农业是全球公认的用水最为密集的产业之一，需要大量水资源和土地资源来支持作物生长。水土资源之间联系错综复杂，在进行优化配置研究时，考虑二者之间的相互作用至关重要。同时，确保多要素各指标之间存在协同、促进关系，对保障整个农业系统的可持续发展至关重要。然而，由于气候变化的影响以及水土地资源合理利用的复杂性加剧，农业生产正面临着巨大的挑战。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。此外，不同作物在各个生长阶段的水分需求差异，取决于降水量和水资源分配条件的变化，导致农业水土资源时空不匹配现象显著，影响灌溉农业的水资源可持续供给。目前，关于这些差异的最优分配及其影响的研究仍存在较大空白。

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，并对我们之前提出的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生产区—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。

上述相关成果以《Optimal allocation of water and land resources considering crop water demand process from the perspective of water-carbon-economy nexus》为题，发表在《Journal of Hydrology》，研究得到了国家重点研发计划资助（2024YFD1501700）。

改进的水-碳-经济耦合的农业水土资源优化配置模型框架

基于作物需水过程的水土资源优化配置概念图

不同情景下的水土资源优化配置结果