亮文解读 | 区域层面可持续种植制度设计中的权衡：以华北平原为例

可持续作物与牧草系统

Sustainable Crop and Pasture Systems

专 辑 文 章 介 绍

 · 第十篇 · 

 

 

▎论文ID

Trade-offs on the Design of Sustainable Cropping Systems at a Regional Level: A Case Study on the North China Plain

区域层面可持续种植制度设计中的权衡：以华北平原为例

发表年份：2022年

第一作者：Jeroen C. J. GROOT^{1, 2, 3}
通讯作者：杨晓琳⁴

     yangxiaolin429@cau.edu.cn

作者单位：1. 荷兰瓦赫宁根大学。2. 国际玉米和小麦改良中心（CIMMYT）。3. 国际生物多样性中心和国际热带农业研究中心联盟。4. 中国农业大学水利与土木工程学院。

  Cite this article :  

Jeroen C. J. GROOT, Xiaolin YANG. TRADE-OFFS IN THE DESIGN OF SUSTAINABLE CROPPING SYSTEMS AT A REGIONAL LEVEL: A CASE STUDY ON THE NORTH CHINA PLAIN. Front. Agr. Sci. Eng., 2022, 9(2): 295‒308 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2021434

 

 · 文 章 亮 点 · 

 

1. 评估30种不同种植制度对华北平原产生的影响。

2. 权衡生产、经济和环境这三个指标。

3. 采用进化算法进行多目标优化。

4. 分析生产率和盈利能力与地下水下降之间存在的冲突。

5. 确定6种战略共同来缓解研究对象之间的权衡问题。

 

 

 · 摘 要 · 
 

       自绿色革命以来，随着肥料、农药和水等投入率的不断提高，作物生产力大幅度提高，但同时也加大了环境压力。为了确定提高生产力和减少种植系统的环境影响因素，评估相关协调关系至关重要。本文基于模型分析了华北平原实施的30种不同轮作如何在区域内结合，以解决经济、粮食安全和环境绩效之间的权衡问题。该模型使用进化多目标优化方法使收入、畜产品、膳食和维生素C的产量最大化，并使地下水位的下降最小化。该模型揭示了生产力和利润率最大化与地下水下降最小化之间的实质性关系，以及畜产品和维生素C产量之间的协调关系。同时确定了6项战略，每项战略都规定了一种具体的组合种植制度，实施这六项战略可用于权衡目标之间的协调关系。研究结果表明，在区域层面需要对多样性种植系统的潜力进行整体分析，以找到综合解决方案，以应对粮食生产、经济可行性和环境保护等目标冲突所带来的挑战。

 

 

 · 研 究 内 容 · 
 

▎引言

       自绿色革命以来，作物产量翻了一番，但营养物质和农药大量使用对环境产生的破坏和造成的损失，以及对水的扩大利用增加了两倍多。在华北平原观察到了谷物种植系统集约化的趋势，并观察由此导致的资源枯竭和污染，以及重视资源利用效率以减轻其对环境的负面影响。考虑到华北平原对中国粮食安全的重要性，以及中国拥有协调盈利和产量充足的粮食生产地区，同时也在生态系统和资源保护方面面临重大挑战，华北平原适合进行区域一级的案例研究和可持续集约化分析。为了应对减少污染和用水的挑战，同时稳定作物生产力，对该地进行不同作物组合和管理方法的种植实验。并对30种作物制度进行评估和比较，以了解它们在改善地下水枯竭问题的同时实现经济和粮食安全协同效益的潜力。这些系统以不同的方式助力农业可持续性三个方面目标的实现，即经济盈利能力、粮食生产和环境影响。因此，没有单一的解决办法，而复种制度的组合有望有效地解决这一系列问题。面临土地决策中指标的取舍问题时，需要用到权衡分析工具。本文讨论了粮食安全和经济收入之间的权衡，以及在区域层面上种植制度对华北平原种植区的环境影响。将各种利益转化为相关指标，并采用多目标优化方法来探索指标之间的关系。在区域层面，评估完整的作物轮作与利用作物残留物对动物生产所造成的影响。因此，本研究的目的是探讨生产、营养和资源效率目标之间的权衡和协同作用，并通过对这些权衡和协同作用的深入了解，为华北平原的案例研究提供区域层面的土地利用和种植系统的设计决策。

 

▎研究方法

       方法框架如图1所示。种植制度数据用5个指标量化了30个作物轮作的绩效。这些数据被用于由进化算法驱动的多目标优化，以确定5个目标之间的权衡和协同作用，这些目标来自种植系统指标，并添加了预期的变化方向，由此产生了该案例研究区域的一套替代种植系统配置。采用差分进化算法进行多目标优化，以Pareto最优性和聚集性作为解集进化改进的选择准则。随后，使用主成分分析和层次聚类分析，在解决方案集中找到一致的种植系统组合模式。

 

图1.本研究的方法论框架

PCA，主成分分析；HCA，层次聚类分析

 

▎研究结果

       实验结果表明，不同种植制度的表现差异显著（图2）。菠菜-春玉米轮作产生的维生素C量最多，其营养系统产量足以养活646人 ha⁻¹·yr⁻¹。黑麦草-高粱的种植制度获得了最高的牲畜产品产量和最高的经济收入，但不生产维生素C以及只生产少量的膳食能量，同时会导致地下水的大幅度下降。只有四种作物轮作才能避免地下水枯竭，其中雨养春花生和雨养春大豆效果最好，正效应为0.43 m。30个作物轮作中有14个是Pareto最优。在华北平原地区，冬小麦-夏玉米两熟制种植制度在30个种植系统中Pareto位列第三，可认为是次优。本研究分析得到30种种植制度下的多目标优化结果（图3）。经济收入与饲粮能量生产和畜产品生产之间存在协同关系。然而这些指标的增加与地下水下降的增加相关，表明存在重要权衡问题。此外，当收入增加超过18,000 CNY·ha⁻¹·yr⁻¹ 且饲粮能量产量提高到足以养活55 人 ha⁻¹·yr⁻¹的数量时，维生素C产量会随着牲畜产量的增加而减少。

 

 

图2  种植系统在经济收入、地下水位下降（NWD）（a）、畜产品营养系统产量（NSY_LP）（b，c）、膳食能量（NSY_DE）（d−f）和维生素C（NSY_VC）（g−j）等选定模型指标方面的性能。冬小麦-夏玉米优势种植体系为0，多目标优化中最常选择的5种种植体系为1−5（见表1）。大多数指标的种植制度1和种植制度2重叠，以1/2表示。P表示人（persons）。

 

 

图3  多目标优化指标之间的关系：经济收入、地下水位下降（NWD）（a）、畜产品营养系统产量（NSYLP）（b，c）、膳食能量（NSYDE）（d−f）和维生素C（NSYVC）（g−j）。结果集包含2500个配置；每个点表示种植系统区域的不同配置。选项集由“船体”（灰线）包围。根据目标和种植系统领域，解决方案分为六组。P表示人（persons）。

 

 

       本研究根据优化方案集中的指标性能和作物轮作面积进行聚类分析，得出6个聚类，每个聚类包含11%–20%的解决方案。选择方案中Pareto最优的集群为种植策略。其中集群1和集群2获得了最高的经济收入。集群3维生素C产量最高。通过结合三种种植制度，第5和第6组解决方案实现了最低的地下水下降目标（图4）。

 

 

图4  多目标优化解集中6个聚类中5种不同种植制度所占面积比例。种植制度:（a）雨养春花生，（b）雨养春大豆，（c）黑麦草-高粱-玉米，（d）菠菜-春玉米，（e）甘薯-棉花-甘薯-玉米-冬小麦-夏玉米。

 

       研究根据集群内的中等种植面积创建了5种方案情景（表1），在折衷方案中，只有春大豆雨养比例（8%）明显低于其他作物（19%–27%），同时地下水仍将维持下降的状态。如果以避免地下水枯竭为目标，则可实现的最大收入为11,587 CNY·ha⁻¹·yr⁻¹，营养系统饲粮能量和维生素C产量分别为31人 ha⁻¹·yr⁻¹和39人 ha⁻¹·yr⁻¹，其中畜产品产量养活19人 ha⁻¹·yr⁻¹。在这种雨水灌溉的情况下，春季花生和大豆产量将增加，分别为41%和15%，对水要求较高的甘薯-棉花-甘薯-冬小麦-夏玉米的种植系统将减少到20%。
 

表1  以经济、环境、营养或构成折衷的5种发展情景下的种植系统比例和性能指标

 

▎讨论

       在华北平原地区实行的冬小麦-夏玉米两熟制灌溉种植制度最主要的特点是膳食能源生产量高，但它不产生维生素C，导致地下水位显著下降，因此它的Pareto等级为3，可以认为是次优。冬小麦-夏玉米种植制度的重要性可能归因于它对主食生产和随之而来的膳食能量供应的贡献，从而保证粮食安全。复种制度与占主导地位的冬小麦-夏玉米灌溉种植制度相比，折衷方案将使经济收入翻一番，同时减少地下水位的下降，并额外提高维生素C和畜产品产量。实施涉及复种制度的更复杂的设想，需要在农场级别实现多样化，或者对各种作物的种植进行区域协调。在农场层面，这可能导致更多样化的作物轮作，有利于土壤和作物健康。通过进一步多样化，这些效益可以通过种植包括块根和块茎作物以及蔬菜得到加强。为了解决已确定的权衡问题，需要创新种植方法，结合作物多样化、基因作物改良、资源高效的土壤耕作和作物管理。对于多目标优化以及优选种植制度所产生结果和情景，在很大程度上依赖于分析中包含的指标。过去的研究表明了采用一套更广泛的评估标准的重要性，承认存在着权衡，并提供了综合分析的方法。考虑到研究旨在加强人类健康和环境健康的单一健康观点间的相关性，可进一步扩大指标集。

       大多数关于华北平原种植制度和相关权衡的研究都集中在大田层面的分析、个别输入或较窄范围的问题上。本文提出的多目标优化方法同时优化了几个指标，允许系统地探索创新，以满足生产、经济和环境的目标要求。本文的方法为更全面分析的起点。在未来的研究中，需要在时间和空间上对种植制度和作物管理进行更详细的重新构建，以提高种植制度的绩效。此外，发展技术、利用生态过程和生态系统服务，以及重新结合作物和畜牧业生产将有助于支持华北平原地区种植制度的生产和提升环境绩效。随后的研究可以集中在范围较小的次区域（如在华北平原地区选定的县区），并将在研究地区上发现的生物物理和社会经济条件的差异性纳入其中。这些环境变化将影响作物的反应和农民的偏好与策略。

 

▎结论

       研究结果表明，从目前在华北平原种植区占主导地位的冬小麦-夏玉米灌溉种植制度向更多样化的种植制度转化是有希望的，但这涉及多种策略和种植制度选择的组合，因此需要时空规划协调。此外，还需要进一步备选方案，使作物组合多样化和提高种植的效率。这里提出的方法框架证明有助于探讨在区域一级发展种植系统的未来有可能的途径，并查明可能发生的重要冲突和对权衡对象的协同增效作用。该框架是灵活的，允许快速纳入新的指标，例如与环境影响和营养敏感型农业有关的指标。与其他研究相比，本研究综合了复种制度和相关内容的问题，并对其与动物生产的关联进行评估。权衡是可视化和明确的，允许从多个角度分析问题，并提出一系列不同的解决方案。权衡利弊需要在利益相关者、创造力和创新之间进行激烈的讨论。强大的涉众交互和政策支持将有利于确定综合解决方案，克服重要的权衡取舍问题。