干旱区坡耕地种植结构与灌溉策略多目标优化研究——以新疆伊犁河谷"引滴上山"工程为例

《Agricultural Water Management》：Multi-objective optimization of cropping structures and irrigation strategies for sustainable agricultural development in arid regions

　　本研究针对新疆伊犁河谷干旱区坡耕地水资源短缺、灌溉效率低下的问题，通过构建"水力发电-提水泵站-高位水池-自压滴灌"系统工程模型，结合NSGA-II多目标优化算法对种植结构进行优化。结果表明，"引滴上山"工程可将12万公顷坡耕地转为水浇地，使粮食产量从0.675×108 kg提升至1.0×108 kg；优化后经济效益达1.17×1010 CNY，水分利用效率(WUE)从1.99升至2.24，能源利用效率(EUE)从0.28提高至0.30。该研究为干旱区坡耕地水资源可持续利用与农业高质量发展提供了技术路径。

　　

在广袤的新疆干旱区，坡耕地农业的发展长期面临着"水在山下，地在山上"的困境。伊犁河谷作为新疆重要的粮食生产基地，其独特的地形条件导致水资源时空分布极不均衡，坡耕地灌溉效率低下已成为制约区域农业可持续发展的瓶颈。传统的漫灌方式不仅造成水资源浪费，还加剧了土壤侵蚀风险。随着气候变化影响加剧和农业用水需求持续增长，如何通过科技创新破解坡耕地灌溉难题，实现水资源高效利用与粮食安全双赢，成为摆在研究人员面前的重大课题。

针对这一挑战，石河子大学的研究团队在《Agricultural Water Management》发表了题为"Multi-objective optimization of cropping structures and irrigation strategies for sustainable agricultural development in arid regions"的研究论文。该研究创新性地提出了"引滴上山"工程模式，并运用多目标优化方法对伊犁河谷种植结构进行系统性重构，为干旱区农业水资源管理提供了新范式。

本研究主要采用四种关键技术方法：一是基于2000-2020年水资源时空变异分析的水文气象数据挖掘技术；二是融合水力发电、泵站提水、高位水池蓄水和自压滴灌的工程系统集成方法；三是应用非支配排序遗传算法(NSGA-II)的多目标优化模型，决策变量涵盖7种主要作物在9个县域的种植面积共63个变量；四是综合考虑经济效益、水分利用效率(WUE)和能源利用效率(EUE)的多指标效益评估体系。

3.1. 水资源时空变异特征

通过分析2000-2020年伊犁地区水资源数据发现，该地区水资源总量变化趋势与全疆基本一致，但存在明显的时空分异特征。年均降水量在251-513毫米之间，呈现"东多西少、山区多平原少"的空间格局。昭苏县降水量呈显著上升趋势(+12.97毫米/年)，而巩留县则表现为明显下降(-14.00毫米/年)。这种降水分布不均的特性进一步加剧了坡耕地农业的灌溉难度。

3.2. 农业种植结构与灌溉制度

研究表明，2000-2020年间伊犁地区农作物总播种面积从24.4万公顷持续扩大至42.9万公顷，增幅达76%。粮食作物比重从53%上升至85%，但作物生育期(3-9月)高度重叠导致用水竞争加剧。部分县市灌溉水利用系数仅0.427-0.560，低于全疆平均水平0.573，表明通过优化种植结构和改进灌溉技术提升水分利用效率的潜力巨大。

3.3. 增产增效机制与路径

3.3.1. "引滴上山"工程模式

研究提出的"水力发电-提水泵站-高位水池-自压滴灌"系统，充分利用地形高差实现势能-电能-势能转换。该工程模式可将12万公顷坡耕地转为水浇地，预计投资72-180亿元。若全部用于玉米种植可增产1.0×10⁸公斤，用于小麦种植可增产0.675×10⁸公斤，同时还能提升生态服务功能和创造就业机会。

3.3.2. 种植结构优化

运用NSGA-II算法对2022年种植结构进行多目标优化显示，在适当减少玉米、甜菜种植面积的同时，增加水稻和油料作物种植比例，可使经济效益从1.00×10¹⁰元提升至1.17×10¹⁰元。水分利用效率从1.99提高到2.24，能源利用效率从0.28改善至0.30，作物总产值从1.04×10¹⁰元增长至1.21×10¹⁰元，总产量从4.78×10⁹公斤增加至5.26×10⁹公斤，而粮食总产量稳定在3.18×10⁹公斤。

研究结论表明，"引滴上山"工程模式与种植结构优化相结合的技术路径，能有效解决坡耕地水资源错配问题。通过将滴灌技术引入丘陵地区，不仅实现了"坡改耕"的突破，还显著提升了水资源和能源利用效率。讨论部分指出，该研究创新点在于将工程措施与管理优化有机结合，既通过基础设施建设扩大灌溉面积，又通过种植结构调整提升系统效率。这种"硬件+软件"的双轮驱动模式，为干旱区农业水资源可持续管理提供了可复制的样板。值得注意的是，研究建议优先选择集中连片的坡耕地开展试点示范，在实践基础上逐步推广，确保项目的科学性和适应性。

该研究的实践意义在于为"藏粮于地、藏粮于技"战略提供了技术支撑，通过优化种植结构平衡粮食安全与资源节约的关系，为类似生态脆弱区的农业可持续发展提供了重要参考。未来研究可进一步探讨不同气候情景下的适应性管理策略，以及市场化机制在项目推广中的作用，从而完善干旱区农业水资源管理的理论体系和技术路径。