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3 月24 日上午，张福锁院士、崔振岭教授等在中国农业大学召开发布会，对3 月7 日发表在《Nature》上的论文进行了相关介绍……
以下是发布会介绍的该论文相关情况……
中国农业大学资源与环境学院崔振岭、张福锁等的研究论文“与千百万农民一起实现绿色增产增效”（Pursuing Sustainable Productivity with Millions of Smallholder Farmers）日前在国际顶级刊物《Nature》本刊上发表。
、由中国农业大学科研团队策划，组织河北农业大学、吉林农业大学、西北农林科技大学等全国25 家教学科研单位，历经10 年不懈努力共同完成的。该论文共有46 名作者，其中中国农业大学崔振岭教授为第一作者，张福锁院士为通讯作者。
自2005 起，中国农业大学张福锁院士带领团队，建立了我国主要作物绿色增产增效技术创新与应用协作网，在生产中破解农业绿色发展的重大理论与技术难题。他们针对我国集约化粮食生产用肥量大，资源环境代价高，施肥增产幅度小，养分利用率低等一系列问题，将植物营养学与作物栽培学、土壤学、环境科学等多学科有机融合，率先提出了绿色增产增效理论和技术新思路，以高效利用光温资源的高产群体定量设计充分挖掘品种的高产潜力、以定量调控根层水肥供应支撑高产群体来实现资源高效利用，最大程度地减少环境污染，实现了地上作物高产与地下水肥高效协调统一，突破了高产与高效难以协同的国际难题。先后在我国小麦、玉米和水稻主产区建立了绿色增产增效技术体系，通过13123 个田间实证研究验证了技术的增产、增效、减排、增收潜力。在此基础上，与全国2090 万农户一起应用这些绿色增产技术模式获得了增产和减少环境污染的好效果，累计推广面积3770 万公顷。
本研究的第一个创新之处在于建立了“从生产中来，到生产中去”、围绕生产限制因子，与农民一起开展适合当地情况、又是国际学术前沿的“立地顶天”的科研思路。研究人员针对生产问题，在农民地里与农民一起创新和验证技术，集成技术模式，并将科研成果直接应用到生产中去，解决科研跟生产脱节的问题。过去十年，在我国小麦、玉米和水稻三大粮食作物主产区开展了13123 个田间试验，应用绿色增产增效技术的玉米、水稻和小麦平均产量达到9.54，8.41 和6.73 吨/公顷，较当地农民习惯增产20.6% (18.3-21.8%)。更为重要的是，增加产量不仅没有增加氮肥用量，反而降低氮肥用量14.5% (8.5-15.6%)。通过实地测定、模型模拟和生命周期评价，发现绿色增产增效技术不仅能增产节氮，还能显著降低活性氮的排放强度34.8% (22.9-35.4%)，减少温室气体排放强度27.0% (18.6-29.1%)。首次证明，绿色增产增效技术可以大面积实现作物增产和环境减排的双赢，回答了持续增产是否必须依赖于水肥资源的大量投入和作物高产、养分资源高效和环境保护能否协同等国内外学术界一直在争论的重大科学命题。
本研究的第二个关键创新是创建了以扎根农村的“科技小院”为核心、以覆盖全国的“科教专家网络、政府推广网络、校企合作网络"为平台，与千百万农民一起大面积推广应用绿色增产增效技术的新型技术应用模式。经田间验证和农民实践改进的绿色增产增效技术方案一旦被确定下来，就可以通过科研人员、政府技术人员、企业人员和农民共同参与式的推广模式、以标准化、机械化、产品化和信息化等手段开展大面积推广应用，使这些先进的实用技术被广大农民所采用。在过去10 年里，共有1152 名研究人员、6.5 万名农业推广人员及13 万农业相关企业人员和452 个县的2090 万农民参与了这一技术模式的推广应用工作。开展和组织了14000 多个培训班、21000 多个田间日活动、6000 多场田间现场观摩会和发放33.7 万份宣传册。改变农民传统观念和生产习惯的做法和经验是多方面的，其中 “科教专家网络、政府推广网络、校企合作网络”取长补短，融合共建绿色增产增效新型技术应用平台是关键；充分发挥科技农民的示范作用，发挥农民的创造性，让农民自发行动起来是本研究成功的核心,农民科技带头人既是技术创新的参与者，也是技术应用模式的直接创新者，他们的作法和经验往往会鼓舞和引导更多的农户。从2006 到2015 年，绿色增产技术累计推广3770 万公顷，增加粮食生产3300 万吨，减少氮肥用量120 万吨，增收节支793 亿元。
对我国1944 个县的860 万农户大样本调研发现，绝大多数农户的作物产量至少低于绿色增产增效技术的10%，部分农户甚至低于50%，但施氮量却与高产作物的推荐量相当，甚至更高。这些农户（包括低产或高产但氮肥用量高的农户）如果采用绿色增产增效技术，每年可增加粮食生产8240 万吨，减少氮肥用量110 万吨，降低氮素损失达45 万吨，减少温室气体的排放量为2340 万吨。这些研究成果充分说明未来我国粮食安全完全可以以更低的资源环境代价来实现，绿色增产增效技术的创新与应用为中国农业走出一条产出高效、产品安全、资源节约、环境友好的现代化农业发展道路绘就了蓝图，为中国农业绿色发展树立了榜样，也为全球可持续集约化现代农业的发展提供了范例！
张福锁院士领导的团队立足国家重大需求、在农业生产实践中开展国际前沿理论研究。2010 年在《Science》杂志上发表了过量施用氮肥造成中国农田土壤大面积酸化、制约可持续发展的问题；2013 年在《Nature》上发表了大气氮沉降增加60%、影响环境质量的结果；同年，受Nature 编辑部邀请以“中国农业：全世界的榜样”（Chinese agriculture, An Experiment for the World）为题介绍了中国在增产增效研究方面的进展；2014 年，在《Nature》上发表了《以更低的环境代价获得更高的作物产量》一文，证明“土壤-作物系统综合管理”理论和技术可以使全国粮食产量平均增产30%以上、氮素环境排放降低50%，从而同时满足粮食安全和环境保护的国家需求，为未来高产高效农业发展指明了方向；2016 年，在《Nature》上发表了河北曲周科技小院四个村“自下而上（Bottom-up）、扎根农村和农业生产一线、与农民一起创新，实现县域尺度大幅度增产增效的方法和路径”。本论文是张福锁院士领导的团队2010 年以来第6 次在Nature/Science 期刊发表的“立地顶天”的重大成果，为我国农业转型、全面实现绿色发展提供了理论、技术和实现途径。
与中国千万农民共同实现农业可持续发展
来源:《Nature》
摘要：满足人口持续增长的粮食安全是全球农业可持续发展面临的巨大挑战。一些研究已经在技术方面取得了进展，然而技术大面积应用，同时解决作物产量与环境保护目标方面进展不多。本研究重点报道了与中国数以万计农户应用优化管理技术，共同提高粮食产量和改善环境质量。首先，我们在中国主要农业生态区布置田间试验，制定并验证区域特色的粮食作物绿色生产全程解决方案；组建1152 名研究人员及众多推广人员和企业人员构成的技术应用网络，与千万农民共同实现农业绿色增产增效。在2006 到2015 年，我国452 个县，2090 万个农户，共计3770 万公顷播种面积采用了这项技术。较农民习惯相比，绿色增产增效技术可以增加玉米、水稻和小麦10.8-11.5%，净增粮食产量3300 万吨；同时降低氮肥用量14.7-18.1%，节约氮肥120 万吨，总计节本增收122 亿美元。绿色增产增效技术生产每吨粮食（玉米、水稻和小麦）的氮素损失量平均为4.5-4.7 kg N Mg-1，较农民习惯管理的6.0-6.4 kg N Mg-1显著降低；生产每吨粮食的温室气体排放量328-812 kg CO2 eq Mg-1，较农民习惯管理的422-941 kg CO2 eq Mg-1显著降低。基于860 万的大样本农户调研数据，进一步分析绿色增产增效技术对我国粮食生产和农业可持续发展的影响及潜力。
粮食安全、环境退化和气候变化是人类面临的巨大挑战。农业是解决这些挑战的核心，为满足未来人口增长对粮食的需求，2050 年全球粮食产量必须增加60-110%（较2005 年相比），且应同步降低气候变化的环境威胁，充分利用自然资源。其中，最大的挑战来自以小农为主的农业地区，例如，在撒哈拉以南非洲，印度和中国。在这些地区，因农户饱受资源缺乏和知识不足的困扰，所以粮食的绿色增产增效取决于农户如何管理他们的土地。为提高小农户的生产能力，一些研究已经在技术方面取得了进展。然而，在技术大面积应用，同时解决作物产量与环境保护目标方面的进展不多。因此，在小农为主的高投入-低效率生产系统的国家，大面积推广绿色增产增效技术意义重大。
中国是一个典型例子，全国两三亿农户且每户耕地面积仅几公顷，农业生产严重依赖高量甚至过量的资源投入。例如，中国平均氮肥用量为305 kg ha-1 yr-1，而世界平均氮肥用量仅74 kg ha-1 yr-1，所以中国的氮肥利用率（收获物携出氮占投入氮的比例）只有0.25，较世界的0.42 和北美的0.65 明显偏低。另外，过量施氮导致中国大面积土壤酸化，水体污染和温室气体过量排放。因此，为保证粮食的绿色增产增效，中国需要一个“高度的平衡行动”实现高产高效并大幅降低环境代价。然而，如果不调动广大的农户，根本无法实现这一点。
本研究报道了在过去十年里，与全国2090 万农户一起应用优化的管理技术获得了更高的产量，同时减少了环境污染。首先，全国13123 个田间试验表明在不同生态区域的玉米、水稻和小麦生产中应用土壤-作物系统综合管理（Integrated Soil-crop System Management, 绿色增产增效）技术是可行的。然后，在各区域进行大面积的田间推广，实现应用绿色增产增效技术的耕地面积达到3770 万公顷。最后，我们讨论了实现国家农业可持续生产的可行性及其对粮食产量和关键环境指标的潜在影响。
开始，我们要有制定田间管理技术的工具，便于田间操作和应用。其次，这些管理技术必须全面包括关键的作物-土壤-水分-养分参数，且能够适应不同的农业生产区域。而绿色增产增效系统 似乎符合这些要求，它一方面由作物模块构成，可基于作物生长模型制定种植策略（例如：作物种类、玉米、水稻或小麦的播种时间以及深度），最大化利用特定区域的光热资源；该系统另一方面由资源供应模块构成，可根据土壤测试结果和作物养分需求规律配置养分和水分的供应。相关研究已报道，基于绿色增产增效的管理技术与农户习惯的管理相比，在减少4-14%的氮素投入的情况下可显著提高18-35%的作物产量，且氮肥偏生产力提高幅度达32-46%。
那么，绿色增产增效能否应用于中国主要的农业生态区域，在寒带到亚热带地区、干旱到半干旱以及中等湿润地区，均取得类似的结果呢？为此，从2005 到2015 年连续10 年在不同的生态区域共布置了13123 个田间试验。每个试验均包括基于绿色增产增效推荐的管理措施（处理）与农户习惯的管理措施（对照），田间试验的操作在技术人员现场指导下由农户独立完成（方法）。结果表明，作物产量对处理的响应，因作物类型和生态区域不尽相同，但是绿色增产增效技术较农户习惯管理均显著提高了作物产量、氮肥利用率以及农民的收入，并且减少了氮素损失。多年多点试验结果表明，玉米籽粒产量平均从7.83 增加到9.54 Mg ha-1（n = 6089），水稻籽粒产量从7.03 增加到8.41 Mg ha-1（n = 3300），小麦籽粒产量从5.69 增加到6.73 Mg ha-1（n = 3734）；同时，氮肥用量减少8.5-15.6%（图1）。与预期结果一致，较农户习惯管理，绿色增产增效技术可提高氮肥利用率、增加农民收入和提高环境质量。数据显示，绿色增产增效技术显著提高了26.0-33.1%的氮肥偏生产力，同时有效降低22.9-34.9%的氮素损失强度（方法）和18.6-29.1%的温室气体排放强度（图1）。
图 1 绿色增产增效技术实施效果 在中国四大农业生态区域的玉米（上图）、水稻（中图）和小麦（下图）生产中，分析了绿色增产增效技术较农户习惯管理对产量反应，氮肥用量，农户收入和温室气体排放的影响。实心和纹理柱子分别代表田间试验（n=13123）和农民习惯。* 表示处理（绿色增产增效）和对照（农户习惯）的差异达显著水平，p<0.05。
多年多点田间试验有力证明了绿色增产增效系统的强大和多功能性，可用于在全国不同区域制定适于推广的生产管理方案，同步实现粮食安全和环境质量目标。在特定的区域，经田间验证和改进的绿色增产增效管理方案一旦被确定下来，我们就策划和组织大面积的推广工作以促进这些先进的措施被农民采用（方法）。全国共有1000 多名研究人员、6.5 万名农业推广人员、及13 万农业相关企业人员（图2）和452 个县的2090 万农民参与了技术的田间应用工作，共计3770 万公顷播种面积应用了绿色增产增效管理技术。
图2 绿色增产增效技术应用新模式。推广行动的目的在于同农民一起应用绿色增产增效技术实现高产高效和环境友好。科研合作者（农业院校或研究院所的科学家和学生）制定当地适用的绿色增产增效技术方案，然后培训推广人员（不同级别政府单位的农业技术人员）和农业相关企业人员（农产品供应和服务，包括公司业务主管/产品开发人员，区域营销以及当地经销商和销售代表）。通过科研人员、推广人员和企业人员与农民一起工作，大面积开展绿色增产增效技术的应用推广。括号中的数值表示参与活动的人员数量。
经全国大面积推广应用绿色增产增效技术，相应的作物产量和环境指标也均达到预期结果。综合10 年数据显示，与农户习惯的管理相比，应用绿色增产增效技术促进三大作物产量提高10.8-11.5%，氮肥用量减少14.7-18.1%（表1；方法）。总体上看，应用绿色增产增效技术生产粮食增加3300 万吨，氮肥用量减少120 万吨，增收节支122 亿美元（表1）。应用绿色增产增效技术减氮增产的数量十分可观，数据显示，2005-2014 年马拉维的粮食总产量只有3150 万吨，而且2005-2015 年整个撒哈拉以南非洲的氮肥使用量仅460 万吨。
通过计算氮素损失（包括氧化亚氮排放，氨挥发，硝酸盐淋溶和氮素径流损失）和温室气体排放（方法）评估了推广应用绿色增产增效技术的环境效益。受作物种类、氮肥用量、生态类型及其他因素影响，环境指标评估结果差异很大。整体上看，较农户习惯的管理，应用绿色增产增效技术可有效降低氮素损失强度13.3-21.9%，且减少温室气体排放强度4.6-13.2%；产量尺度的氮足迹分析表明，应用绿色增产增效技术生产每吨玉米、水稻和小麦的氮素损失强度分别为4.6、4.7和4.5 kg Mg-1，而农户习惯的氮素损失较高，分别为6.1、6.0和6.4 kg Mg-1。同样，产量尺度的温室气体排放效应分析表明，应用绿色增产增效技术生产每吨玉米、水稻和小麦的温室气体排放强度分别为328、812 和434 kg CO2 eq Mg-1，而农户习惯的温室气体排放强度较高，分别为422、941 和549 kg CO2 eq Mg-1（表1）。
表1 全国大面积应用绿色增产增效技术与农户习惯管理相比对玉米、水稻和小麦的产量、氮肥用量、氮肥偏生产力、氮素损失、温室气体排放及经济效益的影响（2006-2015 年）。
玉米 | 水稻 | 小麦 | 总计 | ||
面积( ×106 ha) | 12.8 | 17.0 | 7.9 | 37.7 | |
籽粒产量 (Mt) | 农民习惯 | 108 | 133 | 51 | 292 |
绿色增产增效 | 120 | 147 | 56 | 324 | |
Difference | 11.5% | 11.1% | 10.8% | 11.2% | |
氮肥用量 (Mt) | 农民习惯 | 2.9 | 3.3 | 1.8 | 8.0 |
绿色增产增效 | 2.5 | 2.8 | 1.5 | 6.8 | |
Difference | -14.7% | -15.1% | -18.1% | -15.6% | |
氮肥偏生产力 | 农民习惯 | 40.0 | 41.9 | 28.4 | - |
(kg kg-1) | 绿色增产增效 | 53.4 | 55.1 | 38.5 | - |
Difference | 33.4% | 31.5% | 35.7% | - | |
活性氮素损失* (Mt) | 农民习惯 | 0.65 | 0.79 | 0.33 | 1.8 |
绿色增产增效 | 0.55 | 0.69 | 0.25 | 1.5 | |
Difference | -15.0% | -13.3% | -21.9% | -15.5% | |
温室气体排放量† (Mt) | 农民习惯 | 45 | 125 | 28 | 198 |
绿色增产增效 | 39 | 119 | 24 | 183 | |
Difference | -12.9% | -4.6% | -13.2 % | -7.7% | |
净收入‡ (billion $) | 农民习惯 | 18.0 | 28.0 | 7.2 | 53.2 |
绿色增产增效 | 22.1 | 34.2 | 9.2 | 65.5 | |
Difference | 22.7% | 22.1% | 27.2% | 23.0% | |
* 活性氮素损失包括氨挥发，硝酸盐淋洗，氧化亚氮排放和氮素的径流损失。
† 温室气体排放包括作物生命周期内产生的二氧化碳，甲烷和氧化亚氮。
‡ 净收入指农户的产量增加，氮肥用量减少带来的经济效益，每公斤玉米、水稻、小麦和氮肥的价格分别为0.31、0.40、0.32 和0.62 美元。
差异（Difference）指绿色增产增效技术较农户习惯增加的百分比。
改变农民的行为不仅要有过硬的科学技术，而且建立信任机制、创新农户参与形式，培养农户生产能力以及强化农业社区结构也都非常重要，这些也是我们在技术大面积应用中推行的方法。例如，我们向农民积极分子（科技带头人）提供基本的知识和解决问题的技巧，从而使他们能够引导附近的村民；我们建立农民合作社，给小农户一个集体的声音，以更好的价格谈判采购或销售他们的产品，甚至影响当地的农业政策。本文的研究方法中具体描述了技术应用的科研合作、参与机制、社会经济因素及相关影响。
就中国广大的小农户而言，他们的生产力及其对环境影响有多大呢？基于大样本的农户调研数据（涉及1944 个县的860 万农户，调研覆盖面积占全国三大作物总面积的73％；方法）分析表明，大部分农户（61%）的产量至少低于绿色增产增效技术对应产量的10%（最高低于50%），但是他们的氮肥用量与推荐技术相当，甚至更高。将各县的平均产量、氮肥用量与绿色增产增效技术推荐的范围进行比较发现，县级尺度的评价结果往往差距很大（图3），表明当前的农户管理模式还有很大的提升空间。
图3 当前农户生产现状及其提升空间。基于1944 个县860 万农户的大样本调查数据评价了县级尺度农业生产现状（2005-2014 年）。图中横虚线和竖虚线分别代表所有作物产量和施肥量的平均值，其中，玉米的分别为7.2 Mg ha-1 和208 kg N ha-1，水稻的分别为7.3 Mg ha-1和181 kg N ha-1，小麦的分别为5.0 Mg ha-1和181 kg N ha-1。矩形框表示基于绿色增产增效技术的推荐范围。括号中的数值代表调研县的数
然后，我们采用情景分析方法（见方法），评估所调查的县应用绿色增产增效技术的潜在效应。将分布在各生态区域的县均划分为LH（低产量-高氮肥用量）、LL（低产量-低氮肥用量）、HH（高产量-高氮肥用量）和HL（高产量-低氮肥用量）。情景1（S1），仅针对LH 组，以各地绿色增产增效技术推荐的氮肥用量和产量作为基准；情景2（S2），包括LH和LL 两组；情景3（S3），在S2 基础上增加了HH 组。结果表明，较目前农户习惯的管理，如果应用绿色增产增效技术可促进S1、S2 和S3 的年均产量分别增加1930、7050 和8240 万吨。总体来看（即S3），如果应用绿色增产增效技术，每年可减少氮肥用量110 万吨（较农户习惯降低8.5%），降低氮素损失达45 万吨（16.0%），减少温室气体的排放量为2340 万吨（7.6%）。
全世界有25 亿小农户经营着全球60%的耕地面积。他们的农业生产方式直接决定了他们的生计，同时在影响着全球的粮食，资源和生态系统健康。向小农户推广绿色安全的生产技术，帮助他们获得更高的生产力和更好的环境，这对于大家所追求的可持续的公平世界至关重要。为此，我们的研究工作是对现行解决方案的重要补充。