论文信息
· 标题：东北黑土区水土资源配置及其空间格局优化
· 年份：2024
· 第一单位： 中国科学院东北地理与农业生态研究所
摘要
在水资源刚性约束条件下, 如何综合考虑多个目标实现东北黑土区水土资源优化配置仍是有待解决的国际前沿问题。因此, 本研究首先分析了该地区水土资源演变规律, 然后研发了基于水-碳-经济-生态耦合的水土资源优化配置模型, 通过NSGA Ⅲ智能算法对模型进行求解, 最终在4种情景下对黑土区40个城市水土资源进行优化配置和生态安全保障分析。结果表明: (1) 在气候变化和人类活动的影响下, 1980年之后水田和旱田面积分别增加了91%和14%, 林地、草地和湿地分别减少了2%、27%和10%。(2) 2001~2020年东北黑土区平均水资源总量为1972亿m3,大部分城市的地表水资源量、 地下水资源量以及水资源总量呈现增加趋势。(3) 4种情景下, 东北黑土区主要粮食作物的毛灌溉需水量在491~722亿m3之间. 通过优化配置后, 在平水年通过增强节水, 水稻种植面积仍可增加13.7%; 其余水平年通过调整种植结构和增强节水也可大幅度提高粮食产量、农民收入、固碳量和生态效益, 减少水资源开发利用, 保障东北黑土区粮食安全和生态安全。针对目前水土资源存在的问题, 提出了相关对策建议,为东北黑土区粮食增产工程和生态安全提供策略支撑。
实验设计
本研究针对东北黑土区的水土资源优化配置问题，首先分析了该地区水土资源的演变规律，并研发了一个基于水-碳-经济-生态耦合的水土资源优化配置模型。该模型主要分为水资源模块、固碳量模块、经济效益模块和生态效益模块，采用第三代非支配排序遗传算法（NSGA-III）进行求解。研究中，选取了40个城市作为研究对象，分别分析了它们的土地利用和水资源的时空演变特征。通过量化不同降水保证率下的水稻、玉米、大豆和小麦的灌溉需水量，确定了毛灌溉需水量在491亿至722亿立方米之间。模型设置了四种情景：平水年常规灌溉、平水年节水灌溉、枯水年常规灌溉和枯水年节水灌溉，并在配置中扣除工业生产、生活和生态用水，仅考虑用于农业灌溉的水资源。最终，通过优化配置，提出了东北黑土区40个城市的水土资源优化配置方案和生态安全对策建议。
关键图表
研究区概况
基于水-碳-经济-生态耦合的水土资源优化配置模型框架
东北黑土区水资源演变规律. (a) 地表水资源; (b) 地下水资源;(c) 水资源总量
1980~2020年东北黑土区土地利用变化特征
优化前后东北黑土区水资源开发利用对比分析. (a) 总水资源量; (b) 地表水资源量; (c) 地下水资源量. Q1: 平水年常规灌溉; Q2: 平水年节水灌溉; Q3: 枯水年常规灌溉; Q4: 枯水年节水灌溉
优化前后东北黑土区作物种植结构对比分析. (a) 平水年常规灌溉情景; (b) 平水年节水灌溉情景; (c) 枯水年常规灌溉情景; (d) 枯水年节水灌溉情景
东北黑土区不同水文年优化结果对比分析. (a) 作物产量; (b) 经济效益; (c) 固碳量; (d) 生态效益. Q1: 平水年常规灌溉; Q2: 平水年节水灌溉; Q3: 枯水年常规灌溉; Q4: 枯水年节水灌溉
优化前后东北黑土区林草湿面积以及碳吸收和碳排放对比分析. (a) 林草湿面积; (b) 碳吸收和碳排放
