2022年兩會期間，習(xí)近平總書記在看望參加政協(xié)會議的農(nóng)業(yè)界、社會福利和社會保障界委員時強調(diào)“形成同市場需求相適應(yīng)、同資源環(huán)境承載力相匹配的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和區(qū)域布局”。改革開放以來，中國在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面取得巨大成就，但其背后也隱含了較高強度的資源環(huán)境消耗，例如，地下水位急速下降、農(nóng)業(yè)溫室氣體排放增加、化肥施用強度急劇上升、農(nóng)藥污染更加廣泛。在此背景下，中國各管理部門出臺一系列政策和措施以提高農(nóng)業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性，其中，水利部提出“用水紅線”，生態(tài)環(huán)境部推動農(nóng)業(yè)溫室氣體減排，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出“化肥農(nóng)藥零增長計劃”等。上述政策和措施在一定程度上減輕了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的負面影響，但當前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局究竟是不是最優(yōu)？如何通過優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局推動資源節(jié)約、環(huán)境改善和農(nóng)民增收協(xié)同發(fā)展？回答上述問題對推動中國以及全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
2023年3月16日，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、北京大學(xué)中國農(nóng)業(yè)政策研究中心解偉以第一作者兼通訊作者與合作者在《Nature》發(fā)表了題為“Crop switching can enhance environmental sustainability and farmer incomes in China”的研究論文（Article）。研究團隊以0.5°*0.5°為單位將全國劃分為72000個網(wǎng)格，以264層ArcGIS空間數(shù)據(jù)儲存包含13種農(nóng)作物、8種資源投入、153組輪作模式的農(nóng)業(yè)投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)；基于“在最適宜的地區(qū)生產(chǎn)最適宜的農(nóng)產(chǎn)品”的原則，開發(fā)大型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局優(yōu)化模型，對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的多個維度（作物產(chǎn)量、農(nóng)民收入以及水資源、溫室氣體、化肥、農(nóng)藥等）開展單目標或多目標優(yōu)化，模擬3組不同層次的管理部門合作模式下（各自為政、彼此兼顧和跨部門協(xié)同，見表1）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局減排潛力和優(yōu)化方向。
注：G1-各自為政：各部門只追求自己分管任務(wù)最優(yōu)，即農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的單目標優(yōu)化；G2-彼此兼顧：各部門存在協(xié)調(diào)機制，即優(yōu)先考慮一個農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指標最優(yōu)，同時確保其他指標不受損；G3-跨部門協(xié)同：全國層面統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，即追求所有農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指標同步優(yōu)化
研究發(fā)現(xiàn)，在作物產(chǎn)量不減少、農(nóng)民收入不降低以及耕地面積不擴大的前提下，如果“各自為政”，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局能夠?qū)崿F(xiàn)某一可持續(xù)發(fā)展指標大幅改善，但其他指標存在惡化現(xiàn)象；以農(nóng)業(yè)溫室氣體排放為例，最高能使其節(jié)約17%，但全國鉀肥使用增加約9%，尤其在一些生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)惡化（圖1）。如果“彼此兼顧”，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局對所有可持續(xù)發(fā)展指標具有正向作用，一個可持續(xù)發(fā)展指標的優(yōu)化不再以其他資源環(huán)境受損為代價，但出現(xiàn)各個指標之間改善不平衡的現(xiàn)象；以藍水為例，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局最多能夠節(jié)約19%的藍水，但其他可持續(xù)發(fā)展指標的改善幅度較小，例如全國農(nóng)藥施用總量僅降低約4%（圖1）。當實現(xiàn)“跨部門協(xié)同”的合作模式時，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局有潛力促進所有指標幾乎同步改善：藍水節(jié)約6.5%、綠水節(jié)約7.5%、溫室氣體減排6.5%、氮肥減少8.1%、磷肥減少9.8%、鉀肥減少8.3%、農(nóng)藥減少6.7%以及農(nóng)民收入增加4.5%（圖1）。
圖1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局不同優(yōu)化情景下全國及區(qū)域資源環(huán)境、農(nóng)民收入的變化
（從左向右看，每一行代表一個優(yōu)化情景，每一列代表全國或區(qū)域相應(yīng)指標的變化）
與以往重點關(guān)注農(nóng)民收入和糧食安全形成的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局不同，本研究的貢獻體現(xiàn)在考慮資源節(jié)約和環(huán)境保護的情景下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)該如何布局。與2010-2020年作物布局趨勢相比，“跨部門協(xié)同”情景下模擬出的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局調(diào)整具有如下特征（圖2）：對于小麥，在華北地下水漏斗特別嚴重的地區(qū)，關(guān)鍵在于提高用水效率。如果在華北不能大幅度提高農(nóng)業(yè)用水效率，根據(jù)優(yōu)化模型模擬結(jié)果，華北地區(qū)要控制甚至適當縮減小麥的播種面積。同時為了保障小麥口糧安全，可在長江中下游擴種，甚至在東北部分地區(qū)恢復(fù)小麥種植以保障當?shù)乜诩Z安全；對于水稻，過去十多年的觀點是東北地區(qū)應(yīng)該增加水稻生產(chǎn)，但目前已經(jīng)增長過多，建議適當控制東北地區(qū)水稻播種面積；對于玉米，適度控制東北和華北的種植面積，適度擴大長江中下游種植面積，能夠在保障糧食安全的同時促進資源環(huán)境節(jié)約；對于棉花，新疆棉花機械化程度高，但給當?shù)氐挠盟Y源帶來了較大壓力，若在傳統(tǒng)棉區(qū)（如，長江中下游和華北）能夠培育出高產(chǎn)、易于機械化的品種，可適度恢復(fù)傳統(tǒng)棉區(qū)生產(chǎn)，緩解新疆資源環(huán)境壓力。此外也對油料作物、糖料作物布局提出了優(yōu)化方向（圖2）。
圖2 “跨部門協(xié)同”情景下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化布局模擬結(jié)果與2010-2020年變動趨勢的比較
（農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局用各區(qū)域某作物面積代表；圓圈的顏色表示優(yōu)化模擬結(jié)果與歷史變動的一致性，紅色表示相反，綠色表示方向相同但歷史變動幅度較小，黃色表示方向相同但歷史變動幅度較大。每個圓圈內(nèi)頂部的符號表示模型模擬結(jié)果，底部的符號表示歷史變動）
優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局對中國和全球?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標具有一定貢獻。按照中國政府設(shè)定的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力布局節(jié)約灌溉水量相當于國家目標的26%。此外，對實現(xiàn)國家2030年農(nóng)業(yè)溫室氣體減排目標、化肥和農(nóng)藥零增長目標都有重要貢獻（圖3）。同時，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化布局也能通過作物增產(chǎn)對全球糧食安全做出貢獻，促進全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
圖3 優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局帶來的資源節(jié)約與中國2030年農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標的比較
（“Target”根據(jù)歷史趨勢外推與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標的差距測算）
北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、中國農(nóng)業(yè)政策研究中心解偉研究員為本文領(lǐng)銜作者、博士生朱安豐為共同第一作者、黃季焜教授為主要合作者，其他合作者包括江西農(nóng)業(yè)大學(xué)Tariq Ali教授、北京師范大學(xué)張正濤博士、西南財經(jīng)大學(xué)陳曉光教授、中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所吳鋒研究員、美國特拉華大學(xué)Kyle Frankel Davis博士。該研究得到了國家自然科學(xué)基金優(yōu)青項目、國家自然科學(xué)基金重點國際合作項目等的支持。
解偉簡介
北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師，北京大學(xué)中國農(nóng)業(yè)政策研究中心副主任。他同時是北京大學(xué)“博雅青年學(xué)者”，“國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金”獲得者。主要研究領(lǐng)域為糧食安全政策、農(nóng)業(yè)資源環(huán)境經(jīng)濟、農(nóng)業(yè)部門均衡模型（CAPSiM）及可計算一般均衡模型（CGE）。近年在“農(nóng)業(yè)應(yīng)對氣候變化經(jīng)濟與政策”領(lǐng)域取得一定研究成果，相關(guān)成果發(fā)表在綜合類雜志，如Nature正刊、Nature子刊（Nature Plants、Nature Food）、Risk Analysis等；農(nóng)業(yè)與環(huán)境經(jīng)濟管理類雜志，如American Journal of Agricultural Economics(AJAE)、Journal of Environmental Economics and Management(JEEM)等。部分文章入選“全球最受關(guān)注的百篇論文排行榜”、“高被引用論文”、“Highly Commended Papers”、“中國精品科技期刊頂尖論文”等榜單。獨立主持近10個科研項目，包括科技部973和國家重點研發(fā)計劃子課題2項、國家自然科學(xué)基金4項、國際合作項目1項、部委課題2項等；作為骨干參與自然科學(xué)基金重點項目、省部級項目、國際合作項目10余項。基于研究成果，還向中央和國家部委遞交多份政策簡報，產(chǎn)生一定的政策影響。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05799-x