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实现粮食系统的可持续性是一项多方面的挑战。在中国，自1990年以来作物产量翻了一番，这损害了可持续性的其他方面。尽管中国正在推动各种干预措施以提高生产效率和减少环境影响，但对于作物转换是否可以实现更可持续的种植制度，人们知之甚少。
2023年3月16日，北京大学解伟，西南财经大学陈晓光，中国科学院地理科学与资源研究所吴锋及美国特拉华大学Kyle Frankel Davis共同通讯在Nature在线发表题为“Crop switching can enhance environmental sustainability and farmer incomes in China”的研究论文，该研究结合了特定作物产量、收获面积、环境足迹和农民收入的高分辨率数据，首先量化了作物生产可持续性的现状。在不同级别的部际和中央协调下，该研究进行空间优化，重新分配作物，以满足一系列农业可持续发展目标。
采用孤立的方法，即每个政府部门都寻求单独改善单一的可持续发展成果，作物转换可以实现巨大的个人利益，但也会在其他方面和区域之间产生恶化现象。在防止折衷的协调情况下，该研究发现减少环境影响(蓝水(- 4.5%至- 18.5%)、绿水(- 4.4%至- 9.5%)、温室气体(GHGs)(- 1.7%至- 7.7%)、化肥(- 5.2%至- 10.9%)、农药(- 4.3%至- 10.8%)和增加农民收入(+2.9%至+7.5%)具有显著的共同效益。这些协调的作物转换成果可为中国2030年农业可持续发展目标做出重大贡献(各维度贡献率达23-40%)，并有可能节省全球资源。这种综合方法可以为可行的有针对性的农业干预提供信息，在多个方面实现可持续发展的共同效益。
绿色革命使全球粮食供应空前增加，以满足迅速增长的需求。然而，推广相对较少的高产作物和随之而来的投入密集型做法导致了对营养安全和环境的严重损害。中国农业的发展也遵循了同样的模式。在过去几十年里，中国在农业生产力方面取得了显著进展，仅1990年以来，全国农作物产量就增加了107%。尽管中国有14亿多人口，但除了大豆以外，中国粮食需求的增长主要是通过国内农业生产的增长来满足的。然而，实现如此高的粮食产量意味着在全国范围内面临越来越多的环境挑战。近几十年来，地下水水位以惊人的速度下降，农业温室气体排放增加，化肥施用强度大幅增加，农药污染变得更加普遍。
认识到这些明显的权衡，中国政府正在考虑采取一系列干预措施，以提高农业的可持续性，同时不影响该部门的高产量。这些战略包括开发“高标准农田”以提高农业生产率，同时减少投入(例如水和肥料)的使用，实施“节水项目”以提高用水效率，推广土壤检测和养分推荐技术以减少肥料使用等等。尽管所有这些解决方案都承诺减轻农业的环境负担，但它们往往侧重于单一的结果，并且基于这样的假设：作物已经生长在最适合农业气候和资源效率最高的地区。然而，最近的研究越来越清楚地表明，目前的种植模式在几个方面都不是最优的，而作物转换(即改变作物分布和/或作物轮作)可能为提高农业可持续性提供希望。
最近的全球研究表明，作物重新分配可以减少灌溉用水（即蓝水）需求(- 12%至- 21%)和蓝水短缺，并在改善或维持粮食生产的同时保护自然环境和生物多样性。最近还在国家一级进行了其他几项分析，这些分析对于考虑可能影响农业解决办法可行性的政策相关因素是必要的。在印度，作物再分配已被证明可以改善膳食营养供应、气候适应能力和农民净收入，并减少自然资源的使用和温室气体排放。在美国，研究发现作物转换可以减少水需求和与气候相关的作物损失。其他研究显示了作物轮作多样化的前景。在中国，华北平原的实地试验表明，作物轮作替代传统的玉米-小麦系统可以减少地下水枯竭，增加经济产出。来自北美的长期证据也表明，更多样化的轮作具有更强的气候适应能力。然而，作物转换是否以及在多大程度上为整个中国的农业可持续发展带来类似的好处仍未量化。
农业生产布局不同优化情景下全国及区域资源环境、农民收入的变化（图源自Nature）
作物转换是补充其他可持续农场管理解决方案的一项有前途的战略。中国政府还认识到，重新分配作物是加强农业部门可持续发展的一种方式。例如，2000年初，国家发改委主导的作物还田研究项目在历史分析的基础上提出了区域农业发展方向。最近，中国的《国家可持续农业发展规划(2015-2030年)》也给出了大致的方向，将中国分为三个地区：更重视粮食生产而不是可持续发展(如长江地区)，同样重视粮食生产和可持续发展(如西北地区)，更重视可持续发展而不是粮食生产(如青藏高原地区)。
因此，为了满足这些政策重点，有必要在经济上可行的情况下，定量评估作物转换在哪里以及在多大程度上有助于实现中国的可持续发展目标，同时不影响粮食供应。此外，由于中国占全球人口(19%)、初级作物生产(19%)、自然资源使用(例如化肥(25%)、农药(10%)、灌溉(13%)、耕地(9%)、农业-粮食系统相关温室气体(12%)和农民(16%)的很大一部分，中国为改善其可持续发展目标所做的努力将对应对全球粮食安全和可持续发展挑战产生深远影响。
通过优化作物转换改变蓝水稀缺（图源自Nature）
该研究量化和评估了中国各地作物转换的机会，重点关注13种作物，它们合计占中国初级作物产量的94%和收获面积的90%。该研究将基于网格(5弧分)的作物特定数据(大约2010年)的旱作和灌溉产量和收获面积与每种作物的需水量估计值、温室气体强度、化肥施用量、农药使用和农民净利润结合起来。利用这些数据，研究人员估计了中国可持续农业计划中优先考虑的几个可持续发展维度，即产量、需水量、温室气体排放、化肥使用、农药使用和当前作物生产的经济产出。然后，研究人员构建了一个线性优化模型来模拟作物转换对可持续农业发展的贡献。
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（图源自Nature）
每次优化运行都优先考虑以下目标之一：最大限度地减少用水需求；减少温室气体；尽量减少化肥的使用；减少农药；最大化农民收入；或者同时最大化所有维度的利益——基于三种不同层次的政府合作(即筒仓式、跨部门协调和中央政府协调)。该研究的优化在以下约束条件下重新分配作物之间的收获面积和改变作物轮作：(1)所有作物的全国供应不能减少——这一约束反映了国家自给自足目标；(2)每个网格单元内的农民收入不能减少，确保农民的盈利能力不受不利影响；(3)只有当前在网格单元内生长的作物才能在该网格单元内种植；(4)每个网格单元内的收获面积保持不变，防止农业扩张；(5)轮作作物的种植历在时间上不能重叠。最后，该研究量化了优化作物转换的结果，并将其与中国相关可持续发展目标的效益进行了比较。这种对若干成果的评价对于确定能够改善农业多层面可持续性的干预措施至关重要。
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。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%。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%。
“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（图源自Nature）
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：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。
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。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做出贡献，促进全球农业可持续发展。
北京大学现代农学院、中国农业政策研究中心解伟研究员为本文领衔作者、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。
注：文章部分解析参考自北京大学现代农学院官网。
部分解析链接：
https://www.saas.pku.edu.cn/xwzx/kyjz/369081.htm
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05799-x
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