12月1日，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院、國家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展研究院教授崔振嶺課題組在《自然-食物》在線發(fā)表研究論文。該研究揭示了通過采用優(yōu)質(zhì)農(nóng)戶田間管理技術(shù)與種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整相結(jié)合不僅滿足未來中國糧食需求，同時減少播種面積12%、氮肥施用34%、磷肥施用24%、灌溉水用量23%、活性氮損失18%和溫室氣體排放20%。

　　該項研究突破了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)布局與生產(chǎn)技術(shù)同時優(yōu)化并相結(jié)合的難題，為我國未來農(nóng)業(yè)種植可持續(xù)管理提供解決方案;同時，為政府推動農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型，更大程度實現(xiàn)糧食自給自足，減輕環(huán)境影響及國際市場的作用壓力提供了決策參考。

　　提出種植業(yè)綜合管理策略

　　在氣候變化的背景下，以更小的環(huán)境代價養(yǎng)活不斷增長的人口一直是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個巨大的挑戰(zhàn)。2015年至2050年期間，全球糧食需求預(yù)計將增長27%~39%。然而證據(jù)顯示，作物產(chǎn)量增加的趨勢很可能會停止，目前很多地區(qū)作物的產(chǎn)量潛力已經(jīng)達(dá)到了產(chǎn)量平臺。

　　論文通訊作者崔振嶺表示，基于空間作物生產(chǎn)力和環(huán)境成本的巨大差異，統(tǒng)籌規(guī)劃適宜的作物空間分布格局，為提高作物產(chǎn)量和降低環(huán)境成本以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展提供了可能。

　　然而，生產(chǎn)端各作物空間可獲得產(chǎn)量潛力及優(yōu)化技術(shù)信息不足，排放端空間高精度資源投入及環(huán)境排放數(shù)據(jù)缺失，導(dǎo)致無法綜合評估并集合技術(shù)與管理于一體的綜合策略。同時，我國仍然缺乏一個可持續(xù)性地滿足未來食物需求并且空間明確的綜合倡議。

　　為解決以上難題，該研究開發(fā)了一個新的綜合數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)集，結(jié)合了全國1110萬農(nóng)民調(diào)研數(shù)據(jù)、4272條農(nóng)田氮損失發(fā)表數(shù)據(jù)及各類統(tǒng)計年鑒，用以定量中國特定作物及縣的產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)投入、活性氮損失以及溫室氣體排放。基于以上工作基礎(chǔ)，研究人員提出了一種將田間優(yōu)化技術(shù)和作物種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整相結(jié)合的種植業(yè)綜合管理策略，以實現(xiàn)較低成本生產(chǎn)足夠的糧食。

　　綜合方法步驟如下：通過NUFER模型模擬2030年中國的糧食需求;通過全國大規(guī)模的農(nóng)民調(diào)研，獲得2036個縣產(chǎn)量及氮肥利用效率前10%生產(chǎn)者的優(yōu)化技術(shù);通過高精度的空間異質(zhì)數(shù)據(jù)和具有合理約束條件的線性優(yōu)化模型，對11類作物在縣域尺度上優(yōu)化種植空間分布。

　　該研究中優(yōu)質(zhì)農(nóng)戶田間管理技術(shù)為各縣優(yōu)質(zhì)農(nóng)戶采用的生產(chǎn)技術(shù)。通過農(nóng)戶調(diào)研，首先選擇產(chǎn)量最高的33.3%生產(chǎn)者，然后提取各縣各作物氮素利用效率最高的33.3%生產(chǎn)者，組合成優(yōu)質(zhì)的10%(33.3% *33.3% = 10%)生產(chǎn)者。優(yōu)化的種植結(jié)構(gòu)布局通過線性規(guī)劃計算，設(shè)置了5個優(yōu)化目標(biāo)，探究不同優(yōu)化目標(biāo)下的優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)差異，并通過設(shè)置合理的約束條件夯實優(yōu)化結(jié)果。

　　論文共同第一作者、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院博士后汪梓寒介紹，5個優(yōu)化目標(biāo)分別為最小化全國氮肥施用量;最小化全國磷肥施用量;最小化全國灌溉水用量;最小化全國活性氮損失量;最小化全國溫室氣體排放量。約束條件分別為全國各作物總產(chǎn)量等于2030年全國需求量;各縣的種植面積和灌溉用水量不超過當(dāng)前用量;各縣只優(yōu)化分配當(dāng)前已經(jīng)種植的作物;對于各縣各作物的種植比例設(shè)置上限，設(shè)置對應(yīng)省份內(nèi)最高種植比例作為上限。

　　在作物產(chǎn)量和環(huán)境質(zhì)量方面的顯著進(jìn)步

　　研究表明，2030年全國作物蛋白質(zhì)需求將增加至152百萬噸。如果所有農(nóng)民都能實現(xiàn)田間優(yōu)化技術(shù)，蛋白質(zhì)總產(chǎn)量將達(dá)到129公噸，比未來需求少15.8%。如果通過種植空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，最高蛋白質(zhì)產(chǎn)量為145百萬噸，仍然比未來預(yù)計需求低5.4%。

　　論文共同第一作者、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院博士后尹宇龍介紹，這表明，如果僅通過優(yōu)化技術(shù)和空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化的單一策略，都無法滿足未來食物需求的大幅增長。而綜合田間優(yōu)化技術(shù)和種植空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化不僅可以滿足未來各類作物總需求，還可以平均減少播種面積12%，灌溉用水23%，氮肥投入34%，磷肥投入24%，活性氮損失18%，溫室氣體排放20%。

　　此外，該綜合措施在全國范圍內(nèi)可分別降低種植成本和人工投入33%和39%，提升凈收入近6倍。

　　研究人員同時注意到該綜合措施的實施效果存在區(qū)域差異，比如全國6%的縣種植成本和勞動力投入會增長大于10%，也有14%的縣農(nóng)業(yè)凈收入減少超過10%。因此，為了保證農(nóng)民的公平收入，在種植成本增加和作物銷售收入增長不足的地區(qū)(主要是東部沿海地區(qū))必須實施補(bǔ)償機(jī)制。這也將激勵農(nóng)民采取更優(yōu)化的作物布局和改進(jìn)的田間管理技術(shù)。

　　崔振嶺表示，用更少的投入和環(huán)境成本養(yǎng)活中國，需要采取協(xié)調(diào)一致的行動，必須認(rèn)識到農(nóng)業(yè)系統(tǒng)和管理實踐的區(qū)域多樣性和潛力。該研究通過結(jié)合優(yōu)化的作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和改進(jìn)田間技術(shù)，在作物產(chǎn)量和環(huán)境質(zhì)量方面取得了顯著的進(jìn)步，特別是考慮到每個縣都已經(jīng)擁有這種技術(shù)和知識。論文通過詳細(xì)分析為已經(jīng)提出的一系列解決方案提供了有價值的補(bǔ)充。

　　與此同時，該研究對中國不久的將來提供了一條可行和可持續(xù)的路徑，將有助于實現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，并可能鼓勵其他發(fā)展中地區(qū)遵循優(yōu)化作物結(jié)構(gòu)調(diào)整和改進(jìn)田間技術(shù)的類似道路。

　　該項研究是課題組繼2021年在《自然-食物》上發(fā)表《我國玉米和大豆生產(chǎn)可實現(xiàn)更大程度的自給自足》研究工作的延續(xù)，為我國農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型、綠色發(fā)展，特別是種植結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型提供了理論、技術(shù)和實現(xiàn)途徑，是該課題組研究成果兩年內(nèi)第二次發(fā)表于《自然-食物》。