王永靜，閆周府

(1.石河子大學經(jīng)濟與管理學院，新疆 石河子 832003；2.石河子大學農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究中心，新疆 石河子 832003)

石河子墾區(qū)是我國西北典型的農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)，是新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)開發(fā)的典范。經(jīng)過多年的發(fā)展，墾區(qū)種植結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，農(nóng)業(yè)形成了具有干旱區(qū)特色的種植業(yè)格局，逐漸由以糧食作物生產(chǎn)為主的時代轉(zhuǎn)變?yōu)橐悦藁ㄉa(chǎn)為主的時代[1]，種植結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變也促使用水問題的產(chǎn)生，水資源供需矛盾日益緊張。因此，本研究根據(jù)筆者實地生活經(jīng)驗以及新中國成立以來墾區(qū)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析種植業(yè)演變情況，并借助信息熵理論來考察墾區(qū)種植業(yè)用水結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及其用水特征，以期為石河子墾區(qū)種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及水資源合理開發(fā)利用提供有價值的參考。

1 石河子墾區(qū)概況

石河子墾區(qū)地處天山北麓中段瑪納斯河流域，古爾班通古特大沙漠南緣，位于東經(jīng)86°04′40″，北緯44°18′12″。墾區(qū)東西寬115.2 km，南北長202.3 km，由11個片塊組成，地形復(fù)雜，自東南向西北傾斜[2]。墾區(qū)平均海拔高度在300～500 m之間，屬典型的溫帶大陸性氣候。由于遠離海洋且周圍荒漠較多，石河子墾區(qū)干旱少雨，蒸發(fā)量大，年平均降水量為180～270 mm。墾區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水以灌溉為主，灌溉水資源主要取自地表水和地下水，地表水資源為9.9億m3，主要由天山北坡的降水和冰雪融水匯流而成，以瑪納斯河為主。地下水資源儲備8.4億m3，可開采量為5.4億m3。受水資源總量的限制，水資源開發(fā)潛力有限，水資源利用以內(nèi)部挖掘作為突破口。墾區(qū)現(xiàn)有耕地面積2 510.1 km2，耕地規(guī)模的擴大，加重了對流域水資源的開采力度，在入境水量有限的情況下，如何合理分配農(nóng)業(yè)灌溉用水是維護與恢復(fù)該墾區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

2 種植結(jié)構(gòu)演變

新中國成立以來，墾區(qū)農(nóng)作物播種面積由1950年的42.6 km2增加到2014年的2 510.1 km2，耕地面積擴大了近59倍，農(nóng)作物種植從以糧食生產(chǎn)為主導(dǎo)的時代轉(zhuǎn)向以種植經(jīng)濟作物為主的時代，棉花種植占據(jù)了主要地位，到2014年棉花種植比例達到73.4%，遠遠超過小麥、玉米等糧食作物種植比例。

根據(jù)石河子墾區(qū)種植業(yè)變化特點，其種植結(jié)構(gòu)演變大致可以分為如下5個階段：

第一階段，農(nóng)作物種植規(guī)模低水平快速增長階段(1950-1961年)。在此階段，總播種面積、糧食作物、經(jīng)濟作物、其他作物播種面積均不斷擴大，尤其是小麥種植面積增加幅度最為明顯。1961年較之1950年，糧食播種面積增加了1 077.5 km2，棉花播種面積增加143.6 km2。

第二階段，農(nóng)作物種植規(guī)模穩(wěn)定協(xié)調(diào)發(fā)展階段(1962-1978年)。在此階段，總播種面積在1 520.3 km2上下浮動,作物種植規(guī)?；竞愣ǎ兓淮?，種植結(jié)構(gòu)比較合理。這期間，小麥、玉米、棉花等作物年均播種面積基本維持在383.1、308.8、172.3 km2，油料、甜菜以及其他作物協(xié)調(diào)穩(wěn)定發(fā)展。

第三階段，棉花作物種植規(guī)模低水平快速增長階段(1979-1989年)。在此階段，總播種面積變化不大，不過種植結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化。小麥、玉米等糧食作物以及其他作物播種面積開始減少，棉花播種面積開始快速增加。1989年棉花播種面積為350.5 km2，是1979年的兩倍之多。10年間，小麥播種面積減少24.4 km2，玉米播種面積減少132.8 km2，其他作物播種面積減少205.9 km2。

第四階段，棉花作物種植規(guī)模高水平快速增長階段(1990-2007年)。在此階段，小麥、玉米等糧食作物以及其他作物播種面積繼續(xù)減少，棉花播種面積急劇增加。到2007年，棉花播種面積增加到1 608.2 km2，種植比例高達89.69%，為史上最高，是1990年的3.5倍，年均增長7.2%。小麥播種面積僅為52.2 km2，是1990年的13.48%；玉米播種面積僅有24.9 km2,是1990年的16.38%；其他作物播種面積減少到45.7 km2，是1990年的14.69%。

第五階段，種植結(jié)構(gòu)調(diào)整新階段(2008-2014年)。在此期間，棉花種植比例緩慢減少，到2014年為73.43%，不過由于墾區(qū)總的播種面積在不斷擴大，棉花播種面積依然呈逐年增加趨勢。較之2007年，2014年棉花播種面積增加到1 843.1 km2。這期間，小麥、玉米等糧食作物以及其他作物種植比例整體呈下降趨勢。為了保障糧食生產(chǎn)安全，2009年種植結(jié)構(gòu)臨時調(diào)整，糧食種植比例有小幅提升。

綜上所述，1950年到1978年，作物種植以糧食作物為主，棉花與其他作物種植面積呈等比例增長，種植結(jié)構(gòu)比較協(xié)調(diào)。從1978年開始，棉花種植比例開始迅速增加，糧食與其他作物種植比例大幅減少，作物種植轉(zhuǎn)向以棉花為主。2000年以后，種植結(jié)構(gòu)明顯傾向于單一種植作物，種植結(jié)構(gòu)失衡(見圖1)。種植結(jié)構(gòu)的變化帶來農(nóng)業(yè)用水在種植業(yè)間的重新分配，用水問題也日趨緊張。

圖1 石河子墾區(qū)糧食、棉花、其他作物種植比例變化趨勢注：資料來源《2015年石河子統(tǒng)計年鑒》。

3 種植業(yè)用水結(jié)構(gòu)演變分析

3.1 種植業(yè)用水情況

新中國成立以來，石河子墾區(qū)種植業(yè)規(guī)模不斷擴大，種植業(yè)引水問題日益突出。目前，流域地表水引用超過97%，泉水引用接近100%，地下水的引用也達到了57%，流域水資源可挖掘的潛力非常小。由于來水條件的限制，農(nóng)業(yè)用水基本在14.0億m3上下浮動，種植業(yè)灌溉用水占農(nóng)業(yè)總用水量的90%。墾區(qū)當前推行的節(jié)水灌溉技術(shù)，極大提高了水資源的利用效率，為實現(xiàn)耕地的充分灌溉提供了可能。

3.2 用水結(jié)構(gòu)的變化

通過上文分析可知，單一經(jīng)濟作物規(guī)模的持續(xù)擴張使得種植結(jié)構(gòu)嚴重失衡，種植業(yè)用水矛盾日益凸顯。為了研究方便，下文統(tǒng)一按糧食作物(小麥和玉米)、經(jīng)濟作物(棉花)和其他作物進行用水結(jié)構(gòu)分析。

由圖2可知，糧食作物、經(jīng)濟作物、其他作物用水趨勢先合后開，農(nóng)業(yè)水資源在糧食、經(jīng)濟、其他作物之間的分配隨時間的變化呈“X”型分布。1980年以前，農(nóng)業(yè)水資源主要以糧食作物灌溉為主。在此期間，由于播種面積比較少，農(nóng)業(yè)水資源的開發(fā)利用處于原生狀態(tài)，在滿足生產(chǎn)需水的同時，有大量生態(tài)富余。1980-1990年，經(jīng)濟作物種植面積開始擴張，其灌溉用水也相應(yīng)增加，糧食、其他作物用水比例開始下降。在此期間，作物種植結(jié)構(gòu)比較合理，用水比例相對協(xié)調(diào)，農(nóng)業(yè)水資源在保障灌溉、生態(tài)需水條件下略有盈余。1990年以后，經(jīng)濟作物種植面積開始迅速擴張，其灌溉用水開始迅速增加，糧食作物、其他經(jīng)濟作物用水比例急劇減少。其中，2007年，經(jīng)濟作物用水比例達到了91.5%，農(nóng)業(yè)用水嚴重傾向于經(jīng)濟作物灌溉，單一作物用水對整個墾區(qū)的用水結(jié)構(gòu)影響顯著。在此期間，農(nóng)業(yè)水資源的利用處于超采狀態(tài)，由于水資源的總量限制，部分耕地得不到灌溉保障，耕地轉(zhuǎn)出現(xiàn)象嚴重，部分草場退化，林木死亡率開始上升，甚至有下游防護林死亡率達到了15%，農(nóng)業(yè)水資源的過度開采及其不合理的開發(fā)利用已經(jīng)威脅到墾區(qū)的生態(tài)平衡。為此，下文通過信息熵理論來觀察不同年份農(nóng)作物用水熵值及其均衡度動態(tài)演化情況及其用水結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖2 石河子墾區(qū)糧食作物、經(jīng)濟作物、其他作物用水比例變化趨勢 注：資料來源：《2002-2014年石河子年鑒》、《2015年石河子統(tǒng)計年鑒》、《瑪納斯河流域水利志》、《新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水定額指標(試行)》。

3.3 基于信息熵的種植業(yè)用水結(jié)構(gòu)演變分析

信息熵(entropy)是信息的基本單位，是一種描述隨機變量分散程度的統(tǒng)計量，信息熵越大，表示變量的離散程度越高，對應(yīng)的系統(tǒng)越混亂。按照信息熵理論構(gòu)想，若隨機變量是離散變量，設(shè)x的取值為(x1,x2,…,xn)(n≥2)，每一取值對應(yīng)的概率為P=(p1,p2,…,pn)，(0≤pi≤1,i=1,2,3,…,n)且∑pi=1，則該離散系統(tǒng)信息熵為：

H(x)=-∑p(x)logp(x)

根據(jù)信息熵的定義可知H(x)≥0，由于不同時間尺度，用水戶類型有多有少，假設(shè)處于極端狀態(tài)，整個用水系統(tǒng)只有一個用水戶，此時H(x)min=0，相反，若存在n個用戶，每個用戶的用水比例為1/n，即用水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最無序時，H(x)max=ln(n)。實際中，這兩種極端情況不會出現(xiàn)，信息熵一般會介于二者之間，即H(x)min≤H(x)≤H(x)max[35]。考慮到不同時間尺度所包含的水資源利用類型不同，針對不同用水戶對信息熵的影響，引入均衡度J，即J=H(x)/ln(x)。信息熵H(x)越大，表明系統(tǒng)無序度的增加，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分配越平均，均衡度J越大表示單一用水類型優(yōu)勢度越弱，系統(tǒng)均衡性越強，系統(tǒng)越穩(wěn)定[4]。

由圖3可以看出，信息熵值總體呈下降趨勢。1950-1980年，信息熵值不斷上升，信息熵值在1980年達到局部極大值1.05；1980-1990年，信息熵值在1上下浮動，1990年信息熵值達到最大值1.06；1990年到2007年，信息熵值急劇下降，2007年達到最小值0.31，年均下降4.2%；2007年至今，隨著種植結(jié)構(gòu)的短暫調(diào)整，種植業(yè)用水結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，信息熵值在2009年取得局部極大值0.71，但之后開始下降，近5年信息熵值基本維持在0.57上下?？梢钥闯觯麄€墾區(qū)的用水結(jié)構(gòu)依然有明顯的傾斜現(xiàn)象，單一用水類型對整個墾區(qū)的用水結(jié)構(gòu)造成了顯著影響，種植業(yè)用水結(jié)構(gòu)乃至農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)嚴重失衡。

圖3 石河子墾區(qū)種植業(yè)用水結(jié)構(gòu)信息熵值及均衡度動態(tài)演化過程

與此同時，種植業(yè)用水均衡度發(fā)生很大變化(見圖3)，1950-1990年，系統(tǒng)均衡度較高，用水結(jié)構(gòu)比較合理，均衡度在1990年取得最大值0.96，逼近于1，說明系統(tǒng)受單一因素的影響不大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種用水類型綜合利用程度高，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，這與經(jīng)濟作物、糧食作物、其他作物合理的種植結(jié)構(gòu)是相符的；1990-2007年，系統(tǒng)的均衡度開始下降，均衡性逐漸減弱，并在2007年達到最低值0.28，這說明系統(tǒng)單一用水類型的用水優(yōu)勢不斷加強，用水比例嚴重失調(diào)，種植業(yè)用水傾向明顯，種植業(yè)用水結(jié)構(gòu)愈發(fā)的不合理，而這與墾區(qū)種植業(yè)用水一致趨向于經(jīng)濟作物是相符的；2007年至今，系統(tǒng)均衡度出現(xiàn)短暫回升，2009年取得局部極大值0.65，這說明墾區(qū)的種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整取得了成效。2009年以后，均衡度基本維持在0.52，說明種植業(yè)用水問題依然突出。

信息熵理論對墾區(qū)種植業(yè)用水結(jié)構(gòu)的分析表明，石河子墾區(qū)種植業(yè)用水時間變化呈現(xiàn)出不合理的分配現(xiàn)象，經(jīng)濟作物、糧食作物、其他作物的用水時間差異較大，已經(jīng)影響到了種植業(yè)用水平衡。

4 種植結(jié)構(gòu)調(diào)整與需水計算

4.1 宜耕土地面積計算

目前墾區(qū)種植業(yè)灌溉用水比例占農(nóng)業(yè)用水的90%，灌溉用水的綜合利用系數(shù)為0.70，以當前年均徑流量測算，種植業(yè)實際灌溉用水量僅有8.82億m3。按照水利部門給定農(nóng)作物節(jié)水灌溉條件下的平均灌溉定額 4 500 m3/hm2，計算出流域適宜耕地面積見表1。

表1 給定灌溉水利用系數(shù)下的宜耕土地面積測算

根據(jù)表1計算結(jié)果可知，目前墾區(qū)實際耕地面積已經(jīng)超過了最低生態(tài)需水條件下的耕地面積，根據(jù)多年平均水資源量，宜耕土地面積為1 960 km2，應(yīng)退耕550.0 km2。按照農(nóng)田防護林建設(shè)滿足8%的要求，需要防護林面積為156.8 km2，實際播種面積應(yīng)該控制在1 803.2 km2以內(nèi)。從2009年開始，墾區(qū)的實際播種面積已經(jīng)超過這一數(shù)值，水土資源超載，承載能力下降。

4.2 墾區(qū)主要作物灌溉定額

根據(jù)當?shù)卦囼炠Y料,結(jié)合農(nóng)作物灌溉制度與節(jié)灌水平,分別擬定各類農(nóng)作物田間灌溉定額。見表2。

表2 石河子墾區(qū)主要農(nóng)作物灌溉定額 m3/hm2

數(shù)據(jù)來源：《新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水定額指標(試行)》與試驗資料。

4.3 糧食種植面積與需水計算

根據(jù)李玉平，蔡運龍[5]的區(qū)域糧食安全狀況測算方法計算出墾區(qū)當前的耕地壓力為1.68>1，說明糧食供給遠遠小于需求。石河子墾區(qū)現(xiàn)有人口69萬，按照人均420 kg的糧食生產(chǎn)安全線進行測算，需要糧食29萬t。以2014年的糧食生產(chǎn)水平作為參考，還有141.9萬t的糧食缺口，這部分主要通過虛擬水貿(mào)易進行補足。由于糧食的可得性、貿(mào)易的穩(wěn)定性以及糧食品質(zhì)都存在一定風險，為了保證地區(qū)糧食生產(chǎn)安全，需要播種糧食作物面積為366.1 km2。實際上，自2000年以來，糧食年均播種面積僅為175.1 km2，遠遠低于安全線水平。因此，在退耕的同時，宜擴大糧食作物播種面積。按照給定的當前糧食作物灌溉定額 4 700 m3/hm2的標準計算，得到糧食安全水平下的灌溉需水量為1.72億m3。

4.4 其他作物種植面積與需水計算

當前，墾區(qū)其他作物種植比例為7.7%，低于兵團農(nóng)場規(guī)劃設(shè)計的10%的目標[6]。因此，墾區(qū)在推進“減棉，增量”的結(jié)構(gòu)調(diào)整過程中，宜擴大其他作物的種植面積。在宜耕土地范圍內(nèi)播種其他作物種植180.3 km2,按照給定的其他作物灌溉定額4 800 m3/hm2的標準計算，其他作物灌溉需水量為0.87億m3。

4.5 棉花及其他經(jīng)濟作物種植面積與需水計算

根據(jù)上文分析結(jié)果，墾區(qū)宜耕土地面積為1 960 km2，防護林面積156.8 km2，其灌溉需水量0.72億m3，糧食播種面積為366.1 km2，其他作物播種面積為180.3 km2，經(jīng)濟作物播種面積應(yīng)控制在1 256.9 km2以內(nèi)為宜。根據(jù)墾區(qū)多年種植習慣以及光熱資源稟賦，棉花與其他經(jīng)濟作物種植比例設(shè)定為92:8，棉花播種面積1 156.4 km2，其他經(jīng)濟作物播種面積為100.6 km2。由表2可知，棉花灌溉定額為4 100 m3/hm2，其灌溉需水量4.74億m3，其他經(jīng)濟作物灌溉定額為5 050 m3/hm2,其灌溉需水量0.51億m3。

種植結(jié)構(gòu)調(diào)整后，糧食作物、經(jīng)濟作物、其他作物以及防護林累計需水8.56億m3，在保證農(nóng)作物充分灌溉的條件下，實現(xiàn)水土資源的合理開發(fā)利用，有利于種植業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié) 論

石河子墾區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，種植結(jié)構(gòu)逐步由以糧食作物為主的種植結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐悦藁橹鞯姆N植結(jié)構(gòu)，形成了具有干旱區(qū)特色的種植業(yè)格局。從2009年開始，墾區(qū)的實際播種面積已突破1 803.2 km2，超過安全閾值，到2014年，水土資源已嚴重超載。受種植結(jié)構(gòu)的影響，農(nóng)業(yè)水資源在糧食、經(jīng)濟、其他作物之間的分配隨時間的變化呈“X”型分布，種植業(yè)用水明顯傾向于單一種植作物(棉花)，單一用水類型對整個墾區(qū)的用水結(jié)構(gòu)造成了顯著地影響。由于來水條件的限制，宜退耕550.0 km2耕地，減少棉花播種面積，擴大207.1 km2的糧食作物播種面積，擴大蔬菜、瓜果、牧草等其他作物的播種比例，加快種植業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，以期實現(xiàn)墾區(qū)農(nóng)業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展。

根據(jù)4.1分析發(fā)現(xiàn)，當灌溉水利用系數(shù)為0.90時，宜耕面積達到2 520.0 km2。因此，在水資源約束條件下，應(yīng)推進節(jié)水措施，不斷從內(nèi)部挖掘水資源利用潛力，加大農(nóng)田水利建設(shè)力度，修防滲渠道，提高渠系水利用效率，以促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

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