从水-碳-土地的角度出发，对中国主要粮食生产区可持续粮食生产的评估与优化模型

《Journal of Cleaner Production》：Assessment and optimization model for sustainable grain production in China's major grain-producing areas from the perspective of water-carbon-land

农业可持续性发展面临水资源短缺、碳排放和土地资源约束等多重挑战。本研究构建了耦合水-碳-土系统的CPSPI评估模型和多目标优化模型，整合经济效益、资源效率与环境效益，通过WFCNI和CPSPI双重评估体系筛选出最优策略。结果表明，在九大主产区实施优化策略可使CPSPI降低1.5%-24.3%，其中安徽降幅最大达24.3%，同时实现9.7%-12.4%的水资源节约和7.5%-11.3%的碳排放削减。优化模型通过平衡经济、资源与环境目标，为粮食主产区可持续发展提供决策支持。

　　
全球气候变化背景下，农业可持续发展面临多重复合挑战。水、粮、碳、土四重压力交织，不仅威胁粮食安全基础，更对生态安全构成系统性风险。中国作为全球最大粮食生产国和消费国，其13个粮食主产省承担着全国78.6%的粮食产量和75.2%的耕地资源。研究显示，当前农业水资源利用效率存在显著区域差异，北方灌溉区平均灌溉效率不足0.6，地下水超采量达10亿立方米，而南方水稻产区单位产量甲烷排放量超过总农业排放量的30%。这种资源利用与生态排放的不平衡，成为制约农业可持续发展的关键瓶颈。

研究团队创新性地构建了水-碳-土协同评估体系（CPSPI）与多目标优化模型，突破传统单要素优化局限。通过耦合水循环系统与碳足迹追踪，建立覆盖经济收益、资源效率、生态排放的三维决策框架。特别引入蓝水利用效率与灰色水足迹双指标体系，有效识别农业系统中的隐性资源消耗。研究采用精英非支配排序遗传算法（NSGA-II），在13个粮食主产区进行多情景模拟，筛选出兼顾水资源节约（9.7%-12.4%）、碳减排（7.5%-11.3%）与经济效益提升的综合优化方案。

区域差异分析显示，黄淮海平原地区（OP4方案）通过优化灌溉制度与品种结构，实现单位产量水足迹降低2.3%，同步减少二氧化碳当量排放452万吨，经济效益提升234元/吨碳当量。而长江中下游地区（OP6方案）依托地形优势发展立体农业，使氮肥利用率从现有48%提升至65%，有效缓解面源污染问题。值得注意的是，安徽省作为粮食主产区，CPSPI指数下降24.3%，暴露出灌溉水重复利用不足（蓝水效率仅0.32）、生物质能替代率偏低（碳减排贡献度不足15%）等结构性矛盾。

研究创新体现在三个维度：其一，构建水-碳-土三维耦合评估模型，将传统的水-食物-碳-土四维系统转化为可量化分析框架；其二，建立多目标动态平衡机制，通过权重分配算法实现经济效益（权重40%）、资源效率（权重30%）、生态效益（权重30%）的帕累托最优解；其三，开发双轨评估系统（WFCNI+CPSPI），既保证优化方案的资源约束边界，又提供生态效益量化参照。

在技术实现层面，研究突破传统单目标优化局限，采用NSGA-II算法处理多目标非线性规划问题。通过引入环境成本转化系数（0.25-0.38区间），将碳排放与水资源消耗进行经济价值映射。实证数据显示，集成优化模型可使单位面积水利用效率提升18%-22%，化肥减量增效幅度达15%-20%，同时实现碳强度降低12%-15%。这种多目标协同优化机制，有效解决了以往研究存在的"顾此失彼"问题。

政策启示方面，研究提出"三区协同"发展策略：对于地下水超采严重的黄淮海平原（占全国小麦产量68%），重点推广智能灌溉系统与耐旱品种选育；针对水稻主产区（如安徽、湖南），建立水-碳联控机制，通过优化耕作制度将甲烷排放强度降低30%-40%；对于农牧交错带（如内蒙古、甘肃），发展种养循环系统，使氮肥利用率提升至60%以上。研究特别强调，不同区域需定制差异化方案，避免"一刀切"政策导致资源错配。

在方法学层面，研究构建了具有区域适应性的评估体系。CPSPI指数通过整合蓝水依赖度（反映水资源稀缺性）、碳汇能力（衡量生态调节功能）、土地承载力（考虑耕地质量退化）三大核心指标，形成0-1的可持续性评估框架。WFCNI指数则聚焦水-碳协同效应，采用熵值法动态调整权重参数，确保不同气候区评估标准的科学性。通过建立两套指数的耦合评价模型，既避免单一指标导向的片面性，又解决多指标综合评价中的权重争议。

实证部分发现，优化策略对区域资源禀赋具有显著响应特征。在水资源约束较强地区（如河南、山东），节水型品种（如耐旱小麦品种）的推广可使蓝水消耗降低25%，同时减少配套能源消耗12%-18%。而在生态脆弱区（如甘肃河西走廊），通过发展绿洲农业与光伏互补系统，实现单位产量碳足迹下降18.7%，且经济效益提升19.3%。研究特别揭示，将碳减排目标与水资源优化相结合，可使综合效益提升幅度达34%-41%，验证了系统协同优化的可行性。

该研究为全球粮食主产区提供了可复制的决策支持框架。其核心价值在于：首次将灰色水足迹纳入多目标优化体系，突破传统水足迹计算的局限性；建立动态权重调整机制，适应不同发展阶段需求；开发双轨评估模型，既保证优化方案的资源约束条件，又提供生态效益量化基准。研究形成的"策略优化-效果评估-反馈修正"闭环体系，为农业可持续发展提供了可操作的决策路径。

未来研究可进一步拓展至农业价值链分析，将加工、储运环节纳入评估体系。在方法创新方面，可探索机器学习算法与系统动力学模型的融合应用，提升复杂系统的动态模拟能力。政策实践层面，建议建立跨部门的协同机制，特别是在水资源管理与碳交易市场的衔接方面，需加强农业生态产品价值实现路径研究。该框架的深化应用，有望为全球农业可持续发展提供中国方案。