保障粮食安全和减少农业污染是全球各国都在面对的难题，因为种粮食既要占用土地又要消耗水资源，还会排放温室气体和氮污染物。浙江大学谷保静教授团队完成的一项研究正好回答了这个问题，他们在《自然·食品》杂志发表了标题是《Climate change and interprovincial trade move grain production and environmental burdens northwards in China》的论文。这项研究工作系统梳理了从1980年到2020年这四十年间中国各省之间粮食贸易背后隐藏的耕地转移、水资源消耗、氮污染和温室气体排放的变化，还预测了到2060年不同发展路径下这些环境负担会怎么演变。
研究团队发现，中国粮食生产的重心在过去四十年里一直在往北边移动。北方地区的粮食产量在2005年第一次超过了南方，而且这个差距之后越拉越大。到了2020年，黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古这四个北方省份的粮食产量加起来占了全国总产量的四分之一还多，而在1980年这个比例只有15%。与此同时，人们的吃粮结构也发生了巨大变化，全国粮食总需求从3.29亿吨涨到了7.42亿吨，其中养猪养鸡等用的饲料粮需求增长最猛，从0.97亿吨一下子跳到了3.77亿吨。这样一来，北方省份生产的粮食远远超过了它们自己需要的量，南方省份却出现了巨大的缺口，2020年北方六个省份的粮食盈余达到了9070万吨，南方大部分省份只能靠从外地调粮来满足需求。
省际粮食贸易的规模跟着供需缺口的扩大急剧膨胀。贸易总量从1980年的2210万吨占全国产量的6.9%增加到了2020年的1.28亿吨占全国产量的19.1%。东北地区成了全国最大的粮仓和输出地，它们出口的粮食份额从1980年的700万吨占总贸易量的30%猛增到了7960万吨占62%。这种大规模跨省调粮带来了巨大的环境代价。虚拟耕地的转移量从760万公顷增加到了2250万公顷，相当于全国耕地总面积的17%。虚拟水的转移量从248亿立方米涨到了1276亿立方米，其中灌溉用的蓝水转移量增长了将近五倍。嵌入在粮食贸易中的氮污染从每年25万吨增加到了78万吨，净温室气体排放从每年1950万吨二氧化碳当量增加到了9800万吨。光是把粮食从北方运到南方这一路上的运输排放就增长了14倍，从每年50万吨二氧化碳当量增加到了730万吨。研究团队还注意到一个有意思的细节，2000年各项环境指标都出现了异常的下降，那一年正好北方发生了严重干旱，粮食减产导致北方能往外运的粮食变少了。
到底是什么力量在推动这个北移呢？研究团队用固定效应模型和结构方程模型做了深入分析。他们发现灌溉和机械化的作用最大，这两个因素和粮食产量呈现明显的正相关，标准化系数分别达到了0.285和0.667。相反，劳动力老龄化和城市化则和产量呈现负相关，系数分别是-1.114和-0.202。机械化和老龄化之间的交互项系数是0.184而且是统计显著的，这说明机械化确实在一定程度上弥补了劳动力不足带来的影响。具体到不同地区，北方每增加一个百分点的灌溉面积大概能带来0.5%的粮食增产，而南方每增加一个百分点的城市化率则会带来0.25%的粮食减产。不同作物的表现也不太一样，水稻产量跟灌溉设施关系最密切，小麦跟规模化种植体系关联更强，玉米产量反而跟城市化表现出正相关，这反映了城市人口吃肉增多拉动了饲料粮的需求增长。研究团队还发现，气候因素的统计显著性在加入社会经济因素之后大幅下降，说明粮食生产北移更多是社会经济发展和政策导向的结果，而不只是气候变化造成的。
研究团队还对未来做了情景预测。在SSP2-4.5这个中间路径下，到2060年省际粮食贸易量会达到1.52亿吨，东北地区要贡献1.14亿吨占比超过四分之三。虚拟耕地和虚拟水的转移量将分别达到2730万公顷和1563亿立方米，嵌入的氮排放和净温室气体排放会增加到每年89万吨和1.10亿吨二氧化碳当量。在高排放的SSP5-8.5情景下，贸易量在2040年之后反而开始收缩，可能是因为气候变化太厉害了导致北方减产严重，往外运的粮食也就少了。研究团队还利用扩展的氮信用体系框架算了一笔生态补偿的账。在SSP2-4.5情景下，东北地区作为主要的受补偿方拿到的生态补偿从2030年的86亿美元增加到了2060年的99亿美元，南方地区作为支付方付出的补偿从32亿美元增加到了68亿美元。到2060年南北方向上的生态补偿总额最高可达1125亿美元。这套补偿机制的设计思路借鉴了欧盟碳边境调节机制的做法，把环境成本算到消费地区的头上，为平衡粮食安全和区域环境公平提供了一个可以量化的工具。