农业是人类生存和发展的命脉，也是水资源使用的大户，根据相关部门统计，我国农业用水量占全国用水量的 68． 8%( 2000 年)［1 －2］。随着全球气候变暖，以降水、冰雪融水补给为主的我国西北内陆河径流量已经产生明显变化，而这种变化直接影响当地的农业灌溉用水需求，因此，近年已有较多学者进行气候变化背景下，径流量变化对农业的影响与适应研究，其中，在水资源量变化的前提下，农业种植结构如何进行调整成为目前应对径流量变化对农业影响的研究热点［3 －6］。
目前，农业种植结构调整研究的核心及目标是在水资源有限的前提下，使用数学方法、模型进行合理规划，统一协调，以实现研究区的社会 － 经济 － 生态可持续发展，如线性规划模型、单目标局势最优决策模型、多目标优化模型、多目标模糊优化模型等，其中，线性规划模型作为运筹学的重要分支，在研究有限资源的最佳分配方面应用最为广泛［7 －11］。疏勒河流域的双塔灌区是河西三大内陆河流域的重要灌区，具有研究典型性，因此文中以不对社会和生态环境产生负面影响为出发点，使用多元线性规划方法，研究双塔灌区农业种植结构的调整、优化，实现经济效益最大化，为未来我国西北灌溉农业区种植结构调整提出指导、建议。
1 材料与研究方法
1． 1 研究区介绍
双塔灌区( 94°45'E － 97°00'E，39°52'N － 41°53'N) 位于河西走廊西端，疏勒河下游盆地，东起双塔水库，西至西湖地区，地势自东向西平缓倾斜。属温带大陆性干旱气候，近 25 年( 1985 －2009 年) ，年平均气温为 9． 3℃，平均年降水量仅 47． 4mm。1985 －2009 年，气温呈增长趋势，增温速率约为 0． 5℃ /10a; 降水量呈减少趋势，近 25 年，年降水量的减速为 6． 4mm/10a，其中，2009 年年降水量为近 15 年最少( 图 1a，1b) 。
双塔灌区是疏勒河三大灌区之一，属瓜州县管辖，包括两个国营农场和西湖乡、南岔镇、瓜州乡、梁湖乡、广至藏族乡 5 个乡镇，其中，梁湖乡和广至藏族乡是 2008 年新建移民乡。2010 年，灌区农业人口 5． 2× 104人，移民乡农民人均纯收入小于 1000 元，其他乡镇介于 8000 －10000 元之间。双塔灌区以灌溉农业为主，2010 年有效灌溉面积为 15754． 46hm²( 包括复种面积) 。目前当地的粮食作物主要是小麦和玉米，经济作物主要是棉花、瓜类，油料和蔬菜，此外，还有其他少量种植作物。
1． 2 数据及来源
笔者于 2012 年 8 月 4 －18 日对双塔灌区的农作物种植面积和结构、土地利用、灌溉供水和用水情况等进行了全面实地调研与考察，以下所用数据均为此次考察获得。
( 1) 作为灌溉供水量数据来自疏勒河流域水资源管理委员会。
( 2) 农作物种植面积数据、作物单位面积产值来自灌区所在县社会经济统计年鉴( 九五、十五、十一五规划期间，即 1996 －2010 年) 。
( 3) 各类作物用水定额通过对有经验农户调研获得。
1． 3 研究方法
1． 3． 1 方法介绍
线性规划是在一定的限制条件下，求目标函数极值的问题［12 －13］。法国数学家 J． B． J． Fourier 最早于1832 年首先提出线性规划的想法，但未引起注意，之后，美国数学家 G． B． Dantzing 于 1947 年提出求解线性规划的单纯形法，为这门学科奠定了基础。进行线性规划首先需根据欲达到的目的找到决策变量，然后，根据决策变量与所需达到目的的函数关系确定目标函数，最后，由决策变量所受的限制条件确定决策变量所要满足的约束条件，因此，决策变量、约束条件、目标函数是线性规划的三要素。
即: 线性规划的标准形式要求目标函数最小化，不符合上述条件的线性模型需转换成标准形式［18］。
单纯形法是求解线性规划问题最常用且有效的算法之一，其思路为: 将线性规划方程转换成标准形式，先求得一个可行解，检验是否为最优解; 若不是，可用迭代的方法找出另一个更优的可行解，经过有限次迭代后，可以找到可行解中的最优解或者判定无最优解。在 Matlab 环境中，用单纯法求解时，基本调用函数为:
［x，fval］= linprog( c，A，b，Aeq，beq，lb，ub，x0)
其中，fval 返回目标函数的值，c 为目标函数矩阵，A 为约束条件系数，b 为约束条件，lb，ub 分别是变量 x 的下界和上界。
1． 3． 2 模型构建
将上文中提到的当地主要种植的 7 类作物种植面积( hm²) 作为决策变量( 文中选择其他作物作为一个单独种类进行分析) ，即: 小麦( x1) ，玉米( x2) ，棉花( x3) ，油料( x4) ，蔬菜( x5) ，瓜类( x6) ，其他( x7) 。对应的作物单位面积净产值表示为( 元/hm²) : 小麦( c1) ，玉米( c2) ，棉花( c3) ，油料( c4) ，蔬菜( c5) ，瓜类( c6) ，其他( c7) 。
作物种植结构调整优化的目标是使总产值 y( 元) 达到最大。因此，目标方程为:
约束方程需要满足的条件:
( 1) 主要作物种植面积受总灌溉面积的约束，2010 年灌溉面积 15754． 46hm²，因此:
( 2) 由于当地是灌溉农业，不同作物类型灌溉需水量不同，如小麦灌溉需水量 8700m3/ hm²，玉米灌溉需水量 8700m3/ hm²，棉花灌溉需水量 8700m3/ hm²，油料灌溉需水量 10500m3/ hm²，蔬菜灌溉需水量12300m3/ hm²，瓜类灌溉需水量 4500m3/ hm²，其他灌溉需水量 7635m3/ hm²。但灌区总供水量根据灌溉面积由水务部门确定单位面积供水量为 8535m3/ hm²，因此，灌溉用水量受总供水量的约束( 双塔灌区目前农业灌溉仍以常规灌溉为主，因此可假设当地未来几年节水技术覆盖程度仍较低，不予考虑) ( 需水量均为斗口定额) :
( 3) 根据已有研究，在我国农村居民的粮食消费中，细粮消费长期以来占主要地位，玉米等粗粮已不是人们的日常口粮。在我国典型北方地区，小麦是主要口粮，大米消费小于 10%，此外，大米在河西地区鲜有种植，主要是外购，因此，文中在粮食消费中仅考虑小麦。我国粮食安全线为 400kg/人·年，农村居民细粮直接消费量为 189． 8kg/人( 2004 年国家统计局统计) ，因此，结合甘肃的实际情况和已有研究，200kg /人基本能够满足对口粮的基本需求［19］。2010 年双塔灌区农业人口为 5． 19 万人，1996 － 2010 年，小麦平均单产为 7275kg/hm²，因此，口粮总产量应不小于当地农民的基本需求:
( 4) 玉米作为粮食作物仅有少部分用于口粮，主要用于饲料粮等，根据已有研究，2010 年我国人均粮食消费需求约为 350kg，而玉米平均单产为 11509kg/hm²，因此，粮食总产量也应不小于当地农民的基本需求:
( 5) 随着农民生活水平的提高，在日常生活中对蔬菜的需求与对粮食一样，成为刚性需求，因此，在对当地种植结构进行规划时，必须考虑蔬菜需求，根据《中国统计年鉴》( 2000 －2010) 对居民蔬菜消费状况的统计，我国农村居民对蔬菜的年人均消费量为 100 － 110kg/人，由于研究区在西部地区，文中选择100kg / 人作为当地居民蔬菜的基本需求，而当地 1996 － 2010 年蔬菜平均单产约为 32000kg / hm²，人口为5． 19 万人，因此，假设当地蔬菜产量基本满足当地居民需求:
( 6) 根据对研究区实地调研、甘肃省经济作物技术推广站和甘肃省农村集体财务与资产监督管理总站提供的不同作物净产值和作物用水定额，求出不同作物的单方水净产值( 元/吨) ( 单方水净产值高，说明单位水创造的价值高，即该类作物更容易在缺水的地区种植) ( 表1) 。
根据对单方水产值的计算，小麦、玉米、油料的单方水产值相对较小( ＜ 3) ，棉花、瓜类、蔬菜和其他的单方水产值相对较大( ＞3)，因此，应适当缩小单方水产值小的作物种植面积，扩大单方水产值大的作物种植面积，但由于小麦和玉米是粮食作物，种植面积大小直接影响当地的粮食安全和社会稳定，因此在此处不考虑单方水产值对小麦和玉米的约束，从而得到如下公式:
2 结果与分析
根据双塔灌区所属乡镇及农场 1996 －2010 年统计年鉴获得的作物种植面积数据进行统计分析，得到过去 15 年当地种植结构已变化情况; 根据上文中构建的线性规划模型，求解得到当地需进行的种植结构调整方案，得到表 2。
2． 1 已进行的种植结构调整
1996 － 2010 年当地农作物种植结构已发生明显变化，主要体现在: 1) 总作物种植面积明显增加，由6940． 26hm²增长到 15754． 47hm²; 2) 粮食作物种植面积趋于减少，经济作物和其他作物趋于增加，其中，粮食作物种植面积由 1996 年的 49． 9% 减小到 2010 年的 10． 6%，经济作物由 1996 年的 49． 9% 增长到2010 年的 75． 4% ; 3) 当地的净产值明显增加，由 1996 年的 8． 92 × 107元增长到 2． 90 ×108元。虽然通过近 15 年种植结构调整，农业产值有了较大水平的提高，如在保证当地农民粮食自给的前提下，较少粮食作物种植面积，减少的耕地用来增加经济作物种植，同时，经济作物中，棉花和瓜类的单位水净产值高于其他类型作物，因此，过去 15 年来，瓜类和棉花种植面积大幅度提高，但上述调整仅是农民和当地政府在经济利益等因素的驱使下进行的调整，而缺乏社会 － 经济 － 环境协调发展的统一规划。
2． 2 规划进行的种植结构调整
如利用多元线性规划方法对当地农作物种植结构进行合理规划，能够在不对当地社会和生态环境产生负面影响的前提下，最大程度提高经济效益( 表 2) ，规划后的农作物种植面积略大于 2010 年作物种植面积，但农作物总产值增长到 3． 43 ×108元，是 2010 年产值的 1． 18 倍。具体调整方案如下:
( 1) 小麦、玉米、棉花种植面积增加。其中，小麦种植面积基本不变，由原来的 1414． 2hm²，增加到1427hm²，仅增加 12． 8hm²，达到 9． 1%; 玉米种植面积由原来的 246． 2hm²增加到 676hm²，所占的比例由原来的 1． 6%增加到 4． 3%; 棉花由原来的 5390hm²，增加到 12730hm²，所占比例由原来的 34． 2%增加到 80．8% 。
( 2) 油料、蔬菜、瓜类等作物种植面积减小。其中，油料由于产量低、耗水多，不应在当地普遍种植; 蔬菜由原来的 3． 8%调整到 1． 0%，种植面积减少到 162hm²; 瓜类种植面积由 2010 年的 34． 2% 调整到 4．8% ，面积减少 4635． 47hm²; 其他类型的作物，种类繁多，无法进行规模种植，且单位水净产值较棉花和瓜类低，因此不应普及。
3 讨论
对比双塔灌区近 15 年已进行的农业种植结构调整和通过线性规划方案进行的种植结构规划，可以发现: 已进行的种植结构调整减少了粮食作物的种植面积，增加了经济作物种植面积，尤其增加了棉花、瓜类作物的种植面积。该项调整，增加了农业生产的经济效益，但并没有实现经济效益最大化，也没有考虑当地严重缺水的现象和粮食安全的要求，而仅是农户根据市场现状，在当地政府指导意见或自我意识下进行的调整，因此有必要用科学的方法对当地作物的种植结构调整进行规划以实现社会、经济、生态效益最大化。
利用多元线性规划方法对农作物种植结构进行调整研究，最主要的是将影响研究区社会 － 经济 － 生态协调发展的所有限制因素考虑进去，以便尽可能的符合当地情况，为未来当地种植结构调整提出指导。
文中在进行研究时，也是从生态、社会、经济三个方面进行考虑:1) 生态方面: 保证灌溉供水量满足当地农业用水需求，以减少当地地下水的开采，保护生态环境; 灌溉面积不能无限扩张，以便为生态林地和草地争取更大空间。2) 社会方面: 保证当地细粮产出基本能够满足当地农民对口粮需求，粗粮产出能够满足当地对饲料粮的需求，因为只有解决了人民温饱，才能减少社会的不稳定因素; 3) 经济方面: 为了在满足生态、社会不受影响的前提下，实现经济效益最大化，应增加单位水产值高的经济作物面积，减少单位水产值低的经济作物面积。
文中在进行作物种植结构线性规划研究时，没有考虑高效节水对种植结构的影响，主要是因为实施高效节水成本高，在目前的社会经济发展程度下，高效节水技术不能够大规模普及，但是随着社会进步、科技水平的发展，未来种植结构的发展需要考虑节水的影响。
4 结论
近 15 年来，在市场经济推动下，疏勒河双塔灌区种植结构调整在创造农业经济效益方面已见成效，但农业的可持续发展是社会、经济、生态三方面的可持续发展，因此需要通过合理规划，在保证粮食安全和生态稳定的前提下实现经济效益最大化，以真正实现社会、经济、生态的共赢。通过对种植结构规划，可以发现，目前已种植的粮食作物面积应该扩大以保证当时粮食安全，棉花作为单方水净产值较高的作物应该加大种植力度; 目前我国农业正向着大规划、集约化、特色经营的路线发展，小规模、分散经营的方式已经不能够适应目前的发展需求，因此，应减少一些小规模分散种植的作物种植面积。
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