跨部門協同：挖掘農業生產力布局的潛力

　　兩年前在黑龍江調研的北京大學現代農學院博士朱安豐發現，部分農戶有種植小麥的愿望。然而東北三省如今的小麥種植面積不足10萬公頃。

　　農業農村部原部長韓長賦卸任后在中國人民大學講授通識核心課程《大國三農》，其中一個專題就是“中國農業生產力布局問題”。

　　不同的區域該種什么作物？種多少？怎么種？農業生產布局其實是一個全世界都關注的問題。美國、歐盟、巴西等國家和地區近年來也都在關注農業生產布局問題。

　　3月16日，《自然》在線發表了北京大學、西南財經大學、中科院地理與資源研究所等單位聯合完成的論文成果。該研究首次采用大數據開發大型優化模型，模擬跨部門多資源協同下的農業生產空間新布局。

　　中國科學院院士陸大道說，優化農業生產布局對中國和全球實現可持續發展具有積極貢獻。這項研究創新性地使用高空間分辨率農業大數據，綜合考慮部門之間的協調機制，將科學與政策結合起來，提出了農業布局優化方向，充分體現數字時代現代農業科學交叉研究的特點，有望助力科學決策。

　　農業生產布局應全國“一盤棋”

　　“上世紀80年代初，東北三省的小麥種植面積還有200多萬公頃。”論文第一作者兼通訊作者、北京大學現代農學院研究員解偉告訴《中國科學報》，但近年來水稻種植面積逐年上升。這也給當地的資源和環境帶來了不小的壓力。東北種植結構調整成為人們關心的話題。

　　從東北到西北，“新疆棉花播種面積也呈現增長趨勢。”解偉說，這主要是因為新疆棉花生產機械化程度高，過去多年又實施了補貼。

　　 “實際上，農業生產區域布局是一個全局性的問題，應該全國‘一盤棋’地去考慮。”解偉說，改革開放以來，中國在農業生產方面取得巨大成就，但其背后也隱含了較高強度的資源環境消耗。例如，地下水位急速下降、農業溫室氣體排放增加、化肥施用強度急劇上升、農藥污染更加廣泛。

　　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業發展的可持續性。其中，水利部提出“用水紅線”，生態環境部推動農業溫室氣體減排，農業農村部推廣“測土配方施肥”等。管理部門在考慮規劃的時候都希望本部門的目標能實現最大化。

　　“上述政策和措施在一定程度上減輕了農業生產帶來的負面影響，但當前的農業生產布局究竟是不是最優？如何通過優化農業生產布局推動資源節約、環境改善和農民增收協同發展？回答上述問題對推動中國以及全球農業可持續發展具有重要意義。”解偉說。

　　在中國農業大學經濟管理學院講席教授樊勝根看來，農業生產區域布局是應該隨著外界制約因素的變化而動態優化的。

　　他告訴《中國科學報》，首先，我國農業生產的目標在變化，從過去以產量為主向現在產量、品質并重轉化，農業生產要滿足人民群眾對美好生活的需求。

　　其次，氣候在變化，這對極其依賴于自然條件的農業生產提出了挑戰。

　　最后，各地區的社會經濟發展情況在變化。經濟發達地區的土地向非農轉移的可能性加大，而經濟不發達地區的農業比較優勢明顯。這會影響農戶如何選擇自己的生計。

　　“這些問題不僅僅是我們中國面對的，農業生產布局優化也是全世界國家關注的問題。如果我們中國在這方面獲得了成功的案例，也會給全世界提供可借鑒的經驗。”樊勝根說。

　　說起來容易，干起來難

　　究竟如何對農業生產空間布局進行動態優化？“我們設定了一個原則，就是在最適宜的地區種植最適宜的農產品。”解偉說，這個原則說起來容易，干起來難。

　　由于空間尺度的問題，從省級到縣級到村，農業生產的自然條件差異很大。“十里不同天，向陽地和背陰地的條件就很不一樣，一個村子里什么地方適合種什么都有差異，更不要說從縣級或者省級角度去做優化布局了。”解偉說。

　　而要給出動態優化的建議，必須掌握該地區的歷史種植情況。“我們獲得了縣級層面的數據，對于這項研究的完成至關重要。”解偉解釋說，他們首次采用大數據，開發了大型優化模型，可以模擬跨部門多資源協同下的農業生產空間新布局。

　　論文作者、中國科學院地理科學與資源研究所研究員吳鋒告訴《中國科學報》，這個模型以0.5°*0.5°為單位將全國劃分為72000個網格，即每個網格大約為10千米*10千米。在此基礎上建立了包含13種農作物、153組輪作模式的農業投入產出大數據庫，可以對農業可持續發展的多個維度（作物產量、農民收入以及水資源、溫室氣體、化肥、農藥等）開展單目標或多目標的優化模擬。

　　“我們以最適宜的地區種植最適宜的農產品為原則，模擬了各管理部門各自為政、彼此兼顧和跨部門協同三種情景下，農業生產該如何優化布局。”論文作者朱安豐說。

　　研究發現，如果“各自為政”，在作物產量不減少、農民收入不降低以及耕地面積不擴大前提下，優化農業生產布局能夠實現某一可持續發展指標大幅改善，但其他指標存在惡化現象。例如，灌溉水最高可節約27.8%，但此情景下農業溫室氣體排放總量增加2.8%。“這就好像按下了葫蘆浮起了瓢，一個目標達到了但別的目標沒有實現。”朱安豐說。

　　好在現實中管理部門并不是各自為政，而是采用了“彼此兼顧”的情景，這種情景下農業生產布局在優化一個可持續發展指標時不再以其他指標受損為代價，但出現各個可持續發展指標改善不平衡的問題。如，灌溉水最高可節約18.5%，但此情景下農藥僅減量4.3%。

　　“有沒有可能在國務院或者發改委層面設立一個具有更高協調能力的機構？我們提出了跨部門協同的情景，模擬發現，優化農業生產布局有潛力促進所有可持續發展指標最大化的協同實現。”論文作者、西南財經大學教授陳曉光說，此情景下藍水節約6.5%、綠水節約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%、農藥減少6.7%，并且實現農民收入增加4.5%。

　　“若在優化農業生產布局時，只重視部分資源環境指標，雖然可以大幅改善部分資源環境指標，但會導致其他指標的惡化。”陳曉光說，在優化農業生產布局時，注重多個資源環境指標協同優化，不僅對中國農業可持續發展具有重要意義，對全球其他國家的農業可持續發展也具有借鑒意義。

　　農業布局優化建議

　　“在華北地下水漏斗特別嚴重的地區，小麥種植關鍵在于提高用水效率。”解偉說，在“跨部門協同”情景下，他們充分考慮了資源環境承載力在空間上的相互關系，以接近田間地塊空間分辨率的精度模擬出農業生產新布局。

　　與2010~2020年作物布局歷史變動情況對比后，他們提出了農業生產優化布局的方向。

　　他們建議，對于小麥，如果在華北不能大幅度提高農業用水效率，根據優化模型模擬結果，華北地區要控制甚至適當縮減小麥播種面積；同時為了保障小麥口糧安全，可在長江中下游地區擴種，甚至在東北部分地區恢復小麥種植以保障當地口糧安全。

　　對于水稻，過去十多年東北地區水稻播種面積快速增加，若考慮資源環境承載力，建議適當控制東北地區水稻播種面積。

　　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地區種植面積，能夠在保障糧食安全的同時促進資源環境節約。

　　新疆棉花機械化程度高，但給當地用水等資源環境帶來了較大壓力，若在傳統棉區（如長江中下游和華北）能夠培育出高產、易于機械化的品種，可適度恢復傳統棉區生產，緩解新疆資源環境壓力。

　　解偉告訴記者，近年來，傳統的資源節約型技術措施和政策在繼續推動資源環境問題上遇到挑戰。大家都覺得農業布局優化有潛力挖掘。但如何優化？優化后到底能帶來多大的潛力？這些問題必須依靠高精度的數據方法去測算，這也就是他們做這項研究的初衷。

　　根據他們的模型，可以根據各個發展目標的權重，給政策制定者提出多套供選擇的優化方案。“優先考慮地方上最著急的目標，給與高一點的權重。有些目標先實現，有些目標后實現。”吳鋒說。

　　實際上，農業農村部和國家發改委都在關注農業生產布局問題。“黑土地保護問題、華北地下水漏斗問題，都不是短期之內形成的。因此政策也應該長期的逐步調整。”陳曉光說。

　　樊勝根認為，要達到幾個農業可持續發展的目標，那么科研如何改，補貼政策如何改，各個部門的協調機制如何改，等等，都需要在農業生產優化布局落地時考慮到。

　　解偉說，優化農業生產布局對中國和全球實現可持續發展目標具有一定貢獻。按照中國政府設定的農業可持續發展目標，優化農業生產力布局節約灌溉水量相當于國家目標的26%。此外，對實現國家2030年農業溫室氣體減排目標、化肥和農藥零增長目標都有重要貢獻。同時，農業生產優化布局也能通過作物增產對全球糧食安全做出貢獻，促進全球農業可持續發展。

　　中國工程院院士萬建民說，與以往重點關注農民收入和糧食安全形成的農業生產布局不同，該研究的貢獻體現在進一步考慮資源節約和環境保護目標下農業生產該如何布局。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05799-x