導讀：滿足人口持續增長的糧食安全是全球農業可持續發展面臨的巨大挑戰。一些研究已經在技術方面取得了進展，然而技術大面積應用，同時解決作物產量與環境保護目標方面進展不多。本研究重點報道了與中國數以萬計農戶應用優化管理技術，共同提高糧食產量和改善環境質量。首先，我們在中國主要農業生態區布置田間試驗，制定并驗證區域特色的糧食作物綠色生產全程解決方案；組建1152 名研究人員及眾多推廣人員和企業人員構成的技術應用網絡，與千萬農民共同實現農業綠色增產增效。在2006 到2015 年，我國452 個縣，2090 萬個農戶，共計3770 萬公頃播種面積采用了這項技術。較農民習慣相比，綠色增產增效技術可以增加玉米、水稻和小麥10.8-11.5%，凈增糧食產量3300 萬噸；同時降低氮肥用量14.7-18.1%，節約氮肥120 萬噸，總計節本增收122 億美元。綠色增產增效技術生產每噸糧食（玉米、水稻和小麥）的氮素損失量平均為4.5-4.7 kg N Mg-1，較農民習慣管理的6.0-6.4 kg N Mg-1顯著降低；生產每噸糧食的溫室氣體排放量328-812 kg CO2 eq Mg-1，較農民習慣管理的422-941 kg CO2 eq Mg-1顯著降低。基于860 萬的大樣本農戶調研數據，進一步分析綠色增產增效技術對我國糧食生產和農業可持續發展的影響及潛力。
糧食安全、環境退化和氣候變化是人類面臨的巨大挑戰。農業是解決這些挑戰的核心，為滿足未來人口增長對糧食的需求，2050年全球糧食產量必須增加60-110%（較2005年相比），且應同步降低氣候變化的環境威脅，充分利用自然資源。其中，最大的挑戰來自以小農為主的農業地區，例如，在撒哈拉以南非洲，印度和中國。在這些地區，因農戶飽受資源缺乏和知識不足的困擾，所以糧食的綠色增產增效取決于農戶如何管理他們的土地。為提高小農戶的生產能力，一些研究已經在技術方面取得了進展。然而，在技術大面積應用，同時解決作物產量與環境保護目標方面的進展不多。因此，在小農為主的高投入-低效率生產系統的國家，大面積推廣綠色增產增效技術意義重大。
中國是一個典型例子，全國兩三億農戶且每戶耕地面積僅幾公頃，農業生產嚴重依賴高量甚至過量的資源投入。例如，中國平均氮肥用量為305kg ha-1 yr-1，而世界平均氮肥用量僅74kgha-1 yr-1，所以中國的氮肥利用率（收獲物攜出氮占投入氮的比例）只有0.25，較世界的0.42和北美的0.65明顯偏低。另外，過量施氮導致中國大面積土壤酸化，水體污染和溫室氣體過量排放。因此，為保證糧食的綠色增產增效，中國需要一個“高度的平衡行動”實現高產高效并大幅降低環境代價。然而，如果不調動廣大的農戶，根本無法實現這一點。
本研究報道了在過去十年里，與全國2090萬農戶一起應用優化的管理技術獲得了更高的產量，同時減少了環境污染。首先，全國13123個田間試驗表明在不同生態區域的玉米、水稻和小麥生產中應用土壤-作物系統綜合管理（Integrated Soil-crop System Management, 綠色增產增效）技術是可行的。然后，在各區域進行大面積的田間推廣，實現應用綠色增產增效技術的耕地面積達到3770萬公頃。最后，我們討論了實現國家農業可持續生產的可行性及其對糧食產量和關鍵環境指標的潛在影響。
開始，我們要有制定田間管理技術的工具，便于田間操作和應用。其次，這些管理技術必須全面包括關鍵的作物-土壤-水分-養分參數，且能夠適應不同的農業生產區域。而綠色增產增效系統 似乎符合這些要求，它一方面由作物模塊構成，可基于作物生長模型制定種植策略（例如：作物種類、玉米、水稻或小麥的播種時間以及深度），最大化利用特定區域的光熱資源；該系統另一方面由資源供應模塊構成，可根據土壤測試結果和作物養分需求規律配置養分和水分的供應。相關研究已報道，基于綠色增產增效的管理技術與農戶習慣的管理相比，在減少4-14%的氮素投入的情況下可顯著提高18-35%的作物產量，且氮肥偏生產力提高幅度達32-46%。
那么，綠色增產增效能否應用于中國主要的農業生態區域，在寒帶到亞熱帶地區、干旱到半干旱以及中等濕潤地區，均取得類似的結果呢？為此，從2005 到2015 年連續10 年在不同的生態區域共布置了13123 個田間試驗。每個試驗均包括基于綠色增產增效推薦的管理措施（處理）與農戶習慣的管理措施（對照），田間試驗的操作在技術人員現場指導下由農戶獨立完成（方法）。結果表明，作物產量對處理的響應，因作物類型和生態區域不盡相同，但是綠色增產增效技術較農戶習慣管理均顯著提高了作物產量、氮肥利用率以及農民的收入，并且減少了氮素損失。多年多點試驗結果表明，玉米籽粒產量平均從7.83 增加到9.54 Mg ha-1（n = 6089），水稻籽粒產量從7.03 增加到8.41 Mg ha-1（n = 3300），小麥籽粒產量從5.69 增加到6.73 Mg ha-1（n = 3734）；同時，氮肥用量減少8.5-15.6%（圖1）。與預期結果一致，較農戶習慣管理，綠色增產增效技術可提高氮肥利用率、增加農民收入和提高環境質量。數據顯示，綠色增產增效技術顯著提高了26.0-33.1%的氮肥偏生產力，同時有效降低22.9-34.9%的氮素損失強度（方法）和18.6-29.1%的溫室氣體排放強度（圖1）。
圖 1 綠色增產增效技術實施效果 在中國四大農業生態區域的玉米（上圖）、水稻（中圖）和小麥（下圖）生產中，分析了綠色增產增效技術較農戶習慣管理對產量反應，氮肥用量，農戶收入和溫室氣體排放的影響。實心和紋理柱子分別代表田間試驗（n=13123）和農民習慣。* 表示處理（綠色增產增效）和對照（農戶習慣）的差異達顯著水平，p<0.05。
多年多點田間試驗有力證明了綠色增產增效系統的強大和多功能性，可用于在全國不同區域制定適于推廣的生產管理方案，同步實現糧食安全和環境質量目標。在特定的區域，經田間驗證和改進的綠色增產增效管理方案一旦被確定下來，我們就策劃和組織大面積的推廣工作以促進這些先進的措施被農民采用（方法）。全國共有1000 多名研究人員、6.5 萬名農業推廣人員、及13 萬農業相關企業人員（圖2）和452 個縣的2090 萬農民參與了技術的田間應用工作，共計3770 萬公頃播種面積應用了綠色增產增效管理技術。
圖2 綠色增產增效技術應用新模式。推廣行動的目的在于同農民一起應用綠色增產增效技術實現高產高效和環境友好。科研合作者（農業院校或研究院所的科學家和學生）制定當地適用的綠色增產增效技術方案，然后培訓推廣人員（不同級別政府單位的農業技術人員）和農業相關企業人員（農產品供應和服務，包括公司業務主管/產品開發人員，區域營銷以及當地經銷商和銷售代表）。通過科研人員、推廣人員和企業人員與農民一起工作，大面積開展綠色增產增效技術的應用推廣。括號中的數值表示參與活動的人員數量。
經全國大面積推廣應用綠色增產增效技術，相應的作物產量和環境指標也均達到預期結果。綜合10 年數據顯示，與農戶習慣的管理相比，應用綠色增產增效技術促進三大作物產量提高10.8-11.5%，氮肥用量減少14.7-18.1%（表1；方法）。總體上看，應用綠色增產增效技術生產糧食增加3300 萬噸，氮肥用量減少120 萬噸，增收節支122 億美元（表1）。應用綠色增產增效技術減氮增產的數量十分可觀，數據顯示，2005-2014 年馬拉維的糧食總產量只有3150 萬噸，而且2005-2015 年整個撒哈拉以南非洲的氮肥使用量僅460 萬噸。
通過計算氮素損失（包括氧化亞氮排放，氨揮發，硝酸鹽淋溶和氮素徑流損失）和溫室氣體排放（方法）評估了推廣應用綠色增產增效技術的環境效益。受作物種類、氮肥用量、生態類型及其他因素影響，環境指標評估結果差異很大。整體上看，較農戶習慣的管理，應用綠色增產增效技術可有效降低氮素損失強度13.3-21.9%，且減少溫室氣體排放強度4.6-13.2%；產量尺度的氮足跡分析表明，應用綠色增產增效技術生產每噸玉米、水稻和小麥的氮素損失強度分別為4.6、4.7和4.5 kg Mg-1，而農戶習慣的氮素損失較高，分別為6.1、6.0和6.4 kg Mg-1。同樣，產量尺度的溫室氣體排放效應分析表明，應用綠色增產增效技術生產每噸玉米、水稻和小麥的溫室氣體排放強度分別為328、812 和434 kg CO2 eq Mg-1，而農戶習慣的溫室氣體排放強度較高，分別為422、941 和549 kg CO2 eq Mg-1（表1）。
表1 全國大面積應用綠色增產增效技術與農戶習慣管理相比對玉米、水稻和小麥的產量、氮肥用量、氮肥偏生產力、氮素損失、溫室氣體排放及經濟效益的影響（2006-2015 年）。
* 活性氮素損失包括氨揮發，硝酸鹽淋洗，氧化亞氮排放和氮素的徑流損失。
? 溫室氣體排放包括作物生命周期內產生的二氧化碳，甲烷和氧化亞氮。
? 凈收入指農戶的產量增加，氮肥用量減少帶來的經濟效益，每公斤玉米、水稻、小麥和氮肥的價格分別為0.31、0.40、0.32 和0.62 美元。
差異（Difference）指綠色增產增效技術較農戶習慣增加的百分比。
改變農民的行為不僅要有過硬的科學技術，而且建立信任機制、創新農戶參與形式，培養農戶生產能力以及強化農業社區結構也都非常重要，這些也是我們在技術大面積應用中推行的方法。例如，我們向農民積極分子（科技帶頭人）提供基本的知識和解決問題的技巧，從而使他們能夠引導附近的村民；我們建立農民合作社，給小農戶一個集體的聲音，以更好的價格談判采購或銷售他們的產品，甚至影響當地的農業政策。本文的研究方法中具體描述了技術應用的科研合作、參與機制、社會經濟因素及相關影響。
就中國廣大的小農戶而言，他們的生產力及其對環境影響有多大呢？基于大樣本的農戶調研數據（涉及1944 個縣的860 萬農戶，調研覆蓋面積占全國三大作物總面積的73％；方法）分析表明，大部分農戶（61%）的產量至少低于綠色增產增效技術對應產量的10%（最高低于50%），但是他們的氮肥用量與推薦技術相當，甚至更高。將各縣的平均產量、氮肥用量與綠色增產增效技術推薦的范圍進行比較發現，縣級尺度的評價結果往往差距很大（圖3），表明當前的農戶管理模式還有很大的提升空間。
圖3 當前農戶生產現狀及其提升空間。基于1944 個縣860 萬農戶的大樣本調查數據評價了縣級尺度農業生產現狀（2005-2014 年）。圖中橫虛線和豎虛線分別代表所有作物產量和施肥量的平均值，其中，玉米的分別為7.2 Mg ha-1 和208 kg N ha-1，水稻的分別為7.3 Mg ha-1和181 kg N ha-1，小麥的分別為5.0 Mg ha-1和181 kg N ha-1。矩形框表示基于綠色增產增效技術的推薦范圍。括號中的數值代表調研縣的數
然后，我們采用情景分析方法（見方法），評估所調查的縣應用綠色增產增效技術的潛在效應。將分布在各生態區域的縣均劃分為LH（低產量-高氮肥用量）、LL（低產量-低氮肥用量）、HH（高產量-高氮肥用量）和HL（高產量-低氮肥用量）。情景1（S1），僅針對LH 組，以各地綠色增產增效技術推薦的氮肥用量和產量作為基準；情景2（S2），包括LH和LL 兩組；情景3（S3），在S2 基礎上增加了HH 組。結果表明，較目前農戶習慣的管理，如果應用綠色增產增效技術可促進S1、S2 和S3 的年均產量分別增加1930、7050 和8240 萬噸。總體來看（即S3），如果應用綠色增產增效技術，每年可減少氮肥用量110 萬噸（較農戶習慣降低8.5%），降低氮素損失達45 萬噸（16.0%），減少溫室氣體的排放量為2340 萬噸（7.6%）。
全世界有25 億小農戶經營著全球60%的耕地面積。他們的農業生產方式直接決定了他們的生計，同時在影響著全球的糧食，資源和生態系統健康。向小農戶推廣綠色安全的生產技術，幫助他們獲得更高的生產力和更好的環境，這對于大家所追求的可持續的公平世界至關重要。為此，我們的研究工作是對現行解決方案的重要補充。
中國鄉村發現網轉自：《Nature》
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