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过去30年中国农作物产量大幅度增加，但水肥投入、农业温室气体排放和灌溉用水量持续增加引发一系列生态环境问题。如何达到高产高效，兼顾生产、节水固碳减排和经济等多目标，成为迫切需要解决的重大需求和科学前沿问题。
华北地区是全球范围内水资源匮乏的典型区域之一，粮食种植结构调整直接影响我国水资源和粮食安全及农民收益。急需建立一套科学系统的方法，综合评价地下水压采、南水北调调水、粮食供给和农民收益增长等因素的互馈机制，形成多目标协同优化的区域种植结构可选方案，实现生态环境和农业经济协调发展，这也是未来地球（Future Earth）计划水资源和粮食纽带关系研究的方法性难题。