J. Clean. Prod丨基于水足迹和多目标优化模型对中国农业种植结构的调整

论文内容

研究背景：

中国农业用水占总用水的 70 - 80%，而作物用水占农业用水的85%。此外，灌溉用水约占农业总用水量的90%。因此，通过调整农业种植结构，可以在很大程度上实现节水。

国内外学者利用模型进行了许多种植结构调整的研究，其中最常用的是模糊优化模型、多目标规划、系统动力学方法和多目标优化方法。由于水资源可持续性的不确定性和农业种植需求的多样化发展，基于水约束的种植结构多目标优化将是一种越来越多的方法，多目标优化的研究将越来越重要。

华北地区是中国重要的畜牧业、农业和商品粮生产基地。近年来，多目标优化在农业中的应用越来越广泛。该领域已开始从单纯追求产量和收入的单目标模型转向基于产量并同等考虑经济和生态效益的多目标模型。然而，对于华北地区严重缺水和地下水过度开采的地区，以往的多目标优化模型并不适用。为了解决这个问题，需要设计和开发一个新的和改进的模型。

研究内容：

本研究旨在调整农业种植结构以节约用水，从节约农业用水、减少污染、增加经济产出等方面优化张家口农业结构。首先，农业规模严重超过水资源承载能力，导致大规模地下水陷落等生态环境问题。二是农业种植结构不合理，水密集型蔬菜、水果的种植面积快速增长。且本研究具体目的是:(1)为了节约用水和减少污染，构建了一种新的、改进的适用于研究区的模型。从整体效益出发，计算出经济、生态、节水的产出效益值。(2)建立水足迹与人类消费模式的关系，调整农业种植结构以节约用水，提出促进和改善种植业结构的对策和建议。以张家口市为例，构建了以经济效益、生态效益、节水效益为目标函数的综合效益函数。目标函数的建立结合了研究区域的实际情况，克服了片面追求经济效益模型的不足，在理论上更加严谨，更具有实用性。

研究结论：

本研究结论： (1)蔬菜的经济贡献率最大，达到 58.94%。马铃薯经济贡献第二高，水足迹最大，达到2461.41×106 m3。(2)马铃薯、蔬菜和玉米是需要减少种植规模的主要作物，TN污染物较大，分别占36.44%、18.20%和17.18%，油料作物、水果、莜麦和豆类是需要增加种植规模的主要作物。(3) 在15%、20%和30%节水情景下，通过“减少灌溉土地+灌溉水有效利用系数+种植结构调整”三种方式，节约的水量为 25.92 ×106m3、49.76×106m3和110.64 ×106m3 ，玉米和蔬菜对总氮和总磷的还原潜力相对较大。从节水量和环境效益综合比较，15%节水方案效果最好，累计减少污染 766.40t。控制作物规模，采用节水灌溉方法，发展绿色高效节水实践，并实施精准农业技术。

转自：“农科学术圈”微信公众号

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