与中国千万农民共同实现农业可持续发展|研究

导  读

满足人口持续增长的粮食安全是全球农业可持续发展面临的巨大挑战。一些研究已经在技术方面取得了进展，然而技术大面积应用，同时解决作物产量与环境保护目标方面进展不多。本研究重点报道了与中国数以万计农户应用优化管理技术，共同提高粮食产量和改善环境质量。首先，我们在中国主要农业生态区布置田间试验，制定并验证区域特色的粮食作物绿色生产全程解决方案；组建1152 名研究人员及众多推广人员和企业人员构成的技术应用网络，与千万农民共同实现农业绿色增产增效。在2006 到2015 年，我国452 个县，2090 万个农户，共计3770 万公顷播种面积采用了这项技术。较农民习惯相比，绿色增产增效技术可以增加玉米、水稻和小麦10.8-11.5%，净增粮食产量3300 万吨；同时降低氮肥用量14.7-18.1%，节约氮肥120 万吨，总计节本增收122 亿美元。绿色增产增效技术生产每吨粮食（玉米、水稻和小麦）的氮素损失量平均为4.5-4.7 kg N Mg^-1，较农民习惯管理的6.0-6.4 kg N Mg^-1显著降低；生产每吨粮食的温室气体排放量328-812 kg CO₂ eq Mg^-1，较农民习惯管理的422-941 kg CO₂ eq Mg^-1显著降低。基于860 万的大样本农户调研数据，进一步分析绿色增产增效技术对我国粮食生产和农业可持续发展的影响及潜力。

文/崔振岭 张福锁 等

来源：《Nature》

转载自："农业环境科学"微信公号（2018年3月24日）

粮食安全、环境退化和气候变化是人类面临的巨大挑战。农业是解决这些挑战的核心，为满足未来人口增长对粮食的需求，2050年全球粮食产量必须增加60-110%（较2005年相比），且应同步降低气候变化的环境威胁，充分利用自然资源。其中，最大的挑战来自以小农为主的农业地区，例如，在撒哈拉以南非洲，印度和中国。在这些地区，因农户饱受资源缺乏和知识不足的困扰，所以粮食的绿色增产增效取决于农户如何管理他们的土地。为提高小农户的生产能力，一些研究已经在技术方面取得了进展。然而，在技术大面积应用，同时解决作物产量与环境保护目标方面的进展不多。因此，在小农为主的高投入-低效率生产系统的国家，大面积推广绿色增产增效技术意义重大。

中国是一个典型例子，全国两三亿农户且每户耕地面积仅几公顷，农业生产严重依赖高量甚至过量的资源投入。例如，中国平均氮肥用量为305kg ha^-1 yr^-1，而世界平均氮肥用量仅74kgha^-1 yr^-1，所以中国的氮肥利用率（收获物携出氮占投入氮的比例）只有0.25，较世界的0.42和北美的0.65明显偏低。另外，过量施氮导致中国大面积土壤酸化，水体污染和温室气体过量排放。因此，为保证粮食的绿色增产增效，中国需要一个“高度的平衡行动”实现高产高效并大幅降低环境代价。然而，如果不调动广大的农户，根本无法实现这一点。

本研究报道了在过去十年里，与全国2090万农户一起应用优化的管理技术获得了更高的产量，同时减少了环境污染。首先，全国13123个田间试验表明在不同生态区域的玉米、水稻和小麦生产中应用土壤-作物系统综合管理（Integrated Soil-crop System Management, 绿色增产增效）技术是可行的。然后，在各区域进行大面积的田间推广，实现应用绿色增产增效技术的耕地面积达到3770万公顷。最后，我们讨论了实现国家农业可持续生产的可行性及其对粮食产量和关键环境指标的潜在影响。

开始，我们要有制定田间管理技术的工具，便于田间操作和应用。其次，这些管理技术必须全面包括关键的作物-土壤-水分-养分参数，且能够适应不同的农业生产区域。而绿色增产增效系统 似乎符合这些要求，它一方面由作物模块构成，可基于作物生长模型制定种植策略（例如：作物种类、玉米、水稻或小麦的播种时间以及深度），最大化利用特定区域的光热资源；该系统另一方面由资源供应模块构成，可根据土壤测试结果和作物养分需求规律配置养分和水分的供应。相关研究已报道，基于绿色增产增效的管理技术与农户习惯的管理相比，在减少4-14%的氮素投入的情况下可显著提高18-35%的作物产量，且氮肥偏生产力提高幅度达32-46%。

那么，绿色增产增效能否应用于中国主要的农业生态区域，在寒带到亚热带地区、干旱到半干旱以及中等湿润地区，均取得类似的结果呢？为此，从2005 到2015 年连续10 年在不同的生态区域共布置了13123 个田间试验。每个试验均包括基于绿色增产增效推荐的管理措施（处理）与农户习惯的管理措施（对照），田间试验的操作在技术人员现场指导下由农户独立完成（方法）。结果表明，作物产量对处理的响应，因作物类型和生态区域不尽相同，但是绿色增产增效技术较农户习惯管理均显著提高了作物产量、氮肥利用率以及农民的收入，并且减少了氮素损失。多年多点试验结果表明，玉米籽粒产量平均从7.83 增加到9.54 Mg ha^-1（n = 6089），水稻籽粒产量从7.03 增加到8.41 Mg ha^-1（n = 3300），小麦籽粒产量从5.69 增加到6.73 Mg ha^-1（n = 3734）；同时，氮肥用量减少8.5-15.6%（图1）。与预期结果一致，较农户习惯管理，绿色增产增效技术可提高氮肥利用率、增加农民收入和提高环境质量。数据显示，绿色增产增效技术显著提高了26.0-33.1%的氮肥偏生产力，同时有效降低22.9-34.9%的氮素损失强度（方法）和18.6-29.1%的温室气体排放强度（图1）。

图 1 绿色增产增效技术实施效果 在中国四大农业生态区域的玉米（上图）、水稻（中图）和小麦（下图）生产中，分析了绿色增产增效技术较农户习惯管理对产量反应，氮肥用量，农户收入和温室气体排放的影响。实心和纹理柱子分别代表田间试验（n=13123）和农民习惯。* 表示处理（绿色增产增效）和对照（农户习惯）的差异达显著水平，p<0.05。
 

多年多点田间试验有力证明了绿色增产增效系统的强大和多功能性，可用于在全国不同区域制定适于推广的生产管理方案，同步实现粮食安全和环境质量目标。在特定的区域，经田间验证和改进的绿色增产增效管理方案一旦被确定下来，我们就策划和组织大面积的推广工作以促进这些先进的措施被农民采用（方法）。全国共有1000 多名研究人员、6.5 万名农业推广人员、及13 万农业相关企业人员（图2）和452 个县的2090 万农民参与了技术的田间应用工作，共计3770 万公顷播种面积应用了绿色增产增效管理技术。

图2 绿色增产增效技术应用新模式。推广行动的目的在于同农民一起应用绿色增产增效技术实现高产高效和环境友好。科研合作者（农业院校或研究院所的科学家和学生）制定当地适用的绿色增产增效技术方案，然后培训推广人员（不同级别政府单位的农业技术人员）和农业相关企业人员（农产品供应和服务，包括公司业务主管/产品开发人员，区域营销以及当地经销商和销售代表）。通过科研人员、推广人员和企业人员与农民一起工作，大面积开展绿色增产增效技术的应用推广。括号中的数值表示参与活动的人员数量。

经全国大面积推广应用绿色增产增效技术，相应的作物产量和环境指标也均达到预期结果。综合10 年数据显示，与农户习惯的管理相比，应用绿色增产增效技术促进三大作物产量提高10.8-11.5%，氮肥用量减少14.7-18.1%（表1；方法）。总体上看，应用绿色增产增效技术生产粮食增加3300 万吨，氮肥用量减少120 万吨，增收节支122 亿美元（表1）。应用绿色增产增效技术减氮增产的数量十分可观，数据显示，2005-2014 年马拉维的粮食总产量只有3150 万吨，而且2005-2015 年整个撒哈拉以南非洲的氮肥使用量仅460 万吨。

通过计算氮素损失（包括氧化亚氮排放，氨挥发，硝酸盐淋溶和氮素径流损失）和温室气体排放（方法）评估了推广应用绿色增产增效技术的环境效益。受作物种类、氮肥用量、生态类型及其他因素影响，环境指标评估结果差异很大。整体上看，较农户习惯的管理，应用绿色增产增效技术可有效降低氮素损失强度13.3-21.9%，且减少温室气体排放强度4.6-13.2%；产量尺度的氮足迹分析表明，应用绿色增产增效技术生产每吨玉米、水稻和小麦的氮素损失强度分别为4.6、4.7和4.5 kg Mg^-1，而农户习惯的氮素损失较高，分别为6.1、6.0和6.4 kg Mg^-1。同样，产量尺度的温室气体排放效应分析表明，应用绿色增产增效技术生产每吨玉米、水稻和小麦的温室气体排放强度分别为328、812 和434 kg CO₂ eq Mg^-1，而农户习惯的温室气体排放强度较高，分别为422、941 和549 kg CO₂ eq Mg^-1（表1）。

表1 全国大面积应用绿色增产增效技术与农户习惯管理相比对玉米、水稻和小麦的产量、氮肥用量、氮肥偏生产力、氮素损失、温室气体排放及经济效益的影响（2006-2015 年）。

		玉米	水稻	小麦	总计
面积( ×106   ha)	12.8	17.0	7.9	37.7
籽粒产量 (Mt)	农民习惯	108	133	51	292
绿色增产增效	120	147	56	324
Difference	11.5%	11.1%	10.8%	11.2%
氮肥用量 (Mt)	农民习惯	2.9	3.3	1.8	8.0
绿色增产增效	2.5	2.8	1.5	6.8
Difference	-14.7%	-15.1%	-18.1%	-15.6%
氮肥偏生产力	农民习惯	40.0	41.9	28.4	-
(kg kg-1)	绿色增产增效	53.4	55.1	38.5	-
	Difference	33.4%	31.5%	35.7%	-
活性氮素损失* (Mt)	农民习惯	0.65	0.79	0.33	1.8
绿色增产增效	0.55	0.69	0.25	1.5
Difference	-15.0%	-13.3%	-21.9%	-15.5%
温室气体排放量† (Mt)	农民习惯	45	125	28	198
绿色增产增效	39	119	24	183
Difference	-12.9%	-4.6%	-13.2 %	-7.7%
净收入‡ (billion $)	农民习惯	18.0	28.0	7.2	53.2
绿色增产增效	22.1	34.2	9.2	65.5
Difference	22.7%	22.1%	27.2%	23.0%

^* 活性氮素损失包括氨挥发，硝酸盐淋洗，氧化亚氮排放和氮素的径流损失。

^†  温室气体排放包括作物生命周期内产生的二氧化碳，甲烷和氧化亚氮。

^‡ 净收入指农户的产量增加，氮肥用量减少带来的经济效益，每公斤玉米、水稻、小麦和氮肥的价格分别为0.31、0.40、0.32 和0.62 美元。

差异（Difference）指绿色增产增效技术较农户习惯增加的百分比。

改变农民的行为不仅要有过硬的科学技术，而且建立信任机制、创新农户参与形式，培养农户生产能力以及强化农业社区结构也都非常重要，这些也是我们在技术大面积应用中推行的方法。例如，我们向农民积极分子（科技带头人）提供基本的知识和解决问题的技巧，从而使他们能够引导附近的村民；我们建立农民合作社，给小农户一个集体的声音，以更好的价格谈判采购或销售他们的产品，甚至影响当地的农业政策。本文的研究方法中具体描述了技术应用的科研合作、参与机制、社会经济因素及相关影响。

就中国广大的小农户而言，他们的生产力及其对环境影响有多大呢？基于大样本的农户调研数据（涉及1944 个县的860 万农户，调研覆盖面积占全国三大作物总面积的73％；方法）分析表明，大部分农户（61%）的产量至少低于绿色增产增效技术对应产量的10%（最高低于50%），但是他们的氮肥用量与推荐技术相当，甚至更高。将各县的平均产量、氮肥用量与绿色增产增效技术推荐的范围进行比较发现，县级尺度的评价结果往往差距很大（图3），表明当前的农户管理模式还有很大的提升空间。

图3 当前农户生产现状及其提升空间。基于1944 个县860 万农户的大样本调查数据评价了县级尺度农业生产现状（2005-2014 年）。图中横虚线和竖虚线分别代表所有作物产量和施肥量的平均值，其中，_{玉米的分别为7.2 Mg ha}^-1 _{和208 kg N ha}^-1_{，水稻的分别为7.3 Mg ha-1和181 kg N ha}^-1_{，小麦的分别为5.0 Mg ha}^-1_{和181 kg N ha}^-1_{。矩形框表示基于绿色增产增效技术的推荐范围。括号中的数值代表调研县的数}

然后，我们采用情景分析方法（见方法），评估所调查的县应用绿色增产增效技术的潜在效应。将分布在各生态区域的县均划分为LH（低产量-高氮肥用量）、LL（低产量-低氮肥用量）、HH（高产量-高氮肥用量）和HL（高产量-低氮肥用量）。情景1（S1），仅针对LH 组，以各地绿色增产增效技术推荐的氮肥用量和产量作为基准；情景2（S2），包括LH和LL 两组；情景3（S3），在S2 基础上增加了HH 组。结果表明，较目前农户习惯的管理，如果应用绿色增产增效技术可促进S1、S2 和S3 的年均产量分别增加1930、7050 和8240 万吨。总体来看（即S3），如果应用绿色增产增效技术，每年可减少氮肥用量110 万吨（较农户习惯降低8.5%），降低氮素损失达45 万吨（16.0%），减少温室气体的排放量为2340 万吨（7.6%）。

全世界有25 亿小农户经营着全球60%的耕地面积。他们的农业生产方式直接决定了他们的生计，同时在影响着全球的粮食，资源和生态系统健康。向小农户推广绿色安全的生产技术，帮助他们获得更高的生产力和更好的环境，这对于大家所追求的可持续的公平世界至关重要。为此，我们的研究工作是对现行解决方案的重要补充。

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