论文标题：Enhancing green productivity and efficiency through innovative approaches to agricultural system research

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Xiangwen FAN, Wenqi MA, Zhaohai BAI, Fusuo ZHANG, Lin MA

发表时间：15 Sept 2025

DOI：10.15302/J-FASE-2025628

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绿色增产增效技术

Green Technology for High Yield and Nutrient Use Efficiency

专 辑 文 章 介 绍

· 第二篇 ·

▎论文ID

Enhancing green productivity and efficiency through innovative approaches to agricultural system research

绿色增产增效系统研究思路和方法创新

文章类型：Review

发表年份：2025年

第一作者：樊相文

通讯作者：马林

Email: malin1979@nju.edu.cn

作者单位：南京大学环境学院

Cite this article :

Xiangwen FAN, Wenqi MA, Zhaohai BAI, Fusuo ZHANG, Lin MA. Enhancing green productivity and efficiency through innovative approaches to agricultural system research. Front. Agr. Sci. Eng., 2025, 12(3): 441–449 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2025628

· 文 章 摘 要 ·

现阶段农业研究正经历一场关键转型，既从单一关注粮食安全转向涵盖粮食安全、环境保护和资源可持续利用的跨学科研究。全球人口增长和气候变化使得采用平衡作物生产力与环境管理的可持续做法变得十分迫切，过去的农业研究方法通常以单一目标为中心，且局限于特定学科和目标，其价值如今已受到争议，当前需要一种多目标方法、全产业链提升 (涉及从初始原材料阶段到最终消费者的服务) 以及可持续农业发展的整体方法。为应对这些挑战，本文提出了一种创新的农业系统研究方法，该方法整合了跨学科创新理念，并倡导采用自上而下与自下而上相结合的策略。创新农业理念指的是通过技术整合对系统进行重新设计以实现大规模应用，最终旨在提高整体作物产量、环境可持续性和效率。自上而下的方法是在不同尺度设定产量目标和环境阈值，并与国家粮食安全、资源利用效率和生态可持续性目标相契合，这种方法确定了必要的技术系统和整合方式。相比之下，基于科技小院的自下而上方法，分析了制约作物高产高效的主要因素，并制定实现高产高效的系统方法。通过耦合自上而下与自下而上的综合性农业研究方法能够同时应对粮食安全挑战、提高资源利用效率并保护环境可持续性。在全球需求不断增长和环境问题日益突出的情况下，农业发展及其科学研究模式亟需变革。

· 文 章 亮 点 ·

1. 提供了整合跨学科研究的创新农业系统研究方法，倡导采用自上而下与自下而上相结合的策略。

2. 提出的综合性农业研究方法有望同时应对粮食安全挑战、提高资源利用效率并维护环境可持续性。

3. 科技小院网络不仅能满足国家战略需求，还能为解决生产中的瓶颈问题提供有效方案。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

随着人口增长，全球对农业食品的需求持续上升，农业系统需要提高其生产力以保障粮食供应。由于不同发展阶段目标不同，农业系统发展及其科学研究经历了由单一提升产量目标到产量、效率和环境的多目标协同的发展历程。然而现阶段针对复杂的农业系统，传统研究以析因试验方法为主，将系统拆分为各种局部要素进行研究，难以满足农业生产中要素优化组装的整体要求，并且试验站的研究结果多是在较好条件下获得的，难以满足小农户多变的土壤和管理环境，导致技术采纳率很低。尽管20世纪末和本世纪初，出现了参与式、农作系统研究、On-farm、DEED等更贴近农户生产的研究方法探索，但仍然没有成为主流。因此，为实现农业绿色发展背景下的高产高效，科研模式需转向跨学科整合研究。基于此，本文提出了创新的农业系统研究方法，通过整合跨学科研究及“自上而下与自下而上相结合”的策略，助力实现高产高效，并推动创新农业技术在农场的应用，以提升农业生产力。

▎绿色增产增效系统研究方法创新

本文构建了以科技小院为核心的“自上而下和自下而上”多目标协同、多尺度耦合、多主体融合的作物绿色增产增效研究框架。自上而下的方法从协同粮食安全、资源效率和环境可持续性的国家级目标出发，再将这些总体目标通过降尺度的方法，构建区域目标并针对具体作物制定产量目标和排放阈值，分析区域作物系统以确定产量潜力和减排能力，同时考虑农场层面的限制因素。相反，自下而上的方法从一线生产中遇到的挑战入手，通过诊断分析开发适合具体情境的技术 (如耐旱作物)，随后将这些创新整合到适应性作物系统模型中，使其能够在不同区域推广应用。

在自上而下的方法中，设计高产高效的种植系统对粮食安全至关重要。在国家尺度上，自上而下方法的第一步是设定对确保粮食安全至关重要的生产目标并在此基础上确定其他影响粮食产量因素的阈值，这些因素包括一系列能促进或制约农业生产力的决定因素 (温室气体排放、水资源限制和土地利用)。其次，根据人口分布，将国家作物生产目标分解到区域层面。然后根据这些目标得出区域的水和土地利用阈值，同时利用可持续发展目标与排放之间的回归模型计算温室气体排放限值。通过现状与预先设定的目标进行比较，可以确定每个区域和农场的产量提升潜力和环境排放减少潜力。最终，根据绿色增产增效目标确定相应的技术并建立高产高效系统。同时，颁布相关政策的实施确保该系统的实际应用和有效采用。

在作物生产中整合自上而下和自下而上的方法，需要对养分流动系统进行创新的定量建模，以精确量化不同尺度的污染物排放和环境影响。现阶段NUFER 模型已从基本的养分流动模型演变为一个全面的食物-资源-环境建模框架。通过与GLOBIOM模型、PC Lake模型、GLOBAL NEWS模型、GAINS模型和MARINA 模型等相结合，将食物系统与土地利用、水资源、养分和温室气体排放建立联系，形成了一个多尺度、多指标的综合模型分析平台。NUFER综合模型已经被众多研究用于定量解析不同技术对提高养分利用效率和减少环境污染的影响。因此，将NUFER综合模型与自上而下和自下而上的创新技术相结合，可以在提高农业产量和效率的同时协同减少环境污染。这种整合不同模型与技术的综合解决方案，代表了农业系统建模方面的方法学进步，为通过数据驱动的、特定情境的解决方案以及实现可持续发展目标提供了科学依据和坚实的方法。

· 结 论 ·

本文提出的这种整合了自上而下和自下而上的系统方法，有助于理解农业系统内各组成部分之间的相互联系。本文对农业生产目标进行定量分析并找出解决方案，因此代表了农业研究发展的一种新范式。与常用的单因素试验相比，这种整体方法能够应对未来农业面临的多方面挑战 (平衡生产力、资源效率和环境可持续性)。本文提供的实证案例研究证实了这种方法的可行性，表明了科技小院网络是整合创新的基石。作为科研与实际应用之间的动态桥梁，科技小院网络具有以下关键作用：(1) 捕捉一线生产中的具体问题和数据；(2) 开展技术创新以突破瓶颈技术；(3) 通过适应性推广模式传播解决方案，最终在提高生产力的同时最大限度减少环境污染。本文贡献了一个超越传统学科界限的系统创新框架。通过整合自上而下的系统优化与自下而上的适应性管理，为未来的农业研究提供了一种可靠的方法。随着全球粮食系统面临日益加剧的气候和人口压力，这种整合方法是在环境阈值内实现高产高效的关键一步。

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