原文链接：
02
摘要
中国在农业研究与试验发展（R&D）方面进行了大量投资，以促进技术变革（TC）。尽管TC在提高农业生产和减轻环境影响方面的作用在不同的背景下得到了广泛认可，但关于其对粮食安全和环境影响的知识，特别是在中国背景下，仍然不足。本研究采用农业经济优化模型来评估技术变革对粮食安全和气候变化减缓的影响。我们的结果表明，TC在提高农业生产率方面发挥着重要作用，这有助于在农业贸易中取得比较优势。此外，TC通过降低食品价格来加强粮食安全。然而，更高水平的TC会导致温室气体（GHG）排放的增加，尽管幅度很小，这是由于农业生产增加用于出口。这表明农业生产率提高对GHG排放产生了反弹效应。因此，为了在提升粮食安全的同时不使GHG减排目标妥协，中国需要付出额外努力。
03
研究背景
收入增长通过提升食物需求和改变饮食习惯增加了中国AFOLU部门的环境压力。
中国进行了大量农业R&D投资，以推动农业技术进步和可持续发展。
TC主要由R&D投资推动，可以显著提高作物单产、土地利用强度和全要素生产率（TFP），对确保粮食安全至关重要。此外，农业TC有助于减少温室气体排放。
然而，对TC对AFOLU部门影响的评估通常没有考虑社会经济和生物物理动态，这限制了对TC对粮食安全和环境影响的理解，以及潜在的权衡或协同效应。
04
研究目的
不同水平的TC如何影响农业生产率。
基于产量、净出口和价格角度评估TC对粮食安全的影响。
评估不同TC水平下，中国粮食安全和环境可持续性之间可能出现的权衡和协同效应。
05
研究方法
本研究采用MAgPIE模型（Model of Agricultural Production and its Impact on the Environment）的中国特定版本MAgPIE-China，这是一种农业经济优化模型，其中TC被视为外生变量。该模型可纳入不同水平的TC，从而评估TC对粮食安全和气候变化减缓的影响。
5.1 使用MAgPIE-China的农业经济建模
MAgPIE-China模型的目标是在社会经济和生物物理约束条件下，以最低的生产成本满足对食品、饲料和原材料的需求。
生物物理信息包括土地和水资源可用性、作物产量和地表碳。主要成本涉及生产投入要素、土地转化、运输、灌溉、贸易和技术投资。农业部门包括19种作物产品和5种畜产品。食物需求由不同共享社会经济路径（SSPs）下的人口增长和收入增长驱动。
技术和基础设施投资导致TC，从而强化了土地利用，这是提高作物产量的关键因素。本研究中土地利用强度衡量的是由于管理改进和技术进步引起的产量增幅，代表了人为引发的TC。
贸易模块通过自给率池和比较优势池分配不同地区的需求。某地区产品的出口取决于该地区的产品自给率。此外，出口数量由该地区生产特定产品的比较优势决定。比较优势可以受到生物物理产量、生产成本和TC的影响。
该模型考虑了五种土地利用类型，包括耕地、草地、森林、城市用地和其他土地。土地利用活动影响AFOLU部门的GHG排放，包括CO2、CH4和N2O。
5.2 情景设计
将中间道路（middle-of-the-road）情景作为基准情景（BAU情景）。BAU情景下的TC是中等水平的，技术在逐步改善。土地利用强度代表了由R&D投资所驱动的人为产量提高。因此，基于外生规定的土地利用强度来模拟TC。
两个替代的TC情景：较高的TC水平（Innov_high）和较低的TC水平（Innov_low）。为了构建这两个情景，我们将土地利用强度从BAU水平分别调整为较高和较低水平（图1）。
图1 1980-2050年BAU、Innov_high和Innov_low情景下的土地利用强度。
06
研究结果
6.1 TC对生产率的影响
在BAU情景下，2020-2050年中国作物平均单产为7.9 t/ha（图2a）。TC对中国作物部门整体单产的影响不大，但对不同作物类型的影响存在差异。谷物、薯类和豆类的产量变化与TC趋势一致：较高的TC水平使这些作物单产增加0.5%~7%，而较低的TC水平使单产下降0.2%~11%。
图2 中国作物(a)单产和(b)全要素生产率。
在BAU情景下，2050年作物部门的TFP指数将比1995年提高85.1%（图2b）。TC与大多数作物类型的TFP增长正相关，包括谷物、油料作物、豆类、糖料作物和生物能源作物。在Innov_high情景下，不同作物的TFP增长幅度为1.2%~2.9%；在Innov_low情景下，TFP下降幅度为0.3%~10.9%。
6.2 TC对作物产量、净贸易和价格的影响
较高的TC水平会提高农作物产量，导致作物供应过剩，从而提升作物贸易的比较优势。在BAU情景下，TC改善使2040-2050年农作物产量相比2020年提高了16.4%（图3a）。在Innov_high情景下，农作物年均产量比BAU情景增加12.3 Mt。中国的谷物年均产量增幅最大，为12.2 Mt。这导致在Innov_high情景下，谷物年均净出口量比BAU情景高出211.3%（图3b）。相反，在Innov_low情景下，年均作物产量比BAU情景减少5.4 Mt，因此作物部门的净出口量比BAU情景低95.7%。
图3 在BAU、Innov_high和Innov_low情景下，中国2020-2050年(a)作物产量、(b)作物净贸易和(c)食品价格动态。
在 BAU 情景下，作物部门的粮食价格预计将在2020-2050年下降8%（图3c）。在 2020-2035年，Innov_high情景下粮食价格较BAU情景进一步下降，包括豆类价格下降 2.7%、糖类作物下降1.3%等。相反，Innov_high情景下，豆类和谷物的价格上升，增幅均为0.3%。
值得注意的是，2040-2050年，无论TC水平是高还是低，粮食价格较BAU情景都下降，降幅为0.3~1.7%。这是因为在Innov_low情景下，2040-2050年的作物产量低于BAU情景，缓解了资源（土地、淡水等）稀缺性，从而降低了粮食价格。尽管在Innov_high情景下，单位产出的投入需求降低，但整体生产的增加加剧了资源稀缺性，部分抵消了TC增加带来的好处。因此，在Innov_high情景下，粮食价格的降幅不如Innov_low情景显著。
6.3 TC对GHG排放的影响
在BAU情景下，AFOLU部门2020-2050年GHG累积排放量为42.3 GtCO2eq。CH4占比63.2%，其次是N2O（34.1%）和CO2（2.7%）（图4）。在Innov_high情景下，与BAU情景相比，2020-2050年GHG累积排放量增加173.6 MtCO2eq。在Innov_low情景下，同期累积排放量较BAU情景增加58.6 MtCO2eq。
图4 中国AFOLU部门CO2、N2O和CH4的累积排放量。(a)BAU情景累积排放量；(b) Innov_high和Innov_low情景下相比BAU情景排放的变化量。
Innov_high下N2O排放增加，但Innov_low情景下N2O排放降低。这是因为较高水平的TC导致农作物产量增加，从而增加了氮肥的需求。相反，较低水平的TC降低了作物产量，减少了氮肥的使用。与BAU情景相比，Innov_high和Innov_low情景下的CH4排放较高，这是由于水稻种植面积扩大。
07
讨论
7.1TC对作物生产率、作物贸易和食品价格的影响。
TC水平的提高不仅对作物单产有积极影响，也对畜牧业部门产生了显著影响。作物单产的提高减少了对耕地扩张的需求，从而确保了足够的牧草生产用地。此外，TC引起的作物单产提高也有助于满足畜牧生产对饲料的需求。
TC对不同作物单产的影响存在差异。在分析TC对不同作物的影响时，识别出了不同的模式。谷物、豆类、生物能源作物和其他作物的单产与TC呈正相关。然而，由于种植空间分布从高产区转移到低产区，较高的TC水平会导致蔬菜和水果单产下降。本文结果表明，在努力提高TC的同时，还应关注农业空间结构的优化设计，促进供给侧的粮食安全。
由于食物需求持续增长且对进口农产品的高度依赖，中国的农业贸易逆差不断扩大。较高水平的TC将通过扩大作物产量，尤其是谷物和油料作物，提高中国在作物贸易中的比较优势。本文建议需要政策支持和研发投资激励TC。
提高农业生产率还有助于降低食品价格，这对粮食安全具有重要影响。食品价格的降低虽然可能提高消费者的实际收入，但也可能降低国内生产者的实际收入。因此，有必要找到一种既有利于食品消费者，又有利于生产者的解决方案。例如，中国实施了绿色创新补贴，以降低生产成本并促进绿色研发投资。
7.2 TC对GHG排放的影响
更高的GHG排放与AFOLU部门中增加的TC相关，这是由于作物生产率和产量提高所带来的净出口增加，从而增加了总投入，例如氮肥。这一发现突显了TC与GHG排放之间复杂的相互作用，以及农业生产率提高对GHG排放的反弹效应。反弹效应强调了实施有针对性的气候变化减缓措施的必要性，以减少TC引起的生产增加所带来的排放。
7.3 TC在粮食安全和GHG减排之间的权衡
虽然TC可以提升农产品的比较优势并降低食品价格，但也可能导致农业生产增加，从而引发AFOLU部门GHG排放增加。此外，尽管使用氮肥等措施可以提高农业产量，有助于粮食安全，但也会带来环境挑战。为了实现中国的粮食安全和环境安全，需要增加R&D投资和TC的推广，同时在农业减排、自然保护和饮食结构变化方面采取额外的协同努力。
未来几十年，对肉类需求的增加将使畜牧业产量翻倍，这可能导致GHG排放显著增加。因此，减少动物性食品的消费对于GHG减排至关重要。重塑食品需求可以促进粮食安全和环境可持续性的协同发展。
08
研究局限性和未来展望
本研究未分析畜牧业部门的TC。鉴于作物和畜牧业部门的TC具有不同特征，仅假设相同的TC路径可能忽略作物和畜牧业部门的技术异质性。未来研究需要进一步探索作物和畜牧业部门的特定TC路径。
09
原文摘要
China has made substantial investment in agricultural research and development (R&D) to promote technological change (TC)。 Although the role of TC in enhancing agricultural production and mitigating environmental impacts is widely recognized in separate contexts, knowledge about its’ effects on food security and the environment, especially with a focus on China, is still lacking。 This study uses an agro-economic optimization model to assess the impact of TC on food security and climate change mitigation。
Our results indicate that TC plays an important role in improving agricultural productivity, which, in turn, contributes to a comparative advantage in agricultural trade。 It also strengthens food security through lowering food prices。 By contrast, a higher TC level increases greenhouse gas (GHG) emissions, albeit marginally, due to higher agricultural production for exports。 This indicates a rebound effect of agricultural productivity on GHG emissions。 Therefore, additional efforts are required in China to improve food security without compromising GHG mitigation。
公众号｜农业环境与气候变化
推送相关领域最新科研进展
