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(diào)控方面取得進(jìn)展
水資源與土地資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)維持的關(guān)鍵基礎(chǔ)要素，其配置方式直接關(guān)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(lèi)活動(dòng)雙重作用下，水資源時(shí)空分布不均、農(nóng)業(yè)用水效率偏低及土地利用結(jié)構(gòu)不合理等問(wèn)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(nóng)業(yè)集中區(qū)，如何在有限水資源條件下統(tǒng)籌保障糧食生產(chǎn)、提升碳匯能力并兼顧生態(tài)保護(hù)，已成為制約區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展的核心科學(xué)問(wèn)題。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所聯(lián)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(tǒng)水土資源配置中總量?jī)?yōu)化與空間格局分離的研究范式，構(gòu)建了一個(gè)水–碳–糧–生態(tài)多要素協(xié)同的水土資源優(yōu)化配置與空間布局一體化研究框架，實(shí)現(xiàn)了從宏觀資源配置到微觀空間落地的系統(tǒng)銜接。在宏觀尺度上，模型以農(nóng)業(yè)灌溉用水約束為核心，綜合考慮經(jīng)濟(jì)收益、糧食生產(chǎn)、固碳效益與生態(tài)效益等多重目標(biāo)，設(shè)置經(jīng)濟(jì)優(yōu)先（P1）、碳匯優(yōu)先（P2）和綜合協(xié)調(diào)（P3）三類(lèi)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(huà)不同水資源條件與管理策略下水土資源配置方案的響應(yīng)差異。在微觀尺度上，將宏觀優(yōu)化的土地利用結(jié)果作為空間約束條件，引入生態(tài)連通性（ECI）與土地利用轉(zhuǎn)化成本（LUC）指標(biāo)，對(duì)土地利用類(lèi)型在柵格尺度上的空間布局進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)水土資源配置與空間格局調(diào)控的協(xié)同統(tǒng)一。研究結(jié)果表明，各類(lèi)情景下農(nóng)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(duì)應(yīng)的資源配置路徑和綜合效益存在顯著差異：經(jīng)濟(jì)優(yōu)先決策下（P1），策略傾向于保留高價(jià)值但耗水的水稻種植，對(duì)經(jīng)濟(jì)損失的控制較好；固碳優(yōu)先情景（P2）下，通過(guò)顯著增加玉米等高碳匯作物種植比例，實(shí)現(xiàn)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(xié)調(diào)情景（P3）在多目標(biāo)之間實(shí)現(xiàn)了相對(duì)均衡，灌溉用水量減少4.58%–16.86%，碳固存量提升約2.86%。相關(guān)結(jié)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(jù)。在滿足宏觀配置約束的前提下，通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)用地與生態(tài)用地的合理調(diào)整，可在較低土地轉(zhuǎn)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(shù)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(nóng)業(yè)區(qū)水土資源精細(xì)化管理提供了系統(tǒng)化決策支持框架，對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、水資源調(diào)控及生態(tài)修復(fù)具有重要參考價(jià)值。
該研究發(fā)表在中國(guó)科學(xué)院1區(qū)期刊《Journal of Cleaner Production》上，由東北地理所碩士研究生蘇夢(mèng)琦（第1作者）、楊義正高級(jí)工程師（吉林省水文與水資源局）、聯(lián)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2024YFD1501700）、吉林省自然科學(xué)基金（YDZJ202401485ZYTS）和國(guó)家自然科學(xué)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(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)及其總體變化趨勢(shì)
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(jié)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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