北大学者Nature发文揭示农业生产优化布局有望促进食物系统可持续发展

　　

2022年两会期间，习近平总书记在看望参加政协会议的农业界、社会福利和社会保障界委员时强调，“形成同市场需求相适应、同资源环境承载力相匹配的现代农业生产结构和区域布局”。改革开放以来，中国在农业生产方面取得巨大成就，但其背后也隐含了较高强度的资源环境消耗，例如，地下水位急速下降、农业温室气体排放增加、化肥施用强度急剧上升、农药污染更加广泛。在此背景下，中国各管理部门出台一系列政策和措施以提高农业发展的可持续性，其中，水利部提出“用水红线”，生态环境部推动农业温室气体减排，农业农村部提出“化肥农药零增长计划”等。上述政策和措施在一定程度上减轻了农业生产带来的负面影响，但当前的农业生产布局究竟是不是最优？如何通过优化农业生产布局推动资源节约、环境改善和农民增收协同发展？回答上述问题对推动中国以及全球农业可持续发展具有重要意义。

2023年3月16日，北京大学现代农学院、北京大学中国农业政策研究中心解伟研究员以第一作者兼通讯作者与合作者在Nature发表了题为“Crop switching can enhance environmental sustainability and farmer incomes in China”的研究论文（Article）。研究团队以0.5°*0.5°为单位将全国划分为72,000个网格，以264层ArcGIS空间数据储存包含13种农作物、8种资源投入、153组轮作模式的农业投入产出数据；基于“在最适宜的地区生产最适宜的农产品”的原则，开发大型农业生产布局优化模型，对农业可持续发展的多个维度（作物产量、农民收入以及水资源、温室气体、化肥、农药等）开展单目标或多目标优化，模拟3组不同层次的管理部门合作模式下（各自为政、彼此兼顾和跨部门协同，见表1）农业生产布局减排潜力和优化方向。

表1情景概述：

Scenarios	Sustainability dimension of objective function	Other sustainability dimensions	Farmer incomes	Crop production
G1	Optimized individually	May degrade on both national and grid level	May not decrease at grid level	May not decrease on national level
G2	Optimized individually	May not degrade on national/grid level
G3	All sustainable dimensions are optimized

注：G1-各自为政：各部门只追求自己分管任务最优，即农业可持续发展的单目标优化；G2-彼此兼顾：各部门存在协调机制，即优先考虑一个农业可持续发展指标最优，同时确保其他指标不受损；G3-跨部门协同：全国层面统筹协调，即追求所有农业可持续发展指标同步优化。

研究发现，在作物产量不减少、农民收入不降低以及耕地面积不扩大的前提下，如果“各自为政”，优化农业生产布局能够实现某一可持续发展指标大幅改善，但其他指标存在恶化现象；以农业温室气体排放为例，最高能使其节约17%，但全国钾肥使用增加约9%，尤其在一些生态环境脆弱区恶化（图1）。如果“彼此兼顾”，优化农业生产布局对所有可持续发展指标具有正向作用，一个可持续发展指标的优化不再以其他资源环境受损为代价，但出现各个指标之间改善不平衡的现象；以蓝水为例，优化农业生产布局最多能够节约19%的蓝水，但其他可持续发展指标的改善幅度较小，例如全国农药施用总量仅降低约4%（图1）。当实现“跨部门协同”的合作模式时，优化农业生产布局有潜力促进所有指标几乎同步改善：蓝水节约6.5%、绿水节约7.5%、温室气体减排6.5%、氮肥减少8.1%、磷肥减少9.8%、钾肥减少8.3%、农药减少6.7%以及农民收入增加4.5%（图1）。

图1. 农业生产布局不同优化情景下全国及区域资源环境、农民收入变化（从左向右看，每一行代表一个优化情景，每一列代表全国或区域相应指标的变化）

与以往重点关注农民收入和粮食安全形成的农业生产布局不同，本研究的贡献体现在考虑资源节约和环境保护的情景下农业生产该如何布局。与2010—2020年作物布局趋势相比，“跨部门协同”情景下模拟出的农业生产布局调整具有如下特征（图2）：对于小麦，在华北地下水漏斗特别严重的地区，关键在于提高用水效率。如果在华北不能大幅度提高农业用水效率，根据优化模型模拟结果，华北地区要控制甚至适当缩减小麦的播种面积。同时为了保障小麦口粮安全，可在长江中下游扩种，甚至在东北部分地区恢复小麦种植以保障当地口粮安全；对于水稻，过去十多年的观点是东北地区应该增加水稻生产，但目前已经增长过多，建议适当控制东北地区水稻播种面积；对于玉米，适度控制东北和华北的种植面积，适度扩大长江中下游种植面积，能够在保障粮食安全的同时促进资源环境节约；对于棉花，新疆棉花机械化程度高，但给当地的用水资源带来了较大压力，若在传统棉区（如，长江中下游和华北）能够培育出高产、易于机械化的品种，可适度恢复传统棉区生产，缓解新疆资源环境压力。此外也对油料作物、糖料作物布局提出了优化方向（图2）。

图2.“跨部门协同”情景下农业生产优化布局模拟结果与2010-2020年变动趋势的比较（农业生产布局用各区域某作物面积代表；圆圈的颜色表示优化模拟结果与历史变动的一致性，红色表示相反，绿色表示方向相同但历史变动幅度较小，黄色表示方向相同但历史变动幅度较大。每个圆圈内顶部的符号表示模型模拟结果，底部的符号表示历史变动）

优化农业生产布局对中国和全球实现可持续发展目标具有一定贡献。按照中国政府设定的农业可持续发展目标，优化农业生产力布局节约灌溉水量相当于国家目标的26%。此外，对实现国家2030年农业温室气体减排目标、化肥和农药零增长目标都有重要贡献（图3）。同时，农业生产优化布局也能通过作物增产对全球粮食安全作出贡献，促进全球农业可持续发展。

图3.优化农业生产布局带来的资源节约与中国2030年农业可持续发展目标的比较（“Target”根据历史趋势外推与农业可持续发展目标的差距测算）

解伟为本文领衔作者、博士生朱安丰为共同第一作者、黄季焜教授为主要合作者，其他合作者包括江西农业大学Tariq Ali教授、北京师范大学张正涛博士、西南财经大学陈晓光教授、中国科学院地理科学与资源研究所吴锋研究员、美国特拉华大学Kyle Frankel Davis博士。该研究得到了国家自然科学基金优青项目、国家自然科学基金重点国际合作项目等的支持。

解伟简介：北京大学现代农学院研究员、博士生导师，北京大学中国农业政策研究中心副主任。他同时是北京大学“博雅青年学者”“国家优秀青年科学基金”获得者。主要研究领域为粮食安全政策、农业资源环境经济、农业部门均衡模型（CAPSiM）及可计算一般均衡模型（CGE）。近年在“农业应对气候变化经济与政策”领域取得一定研究成果，相关成果发表在综合类杂志，如Nature正刊、Nature子刊（Nature Plants、Nature Food）、Risk Analysis等；农业与环境经济管理类杂志，如American Journal of Agricultural Economics(AJAE)、Journal of Environmental Economics and Management（JEEM）等。部分文章入选“全球最受关注的百篇论文排行榜”“高被引用论文”“Highly Commended Papers”“中国精品科技期刊顶尖论文”等榜单。独立主持近10个科研项目，包括科技部973和国家重点研发计划子课题2项、国家自然科学基金4项、国际合作项目1项、部委课题2项等；作为骨干参与自然科学基金重点项目、省部级项目、国际合作项目10余项。基于研究成果，还向中央和国家部委递交多份政策简报，产生一定的政策影响。