東北地理所在基于作物需水過程的農業水土資源優化配置模型研發與應用方面取得進展
農業灌溉占用全球取用水總量的70%以上。在國家“四水四定”的戰略背景下，解決水土資源時空不匹配的問題對保障我國糧食安全至關重要。水土資源之間聯系錯綜復雜，任何一種資源的短缺都會限制另一種資源的利用，從而降低水土資源的綜合利用效率。在開展農業水土資源優化配置研究時，如何協調二者之間關系是亟需解決的關鍵科學問題。然而，由于極端氣候頻率不斷增加和下墊面條件復雜性加劇，水資源年際間和年內變異系數顯著增強，充分滿足農作物生長過程的水資源可持續供給面臨著巨大的挑戰。特別是在干旱時期，降水量的減少使得可供作物生長的有效降水量大幅下降，從而加劇了農業生產用水的壓力。同時，農業生產過程中過量施用化肥、農藥和農業機械會導致大量碳排放，對生態系統的穩定構成威脅。因此，從水-碳-糧食耦合視角開展基于作物需水過程的農業水土資源優化配置研究對保障我國糧食安全具有重要意義。
本研究突破了以往水資源分配中對作物需水過程過度概化的問題，并對我們之前研發的WCECM模型進行了改進。研究從作物灌溉用水、種植結構、固碳量、經濟效益和產量等多個角度進行了深入分析。基于作物需水過程，提出了不同水文情景下的作物種植結構和水資源優化配置方案。通過 NSGA-III 算法選擇最優解，并提出有針對性的優化策略。最后將改進的水-碳-經濟耦合模型（IWCECM）在中國具有代表性的農業主產區——三江平原友誼農場進行應用和驗證。結果表明，改進后的模型不僅能夠根據不同情景精確調整作物種植結構，管理每種作物在不同生長階段的灌溉用水需求，還能提高固碳量、經濟收入和糧食產量。具體而言，優化后，平水年常規灌溉模式 (S1) 和節水灌溉模式 (S2)以及干旱年份的常規灌溉模式 (S3) 和節水灌溉模式 (S4)下的種植面積比例分別為4:5:1、5:4:1、2:7:1和3:6:1。與優化前相比，四種方案的總固碳量分別增加了4.95×108 kg、4.56×108 kg、4.04×108 kg和6.84×108 kg，糧食總產量分別增加了1.72×108 kg、1.43×108 kg、0.69×108 kg和1.45×108 kg。除枯水年外，其他方案下的經濟效益與優化前無明顯差異。在平水年，作物在生長初期的總用水量最高；在枯水年，作物在生長中期的總用水量最高。該結果不僅對解決當前農業水資源和土地資源的相關挑戰具有現實意義，也為未來農業的可持續發展提供了參考和建議。
該研究發表在水資源領域中科院1區期刊《Journal of Hydrology》上，由中科院東北地理所齊鵬副研究員（第1作者）、聯合培養碩士孫佳歆（已畢業）（通訊作者）等共同完成。研究得到國家重點研發計劃（2024YFD1501700）、中國科學院戰略先導項目（A類）（XDA28100105）和吉林省優秀青年科技人才項目（應用技術類）（20230508099RC）共同資助。
圖1 改進的水-碳-經濟耦合的農業水土資源優化配置模型框架
圖2 基于作物需水過程的水土資源優化配置概念圖
圖3 不同情景下的水土資源優化配置結果
論文信息及鏈接如下：
Peng Qi,Jiaxin Sun* and Guangxin Zhang. Optimal allocation of water and land resources considering crop water demand process from the perspective of water-carbon-economy nexus. Journal of Hydrology,2025,132831. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2025.132831.
其他相關論文：
Jiaxin Sun,Yanli Yang,Peng Qi*,Guangxin Zhang and Yao Wu. Development and Application of a New Water-Carbon-Economy Coupling Model (WCECM) for Optimal Allocation of Agricultural Water and Land Resources. Agricultural Water Management,2024,291:108608.https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.agwat.2023.108608.
Yingbin Wang,Haiqing Wang,Jiaxin Sun,Peng Qi*,Wenguang Zhang,and Guangxin Zhang. Spatially optimized allocation of water and land resources based on multi-dimensional coupling of water quantity,quality,efficiency,carbon,food,and ecology. Agricultural Water Management,2025,309 :109340.https://doi.org/10.1016/j.agwat.2025.109340
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