为解决上述问题，本研究研发了基于水-碳-经济耦合农业水土资源优化配置模型（WCECM）。该模型以缺水量最小、净固碳量最大和经济效益最大为优化目标。此外，以地表水量、地下水量和种植面积等分别为重要约束条件。利用非支配排序遗传算法（NSGA-III）和TOPSIS评价方法对模型进行求解和结果筛选。最后将研发的模型在我国最大的农场——三江平原友谊农场进行应用和验证。结果表明该模型可以模拟农业生态系统水-碳-经济的复杂耦合关系，实现农业水土资源的优化配置。具体而言，在不开展农业节水和增加外调水的情况下，农场现有水资源无法满足现状种植结构的农业灌溉需求。优化后，用水量控制在可控范围内，年均灌溉用水量2.01×108m3。种植结构由以水稻为主向旱地为主转变，水稻面积、玉米面积和大豆面积之比为3:6:1。固碳量大幅增加，年均增加7.8×108kg，经济净效益略有增长，达到23.5亿元。总体上，开展农业水土资源优化配置对保障我国粮食安全、节约水资源、提高农民收入和增加农业碳汇具有重要意义。
该研究发表在农业水资源领域中科院1区期刊《Agricultural water management》上，由东北地理所项目聘用孙佳歆（第一作者）、齐鹏项目副研究员（通讯作者）等共同完成。研究得到中国科学院战略先导专项（A类）（XDA28100105）、吉林省优秀青年科技人才项目（应用技术类）（20230508099RC）和吉林省重大科技项目（20230303007SF）共同资助。
图1 基于水-碳-经济耦合的农业水土资源优化配置模型框架
图2 友谊农场的优化配置结果
论文信息及链接如下：
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.
其他相关论文：
Qi, Peng, Zhikun Xia, Guangxin Zhang, Wenguang Zhang*, and Zehua Chang (2021). Effects of climate change on agricultural water resource carrying capacity in a high-latitude basin. Journal of Hydrology, 597: 126328.
https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2021.126328
Peng Qi, Xiaoyu Tang, Y. Jun Xu, Zhen Cui, Jiaxin Sun, Guangxin Zhang*, Yao Wu* and Ming Jiang. 2023. Optimizing environmental flow based on a new optimization model in balancing objectives among river ecology, water supply and power generation in a high-latitude river. Journal of Environmental Management, 342: 118261.
https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.118261
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