东北黑土区是我国重要商品粮生产基地，支撑国家粮食增产重大工程，拥有耕地面积约5.6亿亩，玉米、水稻和大豆分别占全国产量的41%、19%和56%，商品量占全国的1/4.调出量占全国的1/3.被誉为我国粮食生产的“稳压器”和“压舱石”，在保障我国粮食安全方面具有重要作用。同时，东北黑土区也是我国重要的生态功能区，分布有大量森林、草地和湿地，在防风固沙、涵养水源、净化水质、蓄洪抗旱、调节气候和维护生物多样性等方面发挥着重要生态屏障功能。然而，大规模耕地开垦和水资源的开发，导致东北黑土区部分河段断流，局部地下水超采，水土资源匹配程度差，整体呈现“北丰南欠，东多西少”的空间分布特征。此外，森林、草地和湿地等自然生态系统面积大幅度减少。《国际湿地公约》表明全球有近50%的湿地因农业扩张发展而导致退化或消失，而东北湿地面积退化更为严重，已降到1949年前20%。在国家粮食增产战略背景下，灌溉农业的持续扩张，必将加剧农业和生态系统对水土资源的激烈竞争。因此，解析水土资源演变特征，开展面向农田和生态系统协同发展的水土资源优化配置对东北黑土区生态安全和粮食增产具有重要意义。
为解决上述问题，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，最终在四种情景下(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)对东北黑土区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年以来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)四种情景下，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。
该研究发表在《科学通报》上，由中国科学院东北地理与农业生态研究所齐鹏副研究员(第一作者)、孙佳歆硕士、章光新研究员、孙敬轩博士、姜明研究员(通讯作者)和黑龙江大学戴长雷教授共同完成。研究得到吉林省优秀青年科技人才项目(应用技术类)(20230508099RC)，国家自然科学基金面上项目(42371037)和中国科学院战略先导项目(A类)(XDA28100105)共同资助。
图1 基于水-碳-经济-生态耦合的水土资源优化配置模型
图2 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）
图3 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
