水足迹视角下西北旱区种植结构协同调整.pdf

水足迹视角下西北旱区种植结构协同调整张家欣1,2，黄会平4，韩宇平4，邓铭江1,3，杨涛1,2（1.河海大学水文水资源学院,南京210098；2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京210098；3.新疆寒旱区水资源与生态水利工程研究中心,乌鲁木齐830000；4.华北水利水电大学水资源学院,郑州450046）摘要：以西北旱区为例，采用水足迹模型，分析主要农作物的耗水特点，并以水资源消耗量最小、生态安全和经济效益最大化为目标，构建以耕地资源、水资源和食物安全为约束条件的多目标规划模型对种植结构进行优化。结果表明：20002020 年西北旱区主要作物产量增长 2.41 倍，种植面积增长 1.24 倍，粮食作物和经济作物的种植比例由 2:1 向 1:1 转变，种植结构由专一化向多样化发展；作物生产水足迹总量从 838.70 亿 m3增至 1109.05 亿 m3，其中蓝水足迹占比高达 79.09%，农业生产面临着巨大的水资源压力；调整作物种植结构，适当将蔬菜、薯类和豆类的种植面积提高 140.593 万hm2、1.863 万hm2和 0.340 万hm2，水资源消耗量可减少 107.25 亿 m3，生态效益可提高 27.47 亿元，经济效益可提高 470.74 亿元。研究结果对促进西北旱区农业结构优化调整和水资源可持续利用具有重要的参考价值。关键词：西北旱区；水足迹；农业种植结构优化；水安全；生态安全；食物安全中图分类号：TV213文献标志码：ADOI：10.13476/ki.nsbdqk.2023.0073西北旱区有许多重要的农业生产区，例如被称为“西北粮仓”的河西走廊、被称为“塞上江南”的宁夏平原以及被称为“塞外粮仓”的河套平原1-2。2016 年西北地区利用了全国8.5%的水资源和16.1%的种植面积，生产了全国 13.7%的粮食3。因此，西北地区的农业生产对国家粮食安全乃至世界粮食安全具有重要影响4。然而，西北旱区水资源极其稀缺，仅占全国的 5.7%，农业用水占到该地区用水总量的 80%5。因此，研究西北旱区农作物生产水足迹对提高农业水资源用水效率、保障区域食物安全具有重要意义。水足迹是国际上水资源定量核算评估的重要工具之一6。农业水足迹是水足迹中所占比例最大的部分，是指除去工业和生态水足迹以外的水足迹，具体是指一定时期和区域内农业在生产和消费过程中所消耗的淡水量，是评价和调控农业水资源消耗的重要指标7。目前，关于水足迹的研究大都围绕全球、国家、省域和流域等不同空间尺度，从产品、产业和消费者等不同视角的水足迹量化8，而对于水足迹视角下全流域农业结构调整已有研究涉及较少。本文在 20002020 年西北旱区气象、农业生产和消费等数据的基础上，量化作物水足迹（蓝水足迹和绿水足迹）的变化特征，构建多目标优化调控模型，探讨水资源集约节约利用及保障食物安全角度下的农业发展路径，为缓解西北旱区水资源压力、调整食物生产空间布局结构提供理论支持，从而促进该区农业可持续发展。1研究区概况和数据来源1.1研究区概况西北旱区（73E120E，30N50N）包括新疆、青海、甘肃、宁夏、陕西和内蒙古 6 个省（自治区）的 60 个市（州），总面积约 370 万 km2，占我国国收稿日期：2022-12-28修回日期：2023-05-09网络出版时间：2023-07-10网络出版地址：https:/ 38.52%，属于干旱半干旱气候，多年平均降 水 量 小于 400mm，多 年 平 均 潜 在 蒸 发 量 为927.69mm，多年平均水资源总量仅为 1.591011m3，仅占我国总量的 5.7%，是我国最缺水的地区5，9。然而，该区土地、光和热资源丰富，分布着我国重要的农业生产区和耕地后备资源基地，保障着我国粮食安全。因此，对西北旱区农业生产过程中水资源利用现状科学评价可为该地区农业可持续发展提供理论支撑。1.2数据来源采用的气象数据来源于中国气象数据共享服务网（http:/ 205 个气象站 20002020 年逐日地面观测数据，包括降水、相对湿度、风速、日照时数、最高气温和最低气温。主要作物生育期和作物系数参考联合国粮农组织（FAO）灌溉排水（第 56 号）报告、中国主要作物需水量与灌溉、北方地区主要农作物灌溉用水定额及相关文献10-13。各市主要农作物产量、播种面积、人口等数据来源于中国统计年鉴、各省（自治区）统 计 年 鉴、各 市（州）统 计 年 鉴 和 水 资 源公报（20002020 年）。主要农产品收益和成本来源于全国农产品成本收益资料汇编（20002020 年）。2研究方法2.1作物生产水足迹核算作物生产水足迹由蓝水足迹和绿水足迹组成，用于反映作物生产用水类型和数量，计算公式14-15为WF=WF,blue+WF,green（1）式中：WF为作物生产水足迹，m3/kg；WF,green为作物生产绿水足迹，m3/kg；WF,blue为作物生产蓝水足迹，m3/kg。作物生产绿水、蓝水足迹分别由作物生育期腾发量中的蓝水、绿水部分与作物单产作比求得，计算公式为WF,blue=10ETblueY（2）WF,green=10ETgreenY（3）式中：ETblue、ETgreen分别为作物生长期的蓝水、绿水腾发量，mm；10 为单位换算系数，将水深（mm）转换为单位面积水量，m3/hm2；Y 为作物单位面积产量，kg/hm2。作物生长期蓝水、绿水腾发量的计算公式16为ETgreen=min(ETc,Peff)（4）ETblue=max(0,ETcPeff)（5）式中：ETc为作物需水量17，mm；Peff为作物生育期所利用的有效降水量，mm，利用美国农业部土壤保持局推荐的 USDASCS 方法计算18。2.2作物种植结构优化多目标优化问题是指需要同时优化两个或两个以上目标的问题，这些目标可能是相互矛盾的19。本研究以 2020 年为典型年，利用 MATLAB 多目标遗传算法对西北旱区的作物种植结构进行优化求解20。2.2.1目标函数水资源利用目标：水资源消耗量最小。作物蓝水资源消耗量最小，计算公式为minUblue=6i=110j=1xijqijCij,blue（6）式中：Ublue为研究时段内的作物生产蓝水足迹总量，m3；Cij,blue为区域 i 作物 j 的生产蓝水足迹，m3/kg；i为西北旱区 6 省（自治区）；j 为典型作物；xij为区域i 作物 j 的种植面积，hm2；qij为区域 i 作物 j 的产量，kg/hm2。作物绿水足迹占比最大，计算公式为maxUgreen=6i=110j=1xijqijCij,green6i=110j=1xijqijCij（7）式中：Ugreen为研究时段内的作物生产绿水足迹总量，m3；Cij,green为区域 i 作物 j 的生产绿水足迹，kg/hm2；Cij为区域 i 作物 j 的生产总水足迹。生态安全目标：生态效益最大，计算公式为maxMeco=4.016i=110j=1ejxij（8）ej式中：Meco为生态效益，元；4.01 为生态服务价值的当量因子，分别为食物生产（0.85）、原材料生产（0.40）、水资源供给（0.02）、气体调节（0.67）、气候调节（0.36）、净化环境（0.10）、水文调节（0.27）、土壤保持（1.03）、维护养分循环（0.12）、生物多样性（0.13）、提高美学景观（0.06）11 种当量因子之和；为 一 个 生 态 服 务 价 值 当 量 因 子 的 经 济 价 值，元/hm2。经济目标：作物净效益最大，计算公式为第21卷第4期南水北调与水利科技（中英文）2023年 8 月752maxM=6i=110j=1xijqij（PijDij）（9）式中：M 为作物净效益，元；Pij为区域 i 作物 j 的售价，元/kg；Dij为区域 i 作物 j 的生产成本，元/kg。2.2.2约束条件耕地面积约束。随着城市化的快速发展，粮食作物种植面积进一步增加的潜力较小，故作物的种植面积上限设为现状年的作物种植面积之和。此外，考虑约 30%的农户可接受种植结构的调整，故将各作物种植面积的下限设置为现状年的 70%，计算公式为6i=110j=1xij6i=110j=1xij,2020（10）70%xij,2020 xij10j=1xij,2020（11）式中：xij,2020为区域i 作物j 现状年的种植面积，hm2。农业用水量约束。所种植作物的农业灌溉用水量不能超过该年度所能提供的灌溉用水的总量，计算公式为6i=110j=1xijqijCij,blue B（12）式中：B 为西北旱区全年可提供的灌溉用水的总量，m3。食物安全约束。食物安全约束的计算公式为6i=110j=1xijqij6i=110j=1PiDj（13）式中：Pi为区域 i 的人口数量，万人；Dj为人均作物j 的需求量，kg。依据中国居民膳食指南 2021 可知：年人均谷物（水稻、小麦和玉米）、薯类、大豆、蔬菜、水果、食用油（油料出油率按 40%来计算）分别为91.25、36.50、9.10、109.50、73.00、9.13kg21；2020年人均棉花占有量为 4.2kg。非负约束。所有作物的种植面积都不应为负数，计算公式为0 xij,i,j(i=1,2,3,6;j=1,2,3,10)（14）3结果与分析3.1西北旱区作物生产现状分析3.1.1作物产量演变特征西北旱区主要作物总产量在时间序列上呈现增加趋势，由 2000 年的 6976.83 万 t 增至 2020 年的16827.79 万 t，增长率为 141.20%。分阶段来看：20002003 年，主要作物总产量较低，均值仅为7051.84 万 t，该阶段国家正处于种植业结构调整过程中，加之西北旱区退耕还林工程的实施致使耕地面积减少以及西部大开发战略的实施促使城镇化、工业化步伐加快，农业劳动力供给不足，从而影响了该区域主要作物的产量；20042016 年，主要作物总产量实现了 13 年连增，并从 2008 年开始屡创新高，2016 年达到最高（18447.82 万 t），这个阶段随着我国一系列农业保护政策的出台，加快农业科技创新、推进高标准基本农田建设等措施，有效调动了农户种粮积极性；20172020 年，对粮食种植结构调整进行了全面部署，作物总产量略微减小，下降率为 2.74%。见图 1。2000200520102015202002 0004 0006 0008 00010 00012 00014 00016 00018 00020 000作物产量/万 t年份豆类水果薯类蔬菜稻谷油料玉米棉花小麦图120002020 年西北旱区作物产量变化趋势Fig.1TemporalvariationsofcropyieldinaridareaofnorthwestChinafrom2000to2020从具体作物产量变化趋势来看：玉米产量呈现出波动性增长走势，由 2000 年的 1283.83 万 t 增至2020 年的 3149.66 万 t，增长了 2.45 倍，年均增长率为 6.92%。这是随着 2003 年国家惠农政策的实施，以及政府颁布的玉米库存政策以保护性价格收购玉米，大大增加了农户种植玉米的积极性；小麦产量呈现出波动性变化，总体由 2000 年的 1380.95万 t 增至 2020 年的 1384.94 万 t；薯类产量年均增长率仅 1.46%，年均增幅 9.13 万 t，增幅明显小于小麦和玉米；稻谷产量由 2000 年的 181.54 万 t 稳定增长到 2020 年的 213.18 万 t，增长 31.64 万 t，增长变化趋势较稳定；20002020 年豆类产量呈现出减小的趋势，年均减幅 3.04 万 t，年均下降率 1.19%；棉花产量呈上升趋势，由 2000 年的 173.49 万 t 增至2020 年 的 521.67 万 t，增 长 2.01倍；油 料 产 量 由2000 年的 249.76 万 t 增至 2020 年的 366.71 万 t，增长了 0.47 倍；20002020 年蔬菜产量总体呈增长的张家欣，等水足迹视角下西北旱区种植结构协同调整753趋势，增长率为 197.02%；水果产量变化趋势基本与蔬菜一致，产量由 2000 年的1040.01 万 t 增至2020 年的 4240.34 万 t，年均增长率 14.65%，年均增幅 199.11 万 t。3.1.2作物播种面积演变特征西北旱区作物播种总面积在时间序列上整体呈现出先上升后下降的趋势，主要可分为以下几个阶段：20002002 年，受城镇化和农业结构调整等影响，作物播种面积小幅度下降，由 1448.85 万 hm2降至 1401.99 万 hm2，下降率仅为 3.23%；20032015年，得益于农业补贴政策制度的贯彻落实和严格执行、市场经济的开放以及农业机械化水平的提高，作物播种总面积呈增加趋势，增量为 578.20 万 hm2，年均增长率 2.26%。2016 年至今，建设用地的增加以及劳动力外出务工导致的耕地“撂荒”现象，一定程度上打破了原有耕地种植的规模，作物播种面积略有降低，2020 年降至 1797.46 万 hm2。见图 2。2000200520102015202002004006008001 0001 2001 4001 6001 8002 0002 200作物种植面积/万 hm2年份 豆类 蔬菜 薯类 油料 玉米 棉花 小麦 水果 稻谷图220002020 年西北旱区作物播种面积变化趋势Fig.2TemporalvariationsofcropplantingareainaridareaofnorthwestChinafrom2000to2020玉米播种面积呈现出稳定增长的趋势，由2000 年的 251.147 万 hm2增长到 2016 年的 483.990 万 hm2，后又回落到 2020 年的 458.174 万 hm2。小麦播种面积经历了“下降上升下降”3 个阶段：第一阶段“下降”过程发生在 20002004 年，播种面积由432.502 万 hm2降至 342.173 万 hm2；第二阶段“上升”过程发生在 20052010 年，该阶段小麦播种面积由 355.035 万 hm2增至 399.961 万 hm2；第三阶段的“下 降”过 程 发 生 在 20112020 年，减 少 了72.429 万 hm2。薯类播种面积呈现“倒 U 形”变化趋势。稻谷播种面积基本上呈稳定下降趋势，由2000 年的 30.727 万 hm2降至 2020 年的 23.799 万hm2，年均下降率 1.07%。豆类播种面积呈明显下降趋势，由 2000 年的 84.579 万 hm2降至 2020 年的42.655 万 hm2。棉花播种面积总体呈上升趋势，近21 年增长了 1.23 倍。油料播种面积经历了“下降上升下降”不同的发展阶段：第一阶段的“下降”过程发生在 20002007 年，受效益、劳动力等因素的影响，播种面积减少了 26.20%；第二阶段的“上升”过程发生在 20082017 年，这个时期国家推出了一系列有关油菜籽、花生、芝麻等的生产支持政策，油料播种面积进入了恢复性增长阶段，播 种 面 积由 162.993 万 hm2增 至 184.069 万 hm2；20182020 年为第三阶段。蔬菜产量总体呈增长的趋势，由 2000 年的 75.929 万 hm2增至 2020 年的148.751 万 hm2，增长了 95.91%。水果播种面积自2000 年 的 134.234 万 hm2增 至 2020 年 的 287.010万 hm2，增长了 113.81%。见图 2。3.2西北旱区作物生产水足迹总量变化特征分析3.2.1作物生产水足迹总量演变特征20002020 年西北旱区作物生产水足迹总量整体处于高位波动状态，由 2000 年的 838.70 亿 m3增至 2015 年的 1283.42 亿 m3，随后随着农业用水效率的提高降至 2020 年的 1109.05 亿 m3，年均生产水足迹总量约为 1044.38 亿 m3，见图 3。其中蓝水足迹总量增长了约 0.31 倍，年均增长率为 0.85 亿 m3，占作物生产水足迹总量的比例维持在 72.94%81.55%，仍是西北旱区作物生产用水的主要来源。受全球气候变暖的影响，伴随着降水量的增加，绿水足迹总量有所增加，从 2000 年的 166.73 亿 m3增至 2020 年的 226.09 亿 m3，增加了 59.36 亿 m3，占比由 19.88%提高到 20.39%，降低了西北旱区作物用水对于蓝水的依赖程度。需要注意的是，全球变暖促使西北旱区降水量增加的同时，也加剧了西北旱区的干旱程度，从而增加了农业用水负担及农业干旱的风险22，西北旱区食物安全用水的形势依然严峻。从作物水足迹的构成来看，具体作物生产水足迹均值由大到小依次为玉米（219.06 亿 m3）小麦（187.98 亿m3）园林水果（165.33 亿m3）棉花（134.60亿 m3）蔬菜（116.34 亿 m3）薯类（79.71 亿 m3）油料（76.66 亿 m3）豆类（31.12 亿 m3）稻谷（20.21亿 m3）瓜果（13.36 亿 m3）。其中，玉米也是蓝、绿水足迹的主要消耗者（分别占蓝水、绿水足迹总量的 21.15%、20.31%），这与西北旱区农业种植结构密切相关。见图 4。第21卷第4期南水北调与水利科技（中英文）2023年 8 月7542000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 202001002006007008009001 0001 1001 2001 3001 400水足迹/亿 m3年份蓝水足迹绿水足迹生产水足迹总量图320002020 年西北旱区作物生产水足迹总量变化趋势Fig.3TemporalvariationsoftotalwaterfootprintofcropproductioninaridareaofnorthwestChinafrom2000to2020具体作物生产水足迹总量时间演变过程：小麦和豆类生产水足迹总量表现出下降趋势，分别由2000 年的 225.73 亿 m3和 44.09 亿 m3降至 2020 年的 167.13 亿 m3和 21.28 亿 m3。玉米、蔬菜、棉花、瓜果和园林水果生产水足迹总量呈现出显著增加趋势：玉米增速最快，年均增长率 8.53%；园林水果次 之，从 2000 年 的 88.50 亿 m3增 至 2020 年 的196.53 亿 m3，年均增长率 6.34%；瓜果增速最慢，近21 年仅增加 8.48 亿 m3（图 5），这主要归功于区域产业结构的调整。20002020 年，我国大豆进口量呈现出显著增加的态势，2020 年进口规模超 1 亿 t。受大豆进口量的影响，西北旱区豆类播种面积和产量显著减少，一定程度上降低了豆类生产对水资源的需求量。与此同时，在国家政策调控下，农户更倾向于种植玉米，大大增加了玉米的种植力度。2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 20200100200300作物生产绿水足迹总量/亿 m3年份(a)绿水足迹(b)蓝水足迹小麦棉花薯类油料稻谷瓜果豆类园林水果玉米蔬菜2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 202002004006008001 0001 200作物生产蓝水足迹总量/亿 m3年份小麦棉花薯类油料稻谷瓜果豆类园林水果玉米蔬菜图420002020 年西北旱区具体作物生产蓝、绿水足迹总量变化趋势Fig.4TemporalvariationsoftotalblueandgreenwaterfootprintsofspecificcropproductioninaridareaofnorthwestChinafrom2000to2020小麦 棉花 水果 油料 玉米 稻谷 蔬菜 薯类 豆类050100150200250300350400450500种植面积/万 hm2 优化前 优化后作物种类图52020 年西北旱区作物种植面积优化前后对比Fig.5ComparisonbeforeandaftertheoptimizationofcropplantingareainaridareaofnorthwestChinain20203.2.2具体作物生产蓝水足迹总量演变特征西北旱区具体作物生产蓝水足迹总量均表现出与生产水足迹相似的变化规律。小麦生产蓝水足迹总量呈不显著下降趋势（P0.05），2003 年最小（120.20 亿 m3），2000 年最大（179.11 亿 m3）。玉米生产蓝水足迹总量在 20002015 年不断增加，并在 2015 年达到最大值 265.27 亿 m3，随后呈倒 U 形变化，最低值出现在 2019 年，为 186.98 亿 m3。稻谷生产蓝水足迹总量最大值为 20.96 亿 m3，最小值为12.99 亿 m3，极值比为 1.61，均值为 16.44 亿 m3，变异系数（CV）为 11.27%，说明西北旱区稻谷生产蓝水足迹总量在研究期内变化幅度不大。薯类生产蓝水足迹总量从 2000 年的 62.16 亿 m3降至 2020年的 41.18 亿 m3，降幅为 33.76%。豆类生产蓝水足迹总量呈显著减少趋势（P0.05），年均变化率为0.99 亿 m3。2000 年豆类生产蓝水足迹值最大，为34.71 亿 m3，2019 年最小，为 15.01 亿 m3。园林水果生产蓝水足迹在研究期内呈增加趋势，由 2000 年的 68.36 亿 m3增至 2020 年的 155.03 亿 m3，增加了1.27 倍。20002020 年，西北旱区瓜果生产蓝水足张家欣，等水足迹视角下西北旱区种植结构协同调整755迹增加了 111.57%，由 5.76 亿 m3增至 12.20 亿 m3。近 21 年棉花生产蓝水足迹呈显著增加趋势（P0.05），极值比为 2.76，均值为 118.35 亿 m3，CV 为29.43%。油料的生产蓝水足迹总体呈增减交替变化，最大值出现在 2000 年，为 74.95 亿 m3，最小值出现在 2007 年，为 49.90 亿 m3。见图 4。3.2.3具体作物生产绿水足迹总量演变特征从具体作物生产绿水足迹总量时间演变过程来看，20002020 年小麦生产绿水足迹总量呈下降趋势，由 2000 年的46.62 亿m3降至2020 年的32.58 亿m3。玉米生产绿水足迹总量在 20002013 年逐渐增加，在 2013 年达到最高值 61.30 亿 m3，随后呈波动变化。近 21 年稻谷生产绿水足迹总量变化较稳定，波动范围为 3.37 亿4.33 亿 m3，多年均值为 3.78 亿 m3。薯类生产绿水足迹总量整体变化不大，维持在18.43亿29.26 亿 m3。20002020 年豆类生产绿水足迹总量减少了 18.98 亿 m3，2003 年最大（11.55亿 m3），2017 年最小（4.93 亿 m3）。园林水果和瓜果生产绿水足迹总量在研究期内均呈现显著增加趋势（P0.05），分别由 2000 年的 20.14 亿 m3和 1.17亿 m3增 至 2020 年 的 41.50 亿 m3和 3.22 亿 m3。2000 年，西北旱区棉花生产绿水足迹总量为 14.59亿 m3，到 2020 年，棉花生产绿水足迹总量为 16.28亿 m3，增长了 11.60%。油料生产绿水足迹总量最大值为 12.86 亿 m3，最小值为 19.29 亿 m3，极值比为 1.50，均值为 15.79 亿 m3，CV 为 11.67%。见图 4。3.3作物种植结构优化调控3.3.1种植结构优化前后对比以 2020 年西北旱区典型作物的种植面积为基础，在不增加资金、技术投入、用水量和耕地面积的前提下，最大限度优化种植结构，在缓解区域水资源和保障生态安全的基础上促进区域经济发展。优化后的种植结构正是充分考虑西北旱区的生态安全、水安全和经济社会发展，以满足食物最低需求、种植面积和农业用水量为约束的结果。优化后的作物种植结构与 2020 年相比，表现出不同程度的变化。整体而言，相较于现状的 1797.46 万 hm2，调整后的西北旱区作物种植面积减少 16.76%，为1496.26 万 hm2，见图 5。这在一定程度上缓解了西北旱区的水资源、耕地资源压力，保障了西北旱区的水安全和生态安全。从具体作物来看：种植结构优化后小麦的种植面积减少 29.99%，从 309.662 万 hm2减少到216.800 万 hm2。玉米种植面积减少 132.414 万 hm2。这个结果与全国种植业结构调整规划（20162020 年）的玉米种植面积一致。稻谷的种植面积减少 30.01%，豆类种植面积提高 0.80%，从 42.655万 hm2增至 42.995 万 hm2。薯类种植面积略微增长，从 128.79 万 hm2增加到 130.653 万 hm2。水果的种植面积减少了 82.523 万 hm2，蔬菜种植面积增加140.593 万 hm2。棉花种植面积从 251.926 万 hm2减少到 177.897 万 hm2。油料种植面积优化后减少21.56%。见图 5。3.3.2目标函数值优化前后对比水资源消耗目标函数值。考虑到西北旱区水资源消耗问题，通过提高蓝水利用效率、发挥节水效益，进而缓解区域水资源压力。经作物种植结构优化后，西北旱区蓝水利用量可减少 107.25 亿 m3。从具体作物来看：调整后的玉米蓝水利用量减少最多，较调整前减少了 62.98 亿 m3；其次是水果，较现状年减少了 49.61 亿 m3；而后依次是棉花、小麦、油料和稻谷。豆类、薯类和蔬菜的蓝水利用量有所增加，这主要是在综合考虑各个目标函数的基础上进行的优化，而非对水资源利用量单一进行优化。见图6。生态安全目标函数值。西北旱区是我国极其重要的生态屏障，改善生态系统、搞好生态建设是西北旱区开发建设的前提条件。因此农业生产不能仅局限于食物供给与经济产出，农业与自然之间的协调发展需要得到重视，生态效益逐渐成为农业生产过程中一个重要的考虑因素。因此，借助生态服务价值对农业生产过程中的生态效益进行量化，以追求种植结构优化后的农业生产所带来的生态效益最大，实现生态安全。050100150200250薯类豆类玉米稻谷小麦优化前优化后水果蔬菜棉花油料图62020 年西北旱区优化前后水资源消耗目标函数值Fig.6WatersafetyobjectivefunctionvaluebeforeandafteroptimizationinaridareaofnorthwestChinain2020第21卷第4期南水北调与水利科技（中英文）2023年 8 月756在不增加技术投入的基础上，仅通过种植结构优化可以提高西北旱区的生态安全水平。然而由于结构优化过程中生态安全目标函数不是单一的目标函数，还需综合考虑水安全和经济效益目标以及各种约束条件，这些因素导致模型在优化过程中进行了博弈，这也导致种植结构优化后的西北旱区生态安全目标函数值增加程度较小。仅从现状年的 645.85 亿元增加到种植结构优化后的 673.32 亿元，仅增加了 4.25%，见图 7。但这也足以说明，仅通过种植结构调整，可以提高西北旱区的生态效益，进而实现该区的生态安全。425.992.014.079.8164.421.9126.9227.43.6114.00.932.93.10.864.60.518.88.1小麦稻谷玉米豆类薯类水果蔬菜棉花油料优化前优化后图72020 年西北旱区优化前后生态安全目标函数值Fig.7EcologicalsecurityobjectivefunctionvaluebeforeandafteroptimizationinaridareaofnorthwestChinain2020经济目标函数值。为保障区域的食物安全，实现农业生产的可持续发展，必须提高农业生产的净效益，从而调动农民种地的积极性，保证高质量的劳动力。通过种植结构的优化，可明显提高西北旱区的作物净效益目标函数值，实现增值 470.74 亿元（现状为 1716.64 亿元）。见图 8。4讨论与结论4.1讨论随着我国区域经济的不平衡发展和城市化的快速推进，人口的分布与农业的生产呈明显的空间错位23-24。自 2003 年起，西北旱区作物生产量逐渐高于当地作物消费量，“北粮南运”的局面逐渐加剧，这也促使西北旱区在保障全国食物安全方面的地位逐步提升，见图 9。然而，西北旱区自身水资源十分匮乏25，给当地的食物生产带来了较大的压力。小麦 稻谷 玉米 豆类 薯类 水果 蔬菜 棉花 油料02004006008001 0001 2001 4001 600经济效益/亿元优化后优化前作物种类图82020 年西北旱区优化前后经济效益安全目标函数值Fig.8EconomicbenefitandsafetyobjectivefunctionvaluebeforeandafteroptimizationinaridareaofnorthwestChinain20202000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 20202 0004 0006 0008 00010 00012 000作物生产:消费量/万 t年份消费量生产量贸易量图920002020 年西北旱区作物生产/消费格局变化趋势（不考虑蔬菜）Fig.9Changetrendofcropproduction/consumptionpatterninaridareaofnorthwestChinafrom2000to2020(vegetablesarenotconsidered)相关研究26表明，作物种植结构的优化，有助于提高农业水资源利用效率，缓解水资源压力，促进粮食可持续生产。例如：秦智雅等24研究通过调整节水型、均衡型和发展型 3 种农业产业结构，嘉兴市农业水足迹和经济效益均实现了不同程度的优化；涂家婷等27研究发现汉江流域大部分地区在减少小麦和玉米的种植面积后，粮食作物的经济效益将提高 39%，水资源生产力将提高 12%；郭萍等28从经济、社会、资源和生态 4 个角度对河套灌区作物种植结构进行优化来缓解粮食生产过程中对环境造成的负面压力。本文的研究结果与上述结论相一致，优化后的作物种植面积可同时对资源、生态和经济带来正面效应，可为西北旱区的作物种植结构规划提供新的研究视角和更加全面合理的建议。但是，本研究未考虑作物适宜种植分区情况，未来还需进一步完善。4.2结论本文从水足迹的视角提出了农业产业结构多目标优化模型，以西北旱区为研究对象，通过核算作张家欣，等水足迹视角下西北旱区种植结构协同调整757物生产水足迹，基于水安全、生态安全、食物安全及经济效益对西北旱区作物种植结构进行了优化，主要得到以下结论：20002020 年，伴随着西北旱区农业生产规模的逐渐扩大，农业生产水足迹总量高位波动，年均生产水足迹总量超 1000 亿 m3，其中作物生产蓝水足迹比例在 72.94%81.55%波动，造成了巨大的农业供水压力。通过模型对作物种植结构进行调整后，作物种植面积降至 1496.26 万 hm2，蓝水利用量可减少107.25 亿 m3，生态效益增加 4.25%，实现经济效益增长 470.74 亿元，在保证经济效益的同时能够有效缓解当前农业水资源短缺压力，有利于保障区域水安全和生态安全。根据水足迹优化调控结果，建议西北旱区在相关规划中注重农业产业结构的优化，适当提高蔬菜、薯类和豆类的种植面积，减少其他作物的种植面积。参考文献：邓铭江.中国西北“水三线”空间格局与水资源配置方略J.地理学报,2018,73（7）：1189-1203.DOI:10.11821/dlxb201807001.1刘显.国际化绿色化背景下中国西北地区粮食安全研究D.杨凌:西北农林科技大学,2021.DOI:10.27409/ki.gxbnu.2021.0000852王玉宝,刘显,史利洁,等.西北地区水资源与食物安全可持续发展研究J.中国工程科学,2019,21（5）：38-44.DOI:10.15302/J-SSCAE-2019.05.017.3FENGBB,ZHOUL,XIED,etal.Aquantitativere-viewofwaterfootprintaccountingandsimulationforcrop production based on publications during 2002-2018J.Ecological Indicators,2021,120：106962.DOI:10.1016/j.ecolind.2020.106962.4张家欣,邓铭江,李鹏,等.虚拟水流视角下西北地区农业水资源安全格局与调控J.中国工程科学,2022,24（1）：131-140.DOI:10.15302/J-SSCAE-2022.01.014.5苗俊霞.气候变化背景下农业水足迹评价与优化模拟研究D.兰州:兰州大学,2020.DOI:10.27204/ki.glzhu.2020.0002276管驰明,张洋洋,石常峰.农业虚拟水消耗影响因素分解及时空差异:以西北5省(自治区)为例J.南水北调与水利科技(中英文),2020,18（5）：193-201.7DOI:10.13476/ki.nsbdqk.2020.0109.刘徐然,李小雅,赵耀,等.基于冬小麦水足迹的黄河流域农业结构协同调整J.人民黄河,2022,44（S1）：30-32.DOI:10.3969/j.issn.1000-1379.2022.s1.013.8邓铭江,龙爱华,李江,等.西北内陆河流域“自然社会贸易”三元水循环模式解析J.地理学报,2020,75（7）：1333-1345.DOI:10.11821/dlxb202007001.9佟玲.西北干旱内陆区石羊河流域农业耗水对变化环境响应的研究D.杨凌:西北农林科技大学,2007.10邱美娟,刘布春,刘园,等.中国北方苹果种植需水特征及降水适宜性J.应用气象学报,2021,32（2）：175-187.DOI:10.11898/10017313.20210204.11李剑萍,耿秀华,韩颖娟,等.宁夏马铃薯需水量的时空特征分析J.安徽农业科学,2011,39（26）：15888-15892+15914.DOI:10.13989/ki.0517-6611.2011.26.205.12张瑞涵.气候变化条件下黄河流域的作物灌溉需水量D.西安:西安理工大学,2019.13韩宇平,李新生,黄会平,等.京津冀作物水足迹时空分布特征及影响因子分析J.南水北调与水利科技,2018,16（4）：26-34.DOI:10.13476/ki.nsb-dqk.2018.0093.14孙世坤,王玉宝,吴普特,等.小麦生产水足迹区域差异及归因分析J.农业工程学报,2015,31（13）：142-148.DOI:10.11975/j.issn.1002-6819.2015.13.020.15王丽川,侯保灯,周毓彦,等.基于水足迹理论的北京市水资源利用评价J.南水北调与水利科技(中英文),2021,19（04）：680-688.DOI:10.13476/ki.nsbdqk.2021.0071.16ZHANGJX,DENGMJ,YANGT,etal.Spatiotem-poralpatternofreferencecropevapotranspirationandits response to meteorological factors in northwestChinaoveryears2000-2019J.EnvironmentalSci-enceandPo