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三江平原是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地和濕地集中分布區(qū)，對(duì)保障國(guó)家糧食安全和生態(tài)安全具有重大的戰(zhàn)略意義。20世紀(jì)90年代以來(lái)，三江平原經(jīng)歷了大規(guī)模的農(nóng)業(yè)擴(kuò)張，區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉需水量激增，導(dǎo)致地下水超采和生態(tài)用水被擠占，激化了區(qū)域水-糧食-生態(tài)系統(tǒng)之間的矛盾，制約了該地區(qū)可持續(xù)發(fā)展。如何平衡區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展、水資源短缺和生態(tài)保護(hù)之間的矛盾，提出水資源和耕地資源的協(xié)同配置方案，對(duì)實(shí)現(xiàn)灌區(qū)糧食穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)和區(qū)域“水-糧-生”協(xié)同可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

為此，三江示范區(qū)“水土資源優(yōu)化匹配與調(diào)控技術(shù)示范”研究人員構(gòu)建了水資源和作物種植協(xié)同優(yōu)化配置的多尺度多目標(biāo)規(guī)劃模型，綜合考慮地下水均衡、濕地生態(tài)需水、糧食產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益等多目標(biāo)，構(gòu)建了區(qū)域—灌區(qū)的多尺度優(yōu)化框架，平衡糧食生產(chǎn)和區(qū)域協(xié)同發(fā)展，結(jié)合多目標(biāo)遺傳算法和差分進(jìn)化算法，實(shí)現(xiàn)多尺度多目標(biāo)協(xié)同發(fā)展。研究以三江平原撓力河流域?yàn)榘咐O(shè)計(jì)了現(xiàn)狀及未來(lái)氣候情景下不同水文年情景（50%水文年和75%水文年情景）和水資源調(diào)控情景（傳統(tǒng)灌溉模式、節(jié)水灌溉模式及外調(diào)水情景），給出不同情景下水-糧食-生態(tài)協(xié)同發(fā)展最優(yōu)的水資源配置方案和灌區(qū)尺度作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整政策。

模型優(yōu)化結(jié)果顯示：（1）水-糧食-生態(tài)系統(tǒng)之間存在矛盾，僅考慮某單一目標(biāo)的決策將會(huì)損害另外兩方的利益。（2）在現(xiàn)狀氣候情景下，節(jié)水灌溉和引入外調(diào)水均可有效緩解區(qū)域水-糧食-生態(tài)系統(tǒng)間的矛盾，且灌區(qū)尺度總耕地面積和水稻種植面積可以進(jìn)一步增加。節(jié)水灌溉偏向于增加區(qū)域糧食經(jīng)濟(jì)效益，地下水回補(bǔ)量和生態(tài)用水保障率小幅度增加，區(qū)域糧食經(jīng)濟(jì)效益大幅增加；而引入外調(diào)水更偏向于各系統(tǒng)均衡發(fā)展，可使地下水回補(bǔ)量增加4.7億m3，區(qū)域糧食經(jīng)濟(jì)效益小幅度增加，生態(tài)用水保障率提升16.6%；（3）在RCP4.5-2050氣候情景下，區(qū)域水資源可利用量最小，將導(dǎo)致區(qū)域地下水回補(bǔ)量和生態(tài)用水保障率大幅下降以及作物種植結(jié)構(gòu)的大幅度調(diào)整（旱作物面積占比增加），給區(qū)域水-糧食-生態(tài)帶來(lái)挑戰(zhàn)。

該研究開發(fā)的雙尺度（區(qū)域和農(nóng)場(chǎng)）的多目標(biāo)規(guī)劃模型能夠有效協(xié)調(diào)區(qū)域管理者和農(nóng)民之間的利益沖突，同時(shí)考慮氣候變化對(duì)水資源的影響，可為全球其他面臨類似挑戰(zhàn)的地區(qū)提供參考，助力實(shí)現(xiàn)水資源、糧食安全和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的協(xié)同可持續(xù)發(fā)展。

圖 1. 區(qū)域-農(nóng)場(chǎng)雙尺度水-糧食-生態(tài)多尺度規(guī)劃模型框架

圖 2. 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益（f_AEB）、地下水均衡量（f_GWB）和濕地生態(tài)需水量滿足度（f_EWS）多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果帕累托三維展示(a)及投影(b-d)。S0是協(xié)調(diào)發(fā)展程度最大的解決方案；S1在與S0相同的f_AEB處具有最高的f_EWS；S2在與S0相同的f_GWB下具有最高的f_EWS；S3和S4在與S0相同的f_EWS下分別具有最高的f_AEB和最高的f_GWB。

圖 3.不同情景下農(nóng)田利用的最佳結(jié)果

研究成果近期發(fā)表在農(nóng)業(yè)水資源領(lǐng)域Top期刊《Agricultural Water Management》。由中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所博士研究生章清松(第一作者)、吳燕鋒副研究員(通訊作者)、章光新研究員、美國(guó)路易斯安那州立大學(xué)胥毅軍教授、胡博亭博士、孫敬軒博士、于葉翔博士和郭躍東研究員共同完成，研究得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA28100105和XDA28020501）等項(xiàng)目聯(lián)合資助。

論文信息：

Qingsong Zhang,Yanfeng Wu*,Guangxin Zhang,Y. Jun Xu,Boting Hu,Jinxuan Sun,Yexiang Yu,Yuedong Guo. Optimizing the balance among water use,food production,and ecosystem integrity at the regional scale. Agricultural Water Management,2025,317,109670.

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.agwat.2025.109670

其他相關(guān)論文：

[1] Qingsong Zhang,Jiahao Sun,Changlei Dai,Guangxin Zhang,Yanfeng Wu*. Sustainable evolution of groundwater resources under the large-scale conversion of dry land into rice fields. Agricultural Water Management,2024,298,108851. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2024.108851.

[2] Qingsong Zhang,Jiahao Sun,Guangxin Zhang,Xuemei Liu,Yanfeng Wu*,Jingxuan Sun,Boting Hu. Spatiotemporal dynamics of water supply–demand patterns under large-scale paddy expansion: Implications for regional sustainable water resource management. Agricultural Water Management,2023,285,108388. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2023.108388.