RES | 优化粮食作物生产布局促进农业领域气候适应与减缓协同:确保中国2050年代粮食安全的可持续发展路径

气候变化正在重塑全球农业生产格局，对中国粮食安全构成双重挑战。一方面，全球升温导致作物适宜复种区显著北移，传统种植制度面临适应性调整压力；另一方面，农业生产贡献了全球超过25%的温室气体排放（GHG），即便不考虑化石燃料的排放，仅农业部门自身也有可能无法实现 1.5 摄氏度的气候变化目标。气候智慧型农业（CSA）作为同时实现气候适应、气候减缓与粮食安全三重目标的核心路径，已被联合国粮农组织（FAO）和 IPCC第六次评估报告推荐。然而，现有研究大多将适应与减缓策略分开推进，未能充分整合未来复种边界北移的动态变化，也忽略了复种作物间的种植竞争关系，导致对粮食作物布局优化的潜力评估存在偏差。

本研究以中国四大主要粮食作物（小麦、玉米、水稻、大豆）为研究对象，基于CSA框架整合未来粮食作物复种区动态演变，构建包含气候适应、气候减缓及两者权衡的多目标空间优化模型。在未来RCP4.5和RCP6.0两种中等气候情景下，在保持耕地面积不变下，系统评估2050年代粮食作物布局优化在协同气候适应、减缓与粮食安全方面的潜力，对比全国统筹优化（NAT）和省内优化（WIP）两种行政边界约束下的实施效果，并提出了差异化的区域优化策略。

图1 研究框架

气候变化驱动的中国复种区北移为粮食作物布局优化提供了巨大空间，在国家层面统筹优化作物布局与不进行优化的基准情景相比，气候适应优化策略可使粮食作物产量在2050年代RCP4.5和RCP6.0情景下分别提高24.1%至24.6%，并实现小麦、玉米、水稻和大豆等主粮的自给自足，但代价GHG排放量增加19.2%至23.3%。而气候减缓优化策略则可以在维持作物产量的同时，将直接农田温室气体（CH₄和 N₂O）排放量减少30.8%（其中CH4减少86.0%）至52.0%（其中CH₄减少79.9%）。尽管存在权衡，但帕累托前沿的特定加权区域揭示了协同效益，包括粮食作物产量增加（+4.0% 至 +21.4%）、经济利润增加（+13% 至 +28.3%）、GHG排放量减少（52% 至 16.2%）以及灌溉用水节省（12.8% 至 0.7%）。虽然实施过程中存在挑战，但通过综合考虑适应和减缓策略可以实现多方面的协同效益。另外，在考虑了耕地利用限制以及模型不确定性的情况下，这些最优结果表明，精心设计的作物布局优化策略，比如在华北地区扩大大豆种植面积，以及在长江中下游用小麦、玉米和大豆替代水稻，既能增强气候适应和减缓能力，又能帮助中国在2050年代满足粮食需求，且无需扩大耕地面积。

图 2. 在A+NAT优化策略下粮食产量变化。a, RCP4.5/6.0下粮食产量与需求之间的差距。b，RCP4.5/6.0下粮食产量的百分比变化。c-g,在RCP4.5下粮食产量的空间变化。h,各地区不同复种制度下粮食产量的比例。

图 3.在 M+NAT优化策略下温室气体排放变化。a. RCP4.5/6.0下，四种作物温室气体排放量百分比变化。b-f，在 RCP4.5下，温室气体排放的空间变化。G，在RCP4.5下各地区不同复种制度下温室气体排放所占的比例。

图 4.适应与减缓优化策略之间的权衡

图 5. 优化后社会经济-生态环境协同效应变化以及粮食作物生产布局调整。a：优化后全国层面各效应变化；b-e：不同优化策略下各地区粮食作物的播种面积变化。