東北地理所在基于水-碳-糧-生多維要素協同優化提升生態系統連通性方面取得階段進展
據統計，農業用水在全球總用水量中占比高達70%，而地下水開采量的67%更是被用于灌溉。農業快速擴張，不僅對水資源供給造成巨大壓力，也侵占了森林、草地和濕地（簡稱林草濕）等生態系統的生態用地，打破了生態系統連通性，擾亂了自然生態系統碳循環過程。考慮糧食安全和生態安全的水土資源優化配置涉及到水文、生態、農業、地理、經濟等多個學科領域，同時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系，任何一種資源的短缺都會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。因此，如何協調與權衡有限的水資源和土地資源，提升水資源利用效率，增加糧食生產能力，提高保護生態系統連通性，增強碳匯能力，仍然是一個復雜的科學問題。
針對上述問題，本研究以中國三江平原為例，結合分布式水文模型（CWatM）和改進的基于水-碳-糧食-生態耦合的水土資源空間優化配置模型（圖1和圖2），實現了水資源、固碳量、糧食產量和生態系統連通性多維要素的協同與權衡。具體結果如下：（1）三江平原水資源量在156～479億m3之間波動。由于水利工程和水土資源時空不匹配性，現有可利用水資源量無法可持續支撐三江平原4000萬畝水稻田種植規模。（2）在常規灌溉模式下，優化后水稻、玉米和大豆的種植比例由現狀的3:2:1調整為2.2:2.4:1.4，可節約灌溉用水23億m3，濕地面積增加10204公頃，總固碳量可增加153億kg，總生態效益提升102億元，空間優化后生態連通性可提高2.8%。（3）在節水灌溉模式下，優化水稻、玉米和大豆的種植比例調整為 2.3:2.4:1.3，可節約灌溉用水45億m3，總固碳量增加137億kg，濕地面積增加5609ha，總生態效益提升27億元，空間優化后生態連通性提高2.3%（圖3-圖5）。
未來三江平原應加強兩方面的研究：一是加強供水工程建設，提高農業水資源利用效率，增強農業水資源供給保障能力。另一方面，應從多角度、多過程揭示生態系統功能與農業生產的關系，確保糧食安全和生態安全。
該研究發表在農業水資源領域中國科學院1區期刊《Agricultural water management》上，由東北地理所聯合培養碩士宋昊（第一作者）、李博特別研究助理（共同一作）、李治軍副教授（黑龍江大學）、章光新研究員、呂喜璽教授（新加坡國立大學）和齊鵬項目副研究員（通訊作者）等共同完成。研究得到國家重點研發計劃項目（2022YFF1300902和2024YFD1501700）和中國科學院戰略性先導專項（A類）（XDA28100105）共同資助。
論文信息及鏈接如下：
Hao Song,Bo Li,Zhijun Li,Guangxin Zhang,Xixi Lu,Peng Qi*. Modelling water and land resources synergy and trade-off in a major grain-producing area,China. Agricultural Water Management,2025,320: 109880.https://doi.org/10.1016/j.agwat.2025.109880
?圖1 基于水-碳-糧食-生態耦合的水土資源空間優化配置概念圖
圖2 三江平原水土資源空間優化配置技術路線圖?
圖3 水資源優化結果：(a) 優化前后常規灌溉模式下地表水配置；(b) 優化前后常規灌溉模式下地下水配置；(c) 優化前后節水灌溉模式下地表水配置；(d) 優化前后節水灌溉模式下地下水配置；(e) 優化前后常規灌溉模式下作物灌溉用水分配比例；(f) 優化前后節水灌溉模式下作物灌溉用水分配比例?
圖4 固碳量優化結果：(a)不同模式下的固碳量；(b)不同模式下作物的碳排放量；(c)不同模式下作物的碳吸收量
圖5 空間優化配置結果：(a)優化前土地利用類型分布；(b)常規灌溉模式下優化后土地利用類型分布；(c)節水灌溉模式下優化后土地利用類型分布；(d)優化前后常規灌溉模式下生態系統連通性及轉換成本變化；(e)優化前后節水灌溉模式下生態系統連通性及轉換成本變化。
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