区域大面积高产高效潜力与资源环境效应研究课件.ppt

1、区域大面积高产高效潜力与资源环境区域大面积高产高效潜力与资源环境效应研究效应研究如果能够实现双高技术目标的如果能够实现双高技术目标的80%80%就能解决中国粮食安就能解决中国粮食安全问题，但如何实现？全问题，但如何实现？RiceWheatMaizeChen et al.,NATURE 2014要解决要解决2个问题：个问题：1 1 国家层面如何在国家层面如何在各区域分步实现？各区域分步实现？2 2 技术层面如何在技术层面如何在农户地块中大面积农户地块中大面积实现？实现？研究方案研究方案中国未来人口、膳食和经济发中国未来人口、膳食和经济发展等情景展等情景各个区域产量和效率潜力实现程度与各个区域产量

2、和效率潜力实现程度与资源环境代价的关系资源环境代价的关系各个区域大面积高产高效分步实现的各个区域大面积高产高效分步实现的难易程度和策略难易程度和策略Trade-off analysis基于基于NUFER模型的三模型的三大作物生产需求大作物生产需求限制因素：限制因素：l耕地面积耕地面积l种植结构种植结构l化肥减施化肥减施l水短缺水短缺l环境减排环境减排区域大面积高产高效的贡区域大面积高产高效的贡献和资源环境效应献和资源环境效应2015-2016年年2017-2019年年中国农业生产的中国农业生产的资源环境代价：资源环境代价：l氮足迹氮足迹l磷足迹磷足迹l水足迹水足迹l温室气体温室气体l富营养化富

3、营养化l耕地需求耕地需求Top-down可持续农业可持续农业指标体系指标体系（SDGs）主要研究进展主要研究进展1.揭示了中国高产高效农业对可持续食物系统的贡献2.阐明了中国主要食物生产和消费的氮磷足迹的历史变化特征3.定量了种植结构改变对化肥用量增加的影响4.定量了高产高效技术大面积实现的资源环境代价5.初步分析了大面积高产高效区域分步实现设计进展进展1 1 揭示了中国高产高效农业对可持续食物系统的贡献揭示了中国高产高效农业对可持续食物系统的贡献Sustainable Development Goals（SDGs）SDSNSustainable development Solutions N

4、etwork Chinese Blueprint:National Plan on Sustainable Agricultural Development 2015-2030(Ma et.,EST 2019)构建了可持续食物系统设计与评价的方法构建了可持续食物系统设计与评价的方法(Ma et.,EST 2019)分析高产高效大面积实现的潜力和资源环境效应分析高产高效大面积实现的潜力和资源环境效应三大粮食三大粮食作物需求作物需求高产高效高产高效的贡献的贡献资源环境资源环境代价代价自上而下自上而下+72%+1%-6%百万吨百万吨百万公顷百万吨氮十亿m3百万吨CO2-eq 百万吨氮-33%-42%

5、-7%-17%-52%(Ma et.,EST 2019)牧草需求还有很大的缺口，产量需要增长1倍多。进展进展2 2 阐明了中国主要食物系统的氮磷足迹历史变化阐明了中国主要食物系统的氮磷足迹历史变化Total food N footprint of China from 1960s to 2000s(Guo et.,ERL,2017)Effect of area expansion(AE),Fertilization per unit area change(FE)Cropping structure shift(CS)进展进展3：定量了种植结构改变对化肥用量增加的影响：定量了种植结构改变对化肥

6、用量增加的影响种植业结构改变贡献率逐渐增大种植业结构改变贡献率逐渐增大单位面积施肥量贡献率不断降低单位面积施肥量贡献率不断降低(Chen et.,2018)高产高效技术结合有机肥部分替代化肥，大幅度提高养分利高产高效技术结合有机肥部分替代化肥，大幅度提高养分利用效率，同时减少养分环境排放。用效率，同时减少养分环境排放。Wang et al.,2017 Agricultural systemsWang et al.,2017 STOTEN情景设置：情景设置：Business As Usual(BAU)Zero Fertilizer(ZF)growth 化肥零增长化肥零增长Integrated N

7、utrient Management(INM)高产高效高产高效+有机肥部分替代化肥有机肥部分替代化肥High productivitiesBalanced FertilizationPrecision FeedingManure replacement进展进展4：高产高效技术大面积实现资源环境效应：高产高效技术大面积实现资源环境效应高产高效技术大面积实现，减少海洋富营养化高产高效技术大面积实现，减少海洋富营养化Total dissolved inorganic nitrogen(DIN)(kg km-2 year-1)Total dissolved inorganic phosphorus(D

8、IP)(kg km-2 year-1)Li et al.,soil research,2017高产高效农业加之优化畜禽高产高效农业加之优化畜禽粪尿管理，可以减少水体可粪尿管理，可以减少水体可溶性无机氮和可溶性无机磷溶性无机氮和可溶性无机磷浓度浓度20-35%20-35%。进展进展5：初步分析了大面积高产高效区域分步实现：初步分析了大面积高产高效区域分步实现设计和资源环境代价最小化的策略设计和资源环境代价最小化的策略p阐明各区域三大粮食作物的产量差、效率差阐明各区域三大粮食作物的产量差、效率差p分析区域三大粮食作物的资源环境代价分析区域三大粮食作物的资源环境代价p提出资源环境约束下区域分步实现的

9、策略提出资源环境约束下区域分步实现的策略农户调研数据县域统计年鉴u产量差产量差u效率差效率差u环境损失环境损失NH3,runoff,leachinguGHGGHG fertilizer N2O,rice CH4u降水资源降水资源数据挖掘三大作物环境排放规律数据方法 指标分步实现综合评价研究思路研究思路u多图层叠加多图层叠加u归一化指标归一化指标中国不同区域三大粮食作物产量差和效率差中国不同区域三大粮食作物产量差和效率差Cui et al.,2018，分县统计数据NC 黄淮海区 LP黄土高原区 MLY 长江中下游区 NE 东北区 SC 华南区 SW西南区产量产量效率效率产量差（效率差）NCLPM

10、LYNESCSWWheat 0.5(13.4)1.7(28)1.5(28.4)1.2(17.9)Maize 1.5(24.1)4.3(39.1)1.1(31.4)1.9(17.6)Rice1.4(17.4)0.8(20.4)2.0(22.8)0.9(23.4)基于基于NUFERNUFER模型确定了区域三大作物化肥模型确定了区域三大作物化肥投入和环境排放的关系投入和环境排放的关系Maize小麦：黄土高原区小麦：黄土高原区 西南区长江中下游区西南区长江中下游区 黄淮海区黄淮海区 玉米：黄土高原区玉米：黄土高原区 西南区黄淮海区东北区西南区黄淮海区东北区水稻：西南区华南区长江中下游区东北区水稻：西南

11、区华南区长江中下游区东北区RiceWheat 120N losses确定了不同区域实现高产高效的优先程度确定了不同区域实现高产高效的优先程度standardized each of the indicators to a relative scale(01)PrecipitationmmNitrogen loss(kg/ha)200N lossesGHG 0.5Tonnes CO2eq/haHHHMHLMHMMMLLHLMLLYield and efficiency gapsWheatMaizeRice三大粮食作物高产高效区域分步实现策略三大粮食作物高产高效区域分步实现策略小麦：黄淮海区生产了

12、全国小麦：黄淮海区生产了全国63%63%的小麦，但是其资源环境代价的小麦，但是其资源环境代价高并且受水资源严重约束，建议优先提高水肥利用效率；长江高并且受水资源严重约束，建议优先提高水肥利用效率；长江中下游区与黄土高原区小麦生产产量差大，效率差大，资源环中下游区与黄土高原区小麦生产产量差大，效率差大，资源环境代价高，高产高效实现的提升空间大。境代价高，高产高效实现的提升空间大。玉米：黄淮海和黄土高原区产量差、效率差较大，是高产高效玉米：黄淮海和黄土高原区产量差、效率差较大，是高产高效实现的优先发展区；东北区玉米产量高，提质增效是关键。实现的优先发展区；东北区玉米产量高，提质增效是关键。水稻：长江中下游区和西南区的水稻产量占全国水稻：长江中下游区和西南区的水稻产量占全国70%70%，但是环，但是环境损失较高，建议优先在环境限制的约束下，实现高产高效；境损失较高，建议优先在环境限制的约束下，实现高产高效；华南区水稻产量差、效率差较大，是高产高效实现的提升空间华南区水稻产量差、效率差较大，是高产高效实现的提升空间大。大。