Nature | 作物轮换可以提高中国环境的可持续性和农民收入

绿色革命使全球粮食供应空前增加，以满足迅速增长的需求。然而，推广相对较少的高产作物和随之而来的投入密集型做法导致了营养安全和环境的严重妥协。中国农业的发展也遵循着同样的模式。在过去的几十年里，中国在农业生产力方面取得了显著的进步，仅自1990年以来，中国的农作物产量就增加了107%。然而，实现这些高水平的粮食生产意味着在全国范围内面临日益严峻的环境挑战。近几十年来，地下水位以惊人的速度下降，农业温室气体排放量增加，化肥施用强度大幅增加，农药污染变得更加普遍。

本研究量化和评估了中国各地作物转换的机会，重点关注 13 种作物，这些作物合计占中国主要作物产量的 94% 和收获面积的 90%。本研究将雨养和灌溉产量以及收获面积的网格特定作物数据与每种作物的需水量估计、温室气体强度 、化肥施用率 、农药使用和农民净利润相结合。利用这些数据，估算了中国可持续农业计划中优先考虑的几个可持续性维度，即产量、需水量、温室气体排放、化肥使用、农药使用和当前作物生产的经济产出。然后，构建了一个线性优化模型来模拟作物转换对可持续农业发展的贡献，并评估多个维度和不同区域的权衡和协同效益。研究结果证实了作物轮换在提升环境可持续性方面的潜力，同时不会牺牲中国的作物产量和农民收入。在全国范围内协调开展作物轮换有望极大地促进中国实现2030年农业可持续发展目标。

实现粮食系统的可持续性是一项多方面的挑战。在中国，自1990年以来作物产量翻了一番，但是代价却是损害了其他资源环境的可持续性。尽管中国正在促进各种干预措施的实施，以提高生产效率和减少对环境的影响，但人们对作物转换是否能够实现更加可持续的种植制度以及是否需要采取协调行动以避免损失知之甚少。在本文，我们结合了关于特定作物产量、收获面积、环境足迹和农民收入的高分辨率数据，首次量化了作物生产可持续性的现状。在中央和不同部门协调下，我们进行空间优化，重新分配作物，以满足一系列农业可持续发展目标。采用各自为政的方法——即每个政府部门寻求孤立地改善单一的可持续性结果——作物转换可以实现巨大的个人利益，但会在其他方面和地区之间产生损失。在中央协调的情况下，我们发现减少环境影响和增加农民收入的显著协同效益。这些集中协调的作物转种成果可以为中国2030年农业可持续发展目标做出重大贡献(各维度23-40%)，并有可能节约全球资源。这种综合方法可以为可行的有针对性的农业干预措施提供信息，从而在多个方面实现可持续发展的协同效益。

研究结果

潜在作物转换的可持续性结果

在中国，不同的可持续发展成果由不同的政府部门管理。因此，每个部门对具体成果的狭隘关注可能会对实现其他可持续发展目标产生相反的作用。考虑到这种部门的筒仓化，我们首先探索了通过作物转换。我们发现，作物转种在促进可持续发展方面具有相当大的潜力。当优先考虑单一的可持续发展目标时，相对于目前的水平，作物转换可以减少对蓝水的需求高达- 27.8%，绿水减少- 12.6%，温室气体减少- 17.1%，氮肥减少- 15.9%，磷肥减少- 15.5%，钾肥减少- 20.6%，农药减少- 15.6%，而不会扩大耕地，减少任何作物的产量或减少农民收入(图1)。

然而，由于一个部门只优先考虑其授权范围内的可持续发展目标，它可能不一定考虑其他部门负责的其他可持续发展目标的结果。因此，当我们的模型优化可持续性的单个维度时，我们允许其他维度潜在地退化。事实上，我们发现，在这种情况下(G1)，在农业可持续性的不同维度之间和不同地区之间出现了一些权衡(图1)。我们还观察到，在试图最大化农民收入时，与环境结果之间存在明显的权衡。在这种情况下，作物转换可以增加农民收入高达90.5%，尽管代价是其他环境后果。这表明，在当前的粮食价格结构下，提高农民盈利能力的努力可能会产生明显的环境权衡。

图1 在不同程度的政府协调下，国家和区域通过作物转换在资源利用、环境损失和农民收入方面的变化

在这些条件下，我们发现作物转换仍然可以在所有维度上实现相当大的效益。然而，尽管在G2下避免了可持续性维度和不同地区之间的权衡，但任何一个目标的跨部门协调优化仍然会导致其他结果的收益最小。为此，我们进行了多目标优化，以检验在中国中央政府主导协调的情况下，所有可持续性维度同时产生的协同效益程度。在这些条件下，我们对所有可持续性维度进行了优化，使所有维度的改进边际尽可能高，而维度之间的差异尽可能低。在这样做时，我们对每个结果的相对重要性采取不可知论的立场。我们还调整了我们的方法，对结果施加不同的权重，以展示不同水平的政府政治意愿。在所有三个协调级别之间的比较突出了某些可持续性结果在规模上相似的情况，而其他可持续性结果在国家一级可能有很大差异。作为前者的一个例子，在G1下尽量减少磷肥的使用会导致磷肥节约的适度增加(相对于G3为6%)，而其他结果在幅度上是相当的(相对于G3为- 4%至+5%)。相反，与G3相比，减少G1下的蓝水可以节省23%的蓝水，但在其他结果中会产生一些损失(与G3相比为- 10%至- 5%)。此外，G1情景允许某些地点的某些可持续性标准退化，这在G2和G3中不会发生。这些对比鲜明的例子指出了一种有趣的紧张关系:伴随着更高水平的协调而付出的额外努力、与更大程度的协调相关的利益的相对差异，以及在一些可持续性结果和一些地区之间接受权衡的意愿。然而，我们的研究结果表明，作物转换可以作为一种有效的策略来解决资源枯竭或不可持续利用的现状(例如，蓝水短缺)(图2)，并且可以根据各种可持续性的定义和措施来确定作物转换的地点。

图2 通过优化作物转换改变蓝水短缺

实现中国农业可持续发展目标

中国的不同机构为选定的可持续发展维度设定了具体的减排目标，以衡量实现某些可持续发展目标的进展情况。实现任何一个目标都需要投资、技术和基础设施改进、政策改革以及最终可能需要的一整套干预措施，以充分实现可持续性目标。为了解释作物转换的相对影响程度，我们以反事实的方式将其潜在效益与中国2030年可持续发展目标进行了比较(图3)。根据农业需水量预测和可持续发展目标到2030年，中国需要节约30 立方千米的蓝水，在G3中央协调模拟下，我们的作物转换可以节约7.8 (5.4-22.1)立方千米，相当于这一目标的26%(18-74%)。对于温室气体，中国政府的目标是在2030年左右达到排放峰值，并在2060年之前实现净零排放目标。虽然没有具体的农业温室气体减排目标，但我们假设2020年之后不再增加作为严格的减排目标。因此，我们估计作物转换可以为实现这一目标贡献24%(6-29%)。对于化肥和农药，中国采取了零增长计划。与这些目标相比，作物转换也将节省大量资金——到2030年，相当于化肥节省40%(24-51%)，农药节省23%(15-37%)。增加农民收入也是政府的一个重要目标。中国社会科学院预计，到2030年，农民的个人可支配收入将在2020年2600美元的基础上翻一番。农民收入的大部分增加将来自非农业工业和高附加值的农业活动，而不是传统的作物生产。我们的估计仍然表明，作物转种不仅有助于实现中国的环境可持续性目标，而且还可以使农民的个人收入增加6.3美元至126美元。

图3 作物转种效益与中国2030年官方农业可持续发展目标的比较

对全球资源节约的潜在贡献

农产品贸易对出口国和进口国的粮食安全、生计和环境都有明显的影响。中国业已庞大的农产品贸易流量，再加上对未来粮食需求的预测，意味着中国将在决定全球农业可持续性结果方面发挥重要的作用。一个典型的例子是中国的大豆进口，这不仅显著改变了中国的种植系统，破坏了环境，而且使中国依赖于偏远的自然资源使用。通过将大豆生产重新分配到中国的高产和资源利用强度较低的地区，作物转换可以帮助中国更有效地利用自然资源，同时生产更多的大豆。中国大豆和其他主要作物产量的增加有可能通过全球贸易网络产生连锁反应，并可能导致全球资源节约以及其他间接的环境和生态效益——这取决于贸易伙伴如何应对中国国际作物需求的下降。如果中国的贸易伙伴真的因为中国的作物转换而减少生产和出口，我们估计这将为中国的贸易伙伴节省大量的蓝水(0.3至102.9立方千米)、温室气体(50至2460万吨二氧化碳当量)和化肥(10至1400万吨)资源。

讨论

本研究表明，作物转种是一项重要的措施，可以帮助中国实现若干可持续发展目标，同时提高农民收入和维持现有农田的国家生产。我们还表明，个别部委基于其狭隘的可持续性定义所做出的努力，可能导致其他可持续性成果的重大损失，并与其他部委的目标背道而驰。因此，协调对于避免权衡，更可取的是实现几个共同利益至关重要，对于中国这样一个拥有大型中央计划政府的国家来说，这种大规模的协调确实是可行的。此外，由于可持续性结果取决于地点，我们的研究可以根据当地条件和可持续性优先事项为中国不同地区提供空间上详细的解决方案。例如，我们观察到从玉米到大豆的一致转变，在东北平原种植甜菜和水稻将有利于农民的收入，并为决策者提供了实施作物转换的初步机会。

同样，在长江平原，减少油菜籽和水稻的种植，增加小麦和玉米的种植，可以实现可持续发展的协同效益，特别是在温室气体排放方面。在华北平原，大豆、油菜籽和水稻的种植增加，取代了部分小麦、玉米、棉花和花生的种植。还可以促进更可持续的种植模式，并大大有助于缓解区域水资源短缺和化肥过度使用。因此，这种空间上明确的量化可以在评估哪些农业干预措施，以及哪种特定的作物转换，能够提供最大效益方面发挥重要作用。

这项研究为中国政府加大力度实施作物转种作为实现更可持续农业的手段提供了详细的、可操作的科学证据。实现这些变化的关键是鼓励农民采用新的种植方式。然而，特别是考虑到中国以前曾成功地激励省级甚至县级农民选择为实现国家粮食安全目标的作物，因此这种变化是潜在的现实和可实现的。我们分析的空间细节结果也直接满足了最近政府计划中描述的信息需求，这些计划寻求解决与耕地、水资源、生态保护以及国家粮食生产和粮食安全相关的农业可持续性问题。此外，我们的研究结果表明，增加部际合作的好处与中国政府最近通过“绿色农业发展计划”加强不同机构之间的协调和密切合作的计划相一致。总而言之，我们的定量多维评估为确保更可持续农业系统的潜在解决方案的可行性提供了客观、科学的基础。

原文信息

原文题目：

Crop switching can enhance environmental sustainability and farmer incomes in China

原文作者：

Xie et al.

期刊名：

Nature 

发表时间：

2023.03

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05799-x