中国的梯田，研究人员在此提升作物产量至接近其生物物理极限。

过去二十年来，评论员把转基因作物称作是解决世界食品危机的灵丹妙药。然而，想要避免土壤的进一步退化、自然栖息地的破坏和空气与水的污染，同时让粮食显著增产，以养活持续增长的世界人口，农业仍需吸纳多种方法。

中国正在推进这种混合策略，这给世界其他地方提供了一个非比寻常的实验室。从2003年到2011年，中国谷物增产了大约32%（是世界平均水平的二倍还多[1]）。这其中主要靠的是改善低效农田的效率。然而要满足未来二十年中国的预计需求，仍需要增产30-50% [2]。中国几乎没有更多可以开垦的土地，而且有些地方水资源短缺已触及警戒线。更糟的是，化肥滥用是空气污染的罪魁之一[3]，而空气污染是造成每年成千上百例早逝的主要风险因素。滥用化肥也导致众多河湖、沿海地区受水华之害，其中以华南为甚。

受如此迫切的需求驱动，为了生产更多的粮食，也为了减轻农业的环境危害，中国科学家正运用政府资金致力于提升粮食产量至其生物物理极限。关于如何用最少的经济环境成本换取最大的产量，发展中和发达经济体要向中国寻求指导，整合包括基因改造在内的各种实验和建模研究。

多种方法让农田更肥沃

在美国，人均耕地面积有半公顷多一点。相比之下，中国13亿人，人均可利用耕地仅有十分之一公顷。这个国家有2.3亿块农田，其中90%多都很小——比如，华北平原一块典型的农田大概7米宽，160米长[4]。这些农田的所有者经常在临近的市镇有别的工作，而土地又如此之小，因此对他们来说，投资机械设备和全年作物与土壤管理没有什么经济意义。同时，连年耕作耗尽了中国许多土壤的天然营养储备，而肥料滥用又造成了土壤酸化[5]。总体上，施于土地的肥料只有不到50%被作物吸收了[6]——剩余的大部分都泄漏进了环境。

面对此种挑战，中国农业科学家正试图通过农田生态系统分析，给玉米、大米、小麦等本国主要粮食增产。在试验田和农田研究中，他们追踪了水、营养、遗传物质、太阳能与化石能源、人畜力等输入产出项。例如，通过化学检测雨水和灌溉水、监视化肥和粪肥的添加量，研究人员估算出了进入系统的营养物质的总量与种类。通过调整重复实验田的条件和方法，并经过多年跟踪，各类输入产出已经能够达到最优，能消耗最少的资源和营养物质获得最大的收益。在北京，一个由中国农业大学带头、16所院校及研究所共同参与的项目中，研究人员在过去5年研究了11个省份、将近500块实验田里玉米、大米、小麦的生长。迄今他们已经实验田中获得作物增产和氮肥效率提高30%-50%。

研发新作物品种和杂交品种的基础研究，也是增加作物产量和减少环境危害的一个重要部分，而在这其中转基因技术近年变得日益重要。中国首例获准商业使用的转基因作物——转基因Bt棉的种植，让农民自1997年起增收约6%，减少杀虫剂使用大概80%。即便中国公众对转基因粮食作物持谨慎态度，中国中央政府仍于2008年建立了一项耗资250亿人民币（相当于当时37亿美元）、针对转基因的12年研发计划。仰仗省级政府的资助[8]，该计划得以囊括中国的主粮作物。

农学家同时在以下方面开展了研究：茎、叶、谷粒的生长过程中水、营养和阳光的分配；土壤构造和根部化学过程的作用；生物、化学、地质作用如何决定土壤性质。这些研究让我们能知悉使用肥料的最佳时机，抑或是决定种植日期与植株密度，以最好的利用水和阳光。例如，得益于近来在20个省份、5000多块试验田进行的一项根区养分管理研究，由中国农业大学带头的一个团队在7年的时间里，使作物平均增产12%，同时减少了24%的肥料使用。

由于附近的田地排放了过量肥料，湖北的一片湖被藻类阻塞。

已经取得的成果

得益于从实验田和实际农田里学到的知识，中国科学家已经在维持产量的前提下把肥料使用降到了经济最优水平。2003到2006年，一项囊括49个位于华北平原和太湖地区的真实农田的田间试验的研究里，在不造成大米、小麦或玉米减产的前提下，来自各机构的研究人员减少了30-60%的肥料用量[6]。（此研究支持了前文提到的肥料利用和效率的其他研究。）其他一些生态系统建模得出的结论也很有前景。

为了实现全国粮食增产30%-50%的目标，中国政府在农业研究的投入，从2000年的70亿人民币提高到了2009年的244亿人民币，是原先的三倍还多；两者分别占国内生产总值的0.36%和0.66%。自2008年起，国家已经给发展现代农业技术的全国性组织网络分配了30亿资金。这一网络成立之初即包括50所高校、340家研究所、200家公司，以及超过2000名农学家。

即使如此，把如此多的研究结果转化成大量的小型农田实践，依然是一项严峻挑战。为了完成知识到技术的转化，中国政府在全国主持了1.2万多项研发主导的作物和土壤管理示范；同时建立了一些项目津贴，比如去年，在指导农民肥料添加的用时用量的试验里投入了15亿人民币。

中国大多农田都很小，同时做到增产和降低空气污染等环境成本很难。

中国农业研究需要紧跟不同寻常的社会变化，还要关注日益增长的粮食、资源和环境需求。随着数百万人涌入北上广等城市寻求工作机会，南北方农业中心劳动力将日益短缺。农田可能会合并，一个人就要管理几公顷土地。另一方面，随着更多的肉类和奶制品需求，饲料进口将增加。比如中国2012年将近80%的大豆（5840万吨）都是进口的。

中国这种数百万小块农田组成的农业系统很特殊。然而中国农业研究的视角、质量和历程，还有应对基本环境挑战的意愿和需要，值得印度、孟加拉等国从中国科学家和系统中获得指导。欧洲、北美、新西兰、澳大利亚等地的农户同样能从中国的方法中学到东西。节约资源，减少环境影响，应对气候变化，不断增产，这些对每一个国家都是至关重要的目标。

本文作者张福锁为中国农业大学资源环境与粮食安全研究中心主任。陈新平为中国农业大学资源环境与粮食安全研究中心教授；Peter Vitousek为美国斯坦福大学生物系教授。

本文编译自Nature:An experiment for the world

图片来自Nature