本文转自：中国科学报
待耕种的农田。徐锐/摄
【资料图】
■本报记者王方
中国农业大学资源与环境学院、国家农业绿色发展研究院教授崔振岭课题组，研究揭示通过优质农户田间管理技术与种植结构优化调整相结合，能在满足未来中国粮食需求的同时，减少播种面积12%、氮肥施用34%、磷肥施用24%、灌溉水用量23%、活性氮损失18%和温室气体排放20%。相关研究近日在线发表于《自然-食物》。
该项研究突破了农业产业布局与生产技术同时优化并相结合的难题，为我国未来农业种植可持续管理提供了解决方案，为政府推动农业绿色转型、更大程度实现粮食自给自足、减轻环境影响及国际市场的作用压力提供了决策参考。
提出种植业综合管理策略
在气候变化背景下，以更小的环境代价养活不断增长的人口一直是农业生产面临的一个巨大挑战。有研究指出，2015年至2050年间，全球粮食需求预计将增长27%~39%。然而证据显示，作物产量增加的趋势很可能会停止，目前很多地区作物的产量潜力已经达到了产量平台。
论文通讯作者崔振岭表示，基于空间作物生产力和环境成本的巨大差异，统筹规划适宜的作物空间分布格局，为提高作物产量和降低环境成本、实现农业绿色发展提供了可能。
然而，生产端空间可获得产量潜力及优化技术信息不足，排放端空间高精度资源投入及环境排放数据缺失，导致无法进行综合评估，也无法形成技术与管理一体化的综合策略。同时，我国仍然缺乏可持续满足未来食物需求并且空间明确的综合战略。
为解决以上难题，课题组开发了一个新的综合数据及数据集，结合了全国1110万名农民的调研数据、4272条农田氮损失发表数据及各类统计年鉴，用以定量中国特定作物及县作物产量和农业投入、活性氮损失、温室气体排放等。基于上述分析，研究人员提出了一种将田间优化技术和作物种植结构优化相结合的种植业综合管理策略，实现以较低成本生产足够的粮食。
综合管理策略步骤如下：通过NUFER模型模拟2030年中国的粮食需求；通过全国大规模的农民调研，获得2036个县作物产量及氮肥利用效率前10%生产者的优化技术；通过高精度空间异质数据和具有合理约束条件的线性优化模型，在县域尺度上优化11类作物种植空间分布。
该研究中优质农户田间管理技术为各县优质农户采用的生产技术。通过调研农户，研究人员首先选择产量最高的33.3%生产者，然后提取各县各作物氮肥利用效率最高的33.3%生产者，组合成优质的10%（33.3%×33.3%）生产者。优化的种植结构布局通过线性规划计算，设置了5个优化目标，探究不同优化目标下优化种植结构的差异，并通过设置合理的约束条件夯实优化结果。
论文共同第一作者、中国农业大学资源与环境学院博士后汪梓寒介绍，5个优化目标分别为最小化全国氮肥施用量、最小化全国磷肥施用量、最小化全国灌溉水用量、最小化全国活性氮损失量、最小化全国温室气体排放量。约束条件分别为全国各作物总产量等于2030年全国需求量，各县的种植面积和灌溉水用量不超过当前用量，各县只优化分配当前已经种植的作物，设置对应省份内最高种植比例作为各县各作物种植比例上限。
作物产量和环境质量显著提升
研究表明，2030年全国作物蛋白质需求将增加至1.52亿吨。如果所有农民都能采用田间优化技术，蛋白质总产量将达到129吨，比未来需求少15.8%。如果通过种植空间结构进行优化，最高蛋白质产量为1.45亿吨，仍然比未来预计需求低5.4%。
论文共同第一作者、中国农业大学资源与环境学院博士后尹宇龙指出，田间优化技术或空间结构优化的单一策略，无法满足未来食物需求的大幅增长。而综合田间优化技术和种植空间结构优化不仅可以满足未来各类作物的总需求，还可以平均减少播种面积12%、灌溉用水23%、氮肥施用34%、磷肥施用24%、活性氮损失18%、温室气体排放20%。此外，该综合措施在全国范围内可分别降低种植成本和人工投入33%和39%，净收入增加近6倍。
研究人员同时注意到，该综合措施的实施效果存在区域差异，比如全国6%的县种植成本和劳动力投入增长会大于10%，有14%的县农业净收入减少超过10%。因此，为了保证农民收入的公平，在种植成本增加和作物销售收入增长不足的地区（主要是东部沿海地区）必须实施补偿机制。这将激励农民优化作物布局和改进田间管理技术。
崔振岭表示，用更少的投入和环境成本养活中国，需要采取协调一致的行动，必须认识到农业系统和管理实践的区域多样性与潜力。该研究通过综合优化作物种植结构调整和改进田间技术，使作物产量和环境质量取得了显著进步，特别是考虑到每个县都已经拥有这种技术和知识。该研究通过翔实的分析为已经提出的一系列解决方案提供了有价值的补充。
与此同时，该研究为中国未来提供了可行和可持续的路径，有助于实现全球可持续发展目标，为其他发展中地区提供借鉴。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s43016-022-00646-0
