東北地理所在多維要素耦合下的水土資源優(yōu)化配置與空間格局調控方面取得進展
水資源與土地資源是農業(yè)生產和生態(tài)系統維持的關鍵基礎要素，其配置方式直接關系到糧食安全、生態(tài)穩(wěn)定與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。在氣候變化與人類活動雙重作用下，水資源時空分布不均、農業(yè)用水效率偏低及土地利用結構不合理等問題日益突出，水–糧–生態(tài)之間的矛盾不斷加劇。尤其在典型農業(yè)集中區(qū)，如何在有限水資源條件下統籌保障糧食生產、提升碳匯能力并兼顧生態(tài)保護，已成為制約區(qū)域高質量發(fā)展的核心科學問題。
針對上述挑戰(zhàn)，中國科學院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所聯合吉林省水文與水資源局，以吉林西部為典型研究區(qū)，突破了傳統水土資源配置中總量優(yōu)化與空間格局分離的研究范式，構建了一個水–碳–糧–生態(tài)多要素協同的水土資源優(yōu)化配置與空間布局一體化研究框架，實現了從宏觀資源配置到微觀空間落地的系統銜接。在宏觀尺度上，模型以農業(yè)灌溉用水約束為核心，綜合考慮經濟收益、糧食生產、固碳效益與生態(tài)效益等多重目標，設置經濟優(yōu)先（P1）、碳匯優(yōu)先（P2）和綜合協調（P3）三類決策偏好，并在平水年與枯水年條件下，分別引入常規(guī)灌溉與節(jié)水灌溉情景（S1-S4），刻畫不同水資源條件與管理策略下水土資源配置方案的響應差異。在微觀尺度上，將宏觀優(yōu)化的土地利用結果作為空間約束條件，引入生態(tài)連通性（ECI）與土地利用轉化成本（LUC）指標，對土地利用類型在柵格尺度上的空間布局進行優(yōu)化，實現水土資源配置與空間格局調控的協同統一。研究結果表明，各類情景下農業(yè)灌溉用水量均顯著降低，節(jié)水幅度約為3%–18%，水資源利用效率明顯提升。不同決策偏好對應的資源配置路徑和綜合效益存在顯著差異：經濟優(yōu)先決策下（P1），策略傾向于保留高價值但耗水的水稻種植，對經濟損失的控制較好；固碳優(yōu)先情景（P2）下，通過顯著增加玉米等高碳匯作物種植比例，實現了最優(yōu)的節(jié)水效果和碳匯增益，區(qū)域碳固存量增加約2.97×10?kg；綜合協調情景（P3）在多目標之間實現了相對均衡，灌溉用水量減少4.58%–16.86%，碳固存量提升約2.86%。相關結果可為吉林西部不同縣市因地制宜制定差異化資源管理策略提供依據。在滿足宏觀配置約束的前提下，通過對農業(yè)用地與生態(tài)用地的合理調整，可在較低土地轉化成本條件下有效提升區(qū)域生態(tài)連通性，生態(tài)連通性指數整體提高約0.03%–0.14%。該研究從水–碳–糧–生態(tài)多要素耦合視角出發(fā)，為干旱與半干旱農業(yè)區(qū)水土資源精細化管理提供了系統化決策支持框架，對區(qū)域農業(yè)結構調整、水資源調控及生態(tài)修復具有重要參考價值。
該研究發(fā)表在中國科學院1區(qū)期刊《Journal of Cleaner Production》上，由東北地理所碩士研究生蘇夢琦（第1作者）、楊義正高級工程師（吉林省水文與水資源局）、聯合培養(yǎng)碩士王迎彬（已畢業(yè)）、齊鵬副研究員（通訊作者）和章光新研究員共同完成。研究得到國家重點研發(fā)計劃（2024YFD1501700）、吉林省自然科學基金（YDZJ202401485ZYTS）和國家自然科學基金（42371037）共同資助。
圖1基于水-碳-糧食-生態(tài)多要素耦合的水土資源空間優(yōu)化配置模型框架
圖2不同水資源–灌溉情景與管理策略下吉林西部各區(qū)域優(yōu)化前后經濟效益、碳固存量與生態(tài)效益的比較及變化
圖3不同資源-灌溉情景與管理策略下吉林西部各區(qū)域優(yōu)化后的種植結構及其總體變化趨勢
圖4不同資源-灌溉情景與管理策略下吉林西部各區(qū)域空間優(yōu)化結果
論文信息及鏈接如下：
Su, M.; Yang, Y.; Wang, Y.; Qi, P.*; Zhang, G., Optimal allocation of the water and land resources based on water-carbon-food-ecology trade-off and synergy in concentrated agricultural planting areas. Journal of Cleaner Production 2026, 538, 147248. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2025.147248
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