文章题目：Co-benefits of agricultural diversification and technology for the environment and food security in China
发表期刊：《Nature Food》
影响因子：23.6
第一单位：西湖大学
通讯作者：Thomas Cherico Wanger，樊胜根
在线日期：2024-11-12
为实现粮食自给自足和粮食安全目标，中国已将“高标准农田建设”（WFFC）战略作为其现行国家十年发展规划的一部分。WFFC 背后的想法是到 2030 年将传统的小规模农田整合为 7200 万公顷的大型简化生产单位，以最大限度地提高基于技术的自动化程度，提高土壤肥力和农田生产力。
然而，农场整合的好处存在争议。最近的研究表明，多样化和小型农场往往有利于生态系统服务，提高恢复力，提高生产质量，化解人类健康威胁并提高农场盈利能力。事实上，大多数全国种植的作物都依赖于昆虫授粉和生物害虫防治——这两者都通过农业多样化得到加强。
由于 WFFC 在实施初期没有考虑生态农田改善，它可能会错过有利于提高产量的生物多样性保护和生态系统服务保护的长期环境效益。同样，尽管战略性地选择农作物和牲畜品种有助于应对中国过去几年日益普遍的超重、肥胖和慢性病问题，但目前农业多样化的环境和生产效益与中国粮食和营养安全讨论并没有很好地结合起来。最后，农业技术与多样化农业生产的联系可以带来许多社会经济效益并改善粮食安全。
中国的粮食生产
中国约占世界人口的 20%，但耕地面积仅占世界的 9%。在过去 50 年里，农业生产力以每年 4.6% 的速度稳步增长。人口增长和财富增加也使中国人的饮食结构从植物性食物转向肉类，而对农产品的需求增加导致从美洲、亚洲和非洲的进口增加。
中国 70% 以上的农田面积不足 0.64 公顷，远小于世界平均 2 公顷的小农场规模。中国 2 亿至 3 亿小农户极易受到环境影响，这表明气候和病虫害相关的供应波动可能对当地和全球粮食安全产生重大影响。近年来，害虫入侵或长期干旱对农业生产的影响（正如中国国内外所见证的那样）导致商品价格波动，并导致人们认为需要继续使用农用化学品。气候对产量的影响、农产品相关价格波动与生产强度之间的平衡对于未来增加产量和减少污染至关重要。
总体而言，中国可持续粮食生产面临过度依赖化学投入的挑战。中国年均氮肥施用量是全球平均水平的四倍（分别为 305 千克/公顷和 74 千克/公顷），但中国的氮肥利用效率仅为全球平均水平的 60%（分别为 0.25 和 0.42）。从 1950 年代到 21 世纪初，中国每年的农药产量从 500 吨增加到 92.9 万吨。由于农药过量使用增加了食品的碳足迹、造成了环境污染、危及食品安全并导致生物多样性丧失，中国政府在推广替代管理实践的同时，也做出了巨大努力来缓解这一问题。传统种植系统中的农业多样化可以分别增强生物多样性、授粉和害虫防治等生态系统服务 40%、32% 和 23%，而不会造成产量损失。由于没有非化学投入的多样化实践可能会影响产量，因此，平衡环境可持续性和粮食安全的坚实科学基础至关重要。
农业多样化的机会
农业多样化实践包括作物轮作、间作、作物基因多样化、非作物多样化（如花带）、农畜综合系统和农林业。这些实践可以提供一系列与水、生物多样性和土壤相关的生态系统服务。例如，与非多样化稻田相比，水稻生产多样化已被证明可以提高财务盈利能力、生物多样性和病虫害控制，同时不影响产量，小麦-玉米间作系统的粮食产量比单一栽培高 22%，而且年产量稳定性更高。结合其他非化学策略，如释放生物防治剂或加入有机物和生物肥料，种植系统多样化可能有利于提高产量、产量恢复力和环境。
鉴于上述情况，多样化可以帮助确保中国的 WFFC 充分利用生态系统服务效益，最终扩大粮食生产并加强国家粮食安全。现有的世界森林和森林综合治理重点是通过将小块田地合并为大块田地、提高土壤肥力、改善可达性和灌溉条件来提高土地生产力。然而，通过增加田地面积和减少半自然栖息地，土地整合可能会降低景观异质性和生物多样性，危及生态系统服务。通过多样化，世界森林和森林综合治理可以满足生态保护和环境保护的要求，例如避免使用农药、在景观尺度上保护或建立半自然栖息地。将多样化实践纳入中国的主要政策将充分利用农场内外生物多样性的潜力，维持和加强全国多样化地理和生态系统的粮食安全 。
中国为确保有足够的耕地满足不断增长的粮食需求而实施的严格政策与多样化战略并不冲突。相反，与简化系统相比，多样化系统可以在产量和其他生态系统服务之间提供长期、双赢的结果。例如，在水稻生产系统中，在 81% 的已知案例中，产量和其他服务（如养分循环和土壤肥力）可以同时得到优化，但产量和气候调节之间存在权衡 。有机农业等特定多样化实践的采用受到产量-生态系统服务权衡的限制，而氮输入会放大这种权衡。空间明确的方法可以表明多样化究竟可以在哪些方面优化环境和社会经济成果。总体而言，了解多样化实施中的权衡需要更多的实证工作，然后指导有针对性的实施。
授粉和生物防治
农业多样化可以增强授粉和病虫害防治等生态系统服务，从而提高作物产量和恢复力。在中国，昆虫授粉对于水果和蔬菜等多样化和高质量的食品尤为重要。研究表明，昆虫授粉可使苹果的坐果率和产量分别增加57%和25吨/公顷。随着中国人民生活水平的提高，对依赖授粉媒介的水果和蔬菜等作物的需求近年来有所增加，过去20年来，这些作物的种植面积分别增长了45%和15%。中国还因其生物害虫防治方法而赢得了全球赞誉。例如，寄生蜂（赤眼蜂属）的工业化生产使数百万公顷的土地实现了经济有效的害虫防治。此外，使用杀虫真菌绿僵菌（Metarhizium anisopliae）可以有效控制中国最主要的水稻害虫，同时保护有益生物和农场生物群。
粮食和营养安全
农业生产是提高营养水平的关键，但从生产管理决策到营养效益的路径非常复杂。例如，在景观尺度上，多样性的提高可以为自给自足的农民提供更多的营养和更多样化的食物，尤其是在农村地区。在中国，研究证实了农业生产多样性、农村居民饮食多样性和蛋白质摄入量增加之间的正相关关系。然而，还需要更多的研究来将生产和营养状况联系起来，特别是在特定食物和人口群体方面。
中国政府高度重视农村地区的粮食自给自足和农业发展，正如中国最重要的农业政策（即中央一号文件（1CD））所强调的那样。随后，与农业相关的会议和文件中提出了具体要求，以通过多样化的粮食供应来满足人们日益多样化的粮食需求。例如，2015 年和 2017 年的中国中央农村工作会议强调了“建立大农业和大粮食（BABF）的概念”。大粮食概念是指中国人对食物的需求更加多样化，应在尊重环境限制的同时，通过多样化和现代化的来源来满足这些需求。2023年，1CD再次强调“树立大粮食概念，加快建设多元化粮食供应体系”，还提到了具体的农业多样化方法，如种植业-畜牧业系统和农林业。大粮食概念尚未明确与WFFC联系起来。
农业技术与多样化的共同效益
为实现充足的粮食生产，中国通过“世界粮食集约化”等战略大幅提高了农业机械化水平。尽管该国三分之一的农业生产已高度机械化，但大部分仍依赖小农户的传统经营方式。
中国大规模采用农业机械化面临与农业多样化相关的两大挑战。首先，农业机械的部署往往被认为与高度分散的景观、巨大的空间和时间差异以及小规模的生产不相容。这是因为农作物生产的机械化导致在简化和集中的系统中进行集约化耕作。这种生产系统无法提供足够多样化、质量更好、营养价值更高的产品。其次，即使在“世界粮食集约化”将小规模农场整合为大型生产区之后，在整合和分散的生产区，农业机械的供应和操作这些机械的培训仍然有限。面对中国农业人口的老龄化，劳动强度必须降低，生产效率和单位收入必须提高，以避免农田荒废。
多样化景观中的数字农业进步可以支持这种变化。数字化或智能农业是指数据驱动的农业生产系统管理，通过不同的技术收集作物、土壤和气候特征，以支持农民的决策和农业价值链。在生产前期阶段，光学传感器和多尺度表型分析平台可以帮助量化植物性状，以进行遗传选择，无论是新品种还是本地作物品种。在生产过程中，数字技术可以根据植物叶片的生化特性量化植物的光合功能、动态生长和养分循环。嵌入式系统的进步使得标准化传粉媒介和害虫控制监测成为可能，从而直接提高产量。在后期生产阶段，数字技术可以帮助传统和有机农业市场进行售前质量控制。与普遍看法相反，这些例子强调了多样化和可持续农业与新技术的使用之间存在协同作用，而不是差异，但它们之间的联系尚未得到很好的证实。
中国政府一直在出台政策，将数字技术融入可持续农业生产（例如，2024 年 1CD）。尽管通过自动化农场管理来支持或取代机械化的数字农业仍处于起步阶段，但预计会有大幅增长。数字化和与多样化实践的融合需要仔细考虑中国多样化的地理和生态系统。例如，农业物联网使用传感器数据、无人机和专用传感器来整合作物物候、害虫发生率和天气模式的实时数据，适用于不同作物品种的大规模水稻生产。农业机器人技术可以推进任何大规模作物生产的自动播种、非化学除草和收获，例如作为农林系统种植的苹果园。在线市场为农村地区的农民提供了市场准入便利，并为销售可在线购买的高价和可追溯产品提供了便利。为了促进中国的现代化，政府可以通过对技术开发和培训的财政激励，进一步支持在多样化农业景观中使用数字农业。总体而言，机械化方法可能会干扰农业生产多样化，但多样化和小型农场的新技术创新将放大生态系统服务保护、产量稳定性和气候适应力的效益。
展望
过去二十年，中国划定了保护1.2亿公顷耕地质量的红线政策，许多重要进展也已出现，以提高农业部门的生态恢复力。在中国东北的主要水稻产区，到2025年，将通过秸秆还田的方式，在约70%的耕地上实施保护性耕作。此外，预计未来几年，合成农药将为食品和园艺农田中的生物害虫防治替代品腾出更多空间。智能农业和滴灌的推广使用也在全国农业区得到推广，以提高资源利用效率。
预计780个新科技中心的建立将有助于中国小农农业按照可持续集约化模式转型。同样，为了实现逐步减少农药使用的宏伟目标，过去几年已经建立了几个专门的“生态害虫管理”研究单位。通过将上述做法与抗病虫害和极端气候条件的天然、育种或工程品种巧妙地结合起来，也将获得巨大的利益。
最近的政策主张建立多学科研究环境，现在需要适当的激励机制来奖励科学家的合作而不是竞争。跨学科和多利益相关方合作对于推进多功能农业景观中产量、盈利能力、生态系统服务和营养之间的权衡研究非常重要；提高农民对多样化生产系统选择的认识；设计和扩大适合多样化系统的技术的应用；以及制定促进多样化的激励机制。总的来说，人类和环境健康的巨大利益等待着我们去享受，而中国有效的政策是确保科学转化为实践的关键。
