12月1日，中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院、國家農業(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)質農戶田間管理技術與種植結構優(yōu)化調整相結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%。

　　該項研究突破了農業(yè)產業(yè)布局與生產技術同時優(yōu)化并相結合的難題，為我國未來農業(yè)種植可持續(xù)管理提供解決方案;同時，為政府推動農業(yè)綠色轉型，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業(yè)生產的一個巨大的挑戰(zhàn)。2015年至2050年期間，全球糧食需求預計將增長27%~39%。然而證據顯示，作物產量增加的趨勢很可能會停止，目前很多地區(qū)作物的產量潛力已經達到了產量平臺。

　　論文通訊作者崔振嶺表示，基于空間作物生產力和環(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，為提高作物產量和降低環(huán)境成本以實現(xiàn)農業(yè)綠色發(fā)展提供了可能。

　　然而，生產端各作物空間可獲得產量潛力及優(yōu)化技術信息不足，排放端空間高精度資源投入及環(huán)境排放數據缺失，導致無法綜合評估并集合技術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戰(zhàn)略。

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

　　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)模的農民調研，獲得2036個縣產量及氮肥利用效率前10%生產者的優(yōu)化技術;通過高精度的空間異質數據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)質農戶田間管理技術為各縣優(yōu)質農戶采用的生產技術。通過農戶調研，首先選擇產量最高的33.3%生產者，然后提取各縣各作物氮素利用效率最高的33.3%生產者，組合成優(yōu)質的10%(33.3% *33.3% = 10%)生產者。優(yōu)化的種植結構布局通過線性規(guī)劃計算，設置了5個優(yōu)化目標，探究不同優(yōu)化目標下的優(yōu)化種植結構差異，并通過設置合理的約束條件夯實優(yōu)化結果。

　　論文共同第一作者、中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院博士后汪梓寒介紹，5個優(yōu)化目標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前用量;各縣只優(yōu)化分配當前已經種植的作物;對于各縣各作物的種植比例設置上限，設置對應省份內最高種植比例作為上限。

　　在作物產量和環(huán)境質量方面的顯著進步

　　研究表明，2030年全國作物蛋白質需求將增加至152百萬噸。如果所有農民都能實現(xiàn)田間優(yōu)化技術，蛋白質總產量將達到129公噸，比未來需求少15.8%。如果通過種植空間結構的優(yōu)化，最高蛋白質產量為145百萬噸，仍然比未來預計需求低5.4%。

　　論文共同第一作者、中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院博士后尹宇龍介紹，這表明，如果僅通過優(yōu)化技術和空間結構優(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)化技術和種植空間結構優(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%的縣農業(yè)凈收入減少超過10%。因此，為了保證農民的公平收入，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))必須實施補償機制。這也將激勵農民采取更優(yōu)化的作物布局和改進的田間管理技術。

　　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)調一致的行動，必須認識到農業(yè)系統(tǒng)和管理實踐的區(qū)域多樣性和潛力。該研究通過結合優(yōu)化的作物種植結構調整和改進田間技術，在作物產量和環(huán)境質量方面取得了顯著的進步，特別是考慮到每個縣都已經擁有這種技術和知識。論文通過詳細分析為已經提出的一系列解決方案提供了有價值的補充。

　　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，并可能鼓勵其他發(fā)展中地區(qū)遵循優(yōu)化作物結構調整和改進田間技術的類似道路。

　　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)，為我國農業(yè)轉型、綠色發(fā)展，特別是種植結構轉型提供了理論、技術和實現(xiàn)途徑，是該課題組研究成果兩年內第二次發(fā)表于《自然-食物》。