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據(jù)統(tǒng)計(jì)，農(nóng)業(yè)用水在全球總用水量中占比高達(dá)70%，而地下水開采量的67%更是被用于灌溉。農(nóng)業(yè)快速擴(kuò)張，不僅對水資源供給造成巨大壓力，也侵占了森林、草地和濕地（簡稱林草濕）等生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)用地，打破了生態(tài)系統(tǒng)連通性，擾亂了自然生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程。考慮糧食安全和生態(tài)安全的水土資源優(yōu)化配置涉及到水文、生態(tài)、農(nóng)業(yè)、地理、經(jīng)濟(jì)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，同時(shí)考慮到了水資源和土地資源之間存在相互匹配與均衡的關(guān)系，任何一種資源的短缺都會(huì)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。因此，如何協(xié)調(diào)與權(quán)衡有限的水資源和土地資源，提升水資源利用效率，增加糧食生產(chǎn)能力，提高保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)連通性，增強(qiáng)碳匯能力，仍然是一個(gè)復(fù)雜的科學(xué)問題。

針對上述問題，本研究以中國三江平原為例，結(jié)合分布式水文模型（CWatM）和改進(jìn)的基于水-碳-糧食-生態(tài)耦合的水土資源空間優(yōu)化配置模型（圖1和圖2），實(shí)現(xiàn)了水資源、固碳量、糧食產(chǎn)量和生態(tài)系統(tǒng)連通性多維要素的協(xié)同與權(quán)衡。具體結(jié)果如下：（1）三江平原水資源量在156～479億m³之間波動(dòng)。由于水利工程和水土資源時(shí)空不匹配性，現(xiàn)有可利用水資源量無法可持續(xù)支撐三江平原4000萬畝水稻田種植規(guī)模。（2）在常規(guī)灌溉模式下，優(yōu)化后水稻、玉米和大豆的種植比例由現(xiàn)狀的3:2:1調(diào)整為2.2:2.4:1.4，可節(jié)約灌溉用水23億m³，濕地面積增加10204公頃，總固碳量可增加153億kg，總生態(tài)效益提升102億元，空間優(yōu)化后生態(tài)連通性可提高2.8%。（3）在節(jié)水灌溉模式下，優(yōu)化水稻、玉米和大豆的種植比例調(diào)整為 2.3:2.4:1.3，可節(jié)約灌溉用水45億m³，總固碳量增加137億kg，濕地面積增加5609ha，總生態(tài)效益提升27億元，空間優(yōu)化后生態(tài)連通性提高2.3%（圖3-圖5）。

未來三江平原應(yīng)加強(qiáng)兩方面的研究：一是加強(qiáng)供水工程建設(shè)，提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)水資源供給保障能力。另一方面，應(yīng)從多角度、多過程揭示生態(tài)系統(tǒng)功能與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系，確保糧食安全和生態(tài)安全。

該研究發(fā)表在農(nóng)業(yè)水資源領(lǐng)域中國科學(xué)院1區(qū)期刊《Agricultural water management》上，由東北地理所聯(lián)合培養(yǎng)碩士宋昊（第一作者）、李博特別研究助理（共同一作）、李治軍副教授（黑龍江大學(xué)）、章光新研究員、呂喜璽教授（新加坡國立大學(xué)）和齊鵬項(xiàng)目副研究員（通訊作者）等共同完成。研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFF1300902和2024YFD1501700）和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)（A類）（XDA28100105）共同資助。

論文信息及鏈接如下：

Hao Song,Bo Li,Zhijun Li,Guangxin Zhang,Xixi Lu,Peng Qi*. Modelling water and land resources synergy and trade-off in a major grain-producing area,China. Agricultural Water Management,2025,320: 109880.https://doi.org/10.1016/j.agwat.2025.109880

?圖1 基于水-碳-糧食-生態(tài)耦合的水土資源空間優(yōu)化配置概念圖

圖2 三江平原水土資源空間優(yōu)化配置技術(shù)路線圖?

圖3 水資源優(yōu)化結(jié)果：(a) 優(yōu)化前后常規(guī)灌溉模式下地表水配置；(b) 優(yōu)化前后常規(guī)灌溉模式下地下水配置；(c) 優(yōu)化前后節(jié)水灌溉模式下地表水配置；(d) 優(yōu)化前后節(jié)水灌溉模式下地下水配置；(e) 優(yōu)化前后常規(guī)灌溉模式下作物灌溉用水分配比例；(f) 優(yōu)化前后節(jié)水灌溉模式下作物灌溉用水分配比例?

圖4 固碳量優(yōu)化結(jié)果：(a)不同模式下的固碳量；(b)不同模式下作物的碳排放量；(c)不同模式下作物的碳吸收量

圖5 空間優(yōu)化配置結(jié)果：(a)優(yōu)化前土地利用類型分布；(b)常規(guī)灌溉模式下優(yōu)化后土地利用類型分布；(c)節(jié)水灌溉模式下優(yōu)化后土地利用類型分布；(d)優(yōu)化前后常規(guī)灌溉模式下生態(tài)系統(tǒng)連通性及轉(zhuǎn)換成本變化；(e)優(yōu)化前后節(jié)水灌溉模式下生態(tài)系統(tǒng)連通性及轉(zhuǎn)換成本變化。