■記者 李晨

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兩年前在黑龍江調(diào)研的北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)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(wàn)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(gè)小到個(gè)體、大到全世界都關(guān)注的問(wèn)題。近日，《自然》在線發(fā)表了北京大學(xué)、西南財(cái)經(jīng)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)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(kāi)發(fā)大型優(yōu)化模型，模擬跨部門(mén)多資源協(xié)同下的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間新布局。

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)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(duì)中國(guó)和全球?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有積極貢獻(xiàn)。這項(xiàng)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(mén)間的協(xié)調(diào)機(jī)制，將科學(xué)與政策結(jié)合起來(lái)，提出了農(nóng)業(yè)布局優(yōu)化方向，充分體現(xiàn)數(shù)字時(shí)代現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)交叉研究的特點(diǎn)，有望助力科學(xué)決策。

“全國(guó)一盤(pán)棋”

“上世紀(jì)80年代初，東北三省的小麥種植面積有200多萬(wàn)公頃，但近年來(lái)水稻種植面積逐年擴(kuò)大。”論文第一作者兼通訊作者、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院研究員解偉告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，東北種植結(jié)構(gòu)調(diào)整成為人們關(guān)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(zhǎng)趨勢(shì)”。

“實(shí)際上，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域布局是一個(gè)全局性問(wèn)題，應(yīng)該‘全國(guó)一盤(pán)棋’。”解偉說(shuō)，改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)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(mén)出臺(tái)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(lái)的負(fù)面影響。但當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局究竟是不是最優(yōu)，如何通過(guò)優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局推動(dòng)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(wèn)題對(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?！苯鈧フf(shuō)。

在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院講席教授樊勝根看來(lái)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域布局應(yīng)該隨著外界制約因素的變化而動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

他告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，首先，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)在變，從過(guò)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(duì)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(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況在變。經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的土地向非農(nóng)轉(zhuǎn)移的可能性加大，而經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)的農(nóng)業(yè)比較優(yōu)勢(shì)明顯，這會(huì)影響農(nóng)戶選擇自己的生計(jì)。

“這些不僅是中國(guó)面對(duì)的問(wèn)題，也是全世界關(guān)注的問(wèn)題。”樊勝根說(shuō)。

說(shuō)起來(lái)容易干起來(lái)難

如何對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間布局進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化？“我們?cè)O(shè)定了一個(gè)原則，在最適宜的地區(qū)種植最適宜的農(nóng)產(chǎn)品。”解偉說(shuō)，但這說(shuō)起來(lái)容易干起來(lái)難。

由于空間尺度，從省級(jí)到縣級(jí)再到村級(jí)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自然條件差異很大。“一個(gè)村子中什么地方適合種什么都有差異，更不用說(shuō)從縣級(jí)或省級(jí)角度去優(yōu)化布局了?！苯鈧フf(shuō)。

要給出動(dòng)態(tài)優(yōu)化的建議，必須掌握該地區(qū)的歷史種植情況。“我們獲得了縣級(jí)層面的數(shù)據(jù)，對(duì)完成這項(xiàng)研究至關(guān)重要?！苯鈧ソ忉屨f(shuō)，他們首次采用大數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)了大型優(yōu)化模型，可以模擬跨部門(mén)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(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所研究員吳鋒告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，模型將全國(guó)劃分為7.2萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格大約為10千米×10千米。在此基礎(chǔ)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(kù)，可以對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的多個(gè)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(kāi)展單目標(biāo)或多目標(biāo)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(mén)各自為政、彼此兼顧和跨部門(mén)協(xié)同3種情景下，該如何優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局。”論文作者朱安豐說(shuō)。

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(kuò)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(biāo)大幅改善，但其他指標(biāo)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?！敝彀藏S說(shuō)。

好在現(xiàn)實(shí)中管理部門(mén)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(gè)可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)時(shí)不再以其他指標(biāo)受損為代價(jià)，但出現(xiàn)各個(gè)可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)改善不平衡的問(wèn)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(méi)有可能設(shè)立一個(gè)具有更高協(xié)調(diào)能力的機(jī)構(gòu)？我們提出了‘跨部門(mén)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(jìn)所有可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)協(xié)同實(shí)現(xiàn)最大化?！闭撐淖髡?、西南財(cái)經(jīng)大學(xué)教授陳曉光說(shuō)，此情景下，藍(lán)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(cè)算

解偉介紹，在“跨部門(mén)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(guān)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(dòng)情況對(duì)比后，他們提出了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化布局的方向。

對(duì)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(dāng)縮減小麥播種面積；同時(shí)可在長(zhǎng)江中下游地區(qū)擴(kuò)種，甚至在東北部分地區(qū)恢復(fù)小麥種植，以保障當(dāng)?shù)乜诩Z安全。對(duì)于水稻，若考慮資源環(huán)境承載力，建議適當(dāng)控制東北地區(qū)水稻播種面積。對(duì)于玉米，適度控制東北和華北的種植面積，適度擴(kuò)大長(zhǎng)江中下游地區(qū)種植面積，能夠在保障糧食安全的同時(shí)促進(jìn)資源環(huán)境節(jié)約。對(duì)于棉花，若在傳統(tǒng)棉區(qū)（如長(zhǎng)江中下游和華北）能夠培育出高產(chǎn)、易于機(jī)械化的品種，可適度恢復(fù)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(lái)，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(wèn)題上遇到挑戰(zhàn)。大家都覺(jué)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(lái)多大發(fā)展，這些問(wèn)題必須依靠高精度的數(shù)據(jù)方法測(cè)算。

依據(jù)他們的模型，可以根據(jù)各個(gè)發(fā)展目標(biāo)的權(quán)重，給政策制定者提出多套供選擇的優(yōu)化方案。“優(yōu)先考慮地方上最著急的目標(biāo)，給予高一點(diǎn)的權(quán)重。”吳鋒說(shuō)。在陳曉光看來(lái)，政策的調(diào)整應(yīng)該是長(zhǎng)期的、逐步的。

解偉說(shuō)，按照中國(guó)政府設(shè)定的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局后節(jié)約灌溉水量相當(dāng)于國(guó)家目標(biāo)的26%。此外，其對(duì)實(shí)現(xiàn)國(guó)家2030年農(nóng)業(yè)溫室氣體減排目標(biāo)、化肥和農(nóng)藥零增長(zhǎng)目標(biāo)等都有重要貢獻(xiàn)。同時(shí)，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局能使作物增產(chǎn)進(jìn)而對(duì)全球糧食安全作出貢獻(xiàn)，促進(jìn)全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

中國(guó)工程院院士、中國(guó)農(nóng)科院作物科學(xué)研究所研究員萬(wàn)建民表示，與以往重點(diǎn)關(guān)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(xiàn)體現(xiàn)在進(jìn)一步考慮資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)目標(biāo)下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)該如何布局。