基于多目标权衡的多样化种植制度区域优化配置新思路

种植制度是作物生产系统的核心，正在被强化以满足日益增长的全球人口的需求，以往的研究较多关注作物产量，而较少关注作物生产系统中的营养和维生素的供应与环境影响。自绿色革命以来，随着肥料、农药和水等不断投入，华北平原已成为冬小麦-夏玉米一年两熟制的集约化种植，在追求高产的同时导致了地下水资源的耗竭。为更好地寻找节水高产优质多目标协同的多样化种植模式，进行区域种植结构调整与再配置，瓦赫宁根大学和中国农业大学的科学家们合作建立模型，分析华北平原试验中验证过的30种不同轮作模式如何在区域层面再配置，以解决食品安全和环境效益，以及经济价值等指标之间的权衡关系。

瓦赫宁根大学的Jeroen C. J. Groot和中国农业大学的杨晓琳两位教授基于研究团队华北平原种植制度的数据库，基于产量、经济效益、地下水消耗、维生素C、膳食能量和饲料产量等多指标综合评价了30个轮作体系的综合效益。利用主成分分析和层次聚类分析，得到潜在的多目标协同的种植体系。采用差分进化算法和帕累托优化模型进行多目标优化，得到了研究区内根据多目标权衡的不同种植体系重新配置的土地利用方案。

他们通过研究表明，各种植体系由于其轮作作物的多样性表现出在粮食产量、地下水消耗、微生物C量、膳食能量、经济效益和饲料产量上的差异。经济收入与膳食营养、能量和粮饲产量的生产之间存在协同关系，但也会导致地下水位的下降。饲料产量的增加会伴随维生素C产量的减少。因此多目标权衡与协同评价对于种植结构调整至关重要。在考虑当前大食物观和人民对美好生活的向往中，对于区域种植结构的调整与优化研究要统筹考虑研究对象的多目标权衡与协同。

综合考虑地下水位下降、膳食能量、经济效益、维生素C量和饲料产出量的多目标权衡与协同，他们得到了调整种植结构的优化方案，得到直接基于轮作制度的区域发展面积，而不仅是基于统计数据的单个作物的种植面积的调整，比传统的优化研究前进了一步，这是他们想要传达的重要思想，即倡议在今后的种植结构调整与优化研究中，不仅仅考虑单个作物的种植面积，更要考虑当地适宜的种植制度，因为作物不是单一存在于农田生产中，中国更是多样化种植的典型地区，通过提高复种指数提高系统多目标产出一直是中国悠久的农作系统的优势。即在种植结构调整中要统筹考虑作物搭配种植的时间和空间的协同配置。

因此，他们提出了区域种植结构调整的新思路，要统筹考虑更多的评估指标进行多目标的整合分析，从产量到经济到环境到大食物观下的营养健康、土壤健康的统筹考虑才是农作系统的可持续发展路径。优化算法也要不断升级，比如遗传算法、蒙特卡洛模拟、模糊规划算法、帕累托多目标优化等，他们采用的基于帕累托优化的Farmdesign模型被证实是用于结构优化的良好工具，可为不同尺度（如农场、村、镇、县、省、国家）的决策者提供重要参考。种植结构调整与优化研究中研究对象从单一作物的播种面积到多样化种植制度的转化，将为种植系统在时间和空间上的合理搭配起到更为直接的作用，算法与优化模型等工具更有针对性的更新会推进更为合理的结构优化研究。同时未来气候变化情景下的种植制度优化与重新配置也将值得深切关注，目的是为区域土地利用和种植体系设计的决策提供信息，为粮食生产、经济可行性和环境保护目标相互冲突带来的挑战提供综合解决方案。