Agricultural water-land optimization for multiple cropping under crop growth stages and farmer budget constraints

背景 优化水土地资源以实现多熟种植面临三大挑战：时间错配、周期性土地超载，以及与农户预算约束脱节。目的 本研究提出一个分层框架，将作物阶段需水、月度供给、土地限制和预算上限同步考虑，以生成可行且差异化的配置方案。方法 根据作物生长阶段转换将全年划分为35个子时段，并通过阶段、子时段和月份之间的双向映射来解决错配问题。二元种植变量用于刻画作物分布并生成时间序列面积约束。在多目标模型中嵌入双路径预算分级框架，以考虑数据可得性。在有调查数据的情况下，以单位面积预算作为聚类指标；采用Ward聚类法和轮廓系数确定K。否则，利用最小可行成本和土地利用潜力构建标准化预算情景。模型采用NSGA-II求解，并通过增量效益成本比分析指导分层建议。结果与结论 将该方法应用于高州灌区，各生长阶段的水分满足度达到91.75%–100%。净效益从96,426.51元（13,393美元）增加到102,587.59元（14,248美元），增幅为6.4%，水分亏缺减少29.7%至753 m³。在预算上限为25,700元、44,300元、65,600元时，水稻面积扩大而单位面积灌溉量不变；花生面积和单位面积灌溉量仅在中低过渡阶段上升；进一步增加会推动面积扩张，但会提高水分亏缺。低到中和中到高过渡阶段的增量效益成本比分别为1.30和1.53元/元。意义 通过将理论最优解转化为预算差异化的可行策略，该框架支持精准灌溉调度，并为设计有针对性的农业补贴和节水政策提供了实践依据。