葉真男，王飛兒*，嵇靈燁，俞潔

（1.浙江大學環(huán)境與資源學院，杭州 310058；2.浙江省環(huán)境監(jiān)測中心，杭州 310012）

粗放型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式是導致農(nóng)業(yè)面源污染加劇的主要因素之一。農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整是進行農(nóng)業(yè)面源污染控制的重要途徑之一[1-2]。由于我國不同地區(qū)的區(qū)位條件、資源配置、經(jīng)濟發(fā)展水平存在差異，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也存在較大的差別，因而導致不同區(qū)域影響農(nóng)業(yè)面源污染的主要因素和影響程度也有所不同。如何在同時保證流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平不降低、農(nóng)產(chǎn)品保障不受影響的條件下推進流域面源污染排放負荷最低，已成為流域面源污染控制的一個重要目標[3-5]。苕溪流域作為我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟高速發(fā)展、農(nóng)業(yè)人口高度集中的地區(qū)之一，近年來該流域農(nóng)業(yè)面源污染嚴重，已成為影響流域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟健康、可持續(xù)發(fā)展的重大瓶頸。為從源頭上削減面源污染負荷，本研究擬通過多目標產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，探討流域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對策。

1 材料與方法

1.1 苕溪流域概況

苕溪位于太湖流域南部，是太湖重要的入湖支流。苕溪流域由東苕溪流域、西苕溪流域及長興平原河網(wǎng)組成，流域面積5 918 km2，地跨杭州、湖州2市，流經(jīng)臨安、余杭、德清、吳興、安吉和長興6個縣市區(qū)，如圖1所示。流域內(nèi)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)達，2014年農(nóng)作物播種面積達1.92×105hm2；畜禽養(yǎng)殖規(guī)模較大，其中生豬年養(yǎng)殖量達83.5萬頭，家禽年養(yǎng)殖量達2 859.75萬羽；水產(chǎn)養(yǎng)殖類型主要以四大家魚，各類蝦蟹、貝類為主，年產(chǎn)量達11.9萬t。苕溪流域總體水質(zhì)良好，但是局部區(qū)域、局部時間段存在超標現(xiàn)象，特別是氮磷濃度超標現(xiàn)象較為嚴重，水體富營養(yǎng)化態(tài)勢突顯[6-7]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2014年由農(nóng)業(yè)面源排放至河流中的化學需氧量（chemical oxygen demand,CODcr）、總氮、總磷分別高達 27 340、8 174、1 254 t，已成為該流域內(nèi)最大的污染來源，直接影響到流域水環(huán)境保護與水資源的可持續(xù)利用[8-9]。

圖1 苕溪流域范圍圖Fig.1 Scope of Tiaoxi watershed

1.2 多目標產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的目的是在保障農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)安全的前提下實現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染削減，即在不影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、種養(yǎng)比例、區(qū)域農(nóng)產(chǎn)品供給保障的前提下，實現(xiàn)流域農(nóng)業(yè)面源污染排放負荷量最低。

一般最優(yōu)化模型基本形式包括目標函數(shù)和約束條件：式中：Zk為目標函數(shù)；xj為決策變量；akj為目標函數(shù)系數(shù)矩陣；cij為約束方程系數(shù)矩陣；bi為約束向量。

根據(jù)流域農(nóng)業(yè)面源控制要求，基于LINGO軟件進行模型構(gòu)建，將農(nóng)業(yè)面源污染負荷排放量最小化作為目標函數(shù)，將產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標、種養(yǎng)比例、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源保障等作為約束條件，尋找流域各類農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整優(yōu)化方案。具體建模過程如下：1）目標函數(shù)

將流域農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生的等標污染排放量最小化作為模型的目標函數(shù)。各類農(nóng)業(yè)面源等標污染排放量采用輸出系數(shù)法進行計算。

式中：T為污染物等標排放量，106m3；Aij為流域第i分區(qū)內(nèi)第j類種植業(yè)的面積，103hm2；Aik為流域第i分區(qū)內(nèi)第k種畜禽的年養(yǎng)殖量，萬頭；Aif為流域第i分區(qū)內(nèi)淡水養(yǎng)殖面積，103hm2；aj、ak、af是各類污染源的等標排放系數(shù)，103m3/hm2或106m3/萬頭。2）約束條件

①生產(chǎn)資源約束

為保證土地利用類型變化能控制在合理范圍內(nèi)，將糧食作物和經(jīng)濟作物的種植面積作為優(yōu)化模型的約束條件之一：

式中：Aij為流域第i分區(qū)內(nèi)第j類糧食作物和經(jīng)濟作物的種植面積，103hm2；AiJ為第i分區(qū)內(nèi)現(xiàn)有耕地保有量，103hm2。

②經(jīng)濟產(chǎn)值約束

為實現(xiàn)環(huán)境與經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展，在控制面源污染的同時，保證經(jīng)濟總產(chǎn)值在一定范圍內(nèi)波動。

經(jīng)濟總產(chǎn)值：

各縣市區(qū)經(jīng)濟產(chǎn)值：

畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)值：

水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)值：

式中：aij為第i分區(qū)各類種植業(yè)的單位產(chǎn)值，萬元/hm2；bik為第i分區(qū)各類畜禽養(yǎng)殖業(yè)的單位產(chǎn)值，萬元/萬頭；cif為第i分區(qū)各類水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的單位產(chǎn)值，萬元/hm2；α0為流域農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值調(diào)控系數(shù)；V0、Vi分別為2014年全流域和各分區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值，萬元。

③農(nóng)產(chǎn)品保障約束

農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整必須滿足當?shù)鼐用駥r(nóng)產(chǎn)品的需求，根據(jù)《杭州市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》和《關(guān)于推進杭州市“十二五”期間“菜籃子”工程建設(shè)的實施意見》，本研究設(shè)計了以下約束條件。

糧食保障：

蔬菜保障：

水果保障：

畜禽保障：

水產(chǎn)保障：

式中：Ci1、Ci2、Ci3分別是第i分區(qū)水稻單位面積產(chǎn)量、蔬菜單位面積產(chǎn)量和水果單位面積產(chǎn)量，t/hm2；Cik是第i分區(qū)單位畜禽養(yǎng)殖量的肉類供應(yīng)量，t/萬頭；Cif是第i分區(qū)單位面積水產(chǎn)產(chǎn)量，t/hm2；Piu、Pir分別指第i分區(qū)的城鎮(zhèn)居民和農(nóng)村居民數(shù)量；m1、m2、m3、mk、mf分別指城市居民糧食、蔬菜、水果、肉類、水產(chǎn)的人均需求量，t/（人·a）；n1、n2、n3、nk、nf分別指農(nóng)村居民糧食、蔬菜、水果、肉類、水產(chǎn)的人均需求量，t/（人·a）。

④產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例約束

在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的過程中，必須遵循各產(chǎn)業(yè)的比例約束。本研究將土地消納能力作為種養(yǎng)比例的一個控制指標，同時根據(jù)各地農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，將種植業(yè)結(jié)構(gòu)變化范圍、畜禽養(yǎng)殖量調(diào)整范圍納入到約束條件之中。

土地污染消納能力：

式中dk為第k類畜禽的平均可還田糞尿排泄系數(shù)，t/萬頭。

旱地占比：

稻田面積：

蔬菜用地：

式中：Ai1、Ai4分別為第i分區(qū)水稻田和旱地的面積，103hm2；Ai1（2014）為第i分區(qū) 2014 年實際水稻田面積，103hm2；Acaidi（i）為第i分區(qū)2014年實際蔬菜用地面積總量，103hm2；Aild、Aiss分別表示第i分區(qū)露天蔬菜面積和設(shè)施蔬菜面積，103hm2。

畜禽養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)：

式中：Cip、Cic、Cib、Cis分別是第i分區(qū)單位豬、禽、牛、羊養(yǎng)殖量的肉類供應(yīng)量，萬 t/萬頭，Cik包括Cip、Cic、Cib、Cis；Aip、Aic、Aib、Ais分別是第i分區(qū)豬、禽、牛、羊的養(yǎng)殖量，萬頭；Aip（2014）、Aib（2014）分別表示第i分區(qū) 2014年生豬、牛的養(yǎng)殖量，萬頭。

1.3 水質(zhì)預測模型

采用水質(zhì)模擬分析軟件（water quality analysis simulation program,WASP）驗證多目標優(yōu)化方案對水質(zhì)的影響。選取東苕溪的汪家埠斷面、奉口斷面和東升斷面，西苕溪的荊灣斷面、小梅口斷面和長興的下莘橋斷面作為水質(zhì)預測斷面（圖1）。分別采用流域內(nèi)鮑山、柴潭埠等斷面2013年和2014年的實測水質(zhì)數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行率定和驗證，得到率定期相關(guān)系數(shù)為0.96～0.98，驗證期相關(guān)系數(shù)為0.85～0.92，率定期一致性指數(shù)為0.89～0.97，驗證期一致性指數(shù)為0.81～0.90，率定期和驗證期的模擬值與實測值均表現(xiàn)出較好的吻合性，基本滿足模型運行要求。

1.4 數(shù)據(jù)來源

多目標優(yōu)化模型的各類參數(shù)主要來自于實地調(diào)研、現(xiàn)場訪談、苕溪流域2014年各縣市區(qū)統(tǒng)計年鑒、《中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒2015》《全國主要農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編2015》《中國食物與營養(yǎng)發(fā)展綱要（2014—2020年）》《中國糧食與食物發(fā)展“十二五”階段性目標》，以及政府各部門提供的相關(guān)規(guī)劃與統(tǒng)計資料。各產(chǎn)業(yè)等標污染排放系數(shù)來自于“十二五”水專項“苕溪流域農(nóng)村污染治理技術(shù)集成與規(guī)?；こ淌痉丁闭n題組提供的參數(shù)及相關(guān)文獻[10-22]（表1）。WASP模型運行參數(shù)通過本課題組在苕溪流域前期研究成果確定[23]，各監(jiān)測斷面2013年、2014年的水質(zhì)數(shù)據(jù)均由浙江省環(huán)境監(jiān)測中心提供。

表1 苕溪流域農(nóng)業(yè)面源等標污染排放系數(shù)［10-22］Table 1 Equal standard pollution discharge coefficient of agricultural non-point source(NPS)pollution in the Tiaoxi watershed[10-22]

2 結(jié)果與討論

通過改變苕溪流域農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值調(diào)控系數(shù)α0，可以得到不同經(jīng)濟目標下的農(nóng)業(yè)面源污染等標排放量的最優(yōu)解。本研究對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值按減產(chǎn)、保產(chǎn)、增產(chǎn)3種類型設(shè)置相關(guān)的約束條件，通過農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到相應(yīng)的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方案。

2.1 農(nóng)業(yè)產(chǎn)值變化

3種優(yōu)化方案的農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值相對于2014年流域農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值分別設(shè)置了增產(chǎn)型、保產(chǎn)型和減產(chǎn)型，模型運行后的結(jié)果相比于2014年現(xiàn)狀，其總的變化幅度分別為3.17%、0%、－5.01%。在這3種方案下，不同農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的類型在產(chǎn)值變化上也顯示出不同，其中：種植業(yè)產(chǎn)值都有不同程度的增長；畜禽養(yǎng)殖業(yè)的產(chǎn)值總體下降幅度在20%左右；水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的產(chǎn)值在增產(chǎn)型方案中出現(xiàn)了5%左右的增長，而減產(chǎn)型和保產(chǎn)型方案卻分別降低了4.98%和4.39%（表2）。

表2 3種優(yōu)化方案的各類農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟產(chǎn)值比較Table 2 Comparison of agricultural economic output in three optimization schemes

2.2 結(jié)構(gòu)調(diào)整變化

雖然在流域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)總值上按不同波動進行設(shè)置，3種優(yōu)化方案在產(chǎn)業(yè)調(diào)整的趨勢上基本保持一致，而產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變動較大的主要出現(xiàn)在種植業(yè)中水稻種植、設(shè)施蔬菜、園地，畜禽養(yǎng)殖中羊的養(yǎng)殖規(guī)模控制及淡水養(yǎng)殖的調(diào)整（表3）。

減產(chǎn)型方案除了設(shè)施蔬菜的規(guī)模有所增加外，其余產(chǎn)業(yè)都有不同程度的壓縮，種植業(yè)中露天蔬菜的壓縮比例最高，達到20.14%；畜禽養(yǎng)殖業(yè)中牛的養(yǎng)殖壓縮比例最高，達到33.25%；水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)也在現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上壓縮規(guī)模4.98%。保產(chǎn)型方案建議壓縮稻田、露天蔬菜、旱地的種植面積，削減豬、牛、家禽的養(yǎng)殖數(shù)量，并且縮小水產(chǎn)養(yǎng)殖的規(guī)模，但設(shè)施蔬菜、桑茶果園的種植規(guī)模及羊的養(yǎng)殖規(guī)模都得到了擴大，增幅分別達到147.33%、5.03%、18.03%。增產(chǎn)型方案的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整策略與保產(chǎn)型方案非常相似，而在稻田種植規(guī)模和水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模的調(diào)整策略上卻有較大的差別，保產(chǎn)型方案建議壓縮其規(guī)模，但在增產(chǎn)型方案下不減反增，增幅分別達到2.09%和5.01%，其目的是為了在約束條件允許的范圍內(nèi)通過擴大種養(yǎng)規(guī)模來滿足整體經(jīng)濟增長的目標。

單位面積排污強度較高的露天蔬菜在3種優(yōu)化方案中都進行了大幅度的壓縮，相反設(shè)施蔬菜地能有效減少污染物對地表水體的徑流排放，而在優(yōu)化模型中得到較大比例的增長。稻田面積在減產(chǎn)型和保產(chǎn)型方案中分別減少2.99%和3.00%，從污染負荷排放來看，稻田的單位面積排污強度不比其他土地利用類型大，但相比于經(jīng)濟作物，糧食的經(jīng)濟效益相對較低，因此在能夠保障糧食安全的前提條件下，可適度降低水稻種植面積，并向更高效益的經(jīng)濟作物轉(zhuǎn)型。畜禽養(yǎng)殖污染產(chǎn)生量大，排放強度高，是造成流域水質(zhì)惡化的主要因素之一，因此3種優(yōu)化方案都對畜禽養(yǎng)殖的數(shù)量進行了大規(guī)模的削減，然而在增產(chǎn)型和保產(chǎn)型方案下，排污量較少的羊養(yǎng)殖規(guī)模都得到了18.03%的增長。

2.3 污染減排變化

從全流域污染物削減效果（表4）來看，3種方案的等標污染排放量削減率從大到小依次為減產(chǎn)型＞保產(chǎn)型＞增產(chǎn)型，相對于現(xiàn)狀排放量，農(nóng)業(yè)面源等標污染負荷分別削減了10.15%、8.59%、5.43%；3種方案下CODcr削減率分別為10.34%、9.34%、7.04%；總氮削減率分別為8.68%、7.54%、3.62%；總磷削減率分別為12.76%、11.53%、8.84%；氨氮削減率分別為8.88%、7.59%、3.73%。增產(chǎn)型方案的污染減排效果明顯小于減產(chǎn)型和保產(chǎn)型方案，而減產(chǎn)型與保產(chǎn)型方案的污染減排效果非常接近。

從各縣市區(qū)的等標污染排放量（圖2）來看，臨安區(qū)、安吉縣、長興縣、德清縣的等標污染排放量從大到小依次為現(xiàn)狀＞增產(chǎn)型＞保產(chǎn)型＞減產(chǎn)型，與流域減排趨勢保持一致。而余杭區(qū)則表現(xiàn)為現(xiàn)狀＞保產(chǎn)型＞增產(chǎn)型＞減產(chǎn)型，主要是因為保產(chǎn)型方案為了滿足全流域總體經(jīng)濟產(chǎn)出要求，選擇在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟較發(fā)達的余杭區(qū)降低生豬、家禽、水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模的削減力度，從而導致該區(qū)保產(chǎn)型方案的等標污染排放量偏高。吳興區(qū)等標污染排放量從大到小依次為現(xiàn)狀＞增產(chǎn)型＞減產(chǎn)型＞保產(chǎn)型，各農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)在減產(chǎn)型方案和保產(chǎn)型方案下的調(diào)整幅度極為相近，二者等標污染排放量分別為1.658×109m3和1.657×109m3，主要原因在于吳興區(qū)的資源限制要求較高，大多數(shù)產(chǎn)業(yè)在不同方案下的調(diào)整變化并不明顯。

表3 笤溪流域農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案Table 3 Optimization scheme of agricultural structure in the Tiaoxi watershed

表4 3種優(yōu)化方案的污染削減比例Table 4 Pollution load reduction rate of three optimization schemes%

圖2 在優(yōu)化方案下各縣市區(qū)等標污染排放量Fig.2 Discharge of equal standard pollutant in each county under the optimization schemes

2.4 水質(zhì)預測比較

采用WASP模型對各方案下的面源污染排放進行水質(zhì)預測。相對于流域總的入河污染負荷，不同方案下的面源污染負荷削減總量不大，水質(zhì)相對于現(xiàn)狀值整體變化幅度也不明顯（圖3）。各斷面在3種優(yōu)化方案下水質(zhì)提升程度依次表現(xiàn)為減產(chǎn)型＞保產(chǎn)型＞增產(chǎn)型＞現(xiàn)狀。減產(chǎn)型與保產(chǎn)型方案的水質(zhì)優(yōu)化效果較為接近，但由于個別地區(qū)在不同方案下污染負荷削減程度不一，導致個別監(jiān)測斷面在保產(chǎn)型方案下的水質(zhì)反而優(yōu)于減產(chǎn)型方案。增產(chǎn)型方案通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，在保持經(jīng)濟增長的同時也適度降低了流域面源污染負荷，因此相比現(xiàn)狀水質(zhì)略有提升，但水質(zhì)改善效果弱于減產(chǎn)型和保產(chǎn)型方案。

圖3 在各調(diào)整方案下流域主要監(jiān)測斷面氨氮月均值變化Fig.3 Monthly NH3-N concentration of key monitoring sections in adjustment schemes

3 結(jié)論

結(jié)合苕溪流域?qū)嶋H情況和規(guī)劃目標，運用多目標控制農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，以面源污染負荷排放量最小為目標對流域農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，提出減產(chǎn)型、保產(chǎn)型、增產(chǎn)型3種優(yōu)化方案。在3種不同方案下等標污染減排效益呈逐步下降的趨勢，但從流域面源污染控制需求、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟產(chǎn)出與水環(huán)境質(zhì)量提升效果方面進行比較，保產(chǎn)型方案更加符合當前流域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的目的。

本研究結(jié)果同時表明，在保證農(nóng)業(yè)經(jīng)濟水平和保障農(nóng)產(chǎn)品安全的前提下，通過農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的科學調(diào)整，合理配置流域種養(yǎng)產(chǎn)業(yè)比例，大力發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，嚴格控制畜禽養(yǎng)殖規(guī)模，優(yōu)化發(fā)展水產(chǎn)生態(tài)養(yǎng)殖，有助于農(nóng)業(yè)面源污染的減排和水環(huán)境質(zhì)量的提升。

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