東北地理所在基于作物需水過程的農(nóng)業(yè)水土資源優(yōu)化配置模型研發(fā)與應(yīng)用方面取得進(jìn)展
農(nóng)業(yè)灌溉占用全球取用水總量的70%以上。在國家“四水四定”的戰(zhàn)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(guān)重要。水土資源之間聯(lián)系錯綜復(fù)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(nóng)業(yè)水土資源優(yōu)化配置研究時，如何協(xié)調(diào)二者之間關(guān)系是亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。然而，由于極端氣候頻率不斷增加和下墊面條件復(fù)雜性加劇，水資源年際間和年內(nèi)變異系數(shù)顯著增強(qiáng)，充分滿足農(nóng)作物生長過程的水資源可持續(xù)供給面臨著巨大的挑戰(zhàn)。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(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的壓力。同時，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中過量施用化肥、農(nóng)藥和農(nóng)業(yè)機(jī)械會導(dǎo)致大量碳排放，對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定構(gòu)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(nóng)業(yè)水土資源優(yōu)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(fā)的WCECM模型進(jìn)行了改進(jìn)。研究從作物灌溉用水、種植結(jié)構(gòu)、固碳量、經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)量等多個角度進(jìn)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(jié)構(gòu)和水資源優(yōu)化配置方案。通過 NSGA-III 算法選擇最優(yōu)解，并提出有針對性的優(yōu)化策略。最后將改進(jìn)的水-碳-經(jīng)濟(jì)耦合模型（IWCECM）在中國具有代表性的農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)——三江平原友誼農(nóng)場進(jìn)行應(yīng)用和驗(yàn)證。結(jié)果表明，改進(jìn)后的模型不僅能夠根據(jù)不同情景精確調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)，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(jīng)濟(jì)收入和糧食產(chǎn)量。具體而言，優(yōu)化后，平水年常規(guī)灌溉模式 (S1) 和節(jié)水灌溉模式 (S2)以及干旱年份的常規(guī)灌溉模式 (S3) 和節(jié)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(yōu)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(chǎn)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(jīng)濟(jì)效益與優(yōu)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(jié)果不僅對解決當(dāng)前農(nóng)業(yè)水資源和土地資源的相關(guān)挑戰(zhàn)具有現(xiàn)實(shí)意義，也為未來農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了參考和建議。
該研究發(fā)表在水資源領(lǐng)域中科院1區(qū)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(lián)合培養(yǎng)碩士孫佳歆（已畢業(yè)）（通訊作者）等共同完成。研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2024YFD1501700）、中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)項(xiàng)目（A類）（XDA28100105）和吉林省優(yōu)秀青年科技人才項(xiàng)目（應(yīng)用技術(shù)類）（20230508099RC）共同資助。
圖1 改進(jìn)的水-碳-經(jīng)濟(jì)耦合的農(nóng)業(yè)水土資源優(yōu)化配置模型框架
圖2 基于作物需水過程的水土資源優(yōu)化配置概念圖
圖3 不同情景下的水土資源優(yōu)化配置結(jié)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(guān)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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