FarmSTEPS：一种用于探索多样化且可持续的农作物种植顺序计划的时空模型，适用于农作物农场

《Agronomy for Sustainable Development》：FarmSTEPS, a model for spatial-temporal exploration of diversified and sustainable crop sequence plans for crop farms

作物轮作规划模型FarmSTEPS通过整合农场特征、作物序列生成算法和多目标决策工具，系统设计空间时间明确的多元化可持续种植计划，以最大化利润和最小化地下水枯竭、农药输入、水体富营养化和温室气体排放。案例显示其可提升3-50%利润并降低10-56%环境压力，同时揭示经济与环境效益的权衡关系。

　　

摘要

作物多样化可以提高农作物种植的经济和环境可持续性，但要实现这一目标，需要精心规划，充分考虑作物在轮作或空间布局中的相互关系。虽然已经设计出多种模型来制定多样化的作物轮作方案或作物空间布局，但这些模型往往无法在时间和空间尺度上准确反映农场的具体情况、生产限制以及可持续性目标。为填补这一空白，我们开发了一种基于规则的全农场规划模型FarmSTEPS，能够以时空明确的方式系统地探索多样化和可持续的农场作物种植方案。FarmSTEPS包括多个农场特征模块、用于生成作物种植方案的算法以及一个多属性决策辅助工具。用户首先描述农场配置和地块属性，并根据农场实际情况对候选作物进行参数化设置。随后，算法会根据用户定义的序列和农场级约束条件，生成并评估从第一个规划周期到规划窗口结束期间的所有可行作物种植方案。最终，该模型通过多属性决策辅助工具推荐出一组更优的农场方案。我们以一个种植小麦和玉米的农场为例，探讨了旨在实现五个可持续性目标（最大化毛利润和最小化四种环境影响：地下水枯竭、农药使用、水体富营养化、温室气体排放）的三年期种植计划。该模型生成了213,679个可行方案，其中128个方案在五个目标方面达到了帕累托最优。总体而言，与仅种植小麦和玉米的基线方案相比，这些最优方案使毛利润提高了3-50%，同时将环境影响减少了10-56%，这主要得益于块茎类和油料作物的引入；尽管在经济效益和环境效益之间存在权衡。案例研究表明，FarmSTEPS是一种有效的工具，可以针对农场的具体条件设计多样化和可持续的作物种植方案，并向利益相关者说明不同可持续性目标之间的潜在利弊。