基于水—能—粮关联关系的粮食主产区农业种植结构优化研究*——以吉林省为例

仇 蕾，钟雨纯，崔韵文

（河海大学管理科学研究所，江苏 南京 211100）

水、能源和粮食是维持人类生存和发展的重要资源，但随着人口增长和社会经济的快速发展，水、能源和粮食的供给压力越来越大。有研究预测，到2030年全球的水、能源和粮食的需求将分别增加30%、40%和50%。这将加剧水资源和能源的短缺并对粮食安全产生巨大威胁[1]。2011年11月德国联邦政府在波恩召开的“水—能源—粮食关联关系（WEF-Nexus）”安全会议上，首次指出水安全、能源安全和粮食安全之间存在错综复杂的联系并将其界定为“纽带关系”，由此开启了WEF-Nexus的研究热潮。WEFNexus的核心在于综合考量系统中水、能源、粮食三者之间的关联关系，并将其作为相关资源管理的决策依据，以达到提高资源综合利用效率的目的[2]。相比以单一资源为中心的资源整合研究，WEF-Nexus更能满足多资源问题的治理需求，有效应对生态环境、经济和人口的变化，实现区域的可持续发展[3]。

中国是世界第一人口大国，保障粮食安全在中国具有其特殊的战略地位。农业是保障粮食安全的支柱产业，同时也是淡水资源的最大消费者和能源安全的重要影响者[4]。在农业种植系统中，水和能源是粮食生产的关键投入[5]。农作物的灌溉、生长和加工需要消耗大量的水资源，农业机械的运行、农药化肥的使用也会直接或间接地使用大量能源。然而，水资源及能源的短缺正是我国许多粮食主产区面临的现实困境，也是提高粮食产量的最大阻碍。因此，如何优化资源配置并实现粮食生产目标是保障我国粮食安全的关键。有研究表明，种植结构优化是解决资源短缺与粮食生产矛盾的有效方法，如：武雪萍[6]、高明杰[7]、邓灵稚[8]等以作物总产量和灌溉耗水量为目标，做了种植结构优化研究；
黄丽丽[9]等以作物产量和生态效益为目标，采用两相模糊多目标模型求取了大连作物种植结构的最优解；
侯庆丰[10]、李啸虎[11]等打破了灌溉用水的限制，从作物水足迹的角度研究了区域的种植结构优化方案。综上所述，种植结构优化有助于提高资源利用效率，解决区域资源短缺与粮食生产的矛盾，但现有的研究大都考虑水资源约束下的种植结构的优化，较少关注能源投入对粮食生产的影响以及水—能源—粮食关联关系下的粮食安全。

吉林省连续多年粮食商品率和人均粮食占有量居全国首位[12]，是我国重要的粮食主产区和商品粮基地之一，也是保障国家粮食安全的关键区域。但吉林省生态环境保护问题日益突出，水土资源污染加剧，耕地生态安全面临严峻的挑战。文章以吉林省为例，解析农业种植系统中水、能源和粮食的关联关系，研究吉林省的粮食种植结构问题，对保障国家粮食安全和生态安全具有一定的现实意义。

1.1 水—能—粮关联关系及种植结构优化研究框架

在WEF-Nexus系统中，水资源、能源和粮食是系统核心要素，三者相互关联，水资源和能源是粮食生产的重要基础资源，粮食生产过程需要消耗大量水资源，种植过程中施用的农药化肥还会造成水污染，且农业机械及农药化肥的使用会直接或间接消耗能源，此外，粮食生产过程中的农林废弃物可生产生物质燃料。气候变化、人口增长、农业政策、经济水平、生态保护等多种外部要素，通过激励或约束作用改变水能资源的配置、粮食生产及需求。对于区域而言，种植结构决定着农作物的种植面积，同时影响着水能资源的利用效率及农作物的总产量。该研究预期通过优化农作物种植结构，提高有限资源的使用效率，实现区域粮食生产目标，从而保障国家粮食安全。研究思路及框架如图1。

图1 基于WEF-Nexus的农业种植结构优化研究框架

（1）核算农作物耗水：该文采用水足迹法[13]核算农作物耗水，分为蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹，不仅可以充分表达作物种植对水资源的消耗及污染，还能反映出气候、种植条件等要素对农作物耗水的影响，刻画出WEF关联关系中水资源、粮食及外部环境之间的交互关系。

（2）核算农作物耗能：农作物种植的能源消耗包括农业机械直接耗能和化肥农药间接耗能，为统一不同能源的核算标准，该文采用能耗系数将各项能源消耗统一转化为热值。

（3）种植结构优化：农作物种植一方面要满足人类的生活需要，另一方面又希望造成资源损耗和环境污染最小，从而实现经济效益和生态效益双赢。种植结构优化不仅受到当地水、能、土地资源的约束，也受到社会经济、生态环境及政策条件的限制。多目标规划模型可以很好量化多约束条件下的多目标决策问题，因此，该文拟采用多目标规划模型给出种植结构优化方案。

1.2 研究区概况

吉林省位于中国东北中部地区，是世界上著名的三大黑土分布地之一，总面积1 874万hm2。2018年吉林省耕地面积为698.87万hm2，占全省土地总面积的37.3%，其耕种以粮食作物为主，经济作物为辅，粮经作物种植比例约为9∶1。粮食作物主要包括水稻、小麦、玉米、大豆和马铃薯，约占粮食作物种植面积的95%，经济作物包括花生、烤烟和甜菜，约占经济作物种植面积的60%。

吉林省多年平均水资源总量为398.85亿m3，其中地表水资源量平均为344.16亿m3，地下水资源量平均为123.66亿m3，人均水资源量约1 500m3，仅占全国平均水平的2∕3，世界平均水平的1∕5，属中度缺水地区[14]。农业一直是吉林省最大的用水部门，2019年农业用水量占到了全省总用水量的70.6%。此外，吉林省的农业机械化已发展多年，农业机械化水平逐年提高，对能源的需求量也日益增加。水资源和能源供给已经成为了影响吉林省粮食生产的重要因素。

2.1 农作物的水足迹核算模型

2002年Hoekstra等受到虚拟水理论的启发，提出了水足迹的概念[15]。产品水足迹指供应链中所有过程水的消耗和污染，包括蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹。对于农作物而言，蓝水足迹指作物生长过程中消耗的地表和地下水，绿水足迹指作物吸收利用的有效降雨量，灰水足迹指稀释农药化肥等污染物的水量[16]，综上，农作物的水足迹可以表示为：

式（1）中，WF表示农作物生长过程中的总水足迹（m3），WFblue、WFgreen、WFgrey分别表示农作物的蓝水、绿水、灰水足迹（m3）。

农作物的蓝水和绿水足迹是通过累积整个生长期内的日蒸散量来计算，通常使用的模型是联合国粮农组织FAO-56提供的Cropwat模型[17,18]，该模型提供作物需水量法和灌溉制度法两种核算方案，该文采用作物需水量法进行计算，农作物蓝水和绿水足迹可表示为：

式（2）（3）中，ETc表示单位面积农作物的蒸发蒸腾水量（mm），以标准彭曼公式计算；
其中涉及的作物生育期和作物系数，均参考FAO推荐的作物系数表，该表给出了84种作物在不同生长环境条件下的参数，该文结合吉林省相关农业政策及作物生长实际环境条件，确定最终参数代入计算，Peff表示有效降雨量（mm）；
n表示农作物全生育期天数，d=1，2，3，…；
A表示农作物的种植面积（hm2），ETc和Peff使用Cropwat8.0软件辅助计算。

农作物灰水足迹主要核算生长过程中的化肥、农药所造成的水资源污染量，可用式（4）进行计算。

式（4）中，a表示淋溶率，即进入水体污染量占总化学物质施用量的比例；
AR表示农作物单位面积的化肥施用量（kg∕hm2）；
cmax表示最大环境容许污染物浓度（kg∕m3）；
cnat表示污染物的自然本底浓度（kg∕m3），一般默认为0[19]。该研究中污染物仅考虑氮肥污染。

2.2 农作物的能源消耗核算模型

农作物的能源使用量定义为农作物生长过程中所消耗的全部能源，可分为直接能源和间接能源[20]。直接能源指农作物生产过程中使用的燃料和电力，间接能源指农药、化肥和农业机械等中间投入所包含的能源[21]。该文采用能耗系数（单位能源投入的热值当量）统一核算农作物的能源消耗量，则各项能源投入的消耗表示为投入量（I）与相应能耗系数（N）的乘积。

农作物种植过程中，燃料的主要用途是为农业机械提供动力来源，包括汽油、柴油、天然气、燃料油等，电力主要用于农业灌溉[22]，化肥主要包括氮肥、磷肥、钾肥和复合肥。各项能源投入的消耗计算为：

式（6）至（9）中，Efuel、Eelec、Epest、Efert表示农作物单位种植面积的燃料、电力、农药、化肥能耗（kJ∕hm2）；
F1、F2、F3分别表示燃料、电力、农药费用；
P1、P2、P3分别表示燃料、电力、农药单位价格；
N1、N2、N3、N4分别表示燃料、电力、农药、化肥的能耗系数；
f1、f2、f3、f4、f5分别表示农作物的单位面积燃料动力费、机械作业费、排灌费、水费、农药费，b表示购买燃料动力费在机械作业费中的比重，按照40%计算[23]；
Q4表示单位面积化肥用量（kg∕hm2）。

农作物能源消耗总量为：

式（10）中，EU表示农作物的能源消耗总量；
Etot表示农作物单位种植面积的总能源消耗；
A表示农作物的种植面积。

2.3 多目标种植结构优化模型

种植结构优化是在有限资源约束下通过调整农作物的种植面积，优化资源配置，从而实现粮食生产目标，保障国家粮食安全的有效手段。该研究以经济效益最大及化肥施用量最小为目标，以水稻、小麦、玉米、大豆、马铃薯、花生、烤烟、甜菜8种作物的种植面积xi(i=1，2，3，…，8)为决策变量，构建种植结构优化模型。

2.3.1 目标函数

对于国家而言，粮食生产的主要目标是保障国家粮食安全，但对于区域或个人而言，还需要实现可观的经济收益，因此该文设定的第一个目标为经济效益最大化。

农作物生产过程会施用化肥或农药，对环境造成污染，其施用量可以在一定程度上表达出作物种植对环境的影响，该文以化肥施用量最小反映生态效益。

2.3.2 约束条件

而陆游基本上属于主观型或情绪化的诗人，创作时的心境或情绪决定他作品的情调，因此他的喜怒哀乐等各种情绪，都直白且外露地表现在他所有的作品里。他的梁益地域文化书写也不例外。陆游在梁益地区生活时创作的诗歌主调是哀怨忧愤，主要是因为他这一时期的情绪一直比较消沉悲观。

种植结构受到自然资源、社会需求、国家政策等多方面的约束，该文综合考虑水资源、土地、能源、粮食、政策条件等因素，设定以下约束条件。

第一步，土地资源约束。伴随工业化、城市化发展，区域耕地面积面临严峻威胁，本着严格保护耕地的原则，规划期的耕地面积不应该小于基期，各类农作物种植面积综合不应大于规划期耕地总面积。根据《吉林省人民政府关于2018年度耕地保护目标责任制考核情况的通报》（吉政函〔2019〕75号），2018年吉林省的耕地总面积为698.87万hm2。

第二步，水、能源资源约束。种植结构优化的目的是在既定目标下对有限资源的高效配置，因此在不增加资源消耗的情况下实现规划期粮食生产目标需设定优化后规划期的资源消耗量不大于基期消耗量。

第三步，粮食安全约束。粮食主产区产粮不仅需要满足当地的粮食需求，还需要实现国家既定的粮食生产目标，为国家粮食安全负责，因此规划期粮食生产总量至少要达到该期粮食生产的最低要求。根据《吉林省农业现代化总体规划（2016—2025年）》要求，2025年吉林省粮食的最低要求量为3 750万t。

第四步，政策约束。为适应区域的资源禀赋和发展目标，其农作物种植需满足国家或区域多种政策规划的约束。根据《吉林省农业可持续发展规划（2016—2030年）》及《吉林省农业现代化总体规划（2016—2025年）》，到2025年应调减玉米53.34万hm2（800万亩)，大豆、水稻种植面积增加6.14万hm2(92.03万亩）。此外，依据《2015年农业部发布的关于“镰刀弯”地区玉米结构调整的指导意见》，要依据当地条件重点调减玉米种植面积，适宜开发杂粮杂豆和油料作物，且粮食作物总体产量不应减少。

第五步，生物质能约束。生物质能是粮食附产物转化为能源的重要表现形式。农业种植中的生物质能主要来自于秸秆资源，而水稻、玉米、大豆、油料和甜菜是农作物秸秆的主要来源。秸秆资源产量可用农作物产量及草谷比系数进行核算[24]。根据《吉林省保护性耕作推进行动方案（2020-2025）》，针对玉米、大豆等作物大力推广秸秆覆盖还田保护性耕作技术，秸秆还田将成为未来大量消耗秸秆资源的一个重要途径，因此，该文中秸秆转化生物质能仅需满足政策最低要求，依据《吉林省秸秆综合利用中长期规划（2016-2025）》，2025年吉林省秸秆资源折算标煤最低要求量为670万t。

上述模型涉及的参数含义如表1所示。

表1 多目标优化模型中的参数含义

2.4 数据来源

该文以2018年为基期，2025年为规划期对吉林省开展实证研究。研究数据主要来自统计年鉴、官方推荐或参考文献 （表2）。由于该研究涉及到的变量复杂繁多，在进行了大量文献研究和数据梳理后，对个别计算进行了简化。如：水足迹模型中，灰水足迹核算仅考虑氮肥污染，氮肥的淋溶率取10%[25]；
能量核算中，对于燃料的核算仅考虑柴油[26]。此外，各类农作物的单位面积产量根据历史数据采用二次指数平滑法进行预测。

表2 数据来源说明

3.1 吉林省主要农作物水足迹分析

根据水足迹计算结果，2004—2008年吉林省主要农作物的单产水足迹变化如图2所示。比较多年均值可以发现各类农作物单产水足迹存在较大差异，其中小麦的单产水足迹均值达到1 529.03m3∕t，属极高耗水作物；
花生、大豆和烤烟的单产水足迹均值在1 000～1 300m3∕t，属高耗水作物；
马铃薯、玉米和水稻的单产水足迹均值在700～900m3∕t，属中耗水作物；
甜菜的单产水足迹均值为181.98m3∕t，属低耗水作物。就单产水足迹年际变化而言，甜菜、玉米和烤烟的变化幅度较小；
花生和烤烟的变化幅度稍大，且有异常点出现，原因是当年该作物的单位面积产量明显下降，而水消耗总量并未明显减少；
马铃薯、大豆和小麦的变化幅度较大，其中2005—2009年马铃薯单产水足迹几近其他年份的2～3倍，主要是由于此期间马铃薯的种植面积较大但种植水平较低，导致生产效率低下，单产耗水量较大，2005—2007年大豆单产水足迹均小于900m3∕t，远低于其他年份，原因是此期间的种植规模较大，存在规模效应，小麦的单产水足迹波动明显且均匀，但总体上种植规模较大的年份单产水足迹相对较小。

图2 2004—2018年吉林省主要农作物单产水足迹箱线图

水稻和玉米是吉林省种植面积最大的两种农作物，就单产水足迹而言均属于中耗水作物，但两者的水足迹结构却有明显区别。如图3所示，水稻的水足迹构成以蓝水和绿水为主，除个别年份外蓝水足迹占比均在40%左右，说明水稻对灌溉用水的依赖程度较高，给区域可用水资源带来的压力较大。玉米的水足迹构成则以绿水为主，其蓝水足迹波动主要受当年降雨量的影响，总体而言人工灌溉压力较小。两者的灰水足迹占比均不大，但对于中度缺水地区而言仍不可忽视其带来的水资源污染。

图3 2004—2018年水稻和玉米单产水足迹结构

总水足迹计算结果如图4所示，2004—2018年吉林省主要农作物总水足迹呈现波动上升趋势，从233.4亿m3增长到300.8亿m3。其中，玉米和水稻的水足迹占据了总水足迹的80%以上，是吉林省农作物水足迹的主要贡献者。就年际变化而言，玉米、水稻和花生的水足迹呈现一定的上升趋势，其余农作物的水足迹波动下降，其变化规律与相应作物的种植面积变化规律基本一致，因此，调整作物种植面积对区域的水资源配置具有重要作用。

图4 2004—2018年吉林省主要农作物水足迹

3.2 吉林省主要农作物能源消耗分析

根据能耗计算结果，2004—2008年吉林省主要农作物的单产能耗变化如图5所示。其中烤烟的单产能耗均值达到16.32GJ∕t，远高于其他作物，属极高耗能作物；
小麦的单产能耗均值为5.93 GJ∕t，属高耗能作物；
马铃薯、大豆、花生、水稻和玉米的单产能耗均值在1～5GJ∕t，属中耗能作物；
甜菜的单产能耗均值低于1GJ∕t，属低耗能作物。就单产能耗的年际变化而言，烤烟的变化幅度最大，且明显波动主要出现在2007年前，原因是吉林省的烤烟在2007年后开始逐步提高农业机械化水平并推进规模种植，虽增加了耗能但能源使用效率却更高，单产能耗也趋于稳定；
大豆和小麦变化幅度稍大，但其波动规律在很大程度上受到种植规模的影响，规模越大单产能耗越小；
其余作物的总体变化幅度均较小，但甜菜和马铃薯有异常点出现，原因是在当年该作物的种植面积有明显变化，使得原有种植水平与规模不相匹配，单产能耗陡增。

图5 2004—2018年吉林省主要农作物单产能耗箱线图

剖析各类农作物的能耗结构，如表3所示，发现烤烟的能源消耗以柴油为主，其次是化肥和农药，电力的消耗相对较少。柴油的消耗主要是农药机械化水平的提高所导致，只有适当扩大种植规模才能充分发挥机械化优势，提高能源效率。受到种植土地类型和种植规模的影响，玉米、大豆、马铃薯和花生的主要能耗为化肥。水稻、小麦和甜菜的主要能耗是电力，其原因是这3类作物对蓝水的需求较大，需通过电力灌溉来满足。

表3 2004—2018年吉林省农作物生产能耗均值结构 %

总能耗计算结果如图6所示，2004—2018年吉林省主要农作物总能耗呈现明显的上升趋势，从4 411.3万GJ增长到9 305万GJ。其中，由于种植面积的绝对优势，玉米和水稻仍是所有作物中能源消耗的主要贡献者。就年际变化而言，玉米、水稻和花生的总能耗波动上升，而其他农作物变化略有下降，此规律与水足迹变化几乎一致，说明作物种植面积变化对其总能耗和总水足迹具有重要影响。

图6 2004—2018年吉林省主要农作物能源消耗

3.3 吉林省种植结构优化结果

该文采用模糊多目标规划法，引入隶属度函数将多目标问题转化为单目标进行求解。转化时将两个目标同等看待，因此模糊目标的权重系数均取1∕2，此外，伸缩性指标采用相应目标函数的极差表示，求解所得的优化结果如表4所示。

表4 吉林省农业种植结构优化

优化结果显示，规划期吉林省主要农作物的种植面积及比例均一定程度的变化。就总种植面积而言，基期种植总面积为564.75万hm2，优化后略有增加，变为577.86万hm2。比较各类作物的变化幅度，可以发现玉米和水稻的变化幅度最大，玉米种植面积减少54.71万hm2，比例下降了11.17%，水稻种植面积增加42.35万hm2，比例上升了6.99%；
马铃薯和甜菜作为典型的低耗水低耗能作物，其种植面积及比例也有比较明显的增加，其中马铃薯种植面积增加13.77万hm2，比例上升了2.37%，甜菜种植面积增加5.68万hm2，比例上升了0.98%；
大豆和花生作为中等消耗作物，其变化幅度较小，种植面积分别增加2.48万hm2和3.51万hm2，比例分别上升了0.32%和0.51%；
小麦和烤烟作为典型的高耗水高耗能作物，其种植面积及比例基本维持稳定。总体而言，优化后的粮食作物种植面积增加3.89万hm2，增长率仅为0.72%，而经济作物种植面积增加9.22万hm2，增长率达到了36.64%，优化结果基本满足《吉林省农业现代化总体规划（2016—2025年）》中提到的稳粮优经，调减玉米种植面积，积极发展其他农作物，实现区域农业协调发展的要求。

种植结构优化的目的是优化资源配置，保障粮食安全，同时实现目标效益，根据优化结果，规划期的各类效益如表5所示。

表5 吉林省种植业规划期与基期效益对比

种植结构优化后，吉林省种植业的效益均有明显提升。总经济效益从143.57亿元增长到192.94亿元，增加了34.38%；
化肥施用量从206.42万t降低到167.84万t，减少了18.69%；
粮食单产能力从6.71t∕hm2增长为6.97t∕hm2，粮食总产量增加了191.11万t；
水足迹减少了15.12亿m3，能源消耗减少了555万GJ，单位水资源带来的经济效益从0.4元∕m3增长到0.64元∕m3，单位能耗带来的经济效益从15.43元∕万MJ增长到22.05元∕万MJ，资源利用效率明显提高；
可利用秸秆资源从1 254万t增长到1 581.9万t，生物质能产量增加26.14%。综上，优化后的种植结构既能满足吉林省的各项政策规划要求，又能实现资源的有效利用，减轻区域的水能资源压力，促进农业种植中水、能源和土地的合理配置，协调经济效益与生态效益，实现农业种植的可持续发展。

4.1 结论

该文以水—能—粮关联关系为研究视角，对吉林省主要农作物的水资源和能源消耗情况进行了剖析，并构建了区域农作物种植结构多目标优化模型，得出以下结论。

（1）根据8种农作物的水足迹和能耗计算结果，小麦和烤烟属于高耗水高耗能作物，花生和大豆属于高耗水中耗能作物，马铃薯、水稻和玉米属于中耗水中耗能作物，甜菜属于低耗水低耗能作物。此外，各类作物的水足迹及能耗结构存在明显差异。水稻是典型的蓝水消耗型作物，而玉米是典型的绿水消耗型作物。对于能耗结构，玉米、大豆、马铃薯和花生的主要能耗为化肥，水稻、小麦和甜菜的主要能耗是电力，烤烟的主要能耗是柴油。

（2）种植面积是影响作物水能资源消耗总量变化的重要因素，两者基本呈正相关。随着种植技术的进步和种植条件的改善，多数农作物的水能资源利用效率均有提高。在种植技术与作物规模相适应的情况下，大豆和小麦的水能资源利用效率存在明显的规模效应。

（3）优化后的种植结构方案玉米种植面积比例明显下降，水稻、马铃薯和甜菜的种植比例显著提高，完全符合吉林省稳粮优经，重点调减玉米种植面积的要求。在效益方面，优化后的种植结构可减小水足迹5.02%，减少能耗5.96%，生物质能增长26.14%，粮食产量增长5.27%，经济效益提高34.38%，生态效益提高18.69%，整体方案具有趋于低耗能、低耗水、高收益、耕地规模稳定的特点。

4.2 建议

吉林省是农业大省，担有保障国家粮食安全的重要使命，但吉林省自身的水能资源并不丰富，农村生态环境也亟待改善。在乡村振兴与农业现代化建设的大背景下，如何权衡土地生态环境与农业经济效益是区域农业可持续发展的关键，鉴于此提出以下建议。

（1）通过划定玉米、水稻、马铃薯粮食生产功能区和大豆、花生等重要农产品生产保护区保障各类作物的基本供给要求，根据区域资源禀赋特点建设特色农产品优势区，科学规划土地资源，构建生态适应型种植结构。

（2）明确区域农业种植的节能节水指标及化肥农药的防治红线，建立健全农业水资源与能源的管控体系，持续推进农业节水节能技术创新和种植技术改进，促进种植技术与种植规模相适应，充分发挥种植规模效益。

（3）建立以绿色生态为导向的农业补贴政策体系，加强对农民的种植技术培训和政策宣传，引导当地农民优先发展低耗水、低耗能、低污染、高收益作物，降低种植结构调整风险。