仇 蕾，鐘雨純，崔韻文

（河海大學(xué)管理科學(xué)研究所，江蘇 南京 211100）

0 引言

水、能源和糧食是維持人類生存和發(fā)展的重要資源，但隨著人口增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水、能源和糧食的供給壓力越來(lái)越大。有研究預(yù)測(cè)，到2030年全球的水、能源和糧食的需求將分別增加30%、40%和50%。這將加劇水資源和能源的短缺并對(duì)糧食安全產(chǎn)生巨大威脅[1]。2011年11月德國(guó)聯(lián)邦政府在波恩召開(kāi)的“水—能源—糧食關(guān)聯(lián)關(guān)系（WEF-Nexus）”安全會(huì)議上，首次指出水安全、能源安全和糧食安全之間存在錯(cuò)綜復(fù)雜的聯(lián)系并將其界定為“紐帶關(guān)系”，由此開(kāi)啟了WEF-Nexus的研究熱潮。WEFNexus的核心在于綜合考量系統(tǒng)中水、能源、糧食三者之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并將其作為相關(guān)資源管理的決策依據(jù)，以達(dá)到提高資源綜合利用效率的目的[2]。相比以單一資源為中心的資源整合研究，WEF-Nexus更能滿足多資源問(wèn)題的治理需求，有效應(yīng)對(duì)生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和人口的變化，實(shí)現(xiàn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展[3]。

中國(guó)是世界第一人口大國(guó)，保障糧食安全在中國(guó)具有其特殊的戰(zhàn)略地位。農(nóng)業(yè)是保障糧食安全的支柱產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也是淡水資源的最大消費(fèi)者和能源安全的重要影響者[4]。在農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)中，水和能源是糧食生產(chǎn)的關(guān)鍵投入[5]。農(nóng)作物的灌溉、生長(zhǎng)和加工需要消耗大量的水資源，農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)行、農(nóng)藥化肥的使用也會(huì)直接或間接地使用大量能源。然而，水資源及能源的短缺正是我國(guó)許多糧食主產(chǎn)區(qū)面臨的現(xiàn)實(shí)困境，也是提高糧食產(chǎn)量的最大阻礙。因此，如何優(yōu)化資源配置并實(shí)現(xiàn)糧食生產(chǎn)目標(biāo)是保障我國(guó)糧食安全的關(guān)鍵。有研究表明，種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化是解決資源短缺與糧食生產(chǎn)矛盾的有效方法，如：武雪萍[6]、高明杰[7]、鄧靈稚[8]等以作物總產(chǎn)量和灌溉耗水量為目標(biāo)，做了種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究；黃麗麗[9]等以作物產(chǎn)量和生態(tài)效益為目標(biāo)，采用兩相模糊多目標(biāo)模型求取了大連作物種植結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解；侯慶豐[10]、李嘯虎[11]等打破了灌溉用水的限制，從作物水足跡的角度研究了區(qū)域的種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。綜上所述，種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化有助于提高資源利用效率，解決區(qū)域資源短缺與糧食生產(chǎn)的矛盾，但現(xiàn)有的研究大都考慮水資源約束下的種植結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，較少關(guān)注能源投入對(duì)糧食生產(chǎn)的影響以及水—能源—糧食關(guān)聯(lián)關(guān)系下的糧食安全。

吉林省連續(xù)多年糧食商品率和人均糧食占有量居全國(guó)首位[12]，是我國(guó)重要的糧食主產(chǎn)區(qū)和商品糧基地之一，也是保障國(guó)家糧食安全的關(guān)鍵區(qū)域。但吉林省生態(tài)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題日益突出，水土資源污染加劇，耕地生態(tài)安全面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。文章以吉林省為例，解析農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)中水、能源和糧食的關(guān)聯(lián)關(guān)系，研究吉林省的糧食種植結(jié)構(gòu)問(wèn)題，對(duì)保障國(guó)家糧食安全和生態(tài)安全具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究框架與研究區(qū)概況

1.1 水—能—糧關(guān)聯(lián)關(guān)系及種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究框架

在WEF-Nexus系統(tǒng)中，水資源、能源和糧食是系統(tǒng)核心要素，三者相互關(guān)聯(lián)，水資源和能源是糧食生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)資源，糧食生產(chǎn)過(guò)程需要消耗大量水資源，種植過(guò)程中施用的農(nóng)藥化肥還會(huì)造成水污染，且農(nóng)業(yè)機(jī)械及農(nóng)藥化肥的使用會(huì)直接或間接消耗能源，此外，糧食生產(chǎn)過(guò)程中的農(nóng)林廢棄物可生產(chǎn)生物質(zhì)燃料。氣候變化、人口增長(zhǎng)、農(nóng)業(yè)政策、經(jīng)濟(jì)水平、生態(tài)保護(hù)等多種外部要素，通過(guò)激勵(lì)或約束作用改變水能資源的配置、糧食生產(chǎn)及需求。對(duì)于區(qū)域而言，種植結(jié)構(gòu)決定著農(nóng)作物的種植面積，同時(shí)影響著水能資源的利用效率及農(nóng)作物的總產(chǎn)量。該研究預(yù)期通過(guò)優(yōu)化農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)，提高有限資源的使用效率，實(shí)現(xiàn)區(qū)域糧食生產(chǎn)目標(biāo)，從而保障國(guó)家糧食安全。研究思路及框架如圖1。

圖1 基于WEF-Nexus的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究框架

（1）核算農(nóng)作物耗水：該文采用水足跡法[13]核算農(nóng)作物耗水，分為藍(lán)水足跡、綠水足跡和灰水足跡，不僅可以充分表達(dá)作物種植對(duì)水資源的消耗及污染，還能反映出氣候、種植條件等要素對(duì)農(nóng)作物耗水的影響，刻畫(huà)出WEF關(guān)聯(lián)關(guān)系中水資源、糧食及外部環(huán)境之間的交互關(guān)系。

（2）核算農(nóng)作物耗能：農(nóng)作物種植的能源消耗包括農(nóng)業(yè)機(jī)械直接耗能和化肥農(nóng)藥間接耗能，為統(tǒng)一不同能源的核算標(biāo)準(zhǔn)，該文采用能耗系數(shù)將各項(xiàng)能源消耗統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為熱值。

（3）種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化：農(nóng)作物種植一方面要滿足人類的生活需要，另一方面又希望造成資源損耗和環(huán)境污染最小，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益雙贏。種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化不僅受到當(dāng)?shù)厮?、能、土地資源的約束，也受到社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境及政策條件的限制。多目標(biāo)規(guī)劃模型可以很好量化多約束條件下的多目標(biāo)決策問(wèn)題，因此，該文擬采用多目標(biāo)規(guī)劃模型給出種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

1.2 研究區(qū)概況

吉林省位于中國(guó)東北中部地區(qū)，是世界上著名的三大黑土分布地之一，總面積1 874萬(wàn)hm2。2018年吉林省耕地面積為698.87萬(wàn)hm2，占全省土地總面積的37.3%，其耕種以糧食作物為主，經(jīng)濟(jì)作物為輔，糧經(jīng)作物種植比例約為9∶1。糧食作物主要包括水稻、小麥、玉米、大豆和馬鈴薯，約占糧食作物種植面積的95%，經(jīng)濟(jì)作物包括花生、烤煙和甜菜，約占經(jīng)濟(jì)作物種植面積的60%。

吉林省多年平均水資源總量為398.85億m3，其中地表水資源量平均為344.16億m3，地下水資源量平均為123.66億m3，人均水資源量約1 500m3，僅占全國(guó)平均水平的2∕3，世界平均水平的1∕5，屬中度缺水地區(qū)[14]。農(nóng)業(yè)一直是吉林省最大的用水部門，2019年農(nóng)業(yè)用水量占到了全省總用水量的70.6%。此外，吉林省的農(nóng)業(yè)機(jī)械化已發(fā)展多年，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平逐年提高，對(duì)能源的需求量也日益增加。水資源和能源供給已經(jīng)成為了影響吉林省糧食生產(chǎn)的重要因素。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 農(nóng)作物的水足跡核算模型

2002年Hoekstra等受到虛擬水理論的啟發(fā)，提出了水足跡的概念[15]。產(chǎn)品水足跡指供應(yīng)鏈中所有過(guò)程水的消耗和污染，包括藍(lán)水足跡、綠水足跡和灰水足跡。對(duì)于農(nóng)作物而言，藍(lán)水足跡指作物生長(zhǎng)過(guò)程中消耗的地表和地下水，綠水足跡指作物吸收利用的有效降雨量，灰水足跡指稀釋農(nóng)藥化肥等污染物的水量[16]，綜上，農(nóng)作物的水足跡可以表示為：

式（1）中，WF表示農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中的總水足跡（m3），WFblue、WFgreen、WFgrey分別表示農(nóng)作物的藍(lán)水、綠水、灰水足跡（m3）。

農(nóng)作物的藍(lán)水和綠水足跡是通過(guò)累積整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)的日蒸散量來(lái)計(jì)算，通常使用的模型是聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織FAO-56提供的Cropwat模型[17,18]，該模型提供作物需水量法和灌溉制度法兩種核算方案，該文采用作物需水量法進(jìn)行計(jì)算，農(nóng)作物藍(lán)水和綠水足跡可表示為：

式（2）（3）中，ETc表示單位面積農(nóng)作物的蒸發(fā)蒸騰水量（mm），以標(biāo)準(zhǔn)彭曼公式計(jì)算；其中涉及的作物生育期和作物系數(shù)，均參考FAO推薦的作物系數(shù)表，該表給出了84種作物在不同生長(zhǎng)環(huán)境條件下的參數(shù)，該文結(jié)合吉林省相關(guān)農(nóng)業(yè)政策及作物生長(zhǎng)實(shí)際環(huán)境條件，確定最終參數(shù)代入計(jì)算，Peff表示有效降雨量（mm）；n表示農(nóng)作物全生育期天數(shù)，d=1，2，3，…；A表示農(nóng)作物的種植面積（hm2），ETc和Peff使用Cropwat8.0軟件輔助計(jì)算。

農(nóng)作物灰水足跡主要核算生長(zhǎng)過(guò)程中的化肥、農(nóng)藥所造成的水資源污染量，可用式（4）進(jìn)行計(jì)算。

式（4）中，a表示淋溶率，即進(jìn)入水體污染量占總化學(xué)物質(zhì)施用量的比例；AR表示農(nóng)作物單位面積的化肥施用量（kg∕hm2）；cmax表示最大環(huán)境容許污染物濃度（kg∕m3）；cnat表示污染物的自然本底濃度（kg∕m3），一般默認(rèn)為0[19]。該研究中污染物僅考慮氮肥污染。

2.2 農(nóng)作物的能源消耗核算模型

農(nóng)作物的能源使用量定義為農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中所消耗的全部能源，可分為直接能源和間接能源[20]。直接能源指農(nóng)作物生產(chǎn)過(guò)程中使用的燃料和電力，間接能源指農(nóng)藥、化肥和農(nóng)業(yè)機(jī)械等中間投入所包含的能源[21]。該文采用能耗系數(shù)（單位能源投入的熱值當(dāng)量）統(tǒng)一核算農(nóng)作物的能源消耗量，則各項(xiàng)能源投入的消耗表示為投入量（I）與相應(yīng)能耗系數(shù)（N）的乘積。

農(nóng)作物種植過(guò)程中，燃料的主要用途是為農(nóng)業(yè)機(jī)械提供動(dòng)力來(lái)源，包括汽油、柴油、天然氣、燃料油等，電力主要用于農(nóng)業(yè)灌溉[22]，化肥主要包括氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥。各項(xiàng)能源投入的消耗計(jì)算為：

式（6）至（9）中，Efuel、Eelec、Epest、Efert表示農(nóng)作物單位種植面積的燃料、電力、農(nóng)藥、化肥能耗（kJ∕hm2）；F1、F2、F3分別表示燃料、電力、農(nóng)藥費(fèi)用；P1、P2、P3分別表示燃料、電力、農(nóng)藥單位價(jià)格；N1、N2、N3、N4分別表示燃料、電力、農(nóng)藥、化肥的能耗系數(shù)；f1、f2、f3、f4、f5分別表示農(nóng)作物的單位面積燃料動(dòng)力費(fèi)、機(jī)械作業(yè)費(fèi)、排灌費(fèi)、水費(fèi)、農(nóng)藥費(fèi)，b表示購(gòu)買燃料動(dòng)力費(fèi)在機(jī)械作業(yè)費(fèi)中的比重，按照40%計(jì)算[23]；Q4表示單位面積化肥用量（kg∕hm2）。

農(nóng)作物能源消耗總量為：

式（10）中，EU表示農(nóng)作物的能源消耗總量；Etot表示農(nóng)作物單位種植面積的總能源消耗；A表示農(nóng)作物的種植面積。

2.3 多目標(biāo)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化是在有限資源約束下通過(guò)調(diào)整農(nóng)作物的種植面積，優(yōu)化資源配置，從而實(shí)現(xiàn)糧食生產(chǎn)目標(biāo)，保障國(guó)家糧食安全的有效手段。該研究以經(jīng)濟(jì)效益最大及化肥施用量最小為目標(biāo)，以水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯、花生、烤煙、甜菜8種作物的種植面積xi(i=1，2，3，…，8)為決策變量，構(gòu)建種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。

2.3.1 目標(biāo)函數(shù)

對(duì)于國(guó)家而言，糧食生產(chǎn)的主要目標(biāo)是保障國(guó)家糧食安全，但對(duì)于區(qū)域或個(gè)人而言，還需要實(shí)現(xiàn)可觀的經(jīng)濟(jì)收益，因此該文設(shè)定的第一個(gè)目標(biāo)為經(jīng)濟(jì)效益最大化。

農(nóng)作物生產(chǎn)過(guò)程會(huì)施用化肥或農(nóng)藥，對(duì)環(huán)境造成污染，其施用量可以在一定程度上表達(dá)出作物種植對(duì)環(huán)境的影響，該文以化肥施用量最小反映生態(tài)效益。

2.3.2 約束條件

而陸游基本上屬于主觀型或情緒化的詩(shī)人，創(chuàng)作時(shí)的心境或情緒決定他作品的情調(diào)，因此他的喜怒哀樂(lè)等各種情緒，都直白且外露地表現(xiàn)在他所有的作品里。他的梁益地域文化書(shū)寫(xiě)也不例外。陸游在梁益地區(qū)生活時(shí)創(chuàng)作的詩(shī)歌主調(diào)是哀怨憂憤，主要是因?yàn)樗@一時(shí)期的情緒一直比較消沉悲觀。

種植結(jié)構(gòu)受到自然資源、社會(huì)需求、國(guó)家政策等多方面的約束，該文綜合考慮水資源、土地、能源、糧食、政策條件等因素，設(shè)定以下約束條件。

第一步，土地資源約束。伴隨工業(yè)化、城市化發(fā)展，區(qū)域耕地面積面臨嚴(yán)峻威脅，本著嚴(yán)格保護(hù)耕地的原則，規(guī)劃期的耕地面積不應(yīng)該小于基期，各類農(nóng)作物種植面積綜合不應(yīng)大于規(guī)劃期耕地總面積。根據(jù)《吉林省人民政府關(guān)于2018年度耕地保護(hù)目標(biāo)責(zé)任制考核情況的通報(bào)》（吉政函〔2019〕75號(hào)），2018年吉林省的耕地總面積為698.87萬(wàn)hm2。

第二步，水、能源資源約束。種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是在既定目標(biāo)下對(duì)有限資源的高效配置，因此在不增加資源消耗的情況下實(shí)現(xiàn)規(guī)劃期糧食生產(chǎn)目標(biāo)需設(shè)定優(yōu)化后規(guī)劃期的資源消耗量不大于基期消耗量。

第三步，糧食安全約束。糧食主產(chǎn)區(qū)產(chǎn)糧不僅需要滿足當(dāng)?shù)氐募Z食需求，還需要實(shí)現(xiàn)國(guó)家既定的糧食生產(chǎn)目標(biāo)，為國(guó)家糧食安全負(fù)責(zé)，因此規(guī)劃期糧食生產(chǎn)總量至少要達(dá)到該期糧食生產(chǎn)的最低要求。根據(jù)《吉林省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化總體規(guī)劃（2016—2025年）》要求，2025年吉林省糧食的最低要求量為3 750萬(wàn)t。

第四步，政策約束。為適應(yīng)區(qū)域的資源稟賦和發(fā)展目標(biāo)，其農(nóng)作物種植需滿足國(guó)家或區(qū)域多種政策規(guī)劃的約束。根據(jù)《吉林省農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（2016—2030年）》及《吉林省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化總體規(guī)劃（2016—2025年）》，到2025年應(yīng)調(diào)減玉米53.34萬(wàn)hm2（800萬(wàn)畝)，大豆、水稻種植面積增加6.14萬(wàn)hm2(92.03萬(wàn)畝）。此外，依據(jù)《2015年農(nóng)業(yè)部發(fā)布的關(guān)于“鐮刀彎”地區(qū)玉米結(jié)構(gòu)調(diào)整的指導(dǎo)意見(jiàn)》，要依據(jù)當(dāng)?shù)貤l件重點(diǎn)調(diào)減玉米種植面積，適宜開(kāi)發(fā)雜糧雜豆和油料作物，且糧食作物總體產(chǎn)量不應(yīng)減少。

第五步，生物質(zhì)能約束。生物質(zhì)能是糧食附產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為能源的重要表現(xiàn)形式。農(nóng)業(yè)種植中的生物質(zhì)能主要來(lái)自于秸稈資源，而水稻、玉米、大豆、油料和甜菜是農(nóng)作物秸稈的主要來(lái)源。秸稈資源產(chǎn)量可用農(nóng)作物產(chǎn)量及草谷比系數(shù)進(jìn)行核算[24]。根據(jù)《吉林省保護(hù)性耕作推進(jìn)行動(dòng)方案（2020-2025）》，針對(duì)玉米、大豆等作物大力推廣秸稈覆蓋還田保護(hù)性耕作技術(shù)，秸稈還田將成為未來(lái)大量消耗秸稈資源的一個(gè)重要途徑，因此，該文中秸稈轉(zhuǎn)化生物質(zhì)能僅需滿足政策最低要求，依據(jù)《吉林省秸稈綜合利用中長(zhǎng)期規(guī)劃（2016-2025）》，2025年吉林省秸稈資源折算標(biāo)煤最低要求量為670萬(wàn)t。

上述模型涉及的參數(shù)含義如表1所示。

表1 多目標(biāo)優(yōu)化模型中的參數(shù)含義

2.4 數(shù)據(jù)來(lái)源

該文以2018年為基期，2025年為規(guī)劃期對(duì)吉林省開(kāi)展實(shí)證研究。研究數(shù)據(jù)主要來(lái)自統(tǒng)計(jì)年鑒、官方推薦或參考文獻(xiàn) （表2）。由于該研究涉及到的變量復(fù)雜繁多，在進(jìn)行了大量文獻(xiàn)研究和數(shù)據(jù)梳理后，對(duì)個(gè)別計(jì)算進(jìn)行了簡(jiǎn)化。如：水足跡模型中，灰水足跡核算僅考慮氮肥污染，氮肥的淋溶率取10%[25]；能量核算中，對(duì)于燃料的核算僅考慮柴油[26]。此外，各類農(nóng)作物的單位面積產(chǎn)量根據(jù)歷史數(shù)據(jù)采用二次指數(shù)平滑法進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表2 數(shù)據(jù)來(lái)源說(shuō)明

3 結(jié)果與分析

3.1 吉林省主要農(nóng)作物水足跡分析

根據(jù)水足跡計(jì)算結(jié)果，2004—2008年吉林省主要農(nóng)作物的單產(chǎn)水足跡變化如圖2所示。比較多年均值可以發(fā)現(xiàn)各類農(nóng)作物單產(chǎn)水足跡存在較大差異，其中小麥的單產(chǎn)水足跡均值達(dá)到1 529.03m3∕t，屬極高耗水作物；花生、大豆和烤煙的單產(chǎn)水足跡均值在1 000～1 300m3∕t，屬高耗水作物；馬鈴薯、玉米和水稻的單產(chǎn)水足跡均值在700～900m3∕t，屬中耗水作物；甜菜的單產(chǎn)水足跡均值為181.98m3∕t，屬低耗水作物。就單產(chǎn)水足跡年際變化而言，甜菜、玉米和烤煙的變化幅度較?。换ㄉ涂緹煹淖兓壬源?，且有異常點(diǎn)出現(xiàn)，原因是當(dāng)年該作物的單位面積產(chǎn)量明顯下降，而水消耗總量并未明顯減少；馬鈴薯、大豆和小麥的變化幅度較大，其中2005—2009年馬鈴薯單產(chǎn)水足跡幾近其他年份的2～3倍，主要是由于此期間馬鈴薯的種植面積較大但種植水平較低，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，單產(chǎn)耗水量較大，2005—2007年大豆單產(chǎn)水足跡均小于900m3∕t，遠(yuǎn)低于其他年份，原因是此期間的種植規(guī)模較大，存在規(guī)模效應(yīng)，小麥的單產(chǎn)水足跡波動(dòng)明顯且均勻，但總體上種植規(guī)模較大的年份單產(chǎn)水足跡相對(duì)較小。

圖2 2004—2018年吉林省主要農(nóng)作物單產(chǎn)水足跡箱線圖

水稻和玉米是吉林省種植面積最大的兩種農(nóng)作物，就單產(chǎn)水足跡而言均屬于中耗水作物，但兩者的水足跡結(jié)構(gòu)卻有明顯區(qū)別。如圖3所示，水稻的水足跡構(gòu)成以藍(lán)水和綠水為主，除個(gè)別年份外藍(lán)水足跡占比均在40%左右，說(shuō)明水稻對(duì)灌溉用水的依賴程度較高，給區(qū)域可用水資源帶來(lái)的壓力較大。玉米的水足跡構(gòu)成則以綠水為主，其藍(lán)水足跡波動(dòng)主要受當(dāng)年降雨量的影響，總體而言人工灌溉壓力較小。兩者的灰水足跡占比均不大，但對(duì)于中度缺水地區(qū)而言仍不可忽視其帶來(lái)的水資源污染。

圖3 2004—2018年水稻和玉米單產(chǎn)水足跡結(jié)構(gòu)

總水足跡計(jì)算結(jié)果如圖4所示，2004—2018年吉林省主要農(nóng)作物總水足跡呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，從233.4億m3增長(zhǎng)到300.8億m3。其中，玉米和水稻的水足跡占據(jù)了總水足跡的80%以上，是吉林省農(nóng)作物水足跡的主要貢獻(xiàn)者。就年際變化而言，玉米、水稻和花生的水足跡呈現(xiàn)一定的上升趨勢(shì)，其余農(nóng)作物的水足跡波動(dòng)下降，其變化規(guī)律與相應(yīng)作物的種植面積變化規(guī)律基本一致，因此，調(diào)整作物種植面積對(duì)區(qū)域的水資源配置具有重要作用。

圖4 2004—2018年吉林省主要農(nóng)作物水足跡

3.2 吉林省主要農(nóng)作物能源消耗分析

根據(jù)能耗計(jì)算結(jié)果，2004—2008年吉林省主要農(nóng)作物的單產(chǎn)能耗變化如圖5所示。其中烤煙的單產(chǎn)能耗均值達(dá)到16.32GJ∕t，遠(yuǎn)高于其他作物，屬極高耗能作物；小麥的單產(chǎn)能耗均值為5.93 GJ∕t，屬高耗能作物；馬鈴薯、大豆、花生、水稻和玉米的單產(chǎn)能耗均值在1～5GJ∕t，屬中耗能作物；甜菜的單產(chǎn)能耗均值低于1GJ∕t，屬低耗能作物。就單產(chǎn)能耗的年際變化而言，烤煙的變化幅度最大，且明顯波動(dòng)主要出現(xiàn)在2007年前，原因是吉林省的烤煙在2007年后開(kāi)始逐步提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平并推進(jìn)規(guī)模種植，雖增加了耗能但能源使用效率卻更高，單產(chǎn)能耗也趨于穩(wěn)定；大豆和小麥變化幅度稍大，但其波動(dòng)規(guī)律在很大程度上受到種植規(guī)模的影響，規(guī)模越大單產(chǎn)能耗越??；其余作物的總體變化幅度均較小，但甜菜和馬鈴薯有異常點(diǎn)出現(xiàn)，原因是在當(dāng)年該作物的種植面積有明顯變化，使得原有種植水平與規(guī)模不相匹配，單產(chǎn)能耗陡增。

圖5 2004—2018年吉林省主要農(nóng)作物單產(chǎn)能耗箱線圖

剖析各類農(nóng)作物的能耗結(jié)構(gòu)，如表3所示，發(fā)現(xiàn)烤煙的能源消耗以柴油為主，其次是化肥和農(nóng)藥，電力的消耗相對(duì)較少。柴油的消耗主要是農(nóng)藥機(jī)械化水平的提高所導(dǎo)致，只有適當(dāng)擴(kuò)大種植規(guī)模才能充分發(fā)揮機(jī)械化優(yōu)勢(shì)，提高能源效率。受到種植土地類型和種植規(guī)模的影響，玉米、大豆、馬鈴薯和花生的主要能耗為化肥。水稻、小麥和甜菜的主要能耗是電力，其原因是這3類作物對(duì)藍(lán)水的需求較大，需通過(guò)電力灌溉來(lái)滿足。

表3 2004—2018年吉林省農(nóng)作物生產(chǎn)能耗均值結(jié)構(gòu) %

總能耗計(jì)算結(jié)果如圖6所示，2004—2018年吉林省主要農(nóng)作物總能耗呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，從4 411.3萬(wàn)GJ增長(zhǎng)到9 305萬(wàn)GJ。其中，由于種植面積的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，玉米和水稻仍是所有作物中能源消耗的主要貢獻(xiàn)者。就年際變化而言，玉米、水稻和花生的總能耗波動(dòng)上升，而其他農(nóng)作物變化略有下降，此規(guī)律與水足跡變化幾乎一致，說(shuō)明作物種植面積變化對(duì)其總能耗和總水足跡具有重要影響。

圖6 2004—2018年吉林省主要農(nóng)作物能源消耗

3.3 吉林省種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

該文采用模糊多目標(biāo)規(guī)劃法，引入隸屬度函數(shù)將多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)進(jìn)行求解。轉(zhuǎn)化時(shí)將兩個(gè)目標(biāo)同等看待，因此模糊目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)均取1∕2，此外，伸縮性指標(biāo)采用相應(yīng)目標(biāo)函數(shù)的極差表示，求解所得的優(yōu)化結(jié)果如表4所示。

表4 吉林省農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化結(jié)果顯示，規(guī)劃期吉林省主要農(nóng)作物的種植面積及比例均一定程度的變化。就總種植面積而言，基期種植總面積為564.75萬(wàn)hm2，優(yōu)化后略有增加，變?yōu)?77.86萬(wàn)hm2。比較各類作物的變化幅度，可以發(fā)現(xiàn)玉米和水稻的變化幅度最大，玉米種植面積減少54.71萬(wàn)hm2，比例下降了11.17%，水稻種植面積增加42.35萬(wàn)hm2，比例上升了6.99%；馬鈴薯和甜菜作為典型的低耗水低耗能作物，其種植面積及比例也有比較明顯的增加，其中馬鈴薯種植面積增加13.77萬(wàn)hm2，比例上升了2.37%，甜菜種植面積增加5.68萬(wàn)hm2，比例上升了0.98%；大豆和花生作為中等消耗作物，其變化幅度較小，種植面積分別增加2.48萬(wàn)hm2和3.51萬(wàn)hm2，比例分別上升了0.32%和0.51%；小麥和烤煙作為典型的高耗水高耗能作物，其種植面積及比例基本維持穩(wěn)定?？傮w而言，優(yōu)化后的糧食作物種植面積增加3.89萬(wàn)hm2，增長(zhǎng)率僅為0.72%，而經(jīng)濟(jì)作物種植面積增加9.22萬(wàn)hm2，增長(zhǎng)率達(dá)到了36.64%，優(yōu)化結(jié)果基本滿足《吉林省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化總體規(guī)劃（2016—2025年）》中提到的穩(wěn)糧優(yōu)經(jīng)，調(diào)減玉米種植面積，積極發(fā)展其他農(nóng)作物，實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展的要求。

種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是優(yōu)化資源配置，保障糧食安全，同時(shí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)效益，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，規(guī)劃期的各類效益如表5所示。

表5 吉林省種植業(yè)規(guī)劃期與基期效益對(duì)比

種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，吉林省種植業(yè)的效益均有明顯提升。總經(jīng)濟(jì)效益從143.57億元增長(zhǎng)到192.94億元，增加了34.38%；化肥施用量從206.42萬(wàn)t降低到167.84萬(wàn)t，減少了18.69%；糧食單產(chǎn)能力從6.71t∕hm2增長(zhǎng)為6.97t∕hm2，糧食總產(chǎn)量增加了191.11萬(wàn)t；水足跡減少了15.12億m3，能源消耗減少了555萬(wàn)GJ，單位水資源帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益從0.4元∕m3增長(zhǎng)到0.64元∕m3，單位能耗帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益從15.43元∕萬(wàn)MJ增長(zhǎng)到22.05元∕萬(wàn)MJ，資源利用效率明顯提高；可利用秸稈資源從1 254萬(wàn)t增長(zhǎng)到1 581.9萬(wàn)t，生物質(zhì)能產(chǎn)量增加26.14%。綜上，優(yōu)化后的種植結(jié)構(gòu)既能滿足吉林省的各項(xiàng)政策規(guī)劃要求，又能實(shí)現(xiàn)資源的有效利用，減輕區(qū)域的水能資源壓力，促進(jìn)農(nóng)業(yè)種植中水、能源和土地的合理配置，協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

該文以水—能—糧關(guān)聯(lián)關(guān)系為研究視角，對(duì)吉林省主要農(nóng)作物的水資源和能源消耗情況進(jìn)行了剖析，并構(gòu)建了區(qū)域農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化模型，得出以下結(jié)論。

（1）根據(jù)8種農(nóng)作物的水足跡和能耗計(jì)算結(jié)果，小麥和烤煙屬于高耗水高耗能作物，花生和大豆屬于高耗水中耗能作物，馬鈴薯、水稻和玉米屬于中耗水中耗能作物，甜菜屬于低耗水低耗能作物。此外，各類作物的水足跡及能耗結(jié)構(gòu)存在明顯差異。水稻是典型的藍(lán)水消耗型作物，而玉米是典型的綠水消耗型作物。對(duì)于能耗結(jié)構(gòu)，玉米、大豆、馬鈴薯和花生的主要能耗為化肥，水稻、小麥和甜菜的主要能耗是電力，烤煙的主要能耗是柴油。

（2）種植面積是影響作物水能資源消耗總量變化的重要因素，兩者基本呈正相關(guān)。隨著種植技術(shù)的進(jìn)步和種植條件的改善，多數(shù)農(nóng)作物的水能資源利用效率均有提高。在種植技術(shù)與作物規(guī)模相適應(yīng)的情況下，大豆和小麥的水能資源利用效率存在明顯的規(guī)模效應(yīng)。

（3）優(yōu)化后的種植結(jié)構(gòu)方案玉米種植面積比例明顯下降，水稻、馬鈴薯和甜菜的種植比例顯著提高，完全符合吉林省穩(wěn)糧優(yōu)經(jīng)，重點(diǎn)調(diào)減玉米種植面積的要求。在效益方面，優(yōu)化后的種植結(jié)構(gòu)可減小水足跡5.02%，減少能耗5.96%，生物質(zhì)能增長(zhǎng)26.14%，糧食產(chǎn)量增長(zhǎng)5.27%，經(jīng)濟(jì)效益提高34.38%，生態(tài)效益提高18.69%，整體方案具有趨于低耗能、低耗水、高收益、耕地規(guī)模穩(wěn)定的特點(diǎn)。

4.2 建議

吉林省是農(nóng)業(yè)大省，擔(dān)有保障國(guó)家糧食安全的重要使命，但吉林省自身的水能資源并不豐富，農(nóng)村生態(tài)環(huán)境也亟待改善。在鄉(xiāng)村振興與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的大背景下，如何權(quán)衡土地生態(tài)環(huán)境與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益是區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，鑒于此提出以下建議。

（1）通過(guò)劃定玉米、水稻、馬鈴薯糧食生產(chǎn)功能區(qū)和大豆、花生等重要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)保護(hù)區(qū)保障各類作物的基本供給要求，根據(jù)區(qū)域資源稟賦特點(diǎn)建設(shè)特色農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)區(qū)，科學(xué)規(guī)劃土地資源，構(gòu)建生態(tài)適應(yīng)型種植結(jié)構(gòu)。

（2）明確區(qū)域農(nóng)業(yè)種植的節(jié)能節(jié)水指標(biāo)及化肥農(nóng)藥的防治紅線，建立健全農(nóng)業(yè)水資源與能源的管控體系，持續(xù)推進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新和種植技術(shù)改進(jìn)，促進(jìn)種植技術(shù)與種植規(guī)模相適應(yīng)，充分發(fā)揮種植規(guī)模效益。

（3）建立以綠色生態(tài)為導(dǎo)向的農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼政策體系，加強(qiáng)對(duì)農(nóng)民的種植技術(shù)培訓(xùn)和政策宣傳，引導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民優(yōu)先發(fā)展低耗水、低耗能、低污染、高收益作物，降低種植結(jié)構(gòu)調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)。