基于水-碳-经济联系的多目标优化框架在作物种植结构中的应用：以中国东北地区为案例的实证研究

《Field Crops Research》：Multi-objective optimization framework for cropping structure based on water-carbon-economy nexus: Large-scale case study in Northeast China

多目标优化框架协同降低灌溉用水需求、提升碳封存与经济效益，研究应用NSGA-III算法与TOPSIS方法对东北中国2000-2020年农业种植结构进行动态分析，揭示水文年景分类对策略选择的影响，提出基于频率分析的年度种植方案，实现总灌溉需求下降5.1%、经济效益增长5.5%的可持续农业管理。

　　

侯振伟|刘亚群|王杰勇|基里尔·马涅夫斯基|曾昭海

中国科学院地理科学与自然资源研究所区域可持续发展建模重点实验室，北京100101，中国

摘要

背景

为了实现可持续农业发展，需要在大规模上协调作物生产、环境成本和经济效益（EB）。然而，目前缺乏能够满足多重标准的方法论，以及提出低碳水足迹和高经济效益的解决方案。

目标

本研究旨在开发一个年度特定作物的多目标优化框架，以共同减少灌溉用水需求（IWR），并最大化净碳封存（NCS）和经济效益（EB）。

方法

该框架结合了非支配排序遗传算法III（NSGA-III）生成年度帕累托前沿，并使用基于相似性到理想解的排序技术（TOPSIS）来确定年度最佳作物分配方案。该框架使用2000-2020年期间中国东北地区的实际数据进行了设计。该地区的年降水量用Pearson-III分布进行拟合，并分为干旱年、正常年和湿润年，通过蒙特卡洛重采样进行情景特定的灌溉用水上限和稳健性评估。

结果

在区域平均播种面积基本不变（2.19×10^7公顷）的情况下，该框架明确提出了改变耕地和省级重新分配的建议，以实现最佳的年度作物分配方案。20年内，总灌溉用水需求减少了5.1%，总净碳封存量略有增加（+0.1%），并且年际间保持相对稳定，而中位经济效益从1.5×10^11至1.6×10^11人民币增加（+5.5%），年际变异性也有所降低。

意义

研究表明，在现实约束条件下，通过协调灌溉用水需求和净碳封存，经济效益在二十年间有所减少。所提出的框架提供了一种可复制的资源管理策略方法，通过量化水-碳-经济之间的权衡，为推进可持续发展目标和增强区域可持续性提供了可操作的依据。

引言

在有限的水资源和低碳排放等现实约束下实现粮食安全已成为农业可持续性的关键挑战（联合国，2019年）。农业消耗了全球约70%的淡水，并对人为温室气体排放做出了重大贡献，但耕地也是通过生物量和土壤碳积累重要的碳汇（Braimoh等人，2017年；Smith和Gregory，2013年）。在灌溉农业中，种植结构决策直接关系到水资源消耗、净碳封存和农民收入（Bayer等人，2023年；Li等人，2025年；Rasul和Sharma，2016年；Wang等人，2022年）。如何协调这些需求并决定种植结构仍然是一个未解之谜。 在科学和哲学领域，越来越多的研究使用“关联思维”来整合相互依赖的资源、目标、部门或观点。除了早期的二元协调分析（例如水-食物、水-能源、土地-水等），最近的研究提出了解决更高阶关联问题的框架，包括水-能源-食物以及碳和生态系统服务，为低碳排放和高质量农业发展提供了更系统的视角（Deng等人，2024年；Wang等人，2022年）。同时，建模方法从足迹和生命周期核算发展到以决策为导向的优化，结合多目标算法和多标准决策制定（MCDM），以生成和选择一组最优权衡方案，而不仅仅是一个单一解决方案（也称为帕累托前沿）（Bayer等人，2023年；Xu等人，2024年）。 多目标关联优化在区域尺度上尤为重要，因为需要基于证据的决策来分配土地和水资源，协调粮食生产和环境影响，并为政策组合提供信息。例如，Ren等人（2022年）为黄河流域开发了基于区间的水-能源-食物-碳排放关联优化模型，而Feng等人（2024年）、Feng等人（2023年）和He等人（2024年）提出了平衡水资源使用、能源需求、粮食生产和碳结果的框架，包括不确定性和情景变化。在农业土地-水资源管理方面，Sun等人（2023年）制定了一个水-碳-经济关联模型，以同时缓解水资源短缺、增强碳封存并最大化经济效益。最近的研究开始探讨在现实约束下的空间作物结构优化、协同效应和权衡（Song等人，2025年），突显了综合优化在支持粮食生产战略决策方面的日益重要性和兴趣。 然而，现有的基于关联的种植结构优化在政策相关性方面仍存在几个主要限制，特别是对于对气候敏感的粮食基地。首先，许多研究仍然是“静态的”，仅针对一个代表性年份或短时间片段进行优化，这限制了对长期内随着社会经济条件变化而演变的权衡的洞察（Wei等人，2020年；Xu等人，2024年）。同样，水文状况和极端事件（干旱、高温、洪水）可以根本性地改变水资源的可用性和作物用水需求，但它们通常通过采用一种或少数几种短期气象状况来隐含处理，这削弱了推荐策略的稳健性。最近的研究表明，在湿润年、正常年和干旱年，最佳的土地-水资源分配响应可能会有显著差异（Cheng等人，2025年），这需要长序列工具将基于频率的干旱/湿润风险转化为可操作的年度应急策略。最后，尽管MCDM被广泛用于从帕累托集中提取单一的“最佳”折中方案，但大多数研究依赖于一种加权方案，很少测试排名对替代目标加权方法的敏感性，这可能会降低透明度和可转移性（Feng等人，2023年；Sun等人，2023年）。 在世界许多水资源受限或大规模灌溉的地区，这些差距尤为重要。例如，中国东北地区是世界上最重要的粮食生产区之一，约占全国玉米产量的40%、水稻产量的19%和大豆产量的56%，其商品作物系统对年际降水量变化和灌溉用水限制非常敏感（Pan等人，2022年；You等人，2021年）。灌溉范围的扩大和投入的增加增加了用水需求和碳排放，同时也通过种植结构优化和改进管理创造了增加净碳封存的机会（Chen等人，2023年；Yan等人，2023年）。如果农民的种植决策不受盈利能力的强烈影响（或基于科学的政策激励），忽视经济效益的策略不太可能被广泛采用（Harik等人，2022年；Taoumi和Lahrech，2023年）。因此，决定同时盈利、节水且符合碳中和的种植结构需要一个综合考虑长期变异性、水文极端情况和决策稳健性的综合框架。 在这里，我们开发了一个先进的逐年水-碳-经济优化框架，用于耕地种植结构管理。以2000-2020年的中国东北地区作为模型区域，该框架同时减少了灌溉用水需求（IWR），最大化了净碳封存（NCS，考虑了碳汇和与栽培相关的排放），并最大化了经济效益（EB）。它使用非支配排序遗传算法III（NSGA-III）生成年度帕累托最优集，并采用基于相似性到理想解的排序技术（TOPSIS）的MCDM来确定折中方案。为了明确表示年际水文气候变异性，我们使用Pearson Type III分布对年降水量进行了水文频率分析，并通过蒙特卡洛模拟方案重建和验证了降水序列。根据年超越概率，将年份分为湿润年、正常年和干旱年，从而在对比水文状况下测试最优策略的稳健性（Oni等人，2016年；Reinders和Munoz，2024年）。此外，我们比较了多种目标加权方法（熵、相等权重、变异系数和CRITIC），以量化折中选择对加权假设的敏感性（Dwi Putri Ariyanti和Fu’adi，2025年；Nabavi等人，2023年）。总体而言，本研究的新颖之处在于：（1）提供了主要作物的二十年年度分辨率的水-碳-经济权衡诊断；（2）将基于频率的水文风险与种植结构优化联系起来，以制定湿润/正常/干旱年的应急策略；（3）通过评估MCDM对目标加权选择的稳健性来提高决策透明度。

研究区域

研究区域是中国东北地区（北纬38°52′-53°55′，东经115°52′-135°09′；图1），包括黑龙江省、吉林省、辽宁省和内蒙古自治区东部地带，面积约为124万平方公里。中国东北地区拥有广阔连续的平原，特别是三江平原、松嫩平原和辽河平原，有利于高度机械化和大规模的农业生产。玉米种植集中在中南部地带，水稻种植在东部低地和稻田盆地，而大豆种植...

实际变量和产量的时间动态

在2000-2020年间，作物排名保持稳定，显示出持续的水-碳-经济权衡（图4）。按面积计算，水稻的灌溉用水需求（IWR）始终最高（8-11×10^3立方米/公顷），其次是玉米（5-6.5×10^3立方米/公顷）和大豆（1.7-3.8×10^3立方米/公顷）；按吨计算，玉米的IWR下降（1.4-0.7×10^3立方米/吨），水稻的IWR下降（1.7-1.2×10^3立方米/吨），而大豆的IWR变化较大，2007年达到峰值（2.8×10^3立方米/吨）。按面积计算，水稻的净碳封存量（NCS）增加（2.3-3.0×10^4千克二氧化碳当量/公顷）...

在水文气候变异性下的年度WCE关联优化框架

多目标优化在给定数据和时间框架下，确定了一组可行的关联实现方案。以往的研究通常优化一个代表性年份或一小部分情景，然后推断长期影响（Qi等人，2025年；Ren等人，2022年；Sun等人，2023年）。我们的框架通过设计21年序列的先进年际优化，并嵌入水文年分类，显著推进了关联框架的发展...

结论

我们开发了一个先进的、特定作物的多目标优化框架，以逐年最小化灌溉用水需求（IWR）并最大化净碳封存（NCS）和经济效益（EB）。该框架应用于2000-2020年的中国东北地区数据，并可转移到具有相似（甚至更简单）数据类型的其它地区。帕累托前沿由NSGA-III生成，并使用... <红it作者贡献声明> 侯振伟：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、正式分析。 王杰勇：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源获取、概念化。 刘亚群：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念化。 曾昭海：撰写——审稿与编辑。 基里尔·马涅夫斯基：撰写——审稿与编辑。 <声明利益冲突> 作者声明没有可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。 <致谢> 本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42571325）、国家重点研发计划（项目编号：2023YFD1501001）和黑土保护与利用国家重点实验室开放合作基金（项目编号：2023HTDGZ-KF-09）的支持。