,其次是佳木斯市、绥化市和齐齐哈尔市；玉米种植面积最多的是齐齐哈尔市,哈尔滨市与绥化市面积相当,分别为1160024hm2,11056533hm2,面积最小的是大兴安岭地区仅为3182hm2；大豆种植面积最多的是大兴安岭地区,面积为152094hm2,其次是佳木斯和哈尔滨市；高粱种植面积在全省看来面积较为平均,最多的是齐齐哈尔市,面积最少的是伊春市,二者的差为14749hm2,马铃薯种植面积最多的是齐齐哈尔市,面积为115045hm2,面积最少的是大兴安岭地区,面积为2896hm2。

利用ArcGIS软件,对黑龙江省各个地级市进行面积赋值,用柱状图表示出各个地级市5种农作物相应的种植面积,见图2。

图2 调整后5种农作物种植面积空间分布

4 黑龙江省综合效益与现状对比分析

4.1 综合效益面积与现状对比

将综合效益目标调整后的面积大小与2015年黑龙江省5种农作物种植现状面积做差,对比各地级市农作物面积的变化情况,见表6。

表6 综合效益面积与现状差

通过观察黑龙江省5种农作物总面积的变化情况可以看出,玉米、大豆的面积减少,其中玉米面积变化最多,共减少373601hm2,而大豆面积仅减少63300hm2,减少比例占玉米减少面积的16.94%。水稻、高粱及马铃薯面积呈增加状态,共增加面积为436901hm2,其中主要来自玉米面积的转换。从各地级市5种农作物面积变化来看,水稻面积均呈现增加的趋势。其中哈尔滨市水稻增加面积最多,共增加67861hm2,其次是绥化市,占水稻增加面积的13.89%,水稻面积增加较少的地级市是七台河市和黑河市,共增加1927hm2；玉米面积有增有减,面积增加的有大庆市和伊春市,大庆市增加的面积大于伊春市,玉米种植面积减少最多的是哈尔滨市,其次是佳木斯市和双鸭山市,面积减少最少的是七台河市和鹤岗市,均在1000hm2左右；大豆的种植面积也有增有减,减少最多的是绥化市共减少178909hm2,其次是伊春市,增加的城市主要有齐齐哈尔、哈尔滨、黑河市及牡丹江市；高粱的种植面积在各地级市中呈现整体增加的态势,增加的主要城市是佳木斯、牡丹江及绥化市；马铃薯种植面积只有大兴安岭是减少682hm2,其他地级市均增加,共增加10809hm2。

4.2 综合效益产值与现状对比

通过查阅全国成本收益汇编得出黑龙江省5种农作物的现金成本以及5种农作物的平均价格。并计算出5种农作物的收益、作物需水量及生态效益值,以及黑龙江省综合效益目标的产值,其中生态效益是一个衡量值,值越大生态效益越高。将综合效益目标调整后的效益产值与2015年黑龙江省效益产值做差,对比各地级市效益产值的变化情况,见表7。

表7 综合效益目标产值

通过观察黑龙江省各地级市效益产值的变化情况,综合效益目标下的黑龙江省种植结构的经济效益比2015年现状的减少757482×104元,但农业用水量却减少了19693714.6×104m3,生态效益值提高829324.9；整体来看综合效益目标下的种植结构调整,虽然经济效益减少了,但是为黑龙江省带来了生态效益及节水效益。从可持续发展观来看,综合效益目标的种植结构调整更合理,更有利于黑龙江省未来的社会经济发展。由各个地级市可以看出,调整后只有黑河市的经济效益增加了382.9×104元,其他地级市效益均减少；用水量各个地级市均减少,减少前2位的是绥化市和齐齐哈尔市；从生态效益角度来看,各地级市中齐齐哈尔市、双鸭山市以及大兴安岭地区生态效益减少,其他地级市均增加。

5 结论

通过对黑龙江省种植结构调整的现状以及存在的问题进行分析,进而寻找出影响黑龙江省种植业结构调整的因素。同时结合国家政策以及市场导向,确定出调整方向。应用MatLAB软件构建种植结构多目标优化调整模型,获得综合效益目标下各个地级市5种农作物相应的面积,及产生的经济效益、生态效益及节水效益值,与现状进行对比分析。可以得出综合效益目标下调整后的黑龙江省马铃薯种植面积增加108691hm2,主要因为马铃薯的生长周期需水量小于水稻、玉米、大豆,在水资源较缺的地区将其他粮食作物改为种植马铃薯,可有效解决农业水资源短缺的问题。但是通过对比多目标优化种植结构调整及种植结构现状的5种农作物经济效益、用水量及生态效益值来看,黑龙江省种植结构调整后的经济效益减少,而节水效益及生态效益增加,这也意味着,经济效益的增加是以破坏生态效益及资源来取得的。

结果表明,基于生态效益、节水效益及经济效益的多目标优化的种植结构调整是可行的。针对黑龙江省资源禀赋、环境现状以及农业政策的引导,确定研究模型及方法,进行种植结构调整,得出的结果为黑龙江省政府进行决策未来种植结构调整方向,提供了可信度极高的调整方案及办法。