“虫口夺粮”保安全:风险威胁及应对策略 ——基于病虫害风险对粮食安全潜在影响的模拟分析

王晓君 张玉梅 孙炜琳 王国刚 胡向东 毛世平*

(1.中国农业科学院 农业经济与发展研究所,北京 100081; 2.中国农业大学 经济管理学院,北京 100083)

我国农业生物安全面临一系列风险挑战:重大动植物疫病本底复杂;外来生物入侵新发风险攀升;有害生物绿色可持续和信息化治理模式应用不足;防范对象耐药性压力增大;农业生物安全风险正对粮食安全、生态安全和经济社会发展产生重大影响[1-2]。特别是近年来,受全球气候异常变化和耕作栽培方式等影响,威胁我国粮食作物的迁飞性、暴发性和检疫性等重大病虫疫情呈频发和重发态势[3-4]。稻飞虱[5]、稻瘟病[6]和小麦赤霉病[7]等重大病虫重发频率上升,稻瘟病[6]、小麦赤霉病[7]和小麦条锈病[7]等流行性病害间性暴发,草地贪夜蛾、黏虫、飞蝗、稻纵卷叶螟和草地螟等迁飞性害虫此起彼伏[8]。最为明显的如2019年草地贪夜蛾入侵我国,危害27个省区1 426个县,现已定殖成为又一个“北迁南回”重大迁飞性害虫[1,9]。2020年沙漠蝗、黄脊竹蝗先后从尼泊尔和老挝边境入侵我国西藏和云南。重大病虫害对我国70%以上的粮食作物产区构成重大威胁[8],病虫害每年可造成的粮食产量实际损失约1 400万t,相当于山西省全年粮食产量,“虫口夺粮”已是“保供固安全”大局中的关键环节。随着我国“一带一路”战略推进、农产品贸易不断深化以及多元物流的兴起[10],严控跨境病虫害入侵对我国粮食安全造成的危害损失,将是保障我国农业可持续发展的又一重大需求。

2020年《生物安全法》[11]将重大植物疫情治理纳入国家生物安全风险防范体系,为全面提升农作物病虫害治理能力、规范有序应对种植业领域生物安全风险提供了根本法律遵循[12]。化学防治是我国病虫害防治的重要手段, 2015年之后,我国化肥农药使用实现零增长目标,农药用量趋于下降, 但单位面积使用量依然数倍于西方发达国家[13]。生物、物理等非化学绿色防控技术在成本和防效上存在劣势,应用占比仍然较低,2021年我国农作物病虫害绿色防控覆盖率仅为41.5%[14]。另外,农作物病虫害防治实施主体多为小农户,农业劳动力普遍老龄化,精准用药存在困难。科学评估与预测不同风险和防控措施下病虫害对粮食安全的潜在影响,提前对病虫害危害损失程度形成预警,是种植业领域生物安全风险“关口前移,源头治理”的重要技术支撑,对于制定有效的病虫害风险管控措施,减少粮食损失,确保粮食稳产增产意义重大。

有害生物造成的潜在损失包括直接经济损失和非直接经济损失(包括生态环境影响、人身安全影响等)。开展有害生物潜在损失评估是近30年来该领域的研究热点[15-17],尤其是国外已开发了相关模型方法与软件进行风险评估与预测分析,包括确定性模型[18]和随机模型[19]、半定量评估模型[20]和定量模型[21-25]。如Leung等[21]基于生物经济模型框架分析了非本土物种斑马贻贝(Dreissenapolymorpha)对经济活动和环境产生的风险,确定了该物种可接受的入侵风险、入侵防范最佳投资(例如劳动力和资本)和最优预防与控制的资源分配。Adams等[22]开发了生物经济模型来评估从亚洲通过古巴进入美国的棘胫小蠹(Ambrosiabeetle)对美国南部林地可能造成的经济风险损失。Huron等[23]基于病虫害严重性评估框架分析了斑衣蜡蝉(Lycormadelicatula)在全球葡萄种植范围中产生的潜在经济影响。相比国外,国内研究的关注重点还在有害生物风险过程阶段,对有害生物形成的经济和社会损失评估关注度较少,相关模型开发滞后,主要通过构建损失评判指标体系的方法来半定量评估病虫害造成的损失[26-27]。基于定量模型开展有害生物潜在损失预测分析的研究非常少,如吴志刚等[28]采用@RISK软件和蒙特卡洛随机模拟方法,评估了刺萼龙葵对我国玉米产业造成的潜在经济损失为29.37亿～350.83亿元,损失率在0.83%～8.92%。方焱等[29]采用@RISK软件和随机模拟方法评估了紫茎泽兰对我国花生产业造成的潜在经济损失达46.49亿～582.39亿元。

综合来看,目前学术界已经建立了单一病虫害对区域性作物产量影响的评估模型,但缺少经济损失影响评价,缺乏对多种病虫害叠加、复合危害影响的全国性、综合性的宏观分析,无法准确评估和综合研判病虫害对我国粮食安全大局的影响。因此,本研究拟以三大粮食作物病虫害风险影响为研究对象,基于中国农产品局部均衡模型,模拟分析不同风险发生及不同防控措施力度下病虫害风险对我国粮食安全的总体潜在影响,以期为确定不同风险发生时是否应予以防控以及采取的防控力度提供经济学依据,为病虫害发生时保障国家粮食安全提供预警性参考。

1 理论框架

粮食病虫害风险是指有害生物在一定环境条件下暴发或流行,造成粮食作物大面积、大幅度减产,甚至完全失收,或者导致农产品大批量损坏变质,由此造成的损失[30]。根据风险评估理论,病虫害风险损失由致灾因子危险性、成灾体脆弱性、风险暴露度、风险防控能力四个构成要素。致灾因子危险性是指风险来源危险性,即病虫害风险类型、为害对象及为害程度等。成灾体脆弱性即指我国粮食系统承受病虫害风险的韧性,粮食系统的脆弱性体现在农业生产规模小、生产力水平低,抗风险能力差等方面。风险暴露度主要用于评估风险对粮食安全的影响程度。风险防控能力指通过事先采取多种措施有效规避粮食安全风险的能力。

病虫害对粮食安全的潜在影响的理论框架如图1所示。病虫害对粮食安全的影响机制包括病虫发成灾过程机制及风险控制过程机制2个方面。病虫害发生时影响粮食作物的生长发育、产量和品质,造成粮食作物成灾面积扩大,遭受病虫害的作物单产减量,进而影响当年粮食总产量,导致国内粮食供需失衡,粮食供给转向更加紧平衡状态,同时还会带来一定程度粮食经济损失,导致农户收益受损、国内粮价上涨等。病虫害为害程度越高,粮食产量受损越严重,为满足我国粮食消费需求,不得不进口更多国际粮食,导致粮食自给率下滑,进而威胁到国内粮食安全保障水平。病虫害风险控制过程是指病虫害灾害发生时,采取一定防控手段,应对风险冲击,减轻粮食损失的过程。风险防控手段包括植物检疫、农业技术防治、生物防治、物理及化学防治及综合治理等措施,风险控制过程与成灾过程相反,防控面积越大,防控能力越高,粮食实际减产损失量越小,越有利保障粮食安全。但风险防控也意味着要付出一定防控成本,在可接受的风险水平内粮食经济损失与风险防控成本之间有一个权衡,最优状态即将病虫害风险控制在经济受害水平之下。

图1 病虫害风险对粮食安全潜在影响的理论框架

2 模型构建与情景设计

2.1 模型构建

2.1.1中国农业产业模型

模型方法主要采用了中国农业科学院农业经济与发展研究所与国际食物政策研究所共同开发的中国农业产业模型(China Agricultural Sector Model, CASM)模拟预测病虫害对粮食安全潜在影响。CASM是中国农产品局部均衡模型,包括33种农产品及加工品。该模型可以模拟政策变化和外界冲击对中国农产品市场的影响,由国内供给、国内需求和外生国际市场价格共同决定国内价格,当市场出清时,实现市场均衡。与现有模型相比,CASM的优势在于综合考虑了各种农产品之间存在替代和互补关系,考虑了畜产品生产技术特点和农产品加工品,如大豆、大豆油和豆粕。模型应用GAMS(通用代数建模系统)软件进行开发和求解,关于模型公式介绍详见《中国农业产业发展报告2022》[31]。该研究重点对病虫害影响粮食安全的模块进行了拓展与开发,具体如下:

粮食总产量:

QXC,T=YCC,T×ACC,T

(1)

粮食播种面积:

(2)

粮食单产:

(3)

粮食直接经济损失:

EC,T=ΔQXC,T×PXC,T

(4)

由式(2)、(3)和(4)可知,粮食播种面积(AC)由粮食作物生产者价格(PX)和面积价格弹性决定,粮食单产水平(YC)取决于粮食作物本身的生产者价格(PX)和单产价格弹性,粮食直接经济损失(E)取决于粮食作物的生产者价格(PX)和产量变化(ΔQX),即粮食产值损失,不考虑环境效应和健康效应等方面产生的经济损失。

另外,病虫害造成的粮食产量损失用实损率r、挽回率s和潜在减产损失率p3个指标表示。

粮食实损率:

r=ActLC,T/QXC,T

(5)

粮食挽回率:

s=SavLC,T/QXC,T

(6)

粮食潜在减产损失率:

p=PotLC,T/QXC,T

(7)

式中:ActL为粮食实际产量损失,指某种粮食作物采取防控措施后仍然造成的病虫害为害产量损失;SavL为粮食挽回产量,指某种粮食作物采取防控措施后能够挽回的病虫害为害产量损失;PotL为潜在粮食减产损失量,指某种粮食作物因病虫害为害可能损失的产量,等于实际产量损失和挽回产量之和。

2.1.2数据来源

CASM的数据基础为中国农业科学院农业经济与发展研究所组织编制的33种农产品及加工品供需平衡表,基准年为2021年。2016—2020年粮食作物病虫害发生面积、防治面积、产量损失、挽回产量等数据主要来源于《中国农村统计年鉴》[32]和《全国植保专业统计资料》[33]。

2.2 情景方案设计

2.2.1病虫害风险发生情景设计

根据历史上水稻、小麦和玉米发生过的最高病虫害险情,结合未来病虫害发生趋势,设置病虫害发生的高、中、低风险情景,情景设计见表1。

表1 三大粮食作物病虫害风险发生情景设计

我国粮食作物重大病虫害发生最为严重的历史记录包括:2005年褐飞虱在我国长江流域及以南各省份特大发生,造成全国稻谷损失超过26亿kg;小麦条锈病突发性强,蔓延速度快,危害损失特别重,大流行年份可使小麦减产30%左右,中度流行年份减产10%～20%,特大流行年份减产率高达50%～60%,1950年、1964年、1990年、2002年和2009年发生5次全国性大流行,分别造成小麦减产60亿、30亿、26.5亿、14亿和4.5亿kg;近年来,草地贪夜蛾成为为害玉米最严重虫害,具有迁飞能力和繁殖能力强、寄主范围广和取食量大等特性,在我国由于防治及时尚未造成巨大危害损失,但据统计,在美国佛罗里达州,草地贪夜蛾为害可造成玉米减产20%。

未来我国粮食作物重大病虫害扩展流行速度会明显加快[5]。气候变暖和耕作制度变化是重大病虫害风险不断增大的主导因素[3-4,34]。气温升高1 ℃,虫害引发的损失将提高10%～25%[35]。免耕播种、秸秆还田、残茬覆盖地表为核心的保护性耕作,会导致土传病害、地下害虫和钻蛀越冬害虫基数增加。跨区机收加剧了吸浆虫、孢囊线虫、农田杂草等迁移扩散和传播蔓延风险[36]。

2.2.2病虫害防控情景设计

病虫害防控情景设计见表2。2022年农业农村部印发《“两增两减”虫口夺粮促丰收行动方案》(农办农〔2022〕1号),提出统防统治区粮食病虫危害损失率减少1个百分点目标,将这一目标扩大到全国范围,设为高防控目标。中防控目标为保持2016—2020年粮食产量实际损失率平均水平。低防控目标为防控能力跟不上前提下,粮食产量实际损失率比2016—2020年平均水平提高2个百分点。设置零防控作为对照组,用于评估防控措施带来的效果。

表2 三大粮食作物病虫害防控情景设计

对应高、中、低防控目标,提出相应防控支持措施。当不同程度的病害虫风险发生时,为实现情景设计中的防控目标,需不同组合和力度的防控措施。

1996年转基因技术商业化以来,将微生物体内抗虫基因(一般为Bacillusthuringiensis)转入常规玉米品种,培育成对靶标害虫具有抗性的转基因抗虫品种,在全世界广泛证实该项技术在防治病虫害、减少杀虫剂施用量方面具有显著效果。我国正迎来生物育种产业化重大机遇期,2019—2023 年已有13个抗虫耐除草剂转基因玉米获得生产应用安全证书。2021年农业农村部开展了转基因抗虫玉米产业化试点,证实转基因玉米对草地贪夜蛾的防治效果可达95%以上,增产10.7%,并可以大幅减少防虫成本。转基因技术是病虫害防治的重要技术手段,转基因抗虫玉米产业化将在防控情景中重点关注。

3 结果与分析

3.1 病虫害对我国粮食产量及自给率的影响

基于CASM模拟得到不同风险和防控措施组合下三大粮食作物的产量损失量、产量损失率及自给率变化见表3。主要结果如下:

表3 不同风险和防控措施组合下三大作物粮食产量损失量和和损失率变化

1)当高风险情景发生时,在低防控措施下,“口粮绝对安全”无法得到有效保障。三大粮食作物产量将从2021年的62 234万t下降到59 256万t,粮食产量损失2 978万t,粮食产量实际损失率为4.79%。分作物来看,水稻产量将从21 284万t下降到20 068万t,下降1 216万t,产量实际损失率为5.71%,自给率从当前的98.3%下降到94.2%;小麦产量从13 695万t下降到13 066万t,下降629万t,实际产量损失率为4.59%,自给率从当前93.4%下降到89.4%;玉米产量从27 255万t下降到26 122万t,下降1 133万t,实际产量损失率为4.16%,自给率从当前的90.6%下降的86.7%。病虫害高风险情况发生时,会对我国“口粮绝对安全”战略产生挑战。

2)当中风险情景发生时,在中防控方案下,三大粮食作物减产损失有扩大风险。在最大概率可能发生的中风险情景下,随着重大病虫害致灾因子危险性加剧,粮食系统风险暴露度加大,在现有风险防控能力下,难以保持“十三五”粮食产量实际损失率平均水平。三大粮食产量将从62 234万t下降为60 631万t,粮食产量损失1 603万t,实际损失率为2.58%,相比“十三五”三大粮食作物实际产量损失率平均水平(2.13%),有所增加。分作物来看,水稻产量损失量大于玉米,大于小麦。水稻产量实际损失645万t,实际损失率为3.03%,自给率从98.3%下降到97.6%;小麦产量实际损失393万t,实际损失率为2.87%,自给率从93.4%下降到91.2%;玉米产量损失565万t,实际损失率2.07%,自给率从当前的90.6%下降的88.4%。

3)当低风险情景发生时,在高防控方案下,三大粮食作物减产损失会下降。该方案是“风险+防控”组合方案中对粮食产量为害最轻方案,也是最理想状态。三大粮食作物产量将从62 234万t下降为61 291万t,粮食产量损失943万t,粮食产量实际损失率为1.52%,相比“十三五”平均水平(2.13%),实际损失率下降,即粮食产量挽回率在增加。小麦、玉米产量损失率分别从2.4%和2.2%下降到1.87%和0.95%。

综合来看,有效的防控措施对于保障粮食安全意义重大。低防控措施下,即便是低风险情景发生时,三大粮食作物产量实际损失率也在3.98%,比“十三五”平均水平(2.13%)高出近2个百分点。中防控措施下,相比低防控方案,会使得粮食产量损失多挽回767万～1 226万t,产量损失率下降1.23～1.97个百分点,高防控措施下,相比低防控方案,会使粮食产量损失多挽回1 536万～1 724万t,损失率下降2.47～2.93个百分点。当病虫害高风险发生时,采取高防控措施也可以将损失率下降到2.01%以内,低于十三五平均水平(2.13%),有效避免粮食产量损害。因此,科学有效的防控措施是抵御粮食病虫害灾害,确保粮食减损的关键。

3.2 病虫害造成的粮食直接经济损失与防控成本对比分析

基于CASM模拟得到不同病虫害风险和防控措施组合情景方案下粮食减产带来的直接粮食经济损失,并进一步与防控成本进行对比分析,结果见表4。主要结果如下:

表4 不同风险和防控措施组合下三大作物粮食直接经济损失变化

1)粮食直接经济损失。病虫害发生对粮食减产的损害会带来经济损失。如果不采取防控措施,高风险下三大粮食作物直接经济损失为5 443亿元,中风险时为3 385亿元,低风险时为2 810亿元。分作物来看,中风险情景发生时,病虫害带来的水稻经济损失最大,水稻直接经济损失为1 819亿元,小麦为759亿元,玉米为807亿元。科学的病虫害防控可大大降低病虫害造成的经济损失,高风险情景发生时,不同防控措施下病虫害造成的实际粮食经济损失为387亿～931亿元,为零防控情景下经济损失的7.1%～17.1%;中风险情景发生时,病虫害会造成的实际粮食经济损失为321亿～870亿元,为零防控情景下经济损失的9.5%～25.7%;低风险情景发生时,病虫害会造成的实际粮食经济损失为304亿～784亿元,为零防控情景下经济损失的10.8%～27.9%。

2)病虫害防控成本与粮食挽回直接经济损失。病虫害防控需付出一定防控成本,但防控挽回的粮食直接经济损失远大于防控成本。分析结果见表5,根据《全国农产品成本收益资料汇编》中三大粮食作物的农药成本,参照全国农技中心调查统计,杀虫剂占比约为36%,计算得到当前我国三大粮食作物病虫害防控成本约为179亿元左右。参考这一标准,对比高、中、低风险情景下,不同防控措施下挽回的粮食经济损失为4 512亿～5 056亿元、2 515亿～3 064亿元、2 026亿～2 506亿元,均远大于当前防控成本付出。

表5 不同风险情景下病虫害防控成本与粮食直接经济损失

3.3 转基因抗虫玉米产业化在病虫害防治中的作用

种植转基因抗虫品种是应对玉米害虫、提高产量的有效手段之一。基于CASM模拟结果见表6,假设转基因抗虫玉米能够在全国推广,那么可将玉米病虫害造成的实际损失率从2016—2021年平均水平(2.2%)下降到1.0%。同时还会使我国玉米产量大幅度提高,高、中、低风险情景时玉米产量分别为29 510万、29 668万和29 724万t,相比2021年提高8.27%、8.85%和9.06%,自给率将从当前的90.6%提高到97.5%左右。转基因抗虫玉米最大的优势在于降低病虫害防控成本,可有效减少农药用量60%,如果我国玉米全部替换为转基因抗虫玉米,相比现状,可以节约大约28亿元农药成本,同时节约大量的喷施农药方面的劳动力成本。从农作物病虫害防治角度来看,转基因抗虫玉米产业化是保障国家饲料粮安全的重要战略选择。

表6 不同风险情景下转基因抗虫玉米产量及自给率变化

4 结论与启示

本研究在对三大粮食作物病虫害发生历史和未来趋势综合分析和研判基础上,基于CASM模拟了高、中、低风险和不同防控强度措施组合情景下病虫害风险对于我国粮食安全的潜在影响,主要结论如下:

第一,我国重大病虫害呈频发、重发态势,病虫害发生会对粮食安全造成威胁。随着病虫害致灾因子危险性加剧,按照“十三五”防控水平,三大粮食作物减产损失有扩大风险,粮食产量实际损失率相比2016—2020年平均水平(2.13%)增加0.45个百分点。高风险低防控措施情景下,“口粮绝对安全”甚至无法得到有效保障,三大粮食作物产量实际损失率从2016—2020年平均水平(2.13%)上升为4.79%,水稻自给率从98.3%下降到94.2%,小麦自给率从93.4%下降到89.4%,玉米自给率从90.6%下降到86.7%。

第二,经过科学防控,挽回的粮食直接经济损失大于防控成本,防控收益大于成本。高、中、低风险情景下,不同防控措施下挽回的粮食经济损失为4 512亿～5 056亿元、2 515亿～3 064亿元、2 026亿～2 506亿元,均远大于当前防控成本付出(179亿元)。

第三,转基因抗虫玉米产业化是玉米减少害虫危害,提高产量的重要技术选择。种植转基因抗虫玉米可将病虫害造成的玉米实际损失率从2016—2021年平均水平(2.2%)下降到1.0%,玉米自给率从90.6%高到97.5%,同时可节约28亿元左右农药成本和大量劳动力成本。

科学有效的防控措施是应对病虫害风险冲击,保障粮食安全的关键。为有效应对病虫害高发频发对粮食安全的不利影响,最大限度降低粮食病虫害减产损失,提出以下5点具体对策建议:

第一,尽快开展病虫害粮食危害损失评估与预测分析。集昆虫学家、植保学家、气象学家与经济学家相关知识、信息与方法,开发病虫害风险潜在损失定量评估模型与系统,针对病虫害产生的经济影响(直接经济损失、间接经济损失和防治费用)与非经济影响(生态环境影响、健康影响)进行科学评估与预测分析,预判重大病虫害对于粮食安全的危害程度,预警病虫害危害损失,以此作为病虫害风险防控关口前移重要支撑,制定开发病虫害风险管控工具箱,为国家及地方政府采取管控措施提供科技支撑。

第二,提升重大病虫害疫情监测预警能力。充分整合利用卫星监测数据、遥感数据及地面人员实地调研数据,对粮食病虫害信息进行全面收集与整理,系统识别,建立自动监测预警的网络体系和平台,及时掌握重大病虫害发生动态,精准预测,定期发布病虫害风险分析应急和中长期分析报告,为粮食产业发展提供信息支持。盯紧重大迁飞性害虫,实现防线前移,御敌于国门之外,有效降低应急压力。

第三,加快推进生物科技创新和产业化应用。加快提升国家生物安全科技创新能力,集成现代科学技术,明确不同生防因子控制植物病害的分子机制,建立有关领域共享技术的合作研究平台,提高植物病害生物防治的基础与应用研究水平,抢占农业生物技术竞争制高点。加快生物育种产业化,鼓励企业通过组建创新联合体,促进生物育种成果加速应用。

第四,强化智能植保技术的开发与应用。挖掘新的物理以及化学方法控制病虫害发生,创建新的生态防控系统,适应新的农业绿色革命发展,提高病虫害防控效率。技术应用层面,开发和普及手机APP、微信小程序、微信公众平台,为农业生产主体提供全方位、智能化的植保信息服务,满足其对病虫害发生信息、防治指导、咨询问诊、供求信息等公益性植保服务需求,实现植保大数据信息服务“掌上化”。

第五,积极参与全球生物安全治理。主动谋划并发起农业生物安全国际科学计划,对尚未进入我国但对我国具有一定潜在威胁的外来疫病进行监测预警、风险评估和防控技术储备,增强生物安全风险防控的前瞻性和主动性。积极主导和参与国际生物安全标准制定,推动疫苗、农药、兽药等产品“走出去”,提升我国农业生物安全国际治理能力与话语权。