农业生产面临既保障粮食安全又缓解温室气体排放的巨大挑战。大规模的农业生产不仅消耗大量的水资源，灌溉、施肥和机械耕作也会消耗能源并产生碳排放。水-能源-粮食纽带旨在最大限度的发挥各要素间的协同效应，确定农业水土资源的分配方式，推动农业可持续发展。然而，塔里木河流域以往研究较少考虑CO2排放和水-能源-粮食纽带关系对农业可持续发展优化模式的影响。
针对以上问题，中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室陈亚宁研究员团队基于水-能源-粮食关系指数（WEFNI）和CO2排放，构建了可持续农业管理的多目标非线性优化模型。以中国最大的内陆河流塔里木河流域主要作物为研究案例，分析了各种优化方案下的作物产量和减排潜力。
结果表明：棉花作为高耗水和耗能作物，水资源和能源生产效率低于其他作物，这也促使棉花（0.409）平均水-能源-粮食纽带指数最低，小麦指数最高（0.432）。由于流域灌溉效率和机械化程度的提高，塔里木河流域1990-2020年农业CO2排放强度呈现下降趋势，其中小麦CO2排放则呈现小幅减少（-10860.92 kg CO2eq/ha）。优化水土资源配置，在保证水-能源-粮食纽带指数最大，CO2排放最小的最优场景中，小麦和玉米等作物面积增加显著，说明塔里木河流域仍具有一定的粮食生产潜力。流域优化模型具有明显的节水减排效应，对促进流域可持续农业发展具有重要意义。
相关成果以“Optimisation model for sustainable agricultural development based on water-energy-food nexus and CO2 emissions: A case study in Tarim river basin”为题发表在Energy Conversion and Management。新疆生地所博士研究生冯梅青为第一作者，陈亚宁和李稚研究员为共同通讯作者。该研究得到自治区天山英才计划、中国科学院国际合作项目和中国科学院青年创新促进会的支持。
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890424001158#ab010
图1 塔里木河流域2020年及不同优化情景下作物种植面积变化
图2 塔里木河流域优化种植结构的机遇与挑战
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