“蟲口奪糧”保安全:風險威脅及應對策略
——基于病蟲害風險對糧食安全潛在影響的模擬分析

王曉君 張玉梅 孫煒琳 王國剛 胡向東 毛世平*

(1.中國農業科學院 農業經濟與發展研究所,北京 100081; 2.中國農業大學 經濟管理學院,北京 100083)

我國農業生物安全面臨一系列風險挑戰:重大動植物疫病本底復雜;外來生物入侵新發風險攀升;有害生物綠色可持續和信息化治理模式應用不足;防范對象耐藥性壓力增大;農業生物安全風險正對糧食安全、生態安全和經濟社會發展產生重大影響[1-2]。特別是近年來,受全球氣候異常變化和耕作栽培方式等影響,威脅我國糧食作物的遷飛性、暴發性和檢疫性等重大病蟲疫情呈頻發和重發態勢[3-4]。稻飛虱[5]、稻瘟病[6]和小麥赤霉病[7]等重大病蟲重發頻率上升,稻瘟病[6]、小麥赤霉病[7]和小麥條銹病[7]等流行性病害間性暴發,草地貪夜蛾、黏蟲、飛蝗、稻縱卷葉螟和草地螟等遷飛性害蟲此起彼伏[8]。最為明顯的如2019年草地貪夜蛾入侵我國,危害27個省區1 426個縣,現已定殖成為又一個“北遷南回”重大遷飛性害蟲[1,9]。2020年沙漠蝗、黃脊竹蝗先后從尼泊爾和老撾邊境入侵我國西藏和云南。重大病蟲害對我國70%以上的糧食作物產區構成重大威脅[8],病蟲害每年可造成的糧食產量實際損失約1 400萬t,相當于山西省全年糧食產量,“蟲口奪糧”已是“保供固安全”大局中的關鍵環節。隨著我國“一帶一路”戰略推進、農產品貿易不斷深化以及多元物流的興起[10],嚴控跨境病蟲害入侵對我國糧食安全造成的危害損失,將是保障我國農業可持續發展的又一重大需求。

2020年《生物安全法》[11]將重大植物疫情治理納入國家生物安全風險防范體系,為全面提升農作物病蟲害治理能力、規范有序應對種植業領域生物安全風險提供了根本法律遵循[12]。化學防治是我國病蟲害防治的重要手段, 2015年之后,我國化肥農藥使用實現零增長目標,農藥用量趨于下降, 但單位面積使用量依然數倍于西方發達國家[13]。生物、物理等非化學綠色防控技術在成本和防效上存在劣勢,應用占比仍然較低,2021年我國農作物病蟲害綠色防控覆蓋率僅為41.5%[14]。另外,農作物病蟲害防治實施主體多為小農戶,農業勞動力普遍老齡化,精準用藥存在困難。科學評估與預測不同風險和防控措施下病蟲害對糧食安全的潛在影響,提前對病蟲害危害損失程度形成預警,是種植業領域生物安全風險“關口前移,源頭治理”的重要技術支撐,對于制定有效的病蟲害風險管控措施,減少糧食損失,確保糧食穩產增產意義重大。

有害生物造成的潛在損失包括直接經濟損失和非直接經濟損失(包括生態環境影響、人身安全影響等)。開展有害生物潛在損失評估是近30年來該領域的研究熱點[15-17],尤其是國外已開發了相關模型方法與軟件進行風險評估與預測分析,包括確定性模型[18]和隨機模型[19]、半定量評估模型[20]和定量模型[21-25]。如Leung等[21]基于生物經濟模型框架分析了非本土物種斑馬貽貝(Dreissenapolymorpha)對經濟活動和環境產生的風險,確定了該物種可接受的入侵風險、入侵防范最佳投資(例如勞動力和資本)和最優預防與控制的資源分配。Adams等[22]開發了生物經濟模型來評估從亞洲通過古巴進入美國的棘脛小蠹(Ambrosiabeetle)對美國南部林地可能造成的經濟風險損失。Huron等[23]基于病蟲害嚴重性評估框架分析了斑衣蠟蟬(Lycormadelicatula)在全球葡萄種植范圍中產生的潛在經濟影響。相比國外,國內研究的關注重點還在有害生物風險過程階段,對有害生物形成的經濟和社會損失評估關注度較少,相關模型開發滯后,主要通過構建損失評判指標體系的方法來半定量評估病蟲害造成的損失[26-27]。基于定量模型開展有害生物潛在損失預測分析的研究非常少,如吳志剛等[28]采用@RISK軟件和蒙特卡洛隨機模擬方法,評估了刺萼龍葵對我國玉米產業造成的潛在經濟損失為29.37億～350.83億元,損失率在0.83%～8.92%。方焱等[29]采用@RISK軟件和隨機模擬方法評估了紫莖澤蘭對我國花生產業造成的潛在經濟損失達46.49億～582.39億元。

綜合來看,目前學術界已經建立了單一病蟲害對區域性作物產量影響的評估模型,但缺少經濟損失影響評價,缺乏對多種病蟲害疊加、復合危害影響的全國性、綜合性的宏觀分析,無法準確評估和綜合研判病蟲害對我國糧食安全大局的影響。因此,本研究擬以三大糧食作物病蟲害風險影響為研究對象,基于中國農產品局部均衡模型,模擬分析不同風險發生及不同防控措施力度下病蟲害風險對我國糧食安全的總體潛在影響,以期為確定不同風險發生時是否應予以防控以及采取的防控力度提供經濟學依據,為病蟲害發生時保障國家糧食安全提供預警性參考。

1 理論框架

糧食病蟲害風險是指有害生物在一定環境條件下暴發或流行,造成糧食作物大面積、大幅度減產,甚至完全失收,或者導致農產品大批量損壞變質,由此造成的損失[30]。根據風險評估理論,病蟲害風險損失由致災因子危險性、成災體脆弱性、風險暴露度、風險防控能力四個構成要素。致災因子危險性是指風險來源危險性,即病蟲害風險類型、為害對象及為害程度等。成災體脆弱性即指我國糧食系統承受病蟲害風險的韌性,糧食系統的脆弱性體現在農業生產規模小、生產力水平低,抗風險能力差等方面。風險暴露度主要用于評估風險對糧食安全的影響程度。風險防控能力指通過事先采取多種措施有效規避糧食安全風險的能力。

病蟲害對糧食安全的潛在影響的理論框架如圖1所示。病蟲害對糧食安全的影響機制包括病蟲發成災過程機制及風險控制過程機制2個方面。病蟲害發生時影響糧食作物的生長發育、產量和品質,造成糧食作物成災面積擴大,遭受病蟲害的作物單產減量,進而影響當年糧食總產量,導致國內糧食供需失衡,糧食供給轉向更加緊平衡狀態,同時還會帶來一定程度糧食經濟損失,導致農戶收益受損、國內糧價上漲等。病蟲害為害程度越高,糧食產量受損越嚴重,為滿足我國糧食消費需求,不得不進口更多國際糧食,導致糧食自給率下滑,進而威脅到國內糧食安全保障水平。病蟲害風險控制過程是指病蟲害災害發生時,采取一定防控手段,應對風險沖擊,減輕糧食損失的過程。風險防控手段包括植物檢疫、農業技術防治、生物防治、物理及化學防治及綜合治理等措施,風險控制過程與成災過程相反,防控面積越大,防控能力越高,糧食實際減產損失量越小,越有利保障糧食安全。但風險防控也意味著要付出一定防控成本,在可接受的風險水平內糧食經濟損失與風險防控成本之間有一個權衡,最優狀態即將病蟲害風險控制在經濟受害水平之下。

圖1 病蟲害風險對糧食安全潛在影響的理論框架

2 模型構建與情景設計

2.1 模型構建

2.1.1中國農業產業模型

模型方法主要采用了中國農業科學院農業經濟與發展研究所與國際食物政策研究所共同開發的中國農業產業模型(China Agricultural Sector Model, CASM)模擬預測病蟲害對糧食安全潛在影響。CASM是中國農產品局部均衡模型,包括33種農產品及加工品。該模型可以模擬政策變化和外界沖擊對中國農產品市場的影響,由國內供給、國內需求和外生國際市場價格共同決定國內價格,當市場出清時,實現市場均衡。與現有模型相比,CASM的優勢在于綜合考慮了各種農產品之間存在替代和互補關系,考慮了畜產品生產技術特點和農產品加工品,如大豆、大豆油和豆粕。模型應用GAMS(通用代數建模系統)軟件進行開發和求解,關于模型公式介紹詳見《中國農業產業發展報告2022》[31]。該研究重點對病蟲害影響糧食安全的模塊進行了拓展與開發,具體如下:

糧食總產量:

QXC,T=YCC,T×ACC,T

(1)

糧食播種面積:

(2)

糧食單產:

(3)

糧食直接經濟損失:

EC,T=ΔQXC,T×PXC,T

(4)

由式(2)、(3)和(4)可知,糧食播種面積(AC)由糧食作物生產者價格(PX)和面積價格彈性決定,糧食單產水平(YC)取決于糧食作物本身的生產者價格(PX)和單產價格彈性,糧食直接經濟損失(E)取決于糧食作物的生產者價格(PX)和產量變化(ΔQX),即糧食產值損失,不考慮環境效應和健康效應等方面產生的經濟損失。

另外,病蟲害造成的糧食產量損失用實損率r、挽回率s和潛在減產損失率p3個指標表示。

糧食實損率:

r=ActLC,T/QXC,T

(5)

糧食挽回率:

s=SavLC,T/QXC,T

(6)

糧食潛在減產損失率:

p=PotLC,T/QXC,T

(7)

式中:ActL為糧食實際產量損失,指某種糧食作物采取防控措施后仍然造成的病蟲害為害產量損失;SavL為糧食挽回產量,指某種糧食作物采取防控措施后能夠挽回的病蟲害為害產量損失;PotL為潛在糧食減產損失量,指某種糧食作物因病蟲害為害可能損失的產量,等于實際產量損失和挽回產量之和。

2.1.2數據來源

CASM的數據基礎為中國農業科學院農業經濟與發展研究所組織編制的33種農產品及加工品供需平衡表,基準年為2021年。2016—2020年糧食作物病蟲害發生面積、防治面積、產量損失、挽回產量等數據主要來源于《中國農村統計年鑒》[32]和《全國植保專業統計資料》[33]。

2.2 情景方案設計

2.2.1病蟲害風險發生情景設計

根據歷史上水稻、小麥和玉米發生過的最高病蟲害險情,結合未來病蟲害發生趨勢,設置病蟲害發生的高、中、低風險情景,情景設計見表1。

表1 三大糧食作物病蟲害風險發生情景設計

我國糧食作物重大病蟲害發生最為嚴重的歷史記錄包括:2005年褐飛虱在我國長江流域及以南各省份特大發生,造成全國稻谷損失超過26億kg;小麥條銹病突發性強,蔓延速度快,危害損失特別重,大流行年份可使小麥減產30%左右,中度流行年份減產10%～20%,特大流行年份減產率高達50%～60%,1950年、1964年、1990年、2002年和2009年發生5次全國性大流行,分別造成小麥減產60億、30億、26.5億、14億和4.5億kg;近年來,草地貪夜蛾成為為害玉米最嚴重蟲害,具有遷飛能力和繁殖能力強、寄主范圍廣和取食量大等特性,在我國由于防治及時尚未造成巨大危害損失,但據統計,在美國佛羅里達州,草地貪夜蛾為害可造成玉米減產20%。

未來我國糧食作物重大病蟲害擴展流行速度會明顯加快[5]。氣候變暖和耕作制度變化是重大病蟲害風險不斷增大的主導因素[3-4,34]。氣溫升高1 ℃,蟲害引發的損失將提高10%～25%[35]。免耕播種、秸稈還田、殘茬覆蓋地表為核心的保護性耕作,會導致土傳病害、地下害蟲和鉆蛀越冬害蟲基數增加。跨區機收加劇了吸漿蟲、孢囊線蟲、農田雜草等遷移擴散和傳播蔓延風險[36]。

2.2.2病蟲害防控情景設計

病蟲害防控情景設計見表2。2022年農業農村部印發《“兩增兩減”蟲口奪糧促豐收行動方案》(農辦農〔2022〕1號),提出統防統治區糧食病蟲危害損失率減少1個百分點目標,將這一目標擴大到全國范圍,設為高防控目標。中防控目標為保持2016—2020年糧食產量實際損失率平均水平。低防控目標為防控能力跟不上前提下,糧食產量實際損失率比2016—2020年平均水平提高2個百分點。設置零防控作為對照組,用于評估防控措施帶來的效果。

表2 三大糧食作物病蟲害防控情景設計

對應高、中、低防控目標,提出相應防控支持措施。當不同程度的病害蟲風險發生時,為實現情景設計中的防控目標,需不同組合和力度的防控措施。

1996年轉基因技術商業化以來,將微生物體內抗蟲基因(一般為Bacillusthuringiensis)轉入常規玉米品種,培育成對靶標害蟲具有抗性的轉基因抗蟲品種,在全世界廣泛證實該項技術在防治病蟲害、減少殺蟲劑施用量方面具有顯著效果。我國正迎來生物育種產業化重大機遇期,2019—2023 年已有13個抗蟲耐除草劑轉基因玉米獲得生產應用安全證書。2021年農業農村部開展了轉基因抗蟲玉米產業化試點,證實轉基因玉米對草地貪夜蛾的防治效果可達95%以上,增產10.7%,并可以大幅減少防蟲成本。轉基因技術是病蟲害防治的重要技術手段,轉基因抗蟲玉米產業化將在防控情景中重點關注。

3 結果與分析

3.1 病蟲害對我國糧食產量及自給率的影響

基于CASM模擬得到不同風險和防控措施組合下三大糧食作物的產量損失量、產量損失率及自給率變化見表3。主要結果如下:

表3 不同風險和防控措施組合下三大作物糧食產量損失量和和損失率變化

1)當高風險情景發生時,在低防控措施下,“口糧絕對安全”無法得到有效保障。三大糧食作物產量將從2021年的62 234萬t下降到59 256萬t,糧食產量損失2 978萬t,糧食產量實際損失率為4.79%。分作物來看,水稻產量將從21 284萬t下降到20 068萬t,下降1 216萬t,產量實際損失率為5.71%,自給率從當前的98.3%下降到94.2%;小麥產量從13 695萬t下降到13 066萬t,下降629萬t,實際產量損失率為4.59%,自給率從當前93.4%下降到89.4%;玉米產量從27 255萬t下降到26 122萬t,下降1 133萬t,實際產量損失率為4.16%,自給率從當前的90.6%下降的86.7%。病蟲害高風險情況發生時,會對我國“口糧絕對安全”戰略產生挑戰。

2)當中風險情景發生時,在中防控方案下,三大糧食作物減產損失有擴大風險。在最大概率可能發生的中風險情景下,隨著重大病蟲害致災因子危險性加劇,糧食系統風險暴露度加大,在現有風險防控能力下,難以保持“十三五”糧食產量實際損失率平均水平。三大糧食產量將從62 234萬t下降為60 631萬t,糧食產量損失1 603萬t,實際損失率為2.58%,相比“十三五”三大糧食作物實際產量損失率平均水平(2.13%),有所增加。分作物來看,水稻產量損失量大于玉米,大于小麥。水稻產量實際損失645萬t,實際損失率為3.03%,自給率從98.3%下降到97.6%;小麥產量實際損失393萬t,實際損失率為2.87%,自給率從93.4%下降到91.2%;玉米產量損失565萬t,實際損失率2.07%,自給率從當前的90.6%下降的88.4%。

3)當低風險情景發生時,在高防控方案下,三大糧食作物減產損失會下降。該方案是“風險+防控”組合方案中對糧食產量為害最輕方案,也是最理想狀態。三大糧食作物產量將從62 234萬t下降為61 291萬t,糧食產量損失943萬t,糧食產量實際損失率為1.52%,相比“十三五”平均水平(2.13%),實際損失率下降,即糧食產量挽回率在增加。小麥、玉米產量損失率分別從2.4%和2.2%下降到1.87%和0.95%。

綜合來看,有效的防控措施對于保障糧食安全意義重大。低防控措施下,即便是低風險情景發生時,三大糧食作物產量實際損失率也在3.98%,比“十三五”平均水平(2.13%)高出近2個百分點。中防控措施下,相比低防控方案,會使得糧食產量損失多挽回767萬～1 226萬t,產量損失率下降1.23～1.97個百分點,高防控措施下,相比低防控方案,會使糧食產量損失多挽回1 536萬～1 724萬t,損失率下降2.47～2.93個百分點。當病蟲害高風險發生時,采取高防控措施也可以將損失率下降到2.01%以內,低于十三五平均水平(2.13%),有效避免糧食產量損害。因此,科學有效的防控措施是抵御糧食病蟲害災害,確保糧食減損的關鍵。

3.2 病蟲害造成的糧食直接經濟損失與防控成本對比分析

基于CASM模擬得到不同病蟲害風險和防控措施組合情景方案下糧食減產帶來的直接糧食經濟損失,并進一步與防控成本進行對比分析,結果見表4。主要結果如下:

表4 不同風險和防控措施組合下三大作物糧食直接經濟損失變化

1)糧食直接經濟損失。病蟲害發生對糧食減產的損害會帶來經濟損失。如果不采取防控措施,高風險下三大糧食作物直接經濟損失為5 443億元,中風險時為3 385億元,低風險時為2 810億元。分作物來看,中風險情景發生時,病蟲害帶來的水稻經濟損失最大,水稻直接經濟損失為1 819億元,小麥為759億元,玉米為807億元。科學的病蟲害防控可大大降低病蟲害造成的經濟損失,高風險情景發生時,不同防控措施下病蟲害造成的實際糧食經濟損失為387億～931億元,為零防控情景下經濟損失的7.1%～17.1%;中風險情景發生時,病蟲害會造成的實際糧食經濟損失為321億～870億元,為零防控情景下經濟損失的9.5%～25.7%;低風險情景發生時,病蟲害會造成的實際糧食經濟損失為304億～784億元,為零防控情景下經濟損失的10.8%～27.9%。

2)病蟲害防控成本與糧食挽回直接經濟損失。病蟲害防控需付出一定防控成本,但防控挽回的糧食直接經濟損失遠大于防控成本。分析結果見表5,根據《全國農產品成本收益資料匯編》中三大糧食作物的農藥成本,參照全國農技中心調查統計,殺蟲劑占比約為36%,計算得到當前我國三大糧食作物病蟲害防控成本約為179億元左右。參考這一標準,對比高、中、低風險情景下,不同防控措施下挽回的糧食經濟損失為4 512億～5 056億元、2 515億～3 064億元、2 026億～2 506億元,均遠大于當前防控成本付出。

表5 不同風險情景下病蟲害防控成本與糧食直接經濟損失

3.3 轉基因抗蟲玉米產業化在病蟲害防治中的作用

種植轉基因抗蟲品種是應對玉米害蟲、提高產量的有效手段之一。基于CASM模擬結果見表6,假設轉基因抗蟲玉米能夠在全國推廣,那么可將玉米病蟲害造成的實際損失率從2016—2021年平均水平(2.2%)下降到1.0%。同時還會使我國玉米產量大幅度提高,高、中、低風險情景時玉米產量分別為29 510萬、29 668萬和29 724萬t,相比2021年提高8.27%、8.85%和9.06%,自給率將從當前的90.6%提高到97.5%左右。轉基因抗蟲玉米最大的優勢在于降低病蟲害防控成本,可有效減少農藥用量60%,如果我國玉米全部替換為轉基因抗蟲玉米,相比現狀,可以節約大約28億元農藥成本,同時節約大量的噴施農藥方面的勞動力成本。從農作物病蟲害防治角度來看,轉基因抗蟲玉米產業化是保障國家飼料糧安全的重要戰略選擇。

表6 不同風險情景下轉基因抗蟲玉米產量及自給率變化

4 結論與啟示

本研究在對三大糧食作物病蟲害發生歷史和未來趨勢綜合分析和研判基礎上,基于CASM模擬了高、中、低風險和不同防控強度措施組合情景下病蟲害風險對于我國糧食安全的潛在影響,主要結論如下:

第一,我國重大病蟲害呈頻發、重發態勢,病蟲害發生會對糧食安全造成威脅。隨著病蟲害致災因子危險性加劇,按照“十三五”防控水平,三大糧食作物減產損失有擴大風險,糧食產量實際損失率相比2016—2020年平均水平(2.13%)增加0.45個百分點。高風險低防控措施情景下,“口糧絕對安全”甚至無法得到有效保障,三大糧食作物產量實際損失率從2016—2020年平均水平(2.13%)上升為4.79%,水稻自給率從98.3%下降到94.2%,小麥自給率從93.4%下降到89.4%,玉米自給率從90.6%下降到86.7%。

第二,經過科學防控,挽回的糧食直接經濟損失大于防控成本,防控收益大于成本。高、中、低風險情景下,不同防控措施下挽回的糧食經濟損失為4 512億～5 056億元、2 515億～3 064億元、2 026億～2 506億元,均遠大于當前防控成本付出(179億元)。

第三,轉基因抗蟲玉米產業化是玉米減少害蟲危害,提高產量的重要技術選擇。種植轉基因抗蟲玉米可將病蟲害造成的玉米實際損失率從2016—2021年平均水平(2.2%)下降到1.0%,玉米自給率從90.6%高到97.5%,同時可節約28億元左右農藥成本和大量勞動力成本。

科學有效的防控措施是應對病蟲害風險沖擊,保障糧食安全的關鍵。為有效應對病蟲害高發頻發對糧食安全的不利影響,最大限度降低糧食病蟲害減產損失,提出以下5點具體對策建議:

第一,盡快開展病蟲害糧食危害損失評估與預測分析。集昆蟲學家、植保學家、氣象學家與經濟學家相關知識、信息與方法,開發病蟲害風險潛在損失定量評估模型與系統,針對病蟲害產生的經濟影響(直接經濟損失、間接經濟損失和防治費用)與非經濟影響(生態環境影響、健康影響)進行科學評估與預測分析,預判重大病蟲害對于糧食安全的危害程度,預警病蟲害危害損失,以此作為病蟲害風險防控關口前移重要支撐,制定開發病蟲害風險管控工具箱,為國家及地方政府采取管控措施提供科技支撐。

第二,提升重大病蟲害疫情監測預警能力。充分整合利用衛星監測數據、遙感數據及地面人員實地調研數據,對糧食病蟲害信息進行全面收集與整理,系統識別,建立自動監測預警的網絡體系和平臺,及時掌握重大病蟲害發生動態,精準預測,定期發布病蟲害風險分析應急和中長期分析報告,為糧食產業發展提供信息支持。盯緊重大遷飛性害蟲,實現防線前移,御敵于國門之外,有效降低應急壓力。

第三,加快推進生物科技創新和產業化應用。加快提升國家生物安全科技創新能力,集成現代科學技術,明確不同生防因子控制植物病害的分子機制,建立有關領域共享技術的合作研究平臺,提高植物病害生物防治的基礎與應用研究水平,搶占農業生物技術競爭制高點。加快生物育種產業化,鼓勵企業通過組建創新聯合體,促進生物育種成果加速應用。

第四,強化智能植保技術的開發與應用。挖掘新的物理以及化學方法控制病蟲害發生,創建新的生態防控系統,適應新的農業綠色革命發展,提高病蟲害防控效率。技術應用層面,開發和普及手機APP、微信小程序、微信公眾平臺,為農業生產主體提供全方位、智能化的植保信息服務,滿足其對病蟲害發生信息、防治指導、咨詢問診、供求信息等公益性植保服務需求,實現植保大數據信息服務“掌上化”。

第五,積極參與全球生物安全治理。主動謀劃并發起農業生物安全國際科學計劃,對尚未進入我國但對我國具有一定潛在威脅的外來疫病進行監測預警、風險評估和防控技術儲備,增強生物安全風險防控的前瞻性和主動性。積極主導和參與國際生物安全標準制定,推動疫苗、農藥、獸藥等產品“走出去”,提升我國農業生物安全國際治理能力與話語權。