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王楚凡1,2,牛俊1,2,3*
WANG ChuFan1,2, NIU Jun1,2,3* #br#
摘要: 【目的】对西北地区主要粮食作物碳足迹和水足迹进行评估,并基于碳足迹和水足迹建立多目标种植结构优化模型,对各省份粮食作物进行空间布局调整,为减少碳排放量和增强水资源管理提供理论依据。【方法】以西北地区小麦、玉米和水稻种植面积、产量和农资投入量等为基础数据,利用生命周期法(LCA)对碳足迹进行评估;以蒸散量和有效降水量为基础数据,利用Penman-Monteith公式对水足迹进行评估;基于熵权法对西北五省三大粮食作物布局进行多目标优化。【结果】1999—2020年西北地区小麦、玉米、水稻的碳足迹和水足迹在不同省份表现出明显的差异性。西北地区3种粮食作物小麦、玉米、水稻碳排放呈现出东西部较高,中部较低的分布特点,其单位产量碳足迹(PCF)的范围分别为:0.36—0.63、0.33—0.56、0.57—0.97 t CO2-eq·t-1,单位面积碳足迹(FCF)分别为:(2.46±0.77)、(3.21±0.49)、(5.57±0.91)t CO2-eq·hm-2。2010—2018年西北地区小麦、玉米、水稻绿水总量呈平稳上升趋势,平均绿水总量较高的地区分布在陕西、甘肃和宁夏。蓝水总量在2010—2015年呈上升趋势,2016—2018年呈现下降趋势,平均蓝水总量较高的地区分布在甘肃、宁夏和新疆。玉米是西北地区三大粮食作物中蓝水足迹消耗最小的作物,平均生产蓝水足迹为0.45 m3·kg-1;水稻蓝水足迹消耗最大,平均生产蓝水足迹为0.77 m3·kg-1。基于碳足迹和水足迹进行粮食作物种植结构优化,以各省份不同作物种植面积为决策变量,并根据不同权重设置重点减少碳排放和重点增加绿水利用的优化情景。情景1中碳排放总量减少1.9%,绿水总量增加5.0%;情景2中碳排放总量减少11.8%;情景3中绿水总量增加6.7%。【结论】西北地区三大粮食作物碳排放和水总量时空差异显著,在粮食作物安全保障的前提下,增加小麦(7.1%)种植面积、减少玉米(5.5%)和水稻(8.7%)的种植面积,经济、资源和生态效益均有一定的改进。在保证一定社会公平性条件下,优化后可以提高绿水资源利用,减少碳排放量,缓解环境污染。