基于农业水-能-粮-碳耦合指数的作物种植结构优化研究——以沱江流域为例

本文创新性地构建了水-能-粮-碳耦合指数（WEFCNI）框架，将碳排放纳入传统农业耦合分析体系，建立了考虑生物能源潜力的多目标优化模型。研究以中国沱江流域为案例，证实该模型可提升作物产量和生物能源产出（达16379.62×108MJ），同时实现显著节能减排效果（碳减排275.98×108kgCO2eq，能耗降低411.41×108MJ），为农业资源可持续管理提供了新范式。

　　

Highlight

本研究通过构建水-能-粮-碳耦合指数（WEFCNI）创新框架，将碳排放系统整合至传统农业耦合分析体系，开发了同时考虑生物能源潜力的多目标优化模型。实证研究表明，该模型能有效提升农业系统协同效应，在沱江流域实现能源产出与碳减排双赢。

Methodology

研究方法首先解析水-能-粮-碳系统的张力关系，从资源消耗、质量产出和经济效能三个维度构建WEFCNI评价体系。创新性地建立以耦合指数和生物能源效率最大化为目标的多目标优化模型，采用熵权法确定指标权重，通过NSGA-II算法求解帕累托最优解。

Study area

研究区域选择长江上游重要支流沱江流域，该农业经济区覆盖四川6市，属亚热带湿润气候区，主要种植水稻、油菜和玉米等作物。流域面积25576平方公里，具有典型的农业资源冲突特征，是验证模型的理想场所。

Assessment of energy consumption and carbon emissions

2011-2022年间，流域农业生产碳排放总体稳定在80.18-100.20×10⁸kgCO₂范围。值得注意的是，水稻秸秆贡献了生物能源总量的41.34%，展现出巨大的能源化利用潜力。空间分析显示不同城市碳排放呈现显著异质性。

Discussion

相较于传统水-能-粮（WEF）研究框架，本工作突破性地引入碳维度。实证表明，优化后的种植结构使玉米的水分生产力（WMP）显著提升，而水稻则展现出更优的经济（EMP）和碳生产力（CMP）。这种"碳-能-粮"协同优化模式为农业低碳转型提供了新思路。

Conclusion

主要结论包括：1）玉米具有较高水分利用效率，水稻则在经济和碳生产力方面表现突出；2）优化模型使流域生物能源产量提升至16379.62×10⁸MJ；3）实现碳减排275.98×10⁸kgCO₂eq和节能411.41×10⁸MJ的双重效益。该研究为农业系统多目标协同管理提供了量化工具。