改革开放以来，中国在农业生产方面取得了巨大成就，但其背后隐含的是高强度的资源环境消耗，例如，地下水位急速下降、农业温室气体排放增加、化肥施用强度急剧上升、农药污染更加广泛。在此背景下，中国各管理部门出台一系列政策和措施以提高农业发展的可持续性，其中水利部提出“用水红线”，生态环境部推动温室气体减排，农业农村部提出“化肥农药零增长计划”等。上述政策和措施在一定程度上减轻了农业生产带来的负面影响，但当前的农业生产布局究竟是不是最优？如何通过优化农业生产布局推动资源节约、环境改善和农民增收协同发展？回答上述问题对推动中国以及全球农业可持续发展具有重要意义。

针对上述问题，北京大学解伟课题组与合作者建立了中国格点尺度（0.5°*0.5°；约10公里）包含13种农作物的投入产出数据库；基于“在最适宜的地区生产最适宜的农产品”的原则，在综合考虑农业可持续发展的多个维度（作物产量、水资源消耗、温室气体排放、化肥农药施用以及农民收入等）基础上，开发了大型农业生产布局优化模型；模拟3组不同层次的管理部门合作模式（“各自为政”、“彼此兼顾”和“跨部门协同”）下优化农业生产布局的贡献。在每组模拟中考虑以下情景：最小化水资源消耗、最小化温室气体排放、最小化化肥投入、最小化农药施用以及最大化农民收入，或者同时最大化所有维度的利益（表1）。在每个优化情景中，主要的约束条件为：每种作物的产量不减少、农民收入不降低以及耕地面积不扩大。

研究结果表明，在作物产量不减少、农民收入不降低以及耕地面积不扩大的前提下，如果“各自为政”，优化农业生产布局能够实现某一可持续发展指标大幅改善，但其他指标存在恶化现象；以农业温室气体排放为例，最高能使其节约17%，但全国钾肥使用增加约9%，尤其在一些生态环境脆弱区恶化（图1）。如果“彼此兼顾”，优化农业生产布局对所有可持续发展指标具有正向作用，一个可持续发展指标的优化不再以其他资源环境受损为代价，但出现各个指标之间改善不平衡的现象；以蓝水为例，优化农业生产布局最多能够节约18.5%的蓝水，但其他可持续发展指标的改善幅度较小，例如全国农药施用总量仅降低约4%（图1）。当实现“跨部门协同”的合作模式时，优化农业生产布局有潜力促进所有指标几乎同步改善：蓝水节约6.5%、绿水节约7.5%、温室气体减排6.5%、氮肥减少8.1%、磷肥减少9.8%、钾肥减少8.3%、农药减少6.7%以及农民收入增加4.5%（图1）。

与以往重点关注农民收入和粮食安全形成的农业生产布局不同，本研究的贡献体现在考虑资源节约和环境保护的情景下农业生产该如何布局。与2010-2020年作物布局趋势相比，“跨部门协同”情景下模拟出的农业生产布局调整具有如下特征（图2）：对于小麦，在华北地下水漏斗特别严重的地区，关键在于提高用水效率。如果在华北不能大幅度提高农业用水效率，根据优化模型模拟结果，华北地区要控制甚至适当缩减小麦的播种面积。同时为了保障小麦口粮安全，可在长江中下游扩种，甚至在东北部分地区恢复小麦种植以保障当地口粮安全；对于水稻，过去十多年的观点是东北地区应该增加水稻生产，但目前已经增长过多，建议适当控制东北地区水稻播种面积；对于玉米，适度控制东北和华北的种植面积，适度扩大长江中下游种植面积，能够在保障粮食安全的同时促进资源环境节约；新疆棉花机械化程度高，但给当地的用水资源带来了较大压力，若在传统棉区（如，长江中下游和华北）能够培育出高产、易于机械化的品种，可适度恢复传统棉区生产，缓解新疆资源环境压力。此外也对油料作物、糖料作物布局提出了优化方向（图2）。

尽管不同情景下的农业生产布局不完全相同，但也有一些共性，对指导中国农业生产布局优化具有一定的参考价值（图3）。

优化农业生产布局对中国实现可持续发展目标具有一定贡献。按照中国政府设定的农业可持续发展目标，在“跨部门协同”情景下，优化农业生产力布局能够节约的蓝水量相当于国家目标的26%；此外，对实现国家2030年农业温室气体减排目标、化肥和农药零增长目标都有重要贡献（图4）。同时，农业生产优化布局也能通过作物增产对全球粮食安全做出贡献，促进全球农业可持续发展。