在全球面临气候变化、人口增长、资源短缺以及生态环境压力等多重挑战的背景下，农业作为国民经济的重要支柱，其可持续发展尤为关键。尤其在水资源、土地资源、能源等多重要素交织的复杂背景下，如何协调这些要素之间的关系，实现农业生产、环境保护与经济效益的平衡，成为当今农业发展中的一大难题。基于上述背景，中国科学院地理科学与资源研究所李志慧副研究员及其合作者提出了一种考虑水-土地-能源-经济-环境-粮食耦合关系进行作物种植结构和空间布局优化的分析框架，并验证了其在可持续农业发展和粮食安全保障领域的应用性和扩展潜力。

本研究针对农业系统中多要素复杂耦合情况，提出了一种融合多目标优化与空间布局分析的框架，旨在平衡农业生产的经济效益、环境可持续性和粮食安全需求。该框架提出的“结构优化+空间分配”双阶段模型，整合了多目标遗传算法与最大熵模型，将改进的匈牙利算法用于作物空间布局优化，兼顾自然条件（气候、土壤）与社会经济因素（经济收益、资源约束）。以中国东北黑土区为案例，通过NSGA-II算法优化水稻、玉米和大豆的种植结构，结合MaxEnt模型与改进匈牙利算法实现空间布局分配，揭示了不同情景（经济发展优先、环境保护优先、均衡发展）下的作物调整路径及其对资源消耗、碳排放和经济收益的影响。研究发现中国东北黑土区水稻虽经济收益高（增加7.25%），但需消耗更多水资源和能源（水资源增加14.46%、能源增加9.59%）并增加碳排放（增加2.98%）；扩大大豆种植（环境保护情景下面积增加112%）可显著降低环境成本（碳排放减少31.87%），但需承受经济收益下降（减少14.87%）；玉米在环境与经济目标间表现较均衡，优化后面积适度减少（均衡发展情景减少14.19%），成为调整水稻/大豆比例的缓冲作物。不同情景下作物转移热点集中于东北部（鹤岗-鸡西地区）和中部（哈尔滨-长春），这些区域因自然条件适宜性差异成为种植结构调整的敏感区。空间优化模型验证显示高精度（R²>0.9），证明方法在分配作物布局时能有效结合地理适宜性与政策目标。基于研究结果建议未来东北黑土区加强农业可持续可通过补贴或技术手段弥补大豆种植的经济劣势，同时引导水稻向高适宜区集中。该分析框架可推广至其他农业区，支持全球粮食安全与农业可持续发展目标协同实现。

该成果以“Enhancing agricultural sustainability: Optimizing crop planting structures and spatial layouts within the water-land-energy-economy-environment-food nexus”为题发表于Geography and Sustainability，中国科学院地理科学与资源研究所李志慧副研究员为该文的通讯作者，邓祥征研究员为合作者。该研究成果得到了国家自然科学基金创新研究群体项目的资助与支持。

论文信息：Wu,H.,Li,Z.,Deng,X.,& Zhao,Z. (2025). Enhancing agricultural sustainability: Optimizing crop planting structures and spatial layouts within the water-land-energy-economy-environment-food nexus. Geography and Sustainability,6,100258.

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666683924001214?via%3Dihub