近日，中国科学院地理科学与资源研究所副研究员李志慧、研究员邓祥征提出了一个分析框架，考虑作物种植结构和空间布局优化的水、土地、能源、经济、环境和粮食耦合关系，并验证了其在可持续农业发展和粮食安全应用领域的扩展潜力。相关成果发表在Geography国际学术期刊上 and Sustainability。

在全球面临诸多挑战的背景下，如气候问题、人口增长、资源匮乏和生态环境压力，农业作为社会经济的重要支柱，其可持续发展尤为关键。如何协调这些因素之间的关系，实现农业生产、环境保护和经济效益的平衡，尤其是在水源、土地资源、能源等诸多因素交织的复杂背景下，已成为当今农业发展中的一大难题。

对此，研究人员提出了一个框架，结合多目标优化和空间布局分析，以平衡农业生产的经济效益、环境可持续性和粮食安全需求，针对农业系统中多元素复杂莲藕的情况。

该框架提出的“结构调整”“空间分配”双阶段模型整合了多目标遗传算法和最大熵模型，并将优化的匈牙利算法用于优化作物空间布局，以考虑自然条件和社会经济因素。以中国东北黑土地区为例，研究人员通过NSGA-II算法对大米、玉米和大豆的种植结构进行了优化，空间布局分布是通过MaxEnt模型和匈牙利算法的改进来实现的，这揭示了作物种植结构和布局调整路径及其在不同场景下对能源消耗、碳排放和经济效益的影响。

研究人员发现，虽然中国东北黑土地区的大米具有较高的经济效益，但它们需要消耗更多的水和能源，增加碳排放;扩大大豆种植可以显著降低环境成本，但需要承受经济效益的降低;玉米在环境和经济目标之间取得了平衡。优化后，面积适当减小，成为调节大米/大豆比例的缓冲作物。他们还发现，由于自然条件和适用性的不同，作物转移热点集中在东北部和中部，这些地区已成为种植结构调整的敏感区域。空间优化模型验证显示高精度，证明该方法能够有效结合分配作物布局中的地理目标。

基于这些研究结果，研究人员建议，未来，东北黑土地区将通过补贴或技术手段，加强农业可持续性，弥补大豆种植的经济劣势，引导水稻集中在高适宜地区。该分析框架可以推广到其他农业地区，以支持全球粮食安全和农业可持续发展目标的协同实现。