基于水足迹与虚拟水的灌区种植结构开放式优化与模拟

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    41871207
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    57.5万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    D0112.区域可持续发展
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

The planting structure planning according to water resource endowments is the structural reform of agricultural supply-side in drylands and an important measure to improve total factor productivity.The planting structure in China has changed significantly in recent years, but due to lack of appropriate optimization method and assessment indices, old methods of planting structure optimization are not able to comprehensively consider the optimal integrated utilization of both irrigation and rainfall water and to realize the coordination of comparable advantages of crop water productivity inside and outside a given region.The development of water footprint and virtual water theory provides a new approach to deal with the issue. This study takes the Hetao Irrigation District, a typical large-scale irrigation district in arid northwest China, as an example to establish a new optimization method of planting structure. The objectives of this work are: 1) to explore the internal mechanism of crop-structure evolution driven by the conflict between reduction of the regional crop water footprint and increase of grain virtual water flows,based on the analysis of coupling properties of crop-structure evolution, crop production water footprint, and virtual water flows in the past 50 years; 2) to establish an open multi-objective optimization model for water-saving planting structure by setting crop production water footprint as an evaluation index and virtual water flows as adjustment parameters; and 3) to realize the transformation of planting structure adjustment from local optimization in a given region to global optimization in overall consideration of both inside and outside of a specific region, and to solve the problem that current closed optimization methods had not been widely applied since they did not take into account the strategic problem of food security in China.
种植结构适水性调整是缺水地区农业供给侧结构性改革,提高全要素生产率的重要措施。近年来我国种植结构变化明显,但因缺乏适宜的评价指标与方法,已往种植结构优化难以统筹考虑灌溉水和降水的综合最优利用,以及区域内外作物用水效率比较优势的协同,水足迹与虚拟水理论的提出,为解决这一难题开辟了新途径。本研究以西北旱区的河套灌区为例,揭示近50年来种植结构演变和作物生产水足迹、虚拟水流动的耦合特征,剖析种植结构变化主要受降低作物生产水足迹和增加粮食虚拟水流动这一矛盾共同驱使的内在本质,进而以作物生产水足迹作为效率评价指标,以虚拟水流动为参数调节项,构建节水型多目标开放式优化模型,以实现种植结构调整由仅着眼于区域的局部最优向统筹考虑区域内外全局最优的转变,解决目前封闭式优化方法因未能兼顾国家战略粮食安全问题而难以推广应用的难题。研究对于促进我国北方灌区种植结构的良性发展,缓解区域水资源压力具有重要意义。

结项摘要

种植结构适水性调整是缺水地区农业供给侧结构性改革,提高全要素生产率的重要措施。近年来我国种植结构变化明显,但因缺乏适宜的评价指标与方法,已往种植结构优化难以统筹考虑灌溉水和降水的综合最优利用,以及区域内外作物用水效率比较优势的协同,水足迹与虚拟水理论的提出,为解决这一难题开辟了新途径。本研究以西北旱区的河套灌区为例,建立了灌区尺度作物生产水足迹与虚拟水流动计算方法,通过量化3类主要作物生产水足迹(产量、热量和价值水足迹),明确区域种植结构变化与农业用水效率和效益的关系;基于不同作物生产水足迹及作物贸易情景,揭示种植结构变化与作物虚拟水流动的耦合特征;对比分析不同作物水足迹的绝对比较优势和相对比较优势,构建考虑灌区内外协同优化的种植结构优化开放式博弈模型,模拟不同情景下种植结构优化调整方法及方案。获得的主要结果包括:灌区3类主要作物生产水足迹的年际变化明显,空间分布特征主要受区域农业生产水平影响;灌区作物生产灰水足迹占比为35%-40%,灌区种植结构调整应着重控制农业面源污染和提高农业用水的效率和效益;建立的开放式优化模型有助于实现种植结构调整向统筹考虑区域内外全局最优的转变;种植结构优化有助于保障灌区粮食安全、生态安全,提高经济效益、水分利用效率和绿水使用比例;优化后灌区作物所能提供的能量值提高了1倍,灰水足迹降低了29%,水分利用效率降低了6%,绿水占比提高了2%;农户意愿对种植结构调整的顺利实施尤为重要,政府和灌区管理单位需要在文化教育、粮食和农机补贴、农产品保护价控制方面来增强农户抵抗风险的能力。研究成果对于促进我国北方灌区种植结构的良性发展,缓解区域水资源压力具有重要意义。

项目成果

期刊论文数量(14)
专著数量(1)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
New challenges of food security in Northwest China: Water footprint and virtual water perspective
西北地区粮食安全新挑战:水足迹与虚拟水视角
  • DOI:
    10.1016/j.jclepro.2019.118939
  • 发表时间:
    2020-02-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF CLEANER PRODUCTION
  • 影响因子:
    11.1
  • 作者:
    Liu, Xian;Shi, Lijie;Wang, Yubao
  • 通讯作者:
    Wang, Yubao
Evaluating drivers and flow patterns of inter-provincial grain virtual water trade in China
中国省际粮食虚拟水贸易的驱动因素和流动模式评估
  • DOI:
    10.1016/j.scitotenv.2020.139251
  • 发表时间:
    2020-08-25
  • 期刊:
    SCIENCE OF THE TOTAL ENVIRONMENT
  • 影响因子:
    9.8
  • 作者:
    Qian, Haiyang;Engel, Bernie A.;Wang, Yubao
  • 通讯作者:
    Wang, Yubao
New problems of food security in Northwest China: A sustainability perspective
中国西北地区粮食安全的新问题:可持续发展的视角
  • DOI:
    10.1002/ldr.3498
  • 发表时间:
    2020-01-08
  • 期刊:
    LAND DEGRADATION & DEVELOPMENT
  • 影响因子:
    4.7
  • 作者:
    Liu, Xian;Shi, Lijie;Wang, Yubao
  • 通讯作者:
    Wang, Yubao
Geographical Evolution of Agricultural Production in China and Its Effects on Water Stress, Economy and the Environment: The Virtual Water Perspective
中国农业生产的地理演变及其对水资源压力、经济和环境的影响:虚拟水视角
  • DOI:
    10.1029/2018wr023379
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Water Resources Research
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    Sun Shikun;Yin Yali;Wu Pute;Wang Yubao;Luan Xiaobo;Li Chong
  • 通讯作者:
    Li Chong
The competitive relationship between food and energy production for water in China
中国粮食与能源生产水的竞争关系
  • DOI:
    10.1016/j.jclepro.2019.119103
  • 发表时间:
    2020-02
  • 期刊:
    Journal of Cleaner Production
  • 影响因子:
    11.1
  • 作者:
    Hua En;Wang Xinyu;Engel Bernie A.;Sun Shikun;Wang Yubao
  • 通讯作者:
    Wang Yubao

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其他文献

作物生产水足迹量化方法与评价研究
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  • 期刊:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    吴普特

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王玉宝的其他基金

黄河流域粮食和能源产业用水竞争协同机制与多维调控
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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