文献阅读 | 降低碳氮足迹、确保中国饲料粮充足的玉米和大豆生产优化方案

题目

Optimization of China’s maize and soy production can ensure feed sufficiency at lower nitrogen and carbon footprints

作者

Zitong Liu, Hao Ying, Mingyou Chen（三位共同一作）, Jie Bai, Yanfang Xue, Yulong Yin, William D. Batchelor, Yi Yang, Zhaohai Bai, Mingxi Du, Yixin Guo, Qingsong Zhang, Zhenling Cui, Fusuo Zhang & Zhengxia Dou

期刊

Nature Food

时间

2021年6月

一作

单位

College of Resources and Environmental Sciences, National Academy of Agriculture Green Development, Key Laboratory of Plant–Soil Interactions, Ministry of Education, China Agricultural University, Beijing, China

链接

https://www.nature.com/articles/s43016-021-00300-1

研究背景

大豆和玉米在全球粮食安全和可持续发展转型议程中具有突出地位。两类粮食产量占全球谷物生产的51%，其国际贸易量则自2000年起增长了217%。伴随大豆与玉米生产的是全球范围内的显著环境影响；例如，如巴西亚马逊等地区为增加大豆种植而毁林开荒，导致了严重的碳损失和生态系统破坏。

在中国，大豆和玉米也是两类极为重要的饲料粮作物。在2000-2017年间，中国人均肉、蛋、奶消费分别增长了75%、150%和38%，这也使饲料粮需求量成倍增加。中国的生产策略是保证玉米的自给自足，而与此同时，中国对大豆进口的依赖度不断提高；到2017年，中国90%的国内大豆需求由进口满足，进口量占全球大豆市场总贸易量的66%。如此高额的国内外饲料粮需求也引致一系列相关环境足迹，尤其是中国的玉米生产，相对高的要素投入和环境污染是其重要特征之一；此外，中国居高不下的大豆对外依存度也一直引发相关讨论和担忧。因此，中国未来如何优化资源配置以提高两类重要饲料粮的生产能力、同时降低相关的环境成本，自然成为粮食安全和可持续发展议程中的重要话题。

  在这一背景下，本研究旨在考察未来畜牧业产品需求进一步增加的情况下，中国优化国内玉米和大豆生产以改善粮食供需格局、降低环境足迹的可能性。作者的分析框架中结合了田间数据分析、文献参数meta分析和大型模型模拟等多种分析手段。利用这一框架，作者开展了对农业生产优化策略的综合评估，详细考察了到2035年中国优化两类饲料主粮生产的优化潜力，以及对应情景下的种植面积变化、粮食进口依存度变化，并考察了相关措施在减少活性氮损失和降低温室气体排放等各方面的环境协同效益。

研究方法

本研究充分运用了多种研究方法，考察了农业生产管理优化和土地资源配置优化对实现大豆和玉米可持续供给的潜在贡献。

作者的分析首先立足于对中国农业生产系统现状和潜力的详细考察——中国玉米种植面积大、但产量低，明显具有通过先进管理技术提高生产效率的优化空间；同时，玉米和大豆具有相似的生长条件，因此土地资源在两类产品生产中的优化配置也极具可操作性。在此基础上，本研究结合了作物模型、全国县级尺度大规模农业生产调查数据、气候数据、粮食需求评估模型、用于环境足迹评估的随机森林预测模型、用于全球生产贸易格局变化分析的GTAP可计算一般均衡模型，考察中国在县级尺度优化大豆和玉米生产策略对于粮食安全、气候减缓、环境污染、资源利用和全球贸易的潜在影响。

首先，作者使用Hybrid-Maize (2017) and SoySim (1.0)模型，预测了全国不同地区雨养和灌溉条件下大豆与玉米的“最佳生产潜力”。基于这一最佳生产潜力评估结果，可以考察基于统计调查数据的当前农户实际平均生产水平与其差异，即单产优化的空间。考虑到农业活动中本地实际生产条件的重要影响，作者基于县级尺度的走访问卷调查数据，以各县前10%生产水平作为“可及生产潜力”，并将其作为优化大豆和玉米生产效率的情景值（目标）。

在这一“可及生产潜力”基准下，作者结合对2035年饲料粮需求的预测（基于NUFERNUFER模型模拟得到），优化了中国县级尺度的大豆和玉米生产空间。假设中国各县的大豆和玉米产率均实现其“可及生产潜力”，则全国层面的玉米将有超额产量潜力；基于此，以玉米自给目标为底线约束，进行土地资源优化配置的空间规划——设定各县玉米大豆总种植面积与基准年保持一致，根据综合生产效率最优的原则，将原种植玉米的土地转为大豆种植，以提高大豆产量。这一土地资源的空间优化配置方案具体采用“三步走”策略：（1）将玉米种植面积比例超过相应农业生产大区25%分位数水平的“超额玉米生产比例”部分土地转为大豆种植；（2）将基准年水资源短缺的县级行政区（共186个）基准年25%的玉米生产面积转为大豆种植；（3）最后将所有的1800余个县的玉米单产从低到高排列，依次将单产最低县的75%基准年玉米种植面积改种大豆，直到玉米总产量与2035年的全国玉米需求量相当，考察相应情景下的两类作物种植面积变化，以及大豆产量的增加量。

对于环境影响和成本效益评估，作者也采取了严谨的数据和方法。其中对氮肥、磷肥、钾肥的需求量基于作物单产与肥料使用效率计算得到，而肥料使用效率数据来自大规模田间实验结果。在氮损失方面，作者基于Meta分析，汇总了139篇文献中的634个观测数据，并进一步基于随机森林方法构建了统计预测模型，获得了县级异质性的氮损失系数，用于评估大豆和玉米相关氮损失。此外，基于生命周期分析研究的相关参数和农业市场相关数据库，作者分析了全温室气体（GHG）排放影响和基于微观农户生产评估的成本效益。

研究结果

大豆与玉米的产出差距

对比单产潜力与实际数据可知，当前我国大豆与玉米单产仍有较大优化空间（图1）。基于Hybrd-Maize和SoySim模型，结合土壤与气候数据，模拟得到灌溉条件下中国各县玉米和大豆的平均最佳单产潜力分别为15.6Mg/ha与4.3Mg/ha，而雨养条件下平均最佳单产潜力分别为11.7 Mg/ha与4.1Mg/ha。随后结合各县实际的灌溉与雨养情况计算得到玉米和大豆的平均单产潜力——全国平均理想单产分别为13.1 Mg/ha与4.2Mg/ha。将历史实际单产数据与之对比，可知我国各县玉米、大豆的实际产量与理想产量之间差距分别在1.35-10.93 Mg/ha、0.84-3.56Mg/ha之间（全国玉米实际平均产量：6.4 Mg/ha，大豆：2.0 Mg/ha）。

图1. 中国县级尺度玉米、大豆单产潜力，以及实际产量与单产潜力之间的差距

（a）玉米单产潜力；（b）大豆单产潜力；（c）玉米产量差距；（d）大豆产量差距

大豆与玉米的“可及单产潜力”及其现实可行性

在考察理想单产潜力后，作者更加关注更具现实意义的“可及单产潜力”——本文将其定义为各县最优的10%的农业生产者的平均产出。这一数值来自一项基于全国1243个县的大规模调查结果，代表了相应的水土、气候等条件下各县有潜力实现的单产水平。全国层面的大豆和玉米“可及单产潜力”均值分别为 9.7 Mg/ha与2.9 Mg/ha，各县该数值范围分别为前述“理想单产潜力”的40-98%和39-94%。

那么这种现实中的“可及单产潜力”应如何实现呢？作者考察了优化田间管理的方案——即“土壤-作物系统综合管理系统”（Integrated soil-crop system management，ISSM）。该系统是一种已在中国广泛实践的、面向农业生产的决策的支撑系统，旨在结合当地实际情况和广泛的农业生产技术经验，为农业生产者提供农业经济和农田土壤-水-营养的优化管理方案。在本研究中，作者采用2005-2014年开展的大型对照实验数据，设置“优化田间管理”情景，以该实验研究下的优化管理方案作为该情景下的农业生产模式。结果表明，在ISSM方案指导下，全国各县的玉米和大豆单产水平可分别达到7.8-9.5 Mg/ha、2.2-2.6 Mg/ha之间，与上述提到的“可及单产潜力”非常接近。这意味着，到2035年，广泛采纳ISSM农业生产管理方案将能够有效提高农业单产，在全国范围内充分实现玉米和大豆的单产潜力。

更高单产下的玉米与大豆生产优化布局

实现农田的“可及生产潜力”时，更高的单产将使保证玉米自给、同时增加大豆产出成为可能。到2035年，优化生产情景下将有11.7Mha面积的原玉米种植用地可被释放、转为大豆种植（图2）。此时玉米和大豆的生产面积将分别为30.7Mha与20.0Mha，产量对应为289Mt与60Mt。这一大豆产量将满足45%的国内需求，我国的大豆进口比例将从2017年的90%降至55%（与基准情景相比，从巴西、美国这两个主要大豆进口源区国的进口将分别减少13.2Mt和8.6Mt），显著改善粮食安全状况。并且这种农田单产目标并非不可企及——“可及生产潜力”的对应单产仍低于美国平均产出水平，也显著低于中国玉米单产15Mg/ha的最高产量纪录。

图2. 优化生产情景下种植面积在玉米和大豆间的再分配

（a）县域尺度新增大豆种植面积 （b）各省基准年和新增大豆种植面积

农业生产优化的环境与经济协同效益

作者进一步分析了通过优化田间管理来提高生产效率的措施的更多协同效益，包括对碳足迹、氮足迹和其他环境与经济指标的相关影响（图3）。通过采取ISSM生产管理措施，玉米和大豆生产的氮磷使用效率都将提高，在全国层面生产玉米和大豆的氮肥、磷肥需求将分别减少42%、28%。更低的氮肥需求和更小的损失系数也将意味着更低的活性氮损失，包括N2O排放、NH3排放和硝酸盐的淋溶的减少；大豆和玉米的全国平均活性氮损失率将降低至37.9kg/ha和9.2kg/ha。从全生命周期温室气体排放来看，2035年，玉米生产的碳足迹将从基准情景的每亩5.2 tCO2eq降低至优化管理情景下的每亩3.1 tCO2eq，大豆碳足迹将从每亩1.6 tCO2eq降低至1.2 tCO2eq，在全国层面减少72 MtCO2eq温室气体排放。此外，优化田间管理措施还将带来正向的净经济效益。

图3 强化田间管理措施情景与传统管理情景的环境与经济影响对比

(a) 氮/磷/钾肥用量需求 (b) 活性氮损失 (c) 温室气体排放 (d) 农业生产成本效益与净效益

研究结论

本研究分析表明，优化玉米和大豆的生产管理将能够有效提高农业单产、优化空间布局、降低大豆进口依存度，并有着显著的环境和经济协同效益。缩小生产差距、实现农田的“可及生产效率”，以及采用ISSM这一优化田间管理的系统方案，将对我国这两类主要饲料粮的生产优化至关重要。

当然，单产提高、管理优化目标的实现，需要依赖于更加系统全局的规划与已有生产技术经验的大规模实践。我国农业生产规模化程度偏低、当前大豆种植经济效益低于玉米种植的现状，将可能对优化方案的落实带来一定程度的挑战。但通过合理的财政支撑、推广先进农业生产技术、优化制度设计和基础建设等，我国农业有潜力实现长期健康高效生产，在更好地保障粮食安全的同时实现与环境和气候目标的优化协同。

编辑&排版：吴雅珍

相关阅读

点击“阅读原文”浏览小组主页