中国主要粮食产区水土资源协同优化与权衡研究——基于分布式水文模型与多目标空间优化模型

本研究针对中国主要粮食产区水土资源不匹配问题，通过耦合分布式水文模型(CWatM)与多目标优化模型(GridLandOpt)，系统开展了水土资源协同优化研究。结果表明：通过调整水稻-玉米-大豆种植结构(3:2:1优化至2.2:2.4:1.4)和实施节水灌溉，可实现灌溉用水减少23-45亿m3，碳汇总量提升11.21%-12.53%，生态效益显著改善。该研究为粮食主产区水资源可持续利用和生态系统功能提升提供了技术支撑。

　　

在中国东北部的三江平原，广袤的黑土地上孕育着中国最重要的粮食生产基地。然而，这片沃土正面临着严峻挑战：农业扩张导致湿地面积锐减，地下水超采现象日益严重，水资源分布不均与土地利用矛盾凸显。更令人担忧的是，在气候变化背景下，区域水旱结构发生显著改变，水稻种植面积持续扩张进一步加剧了水资源压力。如何协调有限的水土资源，在保障粮食安全的同时提升水资源利用效率、保护生态系统并增强碳汇功能，成为摆在科研人员面前的复杂科学问题。

近日发表于《Agricultural Water Management》的研究论文《Modelling water and land resources synergy and trade-off in a major grain-producing area, China》针对这一难题开展了系统研究。该研究创新性地构建了水-碳-食物-生态(WCFE)耦合系统，通过分布式水文模型与多目标优化模型的有机结合，为三江平原水土资源优化配置提供了科学方案。

研究团队采用多学科交叉的研究方法，主要包括：基于社区水模型(CWatM)的分布式水文模拟，可精确量化区域水资源时空分布特征；结合非支配排序遗传算法(NSGA-III)的多目标优化模型，同步优化水资源短缺最小化、碳汇最大化、经济效益最大化和生态效益最大化四个目标；熵权TOPSIS决策方法用于从帕累托最优解集中筛选最佳方案；GridLandOpt空间优化模型则实现了土地利用格局的可视化配置。

研究结果揭示了三江平原水资源时空分布的不均衡性。2000-2019年间，区域水资源总量在156.7-479.2亿m3间波动，多年平均值为250.7亿m3。降水和实际蒸散发是影响水资源量的关键气候因子，其中子流域5的实际蒸散发量最高达485mm，而子流域10的年变化率最大(10mm/年)。

通过多目标优化，研究发现了显著的水土资源协同效应。在常规灌溉模式下，灌溉用水减少23亿m3，碳汇总量增加12.53%，生态效益增加102亿元。水稻、玉米和大豆的种植结构从原来的3:2:1调整为2.2:2.4:1.4。湿地面积增加2.34%，生态连通性提升2.79%。在节水灌溉模式下，优化效果更为显著：灌溉用水减少45亿m3，碳汇总量增加11.21%，种植结构调整为2.3:2.4:1.3。

空间优化结果显示，子流域6的调整最为显著：玉米种植面积增加13.7万公顷，湿地面积增加7690公顷，生态效益增加约45亿元。而子流域9由于缺乏可用水资源且地形多为丘陵，水稻面积减少幅度最大(34.4%)。子流域11的玉米和大豆面积变化最为突出，分别达到优化前的7倍和6.97倍。

研究还揭示了不同目标间的权衡关系。虽然经济效益略有下降(减少30-34.7亿元)，但生态效益和碳汇功能的显著提升体现了系统优化的合理性。玉米表现出优于水稻的碳汇效益，这主要归因于其发达的根系系统和高效的碳转化能力。而水稻种植过程中产生的CH₄排放则是其碳足迹较高的主要原因。

讨论部分深入分析了气候变化对水资源的影响机制。研究表明，降水强度直接影响地表径流形成过程，而蒸散发则通过调节土壤水分和地下水补给效率影响水资源可利用量。空间上，邻近河流区域水资源相对丰富，而丘陵或森林密集区则较为匮乏，这种空间异质性为差异化资源配置提供了依据。

研究人员特别强调了种植结构调整对缓解地下水超采的重要意义。适当减少水稻种植面积，增加玉米和大豆等低耗水作物比例，可有效降低农业对地下水的依赖。同时，节水灌溉技术的推广不仅能显著减少农业总耗水量，还能提高水资源利用效率，为可持续农业发展提供关键技术支撑。

该研究的创新之处在于将空间显式优化引入水土资源管理，不仅明确了优化后的空间布局，还进一步提升了区域生态连通性。相比以往侧重于经济效益单目标优化的研究，本研究实现了多系统协同与权衡的综合考量，为区域可持续发展提供了更全面的科学依据。

然而，研究也指出了一些局限性。例如，对地表水与地下水相互转化机制的刻画不够深入，人口增长和经济发展对资源需求的动态影响考虑不足等。未来研究应加强地表-地下水相互作用模拟，完善空间优化中的复合指标定量评价，从而提升优化方案的实施可行性。

这项研究为三江平原乃至类似粮食主产区的水土资源优化管理提供了重要参考。通过科学调整种植结构和生态系统分布，不仅缓解了水资源压力，还实现了碳汇提升和生态改善的多重目标，为中国生态文明建设和"双碳"战略的实施提供了有益探索。随着水资源保障工程的不断完善和生态系统功能的深入揭示，三江平原有望实现粮食安全与生态安全的协同发展，为区域可持续发展注入新动力。