寻找农业布局的“最优解”

　　■记者 李晨

　　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，东北三省的小麦种植面积不足10万公顷。

　　不同的区域该种什么作物、种多少、怎么种？农业生产布局是一个小到个体、大到全世界都关注的问题。近日，《自然》在线发表了北京大学、西南财经大学、中国科学院地理科学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、中国科学院地理科学与资源研究所研究员陆大道表示，优化农业生产布局对中国和全球实现可持续发展有积极贡献。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。

　　“全国一盘棋”

　　“上世纪80年代初，东北三省的小麦种植面积有200多万公顷，但近年来水稻种植面积逐年扩大。”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》，东北种植结构调整成为人们关心的话题。而从东北到西北，“新疆棉花播种面积也呈现增长趋势”。

　　“实际上，农业生产区域布局是一个全局性问题，应该‘全国一盘棋’。”解伟说，改革开放以来，中国在农业生产方面取得巨大成就，但背后却是较高的资源环境消耗。

　　在此背景下，各管理部门出台了一系列政策和措施提高农业发展的可持续性。“这在一定程度上减轻了农业生产带来的负面影响。但当前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，回答上述问题对农业的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，农业生产区域布局应该随着外界制约因素的变化而动态优化。

　　他告诉《中国科学报》，首先，我国农业生产目标在变，从过去以产量为主向现在产量、品质并重转变。其次，气候在变，这对极其依赖于自然条件的农业生产提出了挑战。最后，各地区社会经济发展情况在变。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，这会影响农户选择自己的生计。

　　“这些不仅是中国面对的问题，也是全世界关注的问题。”樊胜根说。

　　说起来容易干起来难

　　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，在最适宜的地区种植最适宜的农产品。”解伟说，但这说起来容易干起来难。

　　由于空间尺度，从省级到县级再到村级，农业生产的自然条件差异很大。“一个村子中什么地方适合种什么都有差异，更不用说从县级或省级角度去优化布局了。”解伟说。

　　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，对完成这项研究至关重要。”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》，模型将全国划分为7.2万个网格，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3种情景下，该如何优化农业生产布局。”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的前提下，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%。“这就好像按下葫芦浮起瓢。”朱安丰说。

　　好在现实中管理部门并不是各自为政，而是“彼此兼顾”。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。例如，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’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协同实现最大化。”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%，并且农民收入增加4.5%。

　　依靠高精度数据方法测算

　　解伟介绍，在“跨部门协同”情景下，他们充分考虑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年至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。

　　对于小麦，如果华北地区不能大幅度提高农业用水效率，则要控制甚至适当缩减小麦播种面积；同时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，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。对于棉花，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解决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可挖，但如何优化、优化后能带来多大发展，这些问题必须依靠高精度的数据方法测算。

　　依据他们的模型，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，给予高一点的权重。”吴锋说。在陈晓光看来，政策的调整应该是长期的、逐步的。

　　解伟说，按照中国政府设定的农业可持续发展目标，优化农业生产布局后节约灌溉水量相当于国家目标的26%。此外，其对实现国家2030年农业温室气体减排目标、化肥和农药零增长目标等都有重要贡献。同时，优化农业生产布局能使作物增产进而对全球粮食安全作出贡献，促进全球农业可持续发展。

　　中国工程院院士、中国农科院作物科学研究所研究员万建民表示，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。