Page 91 - 2023年第54卷第8期

水短缺或雨养条件下，绿水对农业生产的贡献不可忽视 ［２７］ ；灰水足迹则直观地反映了粮食生产导致的
养分和农药流失对水环境的负面影响 ［１８］ 。因此，水足迹概念的提出和利用有助于农业水资源的管理与
调配。同时，人口增长导致的粮食需求也随之增加，进而导致水资源与能源消耗的增多，而水－ 能源－
粮食关联关系充分描述了水、能源和粮食之间的权衡特征。因此，耦合水足迹和水－ 能源－ 粮食关联关
系的研究在农业领域吸引了学者的关注。
合理的种植结构和资源配置是农业可持续生产的基础。基于水足迹理论和水－ 能源－ 粮食关联关系
的视角，本研究的种植结构多目标优化模型是基于经济和生态效益建立的。在兼顾作物生长与农产品
生产的前提下，种植结构规划的目的是从总量控制和效率提升两个角度实现灌溉区水能资源的可持续
利用，缓解资源压力。调整种植结构减少水能资源的消耗，同时也可能导致产量下降；水环境污染和
碳排放也是在灌区管理中不容忽视的问题。因此，如何权衡生产投入端（水资源、能源）与产出端（产
量、灰水足迹、碳足迹）的冲突，合理规划农业资源配置成为重要科学问题。合理规划种植结构可有
效提高水资源利用效率，主要体现在倾向于种植耗水少、经济效益高的作物。水足迹理论明确农业生
产过程消耗的水资源类型（蓝水、绿水）和量化水资源利用效率 ［２８］ ，而综合水 － 能源 － 粮食关联关系的
规划能够促进协同作用、权衡利益和风险筛选最佳方案 ［２９］ 。因此，在优化种植结构的基础上，合理规
划资源配置，还可改变作物碳足迹排放比例，从而改善提水灌溉系统的生态环境。
在优化前期，作物产量呈现增长趋势，增加了资源消耗，这与技术落后、经济发展局限性有关，
资源并未充分利用，而优化结果实现了资源的最大化利用。而在 ２０１８年，优化后的资源消耗出现了
减少，说明优化前的作物种植基线发生了明显变化（图 ４），这与当地资源的有限及人口增长所引起的
需求激增有关。相较 于传 统优 化模型 只关 注作物 生 长 环 境，而 不 能 协 调 复 杂 目 标 群 之 间 冲 突 的 研
究 ［２５］ ，本文构建的优化模型所涵盖的经济效益和生态效益是相互对立的，这也是本文的独特之处。此
外，针对未来资源制约、气候变化、需求增加情景，如何权衡三者之间的关系是利益相关者需要解决
的科学问题。

５ 结论

基于水足迹理论和水－ 能源－ 粮食关联关系的种植结构多目标优化模型，统筹社会、资源、生态和
经济多维系统评价指标，开展优化方案比选并分析了种植结构调整前后对资源消耗的影响。优化方案
的相对贴近度均大于现状，说明基于水足迹理论与水－ 能源－ 粮食关联关系视角的种植结构优化模型适
用于末级提水灌溉系统。在保障粮食基本需求的前提下，未来的规划中为减少经济损失，研究区可增
加水稻和玉米的播种面积。２０１８年，优化后的水、电消耗量明显减少，粮食减产仍满足研究区需求，
单方水经济净效益为负值但实现作物碳足迹减少 ７９．５ｋｇ，说明优化模型权衡了资源利用、经济效益和
环境影响之间的关系，有利于农业可持续发展。
耦合水足迹理论与水－ 能源－ 粮食关联关系的种植结构多目标优化模型，兼顾经济和生态效益，考
虑作物碳足迹、灰水足迹和虚拟水输出对灌溉系统的影响，为类似区域提供种植结构规划基础。科学
合理地改善提水灌溉系统农业生产资源利用，也为粮食生产及农业可持续发展提供了有价值的、充满
挑战性的研究视角。本研究尚未考虑农业生产过程中的不确定性及灌溉区内外部复杂资源交换情况，
这也是未来研究中可进一步研究的科学问题。

参 考 文 献：

［ １］ ＣＡＯＸ，ＷＡＮＧＹ，ＷＵＰ，ｅｔａｌ．Ａｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗａｔｅｒｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｇｒａｉｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｉｒｒｉｇａｔｅｄａｎｄｒａｉｎ －
ｆｅｄｃｒｏｐｌａｎｄｓｉｎＣｈｉｎａ［Ｊ］．ＳｃｉｅｎｃｅｏｆｔｈｅＴｏｔａｌＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２０１５，５２９：１０ － ２０．
［ ２］ 操信春，刘?，吴梦洋，等．水足迹分析中国耕 地 水 资 源 短 缺 时 空 格 局 及 驱 动 机 制 ［Ｊ］．农 业 工 程 学 报，
２０１９，３５（１８）：９４ － １００．

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