張鵬飛，肖夢琳，張兆瑞，戴燕燕，韓順莉，劉 庚，趙景波

（1.太原師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院，山西晉中 030619；2.太原師范學(xué)院碳中和研究院，山西晉中 030619；3.陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，西安 710119；4.中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710061）

0 引言

水安全、能源安全、糧食安全是人類生存和發(fā)展的重要保障，但由于氣候的變化、人口的快速增長、城市化進(jìn)程的加快及社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，嚴(yán)重威脅著水、能源和糧食的供給安全[1,2]。有研究表明食物生產(chǎn)占全球30%的能源消耗和70%以上的淡水消耗[3]。同時，2015年前后的研究預(yù)測，到2030年全球的食物需求增加50%，能源需求增加40%，水需求增加30%[4,5]。這將嚴(yán)重威脅水資源、能源和糧食的安全[6]。因此，人類必須建立基于水資源、能源和糧食的可持續(xù)管理模式。

2011年波恩的水—能源—糧食（WEF）紐帶關(guān)系會議，首次將水資源、能源和糧食3者組成的安全協(xié)同關(guān)系稱為“紐帶”（WEF—Nexus）[7]。該紐帶的核心在于綜合考慮水資源、能源和糧食3者之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來模擬不同條件下的配水量、能源消耗量以及可收獲的利益，最終得到滿足約束條件的最優(yōu)解[8,9]。

我國人口眾多，存在水土資源稟賦短缺的基本矛盾，保障糧食安全具有特殊的戰(zhàn)略地位，該矛盾在山西省顯得尤為突出。山西省水資源總量居全國省級行政區(qū)后三位，人均水資源量為317.9 m3，僅占全國人均水資源量的15.3%，遠(yuǎn)低于聯(lián)合國嚴(yán)重缺水界限(500 m3)[10]。山西省糧食產(chǎn)量和種植面積一直處于全國較低水平，雖在近年來提高了科技水平和政策扶持，但2018年的糧食產(chǎn)值和種植面積分別只占到全國的2.1%和2.68%，且全省口糧自給率為92.8%，仍與95%的標(biāo)準(zhǔn)有一定的差距[11]。另外，山西省水資源嚴(yán)重短缺，水土流失面積占全省土地面積的69%，地表水重度污染斷面比例為32%。全省11個地市中除太原市外皆為資源型城市。同時山西地處生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，耕地資源少且極易受到破壞。基于山西省水資源、環(huán)境及農(nóng)業(yè)資源等現(xiàn)狀，深入剖析山西省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中水、能源和糧食的關(guān)聯(lián)關(guān)系，研究山西省在糧食生產(chǎn)中的現(xiàn)狀與問題，為山西省農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

目前關(guān)于水—能源—糧食紐帶關(guān)系的研究多集中在對全國或流域的水—能—糧關(guān)聯(lián)關(guān)系的分析和關(guān)聯(lián)框架的研究，研究方法主要以定量為主[12]。趙良仕等[13]構(gòu)建了黃河流域地級市水－能源－糧食系統(tǒng)綜合評價框架，分析了水－能源－糧食系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平及空間關(guān)聯(lián)特征。周露明等[14]基于江蘇省2010-2016年的數(shù)據(jù)，利用生命周期理論與灰色預(yù)測模型模擬了2017-2020年各產(chǎn)業(yè)部門的水資源、能源和糧食滿足度及全社會資源自給率。本文則主要利用水足跡和能源消耗核算模型分析山西省主要農(nóng)作物的耗水及耗能特點(diǎn)，以水資源、能源、糧食等作為約束條件構(gòu)建多目標(biāo)規(guī)劃模型，對主要農(nóng)作物的種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并對未來的種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 水足跡核算模型

Hoekstra等[15]在2002年提出了水足跡的概念。水足跡是指生產(chǎn)過程中所消耗的水資源總量，包括藍(lán)水、綠水和灰水足跡[16]。基于虛擬水理論方法的水足跡模型可以真實(shí)地反映水資源的需求和消耗情況，為模擬農(nóng)業(yè)用水量提供了一種新方法[17]。對于農(nóng)作物而言，藍(lán)水足跡指農(nóng)作物灌溉用水，即作物生長過程中消耗的地表和地下水；綠水足跡指作物吸收的有效降水；灰水足跡指稀釋農(nóng)藥化肥等污染物所消耗的水資源量[18-20]。農(nóng)作物水足跡計算方法具體如下：

式中：WFc為農(nóng)作物水足跡，m3；WFc-blue為農(nóng)作物藍(lán)水足跡，m3；WFc-green為農(nóng)作物綠水足跡，m3；WFc-grey為農(nóng)作物灰水足跡，m3。

本研究采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織FAO-56提供的Cropwat模型，利用作物蒸發(fā)蒸騰需水量計算農(nóng)作物的藍(lán)水足跡和綠水足跡，灰水足跡則主要計算作物生長過程中的化肥、農(nóng)藥造成的水資源污染量。具體計算公式如下：

式中：ETc表示單位面積農(nóng)作物需水量；Kc為作物生長發(fā)育期的作物系數(shù)，參考FAO推薦的84種作物系數(shù)表，F(xiàn)AO推薦了84種作物不同生長環(huán)境下的作物系數(shù)，結(jié)合山西省實(shí)際環(huán)境及栽培情況，選擇最終參數(shù)進(jìn)行計算；ET0為參考作物蒸散量，利用Penman-Monteith公式根據(jù)溫度、濕度、風(fēng)速和日照時數(shù)計算；Peff表示有效降水量；ETc和Peff利用Cropwat 8.0軟件輔助計算；A表示農(nóng)作物種植面積；n為農(nóng)作物全生育期天數(shù)；d=1，2，…，n；ɑ表示淋溶率，為進(jìn)入水中的污染量占總化學(xué)物質(zhì)投入量的比重，一般為10%[21]；AF表示單位面積內(nèi)農(nóng)作物的化肥施用量；cmax表示最大環(huán)境容許污染物濃度，本研究僅考慮氮肥污染，一般氮元素污染上限為10 mg/L[14]；cnat表示污染物的自然本底濃度，一般取0。

1.2 能耗核算模型

農(nóng)作物的能耗指的是農(nóng)作物生長過程中所消耗的全部能源消耗量，包括所使用的燃料、電力、農(nóng)藥、化肥和農(nóng)業(yè)機(jī)械等投入的所有能源。本文以能量形式進(jìn)行核算，能源消耗量（ECi）根據(jù)各個能源投入量（EIi）乘以相應(yīng)的能耗系數(shù)（Ni）得出[22]：

投入到農(nóng)業(yè)中的各能源及核算計算方法包括燃料、電力、化肥、農(nóng)藥、農(nóng)用機(jī)械和灌溉等。在農(nóng)業(yè)種植過程中，燃料主要包括天然氣、汽油、柴油、燃料油等，通過燃燒為農(nóng)業(yè)機(jī)械提供動力；在農(nóng)業(yè)中電力則主要用于灌溉；化肥包括氮、磷、鉀和復(fù)合肥，其中氮肥作為本研究中的主要能源消耗；在對農(nóng)藥核算時直接采用總農(nóng)藥使用量來計算；農(nóng)業(yè)機(jī)械和灌溉則包括機(jī)械作業(yè)和排灌動力能源等。各項(xiàng)能源投入的消耗計算如下：

式中：ECf、ECe、ECp、ECcf分別為農(nóng)作物單位種植面積的燃料、電力、農(nóng)藥、化肥能耗，kJ/hm2；Cf、Ce、Cp分別為燃料、電力、農(nóng)藥費(fèi)用；UAcf表示單位面積的化肥用量，kg/hm2；UPf、UPe、UPp分別為燃料、電力、農(nóng)藥的單位價格；Nf、Ne、Np、Ncf分別為燃料、電力、農(nóng)藥、化肥的能耗系數(shù)；UAf1、UAf2、UAe1、UAe2、UAp分別為單位面積燃料動力費(fèi)、機(jī)械作業(yè)費(fèi)、排灌費(fèi)、水費(fèi)、農(nóng)藥費(fèi)；b表示燃料動力費(fèi)在機(jī)械作業(yè)費(fèi)中的比重，一般取40%；EC表示農(nóng)作物能源消耗總量；A為農(nóng)作物種植面積。

1.3 種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以促進(jìn)資源的優(yōu)化配置，通過調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)以提高糧食生產(chǎn)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)最大目標(biāo)效益[23]。本文主要利用Lingo構(gòu)建多目標(biāo)規(guī)劃模型，進(jìn)行種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。

1.3.1 決策變量

決策變量考慮到農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)各種農(nóng)作物種植面積的合理比例與相對最佳生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益[24]，所以以山西省主要農(nóng)作物的種植面積為決策變量，包括小麥（x1）、玉米（x2）、谷子（x3）、大豆（x4）、油料（x5）、蔬菜（x6）。

1.3.2 目標(biāo)函數(shù)

本研究以經(jīng)濟(jì)效益最大化和生態(tài)效益最大化為目標(biāo)，其中生態(tài)效益最大化以化肥施用量最小衡量：

式中：F1(x)表示總經(jīng)濟(jì)效益，萬元；F2(x)表示總化肥施用量；Gi表示第i種作物單位面積收益，元/hm2；Ci表示第i種作物單位面積成本，元/hm2；Ei表示第i種作物單位面積化肥用量，kg/hm2；xi表示第i種作物規(guī)劃期種植面積，hm2。

1.3.3 約束條件

由于種植結(jié)構(gòu)受國家、社會、自然資源等多方條件約束，因此本研究綜合考慮土地、能源、水資源、糧食等因素，設(shè)定的約束條件如下。

（1）種植面積約束。由于山西省是以能源和重工業(yè)為主的基地，耕地后備資源不足，人地矛盾突出，因此要落實(shí)嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度，加強(qiáng)對耕地特別是基本農(nóng)田的保護(hù)，穩(wěn)定數(shù)量，提高質(zhì)量。規(guī)劃期的耕地面積不應(yīng)小于基準(zhǔn)期，各類農(nóng)作物種植面積之和不應(yīng)大于規(guī)劃期耕地總面積[20]（2018年山西省耕地總面積為480.4萬hm2）：

（2）水、能源約束。規(guī)劃期的資源消耗量應(yīng)不大于基準(zhǔn)期的資源消耗量：式中：WFci表示第i種作物規(guī)劃期水足跡；WFc0表示作物基準(zhǔn)期水足跡；ECi表示第i種作物規(guī)劃期能源消耗量；EC0表示作物基準(zhǔn)期能源消耗量。

（3）糧食約束。按照山西省委“四為四高兩同步”總體思路和要求，把確保糧食安全作為“三農(nóng)”工作的首要任務(wù)，把穩(wěn)定糧食生產(chǎn)作為農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的前提。規(guī)劃期糧食生產(chǎn)總量至少達(dá)到糧食生產(chǎn)的最低要求。根據(jù)《山西省人民政府關(guān)于印發(fā)山西省“十四五”農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化三大省級戰(zhàn)略、十大產(chǎn)業(yè)集群培育及鞏固拓展脫貧成果規(guī)劃的通知》，到2025年，糧食綜合生產(chǎn)能力穩(wěn)定在1 365萬t以上：

式中：Yi表示第i種作物規(guī)劃期單產(chǎn)，萬t/hm2。

（4）非負(fù)性。即：

1.4 數(shù)據(jù)來源

本文以2015年為基準(zhǔn)期，2020年為規(guī)劃期對山西省種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃，同時利用2020年統(tǒng)計數(shù)據(jù)對規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。基于2020年的驗(yàn)證結(jié)果對模型進(jìn)行優(yōu)化，并以2020年為基準(zhǔn)期，對2025年主要農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃。研究數(shù)據(jù)主要來自于官方文件及統(tǒng)計年鑒等，見表1。

表1 數(shù)據(jù)來源說明Tab.1 Description of the data source

2 結(jié)果與分析

2.1 山西省主要農(nóng)作物水足跡特征分析

山西省2010-2018年主要農(nóng)作物單產(chǎn)水足跡計算結(jié)果見圖1。由圖1可知山西省各類主要農(nóng)作物多年平均單產(chǎn)水足跡存在較大差異，其中大豆的單產(chǎn)水足跡均值達(dá)到8 023.7 m3/t，明顯高于該區(qū)其他農(nóng)作物，屬該區(qū)極高耗水作物；谷子和油料的單產(chǎn)水足跡分別為5 343.2 m3/t、5 428.7 m3/t，屬該區(qū)高耗水作物；小麥單產(chǎn)水足跡為4 332.7 m3/t，屬該區(qū)中等耗水作物；玉米單產(chǎn)水足跡為1 582.5 m3/t，屬該區(qū)低耗水作物；蔬菜單產(chǎn)水足跡為337.6 m3/t，顯著低于該區(qū)其他農(nóng)作物，屬該區(qū)極低耗水作物。

圖1 2010-2018年山西省主要農(nóng)作物單產(chǎn)水足跡Fig.1 Water footprint of major crops in Shanxi Province from 2010 to 2018

圖2顯示了各主要農(nóng)作物2010-2018年單產(chǎn)水足跡年際變化，結(jié)果表明小麥、玉米、油料和蔬菜的單產(chǎn)水足跡年際變化較小，但有異常點(diǎn)出現(xiàn)，大豆也存在異常點(diǎn)。小麥在2013年和油料在2015年，主要是由于2013年小麥和2015年油料的單位面積產(chǎn)量與其他年份相比明顯減少，而水消耗總量并沒有明顯變化。谷子和大豆的單產(chǎn)水足跡年際變化較大且隨年份的變化逐漸降低，最大年份是最小年份的2倍以上，主要是由于隨著近年來山西省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加速，谷子種植格局的優(yōu)化和產(chǎn)業(yè)化的形成，提高了谷子的種植水平和生產(chǎn)效率[26]，降低了單產(chǎn)耗水量。而近年來山西省大豆單產(chǎn)上升趨于停滯，與其他作物相比效益低下，種植規(guī)模逐年下降[27]?？傮w來講，種植規(guī)模較大的年份單產(chǎn)水足跡相對較大，且大豆單產(chǎn)較低，這主要是由于這些年份大豆價格的微漲，小農(nóng)種植的增加，降低了大豆種植的整體水平和生產(chǎn)效率[28]。小麥和玉米是山西省種植面積最大的2種農(nóng)作物，2010-2018年小麥和玉米年均種植面積分別占耕地總面積的21.2%和56.3%，且玉米種植面積有逐年增加的趨勢。就單產(chǎn)水足跡而言，小麥屬于中等耗水作物，而玉米屬于低耗水作物，但2者的水足跡結(jié)構(gòu)卻有明顯區(qū)別（見圖3）。小麥的水足跡構(gòu)成為藍(lán)水（62.3%）、灰水（26.3%）、綠水（11.4%），表明山西省小麥對灌溉水的依賴程度非常高，給區(qū)域水資源合理利用帶來較大的壓力。這主要由于山西省小麥種植以冬小麥為主，小麥生長需水期與山西省雨季不相匹配。玉米的水足跡構(gòu)成為藍(lán)水（40.7%）、灰水（40.2%）、綠水（19.1%），表明山西省玉米同樣主要依靠灌溉水，但降水對玉米的貢獻(xiàn)大于小麥，然而玉米的水足跡中灰水占比較大，接近于藍(lán)水，在嚴(yán)重缺水的山西省而言，玉米種植帶來的水資源污染不容忽視。谷子的水足跡構(gòu)成為藍(lán)水（36.5%）、灰水（41.8%）、綠水（21.7%），大豆的水足跡構(gòu)成為藍(lán)水（58.0%）、灰水（18.0%）、綠水（24.0%），油料的水足跡構(gòu)成為藍(lán)水（35.9%）、灰水（38.9%）、綠水（25.2%），蔬菜的水足跡構(gòu)成為藍(lán)水（44.1%）、灰水（44.9%）、綠水（11.0%）。以上4種農(nóng)作物水足跡構(gòu)成結(jié)果表明各農(nóng)作物對灌溉水的依賴程度相對較高，另外谷子、油料和蔬菜帶來的水資源污染也相對較嚴(yán)重。

圖2 2010-2018年山西省主要農(nóng)作物單產(chǎn)水足跡年際變化Fig.2 Water footprint interannual variation of major crops in Shanxi Province from 2010 to 2018

圖3 2010-2018年山西省主要農(nóng)作物水足跡結(jié)構(gòu)Fig.3 The water footprint structure of the main crops in Shanxi Province from 2010 to 2018

山西省2010-2018年總水足跡計算結(jié)果（見圖4）顯示，山西省主要農(nóng)作物年際總水足跡介于307～331億m3，平均值為315.5億m3，變化幅度較小。其中小麥和玉米水足跡占據(jù)總水足跡的79.3%，是山西省農(nóng)作物水足跡的主要貢獻(xiàn)作物。各主要農(nóng)作物年際水足跡變化情況來看，玉米和蔬菜的水足跡呈現(xiàn)波動上升的趨勢，谷子水足跡年際變化不大，小麥、大豆和油料的水足跡呈現(xiàn)波動下降趨勢。所有農(nóng)作物的變化規(guī)律與其種植面積的變化規(guī)律大體一致，因此，調(diào)整作物的種植規(guī)模對區(qū)域水資源配置具有重要作用，這個結(jié)論與仇蕾等[20]在吉林省的研究結(jié)果一致。

圖4 2010-2018年山西省主要農(nóng)作物總水足跡Fig.4 Total water footprint of major crops in Shanxi Province from 2010 to 2018

2.2 山西省主要農(nóng)作物能源消耗特征分析

山西省2010-2018年主要農(nóng)作物單產(chǎn)能源消耗計算結(jié)果見圖5。由圖5可知山西省各類主要農(nóng)作物多年平均單產(chǎn)能源消耗存在較大差異，其中谷子的單產(chǎn)能耗均值達(dá)到12.7 GJ/t，明顯高于該區(qū)其他農(nóng)作物，是玉米的5倍左右，小麥的2倍以上，屬該區(qū)極高耗能作物；大豆和油料的單產(chǎn)能耗相差不大，均接近于8.0 GJ/t，屬該區(qū)高耗能作物；小麥單產(chǎn)能耗為5.96 GJ/t，屬該區(qū)中等耗能作物；玉米單產(chǎn)水能耗為2.6 GJ/t，屬該區(qū)低耗能作物；蔬菜單產(chǎn)能耗為0.8 GJ/t，顯著低于該區(qū)其他農(nóng)作物，屬該區(qū)極低耗能作物。

圖5 2010-2018年山西省主要農(nóng)作物單產(chǎn)能耗Fig.5 The yield energy consumption of major crops in Shanxi Province from 2010 to 2018

圖6顯示了各主要農(nóng)作物2010-2018年單產(chǎn)能耗年際變化，結(jié)果表明小麥的單產(chǎn)能耗的年際變化較小，變化范圍為5.29～6.96 GJ/t；玉米、油料和蔬菜的單產(chǎn)能耗在2010-2018年呈現(xiàn)波動上升的趨勢；谷子和大豆的單產(chǎn)能耗呈現(xiàn)波動下降的趨勢。玉米單產(chǎn)耗能的變化主要是由于具有經(jīng)濟(jì)作物的特點(diǎn)，不僅可作為口糧，也可作為飼料用糧、工業(yè)用糧。近年來，由于期貨市場上國際玉米價格持續(xù)走高，帶動了農(nóng)民種植和生產(chǎn)投入的積極性，使得近年來山西省玉米種植面積不斷增加[29]，種植規(guī)模及生產(chǎn)效率的參差不齊，投入的加大，使得玉米單產(chǎn)能源消耗呈現(xiàn)波動上升趨勢。受到玉米種植規(guī)模增加的影響，其他作物種植規(guī)模在逐年下降，特別是大豆種植面積下降最為明顯。與單產(chǎn)水足跡相同，谷子種植格局的優(yōu)化和產(chǎn)業(yè)化的形成，降低了谷子的單產(chǎn)能源消耗。

圖6 2010-2018年山西省主要農(nóng)作物單產(chǎn)能耗年際變化Fig.6 The yield capacity interannual variation of major crops in Shanxi Province from 2010 to 2018

山西省各主要農(nóng)作物能源結(jié)構(gòu)見圖7。能源構(gòu)成中化肥耗能在各農(nóng)作物中占比均超過了30%，變化范圍在30.4%～46.3%，均值為36.4%。這主要是由于山西省近些年來化肥使用量持續(xù)增加且大多數(shù)地區(qū)過量投入[30]。小麥、玉米、谷子、大豆和油料等大田作物中，柴油和電力的能耗占比也較大，這一方面是由于近年來農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高，加大了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中柴油和電力的使用量；另一方面由于山西省雨季與農(nóng)作物生長季需水季不相匹配，農(nóng)作物藍(lán)水需求量普遍較高，農(nóng)業(yè)灌溉對柴油和電力的需求同樣很大。以上大田作物中農(nóng)藥的能耗占比最小，變化范圍在5.2%～15.6%，均值為10.7%。蔬菜的能源構(gòu)成與大田作物略有不同，由大到小依次為化肥（33.3%）、電力（31.5%）、農(nóng)藥（20.5%）和柴油（14.7%）。這表明相比于大田作物，山西省蔬菜種植過程中對化肥和農(nóng)藥的依賴性強(qiáng)。

圖7 2010-2018年山西省主要農(nóng)作物單產(chǎn)能耗構(gòu)成Fig.7 The energy consumption of major crops in Shanxi Province were composed from 2010 to 2018

山西省2010-2018年總能耗計算結(jié)果（見圖8）顯示，山西省主要農(nóng)作物年際總能耗介于4 064.6～5 682.3萬GJ，平均值為5 189.9萬GJ，變化趨勢為在2010-2014年逐年上升，之后保持穩(wěn)定。其中小麥（26.0%）和玉米（48.6%）能耗占據(jù)總能耗的74.6%，是山西省農(nóng)作物總能耗的主要貢獻(xiàn)作物。另外，2種作物年際能耗變化趨勢相反，小麥逐年波動遞減，玉米逐年波動遞增，且2者總能耗年際變化較小，這表明近年來山西省小麥種植中減少的能耗主要被玉米所消耗。其他農(nóng)作物能耗由大到小依次為蔬菜（12.9%）、谷子（7.6%）、油料（2.5%）和大豆（2.4%）。年際能耗變化情況來看，蔬菜能耗呈現(xiàn)波動上升的趨勢，谷子、大豆和油料能耗呈現(xiàn)波動下降趨勢。所有農(nóng)作物的變化規(guī)律與其種植面積的變化規(guī)律大體一致。

圖8 2010-2018年山西省主要農(nóng)作物總能耗Fig.8 Total energy consumption of major crops in Shanxi Province from 2010 to 2018

2.3 山西省主要農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于2015年山西省主要農(nóng)作物種植情況，對2020年進(jìn)行規(guī)劃（見表2），結(jié)果顯示2015年山西省主要農(nóng)作物種植總面積為308.7萬hm2，2020年規(guī)劃種植面積為299.7萬hm2，下降了2.9%。對2020年規(guī)劃值與實(shí)際值比較發(fā)現(xiàn)，2者誤差較小，表明規(guī)劃結(jié)果較好，符合預(yù)期，能夠以2020年為基期規(guī)劃2025年種植結(jié)構(gòu)。以2020年主要農(nóng)作物實(shí)際種植情況規(guī)劃2025年種植結(jié)構(gòu)（見表3），規(guī)劃結(jié)果表明，規(guī)劃期2025年山西省主要農(nóng)作物種植面積及比例均發(fā)生一定程度的變化，基準(zhǔn)期（2020年）主要農(nóng)作物種植總面積為289.5萬hm2，規(guī)劃2025年種植面積增加為302萬hm2。比較各類農(nóng)作物的變化幅度，可以發(fā)現(xiàn)小麥和谷子變化幅度最大，小麥種植面積增加8.1萬hm2，比例上升了1.93個百分點(diǎn)，谷子種植面積減少3.1萬hm2，比例下降了1.35個百分點(diǎn)。油料作為高耗水高耗能作物，種植面積減少1.3萬hm2，比例下降了0.58個百分點(diǎn)。蔬菜屬于極低耗水極低耗能作物，種植面積增加了1.0萬hm2，比例上升了0.07個百分點(diǎn)。玉米作為低耗水低耗能作物，種植面積增加了3.9萬hm2，比例下降了1.2個百分點(diǎn)。大豆屬于高耗水極高耗能作物，種植面積和比例均有所增加?？傮w而言，優(yōu)化結(jié)果基本符合《山西省“十四五”農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化規(guī)劃》里穩(wěn)定糧食生產(chǎn)，適當(dāng)擴(kuò)大玉米種植面積，并且符合中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部的擴(kuò)大大豆玉米帶狀復(fù)合種植政策。

表2 山西省2020年主要農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)規(guī)劃結(jié)果Tab.2 Results of the planting structure planning of major crops in Shanxi Province in 2020

表3 山西省2025年主要農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)規(guī)劃結(jié)果Tab.3 Results of the planting structure of major crops in Shanxi Province in 2025

3 討論

3.1 山西省不同耗水與耗能作物分布規(guī)律與分布特征

不同區(qū)域農(nóng)作物種植類型及空間分布特征受自然要素和人文經(jīng)濟(jì)等要素影響[31]。本研究將山西省分為晉南區(qū)（運(yùn)城市和臨汾市）、晉東南區(qū)（長治市和晉城市）、晉中區(qū)（太原市、晉中市和陽泉市）、呂梁地區(qū)（呂梁市）和晉北區(qū)（忻州市、朔州市和大同市）。據(jù)山西省統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，各地區(qū)2010-2018年農(nóng)作物年均種植面積和比例存在差異（見表4），中耗水中耗能的小麥主要分布于晉南區(qū)和晉東南區(qū)。這主要是由于山西省的小麥種植主要以冬小麥為主，以上區(qū)域氣候較適宜，地勢平坦，特別是晉南區(qū)，大部分地區(qū)為一年兩熟或兩年三熟制[32]，可實(shí)施冬小麥與夏糧輪作種植，很大程度上增加了糧食的產(chǎn)量，而山西省的晉中和晉北區(qū)及呂梁地區(qū)氣候條件和地形條件不適合小麥的種植。低耗水低耗能的玉米在山西省各區(qū)域種植比例均最大且區(qū)域差異小，這主要是由于玉米是一種旱地作物，低耗水低耗能且對溫度的敏感程度較其他作物低。另外，相較于其他作物，玉米利于機(jī)械化種植，隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，玉米種植對勞動力的需求越來越低。高耗水極高耗能的谷子作為山西省主要種植小雜糧，產(chǎn)量僅次于玉米和小麥，其耐寒、耐貧瘠、抗逆性強(qiáng)，地域優(yōu)勢明顯。據(jù)研究全省谷子種植適宜區(qū)由優(yōu)到劣依次為，晉東南區(qū)、晉南區(qū)、晉中區(qū)、呂梁地區(qū)、晉北區(qū)[33]。但在本研究中各區(qū)谷子的種植比例與適宜情況不匹配，例如呂梁地區(qū)在各區(qū)中適宜性排第4，但種植比例排第1。這主要與各區(qū)的地形、種植制度、農(nóng)業(yè)人口以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等差異有關(guān)。極高耗水高耗能的大豆和高耗水高耗能的油料的種植以呂梁地區(qū)占比最高，主要是由于呂梁地區(qū)溝壑縱深，山地和半山地占全市面積的92%，約87%的耕地為旱地，中低產(chǎn)農(nóng)田面積廣，不適合大宗農(nóng)作物種植，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)還處于“小、散、弱”狀態(tài)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍以家庭為單位，沒有形成規(guī)?；?，因此農(nóng)作物種植類型較散[34]。晉中區(qū)基于其優(yōu)越的地形結(jié)構(gòu)、氣候條件、便利的交通網(wǎng)及其地方政府的大力扶持，使得露地和設(shè)施蔬菜的種植遙遙領(lǐng)先于其他地區(qū)[35]。

表4 山西省各區(qū)域2010-2018年主要農(nóng)作物年均種植面積和比例Tab.4 The planting area and proportion of major crops in all regions of Shanxi Province from 2010 to 2018

3.2 地形對山西省不同耗水與耗能作物分布的影響

通過對山西省高程圖和耕地圖的柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得出各區(qū)域耕地中按照海拔高度分級統(tǒng)計結(jié)果（見表5）。由表5得知，全省近60%的耕地分布在海拔600～1 200 m，其次是1 200～1 800 m占27.1%，0～600 m占12.7%，海拔1 800 m以上耕地占比較少，僅為0.4%。晉南區(qū)近95%的耕地分布在海拔1 200 m以下，其余4區(qū)耕地主要分布在海拔600～1 800 m，且越往北高海拔耕地占比越多，特別是晉北區(qū)，50%的耕地分布在海拔1 200～1 800 m。根據(jù)全球氣候的分布特征，緯度升高，海拔升高，氣溫降低，無霜期變短。另外，參考山西省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳《2021年糧食作物生產(chǎn)技術(shù)指導(dǎo)意見》，山西省主要農(nóng)作物適宜播種時間按照由南到北（晉南區(qū)、晉東南區(qū)、晉中區(qū)、呂梁地區(qū)和晉北區(qū)）的次序分別推遲5 d。由以上論述可知，山西省耕地中晉南區(qū)海拔0～600 m所分布耕地氣候條件最優(yōu)越，物候期最長，晉北區(qū)海拔1 200～1 800 m分布耕地氣候條件最差，物候期最短。

表5 山西省各區(qū)域耕地海拔分級占比情況%Tab.5 Proportion of cultivated land in Shanxi Province

按照地形分布特征，中耗水中耗能的小麥種植區(qū)主要分布于晉南區(qū)和晉東南區(qū)海拔低于1 200 m的平川和丘陵地帶[36]。盡管全省均適合低耗水低耗能的玉米種植，但前人根據(jù)不同的氣候資源（水平地帶性、垂直地帶性）把全省分為了4大類型種植區(qū)，分別為春播特早熟區(qū)（晉北區(qū)）、春播早熟區(qū)（呂梁地區(qū)）、春播中晚熟區(qū)（晉中區(qū)）和夏播中早熟區(qū)（晉東南區(qū)和晉南區(qū)），各區(qū)產(chǎn)量差異較大，晉北區(qū)單產(chǎn)最低[37]。高耗水極高耗能的谷子和極高耗水高耗能的大豆在全省均有種植，但由于水熱條件的差異，品種和產(chǎn)量差異較大。高耗水高耗能的油料在全省的種植也很廣泛，但不同地域主要種植作物差異明顯，其中晉北區(qū)以胡麻、向日葵和油菜為主，晉中區(qū)和呂梁地區(qū)以向日葵、花生和芝麻為主，晉南區(qū)以油葵和油菜為主，晉東南區(qū)以油菜和花生為主[38]。山西省極低耗水極低耗能的蔬菜產(chǎn)業(yè)主要分布于地域條件及水熱條件較優(yōu)越的盆地，從北到南有大同盆地（晉北區(qū)）、忻定盆地（晉北區(qū)）、晉中盆地（晉中區(qū)）、上黨盆地（晉東南區(qū)）和晉南盆地（晉南區(qū)）[39]。

4 結(jié)論

（1）山西省6種主要農(nóng)作物中谷子屬于高耗水極高耗能，大豆屬于極高耗水高耗能，油料屬于高耗水高耗能，小麥屬于中耗水中耗能，玉米為低耗水低耗能，蔬菜為極低耗水極低耗能作物。

（2）小麥和大豆是典型的藍(lán)水消耗型作物，即種植需要更多的水資源灌溉。谷子是典型的灰水消耗型作物，表明化肥施用量較大，應(yīng)減小施肥量以控制灰水足跡。玉米、油料和蔬菜是灰水—藍(lán)水消耗型作物。

（3）對于能耗結(jié)構(gòu)，小麥、玉米、谷子、大豆和油料等大田作物的能耗主要是柴油和電力，蔬菜的能耗結(jié)構(gòu)主要以化肥、電力為主。

（4）水足跡能耗變化規(guī)律與種植面積變化規(guī)律大體一致，因此調(diào)整農(nóng)作物的種植面積是影響區(qū)域水資源配置和能源消耗變化的重要因素。優(yōu)化后的種植結(jié)構(gòu)方案中，玉米、谷子和油料種植比例下降，小麥和大豆種植比例提高，蔬菜變化比例不大，符合山西省“十四五”農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化規(guī)劃，整體方案具有趨于低耗能、低耗水、低污染、耕地規(guī)模穩(wěn)定的特點(diǎn)。

（5）山西省中耗水中耗能的小麥主要種植于晉南區(qū)和晉東南區(qū)海拔低于1 200 m的平川和丘陵地帶，低耗水低耗能的玉米、高耗水極高耗能的谷子、極高耗水高耗能的大豆和高耗水高耗能的油料作物在全域均有種植，但由于水熱條件的差異，品種和產(chǎn)量差異較大。極低耗水極低耗能的蔬菜主要分布于地域條件及水熱條件相對優(yōu)越的盆地。