科研进展 北京大学揭示农业生产优化布局有潜力促进粮食系统可持续发展

农业科研进展_关于农业科技的研究_农业科研项目申报指南/

关于农业科技的研究_农业科研项目申报指南_农业科研进展/

改革开放以来,我国农业生产取得了巨大成就,但背后也是对资源和环境的高强度消耗。 例如,地下水位迅速下降,农业温室气体排放增加,化肥施用强度急剧增加,农药污染更加严重。 广泛。 在此背景下,我国各行政部门出台了一系列政策措施,提高农业发展的可持续性。 其中,水利部提出“用水红线”、生态环境部推动农业温室气体减排、农业农村部提出“化肥农药零增长计划”等上述政策措施在一定程度上缓解了农业生产的负面影响,但当前农业生产布局是否最优?如何通过优化布局促进资源节约、环境改善和农民增收协调发展回答上述问题对于促进中国乃至世界农业的可持续发展具有重要意义。

2023年3月16日,北京大学现代农业学院、北京大学中国农业政策研究中心谢伟作为第一作者、通讯作者和通讯作者在《Nature》杂志上发表题为“作物转换可以增强环境可持续性和中国农民收入”的论文。合作者。 》研究论文(Article)。研究团队将全国以0.5°*0.5°为单位划分为72000个网格,利用264层ArcGIS空间数据存储包含13类农作物、8类资源的农业投入产出数据投入、153组轮作模式;以“在最适宜的地区生产最适宜的农产品”为原则,开发了规模化农业生产布局优化模型,并对多个农田进行单层次分析。农业可持续发展维度(农作物产量、农民收入、水资源、温室气体、化肥、农药等)目标或多目标优化模拟三者合作模式下农业生产布局的减排潜力和优化方向各级管理部门分组(各自独立工作、相互兼顾、跨部门协作,见表1)。

农业科研项目申报指南_农业科研进展_关于农业科技的研究/

注:G1——独立工作:各部门只追求自身任务的优化,即农业可持续发展的单目标优化; G2——相互兼顾:各部门有协调机制,即优先考虑农业可持续发展最优指标之一,同时保证其他指标不受损; G3-跨部门协调:国家层面统筹协调,即追求所有农业可持续发展指标同步优化

研究发现,在农作物产量不减少、农民收入不减少、耕地面积不扩大的前提下,如果“独立工作”,优化农业生产布局,可以实现农业生产效率的显着提高。一项可持续发展指标,但其他指标将会恶化; 以农业温室气体排放为例,最多可节省17%,但全国钾肥使用量却增加了9%左右,特别是在一些生态脆弱地区(图1)。 如果“双方兼顾”,优化农业生产布局将对各项可持续发展指标产生积极影响。 一项可持续发展指标的优化将不再以损害其他资源和环境为代价,但各项指标之间的改善会出现不平衡。 以蓝水为例,优化农业生产布局最多可节约19%的蓝水,但其他可持续发展指标的提升幅度较小。 例如,全国农药施用总量仅减少4%左右(图1)。 当“跨部门协作”合作模式实现后,优化农业生产布局有可能促进所有指标几乎同时提升:蓝色水节约6.5%,绿色水节约7.5%,温室气体减排6.5%,氮肥减量8.1%,磷肥减量减少9.8%,钾肥减少8.3%,农药减少6.7%,农民收入增长4.5%(图1)。

关于农业科技的研究_农业科研项目申报指南_农业科研进展/

图1 不同农业生产布局优化情景下全国和区域资源环境和农民收入变化(从左至右,每行代表一个优化情景,每列代表全国或区域相应指标的变化)

与以往注重农民收入和粮食安全的农业生产布局不同,本研究的贡献体现在节约资源和保护环境的情况下农业生产该如何布局。 与2010-2020年作物布局趋势相比,“跨部门协作”情景下模拟的农业生产布局调整具有以下特点(图2):对于小麦来说,在华北地区地下水漏斗特别严重的地区,关键是提高水的利用效率。 如果华北地区农业用水效率无法显着提高,根据优化模型模拟结果,必须控制甚至适当减少华北地区小麦播种面积。 同时,为了保证小麦口粮安全,可以在长江中下游地区扩大种植,甚至东北部分地区可以恢复小麦种植,以保证当地口粮安全; 对于水稻,过去十年的观点是东北地区应该增加水稻产量,但已经增加太多了,建议适当控制东北地区的水稻种植面积; 玉米方面,适度控制东北、华北地区种植面积,适度扩大长江中下游地区种植面积,在保证粮食安全的同时,可以促进资源环境节约; 对于棉花来说,新疆棉花机械化水平较高,但给当地水资源带来了巨大压力。 如果能够在传统棉区(如长江中下游、华北地区)培育出高产、易机械化的品种,就可以适度恢复传统棉区的生产,缓解新疆的压力。 资源和环境压力。 此外,还提出了油料作物和糖料作物布局的优化方向(图2)。

农业科研项目申报指南_农业科研进展_关于农业科技的研究/

图2 “跨部门协同”情景下农业生产优化布局模拟结果及2010-2020年变化趋势对比(农业生产布局以各地区一定农作物面积为代表;圆圈颜色表示优化模拟结果与历史变化一致,红色表示相反,绿色表示方向相同但历史变化较小,黄色表示方向相同但历史变化较大。每个圆圈代表模型模拟结果,底部符号代表历史变化)

优化农业生产布局将有助于中国和世界可持续发展目标的实现。 根据中国政府制定的农业可持续发展目标,优化农业生产力布局、节约灌溉用水相当于国家目标的26%。 此外,还为国家2030年农业温室气体减排目标、化肥农药零增长目标做出了重要贡献(图3)。 同时,优化农业生产布局还可以通过农作物增产为全球粮食安全做出贡献,促进全球农业可持续发展。

农业科研进展_农业科研项目申报指南_关于农业科技的研究/

图3 优化农业生产布局带来的资源节约与中国2030年农业可持续发展目标对比

北京大学现代农业学院、中国农业政策研究中心谢伟研究员为该文章的第一作者,博士生朱安峰为共同第一作者,黄继坤教授为主要合作者。 其他合作者包括江西农业大学Tariq Ali教授、北京师范大学博士张正涛、西南财经大学陈晓光教授、中国科学院地理科学与资源研究所吴峰研究员等。科学,以及特拉华大学的凯尔·弗兰克尔·戴维斯博士。 该研究得到了国家自然科学基金优秀青年计划和国家自然科学基金国际合作重点项目的支持。

论文链接: