■記者 李晨

(相關資料圖)

兩年前在黑龍江調(diào)研的北京大學現(xiàn)代農(nóng)學院博士朱安豐發(fā)現(xiàn)，部分農(nóng)戶有種植小麥的愿望。然而，東北三省的小麥種植面積不足10萬公頃。

不同的區(qū)域該種什么作物、種多少、怎么種？農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局是一個小到個體、大到全世界都關注的問題。近日，《自然》在線發(fā)表了北京大學、西南財經(jīng)大學、中國科學院地理科學與資源研究所等單位聯(lián)合完成的論文成果。該研究首次采用大數(shù)據(jù)開發(fā)大型優(yōu)化模型，模擬跨部門多資源協(xié)同下的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間新布局。

中國科學院院士、中國科學院地理科學與資源研究所研究員陸大道表示，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局對中國和全球?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有積極貢獻。這項研究創(chuàng)新性地使用高空間分辨率農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)，綜合考慮部門間的協(xié)調(diào)機制，將科學與政策結(jié)合起來，提出了農(nóng)業(yè)布局優(yōu)化方向，充分體現(xiàn)數(shù)字時代現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學交叉研究的特點，有望助力科學決策。

“全國一盤棋”

“上世紀80年代初，東北三省的小麥種植面積有200多萬公頃，但近年來水稻種植面積逐年擴大?！闭撐牡谝蛔髡呒嫱ㄓ嵶髡摺⒈本┐髮W現(xiàn)代農(nóng)學院研究員解偉告訴《中國科學報》，東北種植結(jié)構(gòu)調(diào)整成為人們關心的話題。而從東北到西北，“新疆棉花播種面積也呈現(xiàn)增長趨勢”。

“實際上，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域布局是一個全局性問題，應該‘全國一盤棋’?！苯鈧フf，改革開放以來，中國在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面取得巨大成就，但背后卻是較高的資源環(huán)境消耗。

在此背景下，各管理部門出臺了一系列政策和措施提高農(nóng)業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性?！斑@在一定程度上減輕了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的負面影響。但當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局究竟是不是最優(yōu)，如何通過優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局推動資源節(jié)約、環(huán)境改善和農(nóng)民增收協(xié)同發(fā)展，回答上述問題對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。”解偉說。

在中國農(nóng)業(yè)大學經(jīng)濟管理學院講席教授樊勝根看來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域布局應該隨著外界制約因素的變化而動態(tài)優(yōu)化。

他告訴《中國科學報》，首先，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目標在變，從過去以產(chǎn)量為主向現(xiàn)在產(chǎn)量、品質(zhì)并重轉(zhuǎn)變。其次，氣候在變，這對極其依賴于自然條件的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提出了挑戰(zhàn)。最后，各地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展情況在變。經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的土地向非農(nóng)轉(zhuǎn)移的可能性加大，而經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)的農(nóng)業(yè)比較優(yōu)勢明顯，這會影響農(nóng)戶選擇自己的生計。

“這些不僅是中國面對的問題，也是全世界關注的問題?！狈畡俑f。

說起來容易干起來難

如何對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間布局進行動態(tài)優(yōu)化？“我們設定了一個原則，在最適宜的地區(qū)種植最適宜的農(nóng)產(chǎn)品?！苯鈧フf，但這說起來容易干起來難。

由于空間尺度，從省級到縣級再到村級，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自然條件差異很大?！耙粋€村子中什么地方適合種什么都有差異，更不用說從縣級或省級角度去優(yōu)化布局了。”解偉說。

要給出動態(tài)優(yōu)化的建議，必須掌握該地區(qū)的歷史種植情況?！拔覀儷@得了縣級層面的數(shù)據(jù)，對完成這項研究至關重要?！苯鈧ソ忉屨f，他們首次采用大數(shù)據(jù)開發(fā)了大型優(yōu)化模型，可以模擬跨部門多資源協(xié)同下的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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》，模型將全國劃分為7.2萬個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格大約為10千米×10千米。在此基礎上建立了包含13種農(nóng)作物、153組輪作模式的農(nóng)業(yè)投入產(chǎn)出大數(shù)據(jù)庫，可以對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的多個維度（作物產(chǎn)量、農(nóng)民收入以及水資源、溫室氣體、化肥、農(nóng)藥等）開展單目標或多目標的優(yōu)化模擬。

“我們以最適宜的地區(qū)種植最適宜的農(nóng)產(chǎn)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(xié)同3種情景下，該如何優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局?！闭撐淖髡咧彀藏S說。

研究發(fā)現(xiàn)，如果“各自為政”，在作物產(chǎn)量不減少、農(nóng)民收入不降低以及耕地面積不擴大的前提下，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局能夠?qū)崿F(xiàn)某一可持續(xù)發(fā)展指標大幅改善，但其他指標存在惡化現(xiàn)象。例如，灌溉水最高可節(jié)約27.8%，但此情景下農(nóng)業(yè)溫室氣體排放總量增加2.8%?！斑@就好像按下葫蘆浮起瓢。”朱安豐說。

好在現(xiàn)實中管理部門并不是各自為政，而是“彼此兼顧”。這種情景下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局在優(yōu)化一個可持續(xù)發(fā)展指標時不再以其他指標受損為代價，但出現(xiàn)各個可持續(xù)發(fā)展指標改善不平衡的問題。例如，灌溉水最高可節(jié)約18.5%，但此情景下農(nóng)藥僅減量4.3%。

“有沒有可能設立一個具有更高協(xié)調(diào)能力的機構(gòu)？我們提出了‘跨部門協(xié)同’情景，模擬發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局有潛力促進所有可持續(xù)發(fā)展指標協(xié)同實現(xiàn)最大化?！闭撐淖髡?、西南財經(jīng)大學教授陳曉光說，此情景下，藍水節(jié)約6.5%、綠水節(jié)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(nóng)藥減少6.7%，并且農(nóng)民收入增加4.5%。

依靠高精度數(shù)據(jù)方法測算

解偉介紹，在“跨部門協(xié)同”情景下，他們充分考慮資源環(huán)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)新布局。與2010年至2020年作物布局歷史變動情況對比后，他們提出了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化布局的方向。

對于小麥，如果華北地區(qū)不能大幅度提高農(nóng)業(yè)用水效率，則要控制甚至適當縮減小麥播種面積；同時可在長江中下游地區(qū)擴種，甚至在東北部分地區(qū)恢復小麥種植，以保障當?shù)乜诩Z安全。對于水稻，若考慮資源環(huán)境承載力，建議適當控制東北地區(qū)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(qū)種植面積，能夠在保障糧食安全的同時促進資源環(huán)境節(jié)約。對于棉花，若在傳統(tǒng)棉區(qū)（如長江中下游和華北）能夠培育出高產(chǎn)、易于機械化的品種，可適度恢復傳統(tǒng)棉區(qū)生產(chǎn)，緩解新疆資源環(huán)境壓力。

解偉告訴記者，近年來，傳統(tǒng)的資源節(jié)約型技術(shù)措施和政策在繼續(xù)解決資源環(huán)境問題上遇到挑戰(zhàn)。大家都覺得農(nóng)業(yè)布局優(yōu)化有潛力可挖，但如何優(yōu)化、優(yōu)化后能帶來多大發(fā)展，這些問題必須依靠高精度的數(shù)據(jù)方法測算。

依據(jù)他們的模型，可以根據(jù)各個發(fā)展目標的權(quán)重，給政策制定者提出多套供選擇的優(yōu)化方案?！皟?yōu)先考慮地方上最著急的目標，給予高一點的權(quán)重?！眳卿h說。在陳曉光看來，政策的調(diào)整應該是長期的、逐步的。

解偉說，按照中國政府設定的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局后節(jié)約灌溉水量相當于國家目標的26%。此外，其對實現(xiàn)國家2030年農(nóng)業(yè)溫室氣體減排目標、化肥和農(nóng)藥零增長目標等都有重要貢獻。同時，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局能使作物增產(chǎn)進而對全球糧食安全作出貢獻，促進全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

中國工程院院士、中國農(nóng)科院作物科學研究所研究員萬建民表示，與以往重點關注農(nóng)民收入和糧食安全形成的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局不同，該研究的貢獻體現(xiàn)在進一步考慮資源節(jié)約和環(huán)境保護目標下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)該如何布局。