农业灌溉占用全球取用水总量的70%以上。在国家“四水四定”的战略背景下，解决水土资源时空不匹配的问题对保障我国粮食安全至关重要。水土资源之间联系错综复杂，任何一种资源的短缺都会限制另一种资源的利用，从而降低水土资源的综合利用效率。在开展农业水土资源优化配置研究时，如何协调二者之间关系是亟需解决的关键科学问题。然而，由于极端气候频率不断增加和下垫面条件复杂性加剧，水资源年际间和年内变异系数显著增强，充分满足农作物生长过程的水资源可持续供给面临着巨大的挑战。特别是在干旱时期，降水量的减少使得可供作物生长的有效降水量大幅下降，从而加剧了农业生产用水的压力。同时，农业生产过程中过量施用化肥、农药和农业机械会导致大量碳排放，对生态系统的稳定构成威胁。因此，从水-碳-粮食耦合视角开展基于作物需水过程的农业水土资源优化配置研究对保障我国粮食安全具有重要意义。

本研究突破了以往水资源分配中对作物需水过程过度概化的问题，并对我们之前研发的WCECM模型进行了改进。研究从作物灌溉用水、种植结构、固碳量、经济效益和产量等多个角度进行了深入分析。基于作物需水过程，提出了不同水文情景下的作物种植结构和水资源优化配置方案。通过 NSGA-III 算法选择最优解，并提出有针对性的优化策略。最后将改进的水-碳-经济耦合模型（IWCECM）在中国具有代表性的农业主产区——三江平原友谊农场进行应用和验证。结果表明，改进后的模型不仅能够根据不同情景精确调整作物种植结构，管理每种作物在不同生长阶段的灌溉用水需求，还能提高固碳量、经济收入和粮食产量。具体而言，优化后，平水年常规灌溉模式 (S1) 和节水灌溉模式 (S2)以及干旱年份的常规灌溉模式 (S3) 和节水灌溉模式 (S4)下的种植面积比例分别为4:5:1、5:4:1、2:7:1和3:6:1。与优化前相比，四种方案的总固碳量分别增加了4.95×10⁸ kg、4.56×10⁸ kg、4.04×10⁸ kg和6.84×10⁸ kg，粮食总产量分别增加了1.72×10⁸ kg、1.43×10⁸ kg、0.69×10⁸ kg和1.45×10⁸ kg。除枯水年外，其他方案下的经济效益与优化前无明显差异。在平水年，作物在生长初期的总用水量最高；在枯水年，作物在生长中期的总用水量最高。该结果不仅对解决当前农业水资源和土地资源的相关挑战具有现实意义，也为未来农业的可持续发展提供了参考和建议。

该研究发表在水资源领域中科院1区期刊《Journal of Hydrology》上，由中科院东北地理所齐鹏副研究员（第1作者）、联合培养硕士孙佳歆（已毕业）（通讯作者）等共同完成。研究得到国家重点研发计划（2024YFD1501700）、中国科学院战略先导项目（A类）（XDA28100105）和吉林省优秀青年科技人才项目（应用技术类）（20230508099RC）共同资助。

图1 改进的水-碳-经济耦合的农业水土资源优化配置模型框架

图2 基于作物需水过程的水土资源优化配置概念图

图3 不同情景下的水土资源优化配置结果

论文信息及链接如下：

Peng Qi,Jiaxin Sun* and Guangxin Zhang. Optimal allocation of water and land resources considering crop water demand process from the perspective of water-carbon-economy nexus. Journal of Hydrology,2025,132831. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2025.132831.

其他相关论文：

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

Yingbin Wang,Haiqing Wang,Jiaxin Sun,Peng Qi*,Wenguang Zhang,and Guangxin Zhang. Spatially optimized allocation of water and land resources based on multi-dimensional coupling of water quantity,quality,efficiency,carbon,food,and ecology. Agricultural Water Management,2025,309 :109340.https://doi.org/10.1016/j.agwat.2025.109340