作者｜王方 何志勇

崔振岭（右）在田间进行技术指导。课题组供图

占全球产量51%的玉米和大豆是重要的粮食和饲料作物。
在中国，近年来对玉米和大豆的需求快速增长，使我们越来越多地依赖进口。未来，玉米和大豆能否实现更大程度的自给自足？
到 2035 年，中国将能生产所需的所有玉米和45%的大豆——这是近日发表于《自然—食物》上的一篇论文得出的结论。该研究由中国农业大学资源与环境学院教授崔振岭等完成。

需求增长 进口增加
粮食安全—— 一个国家生产自己食物的能力——是中国的一个关键问题。它可以帮助农民免受市场波动的影响，并使一个国家的食品供应免受地缘政治争端的影响。

“在全球粮食安全和可持续发展进程中，玉米和大豆作为谷物饲料占有突出地位。”崔振岭向《中国科学报》介绍。
自2000年以来，玉米和大豆的贸易量在国际市场上从1.35亿吨增加到2.93亿吨，超过其他所有作物。这源自人们对动物源食品（肉、奶和蛋）的消费量日益增长。
我国在其中也占有一席之地。随着经济发展和饮食结构的改变，人们对玉米和大豆的需求快速增长，以致国内市场出现了一些短缺。
崔振岭指出：“玉米作为我国种植面积最广泛的作物，已基本实现自给自足，但当前单产仅达到产量潜力的50%，增产潜力巨大。而大豆却出现严重的产需不平衡问题，粮食问题在大豆方面存在较大的安全隐患。”
海关总署公布的数据显示，2020年全年累计进口大豆10032.8万吨，同比增幅11.7%。
我国大豆进口量首次突破1亿吨大关。中国激增的进口量也促进了国际市场上大豆价格的上涨。
因此，未来在种植面积不变的情况下，土壤、作物管理能在多大程度上为保障粮食安全和资源环境安全作出贡献？
中国应该如何优化资源配置来提高玉米和大豆生产能力并减少对大豆进口的依赖，从而可持续地推进粮食安全？团队希望通过相关研究作出解答。

提高产量 提高效率

该研究基于县级数据（485万农户调研数据，超过180个县），结合作物生长模型评估了中国县域尺度玉米和大豆产量、产量潜力、产量差及可实现产量。
“产量差本质上是农民、地区或国家能够生产某种作物的数量与其实际生产的数量之间的差异。当前产量来自于各省市统计年鉴，产量潜力由作物生长模型模拟得出。为得到更准确的产量潜力，我们对每个县的各项栽培措施，如种植日期、种植密度和品种的积温等进行了全面优化。”论文第一作者、团队成员刘梓桐解释道。
“为了捕捉气候及社会因素变异对实现度的影响，我们将可实现产量潜力设定为调研数据中各县前10%农户产量的均值，而非以往研究统一设定的产量潜力的80%。”刘梓桐说。
研究表明，中国玉米或大豆仅实现产量潜力的50%左右。相比之下，美国玉米实现产量潜力的80%，巴西大豆实现产量潜力的64%，这表明中国有“很大的提升空间”。而全国平均可实现的产量可达到每种作物产量潜力的70%以上。
保障中国饲料及食品安全更大程度实现自给自足的同时，必须解决相关的环境与气候问题。因此该研究也定量评估了基于传统管理方案和优化管理方案下的资源与环境影响，包括肥料的施用、活性氮损失、温室气体排放和成本收益分析。
结果表明，与传统管理方案相比，基于土壤—作物系统综合管理方案将减少42%的氮肥、27%的活性氮损失和19%的温室气体排放量，同时可以降低总成本约27亿美元。
土壤—作物系统综合管理技术是什么？据介绍，这是以高效利用光温资源的高产群体定量设计挖掘高产潜力、以定量调控根层水肥供应支撑高产群体实现资源高效，地上/地下协同突破绿色增产增效的技术。
论文作者之一、中国工程院院士张福锁表示，通过土壤—作物系统综合管理技术可以提高作物的生产能力，提高养分利用效率，更大程度实现自给自足，同时减轻国际市场的压力及环境影响。
在实践中，崔振岭等2018年发表于《自然》的结果表明，在13123个田间试验中，应用土壤—作物系统综合管理技术，可增产玉米、水稻和小麦产量20.6%，降低氮肥用量14.5%（8.5%~15.6%），显著降低活性氮排放强度34.8%，减少温室气体排放强度27.0%。

双赢：提高自给率的新解决方案

由此，该研究提出一种解决方案：通过土壤—作物系统综合管理技术提高作物单产，达到可实现产量。在满足我国玉米需求的情况下，将耕地从玉米“重新分配”到大豆，以增加大豆种植能力。研究发现，如果实施这种分配制度，2035年中国可以生产所需全部玉米和45%的大豆，环境代价大幅降低。
“首先，我们的研究表明，在优化情景下，2035年中国将能够生产国家所需大豆的45%，比目前仅生产国内所需大豆的10%有大幅提高，大大减少了对外国进口的依赖，并且我们将具体操作方案细化到县域，对我国相关政策制定有较强的指导作用。”崔振岭表示。
“该研究首次对中国县级主要作物产量潜力及可实现产量潜力进行定量化研究。”美国内布拉斯加大学林肯分校教授、农学家Haishun Yang说。
“量化可实现产量，并与当前产量水平进行对比，可以帮助农户了解自己土地的生产能力，帮助政府制定相关计划政策，帮助企业选择种植投资区。”崔振岭说。
美国斯坦福大学教授、生物地球化学家和可持续性科学家Pamela Matson认为，这项研究对全球农业发展作出了非常重要的贡献。
世界数据研究主管Hannah Ritchie指出，传统农业发展中，我们多通过增加耕地数量或增加农业投入提高产量，生产更多粮食。
而这项研究表明，如果我们能够提高效率并采用最佳管理，就可以在不增加肥料施用的情况下实现更高的产量。
这是实现粮食安全、减少氮污染和温室气体排放的巨大成果，这对农民和环境来说都是双赢的局面。
这项研究不仅对中国追求农业可持续生产和饲料安全的政策制定具有重要意义，而且对国际贸易和可持续发展具有全球意义。
相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s43016-021-00300-1
https://doi.org/10.1038/nature25785

《中国科学报》2021年7月6日3版