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摘要：本文分析了产量差距（实际产量与可达到产量之间的差距），并以此为框架评估提高农业生产力的潜力。研究覆盖1975年至2010年间十种主要作物的时空变化，发现八种一年生作物的产量差距普遍扩大，而甘蔗和油棕则保持不变。研究提出了三类区域类型：①“稳定增长”——实际产量和可达到产量持续增长；②“停滞平台”——产量停滞不前；③“天花板压力”——产量差距缩小。数据显示，60%以上的玉米种植区属于“稳定增长”，而水稻仅约12%。但水稻和小麦分别有84%和56%的区域面临“天花板压力”，这与后续产量停滞相关，预示多个国家可能面临增产停滞的风险。
关键词：作物产量；时空变化。
文章信息
译名：全球空间明确的产量差距时间趋势揭示了面临未来作物产量停滞风险的地区
发表时间：2023年12月6日
期刊影响因子：23.6（2024）
第一单位：明尼苏达大学环境研究所
通讯单位：明尼苏达大学环境研究所
文章亮点
1.开发了一个三类类型来区分实际和可实现产量的“稳定增长”区域、产量停滞的“停滞底部”和产量差距正在缩小的“上限压力”区域。
2.对 1975 年至 2010 年间十种主要作物的产量差距进行了时空综合分析。
文 章 简 介
·1 研究意义
产量差距（实际产量与可达到产量的差异）的研究为评估农业生产力提升机会提供了重要框架。通过明确这一差距，能更精准地识别在农业生产中哪些方面存在改进空间，从而为提高产量、优化资源配置等提供方向。与联合国可持续发展目标紧密相关，如对消除贫困、实现零饥饿、推动体面工作和经济增长、开展气候行动以及保护土地上的生命等目标有着直接影响。提高农业生产力有助于增加粮食供应，保障贫困地区人口的基本食物需求，进而推动经济发展，同时合理的农业生产方式也有利于应对气候变化和保护生态环境，本研究在作物数量、数据空间分辨率和全球覆盖范围上更为全面。涉及十大主要作物，涵盖了全球大部分卡路里来源，能够从更广泛的角度反映全球农业生产的实际情况。本文也旨在得出关于全球生产潜力趋势以及确保粮食安全的理想干预措施的政策相关结论。这有助于政策制定者依据研究成果制定更为科学合理的农业政策，包括资源分配、研发投入方向等，以应对全球粮食安全挑战。·2 研究方法
（1）作物数据收集
遵循 Ray 等人的方法，汇编大麦、木薯、玉米、油棕、油菜籽、水稻、高粱、大豆、甘蔗和小麦等十种作物的年产量和收获面积数据。这些数据主要源于各种公共来源，如农业普查和调查报告等。对数据进行协调处理，若国家层面和州级层面的产量数据存在不一致（如州级产量总和超过国家级产量），会按比例调整州级数据以确保各级数据的一致性。对于缺失数据，采用前 5 年平均数据进行填补，以保持数据在较高行政层面的一致性同时保留作物在次国家级的分布模式。（2）生物物理数据获取
重新处理来自 WorldClim V2.1 的全球月度平均温度和降水数据集，计算与作物生长密切相关的多个气候变量，包括生长度日（GDD，以 0°C 为基础温度）、年平均降水量（MAP）、降水集中指数（PCI）以及仅用于小麦的二元春化因子（VF），这些变量均以 5 弧分分辨率的网格形式呈现，用于后续分析。从 SoilGrids1km 项目获取不同土壤深度的可用水容量、pH 值和土壤有机碳等数据，通过梯形积分法将这些数据聚合到 5 弧分分辨率，以得到土壤表层 30cm 的相关属性。从 Harmonized World Soil Database v1.2 下载地形数据（100m×100m 子像素中平均坡度在不同区间的比例），以完善生物物理数据的全面性，为分析土壤条件对作物产量的影响提供基础。（3）模型构建
采用分位数回归模型来预测产量的 95 分位数，将其作为可达到产量的估计值。模型中的解释变量为多种生物物理输入变量，如气候、土壤和灌溉相关变量，构建模型的形式基于作物种类有所不同（如小麦模型包含特定于小麦的变量如 VF 等）。采用逐步回归方法选择简约模型，从包含多个物理相关变量的初始模型开始，根据 95% 置信区间去除不显著的变量（从最接近零的置信区间的变量开始），同时保留灌溉分数及其与降水的交叉项。进一步通过迭代交叉验证简化模型，生成一系列简化的 “子模型”，通过比较预测值与实际产量数据计算损失函数（基于分位数回归特定方法），选择损失函数最小的模型作为最佳模型，同时考虑时间平滑处理和避免局部最小值问题，确保模型的稳定性和准确性。（4）模型输出计算
所有数据计算均围绕目标年份进行 ±2 年的平均值计算，例如计算 2010 年的全球平均产量差距时，分别计算 2008 - 2012 年每年的可达到产量表面和实际产量表面，然后相减得到每年的产量差距，最后根据每年的收获面积进行加权平均，确保数据能准确反映特定年份的实际情况。通过对 1986 - 2012 年的 27 年数据进行分段线性回归（在 2000 年设置斜率间断点），定义产量停滞为1986 - 2000 年斜率的 95%置信区间均为正，而2000 - 2012 年斜率的下限置信区间为负（遵循 Grassini 的定义）。通过比较不同政治单位在特定产量增长区间和产量差距闭合趋势下的停滞概率，评估产量差距变化对产量停滞可能性的影响，为分析产量趋势和制定应对策略提供依据。·3 研究结果
3.1产量差距动态变化
1975 - 2010 年期间，大多数地区的可达到产量增加，不同作物在不同时间段的增长面积和速率有所不同，如玉米、油菜籽和大豆在多个时间段可达到产量增长超过 1%，而水稻和小麦在近期十年增长率下降。产量差距在不同作物和地区呈现不同趋势，如玉米产量差距增加的面积比例较高，而水稻和小麦在近期产量差距增长面积大幅减少，全球平均产量差距在部分作物上有所增加，部分无显著变化。![]()
3.2产量差距闭合与产量停滞的相关性
产量差距闭合的农业普查单位比产量差距不变或扩大的单位更有可能出现未来产量停滞，如除油棕外，1986
- 2000 年显著的产量差距闭合会增加 2000 - 2012 年产量停滞的可能性，且这并非仅仅是“均值回归”效应。![]()
3.3减产量差距类型揭示粮食安全趋势
引入产量差距轨迹的三元素分类法，包括 “稳定增长”（产量差距、可达到产量和实际产量均增加）、“停滞不前”（可达到产量增长但实际产量停滞）和 “上限压力”（产量差距缩小和 / 或可达到产量停滞）。不同作物在不同类型中的占比不同，如木薯、玉米和高粱有较大比例的收获面积处于 “稳定增长”，水稻有较高比例处于 “上限压力”，所有作物均有一定面积处于 “停滞不前”。·4 主要结论
（1）实际产量和可达到产量在过去几十年持续提高，但产量增长的性质和产量差距的演变对未来产量增长轨迹有不同影响，如水稻可能面临 “一次性创新” 带来的上限问题，而玉米趋势表明经济激励和农业研发投资可推动产量持续增长。
（2）经历 “上限压力” 的地区产量差距缩小，若不投资提高可达到产量，未来产量增长可能显著下降甚至停滞，如亚洲部分国家的水稻和欧洲部分国家的小麦。针对 “上限压力” 的政策包括投资育种技术和改进农艺实践。
（3）“停滞不前” 类别与实际产量增长率下降和产量差距增加相关，原因包括经济冲击、环境政策采用或农艺投资不足等，如西欧的环境政策和意大利限制转基因玉米种植的立法。
（4）“稳定增长” 反映了可达到产量和实际产量的持续增加，与农业研发投资和改进管理实践相关，如印度的高粱和墨西哥的玉米。
（5）玉米、大豆和油菜籽在绿色革命后的产量差距增长趋势持续，而水稻产量差距显著缩小，小麦停滞，不同作物可达到产量增长差异强化了对粮食安全关键作物增加农业研究投资的呼吁，并提示了应针对的地区和作物组合。
（6）本研究方法可补充计算方法，产量差距分析的时间性质提供了更多见解，有助于确定干预类型和目标区域，持续增长可达到产量需要持续投资农业技术，对实现绿色革命承诺和未来粮食安全至关重要。
Reference:
Gerber,
J.S., Ray, D.K., Makowski, D. et al. Global spatially explicit
yield gap time trends reveal regions at risk of future crop yield
stagnation. Nat Food 5, 125–135 (2024).
https://doi.org/10.1038/s43016-023-00913-8
本期分享来自2024级草学专业硕士研究生李梓歆
