由于难以从养分循环利用中获益，农民更愿意使用轻便快捷的化肥，而不再愿意为农家肥还田付出额外的成本。喻朝庆供图

■本报见习记者 韩扬眉

对于“把饭碗牢牢端在自己手中”这件事，我们时刻都没有放松过。

过去70年，我们用尽“十八般武艺”，带来了当前我国粮食供给相对充裕、粮食储备处于较高水平的局面。

然而，不得不承认，为此我们也付出了不小的“代价”。

比如：大规模的农田灌溉导致北方地表水资源量大幅减少；过量的化肥施用加剧了农田的面源污染，管理不当使得养殖粪便中65%以上的氮以流失和氨挥发等形式进入水体和大气环境中,加重了水体富营养化和大气污染……

“农业系统的可持续发展是当今世界面临的一个重大挑战，而当前的中国是世界上最有条件、有能力综合解决这一人类共同面临的难题的国家。”清华大学地学系—清华海峡研究院地球模拟系统人工智能联合实验室（AI-for-Earth Lab）首席科学家喻朝庆博士告诉《中国科学报》。

粮食增产背后的“代价”

农业生产在提供人类基本衣食消费的同时, 对资源、环境、生物多样性和气候在全球尺度产生了深远的影响。其中，以氮、磷为主的养分污染导致人类活动密集区的淡水环境普遍恶化。

近几十年来，该问题在我国表现尤为突出。传统的水—氮循环格局已经发生了深刻改变，导致了环境污染和资源利用不可持续等问题。

喻朝庆认为，原因有多方面。首先，传统的有机废物管理方式，使得大气中生成大量固定合成氮，同时地面环境中也会不断释放和累积污染物。“在中国这样的人口规模、种植和养殖强度下，有限的资源和环境容量无法消纳多种来源的氮污染。”

其次，小型农户经营模式难以实现资源的高效利用。传统的家庭联产承包责任制在改革开放初期激发了农业生产力。但随着劳动力成本提高，农民对农田水肥缺乏精细化管理，过量施肥问题突出，农业劳动生产效率低。这使得我国农产品在国际竞争中缺乏竞争力。

喻朝庆坦承，当前，受劳动力成本、农资价格和粮价等影响，粮食种植的净利润率又有所下降，已接近2003年的水平。我国农业生产或再一次面临重大挑战。“农民如果只依靠自家的一亩三分地，没办法满足基本生活需求。”

2003年前，受国际粮价和干旱影响，全国粮食种植平均利润率持续走低。农民大量放弃粮食种植，导致2003年的粮食产量比1998年约减少了15%。此后，随着一系列惠农政策实行，种粮收益才得到提升。

“农业资源环境是粮食安全的自然基础，是粮食安全首先必须考虑的问题。”中国科学院地理科学与资源研究所研究员成升魁告诉《中国科学报》，不断增长的粮食消费刚性需求与资源环境压力大是当前我国农业发展中非常突出的矛盾之一。

如何既保障粮食安全，同时将农业相关污染物的排放控制在环境容量的安全阈值内，是我国亟待解决的问题。

事实上，自上世纪70年代，我国便提出了避免走“先污染后治理”弯路的目标，且实施了一系列措施。然而，已有的环境变化研究结果表明，目前效果并不理想。

在喻朝庆看来，主要原因之一在于缺乏真正能够解决全局性问题的跨学科定量研究，以及整体的协调机制。“中国如果要实现农业、水资源和水环境的可持续发展，应在统一的科学框架下制定部门间相互协调的长远规划和行动方案。”

量化：寻求粮食安全与环境平衡

该结论的背后，是来自超级计算机平台下定量化的科学数据支撑。

近60年来，中国的粮食安全、水资源和水环境发生了深刻变化。然而，长期以来人们对这三者的演化关系缺乏定量化理解。

10年沉淀积累，喻朝庆团队于近日发表了系列重要研究成果。他们量化分析了全国尺度的粮食安全、水资源和水环境质量之间的定量关系，以期探讨粮食安全与环境安全兼顾的可持续发展对策。

研究人员根据历史粮食产量结构和人口变化数据，计算了自1950年以来人均粮食占有量的热量指标，将中国的粮食安全分为“饥荒水平、温饱水平和富裕水平”三个等级，并以此作为判断自然和社会经济因素对粮食安全影响程度的量化依据。

研究认为，中国粮食生产首次达到了富裕水平(每人每天3000卡路里)的时间是1996年。这一年也被认为是中国农业由总量长期不足转变为阶段性供大于求的标志性年份。

粮食产量增长是由气候、灌溉、施肥、农业技术和社会经济等因素综合作用的结果。研究人员基于神威·太湖之光超级计算机，借助以氮、水、作物光合过程为基础的相关模型，对全国2403个县级种植制度下的水稻、玉米和小麦这三大粮食作物进行了60年逐日生长过程模拟，全方位考虑其轮作制度、灌溉效应、施肥措施对全国的农业旱灾风险、地下水超采、水与氮对粮食生产的耦合影响等，进行了定量评估。

研究结果表明，中国粮食生产的重心从南方持续向缺水的北方转移，且态势仍在进一步加剧，这导致北方水资源消耗加大，在加剧潜在旱灾风险的同时减弱了水体的自净功能。事实上，地下水超采对全国粮食的年均贡献仅为3%左右，禁止超采并不会对粮食安全构成影响。通过发展农业技术提高粮食单产是更有效的方案。未来气候变化可能带来极端旱灾的灾情和频率加剧，需要制定得力措施有效地减少地下水开采和恢复地下水储备。

除此之外，喻朝庆团队成员、清华大学地球科学系博士生黄国锐表示，化肥氮的大量施用在从根本上解决中国粮食安全问题的同时，也深刻改变了水环境质量，“事实上，两者是可以兼顾的。”

为量化水环境质量，研究人员首次量化定义并建立了全国各省份淡水环境氮容量的“安全阈值”。

数据显示，在20世纪80年代中期，全国绝大多数地区的氮排放已经超过了安全阈值。“中国当前的氮管理面临严峻挑战，仅仅保持化肥施用零增长并不能根本扭转当前水环境恶化的趋势。”喻朝庆说。他们对当前不同氮管理的减排措施（主要包括污水处理系统的除氮量、提高农田氮肥利用效率等）潜力进行了评估。数据表明，单个行业部门的规划与政策均无法解决整体问题。

喻朝庆认为，如果要在短期内将全国的氮排放量降到水环境安全阈值内，需要在优化农田氮管理的前提下将全国城乡所有有机废物的还田率从当前40%以下提高到86%以上，其中9个省份需要达到95%以上。

“目前唯一有效的方式是全面重构传统的城乡养分循环体系。”他算了一笔账，以2010年数据为例，重构城市养分体系的基础设施费用大约需要6800亿元，现有的城乡污水处理费用加上环境退化成本远超于此。因此，“经济效益上是合算和可行的”。

不过，喻朝庆坦承，庞杂的行业数据和复杂的多模型模拟使得该研究存在不确定性和误差。未来，应进一步加强区域水环境容量阈值定义的可靠性研究，加强对高水高肥的露天水果蔬菜、农业温室的监测和影响研究。

策略：加强顶层设计 统一协调

改革开放以来，我国人口增幅放缓、粮食供给达到富足水平、资金和技术积累逐渐雄厚，人们对提高生活环境质量的需求已成为社会发展的主要驱动力。

成升魁认为，在保障粮食产能的前提下，要保护好农业资源环境。他建议，主动进行策略性的农产品生产规模、生产结构和生产品种的调整与缩减，以营养健康为导向，以食物整体安全为目标，促进农产品生产向市场需求量大且绿色健康的方向发展。

他从食物消费端建议，要大力倡导绿色消费，避免食物浪费。“国家用了十八般武艺让老百姓碗里端的食物越来越多、越来越丰富，但食物浪费却非常严重，这是对大量水、能源、土地以及生产资料等资源的无效消耗，更增加了环境负荷。解决粮食问题，需要跳出粮食看粮食，把粮食放到生产、流通和消费系统中通盘考量。”

在喻朝庆看来，与40年前改革开放之初相比, 当前中国已经具备了彻底解决粮食生产、水资源和水环境不可持续问题的条件。

“不能简单照搬西方的技术体系和行业标准，需要在提高科学认识的基础上，结合中国国情, 解决当前土地经营、农业经济、部门协调和技术发展等深层次问题。”喻朝庆说。

喻朝庆建议，首先，建立家庭联产承包制下的新型规模经营制度，通过发展公益性规模化企业为农民提供生产经营和改善农村环境服务。以政府授权的方式允许这些企业对弃耕地恢复生产，经营收益与农户共享，促进农民就业、提高农机利用率，而企业无需承担土地租赁成本。

此外，农业部门可通过指导企业行为协调区域粮食生产，以实现资源合理配置，还可以对农村环境进行职业化管理。

“有多少土地、水资源，就匹配多少粮食生产任务。”黄国锐说，下一步他希望分析研究中国南北农业与资源平衡格局情况下将呈现怎样的局面。

而最重要的是，实现氮管理目标和水资源可持续利用目标，需要整个社会体系的协调联动。喻朝庆说，“在统一的科学框架下制定与各部门目标相融合的综合性可持续发展中长期规划和行动计划，对能够切实打通气象、水文、国土、农业、环保、经济、人口和城乡建设的真正跨学科综合研究予以持续资助，且保证其稳定性和持续性。”

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1001-1

https://doi.org/10.1088/1748-9326/ab3c10

https://doi.org/10.1360/SSTe-2019-0041