CN107609686A - 一种砒砂岩区沙地农业开发利用适应性规模的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种砒砂岩区沙地农业开发利用适应性规模的确定方法，首先对计算区域内水资源约束阈值，之后根据经济效益、社会效益、生态效益三个目标函数建立约束条件，再建立多目标优化模型，设立满足不同种植结构的多元情境方案，最后对该不同种植结构的多元情境方案进行求解，确定沙地农业开发适应性规模及最优种植结构。该方法解决砒砂岩区沙地农业开发利用过程中的水资源短缺问题，促进了开发区水资源与土地资源的可持续利用，带动了区域内生态环境的良性循环。
Description
技术领域
本发明属于沙地农业开发技术领域，具体涉及一种砒砂岩区沙地 农业开发利用适应性规模的确定方法。
背景技术
我国沙化土地总面积约为172.1万平方公里，占国土面积的 17.9％，沙化土地区域生产力低下，生态环境脆弱。其中分布于沙地 中的砒砂岩总面积约1.67万平方公里，主要集中在晋陕蒙接壤地区 的黄河两岸，由于其成岩程度低、沙粒间胶结程度差、结构强度低， 遇水成泥、遇风成砂，水土流失非常严重，同时，也由于这种岩层自 身物理、化学性质和当地特殊的自然、人文环境，使得该岩层极易发 生风化剥蚀，群众深受其害，视害毒如砒霜，故称其为“砒砂岩”。
砒砂岩区沙地的生态治理与开发利用是国土资源领域的重大难 题。在砒砂岩分布区域内，水蚀和风蚀现象十分严重，加之人类长期 的开发建设和经济活动对该区域生态平衡的影响，使该地区生态环境 脆弱多变。目前该地区域的沙漠化正、逆过程同时存在，沙尘暴活跃， 砒砂岩区水土流失严重，严重阻碍了当地工农业的发展，这是导致农 民生活贫困及生产条件恶化的主要原因。
近年来，由于砒砂岩持水、保水性能强的特点而被作为一种固沙 和节水造田的新材料，利用砒砂岩与沙复配成为混合土壤，结合了砒 砂岩的保水性和沙土的透水性，形成了既能防治沙漠化，且治理成本 低，又能有效提高沙地利用率的新型改土节水技术。基于砒砂岩与沙 复配成土技术的发展，砒砂岩区内的沙地经改造后变成了保水保肥效 果高的有效耕地。由于该技术在沙地治理的同时，有效增加了耕地资 源，提高了耕地质量，节约了工程成本，增加了区域农业收入，带动 了当地村镇经济发展，并有效改善了生态环境。因此，农民耕作积极 性提高，沙地农业开发利用规模也不断扩大，截止2016年，通过应 用砒砂岩与沙复配成土技术进行整治的沙地，在榆林市榆阳区已实现 新增耕地39784.85亩，在神木县已实现新增耕地9385.42亩。
然而可以预见的是，水资源是限制砒砂岩区及沙地发展的关键性 因素，随着沙地治理规模及农牧业耕作面积的不断增加，尽管采取了 多样化的节水措施，农业用水量仍呈显著增长。当用水量超过水资源 可持续供给能力时，则会导致地表水资源枯竭，地下水位大幅下降， 过量使用地表及地下水资源等不合理开发行为，将会日益凸显水资源 供需矛盾。同时，治理后的沙地在水资源供给不足的情况下，土地肥 力难以持续，前期大量开发的农用土地将面临重新撂荒的局面，甚至 与原沙生生态系统相比，其抗风蚀能力及固沙能力反而会有所下降。
综上所述，当以各种综合利用模式为依据的农业开发对当地的水 资源造成明显的压力时，如果仍然保持现有的开发方式和结构，无序 的扩大开发利用规模，无疑会产生更为严重的生态问题。因此，着眼 于对砒砂岩区沙地农业开发利用过程中存在的水资源胁迫问题进行 研究，以节水利用为前提，以水资源对农业开发的最大限度为约束， 探索沙地农业开发利用的适应性规模，以有序的开发促进水资源与土 地资源的可持续利用，以水土资源的可持续带动区域生态环境的良性 循环则显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种砒砂岩区沙地农业开发利用适应性规 模的确定方法，解决了砒砂岩区沙地农业开发利用过程中的水资源短 缺问题。
本发明所采用的技术方案是，一种砒砂岩区沙地农业开发利用适 应性规模的确定方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，计算水资源约束阈值；
步骤2，根据步骤1中计算的水资源约束阈值，确定沙地农业开 发适应性规模及最优种植结构。
本发明的特点还在于，
步骤1中，水资源约束阈值，采用式(1)进行计算：
S0＝WG+WJ+WD-WX (1)；
式(1)中：(WX)为总需水量，WG可供水量，WJ为可节水量， WD为可调水量。
步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤2.1，选取经济效益、社会效益、生态效益三个目标函数作 为基于水资源承载力的沙地农业利用适宜开发规模模型；
目标函数1：经济效益；
以农业经济效益产值f1(x)作为经济效益，采用式(2)进行计算：
式(2)中：f1(x)为农业产值净效益，元；ri为作物种类，xi为 第i种作物灌溉面积，m3，i＝1,2,3.....,n；yi为第i种作物单位面积 产量，kg/亩，i＝1,2,3.....,n；pi为第i种作物单价，元/kg；p水为农 业灌溉用水成本价格，元/亩；Ci为单位面积作物的成本，元，包括种子、劳动力、机械工本费及肥料成本；
目标函数2：社会效益；
沙地农业用水量越少，即消耗的资源越少，代表缺水量越少，可 作为社会稳定因素来衡量社会效益，因此以余水量f2(x)作为社会效 益，采用式(3)进行计算：
式(3)中：f2(x)为余水量，m3/亩；mi为第i种作物的灌溉定 额，minmf3 2/(亩x)；为沙地农业总用水量；
目标函数3：生态效益f3(x)；
根据生态观测的常规方法，采用一种以风沙滩区生态类型作为参 照系的方法进行计算，使各指标无量纲化，便于各类型间的比较和综 合评价指数的计算，采用式(4)进行计算：
式(4)中：f3(x)为生态效益，元；Ki为不同作物类型占总种植 面积的比重；ηi为不同生态因子的权重；Ai为现种植作物的覆盖度；A0为原状沙地作物覆盖度；Yi为现种植作物收获后土壤有机质含量； Y0为原状沙地有机质含量；Ri为现种植作物收获后水稳定团聚体含 量；R0为原状沙地土壤水稳定团聚体含量；
步骤2.2，根据步骤2.1中的目标函数，建立的约束条件为：
水资源约束：沙地农业总用水量不能超过水资源约束阈值(S0)， 具体算法如式(5)所示：
耕地资源约束：所有农作物的面积之和不能超过区域内可用作农 业开发的沙地总面积，具体算法如式(6)所示：
式中：∑F总为所有农作物的面积之和，∑F沙地为区域内可用作农 业开发的沙地总面积；
非负约束：所有决策变量非负，如式(7)所示：
xi≥0 (7)；
步骤2.3，根据步骤2.1中的目标函数和步骤2.2中建立的约束条 件，建立多目标优化模型，如式(8)、式(9)、式(10)及式(11) 所示：
Target:G(x)＝{f1(x),f2(x),f3(x)} (8)；
s.t.x∈S x≥0 (9)；
步骤2.4，根据步骤2.3中建立的多目标优化模型，设立满足不 同种植结构的多元情境方案为：“粮”、“经”、“饲”的一元种植结构、“粮 +经”、“粮+饲”、“经+饲”的二元种植结构及“粮+经+饲”的三元种植结 构；
步骤2.5，根据步骤2.4中设立的满足不同种植结构的多元情境 方案，确定沙地农业开发适应性规模及最优种植结构；选取多目标优 化算法求解模型，其决策变量为作物种植面积为xi，通过编写Matlab 程序，调用Matlab工具箱中的函数Gamultiobj并运行程序，选取 NSGA-Ⅱ算法对多目标优化模型进行求解。
本发明的有益效果是，
1.本发明针对砒砂岩区存在的严重的沙漠化与水土流失等生态 问题，将传统沙地的治理方法，从单纯的生态治理模式，转变到经济、 生态、社会全面发展的沙地农业综合利用模式，有效的带动了当地经 济的快速发展和耕地资源的快速扩张；
2.本发明着眼于砒砂岩区存在的水资源胁迫问题，将传统定性、 定量方式结合起来计算区域水资源对沙地农业开发的可承载能力，以 水资源作为刚性约束，将人口、耕地面积、粮食生产、生态环境等可 选择要素作为决策变量，建立并求解水资源对农业开发利用适应性规 模的目标优化计算模型，同时考虑实现粮、经、饲草、林业所代表的 农业产业结构的合理比例与最佳效益，获得沙地农业利用的适应性开 发规模和最优农业种植结构。
附图说明
图1是本发明一种砒砂岩区沙地农业开发利用适应性规模的确 定方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种砒砂岩区沙地农业开发利用适应性规模的确定方法， 如图1所示，具体按以下步骤实施：
步骤1，计算水资源约束阈值；
通过搜集榆林市榆阳区的基础资料，并对前人研究成果进行总结 分析，调查区域内沙地农业的开发利用现状，明确现有沙地农业利用 规模、不同的开发利用方式所采用的灌溉制度与措施、主要的耕作方 式、作物品种、获得的直接经济效益；调查区域水土资源的开发利用 现状，沙地农业发展对水土资源开发利用的影响；调查分析区域水、 土资源利用及生态环境保护中存在的主要问题；通过对数据资料的调 查及主要矛盾的分析，为沙地利用过程中水资源的支持能力的研究提 供基础资料。
根据现状年区域内水资源的开发利用状况，对其供水、用水现状 进行分析，获取总需水量(WX)，可供水量(WG)、可节水量(WJ) 及可调水量(WD)，利用水资源平衡公式，得到沙地农业可利用量， 即水资源约束阈值(S0)，如式(1)所示：
S0＝WG+WJ+WD-WX (1)；
式(1)中：WX为总需水量，WG为可供水量，WJ为可节水量，WD为可调水量；
步骤2，根据步骤1中计算的水资源约束阈值，确定沙地农业开 发适应性规模及最优种植结构；
水资源是土地资源发挥最大优势的基本条件，是土地资源合理利 用研究的重要因子和制约条件，在有限的水资源约束下，能否合理的 利用水资源，直接影响到土地资源的开发规模以及生产效率。
本发明的方法中，采用多目标规划方法对沙地利用的适应性开发 规模进行定量化计算，选取能够客观反映沙地农业利用的发展状况的 目标函数和约束条件，建立多目标规划模型，并在水资源约束下进行 沙地农业利用的适应性规模的分析与研究；
具体步骤如下：
步骤2.1，选取经济效益、社会效益、生态效益三个目标函数作 为基于水资源承载力的沙地农业利用适宜开发规模模型；
目标函数1：经济效益；
以农业经济效益产值f1(x)作为经济效益，采用式(2)计算：
式(2)中：f1(x)为农业产值净效益，元；ri为作物种类，xi为 第i种作物灌溉面积，m3，i＝1,2,3.....,n；yi为第i种作物单位面积 产量，kg/亩，i＝1,2,3.....,n；pi为第i种作物单价，元/kg；p水为农 业灌溉用水成本价格，元/亩；Ci为单位面积作物的成本，元，包括种子、劳动力、机械工本费及肥料成本；
目标函数2：社会效益；
沙地农业用水量越少，即消耗的资源越少，代表缺水量越少，可 作为社会稳定因素来衡量社会效益，因此以余水量f2(x)作为社会效 益，其计算公式如式(3)所示：
式(3)中：f2(x)为余水量，m3/亩；mi为第i种作物的灌溉定 额，minmf3 2/(亩x)；为沙地农业总用水量；
目标函数3：生态效益f3(x)；
根据生态观测的常规方法，采用一种以风沙滩区生态类型作为参 照系的方法进行计算，使各指标无量纲化，便于各类型间的比较和综 合评价指数的计算，如公式(4)所示：
式(4)中：f3(x)为生态效益，元；Ki为不同作物类型占总种植 面积的比重；ηi为不同生态因子的权重；Ai为现种植作物的覆盖度；A0为原状沙地作物覆盖度；Yi为现种植作物收获后土壤有机质含量； Y0为原状沙地有机质含量；Ri为现种植作物收获后水稳定团聚体含 量；R0为原状沙地土壤水稳定团聚体含量；
生态效益是生态系统健康发展和重建恢复等方面决策的基石，生 态效益评价指标的选择必须坚持以下原则：(1)因地制宜；(2)直 观性、实用性；(3)科学性、先进性；(4)静态评价和动态评价相 结合；(5)系统可比性；(6)生态意义明确。
步骤2.2，根据步骤2.1中的目标函数，建立约束条件；
水资源约束阈值：沙地农业总用水量不能超过水资源约束阈值 (S0)，如式(5)所示：
耕地资源约束：所有农作物的面积之和不能超过区域内可用作农 业开发的沙地总面积，如式(6)所示：
式(6)中：∑F总为所有农作物的面积之和∑F沙地为区域内可 用作农业开发的沙地总面积；
非负约束：所有决策变量非负，如式(7)所示：
xi≥0 (7)；
步骤2.3，根据步骤2.1中的目标函数和步骤2.2中建立的约束条 件，建立多目标优化模型；
基于水资源承载力，建立适宜开发利用的沙地农业规模模型，在 水资源的约束下，求得沙地农业发展的最大规模以及沙地农业发展的 经济、社会、生态效益，建立的多目标优化模型，如式(8)、式(9)、 式(10)及式(11)所示：
Target:G(x)＝{f1(x),f2(x),f3(x)} (8)；
s.t.x∈S x≥0 (9)；
步骤2.4，根据步骤2.3中建立的多目标优化模型，设立满足不 同种植结构的多元情境方案；
目前，我国粮食种植结构采用的是粮食作物、经济作物和饲料作 物，这样分别可满足粮食安全、经济效益及畜牧业发展的需要；在我 国，砒砂岩分布区总面积为1.67万平方公里，主要集中分布在晋陕 内蒙古接壤地区的黄河两岸。该区域内的经济作物是以马铃薯为主， 也是马铃薯五大产区之一，由于其经济效益好、产量高，因而是该地 区最重要的经济作物；粮食作物是以玉米、谷子及高粱为主；牧草类 以紫花苜蓿和沙打旺两种豆科牧草为主；针对砒砂岩区内的不同区域 的发展目标以及自身自然地理条件，可为不同区域制定适宜的农业结 构；在满足“粮”、“经”、“饲”的一元种植结构、“粮+经”、“粮+饲”、“经 +饲”的二元种植结构及“粮+经+饲”的三元种植结构的情况下，设立分 别满足不同种植结构的多元情景方案；
步骤2.5，根据步骤2.4中设立的满足不同种植结构的多元情境 方案，选取NSGA-Ⅱ算法对多目标优化模型进行求解，确定沙地农 业开发适应性规模及最优种植结构。
在对多目标优化模型进行求解时，决策变量为作物种植面积为 xi，通过编写Matlab程序，调用Matlab工具箱中的函数Gamultiobj 并运行程序，对多目标模型进行求解。
模型求解结果即为不同作物的种植面积xi，即砒砂岩区沙地农业 作物的种植规模，其相加之和即为沙地农业开发适应性规模。同时， 不同作物依据其种植成本、产量、收益不同，所分配的种植面积比例 不一，模型所得结果即为最优化的沙地农业种植结构。
实施例
本发明一种砒砂岩区沙地农业开发利用适应性规模的确定方法， 如图1所示，具体按以下步骤实施：
步骤1，计算水资源约束阈值；
以榆林市榆阳区为典型示范区域进行研究；榆林市榆阳区位于陕 西省榆林市的中北部，无定河中游，东与神木毗邻，西北与内蒙古接 壤，东南与佳县、米脂县交接；榆阳区位于毛乌素沙地腹地，长城以 北约30km；该地区周边广泛分布着大量的砒沙岩与沙，属典型的风 沙草滩区；
以2013年为现状年，收集榆林市榆阳区水资源状况基础数据并 作分析。榆阳区年总需水(WX)为11386.7×104m3，可供水量(WG)、 可节水量(WJ)及可调水量(WD)的总量之和为22200.41×104m3， 利用水资源平衡公式S0＝WG+WJ+WD-WX，即得到水资源约束阈值：
S0＝22200.41×104m3-11386.7×104m3＝10813.7×104m3；
步骤2，根据步骤1中计算的水资源约束阈值，确定沙地农业开 发适应性规模及最优种植结构；
水资源是土地资源发挥最大优势的基本条件，是土地资源合理利 用研究的重要因子和制约条件，在有限的水资源约束下，能否合理的 利用水资源，直接影响到土地资源的开发规模以及生产效率；
本发明的方法中，采用多目标规划方法对沙地利用的适应性开发 规模进行定量化计算，选取能够客观反映沙地农业利用的发展状况的 目标函数和约束条件，建立多目标规划模型，并在水资源约束下进行 沙地农业利用的适应性规模的分析与研究；
具体步骤如下：
步骤2.1，选取经济效益、社会效益、生态效益三个目标函数作 为基于水资源承载力的沙地农业利用适宜开发规模模型；
目标函数1：经济效益；
以农业经济效益产值f1(x)作为经济效益，采用式(2)计算：
榆林市榆阳区沙地作物种植模式，均采用一年一熟方式，榆阳区 现状年未利用沙地面积为46633.9hm2，计算沙地农业经济净效益时采 用不同作物单位面积净产值，并扣除该种作物的种植成本(种子、劳 动力、机械工本费及肥料)和用水成本，以农业经济效益产值f1(x)作 为经济效益，如表1所示；
表1不同作物单位面积净产值计算表
根据表1将式(2)中的目标函数改写为：
maxf1(x)＝(30·2400-7500-150)·x1+(90·1100-7500-150)·x2+(6.35·450-150-150)·x3；
目标函数2：社会效益；
沙地农业用水量越少，即消耗的资源越少，代表缺水量越少，可 作为社会稳定因素来衡量社会效益，因此以余水量f2(x)作为社会效 益，其计算公式如式(3)表示：
根据步骤1计算的水资源约束阈值和经济效益，将式(3)中的 目标函数改写为：
maxf2'(x)＝10813.7×104-(1755·x1+1605·x2+2193·x3)；
目标函数3：生态效益f3(x)；
根据生态观测的常规方法，采用一种以风沙滩区生态类型作为参 照系的方法进行计算，使各指标无量纲化，便于各类型间的比较和综
合评价指数的计算；如公式(4)所示：
首先计算各单项指标的权重，由于研究区属于毛乌素沙地的东南 边缘，属风沙滩区，根据各指标对当地生态环境的改善情况，分别赋 予作物覆盖度指标，有机质含量指数，水稳定团聚体指数的权重(ηi) 为0.4，0.3，0.3，其生态效益的计算如表2所示：
表2不同作物生态价值指数计算表
价值指数的计算公式如(12)：
根据价值指数的计算公式，将式(4)中的目标函数3改写为：
步骤2.2，根据步骤2.1中的目标函数，建立约束条件；
水资源约束：沙地农业总用水量不能超过水资源约束阈值(S0)， 如式(5)所示：
其中榆阳区水资源约束阈值为10813.7×104m3，即将式(5)改写 为：
耕地资源约束：所有农作物的面积之和不能超过区域内可用作农 业开发的沙地总面积，如式(6)所示：
根据2013年榆阳区农村土地利用现状，其中区域内可用作农业 开发的沙地总面积46633.9hm2，即将式(6)改写为：
非负约束：所有决策变量非负，如式(7)所示：
xi≥0 (7)；
步骤2.3，根据步骤2.1中的目标函数和步骤2.2中建立的约束条 件，建立多目标优化模型；
基于水资源承载力，建立适宜开发利用的沙地农业规模模型，在 水资源的约束下，求得沙地农业发展的最大规模以及沙地农业发展的 经济、社会、生态效益，如式(8)、式(9)、式(10)及式(11) 所示：
Target:G(x)＝{f1(x),f2(x),f3(x)} (8)；
s.t.x∈S x≥0 (9)；
根据步骤2.1中的目标函数和步骤2.2中建立的约束条件，将式
(8)、式(9)、式(10)及式(11)改写为：
maxG(x)＝{f1(x),f2(x),f3(x)}；
s.t.x∈S x≥0；
步骤2.4，根据步骤2.3中建立的多目标优化模型，设立满足不 同种植结构的多元情境方案；
目前，我国粮食种植结构采用的是粮食作物、经济作物和饲料作 物，这样分别可满足粮食安全、经济效益及畜牧业发展的需要；在我 国，砒砂岩分布区总面积为1.67万平方公里，主要集中分布在晋陕 内蒙古接壤地区的黄河两岸。该区域内的经济作物是以马铃薯为主， 也是马铃薯五大产区之一，由于其经济效益好、产量高，因而是该地 区最重要的经济作物；粮食作物是以玉米、谷子及高粱为主；牧草类 以紫花苜蓿和沙打旺两种豆科牧草为主；针对砒砂岩区内的不同区域 的发展目标以及自身自然地理条件，可为不同区域制定适宜的农业结 构；在满足“粮”、“经”、“饲”的一元种植结构、“粮+经”、“粮+饲”、“经 +饲”的二元种植结构及“粮+经+饲”的三元种植结构的情况下，设立分 别满足不同种植结构的多元情景方案，如表3及表4所示：
表3榆阳区农业种植结构情景方案
表4榆阳区沙地种植结构多元情景方案的优化结果
(1)一元种植结构方案(优化结果为1-3)
在一元种植结构方案中，仅种植玉米、马铃薯和沙打旺三种作物 中的其中一种作物，其他两种作物种植面积为0，以使其中一种作物 最大化的种植，这样的种植方式是仅满足“粮”“经”“饲”其中之一的一 元种植结构。
根据表4中的计算结果，对优化结果1、结果2和结果3进行对 比分析，在水资源的约束下，无论哪种作物都无法全部利用该地区未 利用沙地面积，最高为优化结果1和优化结果2，即全部种植玉米或 马铃薯。此时种植面积所占未利用沙地比例为99.7％。只种植马铃薯 时，沙地农业利用总净产值最大，即经济效益最大，为41.1亿元， 且粮食总产量最大，为418.3×104kg；玉米次之，为28.5亿元，粮食 总产量为139.4×104kg；沙打旺的经济效益最低，只有1.12亿元，且 沙打旺的产量最低，为28.1×104kg。但是仅种沙打旺时生态效益最高， 生态效益综合指数为26.7，玉米和马铃薯的生态效益接近。单一种植 马铃薯时用水量最少，亩均为155.1m3/亩，总用水量为10813.7×104m3；
因此，当不考虑粮食安全及饲料作物的种植，即仅考虑沙地农业 开发利用的经济效益最大化时，可选择优化结果2，即只种植马铃薯 一种作物，此时沙地农业开发利用的规模为46480.6hm2，粮食总产量 418.3×104kg，总用水量为10813.7×104m3；当不考虑将经济效益最大 化，以粮食安全问题为首要考虑对象时，可选择优化结果1，即只种 植玉米一个作物，沙地农业开发利用的规模为46482.1hm2，粮食总产 量139.4×104kg，总用水量为10813.7×104m3；若以解决当地生态问题 为主要考虑对象，以防止水土流失、防范沙漠扩张为主要目标，则可 选择生态效益最高的优化结果3，仅种植牧草沙打旺，总面积44173.6hm2，总用水量为10813.7×104m3。当以综合指标作为最终评 判指标时，应选择仅种植马铃薯，综合评判指标为430408.4万元；
(2)二元种植结构方案(优化结果为4-12)
在该二元种植结构方案，只种植玉米、马铃薯和沙打旺三种作物 中的两种作物，第三种作物种植面积为0。不同情境方案分别设定迭 代次数为200次、300次和500次，迭代次数不同时，优化结果随之 变化，根据4中的计算，可以看出不同优化结果的数据具有暂时的连 续性。其中优化结果4-6中，种植的是玉米和马铃薯，优化结果7-9 中，种植的是玉米和沙打旺，优化结果8-9中，种植的是马铃薯和沙 打旺。这样的种植方式满足“粮+经”“粮+饲”“经+饲”其中之一的二元 种植结构；
在“粮+经”模式下，种植粮食作物(玉米)和经济作物(马铃薯)。 根据表4中的计算，优化结果6计算的经济效益、社会效益、生态效 益均为最高，综合指标值最大，粮食总产量最大，用水量最少。因此 相对比下，选择优化结果6的种植方式，即种植玉米10.1hm2，马铃 薯46470.1hm2，总的沙地农业开发利用规模为46480.1hm2，粮食总 产量418.3×104kg，总用水量为10813.7×104m3；
在“经+饲”模式下，种植经济作物(马铃薯)和饲料作物(沙打 旺)。根据表4中的计算，优化结果9计算所得的经济效益、社会效 益为最高，其经济效益达到40.5亿元，比优化结果7高18.4亿元， 比优化结果8高36.9亿元，且优化结果9的粮食总产量为结果7的 1.8倍、结果8的7.8倍。尽管其生态效益稍稍偏低(20.6)，但优化 结果9的综合指标值为424395.2万元，远高于优化结果7和优化结 果8，因此，在只种植马铃薯和沙打旺的情况下，建议选取优化结果 9，即种植方案为：马铃薯45785.5.1hm2，沙打旺660.5hm2，总的沙 地农业开发利用规模为46446.6hm2，总用水量为10813.694×104m3， 余水63.4m3；
在“粮+饲”模式下，种植粮食作物(玉米)和饲料作物(沙打旺)。 根据表4中的计算，优化结果12计算所得的经济效益、社会效益为 最高，粮食总产量最高，沙地农业开发利用规模最大，生态效益偏低。 但优化结果12中，综合指标值为291489.2万元，高于优化结果10 和优化结果11，因此，在只种植玉米和沙打旺的情况下，建议选择 优化结果12，即种植玉米42272.8hm2，沙打旺2004.4hm2，总的沙 地农业开发利用规模为44277.2hm2，粮食总产量128.1×104kg，总用 水量为10813.695×104m3，余水51.2m3；
(3)三元种植结构方案(优化结果为13-15)
目前我国推行的农作物种植是以市场为导向，以作物生态适应性 为基础，以种植业综合效益最大化为目标，以提高农产品质量为重点； 优先发展绿色和无公害作物、优势作物及特色作物，逐步实现订单农 业和品牌农业；增加效益高的经、饲作物尤其是饲料作物的种植面积， 最终改变目前二元的粮、经作物种植结构为三元的粮、经、饲种植结 构，从而提高农产品的相对价格，以有益于解决目前的三农问题；
因此，在对适宜开发规模进行分析的过程中，除了上述的约束条 件外，同时也要考虑粮食安全及研究区的实际情况，要对粮食作物、 经济作物及饲草作物的单个种植面积加以关注，从而建立以粮食为主 兼顾经济作物及饲料作物“粮、经、饲”的三元结构种植；
在三元种植结构方案中，玉米、马铃薯和沙打旺三种作物均种植， 这种种植方式是建立粮食作物兼顾经济作物及饲料作物“粮、经、饲” 的三元种植结构。是我国目前推行的农作物种植的导向；
根据饲料作物的种植面积为基础，对比优化结果13-15，优化结 果15的经济效益最高，其经济效益为40.8亿元，其次为优化结果14， 其经济效益为36.6亿元，二者的区别在于经济作物玉米的种植面积 有了大幅度的提高，但经济效益下降了4.2亿元，粮食总产量下降了 23.3％。优化结果13的生态效益最高，但是其经济效益相对较低，仅 为1.8亿元。优化结果15的经济效益最高，社会效益最好，用水量 最少，但是其生态效益偏低。根据综合评判指标，优化结果15的值 为427400.3万元，均高于其他各结果。综合对比，对生态效益有一定贡献，并能通过种植这些农业作物而获得较好的经济效益，给当地 农民带来较多收入，同时用水量最少，在所建立得粮食作物兼顾经济 作物及饲料作物“粮、经、饲”的三元结构种植中，建议选择优化结果 15的种植方式，即种植玉米49.3hm2，马铃薯46076.3hm2，沙打旺335.0hm2，总的沙地农业开发利用规模为46076.3hm2，粮食总产量 415.0×104kg，总用水量为10813.6×104m3，余水40.2m3；
步骤2.5，根据步骤2.4中设立的满足不同种植结构的多元情境 方案，选取NSGA-Ⅱ算法对多目标优化模型进行求解，确定沙地农 业最优种植结构。
在对多目标优化模型进行求解时，决策变量为作物种植面积xi， 通过编写Matlab程序，调用Matlab工具箱中的函数Gamultiobj并运 行程序，对多目标模型进行求解；
模型求解结果即为不同作物的种植面积xi，即砒砂岩区沙地农业 作物的种植规模，其相加之和即为沙地农业开发适应性规模。同时， 不同作物依据其种植成本、产量、收益不同，所分配的种植面积比例 不一，模型所得结果即为最优化的沙地农业种植结构。
依据在榆阳区设立的不同种植结构的多元情景方案，求解出榆阳 区沙地农业利用适应性规模及最优种植结构方案，如表5所示：
表5榆阳区沙地农业利用适应性规模及最优种植结构方案
Claims (8)
1.一种砒砂岩区沙地农业开发利用适应性规模的确定方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，计算水资源约束阈值；
步骤2，根据步骤1中计算的水资源约束阈值，确定沙地农业开发适应性规模及最优种植结构。
2.根据权利要求1所述的一种砒砂岩区沙地农业开发利用适应性规模的确定方法，其特征在于，所述步骤1中水资源约束阈值，采用如下算法进行计算：
S0＝WG+WJ+WD-WX (1)；
式中：(WX)为总需水量，WG可供水量，WJ为可节水量，WD为可调水量。
3.根据权利要求1所述的一种砒砂岩区沙地农业开发利用适应性规模的确定方法，其特征在于，所述步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤2.1，选取经济效益、社会效益、生态效益三个目标函数作为基于水资源承载力的沙地农业利用适宜开发规模模型；
步骤2.2，根据步骤2.1中的目标函数，建立约束条件；
步骤2.3，根据步骤2.1中的目标函数和步骤2.2中建立的约束条件，建立多目标优化模型；
步骤2.4，根据步骤2.3中建立的多目标优化模型，设立满足不同种植结构的多元情境方案；
步骤2.5，根据步骤2.4中设立的满足不同种植结构的多元情境方案，确定沙地农业开发适应性规模及最优种植结构。
4.根据权利要求3所述的一种砒砂岩区沙地农业开发利用适应性规模的确定方法，其特征在于，所述步骤2.1中的三个目标函数：经济效益、社会效益、生态效益，其计算公式为：
目标函数1：经济效益；
以农业经济效益产值f1(x)作为经济效益，具体按照以下算法获得：
式中：f1(x)为农业产值净效益，元；ri为作物种类，xi为第i种作物灌溉面积，m3，i＝1,2,3.....,n；yi为第i种作物单位面积产量，kg/亩，i＝1,2,3.....,n；pi为第i种作物单价，元/kg；p水为农业灌溉用水成本价格，元/亩；Ci为单位面积作物的成本，元，包括种子、劳动力、机械工本费及肥料成本；
目标函数2：社会效益；
沙地农业用水量越少，即消耗的资源越少，代表缺水量越少，可作为社会稳定因素来衡量社会效益，因此以余水量f2(x)作为社会效益，采用如下算法进行计算：
<mrow>
<mi>max</mi>
<mi> </mi>
<msub>
<mi>f</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>x</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>S</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mi>n</mi>
</munderover>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>x</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<msub>
<mi>m</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>;</mo>
</mrow>
式中：f2(x)为余水量，m3/亩；mi为第i种作物的灌溉定额，nmf3 2/(亩x)；为沙地农业总用水量；
目标函数3：生态效益f3(x)；
根据生态观测的常规方法，采用一种以风沙滩区生态类型作为参照系的方法进行计算，使各指标无量纲化，便于各类型间的比较和综合评价指数的计算，具体算法如下：
<mrow>
<mi>max</mi>
<mi> </mi>
<msub>
<mi>f</mi>
<mn>3</mn>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>x</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mi>n</mi>
</munderover>
<mo>&lsqb;</mo>
<msub>
<mi>K</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>&CenterDot;</mo>
<msub>
<mi>&eta;</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>A</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<msub>
<mi>A</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>Y</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<msub>
<mi>Y</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>R</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<msub>
<mi>R</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>&rsqb;</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>;</mo>
</mrow>
式(4)中：f3(x)为生态效益，元；Ki为不同作物类型占总种植面积的比重；ηi为不同生态因子的权重；Ai为现种植作物的覆盖度；A0为原状沙地作物覆盖度；Yi为现种植作物收获后土壤有机质含量；Y0为原状沙地有机质含量；Ri为现种植作物收获后水稳定团聚体含量；R0为原状沙地土壤水稳定团聚体含量。
5.根据权利要求3所述的一种砒砂岩区沙地农业开发利用适应性规模的确定方法，其特征在于，所述步骤2.2中建立约束条件为：
水资源约束：沙地农业总用水量不能超过水资源约束阈值(S0)，具体算法如下：
<mrow>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mi>n</mi>
</munderover>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>x</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<msub>
<mi>m</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>&le;</mo>
<msub>
<mi>S</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>5</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>;</mo>
</mrow>
耕地资源约束：所有农作物的面积之和不能超过区域内可用作农业开发的沙地总面积，具体算法如下：
式中：∑F总为所有农作物的面积之和，∑F沙地为区域内可用作农业开发的沙地总面积；
非负约束：所有决策变量非负，如式(7)所示：
xi≥0 (7)。
6.根据权利要求3所述的一种砒砂岩区沙地农业开发利用适应性规模的确定方法，其特征在于，所述步骤2.3中建立多目标优化模型如式(8)、式(9)、式(10)及式(11)所示：
Target:G(x)＝{f1(x),f2(x),f3(x)} (8)；
s.t.x∈S x≥0 (9)；
7.根据权利要求3所述的一种砒砂岩区沙地农业开发利用适应性规模的确定方法，其特征在于，所述步骤2.4中设立的满足不同种植结构的多元情境方案为：“粮”、“经”、“饲”的一元种植结构、“粮+经”、“粮+饲”、“经+饲”的二元种植结构及“粮+经+饲”的三元种植结构。
8.根据权利要求3所述的一种砒砂岩区沙地农业开发利用适应性规模的确定方法，其特征在于，所述步骤2.5中选取多目标优化算法求解模型，其决策变量为作物种植面积为xi，通过编写Matlab程序，调用Matlab工具箱中的函数Gamultiobj并运行程序，选取NSGA-Ⅱ算法对多目标优化模型进行求解。
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|---|---|---|---|---|
| CN108280773A (zh) * | 2018-01-22 | 2018-07-13 | 中国水利水电科学研究院 | 一种判别地区间主要粮食作物适水种植的方法 |
| CN109800988A (zh) * | 2019-01-18 | 2019-05-24 | 三峡大学 | 一种基于益本比函数的适宜抗旱能力分析方法 |
| CN111724271A (zh) * | 2020-04-27 | 2020-09-29 | 齐实 | 一种基于生长营养空间的高度盐碱化地区绿化植生方法 |
| CN112434424A (zh) * | 2020-11-24 | 2021-03-02 | 中国矿业大学 | 一种沙地山药灌溉模式的构建方法 |
| CN113153229A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-07-23 | 河北工业大学 | 一种页岩气绿色开发方案的筛选方法及装置 |
| CN113822479A (zh) * | 2021-09-22 | 2021-12-21 | 中国科学院地理科学与资源研究所 | 一种兼顾生产、环境和经济效益的区域农业种植结构多目标优化方法 |
| CN115271153A (zh) * | 2022-06-02 | 2022-11-01 | 四川大学 | 一种基于多目标规划的区域产业结构调整优化方法和系统 |
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Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108280773A (zh) * | 2018-01-22 | 2018-07-13 | 中国水利水电科学研究院 | 一种判别地区间主要粮食作物适水种植的方法 |
| CN108280773B (zh) * | 2018-01-22 | 2019-05-28 | 中国水利水电科学研究院 | 一种判别地区间主要粮食作物适水种植的方法 |
| CN109800988A (zh) * | 2019-01-18 | 2019-05-24 | 三峡大学 | 一种基于益本比函数的适宜抗旱能力分析方法 |
| CN111724271A (zh) * | 2020-04-27 | 2020-09-29 | 齐实 | 一种基于生长营养空间的高度盐碱化地区绿化植生方法 |
| CN112434424A (zh) * | 2020-11-24 | 2021-03-02 | 中国矿业大学 | 一种沙地山药灌溉模式的构建方法 |
| CN113153229A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-07-23 | 河北工业大学 | 一种页岩气绿色开发方案的筛选方法及装置 |
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