東北地理所在基于水量-效-質(zhì)-碳-糧-生態(tài)多維耦合的水土資源空間優(yōu)化配置模型研發(fā)與應(yīng)用方面取得重要進(jìn)展
在水資源剛性約束條件下，如何綜合考慮多個(gè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)水土資源優(yōu)化配置仍是有待解決的國際前沿問題。考慮糧食安全和生態(tài)安全的水土資源優(yōu)化配置涉及到水文、生態(tài)、農(nóng)業(yè)、地理、經(jīng)濟(jì)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，同時(shí)考慮到了水資源和土地資源之間存在相互匹配與均衡的關(guān)系，任何一種資源的短缺都會(huì)限制另一種資源的利用，從而降低水土資源的綜合利用效率。同時(shí)，在國家“碳達(dá)峰”和“碳中和”戰(zhàn)略背景下，農(nóng)田、林地、草地和濕地均是重要的固碳生態(tài)系統(tǒng)，對實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要作用。傳統(tǒng)研究大多側(cè)重水量和土地利用的耦合，隨著研究逐步深入，部分研究開始關(guān)注多維因素綜合優(yōu)化，但在水土資源優(yōu)化模型求解和土地資源空間配置方面耦合優(yōu)化方面仍面臨挑戰(zhàn)。
因此，中科院東北地理所研究人員研發(fā)了“基于水量-效-質(zhì)-碳-糧-生態(tài)多維耦合的水土資源空間優(yōu)化配置模型（COM-WL）”，將水量、水質(zhì)、效率、碳循環(huán)、生態(tài)連通性及糧食生產(chǎn)等多目標(biāo)納入統(tǒng)一框架，結(jié)合改進(jìn)的遺傳算法PAEA-NSGAⅢ與開發(fā)的空間布局優(yōu)化工具GridLOpt，通過動(dòng)態(tài)權(quán)重調(diào)整策略和精英保留機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了多維目標(biāo)的協(xié)同優(yōu)化。PAEA-NSGAⅢ算法在傳統(tǒng)NSGA-III基礎(chǔ)上引入漸進(jìn)式適應(yīng)度函數(shù)，可根據(jù)不同水文年情景優(yōu)先優(yōu)化特定目標(biāo)，同時(shí)兼顧其他約束條件；GridLOpt模型采用分層網(wǎng)格劃分與局部優(yōu)化技術(shù)，提升了生態(tài)連通性并降低了土地利用轉(zhuǎn)換成本。研究以吉林西部大安灌區(qū)為典型案例，設(shè)計(jì)了干旱年、平水年、豐水年及實(shí)測年共24種情景進(jìn)行驗(yàn)證。優(yōu)化結(jié)果表明：（1）基于水量、水質(zhì)、效率、碳、糧食、生態(tài)等多維耦合的水土資源空間優(yōu)化配置模型可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水土資源均衡配置，既可保障經(jīng)濟(jì)效益和糧食安全，又可增加碳匯和水資源利用效率，減少了地下水利用和污染物排放，為應(yīng)對不同水文條件下的挑戰(zhàn)提供了建議。（2）優(yōu)化后，大安灌區(qū)水稻灌溉面積可增加0.04%-6.08%，玉米面積可減少6.20%-0.02%，總灌溉面積保持穩(wěn)定；地表水占比達(dá)64%，作物水分利用效率提升2.05%-4.08%；農(nóng)業(yè)污染物排放減少1.95%-4.52%，碳匯量增加0.01%-0.59%，生態(tài)連通性提高11.6%-20.3%，與目標(biāo)空間布局匹配度達(dá)99.8%。該成果為高資源依賴型灌區(qū)的水土資源管理提供了科學(xué)依據(jù)，對協(xié)調(diào)空間格局，糧食安全、生態(tài)保護(hù)與低碳發(fā)展具有重要意義。
該研究發(fā)表在農(nóng)業(yè)水資源領(lǐng)域中科院1區(qū)期刊《Agricultural water management》上，由東北地理所聯(lián)合培養(yǎng)碩士王迎彬（第一作者）、王海慶（共同一作）、齊鵬副研究員（通訊作者）等共同完成。研究得到吉林省優(yōu)秀青年科技人才項(xiàng)目（應(yīng)用技術(shù)類）（20230508099RC）、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（42371037）和吉林省重大科技項(xiàng)目（20230303007SF）共同資助。
圖1 基于水量-效-質(zhì)-碳-糧-生態(tài)多維耦合的水土資源空間優(yōu)化配置模型框架
圖2 灌區(qū)水土資源空間優(yōu)化概念圖
圖3 大安灌區(qū)的優(yōu)化配置結(jié)果 （a–d）年灌溉面積、灌溉水源、作物總產(chǎn)量和每種作物的凈利潤；（e）氮磷肥施用量；（f）NDI污染指數(shù)（側(cè)重地下水足跡（GF），側(cè)重經(jīng)濟(jì)效益（EB），側(cè)重生態(tài)效益（ECB），側(cè)重作物用水效率（CWUE），側(cè)重碳固存（MCS），側(cè)重污染物排放（MPE））。
圖4 土地利用空間優(yōu)化結(jié)果
論文信息及鏈接如下：
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
其他相關(guān)論文：
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.
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