三江平原是我国重要的商品粮生产基地和湿地集中分布区，对保障国家粮食安全和生态安全具有重大的战略意义。20世纪90年代以来，三江平原经历了大规模的农业扩张，区域农业灌溉需水量激增，导致地下水超采和生态用水被挤占，激化了区域水-粮食-生态系统之间的矛盾，制约了该地区可持续发展。如何平衡区域农业发展、水资源短缺和生态保护之间的矛盾，提出水资源和耕地资源的协同配置方案，对实现灌区粮食稳产高产和区域“水-粮-生”协同可持续发展具有重要意义。

为此，三江示范区“水土资源优化匹配与调控技术示范”研究人员构建了水资源和作物种植协同优化配置的多尺度多目标规划模型，综合考虑地下水均衡、湿地生态需水、粮食产量及经济效益等多目标，构建了区域—灌区的多尺度优化框架，平衡粮食生产和区域协同发展，结合多目标遗传算法和差分进化算法，实现多尺度多目标协同发展。研究以三江平原挠力河流域为案例，设计了现状及未来气候情景下不同水文年情景（50%水文年和75%水文年情景）和水资源调控情景（传统灌溉模式、节水灌溉模式及外调水情景），给出不同情景下水-粮食-生态协同发展最优的水资源配置方案和灌区尺度作物种植结构调整政策。

模型优化结果显示：（1）水-粮食-生态系统之间存在矛盾，仅考虑某单一目标的决策将会损害另外两方的利益。（2）在现状气候情景下，节水灌溉和引入外调水均可有效缓解区域水-粮食-生态系统间的矛盾，且灌区尺度总耕地面积和水稻种植面积可以进一步增加。节水灌溉偏向于增加区域粮食经济效益，地下水回补量和生态用水保障率小幅度增加，区域粮食经济效益大幅增加；而引入外调水更偏向于各系统均衡发展，可使地下水回补量增加4.7亿m³，区域粮食经济效益小幅度增加，生态用水保障率提升16.6%；（3）在RCP4.5-2050气候情景下，区域水资源可利用量最小，将导致区域地下水回补量和生态用水保障率大幅下降以及作物种植结构的大幅度调整（旱作物面积占比增加），给区域水-粮食-生态带来挑战。

该研究开发的双尺度（区域和农场）的多目标规划模型能够有效协调区域管理者和农民之间的利益冲突，同时考虑气候变化对水资源的影响，可为全球其他面临类似挑战的地区提供参考，助力实现水资源、粮食安全和生态系统保护的协同可持续发展。

图 1. 区域-农场双尺度水-粮食-生态多尺度规划模型框架

图 2. 农业系统经济效益（f_AEB）、地下水均衡量（f_GWB）和湿地生态需水量满足度（f_EWS）多目标优化结果帕累托三维展示(a)及投影(b-d)。S0是协调发展程度最大的解决方案；S1在与S0相同的f_AEB处具有最高的f_EWS；S2在与S0相同的f_GWB下具有最高的f_EWS；S3和S4在与S0相同的f_EWS下分别具有最高的f_AEB和最高的f_GWB。

图 3.不同情景下农田利用的最佳结果

研究成果近期发表在农业水资源领域Top期刊《Agricultural Water Management》。由中国科学院东北地理与农业生态研究所博士研究生章清松(第一作者)、吴燕锋副研究员(通讯作者)、章光新研究员、美国路易斯安那州立大学胥毅军教授、胡博亭博士、孙敬轩博士、于叶翔博士和郭跃东研究员共同完成，研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（XDA28100105和XDA28020501）等项目联合资助。

论文信息：

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.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.agwat.2025.109670

其他相关论文：

[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.