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中国农业大学科研院科技论文中国农大崔振岭教授课题组揭示种植结构调整结合优化田间管理技术可满足未来中国食物需求并降低环境代价

花匠小妙招
2024-11-07 23:00

中国农大新闻网讯 12月1日，资源与环境学院崔振岭教授课题组在《自然食物》（Nature Food）杂志上在线发表了题为“优化作物种植结构与管理技术可满足中国食物需求并降低环境代价”（“Integrating crop redistribution and improved management towards meeting China’s food demand with lower environmental costs” ）的研究论文，揭示了通过采用优质农户田间管理技术与种植结构优化调整相结合不仅满足未来中国粮食需求，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%。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解决方案。同时，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，提供决策参考。

在气候变化的背景下，以更小的环境代价，养活不断增长的人口一直是农业生产的一个巨大的挑战。2015年至2050年期间，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。因此，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以实现农业绿色发展提供了可能。然而，生产端各作物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，导致无法综合评估并集合技术与管理于一体的综合策略。同时，我国仍然缺乏一个可持续性地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，本研究开发了一个新的综合数据及数据集，结合了全国1,110万农民调研数据、4,272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的产量和农业投入、活性氮损失以及温室气体排放。基于以上工作基础，提出了一种将田间优化技术和作物种植结构优化调整相结合的种植业综合管理策略，以实现较低成本生产足够的粮食（图1）。综合方法步骤如下：（1）通过NUFER模型模拟2030年中国的粮食需求；（2）通过全国大规模的农民调研，获得2,036个县产量及氮肥利用效率前10%生产者的优化技术；（3）通过高精度的空间异质数据和具有合理约束条件的线性优化模型，对11类作物在县域尺度上优化种植空间分布。

图1 未来中国农作物生产策略的方法流程示意图

本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。通过农户调研，本研究首先选择产量最高的33.3%生产者，然后提取各县各作物氮素利用效率最高的33.3%生产者，组合成优质的10%（33.3% *33.3% = 10%）生产者。优化的种植结构布局通过线性规划计算，设置了五个优化目标，探究不同优化目标下的优化种植结构差异，并通过设置合理的约束条件夯实优化结果。五个优化目标分别为：1）最小化全国氮肥施用量；2）最小化全国磷肥施用量；3）最小化全国灌溉水用量；4）最小化全国活性氮损失量；5）最小化全国温室气体排放量。约束条件分别为：1）全国各作物总产量等于2030年全国需求量；2）各县的种植面积和灌溉用水量不超过当前的用量；3）各县只优化分配当前已经种植的作物；4）对于各县各作物的种植比例设置上限，设置对应省份内最高种植比例作为上限。

研究表明，2030年全国作物蛋白质需求将增加至152百万吨。如果所有农民都能实现田间优化技术，蛋白质总产量将达到129公吨，比未来需求少15.8%（图2b）。如果通过种植空间结构的优化，最高蛋白质产量为145百万吨，仍然比未来预计需求低5.4%（图2b）。这些结果表明如果仅通过优化技术和空间结构优化的单一策略，都无法满足未来食物需求的大幅增长。然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总需求，还可以平均减少播种面积12%，灌溉用水23%，氮肥投入34%，磷肥投入24%，活性氮损失18%，温室气体排放20%（图3）。

图2 当前及未来中国食物需求及生产

图3 不同目标综合策略的减排效果

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%，提升净收入近6倍。但是本研究也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会增长大于10%（图4a,b），也有14%的县农业净收入减少超过10%（图4c）。因此，为了保证农民的公平收入，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。这也将激励农民采取更优化的作物布局和改进的田间管理技术。

图4 综合策略与当前生产投入收益对比

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和潜力。该研究通过结合优化的作物种植结构调整和改进田间技术，在作物产量和环境质量方面取得了显著的进步，特别是考虑到每个县都已经拥有这种技术和知识。通过详细分析为已经提出的一系列解决方案提供了有价值的补充。本文对中国不久的将来提供了一条可行和可持续的路径，将有助于实现全球可持续发展目标，并可能鼓励其他发展中地区遵循优化作物结构调整和改进田间技术的类似道路。

中国农业大学资源与环境学院、国家农业绿色发展研究院崔振岭教授为论文通讯作者，博士后汪梓寒和尹宇龙为共同第一作者。该项研究是课题组继2021年在《自然食物》上发表《我国玉米和大豆生产可实现更大程度的自给自足》研究工作的延续，为我国农业转型、绿色发展，特别是种植结构转型提供了理论、技术和实现途径，是该课题组研究成果两年内第二次发表在《自然食物》杂志上。

供稿：资源与环境学院

供图：资源与环境学院

编辑：马文哲

责编：于哲

来源：中国农业大学新闻网