東北地理所在東北黑土區(qū)水土資源優(yōu)化配置方面取得重要進展
東北黑土區(qū)是我國重要商品糧生產(chǎn)基地，支撐國家糧食增產(chǎn)重大工程，擁有耕地面積約5.6億畝，玉米、水稻和大豆分別占全國產(chǎn)量的41%、19%和56%，商品量占全國的1/4，調(diào)出量占全國的1/3，被譽為我國糧食生產(chǎn)的“穩(wěn)壓器”和“壓艙石”，在保障我國糧食安全方面具有重要作用。同時，東北黑土區(qū)也是我國重要的生態(tài)功能區(qū)，分布有大量森林、草地和濕地，在防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)、蓄洪抗旱、調(diào)節(jié)氣候和維護生物多樣性等方面發(fā)揮著重要生態(tài)屏障功能。然而，大規(guī)模耕地開墾和水資源的開發(fā)，導(dǎo)致東北黑土區(qū)部分河段斷流，局部地下水超采，水土資源匹配程度差，整體呈現(xiàn)“北豐南欠，東多西少”的空間分布特征。此外，森林、草地和濕地等自然生態(tài)系統(tǒng)面積大幅度減少。《國際濕地公約》表明全球有近50%的濕地因農(nóng)業(yè)擴張發(fā)展而導(dǎo)致退化或消失，而東北濕地面積退化更為嚴重，已降到1949年前20%。在國家糧食增產(chǎn)戰(zhàn)略背景下，灌溉農(nóng)業(yè)的持續(xù)擴張，必將加劇農(nóng)業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)對水土資源的激烈競爭。因此，解析水土資源演變特征，開展面向農(nóng)田和生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展的水土資源優(yōu)化配置對東北黑土區(qū)生態(tài)安全和糧食增產(chǎn)具有重要意義。
為解決上述問題，本研究首先分析了該地區(qū)水土資源演變規(guī)律，然后研發(fā)了基于水-碳-經(jīng)濟-生態(tài)耦合的水土資源優(yōu)化配置模型，通過NSGA Ⅲ智能算法對模型進行求解，最終在四種情景下（平水年常規(guī)灌溉、平水年節(jié)水灌溉、枯水年常規(guī)灌溉和枯水年節(jié)水灌溉）對東北黑土區(qū)40個城市水土資源進行優(yōu)化配置和生態(tài)安全保障分析。結(jié)果表明：（1）在氣候變化和人類活動的影響下，1980年以來水田和旱田面積分別增加了91%和14%，林地、草地和濕地分別減少了2%、27%和10%。（2）2001~2020年東北黑土區(qū)平均水資源總量為1972億m3，大部分城市的地表水資源量、地下水資源量以及水資源總量呈現(xiàn)增加趨勢。（3）四種情景下，東北黑土區(qū)主要糧食作物的毛灌溉需水量在491~722億m3之間。通過優(yōu)化配置后，在平水年通過增強節(jié)水，水稻種植面積仍可增加13.7%；其余水平年通過調(diào)整種植結(jié)構(gòu)和增強節(jié)水也可大幅度提高糧食產(chǎn)量、農(nóng)民收入、固碳量和生態(tài)效益，減少水資源開發(fā)利用，保障東北黑土區(qū)糧食安全和生態(tài)安全。針對目前水土資源存在的問題，提出了相關(guān)對策建議，為東北黑土區(qū)糧食增產(chǎn)工程和生態(tài)安全提供策略支撐。
該研究發(fā)表在《科學(xué)通報》上，由中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所齊鵬副研究員（第一作者）、孫佳歆碩士、章光新研究員、孫敬軒博士、姜明研究員（通訊作者）和黑龍江大學(xué)戴長雷教授共同完成。研究得到吉林省優(yōu)秀青年科技人才項目（應(yīng)用技術(shù)類）（20230508099RC），國家自然科學(xué)基金面上項目（42371037）和中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)項目（A類）（XDA28100105）共同資助。
圖1 基于水-碳-經(jīng)濟-生態(tài)耦合的水土資源優(yōu)化配置模型
圖2 優(yōu)化前后東北黑土區(qū)水資源開發(fā)利用對比分析（a）總水資源量（b）地表水資源量（c）地下水資源量（Q1:平水年常規(guī)灌溉，Q2:平水年節(jié)水灌溉，Q3:枯水年常規(guī)灌溉，Q4:枯水年節(jié)水灌溉）
圖3 優(yōu)化前后東北黑土區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)對比分析（a）平水年常規(guī)灌溉情景（b）平水年節(jié)水灌溉情景（c）枯水年常規(guī)灌溉情景（d）枯水年節(jié)水灌溉情景
論文信息及鏈接如下：
齊鵬,孫佳歆,孫敬軒,章光新,姜明*,戴長雷. 東北黑土區(qū)水土資源配置及其空間格局優(yōu)化 [J]. 科學(xué)通報,2024 . https://doi.org/10.1360/TB-2023-1270
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