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在农业资源管理中，耕地减少和水资源短缺加剧，农业土地和灌溉用水的多年规划面临挑战。研究人员开展 “An optimization framework for multi-year planning of land and water allocation” 研究，得出考虑作物轮作的规划影响显著等结果，为可持续农业规划提供新方法。
在当今世界，随着人口的不断增长，粮食需求日益增加，然而农业资源却面临着严峻的挑战。其中，耕地面积逐渐减少，水资源短缺问题愈发突出，这使得农业土地和灌溉用水的合理分配成为了实现可持续农业发展的关键难题。过去，许多研究在探讨土地和水分配时，往往忽视了一个重要的农业实践要求 —— 作物轮作。作物轮作对于维持土壤健康、预防病虫害至关重要，但在以往的多 年规划研究中，它要么被完全忽略，要么被过于简单地处理。这就导致了规划方案在实际应用中可能无法有效实施，难以真正满足农业生产的实际需求。为了解决这些问题，来自国外的研究人员开展了一项关于农业土地和水资源多年分配优化框架的研究，该研究成果发表在《Agricultural Water Management》上。
研究人员运用了一系列关键技术方法来推进此项研究。首先，他们借助作物生长模型（CGM），结合土壤特性、环境条件等因素，模拟作物生长过程。通过求解多目标优化问题，获得不同作物在不同土壤上的 “产量价值与灌溉” 关系。此外，采用随机划分区域的方式，对区域进行多次划分和迭代优化，确定最佳的土地划分、作物轮作和水分配方案 。
在研究结果部分：
- “产量价值与灌溉” 关系：通过求解多目标优化问题，研究人员得到了不同作物在不同土壤上的 “产量价值与灌溉” 关系。对于大多数作物，土壤类型影响获得特定产量所需的灌溉量；而对于苜蓿（alfalfa），土壤类型决定了在无限供水条件下可实现的产量价值。
- 最优分配策略：以两个位于加州戴维斯附近的 67 公顷区域为例进行规划，结果显示，将区域划分为两个区能实现最高累积净收入。不同区域采用不同的作物轮作模式，如 Zone 1 为 [WH, FA, TM, WH, FA, MZ, WH, FA, TM, WH] ，Zone 2 为 [TM, TM, AL, AL, AL, AL, AL, FA, TM, TM]，并确定了每年每个区域的配水量。按照此策略，10 年期间预计可产生 763,130 美元的累积净收入 。
- 不同情景分析：研究人员还分析了不同水资源可利用量情景下的规划方案。当水资源量在 10 年内逐渐减少（如从 625mm 减至 563mm）时，对可实现的净收入影响较小；但在水资源量大幅减少（从 397mm 减至 183mm）的极端情景下，净收入显著降低，且由于作物轮作要求，后期水资源短缺会间接影响前期的净收入。
研究结论和讨论部分强调了多个重要意义。首先，作物轮作要求对多年规划有着巨大影响，如果不考虑轮作限制，可能会得出不合理的种植方案。例如，若不考虑轮作，在水资源充足时，可能会建议每年在大多数土壤上种植加工番茄（processing tomatoes），但这在实际中并不可行 。其次，“最优” 方案不一定是 “最佳” 方案，需要综合考虑多种因素，如水资源利用效率、操作限制和经济风险等。再者，考虑土壤异质性至关重要，不同区域土壤特性不同，“一刀切” 的规划方案可能导致收入大幅下降。此外，该框架可通过简单修改来考虑气候变化和作物价格随时间变化的情况。不过，研究也存在一定局限性，如作物模型未在特定地点进行严格校准和验证，决策过程过于简化，未考虑劳动力、设备等因素，且未考虑天气和价格预测的不确定性 。尽管如此，该研究提出的优化框架为农业土地和水资源的多年规划提供了新的思路和方法，充分考虑了作物轮作这一关键因素，使规划建议更符合农民的实际需求和期望，有望推动可持续农业的发展。
