“黑土糧倉”先導專項在三江平原“水-糧-生”協同發展取得新進展
三江平原是我國重要的商品糧生產基地和濕地集中分布區，對保障國家糧食安全和生態安全具有重大的戰略意義。20世紀90年代以來，三江平原經歷了大規模的農業擴張，區域農業灌溉需水量激增，導致地下水超采和生態用水被擠占，激化了區域水-糧食-生態系統之間的矛盾，制約了該地區可持續發展。如何平衡區域農業發展、水資源短缺和生態保護之間的矛盾，提出水資源和耕地資源的協同配置方案，對實現灌區糧食穩產高產和區域“水-糧-生”協同可持續發展具有重要意義。
為此，三江示范區“水土資源優化匹配與調控技術示范”研究人員構建了水資源和作物種植協同優化配置的多尺度多目標規劃模型，綜合考慮地下水均衡、濕地生態需水、糧食產量及經濟效益等多目標，構建了區域—灌區的多尺度優化框架，平衡糧食生產和區域協同發展，結合多目標遺傳算法和差分進化算法，實現多尺度多目標協同發展。研究以三江平原撓力河流域為案例，設計了現狀及未來氣候情景下不同水文年情景（50%水文年和75%水文年情景）和水資源調控情景（傳統灌溉模式、節水灌溉模式及外調水情景），給出不同情景下水-糧食-生態協同發展最優的水資源配置方案和灌區尺度作物種植結構調整政策。
模型優化結果顯示：（1）水-糧食-生態系統之間存在矛盾，僅考慮某單一目標的決策將會損害另外兩方的利益。（2）在現狀氣候情景下，節水灌溉和引入外調水均可有效緩解區域水-糧食-生態系統間的矛盾，且灌區尺度總耕地面積和水稻種植面積可以進一步增加。節水灌溉偏向于增加區域糧食經濟效益，地下水回補量和生態用水保障率小幅度增加，區域糧食經濟效益大幅增加；而引入外調水更偏向于各系統均衡發展，可使地下水回補量增加4.7億m3，區域糧食經濟效益小幅度增加，生態用水保障率提升16.6%；（3）在RCP4.5-2050氣候情景下，區域水資源可利用量最小，將導致區域地下水回補量和生態用水保障率大幅下降以及作物種植結構的大幅度調整（旱作物面積占比增加），給區域水-糧食-生態帶來挑戰。
該研究開發的雙尺度（區域和農場）的多目標規劃模型能夠有效協調區域管理者和農民之間的利益沖突，同時考慮氣候變化對水資源的影響，可為全球其他面臨類似挑戰的地區提供參考，助力實現水資源、糧食安全和生態系統保護的協同可持續發展。
圖 1. 區域-農場雙尺度水-糧食-生態多尺度規劃模型框架
圖 2. 農業系統經濟效益（fAEB）、地下水均衡量（fGWB）和濕地生態需水量滿足度（fEWS）多目標優化結果帕累托三維展示(a)及投影(b-d)。S0是協調發展程度最大的解決方案；S1在與S0相同的fAEB處具有最高的fEWS；S2在與S0相同的fGWB下具有最高的fEWS；S3和S4在與S0相同的fEWS下分別具有最高的fAEB和最高的fGWB。
圖 3.不同情景下農田利用的最佳結果
研究成果近期發表在農業水資源領域Top期刊《Agricultural Water Management》。由中國科學院東北地理與農業生態研究所博士研究生章清松(第一作者)、吳燕鋒副研究員(通訊作者)、章光新研究員、美國路易斯安那州立大學胥毅軍教授、胡博亭博士、孫敬軒博士、于葉翔博士和郭躍東研究員共同完成，研究得到了中國科學院戰略性先導科技專項（XDA28100105和XDA28020501）等項目聯合資助。
論文信息：
Qingsong Zhang,Yanfeng Wu*,Guangxin Zhang,Y. Jun Xu,Boting Hu,Jinxuan Sun,Yexiang Yu,Yuedong Guo. Optimizing the balance among water use,food production,and ecosystem integrity at the regional scale. Agricultural Water Management,2025,317,109670.
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.agwat.2025.109670
其他相關論文：
[1] Qingsong Zhang,Jiahao Sun,Changlei Dai,Guangxin Zhang,Yanfeng Wu*. Sustainable evolution of groundwater resources under the large-scale conversion of dry land into rice fields. Agricultural Water Management,2024,298,108851. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2024.108851.
[2] Qingsong Zhang,Jiahao Sun,Guangxin Zhang,Xuemei Liu,Yanfeng Wu*,Jingxuan Sun,Boting Hu. Spatiotemporal dynamics of water supply–demand patterns under large-scale paddy expansion: Implications for regional sustainable water resource management. Agricultural Water Management,2023,285,108388. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2023.108388.
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