辛朋磊　楊柳俊　陳瑋瑤　周榮

摘要：為優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以江蘇省為例，對(duì)1990～2021年江蘇省農(nóng)業(yè)水量足跡和灰水足跡進(jìn)行核算，構(gòu)建了基于水足跡的多目標(biāo)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，采用SCEUA全局優(yōu)化算法尋優(yōu)。結(jié)果表明：① 1990～2021年江蘇省農(nóng)業(yè)水量足跡呈逐年增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，灰水足跡則呈先增后降趨勢(shì)。主要原因是受需求和凈利潤(rùn)影響，畜牧漁養(yǎng)殖數(shù)量和蔬菜種植面積明顯提升，而糧食作物種植面積緩慢下降。② 節(jié)水型、均衡型和發(fā)展型3種情景下的水量足跡較2021年基準(zhǔn)值分別削減了25.39%，0.20%和0.86%；灰水足跡較2021年的基準(zhǔn)值分別削減了19.69%，0.06%和0.21%；凈利潤(rùn)較2021年的基準(zhǔn)值分別增長(zhǎng)了0.10%，26.28%和21.50%。③ 江蘇省目前的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)還有一定調(diào)整空間，未來(lái)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的方向主要為穩(wěn)定糧食生產(chǎn)，穩(wěn)定農(nóng)作物播種面積，適度提升蔬菜種植面積，穩(wěn)定生豬產(chǎn)量并適度降低淡水魚養(yǎng)殖面積。

關(guān)鍵詞：水足跡； 農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)； 多目標(biāo)優(yōu)化; SCEUA模型； 江蘇省

中圖法分類號(hào)：F321

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.001

文章編號(hào)：1006-0081（2023）12-0008-07

0引言

農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和升級(jí)是經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要組成部分［1］，是保障國(guó)家糧食安全、維護(hù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的首要任務(wù)。

水足跡是指一個(gè)國(guó)家、一個(gè)地區(qū)或一個(gè)人在一定時(shí)間內(nèi)消費(fèi)的所有資源所需要的水資源量［2-3］。基于水足跡的評(píng)價(jià)將間接用水納入水資源管理，能全面反映水資源的過(guò)程消耗［4］，目前有部分學(xué)者對(duì)基于水足跡的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整開展了研究。侯慶豐［5］借鑒水足跡研究，以水資源合理利用為基礎(chǔ)優(yōu)化了甘肅省農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)。張杰等［6］通過(guò)測(cè)算分析廣西壯族自治區(qū)主要農(nóng)作物的虛擬水含量，提出了廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)策。聶媛等［7］揭示了水足跡視角下中國(guó)北方10省水資源壓力與三大糧食作物種植結(jié)構(gòu)的關(guān)系，通過(guò)構(gòu)建多目標(biāo)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，得出不同節(jié)水情景下北方10省三大糧食作物種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。秦智雅等［4］對(duì)嘉興市農(nóng)業(yè)藍(lán)水、綠水及灰水足跡進(jìn)行核算，構(gòu)建了基于水足跡的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，并分析了節(jié)水型、均衡型和發(fā)展型3種農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整情景。張?chǎng)┑龋?］從水足跡視角出發(fā)，分析了山東省3種主要糧食作物（冬小麥、玉米及大豆）和2種不同種植模式蔬菜（設(shè)施蔬菜和露地蔬菜）的生產(chǎn)水足跡空間特征，將資源數(shù)量及資源質(zhì)量的概念納入研究框架，分析了農(nóng)業(yè)水土資源數(shù)量及質(zhì)量匹配格局差異，并進(jìn)一步探究了農(nóng)業(yè)水土資源短缺壓力及其影響因素。

總體來(lái)說(shuō)，基于水足跡的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整研究仍相對(duì)較少，研究?jī)?nèi)容雖然已經(jīng)從單純的種植業(yè)研究進(jìn)展到種植業(yè)及畜牧漁全方位研究，從單目標(biāo)研究進(jìn)展到多目標(biāo)優(yōu)化研究，但相關(guān)理論和經(jīng)驗(yàn)仍不足，也較少有學(xué)者基于水足跡對(duì)江蘇省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)開展優(yōu)化研究。江蘇省是“魚米之鄉(xiāng)”，是全國(guó)農(nóng)業(yè)大省之一，2021年江蘇省農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值達(dá)5 073.7億元，對(duì)全國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起了重要的推動(dòng)作用。與此同時(shí)，江蘇省農(nóng)業(yè)存在農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量多但結(jié)構(gòu)不夠合理，農(nóng)業(yè)產(chǎn)出多但綜合效益不夠高，且受水資源約束的矛盾日益突出等問(wèn)題。對(duì)江蘇省開展基于水足跡的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，本文從種植業(yè)和畜牧漁養(yǎng)殖業(yè)兩方面對(duì)1990～2021年江蘇省農(nóng)業(yè)水量足跡和灰水足跡進(jìn)行核算，并構(gòu)建了基于水足跡的多目標(biāo)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，采用SCEUA全局優(yōu)化算法尋優(yōu)，提出江蘇省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方向。

1研究區(qū)域與研究方法

1.1研究區(qū)域

江蘇省地處長(zhǎng)江、淮河流域下游，多年平均降雨量1 006.7 mm，多年平均水資源總量339.10億m³，僅為全國(guó)人均水資源量的1/5，水資源量緊缺。同時(shí)，江蘇省又是糧食生產(chǎn)、消費(fèi)、流通和產(chǎn)業(yè)大省。根據(jù)2021年《中國(guó)水資源公報(bào)》［9］，江蘇省2021年農(nóng)業(yè)用水量246.2億m³，占全省總用水量的4338%。與此同時(shí)，農(nóng)業(yè)化肥施用量高，流失率高（約80%～90%的農(nóng)藥流失到水體、土壤和大氣中［10］），成為當(dāng)?shù)刂匾廴驹础?/p>

1.2研究方法

1.2.1農(nóng)業(yè)水量足跡核算

按照農(nóng)作物水量足跡和畜牧漁養(yǎng)殖業(yè)水量足跡分別核算農(nóng)業(yè)水量足跡。其中，農(nóng)作物水量足跡等于農(nóng)作物產(chǎn)量與單位質(zhì)量虛擬水含量相乘之和，利用CROPWAT 8.0 模型計(jì)算，計(jì)算方法已有較多學(xué)者有過(guò)詳細(xì)介紹［4，11］，不再贅述。畜牧漁業(yè)水量足跡用產(chǎn)品產(chǎn)量與單位質(zhì)量虛擬水含量相乘之和核算。主要畜牧漁產(chǎn)品單位質(zhì)量虛擬水含量參考文獻(xiàn)［12］的研究結(jié)果。江蘇省主要農(nóng)作物和畜牧漁產(chǎn)品的單位質(zhì)量水量足跡見表1～2。

1.2.2農(nóng)業(yè)灰水足跡測(cè)算

1.2.3產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整模型構(gòu)建

1.2.3.1目標(biāo)函數(shù)

以水量足跡和灰水足跡最小、凈利潤(rùn)最大作為目標(biāo)函數(shù)：

1.2.3.2約束條件

1.2.3.3模型求解

1.3數(shù)據(jù)來(lái)源

1.4參數(shù)確定

各參數(shù)初始值以2021年實(shí)際值確定。根據(jù)《江蘇省“十四五”鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，水稻播種面積上下限分別確定為3 000 000 hm²和2 000 000 hm²，蔬菜播種面積上下限為2 000 000 hm²和1 000 000 hm²，生豬產(chǎn)量下限確定為140萬(wàn)t?？紤]到各參數(shù)與歷年實(shí)際值保持相對(duì)穩(wěn)定，其他參數(shù)下限按照1990～2021年實(shí)際最小值的0.8倍計(jì)，上限按照1990～2021年實(shí)際最大值的1.2倍計(jì)。主要農(nóng)作物參數(shù)見表1，畜牧漁主要參數(shù)見表2。

2結(jié)果分析

2.1歷年水量足跡分析

1990～2021年，江蘇省農(nóng)業(yè)水量足跡呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，年均增長(zhǎng)率為2.42%。其中，農(nóng)作物種植水量足跡增加最為緩慢，年均增長(zhǎng)1.88%；其次是畜牧業(yè)養(yǎng)殖用水，年均增長(zhǎng)2.51%；淡水魚養(yǎng)殖用水增長(zhǎng)最快，年均增長(zhǎng)4.82%（圖1）。

江蘇省1990年和2021年農(nóng)業(yè)水量足跡占比結(jié)構(gòu)見圖2。由圖2可見，淡水魚養(yǎng)殖用水提升了約10%，蔬菜種植用水提升了約11%，畜禽養(yǎng)殖用水提升了約4%，糧食作物中水稻用水量降低了約13%，小麥用水量約降低了4%，反映出江蘇省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。自1990年以來(lái)，隨著生活水平的提高，江蘇省居民對(duì)魚、肉、蛋、奶的需求不斷增加，且畜牧漁養(yǎng)殖及蔬菜種植相對(duì)凈利潤(rùn)更高，使得畜牧漁養(yǎng)殖數(shù)量和蔬菜種植面積得到顯著增長(zhǎng)，而農(nóng)作物中水稻、小麥等糧食作物種植面積不斷下降。

1990～2021年，江蘇省農(nóng)業(yè)灰水足跡呈先增后降趨勢(shì)（圖3），在2004年達(dá)到頂峰之后逐步降低，但2021年較1990年仍有5.87億m³的增量。其中，農(nóng)作物種植灰水足跡先增后降，較1990年降低了9.01億m³；畜禽養(yǎng)殖灰水足跡整體穩(wěn)定，較1990年降低了4.09億m³；淡水魚養(yǎng)殖灰水足跡逐年遞增，較1990年增長(zhǎng)了18.96億m³，年均增長(zhǎng)4.96億m³。目前，江蘇省農(nóng)業(yè)灰水排放仍然以農(nóng)作物種植為主，貢獻(xiàn)率達(dá)到了71.24%；其次是淡水魚養(yǎng)殖和畜禽養(yǎng)殖中的生豬養(yǎng)殖，貢獻(xiàn)率分別為28.71%和20.73%（圖4）。

2.2產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果分析

按照節(jié)水型、均衡型和發(fā)展型3種情境開展研究。節(jié)水型目標(biāo)著重考慮降低用水量和灰水量，發(fā)展型目標(biāo)著重考慮凈利潤(rùn)。根據(jù)模型運(yùn)行結(jié)果（表4），節(jié)水型、均衡型和發(fā)展型3種情境的水量足跡較2021年的基準(zhǔn)值分別削減了25.39%，0.20%和0.86%；灰水足跡較2021年的基準(zhǔn)值分別削減了19.69%，0.06%和0.21%；凈利潤(rùn)較2021年的基準(zhǔn)值分別增長(zhǎng)了0.10%，26.28%和21.50%。可見，在不新增用水量和灰水量并增加凈利潤(rùn)的前提下，目前江蘇省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)還有較大調(diào)整的空間。

種植業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)3種情境下的參數(shù)最優(yōu)結(jié)果分別見表5和表6。由表5可見，蔬菜、茶園因單位面積水量足跡和灰水足跡相對(duì)較低而單位面積凈利潤(rùn)較高，3種情境最優(yōu)值均高于2021年實(shí)際值；而小麥、玉米兩種作物因單位面積水量足跡較高，單位面積凈利潤(rùn)較低，導(dǎo)致3種情境下的最優(yōu)值結(jié)果均低于2021年實(shí)際值。由表6可見，牛和淡水魚養(yǎng)殖因單位質(zhì)量水量足跡較高，單位質(zhì)量?jī)衾麧?rùn)較低，導(dǎo)致3種情境的參數(shù)最優(yōu)結(jié)果均低于2021年實(shí)際值。

2.3江蘇省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方向

可以通過(guò)優(yōu)化調(diào)整江蘇省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在降低農(nóng)業(yè)用水量和灰水量的同時(shí)，提升凈利潤(rùn)。

2.3.1種植業(yè)調(diào)整方向

江蘇省是全國(guó)重要糧食主產(chǎn)省，也是粳稻主產(chǎn)區(qū)之一。江蘇省糧食安全對(duì)全國(guó)糧食安全發(fā)揮著重要的作用，因此，必須保持糧食種植面積的穩(wěn)定。其他經(jīng)濟(jì)作物，包括玉米、豆類、薯類和棉花等受勞動(dòng)力成本影響，凈利潤(rùn)偏低，種植面積呈逐年降低趨勢(shì)，未來(lái)可進(jìn)一步壓縮種植面積。相比之下，蔬菜種植特別是設(shè)施蔬菜經(jīng)濟(jì)效益更高，且目前已經(jīng)形成較為完善的市場(chǎng)銷售和流通體系，根據(jù)模型結(jié)果，可

2.3.2畜禽養(yǎng)殖調(diào)整方向

據(jù)統(tǒng)計(jì)，江蘇省畜牧業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量呈逐年遞增態(tài)勢(shì)，2021年比1990年豬肉產(chǎn)量增長(zhǎng)了17.4%，牛肉產(chǎn)量增長(zhǎng)了46.8%，蛋禽產(chǎn)量增長(zhǎng)了156.7%，較大豐富了居民對(duì)肉、蛋、奶的需求。按照模型研究結(jié)果，未來(lái)江蘇省畜禽養(yǎng)殖調(diào)整的方向是可以降低牛肉產(chǎn)量，但應(yīng)穩(wěn)定生豬和家禽養(yǎng)殖數(shù)量。

2.3.3漁業(yè)養(yǎng)殖調(diào)整方向

江蘇省漁業(yè)以養(yǎng)殖為主，淡水魚養(yǎng)殖面積和產(chǎn)量約為海水養(yǎng)殖的3.5倍。雖然淡水漁業(yè)養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益很高，但增長(zhǎng)方式較粗放，過(guò)度發(fā)展會(huì)對(duì)水環(huán)境造成一定污染。根據(jù)模型研究結(jié)果，未來(lái)江蘇省應(yīng)做好淡水魚養(yǎng)殖產(chǎn)量和面積的控制，年淡水魚產(chǎn)量控制在250萬(wàn)t左右是較為合適的。

3結(jié)論與展望

本文對(duì)江蘇省1990～2021年農(nóng)業(yè)水量足跡和灰水足跡進(jìn)行了核算，并構(gòu)建了基于水足跡的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，采用SCEUA全局優(yōu)化算法尋優(yōu)，主要研究結(jié)論如下：

（1） 1990～2021年，江蘇省農(nóng)業(yè)水量足跡呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，灰水足跡則呈先增后降趨勢(shì)，主要原因是受需求和凈利潤(rùn)驅(qū)動(dòng)，畜牧漁養(yǎng)殖數(shù)量和蔬菜種植面積明顯提升，而糧食作物種植面積緩慢下降。

（2） 節(jié)水型、均衡型和發(fā)展型3種情境的水量足跡較2021年的基準(zhǔn)值分別削減了25.39%，020%和0.86%；灰水足跡較2021年的基準(zhǔn)值分別削減了19.69%，0.06%和0.21%；凈利潤(rùn)較2021年的基準(zhǔn)值分別增長(zhǎng)了0.10%，26.28%和21.50%?？梢?，目前江蘇省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)還有較大調(diào)整的空間。

（3） 根據(jù)模型結(jié)果，江蘇省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的方向主要為穩(wěn)定糧食生產(chǎn)，穩(wěn)定農(nóng)作物播種面積，適度提升蔬菜種植面積，提高生豬產(chǎn)量并適度降低淡水魚養(yǎng)殖面積。

本次研究因SCEUA模型受目標(biāo)函數(shù)影響明顯，為保證研究結(jié)果合理，選取3種情境開展工作，是否為最優(yōu)解猶未可知。今后將進(jìn)一步研究如何選取更為有效的適用于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的目標(biāo)函數(shù)組合。

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（編輯：江文）

Research on multi-objective agricultural industrial structure optimization model based on water footprint

XIN Penglei，YANG Liujun，CHEN Weiyao，ZHOU Rong

（Nantong Substation，Bureau of Hydrology and Water Resources Survey of Jiangsu Province，Nantong 226006，China）

Abstract：In order to optimize the agricultural industrial structure and promote industrial development，Jiangsu Province was taken as an example，we calculated the agricultural water footprint and grey water footprint of Jiangsu Province from 1990 to 2021，constructed an optimization model of agricultural industrial structure based on water footprint，and used the SCEUA global optimization algorithm to optimize the model.The results showed that：① From 1990 to 2021，the agricultural water footprint of Jiangsu Province increased year by year，while the grey water footprint increased first and then decreased.The main reason was that under the influence of demand and net profit，the number of livestock，fishery and vegetable plantation increased significantly，while the food crops plantation decreased slowly.② Under the three scenarios of water-saving type，balanced type and developmental type，the water footprint of the three scenarios was reduced by 25.39%，0.20% and 0.86% compared with the base value in 2021，respectively.The grey water footprint was reduced by 19.69%，0.06% and 0.21% from the base value in 2021，respectively.Net profit increased by 0.10%，26.28% and 21.50%，respectively，compared with the base value in 2021.③ The current agricultural industrial structure in Jiangsu Province still had space to adjust.The direction of industrial structure adjustment in Jiangsu Province in the future is mainly to stabilize the grain productionsown area of crops，and the yield of pigs，moderately increase the planted area of vegetables，and moderately reduce the area of freshwater fish breeding．

Key words：water footprint； agricultural industrial structure； multi-objective optimization； SCEUA model； Jiangsu Province