Nature丨与数百万小农户一起追求可持续生产力

论文内容

研究背景：

粮食安全、环境退化和气候变化是人类面临的重大挑战。农业是这些挑战的核心，粮食产量必须（从2005年起）增加60-110%，才能在面对气候变化和自然资源竞争日益激烈的情况下，在2050年前满足不断增长的需求。其中最大的挑战发生在小农户农业占主导地位的地区，例如撒哈拉以南非洲、印度和中国。在这些地区，粮食安全和可持续性取决于通常资源有限、知识匮乏的小农户如何耕种土地。

中国农业系统有2亿至3亿户家庭，每个家庭耕种几公顷土地，严重依赖高投入和过度投入。例如，全球平均施氮量为305 kg·N·ha−1·yr−1，而全球平均施氮肥量为74 kg·N·ha−1·yr−1；氮利用效率仅为0.25，而全世界为0.42，北美为0.65。氮的过度施用导致了广泛的土壤酸化、破坏性的水污染和过量的温室气体排放。为了实现可持续的粮食安全未来，中国需要一个“伟大的平衡行动”，在大幅减少环境足迹的情况下实现高产高效。

研究内容：

我们调查了综合决策支持土壤-作物系统综合管理（ISSM）是否可以在中国的主要农业生态区使用，这些地区从寒冷到亚热带，从干旱到半干旱到湿润地区，以在所有地区获得类似的结果。我们进行了实地试验，在2005年至2015年期间，在农业生态区共进行了13123个地点年的试验（扩展数据图1）。与农民的传统做法（对照）相比，每项试验都包括基于ISSM的建议（治疗），参与的农民进行田间作业，活动合作者提供现场指导（方法和扩展数据表1）。不同农业生态区不同作物对处理的产量反应不同。

结果表明，在所有情况下，基于ISSM的处理都提高了产量、氮生产力和农民盈利能力，并减少了氮损失。在所有场地年份的平均值中，玉米（n=6089）的粮食产量从7.83增加到9.54 Mg·ha−1，水稻（n=3300）的产量从7.03增加到8.41 Mg·ha−1，小麦（n=3734）的产量则从5.69增加到6.73 Mg·ha−1。同时，施氮率（单位面积施氮量（kg N·ha−1））下降了8.5-15.6%（图1）。不出所料，基于ISSM的处理提高了氮利用效率、净收入和环境绩效。氮气生产率增加了26.0–33.1%。计算的活性氮损失（方法）减少了22.9–34.9%，GHG排放减少了18.6–29.1%（图1）。全国运动的生产和环境成果符合预期。综合10年数据显示，在比较基于ISSM的干预措施和农民的普遍做法时，总产量提高了10.8–11.5%，氮肥使用量减少了14.7–18.1%。这导致10年期间粮食净增加3300万吨，氮肥使用量减少120万吨，相当于122亿美元。从长远来看，2005年至2014年，马拉维的粮食总产量为3150万吨；2005-2015年间，整个撒哈拉以南非洲的氮肥使用量为460万吨。综合结果显示，基于ISSM的干预措施使活性氮损失减少了13.3-21.9%，温室气体排放减少了4.6-13.2%。玉米、水稻和小麦的产量规模氮足迹平均每生产一毫克活性氮损失分别为4.6、4.7和4.5公斤，而没有干预的情况下为6.1、6.0和6.4公斤。同样，按产量计算的温室气体排放量分别为328公斤、812公斤和434公斤，而玉米、水稻和小麦的每毫克二氧化碳当量分别为422公斤、941公斤和549公斤。对于中国广大的小农户来说，我们想了解他们的生产力和环境表现是如何变化的，从一项大规模调查中提取了结果（来自1944个县的860万参与者，占三种作物总面积的73%）。我们的分析表明，大多数小农户（61%）的产量至少比基于ISSM的产量低10%（高达50%）。在大多数情况下，将县平均产量和氮素利用率与基于ISSM的基准进行比较，县一级的绩效得分显示出相当大的差距（图3），表明还有改进的空间。

研究结论：

全世界有25亿小农户耕种着世界60%的可耕地。他们的表现直接决定了他们自己的生计，同时这些农民集体影响着全球粮食、资源和生态系统的整体健康。在我们追求一个公平、可持续的未来的过程中，用增强的管理技术赋予小农户权力，帮助他们提高生产力和环境绩效至关重要。为此，这项研究可以成为一系列可行解决方案的宝贵补充。

转自：“农科学术圈”微信公众号

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