范艷飛

（吉林省通化農(nóng)業(yè)學(xué)校，吉林通化 134001）

我國西北地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，常年干旱少雨、蒸發(fā)量大，且部分干旱地區(qū)可利用水資源較少，這就對區(qū)域農(nóng)業(yè)種植的節(jié)水灌溉技術(shù)、種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出了更高要求。例如，石河子等地區(qū)在農(nóng)業(yè)種植中，大部分采用膜下滴灌的灌溉技術(shù)，且按照一定的比例種植小麥、玉米、棉花和桃子等作物，其中采用膜下滴灌技術(shù)的農(nóng)作物種植面積更大，采用其他灌溉技術(shù)的種植面積較小。在膜下滴灌節(jié)水技術(shù)的支持下，合理設(shè)置灌區(qū)的主要作物種植結(jié)構(gòu)，能夠提高生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)，提升農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益。

1 生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)的主要內(nèi)涵及特征

1.1 生態(tài)農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵

生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)是在生態(tài)農(nóng)業(yè)概念下提出的科學(xué)技術(shù)，其往往針對農(nóng)、林、牧、漁等產(chǎn)業(yè)，利用計算機科學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)及經(jīng)濟學(xué)原理，包含立體開發(fā)多層利用、良性循環(huán)多級利用、時空掩體合理配置、系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制、沼氣綜合利用及農(nóng)作物秸稈資源利用等技術(shù)。近年來，不同地區(qū)根據(jù)區(qū)域自然氣候、地質(zhì)地貌的環(huán)境特征，由專業(yè)技術(shù)人員不斷深入農(nóng)田，參與生產(chǎn)實踐，開發(fā)出一系列有關(guān)生態(tài)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方法、專業(yè)技術(shù)。

生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)會更多考量生態(tài)資源利用、生態(tài)環(huán)境保護因素，通過對現(xiàn)有農(nóng)業(yè)工程中化學(xué)技術(shù)、生物技術(shù)、自動控制技術(shù)等的不斷革新，合理設(shè)置不同農(nóng)業(yè)種植類別的種群結(jié)構(gòu)，既能夠保證整個生態(tài)系統(tǒng)的完善性，也有利于農(nóng)業(yè)廢棄物、水資源等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物質(zhì)的高效利用。

1.2 生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)的主要特征分析

1.2.1 創(chuàng)新傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植、生產(chǎn)方式

在新時代無土栽培、灌溉技術(shù)等快速發(fā)展的環(huán)境下，生態(tài)農(nóng)業(yè)通常會在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植方式的基礎(chǔ)上，引入更多用于農(nóng)業(yè)種植、施肥及收獲等的專業(yè)技術(shù)，包括物料循環(huán)多級利用技術(shù)、種植與養(yǎng)殖結(jié)合技術(shù)、節(jié)水灌溉技術(shù)及沼氣綜合利用技術(shù)等，帶動原有農(nóng)業(yè)種植方式、施肥及營養(yǎng)供給方式的全方位轉(zhuǎn)變革新。

1.2.2 保證多種農(nóng)業(yè)種植資源、灌溉水源的充分循環(huán)利用

在2016 年原國家農(nóng)業(yè)部制定《關(guān)于推進農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用試點的方案》《國家農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展試驗示范區(qū)建設(shè)方案》的支持下，不同地區(qū)都逐漸從節(jié)能降耗、污染防治的角度出發(fā)，結(jié)合區(qū)域自然氣候環(huán)境、農(nóng)作物種植類型，進行農(nóng)業(yè)循環(huán)示范區(qū)、農(nóng)業(yè)循環(huán)技術(shù)等的建設(shè)，利用沼液渣廢料、畜禽糞等，投入到農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)規(guī)劃與實施中，調(diào)動不同農(nóng)業(yè)資源的充分循環(huán)應(yīng)用［1］。

1.2.3 促進區(qū)域自然環(huán)境保護、土質(zhì)及水資源涵養(yǎng)

生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)的另一重要特點，是通過采用膜下滴灌技術(shù)、合理設(shè)置灌區(qū)等方式，對西北干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)種植、水源灌溉流程作出改進與完善，以形成區(qū)域土層土質(zhì)肥力、水資源的涵養(yǎng)［2］。

2 生態(tài)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、灌溉技術(shù)等的函數(shù)模型建立

2.1 農(nóng)業(yè)種植與灌溉的目標(biāo)函數(shù)設(shè)置

在生態(tài)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中，設(shè)置以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益增量為主的目標(biāo)函數(shù)，圍繞不同灌溉技術(shù)、不同灌溉技術(shù)下農(nóng)作物種植面積等要素，進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益增量的目標(biāo)函數(shù)分析設(shè)置，如式（1）所示：

式中：maxf表示農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益增量值，即實施優(yōu)化方案后與之前農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益總量的差值，萬元；ai表示不同灌溉技術(shù)下單位面積農(nóng)作物的產(chǎn)值，萬元/m2；xi表示不同灌溉技術(shù)下的農(nóng)作物種植面積，hm2；F為農(nóng)作物原有種植結(jié)構(gòu)下的生產(chǎn)經(jīng)濟效益值，萬元。

2.2 農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的約束條件

2.2.1 農(nóng)作物種植面積約束條件

不同地區(qū)農(nóng)作物種植的灌溉總面積，一般小于現(xiàn)有可耕地總面積。因此，對于石河子等干旱地區(qū)的農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化，要嚴格控制綠洲灌溉區(qū)的總種植面積，不能增加現(xiàn)有的耕地面積，可表示為：

其中xi表示不同灌溉技術(shù)下的農(nóng)作物種植面積，單位：hm2；L表示現(xiàn)有可耕地總面積，單位：hm2。

2.2.2 農(nóng)業(yè)水資源用量的約束條件

石河子地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉水資源用量，約占到區(qū)域每年水資源用量的80%以上，即農(nóng)業(yè)用水量占總體水資源用量的比重過高，居民生活用水、工業(yè)用水所占的比重較小［3］。因此要合理控制農(nóng)業(yè)種植的水資源用水總量，不再增加現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)用水量，使用膜下滴灌節(jié)水技術(shù)的用水量約束條件可用公式（3）～（5）表示：

式中：cij表示不同灌溉技術(shù)下農(nóng)作物的灌溉用水量，m3·hm-2；xij表示不同灌溉技術(shù)下農(nóng)作物的種植面積，hm2；WA表示灌溉區(qū)農(nóng)業(yè)總用水量，×104m3；bj表示農(nóng)作物灌溉面積占總種植面積的比例。

2.3 綜合生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)

對于石河子等干旱地區(qū)的農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要依據(jù)《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》（HJ 192—2015）及生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)的要求，圍繞水網(wǎng)密度、土地脅迫、污染負荷及環(huán)境限制等指數(shù)，設(shè)置以上約束性評價指標(biāo)的權(quán)重分別為0.35、0.25、0.25 和0.15。通過對不同農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化的生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)、優(yōu)化前后農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益的差值進行計算，得出優(yōu)化方案是否完善的結(jié)果［4］。

2.3.1 水網(wǎng)密度指數(shù)

根據(jù)區(qū)域內(nèi)水域面積、河流長度等要素，得出不同農(nóng)作物灌溉區(qū)的水網(wǎng)密度，水網(wǎng)密度指數(shù)計算公式為：

其中cij表示不同灌溉技術(shù)下農(nóng)作物的灌溉用水量，單位：m3/hm2；xij表示不同灌溉技術(shù)下農(nóng)作物的種植面積，單位：hm2。

2.3.2 土地脅迫指數(shù)

干旱地區(qū)長期在農(nóng)業(yè)種植中使用膜下滴灌技術(shù)，因而部分土地會出現(xiàn)次生鹽堿化、白色污染等問題，導(dǎo)致土地外表面的嚴重侵蝕。如石河子農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域的土地含鹽度過高，長期使用膜下滴灌技術(shù)會造成土壤侵蝕，土地脅迫指數(shù)約為45。

2.3.3 污染負荷指數(shù)、環(huán)境限制指數(shù)

運用膜下滴灌技術(shù)導(dǎo)致的白色污染，是污染負荷指數(shù)升高的主要原因，而地膜等不可降解物質(zhì)的增多，又是環(huán)境限制指數(shù)升高的重要原因，石河子地區(qū)土壤污染負荷指數(shù)約為0.05。

根據(jù)加權(quán)平均法對以上多種指標(biāo)作出計算，農(nóng)田灌溉的綜合生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)（Ecological Index，EI）如公式（7）所示：

其中EI表示農(nóng)田灌溉的綜合生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)；xi表示不同灌溉技術(shù)下的農(nóng)作物種植面積，單位：hm2。

3 生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)的模型計算結(jié)果與種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

利用LINGO 交互式線性運籌軟件，根據(jù)設(shè)置的膜下滴灌技術(shù)農(nóng)田種植區(qū)的面積，進行石河子地區(qū)農(nóng)業(yè)種植優(yōu)化的模型計算，共包括4 種種植方案，不同種植方案又分為膜下滴灌技術(shù)的種植面積（A）、其他灌溉技術(shù)的種植面積（B），具體如表1 所示。在不同膜下滴灌技術(shù)、其他灌溉技術(shù)等種植方案的實施下，得到的經(jīng)濟效益增量、綜合生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)值如表2 所示。

表1 膜下滴灌技術(shù)、其他灌溉技術(shù)的農(nóng)業(yè)種植面積模型

表2 不同灌溉技術(shù)下的農(nóng)業(yè)種植經(jīng)濟效益增量、綜合生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)值

從表1、表2 中生態(tài)農(nóng)業(yè)膜下滴灌技術(shù)的模型計算結(jié)果可以得出：使用方案2 種植結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟效益增量、綜合生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)更加均衡，更符合生態(tài)農(nóng)業(yè)環(huán)境保護、污染防治的要求。因此，采取膜下滴灌的種植方案，可以達到農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果［5］。

4 結(jié)語

近年來，不同農(nóng)業(yè)種植地區(qū)都開始推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，包括噴灌、滲灌和滴灌等技術(shù)；但過分追求節(jié)水灌溉也會對農(nóng)業(yè)地下水補給、淋洗壓鹽活動產(chǎn)生影響，如覆膜灌溉的地膜殘留將阻礙農(nóng)業(yè)種植土壤中水分、空氣等的運移流動。因此，合理設(shè)置不同灌溉技術(shù)的農(nóng)田面積，優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，才能形成區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)循環(huán)發(fā)展。