東北地理所在東北黑土區水土資源優化配置方面取得重要進展
東北黑土區是我國重要商品糧生產基地，支撐國家糧食增產重大工程，擁有耕地面積約5.6億畝，玉米、水稻和大豆分別占全國產量的41%、19%和56%，商品量占全國的1/4，調出量占全國的1/3，被譽為我國糧食生產的“穩壓器”和“壓艙石”，在保障我國糧食安全方面具有重要作用。同時，東北黑土區也是我國重要的生態功能區，分布有大量森林、草地和濕地，在防風固沙、涵養水源、凈化水質、蓄洪抗旱、調節氣候和維護生物多樣性等方面發揮著重要生態屏障功能。然而，大規模耕地開墾和水資源的開發，導致東北黑土區部分河段斷流，局部地下水超采，水土資源匹配程度差，整體呈現“北豐南欠，東多西少”的空間分布特征。此外，森林、草地和濕地等自然生態系統面積大幅度減少。《國際濕地公約》表明全球有近50%的濕地因農業擴張發展而導致退化或消失，而東北濕地面積退化更為嚴重，已降到1949年前20%。在國家糧食增產戰略背景下，灌溉農業的持續擴張，必將加劇農業和生態系統對水土資源的激烈競爭。因此，解析水土資源演變特征，開展面向農田和生態系統協同發展的水土資源優化配置對東北黑土區生態安全和糧食增產具有重要意義。
為解決上述問題，本研究首先分析了該地區水土資源演變規律，然后研發了基于水-碳-經濟-生態耦合的水土資源優化配置模型，通過NSGA Ⅲ智能算法對模型進行求解，最終在四種情景下（平水年常規灌溉、平水年節水灌溉、枯水年常規灌溉和枯水年節水灌溉）對東北黑土區40個城市水土資源進行優化配置和生態安全保障分析。結果表明：（1）在氣候變化和人類活動的影響下，1980年以來水田和旱田面積分別增加了91%和14%，林地、草地和濕地分別減少了2%、27%和10%。（2）2001~2020年東北黑土區平均水資源總量為1972億m3，大部分城市的地表水資源量、地下水資源量以及水資源總量呈現增加趨勢。（3）四種情景下，東北黑土區主要糧食作物的毛灌溉需水量在491~722億m3之間。通過優化配置后，在平水年通過增強節水，水稻種植面積仍可增加13.7%；其余水平年通過調整種植結構和增強節水也可大幅度提高糧食產量、農民收入、固碳量和生態效益，減少水資源開發利用，保障東北黑土區糧食安全和生態安全。針對目前水土資源存在的問題，提出了相關對策建議，為東北黑土區糧食增產工程和生態安全提供策略支撐。
該研究發表在《科學通報》上，由中國科學院東北地理與農業生態研究所齊鵬副研究員（第一作者）、孫佳歆碩士、章光新研究員、孫敬軒博士、姜明研究員（通訊作者）和黑龍江大學戴長雷教授共同完成。研究得到吉林省優秀青年科技人才項目（應用技術類）（20230508099RC），國家自然科學基金面上項目（42371037）和中國科學院戰略先導項目（A類）（XDA28100105）共同資助。
圖1 基于水-碳-經濟-生態耦合的水土資源優化配置模型
圖2 優化前后東北黑土區水資源開發利用對比分析（a）總水資源量（b）地表水資源量（c）地下水資源量（Q1:平水年常規灌溉，Q2:平水年節水灌溉，Q3:枯水年常規灌溉，Q4:枯水年節水灌溉）
圖3 優化前后東北黑土區作物種植結構對比分析（a）平水年常規灌溉情景（b）平水年節水灌溉情景（c）枯水年常規灌溉情景（d）枯水年節水灌溉情景
論文信息及鏈接如下：
齊鵬,孫佳歆,孫敬軒,章光新,姜明*,戴長雷. 東北黑土區水土資源配置及其空間格局優化 [J]. 科學通報,2024 . https://doi.org/10.1360/TB-2023-1270
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