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摘要 陕西渭北旱塬节水型种植结构优化研究 生态学专业硕士研究生：高琼 指导老师：王龙昌教授 摘要 水资源紧缺已成为严重制约我国农业和农村经济可持续发展的瓶颈，同时也引发了严重 的生态环境问题，我国农业和粮食生产靠大量消耗水资源、发展灌溉面积的外延型增长方式 行不通了。建立以水分利用效率和效益为中心的主要区域节水型种植结构，最大限度地提高 水分利用率和水分利用效率是我国农业可持续发展的途径。本文在旱作农田降水生产潜力研 究基础上，以提高有限水分资源利用效率为目标，对陕西省长武县为例，开展渭北旱塬节水 型种植结构优化研究。 研究所取得的主要结论有以下几点： ( 1 ) 研究揭示了渭北旱塬气候变化趋势。应用1 9 5 7 - 2 0 0 7 年气象资料，统计分析了渭 北早塬不同年际及年内降雨量变化规律。1 0 年平均降雨量以8 0 年代最高，到2 1 世纪 ( 2 0 0 0 - - 2 0 0 7 ) 比8 0 年代年均降雨量减少了2 1 1 m m 。5 0 年的年均降雨量为5 8 5 4 2 m m 。 ( 2 ) 以渭北农业气候资源为基础，探明了不同作物生育期与降水时序的耦合效应规律。 在渭北旱作农区，不同作物生育期与降水分布的吻合性存在明显差别，总体而言，秋熟作物 生长发育与降水分布基本保持同步，因而对旱区气候条件具有较好的适应性。夏熟作物特别 是冬小麦，生育期需水与降水吻合度较差。通过对旱塬主要作物生产潜力的研究得出，冬小 麦为6 7 5 3 k g h m 2 ，春玉米为8 7 4 7 k g h n l 2 ，谷糜为3 4 8 7 k g h m 2 ，薯类为6 8 9 1 k g h m 2 ，饲草作 物( 苜蓿) 为1 3 2 7 3k g h m 2 。渭北旱塬主要作物生产潜力大小依次为：苜蓿 春玉米 薯类 冬小麦 谷糜。 ( 3 ) 建立了节水型种植结构多目标模糊优化模型。农业生产本身具有多功能性，因此从 旱作农区实际特点出发，用模糊数学方法，以渭北旱塬综合效益最大为目标，以提高降水资 源利用效率为核心，同时考虑市场和社会的需求，兼顾经济、社会及生态效益，适当调整作 物种植面积和比例，优化配置水资源，建立与渭北旱塬降水资源相适应的节水型种植结构优 化模型。 ( 4 ) 提出长武县2 0 1 0 、2 0 1 5 、2 0 2 0 年的节水型种植结构优化调整方案。依据方案，2 0 1 0 、 2 0 1 5 、2 0 2 0 年粮食作物种植面积比2 0 0 7 年分别下降了1 1 、1 9 、2 4 ；经济作物种植面积 提高了7 、1 2 、1 7 ；饲料作物提高了8 ；降水资源的利用效率从2 0 0 7 年的6 8 6k g m m h m 2 两南大学硕l 学位论文 上y i - n2 0 2 0 年的1 4 0 8k g m m h m 2 。 关键词：渭北旱塬；节水型种植结构；多目标模糊优化 a b s l r a c l i i w - 一! 皇量量 s t u d y o nt h eo p t i m i z a t i o no fw a t e r - s a v i n g c r o p p i n gs t r u c t u r ei nw e i b e id r y - l a n d c a n d i d a t e ：g a oq i o n g “ 。w r a n g l o n g c h a n g s u o e r v l s e r ：l o n g c l a a n gw a n m a j o r ：e c o l o g y a b s t r a c t 缸t h ep o p u l a t i o ni n c r e a s e s ，t h es i t u a t i o no fw a t e rr e s 0 1 u * c ec r i s i sa n de n v i r o n m e n t a l d e t e r i o r a t i o nf a c e db yh u m a nb e i n g sb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s t h ew a t e rr e s o u r c ec r i s i s b e c o m e ss e r i o u s l yh i n d e r e r st ot h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fa g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n i ti s n t e f f e c t i v et h a tt h ea g r i c u l t u r ed e v e l o p m e n tr e l yo nc o n s u m i n gw a t e rr e s o u t c ea n dt h ee x p e n do f i r r i g a t i o na r e a t os e tu pac r o p p i n gs y s t e mt h a ti sa d a p t a b l et ot h er a i n f a l lr e s o u r c e sa n df a v o r a b l e t ot h er a i s eo fw a t e ru s ee f f i c i e n c ya n dr a t i oi st h eb a s i cp r e r e q u i s i t et or e a l i z es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to fa g r i c u l t u r ei nd d ，- l a n dr e g i o n s t h em a i na c h i e v e m e n t so f t h er e s e a r c ha r e 懿f o l l o w s ： 1 o nt h eb a s i so fc l i m a t ed a t ao fw e i b e id r y - l a n di np a s t5 0y e a r s ( 1 9 5 7 - - 2 0 0 7 ) ，t h er a i n f a l l d i s t r i b u t i o nl a ww i t ht i m ea n ds p a c ea n df e a t u r e sw a sa n a l y s e s i tw a ss h o w e dt h a tt h ea v e r a g e a m o u n to fr a i n f a l le v e r yt e ny e a r si sr e d u c i n g i tw a sl e s s e r2 1 11 1 1 1 1 1i n2 0 0 0 st h a nt h a ti n1 9 8 0 s t h ea v e r a g ea m o u n to f r a i n f a l li nt h ep a s t5 0y e a r sw a s5 8 5 4 2 m r m 2 t h eo v e r a l la n ds y s t e m a t i ci n v e s t i g a t i o no ft i m e s e q u e n c er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r o w t ho f d i f f e r e n tc r o p sa n dr a i n f a l ld i s t r i b u t i o nw a sd i di nt h i sp a p e r a n dw a t e ru t i l i z a t i o nc o n d i t i o no f d r y 1 a n dc r o p sw a sr e s e a r c h e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tf r o mt h ev i e w p o i n to fw a t e ra d a p t a b i l i t y , t h ea u t u m nc r o p sw e r eb e t t e rt h a nt h es u m m e rc r o p s t h es t u d yr e s u l t ss h o wt h a t i nl i n ew i t h p r o d u c t i v ep o t e n t i a lt h ec r o p sc a l lb ep u ti no r d e ra s ：a l f a l f a c o r n p o t a t o w i n t e rw h e a t m i l l e t a n dp a n i c 3 i no r d e rt oa t t a i nt h em a x i m u mc o m p r e h e n s i v eb e n e f i t so fe c o n o m i c ，s o c i e t ya n de c o l o g y , t h et h e s i se s t a b l i s h e dam u l t i o b j e c t i v ef u z z yo p t i m i z a t i o nm o d e lo fw a t e r - s a v i n gc r o p p i n g s t r u c t u r e 4 c o n c l u d et h eo p t i m i z e dp r o j e c ti nt h ey e a ro f2 0 1 0 ，2 0 1 5a n d2 0 2 0 a c c o r d i n gt ot h e p r o j e c t , c o m p a r e dw i t h2 0 0 7 ，1 1 ，1 9 ，2 4 d e c r e a s e di nc r o p sp l a n t i n ga r e ar e s p e c t i v e l y ；7 ， 12 ，17 i n c r e a s e di ne c o n o m i cc r o p sp l a n t i n ga r e a ；8 r a i s e di nf o d d e r - c r o p sp l a n t i n ga r e a a n d i i i 两南大学硕l j 学位论文 t h eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fr a i n f a l la s c e n df r o m6 8 6k g m m h m 2i n2 0 0 7t o1 4 0 8k e d m m h m 2i n 2 0 2 0 k e yw o r d s ：w e i b e id r y l a n d ；w a t e r - s a v i n gc r o p p i n gs t r u c t u r e ；m u l t i - o b j e c t i v ef u z z yo p t i m i z a t i o n m o d e l t v 独创性声明 学位论文题目：迭耍洱j 匕呈坯芷盛型盘植结捡优丝盈究 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加 了标注。 学位论文作者：? 移瑙 擀嘲7 钆z 肌和 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生部可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：南均， 裤日期：1 铀拥略日 导师签名：铷以 签字魄吖年占月多日 第1 章文献综述 第1 章文献综述 1 1 节水型种植结构的提出 罗里克拉克曾撰文指出“整个经合组织产业用水量的减少很大程度上要归功于效率的 提高”f 。而整个经济用水效率的增长有两方面原因：首先是节水科技进步所带来的各部门 用水效率的提高；其次是因为经济结构调整，即耗水量小的产业部门代替了耗水量大的产业 部门1 2 1 。农业产业也不例外，节水高效农业的发展也取决于节水科技进步和农业内部的结构 调整，尤其是种植结构调整。勿庸置疑，节水科技进步为我国农业增长做出了巨大的贡献， 但目前许多先进的农业节水技术也面临着难以大范围推广和应用的困境。 近年来，有关专家提出了农业节水型种植结构优化新理念。其指导思想是从全局考虑， 按照本地区水资源状况来科学规划农业结构和布局，分别在水资源充裕和紧缺的地区打造不 同的农业结构，量水而行，以水定发展。它在研究农业生物用水特点和区域水资源状况的基 础上，调整农业结构，合理布局，统筹安排，适水生产，科学地进行农业动植物问、物种间、 品种间的水资源配置，实现水资源与农业生产的最优耦合。简而言之，节水型种植结构优化 就是要以农业结构调整为主要手段来实现农业水资源的高效、可持续利用。节水型种植结构 优化，将微观农业节水与宏观农业节水，农业节水理论与农业结构调整实践联系了起来，起 到承上启下的作用，具有很强的现实意义 3 】。 节水型种植结构优化是农业用水管理的重要内容，其实质是现有农业水资源的合理配置 问题，是农业结构调整问题，因为种植业是农业耗水大户，在灌区，灌溉用水约占农业总用 水量的，所以主要是指通过种植业结构调整达到节水的目的。节水型种植业结构调整，即是 按照降雨和地表地下水资源的时空分布特征、水利工程和农艺节水现状，参考不同作物的需 水量，合理调整作物布局，选用作物需水与降水耦合性好、水分利用率高的作物类型和品种 考虑经济、社会和生态效益，合理安排种植制度，以充分高效利用当地水资源。 节水型种植结构可以有效地发挥区域优势，突破稀缺性资源的制约，腾置出一部分水资 源，以生产更具比较效益的作物和发展其它行业，使水资源在各种农作物的时空配置上更趋 合理，更大限度地提高农田生产力，提高整体效率，从而缓解水资源和耕地资源日益减少给 农业生产以及粮食安全造成的压力。建立节水型的农业布局和种植结构，旨在以水资源的高 效持续利用为根本目的，以种植业结构优化为主要手段，以节水工程技术、节水农业技术及 节水管理技术为支撑，兼顾经济、社会与生态效益三大目标，综合考虑外部因素影响，系统 优化区域水资源合理配置模式及其经济、社会与生态效益评价的理论与技术体系。 1 2 种植结构优化的研究进展 种植业结构的研究一直是农业领域研究中的重要内容，种植业结构的调整经历了由大力 发展粮食作物到现在有计划的压缩粮食，由追求高产到产量质量并重，由以粮为主的一元结 l 两南大学顾l 学位论文 构到追求粮经饲菜多元发展的过程，贯穿了农业的发展整个过程。 1 2 1 国外种植结构研究进展 在国外，种植制度早期的研究主要是根据世界各地的自然资源和社会条件进行农作制度 的分类和比较研究。在其发展过程中，不同国家和地区因各自不同的资源优势和经济状况， 研究方向上各有侧重人少地多农业发达的欧美国家，侧重于经济效益及其资源和环境保护而 人多地少属于生存型农业的亚非国家，则侧重于增产潜力，其研究的内容主要集中在两个方 面，一是如何充分利用有效的农业资源，二是如何生产足够的粮食【4 】。 在人多地少的发展中国家，解决温饱是首要问题，亚洲一些湿润热带地区较早形成了多 熟种植，特别是在二次世界大战后，东南亚地区在作物集约化多熟种植上取得了惊人的进步， 通过问作和套种一年同一块上地上收获次数多达5 次，从而带动了多熟种植的研究和发展， 从6 0 年代开始，种植制度研究在亚洲越来越受到重视【5 1 。由于这一阶段发达国家己基本上实 现了农业机械化，现代化农业体系初步建立，而发展中国家仍处于传统农业阶段，以“小农 经济”为特征，所以一些国际研究组织及基金会开始关注“以小农经济为主体”的发展中国 家的种植制度的发展。国际水稻研究所( m r i ) 自1 9 6 4 年起开始对东南亚湿润灌区的集约化种 植制度进行研究【6 】，这个研究所的科学家们认识到必须改变以水稻为基础的传统种植方式， 进行多熟种植提高以水稻为主体的种植制度的生产力，通过研究证明，集约化多熟种植可以 使水稻主产区很快增加粮食产量和提高收入。b r a d f i e l d t7 1 报道，在一年内同一块地上采取水 稻甜薯粒用豆甜玉米一菜用豆的种植方式，单位面积产出很高且年产值超过3 0 0 0 美元 h 1 n 2 。7 0 年代初期，大部分南亚和东南亚的国家将种植制度研究摆到更重要位置，1 9 7 5 年i r r i 组织召开了首届国际种植制度年会，逐步确定了种植制度研究的目标【8 】和方法学【9 】。因为大 部分南亚和东南亚国家的农业基本上属于生存型农业，所以他们研究的内容主要集中在两个 方面，一是如何充分利用有效的农业资源，二是如何生产足够的粮食，所以评价种植制度优 劣的标准就主要是农学产量，然后才是经济利润或甚至从来也不考虑利润【5 】，在湿润的热带 雨林地区，迫于随着人1 2 1 增加对食物产生需求压力加大，逐步产生了农林复合种植制度 i o , l l 】。 进入9 0 年代，由于受可持续农业思潮和全球经济一体化的影响，原有种植制度的观念开始发 生了改变，由追求产量增长向持续性和高效化方向转变【l2 1 。 与发展中国家不同的是，发达国家一般具有相对丰富的资源和较高的生产力，其农业建 立在完善的市场经济体制下，是以农业企业的形式进行生产，所以对整个农作系统的评价都 是从严格的经济学角度出发。美国的农业是世界上最典型的现代化农业，自1 9 世纪开始农业 商品化以来，根据国内自然条件和其它资源条件，及比较优势的原则，在作物布局上逐步形 成了一年一熟的专业化的作物种植带，而且一直以高效率闻名于世。进入8 0 年代后，由于资 源和环境问题，提出可持续农业发展计划，随之在美国展开了长期低投入种植制度的研究 1 3 , 1 4 , 1 5 。试验和研究的共同主题，就是为各个地区探讨一个长期的低投入的可持续种植制度， 2 第1 章文献综述 包括不同投入类型和不同投入水平条件下的免耕种植制度和不同作物组成的轮作制，来替代 常规种植制度。这些替代种植制度多偏重于环境保护，而忽视了经济效益，因而推广起来具 有困难。j p a t r i c km a d d c n a n dt h o m a sl d o b b s ( 1 9 9 0 ) 提出，在低投入种植制度的发展与采用过 程中，经济分析具有重要作用；农民采用低投入种植方式并不是完全排斥化学杀虫剂和化肥 的使用，特别是在过度期，而是力图用危害更小和可持续的方法来减少化学物品的投入，而 且要在技术和经济上可行；经济上获利的程度是农民生产动力的主要方面，其它方面如农民 经济受损风险，环境污染和人类健康有时比获利更重要。进入9 0 年代，许多研究者从经济效 益出发，对低投入的种植制度和常规种植制度进行比较( 】6 ，l7 1 8 】。 1 2 2 国内种植结构的研究进展 建国以来，我国在种植制度方面的研究，出于人多地少的国情，主要是以增加粮食产量 和提高土地利用率为目标，围绕以间套复种为主要内容的多熟种植制度和作物布局为研究重 点4 1 。根据其发展的社会，大致可分为三个阶段1 4 ： 第一个阶段是从5 0 年代初至8 0 年代末，在计划经济体制下以提高粮食总产为主要目标 的种植模式研究。其中5 0 年代，以扩大复种提高土地利用率为主提高粮食总产，主要研究改 单季稻为双季稻、改间作稻为连作稻、改釉稻为粳稻及改早作为水稻，南方一熟改两熟、两 熟改三熟，北方华北平原的一年一熟或两年三熟通过问套复种改变为一年两熟为主。6 0 7 0 年代，发展了强调用地与养地相结合及调整作物布局的理论，主要研究南方利用冬闲田发展 绿肥双季稻、稻麦和稻油双熟制，北方以小麦玉米两熟、麦棉套作两熟等为主要内容的两熟 制，结合适当地调整作物布局，有效地促进了粮食和经济作物生产的发展。8 0 年代是以提高 单产，提高土地生产力为主提高粮食总产，并逐步向高功能( 高产量) 高效益种植模式发展。 华北稳定一年两熟，并结合多熟种植高产作物，发展经济作物。南方发展多种形式的熟制和 熟制，并形成粮经饲初步结合。在这一阶段，主要是发展充分利用农业自然条件的多熟复种 种植方式的技术研究，多熟复种理论与技术也走向完善 4 ”9 , 2 0 j 。 第二个阶段是8 0 年代末到9 0 年代的保障食物供给和提高种植业经济效益为目标的市场 经济体制下的种植制度研究。在这一阶段，从高产高效种植实践和理论探讨，逐步走向种植 业结构调整和优化，从单纯追求产量转向开始重视质量与效益。8 0 年代后期，由单纯注重产 量，开始结合经济效益，许多研究进行了高功能高效益种植模式理论研究和实践探讨。9 0 年 代初，以作物新品种为基础，间套复种为主体，辅以地膜覆盖和精耕细作，吨粮田开发的理 论与实践掀起高潮。刘巽浩( 1 9 9 0 ) 对华北单产农田的再高产作了理论分析，认为“千斤田” 的潜力仍不小，并提出了再高产的途径，而且指出在经济效益上也是合算的。北方地区主要 以小麦、玉米为主间套复种经济作物高产高效种植模式 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 4 ，南方地区主要是以稻田为 主立体种养的高功能高效益发展模式【2 5 2 6 , 2 7 j 。9 0 年代中期，高投入高产出的集约化与可持续 发展的关系成为学术界研究的热点。张明亮2 8 】比较了黄淮海棉田各类种植模式的效益，提出 3 两南大学硕l ：学位论文 棉田高产高效立体种植模式及配套技术。陈阜 2 9 , 3 03 1 1 提出集约多熟种植是适合我国国情、高 产高效的一种农作制度，田间试验结果表明，黄淮海平原在冬小麦一夏玉米两熟模式基础上 开发“冬小麦春玉米夏玉米”多熟间套模式，年单产可突破2 0 t h m 2 ，探索的“冬小麦春玉 米夏玉米秋玉米”多熟模式，年单产达到2 2 t h m 2 ，这些模式资源利用效率高，显示了巨大 的高产潜力，是农田在吨粮基础上实现高产再高产的一种新尝试。刘巽浩【3 2 】提出现代型多熟 高产农作制是中国农业的主攻方向，并建议研究推广1 0 项多熟高产技术模式。9 0 年代后期， 由于我国农产品供求格局发生变化，解决农民增收成为突出问题，一些学者从宏观上提出了 种植制度调整的方向，总体趋势是省工省力、粮经饲多元结合、高收益型和高产型，即走多 元化、高效化道路。 第三阶段2 0 世纪末到2 1 世纪初，我国农业生产进入一个新的发展阶段，其主要特征就 是：农产品供给由长期短缺转向总量基本平衡和结构性、地区性相对过剩农业发展由追求产 量最大化转向追求效益最大化；农业的增长方式由传统投入为主向资本、技术密集型方向转 化；农业的经营形式由单纯的原料型生产逐步转向生产、加工、销售一体化的产业化经营等。 但是，从长远看，目前这种农产品的过剩只是地区性和结构性的相对过剩，许多农产品的品 种和质量并不能完全满足人们日益增长的需求变化；而且，我国加入w t o 后，与国外比较， 我国的农产品通常表现为质量较低，成本较高，在激烈竞争的国内和国际市场上处于不利地 位，将直接影响农民收入再加上人口增多，水土资源的压力越来越大。总之，进入2 1 世纪， 我国的粮食安全问题仍然不容忽视，解决农民增收问题成为迫切首要任务，资源环境问题突 出显现，所以，农业的可持续发展是未来我国农业生产的基本方向。农业发展进入新阶段， 对种植制度提出了新的要求，但是，目前的种植结构却与之不相适应，主要表现在：( 1 ) 饲 料作物没有同粮食作物分开，形成粮饲不分的局面，资源转化效率低。( 2 ) 特别是粮食结构 及品质差距明显。种植制度作为农业生产的基础与核心，种植业可持续发展直接关系到农业 生产的可持续发展。 持续高效是种植制度改革与发展的最终目标【4 】。从经济效益分析，由于务农种田的比较 收益低，农民经营土地的行为短期化倾向加剧而缺乏长期投资于土地的热情。资金、土地、 素质优良的农业劳动力大量向农业外流动，对农业的持续发展和发展集约型农业构成十分不 利的影响【3 3 1 。如果不提高土地生产力或农户的收入，由于人口压力而农民迫于生存，就不得 不毁林种田或开垦荒地，那么可持续农业发展的目标就只可能会是神话，而不会成为现实。 要让农民接收一项可持续的保护性耕作措施，其最成功的方法就是强调这些可持续技术的经 济优势，而不是强调如果不采用这项技术措施会给环境带来什么不良影响【3 4 】。高产高效吨粮 田开发是我国农业生产的一项创举，而经济效益是吨粮田开发的物质基础，也是衡量可否持 续发展的标志。我国目前农业生产所出现的徘徊，并不是粮食过剩的问题，而主要是冈为粮 食生产成本高，商品率低，效益差挫伤了生产者的积极性。例如同美国相比，美国人均占有 粮达几千都没有说粮食过剩，而我国的人均占有粮食只有4 0 0 k g 就能说是过剩吗? 差别就在于 4 第1 章文献综述 美国的农业生产是作为一种产业，农产品的商品率达到近，而我国生产的产业化程度却很低， 农产品的商品率也很低。总之，我国农业发展进入新阶段，其发展的主要制约因素已以从过 去的单纯资源约束转向资源和需求双重约束，首先因为农产品供求格局发生变化，增产不增 收导致种植收益下降，解决农民增收问题成为当前农业生产的首要任务，其次因为资源环境 问题，资源的高效利用是当前农业生产的主要内容，所以单纯以追求数量为主的农业增长方 式已经不能适应新的形势，而应转向质量和效益为主。因此，未来我国种植业系统发展的方 向和目标是持续高效。高效包括两个内容，其一是高经济效益，其二是高资源效率。只有提 高经济效益，生产者才能有增加投资和保持生产的积极性只有提高资源利用效率，才能节约 资源和维护资源的可持续利用。只有高效才会持续，高效是持续的动力，持续是高效的基础 【4 】。 1 2 3 种植结构优化方法研究进展 从调整内容和目的来看，从建国至1 9 7 8 年改革开放以前，种植业结构的调整基本由政府 操作，当时在人口不断增多的情况下，要以占世界7 的耕地养活占世界2 2 的人口，对粮、 棉、油等基本社会物质需求的压力很大，人们的温饱问题还没有很好的解决，这时的种植业 调整就是以追求高产、多产为目的，种植业结构的研究也以高产、多熟种植模式为主。在8 0 年代，生态观点和耕作学科的发展又促进了耕作学的发展，对种植业结构的研究开始着重考 虑生态方面的因素：马世俊提出农业生态系统的概念【5 2 】，章熙谷认为耕作制度单一化不能适 应多样化的自然资源5 3 1 ，高德明用生态位的观点来评价了苏南地区种植业结构调整 5 4 1 。进入 9 0 年代来，种植业的经济效益开始摆在一个重要的地位。种植业结构的调整以“多元种植”为 主体，对各个不同地区适宜的、合理的、高效的多元种植制度的研究成了研究的重剧4 5 】m ， 如长江三角洲地区及整个华东、乃至全国以粮食或粮棉为主体的种植制度向粮棉油、粮饲经、 粮饲经菜等多元多熟种植制度的改革【6 2 】【叫【6 5 1 ，认为粮经饲菜等多元种植是我国种植业结构调 整的主要方向；卞新民针对9 0 年代来种植制度向粮经饲多元种植变化的新特点【3 5 1 ，对多元 多熟中的复种指数的计算方法进行了研究；赵强基、王志敏等认为可持续农作、集约多熟超 高产仍是2 l 世纪我国粮食生产发展的重要途径【5 6 】【删，提高农民收入和改善农业生态环境该 同步进行，并建议对我国不同的熟制地区分别研究；王义贵等探讨了江苏省姜堰市几种不同 种植业结构的效益( 7 ，它们的效益排序为纯菜型 粮菜型 纯粮型 粮棉型，认为在城郊和 各乡镇附近发展纯菜型和粮菜型的种植制度能显著提高种植业效益；卢良恕、秦双月等指出 了对农业中市场研究的重要行【5 9 】【6 l 】，除了应该为农村及时准确地提供农业信息外，种植业的 发展还要走“以产促销，以销定产，供销一体化的市场路子”：陈丞、穆月英等肯定了种植业 结构调整中的市场风险性【4 7 1 ，从政府角度提出了农业保险、落实保护政策、规范市场行为等 应对市场风险的措施，但是他们都没有提出具体的市场研究方法；同时政府各种的文献都大 量的提到市场风险的概念，但是都止步于对风险的定性描述方面，对它们的定量化研究尚未 5 两南大学硕十学位论文 发现。 从研究方法上看，国内对农业结构定量分析优化始于8 0 年代，钱学森、张象枢等从理论 上阐明了系统工程在农业生产中运用的可行性和必要性口6 1 【3 7 1 ；8 0 年代以后，于贵瑞等将系统 科学原理和方法应用于种植业生产系统的管理，提出了种植业生产系统分析和优化控制方法； 线性规划、聚类分析、模糊数学，生长模拟、运筹学、灰色系统分析和可拓学等被成功地运 用到了种植业结构的研究中h 3 】脚】【4 8 】【4 9 】【5 0 】【5 1 1 ，于德贵、何建鸣、李昌新等从农业、种植业的 非线性特征出发、分别对农业产业系统、全国种植业系统和江苏沿江高沙地区种植业系统进 行了结构优化【删【6 7 】【醯】，徐秀珍等用模糊线性规划制定了三水县1 9 9 5 年种植业生产的最佳结 构决策【4 2 】，不仅将粮食作物与其他经济作物从原来的7 ：3 调为4 5 ：5 5 ，还种植业总产值提 高了1 0 左右，张宾等探讨了物元模型在农业上的应用价值【5 8 】，林潼运用物元模型对四川省 问中市岳家沟徒弟的农林利用适宜性作了评价，为农林结构优化提供了参数5 7 1 ，张光宇应用 可拓学的理论和方法，建立了土地资源优化配置的物元模型【7 0 1 ，张安录等用矩阵决策研究了 红安县农作物的适宜性，为该县的农作物结构调整提供决策依据【6 9 】；随着计算技术的迅速发 展，种植业结构的优化进入了一个新的阶段，计算机技术被不断地引入种植业优化的研究中 来，王宏广、柯建国等运用计算机技术探索了专家系统在耕作制度上的应用 3 8 】【3 9 1 ，李存东、 曹卫星等阐述了生长模拟模型、生产决策系统和专家系统等信息技术的特点及在我国农业中 重要地位哗1 ，在精确农业和持续农业的发展中具有广阔的应用前景。张卫建用g i s 分析了长 江三角洲的农牧型种植制度的可持续性【柏】，庄兆洪用g i s 为了工具开发了耕作制度地理信息 系统( f s g i s ) 【4 ，刘喜珍等用卫星遥感技术检测北京地区种植业结构调整中的方法和技术， 证明了遥感和g i s 等新兴信息技术能为种植业结构调整中的生产管理和监控提供可靠的农情 信息嗍。 1 3 节水型农业与节水型种植结构的研究现状 1 3 1 国外研究现状 1 3 。1 1 以色列节水农业研究现状 以色列是一个水资源紧缺的国家，人均水资源占有量只3 6 5 m 2 ，灌溉面积为2 2 万h m 2 ， 农业用水量为1 2 5 8 亿m 2 ，占总供水量的6 2 。为了提高灌溉水效率，在政策上，采用管理 体制、法规、经济等综合措施，对水的需求进行管理，提高农业和工业用水效率，重复利用 其有限的水资源：实行了水量计量、水价政策、灌溉过程的计算机管理和遥控、水肥同步施 用( f e r t i g a t i o n ) 。这些措施使单位面积的平均灌溉水量由1 9 7 5 年的8 7 0 0n 1 2 1 1 m 2 降为1 9 9 5 年 的5 5 0 0 m 3 h m 2 ，同时在农业总用水量不增加的情况下农业产出增长了1 2 倍。近年来推广的 灌溉水分段计价的方法使灌溉水量节省1 0 1 5 。在技术上，所有的灌溉农田都采用了喷灌 和滴灌等现代灌溉技术和自动控制技术，使灌溉水平均利用率达到9 0 ，在干早地l 又：获得了 成功的灌溉农业，实现9 2 的农产品自给 7 2 , 7 3 , 7 4 。 6 第l 章文献综述 曼曼曼曼曼曼皇鼍量蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼皇曼皇曼! 曼曼鼍! ii ；ii 皇曼曼曼曼曼曼量曼皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼 但从经济的角度来看，占总用水量6 2 的农业部门对国内生产总值的贡献率仅为2 。 冈此，以色列的农业生产发展也到了一个转折点，必需对农业生产结构进行调整，提高农业 生产的经济效益，使农业具备与其他经济部门竞争水量的能力。目前以色列已放弃了粮食自 给，增加花卉、水果、蔬菜等经济价值高、用水量少的作物的生产，走“高投入一高产出” 的农业生产模式，已建立了节水创汇型农业结构 7 5 1 。 1 3 1 2 法国节水农业研究现状 法国的水资源总量为1 0 1 0 亿m 3 ，人均水资源量为3 3 0 0m 3 。目前利用的水量为1 1 4 亿 m 3 ，人均年引水量6 6 5 m 3 。农业用水量为2 4 亿m 3 ，占总供水量的2 1 。虽然法国的水资源 较为丰富，但时空分布极为不均，南部水资源比较紧缺。法国采取了许多措施，以提高需水 量管理水平，尽最大可能平等地对待每个农场：提高水的利用效率；改善农业耕作方法，尽 量减少对自然环境的影响【7 6 】。 从管理上看，法国水管理的特点是由国家、流域管理委员会、水协会和地方水管理公司 共同参与管理。为管理好水务，近年来法国修改了水法和农业法两部法规，强调了水资源( 包 括地表水、地下水等) 的统一性，建立了以流域为单位的水资源管理体系。强调水是公共资源， 必须采取综合和平衡的管理措施协调用水户的需求和环境保护需求。从技术上看，法国建立 了良好的灌溉设施，有完善的灌溉服务体系和管理体制。在现有2 3 8 万h m 2 灌溉面积中，1 1 l 万 l i i l 2 为现代灌溉面积，占总灌溉面积的4 7 。现代灌溉面积以喷灌为主，有喷灌面积8 9 万l l m 2 ，占现代灌溉面积的8 0 。其平均水价为o 1 5 美元i n 21 7 7 1 。 法国的主要灌溉管理模式为单个灌溉工程管理模式，用于农户依靠建立在自己的农场内 的水库或地下水为灌溉水源，或直接从河流引水灌溉的情形。法国有1 2 0 万h m 2 灌溉农田采 用这种管理模式。这种管理模式的问题是如何搞好多个用水户的整体供水管理，特别是夏季， 作物的需水量达到最高峰，而同时地表河流也处在枯水期。为保护水环境，需要计划和控制 对地下水的开采和从河流中的引水量。因此，这种模式在2 0 世纪8 0 年代受到了严重的挑战， 特别是在法国西南部这样严重缺水的地区。为解决这些问题，需探索新的方法，如统一管理 水资源，并配合采取限量供水，提高水费等经济手段1 7 8 7 9 j 。 1 3 1 3 美国节水农业研究现状 美国的灌溉面积为1 9 9 9 万h m 2 ，是世界上最大的农产品出口国之一。在管理方面，美国 有很好的现代灌溉技术研究和开发支撑条件，有许多研究中心，这些中心经常深入农场与用 水户保持密切联系，技术推广不但速度快且面也很广，使现代灌溉面积发展速度很快。美国 垦务局和其他机构遍布美国各地，根据当地的气候和水源条件为灌溉农业提供良好的技术支 持。其水价基于平均成本价，不但包括运行和管理成本，也包括政府为保护水资源而附加的 费用，按用水量收取水费 8 0 s 1 s 2 。 在技术方面，美国1 1 1 1 万h m 2 农田为沟灌，占灌溉面积的5 5 6 ，喷灌和滴灌面积占灌 溉面积的2 7 ，地下灌溉技术也得到了应用。通过在加州开展了为期1 0 年的非充分灌溉研 7 两南大学硕卜学位论文 究试验，研究表明，在考虑所有投入后，应用非充分灌溉农场的净收较低，但所使用的单位 水量的收益较高。对于一些可供水量有限的地区，非充分灌溉已进入了推广应用阶段。另外， 为将灌溉农业由水资源紧缺的地区转移到水资源丰富的地区，美国进行了灌溉农业结构调整， 取得了很大成效。在2 0 世纪8 0 年代，美国有8 5 的灌溉在西部，1 5 在东部；而在2 0 世纪 9 0 年代有7 7 的灌溉面积在西部，2 3 在东部i s 3 。 以色列、法国、美国属发达国家，其节水工作也不可避免地以高投入、高效益为主，无 论对其本国还是我国，都不能说是完善的。尽管许多方式并不适合在我国大面积应用，但其 一些管理与实践方法值得效仿，如一些高新节水技术，在我国己经大量引入，并进入推广阶 段。可以看出，发达国家的发达农业均以严格、完善的法律、法规为依据，对农户用水进行 管理、调节，而在我国这方面研究仅停留在理论阶段，尽管在一些严重缺水区有了一定的用 水管理，制定了水价( 或以电价代替水价) ，但这些远远不能达到水资源的边际机会成本，无 法补偿因农业用水造成的损失，从而使节水工作不能达到预期效果。另外，国外发达国家的 灌溉农业结构调整( 如美国) 进行得卓有成效，对我国的农业节水型结构调整有着莫大的启发 1 3 1 4 埃及节水农业研究现状 埃及濒临地中海，主要受极度干燥的荒摸气候所控制，全国8 6 的土地属极度干早区， 其它属干旱区，其目前可开发利用的水资源总量为7 7 x 1 0 1 0 m 2 ，地均占有水量为1 5 7 0m 3 。其 降水集中，下埃及降水集中在1 2 月至翌年1 月，上埃及集中在5 月至1 0 月，即使在地中海 沿岸，靠天然降水也远不能满足农业生产的需要。随着水利建设的发展，埃及的土地开发和 灌溉面积迅速扩大，现已成了世界上唯一全部耕地实现常年灌溉的国家。因而，水资源的持 续利用问题也成为其经济发展的重要制约因素。 在管理方面，由政府设立灌溉总局，以下按省或渠系设立灌溉局或管理区。主干渠分属 各灌溉局和下属的管理区负责。管理区设置的规模在o 8 4 万时 4 2 万h m 2 之间。主干渠的 配水量根据其灌溉的面积、种植的作物、土壤类型以及预估的水量损耗而确定。管理区的供 水渠通过支渠和斗渠给各农户供水。渠道配水实行二轮回或三轮回的轮灌制。每轮的灌水时 间依作物和气候而定，一般4 7 天。每个农户都必须从供水渠中往自己的农地里提水，政府 的政策是提供低于地平面的水源，让农民自己设法提水，以期防止农民灌水过量。由于农民 并不承担水费，所以这方面的问题还在加剧。在技术方面 s 4 1 ，进行灌溉方法与技术的改革， 主要采用小田畦灌溉法和沟灌法，避免大水漫灌；重视排灌配套和回归排水的利用，从而增 加灌溉面积1 0 0 万h m 2 ；加强对渠系的更新改造，从而减少输水损失；对一些新型灌溉技术( 如 喷灌、滴灌) 进行了试验，并着手推广【8 卯。 印度、埃及同我国一样，属于发展中国家，随着人口、经济及工农业对水需求的快速增 长，均意识到了节水的重要性，并将其正式提到经济发展议程。因整体经济状况所限，不能 或不能大面积推广先进国家的高新节水技术，但从节水的其它方向，对水资源的持续利用做 出了较好的工作。尤其是埃及，尽管其现实资源条件与我国有一定差异，但其在发展节水灌 8 第1 覃文献综述 溉的一些方面是及值得我们借鉴的。如埃及比较严格和科学的灌溉系统及管理体系，另外， 由埃及三角洲地区盐碱化的危害，以及近十几年来耕地面积的缩小，是带有普遍意义的深刻 教训。而为扭转这种局面，埃及迅速发展的暗管排水技术亦很值得重视。 1 3 2 国内相关研究现状 按时空分布特征、地下水资源、水利工程状况，合理调整作物布局，选用作物需水与降 水耦合性好、耐早、水分利用率高的作物品种，以充分利用当地的水资源是节水作物布局研 究的主要内容。近年来对作物种植制度调整及作物全生育期水分利用进行了些研究和探讨， 如通过种植制度的调整，可使农田整体的水分利用效率提高到1 5 2 2 5 k g r n m h m 2 ，增产 1 5 3 0 i s 4 。由于品种的差异，作物水分利用效率( w u e ，k g m 3 ) 存在较大的差别。有关 资料表明，通过调整布局，建立适应抗逆型种植制度，一般可使农田整体提高0 1 5 o 2 6 k g m 3 ， 增产1 5 0 o , - , 3 0 。从总的情况来看，玉米等c 4 作物比小麦c 3 等作物水分利用效率高，根据区 域和种植区的实际情况，调整和优化种植结构，对提高农田整体水分利用效率是非常有利的 【8 5 】。左大康8 6 1 对华北平原的适水种植问题进行了研究，通过对华北平原自然条件及作物需水 量与水分盈亏的分析，提出了冬小麦、夏玉米和棉花的适水种植方案。 罗其友【s 7 】运用线性规划模型，建立了屯留县多目标兼顾的农林牧优化结构，计算结果表 明：闲置农业资源逐步得以开发利用，农业生产系统结构趋于合理、功能大为改善，能够得 良好的经济效益。苏艳平【8 8 1 利用多年的试验数据，综合考虑区域经济、环境和社会等因素尤 其是农业节水对水资源配置的影响，从微观层次探讨了河北省大名县马颊河区的种植业结构、 不同节水措施的组合对当地的水资源的优化配置的影响，提出了该区的种植业结构和适宜农 业节水模式；把该地区可能采取的节水措施作为因素，运用线性规划的理论对研究区不同节 水模式下的水资源优化配置进行了研究。宫飞【3 】以北京市顺义区作为研究案例，提出并应用 结构型思路与方法，对区域种植制度及其水分利用的发展变化情况进行剖析，对农田作物及 作物组合的水分利用效率及效益进行了评价。结合对该区域种植业发展前景的预测分析，提 出区域结构型节水种植制度优化调整策略。并应用r c s a d s s 模型对北京市顺义区结构型节 水种植业发展方向进行了分析，指出：目前本区域的种植结构是不可持续的。而通过对区域 种植结构的优化调整，在消耗不超过区域可提供的农田灌溉水资源量的基础上，可解决本区 域对耕地、投入、粮食、油料、蔬菜、饲料等各方面约束，并取得预期的经济效益。李祥妹、 千菁t 8 9 通过大量的数据分析，指出该区农业发展的前提是调整种植业结构，走节水型农业之 路；并且通过