粮食是国家长治久安的重要基础,水和耕地是支撑粮食生产最重要的资源。东北地区是我国的粮食主产区,也是种植结构优化的重点区域,研究其水-耕地-粮食关联关系,对促进区域粮食可持续生产与水土资源可持续利用具有重要意义。本研究运用1990-2017年时序数据和GIS空间分析方法,剖析了东北地区水、耕地和粮食时空变化态势;利用LMDI、虚拟耕地、综合灌溉定额等方法探讨了粮食生产与耕地、水资源利用的关联关系;构建了水-耕地-粮食关联模型(WLF),阐明了三者的关联状况;建立了LSTM模型,预测了水-耕地-粮食生产的变化趋势;最后提出了相应调控策略。主要研究结论如下:(1)诊断了东北地区水、耕地、粮食的基本态势和时空演变特征。水资源总量和人均水资源偏少,地下水供水比例及灌溉用水占比偏高,水资源总量与水资源开发利用程度的空间分布错位,三大平原地区的水资源开发利用程度普遍偏高。1996年以来耕地面积总体呈减少趋势,减少耕地去向由生态用地为主,转变为建设用地为主,增加耕地来源以林地、草地等生态用地为主,形成了“建设用地占用耕地,耕地占用生态用地”占补格局;耕地利用结构主要变化方向为旱地向水田转化,水田面积及占比上升。1990-2017年粮食播种面积增加909.82万hm~2;水稻和玉米面积占比分别上升11.09个和14.00个百分点,大豆、小麦、杂粮分别下降3.16个、13.42个、8.51个百分点。水稻生产向三江和松嫩平原地区聚集,玉米生产在中部至南部地区发展较快。(2)剖析了东北地区水、耕地、粮食二元关联关系。粮食-耕地关联分析表明,粮食生产中的低产作物转向高产作物,粮食虚拟耕地含量呈下降趋势,由1990年的0.24 hm~2/t降至2017年的0.17 hm~2/t,粮食种植结构向节地方向发展。粮食-水关联分析表明,水稻面积占比上升,旱地作物面积占比下降,粮食综合灌溉定额呈上升趋势,由1990年的1838.30 m~3/hm~2增至2017年的2192.52 m~3/hm~2,粮食种植结构向耗水型方向发展。水土匹配分析表明,基于水资源自然本底和用水总量控制指标的两种水土资源匹配状况差距较大。(3)建立了水-耕地-粮食关联模型(WLF),测算了四种情境下的关联关系。基于粮食生产用地总面积,无论在水资源本底情境,还是在用水总量控制情境下的水-耕地-粮食关联关系,省域尺度均处于不平衡状态,并且均缺水;地市级尺度,两种情境下分别有87.96%和82.41%的地市处于不平衡状态,主要为缺水状态。表明将全部耕地发展为灌溉耕地是不现实的。基于粮食生产现有灌溉耕地面积,无论在水资源本底情境,还是在用水总量控制情境下的水-耕地-粮食关联关系,省级尺度均处于平衡状态,说明在不增加灌溉面积情况下,水-耕地-粮食关联关系是平衡的;地市级尺度,两种情境下分别有47.22%和44.44%的地市处于水多地少状态,说明还有一定的增加灌溉面积的潜力。水多地少区域主要集中于山区,可采取水权流转方式实现山区与平原地区的区域均衡。(4)构建了水-耕地-粮食的LSTM综合预测模型,预测了未来三者关联状况,提出了相应调控策略。结果表明,到2030年,在灌溉用水总量控制情境下,基于粮食生产用地总面积,水-耕地-粮食关联关系总体将仍处于缺水状态;基于粮食灌溉耕地面积,吉林省和辽宁省水-耕地-粮食关联关系总体将继续保持平衡状态,黑龙江省将变为轻度缺水状态。耕地资源、水资源、灌溉水有效利用系数、灌溉定额等因素对水-耕地-粮食关联具有直接的影响,针对各地市水-耕地-粮食关联特点,优化粮食种植结构和水土资源配置,是改善水-耕地-粮食关联关系的有效手段。创新点:(1)构建了水-耕地-粮食关联模型,评价水、耕地与粮食生产的适宜和满足程度;(2)建立了水-耕地-粮食的LSTM综合预测模型,提高了预测精度;(3)揭示了东北地区粮食结构调整与水、耕地资源的关系,提出精准调控策略。