据统计，农业用水在全球总用水量中占比高达70%，而地下水开采量的67%更是被用于灌溉。农业快速扩张，不仅对水资源供给造成巨大压力，也侵占了森林、草地和湿地（简称林草湿）等生态系统的生态用地，打破了生态系统连通性，扰乱了自然生态系统碳循环过程。考虑粮食安全和生态安全的水土资源优化配置涉及到水文、生态、农业、地理、经济等多个学科领域，同时考虑到了水资源和土地资源之间存在相互匹配与均衡的关系，任何一种资源的短缺都会限制另一种资源的利用，从而降低水土资源的综合利用效率。因此，如何协调与权衡有限的水资源和土地资源，提升水资源利用效率，增加粮食生产能力，提高保护生态系统连通性，增强碳汇能力，仍然是一个复杂的科学问题。

针对上述问题，本研究以中国三江平原为例，结合分布式水文模型（CWatM）和改进的基于水-碳-粮食-生态耦合的水土资源空间优化配置模型（图1和图2），实现了水资源、固碳量、粮食产量和生态系统连通性多维要素的协同与权衡。具体结果如下：（1）三江平原水资源量在156～479亿m³之间波动。由于水利工程和水土资源时空不匹配性，现有可利用水资源量无法可持续支撑三江平原4000万亩水稻田种植规模。（2）在常规灌溉模式下，优化后水稻、玉米和大豆的种植比例由现状的3:2:1调整为2.2:2.4:1.4，可节约灌溉用水23亿m³，湿地面积增加10204公顷，总固碳量可增加153亿kg，总生态效益提升102亿元，空间优化后生态连通性可提高2.8%。（3）在节水灌溉模式下，优化水稻、玉米和大豆的种植比例调整为 2.3:2.4:1.3，可节约灌溉用水45亿m³，总固碳量增加137亿kg，湿地面积增加5609ha，总生态效益提升27亿元，空间优化后生态连通性提高2.3%（图3-图5）。

未来三江平原应加强两方面的研究：一是加强供水工程建设，提高农业水资源利用效率，增强农业水资源供给保障能力。另一方面，应从多角度、多过程揭示生态系统功能与农业生产的关系，确保粮食安全和生态安全。

该研究发表在农业水资源领域中国科学院1区期刊《Agricultural water management》上，由东北地理所联合培养硕士宋昊（第一作者）、李博特别研究助理（共同一作）、李治军副教授（黑龙江大学）、章光新研究员、吕喜玺教授（新加坡国立大学）和齐鹏项目副研究员（通讯作者）等共同完成。研究得到国家重点研发计划项目（2022YFF1300902和2024YFD1501700）和中国科学院战略性先导专项（A类）（XDA28100105）共同资助。

论文信息及链接如下：

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

 图1 基于水-碳-粮食-生态耦合的水土资源空间优化配置概念图

图2 三江平原水土资源空间优化配置技术路线图 

图3 水资源优化结果：(a) 优化前后常规灌溉模式下地表水配置；(b) 优化前后常规灌溉模式下地下水配置；(c) 优化前后节水灌溉模式下地表水配置；(d) 优化前后节水灌溉模式下地下水配置；(e) 优化前后常规灌溉模式下作物灌溉用水分配比例；(f) 优化前后节水灌溉模式下作物灌溉用水分配比例 

图4 固碳量优化结果：(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

图5 空间优化配置结果：(a)优化前土地利用类型分布；(b)常规灌溉模式下优化后土地利用类型分布；(c)节水灌溉模式下优化后土地利用类型分布；(d)优化前后常规灌溉模式下生态系统连通性及转换成本变化；(e)优化前后节水灌溉模式下生态系统连通性及转换成本变化。