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水资源短缺是影响黄淮海平原粮食安全、生态安全和经济安全的最突出问题,目前对该问题的讨论焦点之一是该地区大面积的冬小麦—夏玉米常规种植模式是维持还是部分替代以及如何替代。本研究以河北省栾城县为例,采用实证研究和宏观分析的方法,对该地区农业用水生态代价进行评估,在此基础上设置不同的种植模式试验,进行生态功能和经济效益的综合比较分析,并对未来不同生产目标情景下的种植模式配置进行优化设计。主要结论如下: (一)该地区农业生产发展以牺牲巨大的水资源为生态代价。栾城县每年过度消耗水资源的生态成本达7987.6万元,相当于2000年种植业产值的7.3%。考虑用水的生态成本后,粮经饲作物的总经济效益降低了29.4%,说明该区目前农作模式的生态持续性相当脆弱。 (二)通过节水灌水制度可以增强现有模式的生态功能和经济效益。冬小麦灌水225mm、夏玉米灌水120mm比常规的麦玉复种模式(冬小麦灌水300mm、夏玉米灌水180mm)水分利用效率和经济效益分别提高23.0%和47.6%。 (三)节水抗旱型小麦—夏玉米种植模式与传统高耗水型小麦—夏玉米种植模式相比,在同样春季只灌溉75mm的条件下,产量、经济效益和经济水分利用效率分别提高5.7%、9.3%和4.1%。说明在水资源缺乏地区,不能完全保证冬小麦生态需水的情况下,以节水抗旱型品种替代传统高耗水型品种是一种有效的节水高效模式。 (五)春玉米一熟种植模式在该地区具有良好的生态经济功能。灌水180mm的春玉米一熟种植模式,产量可达到10268.4kg/hm~2,比传统麦玉米复种模式的WUE提高122.6%,节省灌溉水62.5%,计入生态成本后经济效益提高36.6%。在未来粮食市场流通体制健全、水资源价格体制建立后,可以作为水资源亏缺地区的节水高效模式。 (六)种植模式综合效益评价优先序为:旱麦—夏玉米(无灌水)>春棉花>春甘薯>春大豆>旱麦—夏玉米(总灌水135mm)>春花生>青饲玉米>苜蓿>春玉米>青刈黑麦—春棉>冬小麦—夏花生>冬小麦—夏玉米(总灌水270mm)>冬小麦—夏大豆>冬小麦—夏玉米(灌水345mm)。 (七)在保障水资源平衡的大前提下,模拟结果表明小麦产量目标与经济效益成反比,而与生态代价成正比的关系,因此冬小麦种植面积是种植模式优化调整的核心。 (八)通过单目标优化获得不同粮食生产目标情景的种植模式优化配置:(1)以仅保证本区的粮食总量自给为目标,种植模式配置是旱麦—夏玉米(灌水135mm)、早麦—夏玉米(无灌水)、冬小麦—夏花生、春棉花、青饲玉米和苜蓿分别占粮棉油作物耕地面积的46.1%、21.6%、12.0%、16.1%、1.2%和3.1%。与现状种植方案相比,小麦面积可下调16%,产量减少38.8%,但省水68.8%,经济效益提高34%。(2)以保证粮食自给条件下还能够满足国家公粮需求的总产为目标,种植模式的配置是早麦—夏玉米(灌水135mm)、旱麦—夏玉米(无灌水)、冬小麦—夏花生、春棉花、青饲玉米和苜蓿分别占粮棉油作物耕地面积的49.3%、21.6%、18.7%、6.1%、1.2%和3.1%。与现状种植方案相比,小麦面积可下调5.5%,产量减少18.9%,但省水68.8%,经济效益提高27.9%。此优化结果同时说明对国家粮食安全的保障是以牺牲该地区农田产出的经济效益为代价的。