灌溉农业以占全球20%的耕地面积生产了40%以上的粮食产量，在保障粮食安全方面起到重要作用。然而，不可持续的灌溉农业导致了地下水枯竭、水肥利用效率低、温室气体排放增加等环境问题。随着全球对粮食安全、资源高效和环境友好等的需求越来越迫切，探索同时满足以上要求的农业策略势在必行。尽管已有作物种植布局优化等方案被证实有效，但如何在地下水漏斗区实现粮食、资源、环境和地下水的协同提升仍是挑战。
近期，史文娇课题组以地下水超采问题突出的黄淮海区小麦为研究对象，量化了小麦生产、资源利用、环境效应和地下水位变化的耦合关系，借助通用代数建模系统（GAMS）开发了1km网格尺度的作物种植布局优化框架，实现了地下水超采地区粮食-资源-环境-地下水之间多维度的协同效应。该框架共设计3种优化目标：S1，不减产前提下最大限度减少灌溉需水量；S2，确保地下水可持续利用下最大限度提升小麦产量；S3，确保地下水可持续利用下最大限度提升小麦产量和氮素利用效率。
研究发现，种植布局调整可使黄淮海区小麦的水肥资源利用效率提升1-21%，环境效应减少18-37%。在维持现状小麦产量水平下，小麦播种面积、灌溉用水量和氮肥施用量可分别减少10%、16%和8%。如果考虑超采区内的地下水利用可持续，小麦总产将减少17-18%，至2030年地下水埋深将上升9.03-9.38米；特别是在地下水漏斗区，该方案将使灌溉用水、灰水足迹和温室气体排放减少三分之一以上。本研究结果可为全球灌溉农业区提供作物空间优化布局的可持续发展策略。
相关研究成果发表在Nature旗下期刊《Communications Earth & Environment》上（一区Top，IF=8.1），中国科学院地理资源所史文娇研究员为论文的第一作者兼通讯作者，博士生王鸣雷为共同第一作者。
图1 小麦布局优化的粮食-资源-环境多维要素协同效益
图2 不同情景小麦优化布局的地下水埋深变化
