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粮食生产与水资源耗用关系最为全面的指标，已被广泛用于农业用水及其效率评估 ［１０］ 。不仅如此，已有
学者开展了基于水足迹工具的灌区农业种植结构优化探索 ［１１］ 。然而，囿于田间视角的水足迹中蓝绿水耗
用量核算并不能反映出灌区输配水效率及其影响，表现出系统局限性。在灌溉农业系统中，粮食生产过
程依赖于水、土地和能源等各种环境资源的投入；与此同时，水资源的获取和分配过程消耗能源，能源
的生产也离不开水，几乎所有粮食生产和供应阶段都消耗大量的水和能源 ［１２］ 。
近年来，水 － 能源 － 粮食关联关系在资源管理和区域发展研究领域备受关注 ［１３］ 。衡量水 － 能源 －
粮食关联关系的评价指标虽因研究视角和目的的不同而存在差异，但其系统性思维为农业生产单元
资源高效管理提供了新的 方向 ［１４］ 。基于水 － 能源 － 粮食 关 联 关系 的农 业系 统优 化研 究已 见 诸 报 道：
Ｌｉ等 ［１５］ 对典型灌区的水 － 能源 － 粮食系统开展了优化；Ｚｕｏ等 ［１６］ 进行河南省农业管理优化并建议大
力发展小麦、薯类和水果生产；Ｚｈｅｎｇ等 ［１７］ 面向作物种植和生物质利用协同管理对河北省开展了种
植结构调整研究。农业种植结构优化是水 － 能源 － 粮食协同管理的落脚点之一 ［１８］ 。因而，当前相关
研究大多着眼于灌溉水的高效分配与利用，未从水足迹视角统筹考虑作物生产对绿水资源和水环境
的影响 ［１８ － １９］ 。
联合作物水足迹与水－ 能源－ 粮食关联关系两者优势的研究思路将会为区域作物种植结构优化的科
学研究和管理实践扩展有价值的视角。本文面向提水灌溉系统水资源输配、耗用过程和粮食产出全过
程，构建基于水足迹与水－ 能源－ 粮食关联关系的种植结构多目标优化模型。对典型南方末级提水灌溉
区开展粮食种植结构优化和结果评价研究，以期为相关研究领域和区域的资源高效利用和农业可持续
性提供方法参考。

２ 方法与数据

２．１ 种植结构多目标优化研究框架 末级提水灌
溉系统种植结构优化研究框架如图 １所示。图中
水－ 能源－ 粮食关联关系由作物水足迹、作物碳足
迹、用电量和产量等要素构成。本文将基于此开
展种植结构多目标优化模型的构建与求解，并利
用耦合熵权法和 Ｔｏｐｓｉｓ评价法对优化方案和结果
进行评价。
２．２ 种植结构多目标优化模型 优化模型基于
水足迹理论和水－ 能源－ 粮食关联关系，权衡经济
和生态效益，目标函数为单方水经济净效益最大
与作物碳足迹最小。约束条件包括蓝水资源压力
约束、电能资源压力约束、粮食安全压力约束、
播种面积约束和非负约束。
２．２．１ 目标函数
（１）单方水经济净效益最大。根据不同作物
单位面积的成本、收入和作物水足迹来计算单方
水经济净效益 （此处用 Ｆ 表示第一个目标函数， 图 １ 提水灌溉系统种植结构多目标优化研究框架
１
３
元?ｍ ），以表征灌区经济效益：
４ ４
１ ∑
Ｆ ＝ [ （Ｒ －Ｃ）×Ａ] ? ＣＷＦ ｉ （１）
ｉ ∑
ｉ
ｉ
ｉ ＝１ ｉ ＝１
式中：下标 ｉ为作物编号，１，２，３，４分别对应水稻、小麦、玉米和大豆；Ｒ和 Ｃ分别为作物单位面
ｉ
ｉ
２
３
２
积收入和成本，元?ｈｍ ；Ａ为作物播种面积，ｈｍ ；ＣＷＦ为作物水足迹，ｍ 。
ｉ ｉ
（２）灌溉取水过程碳足迹最小。通过水泵取水的灌溉会产生电能消耗，根据生命周期理论电能生
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