跨部门协同：挖掘农业生产力布局的潜力

　　两年前在黑龙江调研的北京大学现代农学院博士朱安丰发现，部分农户有种植小麦的愿望。然而东北三省如今的小麦种植面积不足10万公顷。

　　农业农村部原部长韩长赋卸任后在中国人民大学讲授通识核心课程《大国三农》，其中一个专题就是“中国农业生产力布局问题”。

　　不同的区域该种什么作物？种多少？怎么种？农业生产布局其实是一个全世界都关注的问题。美国、欧盟、巴西等国家和地区近年来也都在关注农业生产布局问题。

　　3月16日，《自然》在线发表了北京大学、西南财经大学、中科院地理与资源研究所等单位联合完成的论文成果。该研究首次采用大数据开发大型优化模型，模拟跨部门多资源协同下的农业生产空间新布局。

　　中国科学院院士陆大道说，优化农业生产布局对中国和全球实现可持续发展具有积极贡献。这项研究创新性地使用高空间分辨率农业大数据，综合考虑部门之间的协调机制，将科学与政策结合起来，提出了农业布局优化方向，充分体现数字时代现代农业科学交叉研究的特点，有望助力科学决策。

　　农业生产布局应全国“一盘棋”

　　“上世纪80年代初，东北三省的小麦种植面积还有200多万公顷。”论文第一作者兼通讯作者、北京大学现代农学院研究员解伟告诉《中国科学报》，但近年来水稻种植面积逐年上升。这也给当地的资源和环境带来了不小的压力。东北种植结构调整成为人们关心的话题。

　　从东北到西北，“新疆棉花播种面积也呈现增长趋势。”解伟说，这主要是因为新疆棉花生产机械化程度高，过去多年又实施了补贴。

　　 “实际上，农业生产区域布局是一个全局性的问题，应该全国‘一盘棋’地去考虑。”解伟说，改革开放以来，中国在农业生产方面取得巨大成就，但其背后也隐含了较高强度的资源环境消耗。例如，地下水位急速下降、农业温室气体排放增加、化肥施用强度急剧上升、农药污染更加广泛。

　　在此背景下，中国各管理部门出台一系列政策和措施以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，农业农村部推广“测土配方施肥”等。管理部门在考虑规划的时候都希望本部门的目标能实现最大化。

　　“上述政策和措施在一定程度上减轻了农业生产带来的负面影响，但当前的农业生产布局究竟是不是最优？如何通过优化农业生产布局推动资源节约、环境改善和农民增收协同发展？回答上述问题对推动中国以及全球农业可持续发展具有重要意义。”解伟说。

　　在中国农业大学经济管理学院讲席教授樊胜根看来，农业生产区域布局是应该随着外界制约因素的变化而动态优化的。

　　他告诉《中国科学报》，首先，我国农业生产的目标在变化，从过去以产量为主向现在产量、品质并重转化，农业生产要满足人民群众对美好生活的需求。

　　其次，气候在变化，这对极其依赖于自然条件的农业生产提出了挑战。

　　最后，各地区的社会经济发展情况在变化。经济发达地区的土地向非农转移的可能性加大，而经济不发达地区的农业比较优势明显。这会影响农户如何选择自己的生计。

　　“这些问题不仅仅是我们中国面对的，农业生产布局优化也是全世界国家关注的问题。如果我们中国在这方面获得了成功的案例，也会给全世界提供可借鉴的经验。”樊胜根说。

　　说起来容易，干起来难

　　究竟如何对农业生产空间布局进行动态优化？“我们设定了一个原则，就是在最适宜的地区种植最适宜的农产品。”解伟说，这个原则说起来容易，干起来难。

　　由于空间尺度的问题，从省级到县级到村，农业生产的自然条件差异很大。“十里不同天，向阳地和背阴地的条件就很不一样，一个村子里什么地方适合种什么都有差异，更不要说从县级或者省级角度去做优化布局了。”解伟说。

　　而要给出动态优化的建议，必须掌握该地区的历史种植情况。“我们获得了县级层面的数据，对于这项研究的完成至关重要。”解伟解释说，他们首次采用大数据，开发了大型优化模型，可以模拟跨部门多资源协同下的农业生产空间新布局。

　　论文作者、中国科学院地理科学与资源研究所研究员吴锋告诉《中国科学报》，这个模型以0.5°*0.5°为单位将全国划分为72000个网格，即每个网格大约为10千米*10千米。在此基础上建立了包含13种农作物、153组轮作模式的农业投入产出大数据库，可以对农业可持续发展的多个维度（作物产量、农民收入以及水资源、温室气体、化肥、农药等）开展单目标或多目标的优化模拟。

　　“我们以最适宜的地区种植最适宜的农产品为原则，模拟了各管理部门各自为政、彼此兼顾和跨部门协同三种情景下，农业生产该如何优化布局。”论文作者朱安丰说。

　　研究发现，如果“各自为政”，在作物产量不减少、农民收入不降低以及耕地面积不扩大前提下，优化农业生产布局能够实现某一可持续发展指标大幅改善，但其他指标存在恶化现象。例如，灌溉水最高可节约27.8%，但此情景下农业温室气体排放总量增加2.8%。“这就好像按下了葫芦浮起了瓢，一个目标达到了但别的目标没有实现。”朱安丰说。

　　好在现实中管理部门并不是各自为政，而是采用了“彼此兼顾”的情景，这种情景下农业生产布局在优化一个可持续发展指标时不再以其他指标受损为代价，但出现各个可持续发展指标改善不平衡的问题。如，灌溉水最高可节约18.5%，但此情景下农药仅减量4.3%。

　　“有没有可能在国务院或者发改委层面设立一个具有更高协调能力的机构？我们提出了跨部门协同的情景，模拟发现，优化农业生产布局有潜力促进所有可持续发展指标最大化的协同实现。”论文作者、西南财经大学教授陈晓光说，此情景下蓝水节约6.5%、绿水节约7.5%、温室气体减排6.5%、氮肥减少8.1%、磷肥减少9.8%、钾肥减少8.3%、农药减少6.7%，并且实现农民收入增加4.5%。

　　“若在优化农业生产布局时，只重视部分资源环境指标，虽然可以大幅改善部分资源环境指标，但会导致其他指标的恶化。”陈晓光说，在优化农业生产布局时，注重多个资源环境指标协同优化，不仅对中国农业可持续发展具有重要意义，对全球其他国家的农业可持续发展也具有借鉴意义。

　　农业布局优化建议

　　“在华北地下水漏斗特别严重的地区，小麦种植关键在于提高用水效率。”解伟说，在“跨部门协同”情景下，他们充分考虑了资源环境承载力在空间上的相互关系，以接近田间地块空间分辨率的精度模拟出农业生产新布局。

　　与2010~2020年作物布局历史变动情况对比后，他们提出了农业生产优化布局的方向。

　　他们建议，对于小麦，如果在华北不能大幅度提高农业用水效率，根据优化模型模拟结果，华北地区要控制甚至适当缩减小麦播种面积；同时为了保障小麦口粮安全，可在长江中下游地区扩种，甚至在东北部分地区恢复小麦种植以保障当地口粮安全。

　　对于水稻，过去十多年东北地区水稻播种面积快速增加，若考虑资源环境承载力，建议适当控制东北地区水稻播种面积。

　　对于玉米，适度控制东北和华北的种植面积，适度扩大长江中下游地区种植面积，能够在保障粮食安全的同时促进资源环境节约。

　　新疆棉花机械化程度高，但给当地用水等资源环境带来了较大压力，若在传统棉区（如长江中下游和华北）能够培育出高产、易于机械化的品种，可适度恢复传统棉区生产，缓解新疆资源环境压力。

　　解伟告诉记者，近年来，传统的资源节约型技术措施和政策在继续推动资源环境问题上遇到挑战。大家都觉得农业布局优化有潜力挖掘。但如何优化？优化后到底能带来多大的潜力？这些问题必须依靠高精度的数据方法去测算，这也就是他们做这项研究的初衷。

　　根据他们的模型，可以根据各个发展目标的权重，给政策制定者提出多套供选择的优化方案。“优先考虑地方上最着急的目标，给与高一点的权重。有些目标先实现，有些目标后实现。”吴锋说。

　　实际上，农业农村部和国家发改委都在关注农业生产布局问题。“黑土地保护问题、华北地下水漏斗问题，都不是短期之内形成的。因此政策也应该长期的逐步调整。”陈晓光说。

　　樊胜根认为，要达到几个农业可持续发展的目标，那么科研如何改，补贴政策如何改，各个部门的协调机制如何改，等等，都需要在农业生产优化布局落地时考虑到。

　　解伟说，优化农业生产布局对中国和全球实现可持续发展目标具有一定贡献。按照中国政府设定的农业可持续发展目标，优化农业生产力布局节约灌溉水量相当于国家目标的26%。此外，对实现国家2030年农业温室气体减排目标、化肥和农药零增长目标都有重要贡献。同时，农业生产优化布局也能通过作物增产对全球粮食安全做出贡献，促进全球农业可持续发展。

　　中国工程院院士万建民说，与以往重点关注农民收入和粮食安全形成的农业生产布局不同，该研究的贡献体现在进一步考虑资源节约和环境保护目标下农业生产该如何布局。

　　相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05799-x