安家沟流域土地利用结构优化设计及效益评价_陈文业

PRATACULTURALSCIENCE17 3/2007

安家沟流域土地利用结构优化设计及效益评价

陈文业,戚登臣,杨鑫光,于洪波,蔡国军,柴春山,李广宇

(甘肃省林业科学研究院,甘肃兰州730020)

摘要:根据甘肃定西安家沟流域自然条件、土地利用状况,以及对人、财、物资源的输入和输出的分析,以种植业和畜牧业总体最大、纯经济效益最高为目标,在土地面积、劳动力、畜力、社会需求和饲料需求的约束之下,建立数学模型,应用线性规划方法进行土地利用结构优化设计。土地利用结构优化调整后,农、林、牧用地比例由原来的615B311B014调整为117B418B315,社会效益、经济效益和生态效益得到了不同程度的提高。

关键词:优化设计;土地利用;安家沟流域;线性规划;效益评价

中图分类号:S81218 文献标识码:A 文章编号:1001-0629(2007)03-0017-05

*

农林牧用地结构优化设计应是调整结构)种

其中林业用地占总面积的20134%,灌木林较多,占总面积的1118%,以柠条Caraganamicro-phylla、甘蒙柽柳Tamarixaustremongolica为主,主要用于水土流失治理。乔木林占总面积的

411%,以新疆杨Populusalba、山杏Prunusar-meniaca等耐旱树种为主。经济林占总面积的0104%,主要以苹果、杏、早酥梨为主,发展庭院经济。草地占总面积的519%,人工草地以紫花苜蓿Medicagosativa和红豆草Onobrychisviciae-folia为主,用于发展养殖业。天然草地是受退耕还林(草)、封山禁牧政策影响恢复起来的草地,主要用于防止水土流失。其余用地18917hm2,占总面积的18193%,主要是陡坎、拦水坝、荒地、居民点、道路等。

草种树)以牧促农)增加物能投入)少(免)耕作与秸秆覆盖)培肥土壤)以肥调水)提高单产,

而发展草产业、畜牧业对每个环节都有重要的作用[1]。按照生态和经济规律,以各种农畜产品的社会需求量、资源状况和经济效益为基础,进行优化,使系统从总体上获得最佳的经济效益、生态效益和社会效益。在人口剧增、土地资源锐减、生态环境脆弱的半干旱黄土丘壑区,调整农林牧比例,发展高效畜牧业生产,将农、林、牧、草生产有机结合,是提高系统生产力和资源转化率的有效途径[2]。为此,在国家/十五0科技攻关项目的资助下,开展半干旱黄土丘壑区安家沟流域生态农林牧用地结构优化设计研究,集中力量深入调查和系统剖析,总结成功经验,得出优化方案,为生态农林牧用地结构优化设计提供依据。

2 研究方法

社会经济环境分析主要是对生产、投入、人口、社会需求等进行分析,为优化土地利用结构提供基础数据[3]。研究根据2005年流域综合调查结果、对农业生态系统投入产出价格、单位面积作物投入成本及产出效益、单位面积各林种投入成本及产出收益、畜禽投入成本及产出效益及各种

*

1 土地利用状况

安家沟流域总面积1001hm,总人口1209

人,劳动力588人,占总人口的4816%,土地利用类型较多。该流域农业用地51811hm,占总面积的5118%,其中梯田地占总面积的5012%,坡地占总面积的1156%。由于受气候、自然条件影响,该流域种植的农作物主要是小麦Triticumaestivum、胡麻Linumusitatissimum、豌豆La-thyrusodratus、玉米Zeamays和马铃薯Sola-numtuberosm。其中马铃薯是该区域的支柱产业。林草用地26217hm2,占总面积的26124%,

2

2

收稿日期:2006-09-27

基金项目:国家/十五0科技攻关计划课题(2001BA606A-03、2004BA606A-03)

作者简介:陈文业(1978-),男,甘肃白银人,研究实习员,

学士,主要从事生态恢复研究。EËmail:gschwy@1631com18 PRATACULTURALSCIENCE(Vol124,No13)3/2007

产品的社会最低需要量进行了计算,各种经济运行分析均以1hm2为单位。

[4]

3300X7+3300X8+366415X11+187213X12+187213X13+187213X14+187213X15+2292X16+2292X17+2292X18+2292X19+1349X20+21516X21+2018X22+349X23+270X24

其中:Pmax为最大目标函数,xj(j=1,2,,24)为决策变量,各决策变量前的系数为自变量参数。在以上目标函数中,紫花苜蓿面积变量X9、X10未计入其中,而是将饲草收益计入畜产品中,以免重复计算。

211决策变量设置 根据对安家沟流域土地

类型的踏勘,按不同立地类型特征将流域土地类型划分为5类,分别为:梁峁顶、梁峁坡、阶地、沟壑和居民庭院。土地利用变量设计在保证土地适宜的前提下,根据各类物种的生理生态特性和生长发育要求,设置了24种土地利用决策变量(表1)。

表1 安家沟流域土地利用优化设计模型决策变量项目小麦玉米油料豆类马铃薯紫花苜蓿果园乔木林灌木林牛羊鸡猪驴

X12X16X20X21X22X23X24

[4]

214约束方程 在结构的整体性、资源的有限

性和效益最优化三大原则的指导下,运用线性规划方法,依次建立约束方程。

21411面积约束条件　面积约束的含义是根据表1所设置的决策变量,每一变量代表一种利用方式,在某类土地单元上所安排的各种土地利用方式所占面积不超过这种土地单元的总面积。约束方程为:X8+X12+X16[9(即梁峁顶总面积为

梁峁顶梁峁坡阶地X1X2

沟壑居民庭院

X3X5X7

X9

X10

X4X6X8

X11

9hm2,在梁峁顶设计种植的紫花苜蓿、乔木和灌木总面积不得超过9hm,下同)。

X3+X5+X7+X10+X13+X17[69617

X1+X2+X4+X6+X8+X18[10811X14+X19[13711X11+X15[50

21412劳力约束条件　流域区内现有劳动力是有限的,结合每种作物生产所必需的劳动力数

2

X13X17

X18

X14X19

X15

212建立数学模型

满足条件:

j=1

土地利用优化设计的

量,控制现有土地经营活动所需的劳动力不超过流域区内目前所能提供的劳动力数量,劳动力即现有劳力乘以(1+3%),按每人每年出勤

200d计算[5]:

150X1+180X2+150X3+150X4+150X5+150X6+165X7+165X8+5215X9+5215X10+6X11+11X12+11X13+11X14+11X15+813X16+813X17+813X18+813X19+40X20+20X21+4X22+25X23+30X24[17640021413畜力约束条件　控制现有土地经营活动所需的畜力不超过流域区内目前所能提供的畜力数量。约束方程为:

90X1+90X2+90X3+90X4+80X5+80X6+90X7+90X8+90X9+2215X10-800X20-320X24[0数学模型为求一组变量Xj(j=1,2,,n)的值,

Eaij1xj\\bi

n

xj\\0 (j=1,2,m)

使F(x)=EKnfn(x)达到最优。

式中,xj为决策变量,aij为决策变量系数,bi

为资源限制量,F(x)为综合目际函数,fn(x)为单

n为决策目标相应的权系数。目标函数,K

213优化目标 在充分考虑生态效益的前提下,

以经济纯收入最大为优化目标。目标函数的确立,

根据各作物单位面积或畜禽单位养殖量的纯利润,建立目标函数。即:Pmax=1665X1+530X2+47217X3+47217X4+23218X5+23218X6+3/2007草 业 科 学(第24卷3期)19

21414社会需求约束条件　在土地利用结构调整

时,必需满足人民生活对粮食、油料等农产品的最低需求量。

小麦:3000X1\\483600玉米:2250X2\\12090

油料:1500X3+1500X4\\12090

豆类:1500X5+1500X6\\4836马铃薯:18750X7+18750X8\\60450猪肉:125X23\\30225羊肉:18X21\\1209

禽蛋:1215X22\\241821415牛羊猪驴局部约束(饲料约束)　各种作物所产生的秸秆量及人工种植的牧草量,必须满足牲畜对饲料的最低需求。

3000X1+4500X2+750X3+750X4+750X5+750X6+750X7+750X8+6000X9+6000X-2190X-54715X54715X23-1825X24\\0

10

20

21

312单位面积作物种植成本及效益 由表3

可见每个作物纯效益由大到小为:马铃薯、紫花苜

蓿、小麦、玉米、油料、豆类。

313单位面积各林种的投入成本及效益

由表4可见,纯效益按序由大到小依次为果园、灌木林、乔木林。根据课题前期研究成果,在计算乔木和灌木收益时将生态效益计入其内,以充分体现乔木和灌木的水保效益

[6-9]

。

314畜禽成本及效益 由表5可见,各种畜禽

纯收益由大到小依次为:牛、猪、驴、羊、鸡。

315各种产品的社会最低需要量 该流域农

田面积现有人口承载量为213人/hm2,把承载人

口的年农畜产品消费量作为社会最低需求量,根据区域经济发展水平,经实地调查分析后核算出农畜产品的最低需求量(表6)。

316土地利用结构优化模型 土地利用结构

优化[10]是一个多目标决策过程,其目的是确定不同的作物、树种及牧草在各类型土地上的分配面积,使流域内土地的综合效益最佳。根据安家沟流域的土地资源特性(生产潜力和适宜性等),合理配置农、林、牧业生产结构比例,优化土地利用系统结构,最大限度地开发土地生产潜力,选择适宜的士地利用方式和组合模式,进行土地利用优化设计,以获得最大的社会、经济、生态综合效益,实现土地的持续利用。经土地利用结构优化设计后,流域区内总体经济收益为30913万元,优化前农地占5118%,林地占2418%,牧草地占2185%;优化后农地占17112%,林地占48146%,牧草地占35116%(表7)。

投入项

产出项

价格(元)301510333715356131503600项目秸秆鸡肉猪肉牛犊小鸡

单位kgkgkg(头)(只)

价格(元)0121088003

[11]

-2912X

22

-

21416林地面积约束　在相应的土地类型单元上栽植的林木不得大于该类土地单元的总面积。

X12+X13+X14+X15\\10516

X16+X17+X18+X19\\1561721417模型求解　应用线性规划软件(Lindo)求解该方程,最后得出综合目标函数的优化结果。

3 结果311农业生态系统投入产出各项价格 从

表2中可以看出,项目不同,投入和产出的价格也不同。

投入项项目小麦玉米油料豆类马铃薯化肥精饲料粗饲料单价(元/kg)116110218210014116114014项目小麦玉米油料豆类马铃薯薪材羊肉鸡蛋产出项

单价(元/kg)1161102182100140161410610项目有机肥

紫花苜蓿种子

劳力畜力经济林乔木林灌木林紫花苜蓿干草表2 农业生态系统投入产出各项价格

单位m3kgdhhm2hm2hm2hm2

20 PRATACULTURALSCIENCE(Vol124,No13)3/2007

表3 各种作物每公顷种植面积主要投入成本及效益分析

劳力

项目

时间(d)

小麦玉米油料豆类马铃薯

150180150150165

成本(元)15001800150015001650525

畜力时间成本(h)(元)909090809023

270270270240

种子用种量(kg)225101510521510410

成本(元)3601015101571052127201033810

化肥施量(kg)30022537502250

成本(元)48036060003600

农家肥施量(m3)

成本(元)

产量(kg)3000

秸秆

产量

纯收益(元)600

(kg)

成本(元)

毛收益(元)540037503750315076503600

纯收益(元)166510530104721723218330010260310

37151125371511252510

750

300037352250322015003277150029171875043506000

998

450015007507507500

1501501500

37151125451013500

0

27018001069

2215

紫花苜蓿5215

表4 林种成本核算

林种经济林用材林

山杏、花椒、果、梨

油松Pinustabulaetormis、侧柏Platycladusorientalis、杨树Poplus、白榆ulmuspumila柠条、沙棘Hippophaerhamnoides、杞柳Salixpurpurea

树种

造林投入3371535613

生态效益7801750

经济效益32221047816

元/hm2纯效益366415187213

灌木林15010120423810229210

元

表5 单位畜禽成本效益核算

投入项

项目

劳力

牛羊猪鸡驴

48024030030360

精饲料1752125225

饲草876102191021910111773010

幼崽800801803

畜力/蛋/毛/皮

2400150075960

肉3003521000110

幼崽800240000

有机肥1801033163001041540010

产出项

纯收益1349102151634910201827010

表6 各种农畜产品的社会最低需要量项目小麦玉米油料豆类马铃薯猪肉羊肉鸡蛋人均需要量[kg/(人#年)]

40010104502512社会最低需要量(kg/hm)92010231023109121151057152134162

4 结论

411研究从系统综合开发与利用入手,调整农业

结构,退耕还林还草,发展畜牧业和林果业,通过制定合理的农、林、牧比例,调整配置结构,达到农业生产的经济效益和环境效应的统一,实现了系统的可持续发展[12]。

412由于生产条件的改善和土地利用结构的调

整,提高了农业生产效率,农业投入产出比降低了1317%,劳动生产率提高了1315%,土地生产率平均增幅28146%。流域内人均年纯收入提高了4511%,人均占有粮食214127kg。

3/2007草 业 科 学(第24卷3期)21

表7 安家沟流域土地利用线性规划优化结果

变量X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12

优化值(hm2)

80175146102113120601015102103501020100

立地条件阶地阶地梁峁坡阶地梁峁坡阶地梁峁坡阶地梁峁顶梁峁坡庭院梁峁顶

土地利用方式

小麦玉米油料油料豆类豆类马铃薯马铃薯紫花苜蓿紫花苜蓿果园乔木林

变量X13X14X15X16X17X18X19X20X21X22X23X24

优化值(hm2)

32166710610710244195107010966156712193142411812810

立地条件梁峁坡沟壑居民庭院梁峁顶梁峁坡阶地沟壑

土地利用方式

乔木林乔木林乔木林灌木林灌木林灌木林灌木林牛羊鸡猪驴

413经过优化调整后,土地利用结构趋于更加合

理,农林牧用地比例由原来的65B1B3调整为48B5B12,植被覆盖率提高了1112%,流域水土

流失治理度增加了1517%,土壤侵蚀模数降低了7119%,土壤有机质由原来的1126%提高到目前的1133%,土壤肥力和抗侵蚀能力明显增强。安家沟流域的生态、经济效益得到高效稳定的发展。

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414从土地利用优化结果看,仅马铃薯一项可提

高人均年收入465126元。另外,充分利用农民庭院周围的空闲地发展林果业,果园面积增加20hm2,年收入7万多元,在优化模型中最显著的是在梁峁坡地增加了紫花苜蓿的种植面积352hm2,年产干草2112t,将有力促进特色畜牧业的发展。这一结果说明,在满足群众基本口粮的前提下,大力发展特色农业、林业、养殖业,充分挖掘土地生产潜力,能够有效促进生态恢复,使流域水土资源得到充分保护与利用,从而提高了总体经济效益和生态效益。参考文献

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3/2007草 业 科 学

PRATACULTURALSCIENCE24卷3期Vol124,No13

灌木抗旱机理研究

邵麟惠1,于应文2,张德罡1

(11甘肃农业大学草业学院,甘肃兰州730070;

21兰州大学草地农业科技学院农业部草地农业生态系统学重点试验室,甘肃兰州730020)

摘要:从灌木生长性状、形态结构、细胞质膜透性、光合、渗透调节(可溶性糖、脯氨酸、甜菜碱和无机离子)、ABA和LEA蛋白变化及其与灌木抗旱性的关系方面,综述了灌木抗旱机理研究。关键词:灌木;抗旱性;形态;生理;调控

中图分类号:S793 文献标识码:A 文章编号:1001-0629(2007)03-0022-06

干旱作为最大环境压力之一,日益受到人们关注[1]。据统计,干旱区约为全球总土地面积的36%,占耕地总面积的4219%;我国干旱、半干旱区占国土总面积的47%,约为耕地的51%[2]。一般而言,植物对环境的适应性取决于环境供水状况,植物对水分的需求与其所处环境水分条件相矛盾,而干旱区这一矛盾尤为突出[3]。近年来,国内外学者对干旱区植物的抗旱性进行了广泛深入的研究

[4,5]

中于形态解剖、渗透调节物质及光合生理方面,也有分子遗传学等方面的研究。就国内抗旱灌木研究区域而言,内蒙古阿拉善荒漠区灌木的研究较系统;新疆、青海等区域研究相对较少,尤其缺乏野外生境下的系统研究。为此对国内抗旱灌木的主要研究作一简要综述。

收稿日期:2005-01-15

基金项目:青海省科技攻关计划子项目(2004-N-108)作者简介:邵麟惠(1981-),女,甘肃庆阳人,在读硕士生。

。但灌木受

形态结构和生理生化特性控制,其研究主要集

Studyonoptimized-structuredesignoflanduseandefficiencyevaluationinAnJiaGouwatershed

CHENWen-ye,QIDeng-chen,YANGXin-guang,YUHong-bo,

CAIGuo-jun,CHAIChun-shan,LIGuang-yu

(GansuForestryScienceandTechnologyResearchAcademy,Lanzhou730020,China)

Abstract:Basedonthenaturalcondition,landuseaswellasproductionlevelandwatershedcontrolmeasureinAnJiaGouwatershedofDingxi,Gansuprovince;throughanalysisoflandusetypes,structures,spatialdistributionpattern,landresource,finance,substanceinputandoutput;inviewtogainingthebiggestcomprehensiveneteconomicprofitoffarmingandanimalhusbandry;fromqua-l

itativetoquantitativeapproach;throughestablishedmathematicalmodel;inconsiderationofrestrain-edfactorsofarea,man-power,livestock-power,socialdemandandfodderamount,linearpro-grammingmethodwasapplied1Anoptimizationlandusestructurewassuggested1Theoptimizationmodelprovidedoptimalobjectivesolution1Theoptimalstructureoflandusewasadjusted1Thepro-portionoflanduseforagriculture,forestandpasturewasadjustedfrom615B311B014to117B418B3151Socialbenefits,economicbenefitsandecologicalbenefitsincreasedatdifferentlevels1Keywords:optimizationdesign;landuse;AnJiaGouwatershed;Linearprogramming;efficiencye-valuation