农业用水量在全球取水中占主导地位，达总用水量的70%以上。在“四水四定”的国家战略背景下，开展农业水土地资源优化配置对确保粮食生产可持续性和农民经济效益具有重要意义。由于水和土地资源之间的相互作用，适当的种植结构调整有利于提高作物产量，保障粮食安全，提高农民收入。同时，农业作为一个重要的碳循环生态系统，在农业生产的各个方面都有碳足迹，农业固碳的多少直接影响我国“碳达峰”和“碳中和”目标的实现，也是减缓和应对全球气候变化的重要途径。然而，在水土资源优化配置中对农业碳循环的关注有限。 

　　为解决上述问题，本研究研发了基于水-碳-经济耦合农业水土资源优化配置模型（WCECM）。该模型以缺水量最小、净固碳量最大和经济效益最大为优化目标。此外，以地表水量、地下水量和种植面积等分别为重要约束条件。利用非支配排序遗传算法（NSGA-III）和TOPSIS评价方法对模型进行求解和结果筛选。最后将研发的模型在我国最大的农场——三江平原友谊农场进行应用和验证。结果表明该模型可以模拟农业生态系统水-碳-经济的复杂耦合关系，实现农业水土资源的优化配置。具体而言，在不开展农业节水和增加外调水的情况下，农场现有水资源无法满足现状种植结构的农业灌溉需求。优化后，用水量控制在可控范围内，年均灌溉用水量2.01 108m3。种植结构由以水稻为主向旱地为主转变，水稻面积、玉米面积和大豆面积之比为3:6:1。固碳量大幅增加，年均增加7.8 108kg，经济净效益略有增长，达到23.5亿元。总体上，开展农业水土资源优化配置对保障我国粮食安全、节约水资源、提高农民收入和增加农业碳汇具有重要意义。 

　　该研究发表在农业水资源领域中国科学院1区期刊《Agricultural water management》上，由东北地理所项目聘用孙佳歆（第一作者）、齐鹏项目副研究员（通讯作者）等共同完成。研究得到中国科学院战略先导专项（A类）（XDA28100105）、吉林省优秀青年科技人才项目（应用技术类）（20230508099RC）和吉林省重大科技项目（20230303007SF）共同资助。 

　　图1 基于水-碳-经济耦合的农业水土资源优化配置模型框架 

　　图2 友谊农场的优化配置结果 

　　论文信息及链接如下：  

　　Jiaxin Sun,Yanli Yang,Peng Qi*,Guangxin Zhang and Yao Wu (2024:). Development and Application of a New Water-Carbon-Economy Coupling Model (WCECM) for Optimal Allocation of Agricultural Water and Land Resources. Agricultural Water Management,291,108608. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.agwat.2023.108608. 

　　其他相关论文： 

　　Qi,Peng,Zhikun Xia,Guangxin Zhang,Wenguang Zhang*,and Zehua Chang (2021). Effects of climate change on agricultural water resource carrying capacity in a high-latitude basin. Journal of Hydrology,597: 126328. 

　　https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2021.126328 

　　Peng Qi,Xiaoyu Tang,Y. Jun Xu,Zhen Cui,Jiaxin Sun,Guangxin Zhang*,Yao Wu* and Ming Jiang. 2023. Optimizing environmental flow based on a new optimization model in balancing objectives among river ecology,water supply and power generation in a high-latitude river. Journal of Environmental Management,342: 118261. 

　　https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.118261