灌溉農(nóng)業(yè)以占全球20%的耕地面積生產(chǎn)了40%以上的糧食產(chǎn)量，在保障糧食安全方面起到重要作用。然而，不可持續(xù)的灌溉農(nóng)業(yè)導致了地下水枯竭、水肥利用效率低、溫室氣體排放增加等環(huán)境問題。隨著全球對糧食安全、資源高效和環(huán)境友好等的需求越來越迫切，探索同時滿足以上要求的農(nóng)業(yè)策略勢在必行。盡管已有作物種植布局優(yōu)化等方案被證實有效，但如何在地下水漏斗區(qū)實現(xiàn)糧食、資源、環(huán)境和地下水的協(xié)同提升仍是挑戰(zhàn)。

近期，史文嬌課題組以地下水超采問題突出的黃淮海區(qū)小麥為研究對象，量化了小麥生產(chǎn)、資源利用、環(huán)境效應和地下水位變化的耦合關系，借助通用代數(shù)建模系統(tǒng)（GAMS）開發(fā)了1km網(wǎng)格尺度的作物種植布局優(yōu)化框架，實現(xiàn)了地下水超采地區(qū)糧食-資源-環(huán)境-地下水之間多維度的協(xié)同效應。該框架共設計3種優(yōu)化目標：S1，不減產(chǎn)前提下最大限度減少灌溉需水量；S2，確保地下水可持續(xù)利用下最大限度提升小麥產(chǎn)量；S3，確保地下水可持續(xù)利用下最大限度提升小麥產(chǎn)量和氮素利用效率。

研究發(fā)現(xiàn)，種植布局調(diào)整可使黃淮海區(qū)小麥的水肥資源利用效率提升1-21%，環(huán)境效應減少18-37%。在維持現(xiàn)狀小麥產(chǎn)量水平下，小麥播種面積、灌溉用水量和氮肥施用量可分別減少10%、16%和8%。如果考慮超采區(qū)內(nèi)的地下水利用可持續(xù)，小麥總產(chǎn)將減少17-18%，至2030年地下水埋深將上升9.03-9.38米；特別是在地下水漏斗區(qū)，該方案將使灌溉用水、灰水足跡和溫室氣體排放減少三分之一以上。本研究結果可為全球灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)提供作物空間優(yōu)化布局的可持續(xù)發(fā)展策略。

相關研究成果發(fā)表在Nature旗下期刊《Communications Earth & Environment》上（一區(qū)Top，IF=8.1），中國科學院地理資源所史文嬌研究員為論文的第一作者兼通訊作者，博士生王鳴雷為共同第一作者。

論文信息：Shi,W. J.^*,Wang,M. L.,Tao,F. L.,Xu,X. L.,Deng,X. Z.,Liu,L.,Kong,X. B.,Zuo,L. J.,Lei,M.,Shi,X. L.,Wang,X. Q. Wheat redistribution in Huang-Huai-Hai,China,could reduce groundwater depletion and environmental footprints without compromising production. Communications Earth & Environment,2024,380.

論文網(wǎng)址：https://doi.org/10.1038/s43247-024-01547-9

圖1 小麥布局優(yōu)化的糧食-資源-環(huán)境多維要素協(xié)同效益

圖2 不同情景小麥優(yōu)化布局的地下水埋深變化

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