目前，约有 10 亿人长期遭受饥饿困扰。世界各地的农民种植的粮食足以养活他们，但粮食分配不均，而且即使分配均匀，许多人也买不起，因为价格正在上涨。但另一个挑战正在逼近。到 2050 年，世界人口将增加 20 亿或 30 亿，根据多项研究，这将可能使粮食需求翻一番。需求也将上升，因为更多人的收入将会增加，这意味着他们将吃得更多，尤其是肉类。将更多耕地用于生物燃料将对我们的农场提出额外的需求。因此，即使我们解决了当今的贫困和获取问题——这是一项艰巨的任务——我们也必须将产量翻一番，以保证全球范围内的充足供应。而且这还不是全部。
通过砍伐热带森林、耕种边际土地以及在敏感的景观和流域中加强工业化耕作，人类已使农业成为地球主要的生态环境威胁。农业已经消耗了地球表面很大一部分土地，并且正在破坏栖息地、消耗淡水、污染河流和海洋，以及比几乎任何其他人类活动更广泛地排放温室气体。为了保证地球的长期健康，我们必须大幅减少农业的不利影响。
世界粮食系统面临着三个令人难以置信的、相互交织的挑战。它必须保证当今活着的 70 亿人都能获得充足的食物；它必须在未来 40 年内将粮食产量翻一番；而且它必须变得真正具有环境可持续性——所有这些都必须同时实现。
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这些同时实现的目标有可能实现吗？我协调的一个国际专家团队确定了五个步骤，如果共同实施，可以将全球人类消费的粮食增加 100% 以上，同时大幅减少温室气体排放、生物多样性丧失、用水和水污染。应对三重挑战将是人类有史以来面临的最重要的考验之一。可以公平地说，我们的应对措施将决定我们文明的命运。
撞上障碍
乍一看，养活更多人的方法似乎很明确：通过扩大耕地和提高单产（每公顷收获的作物）来种植更多粮食。不幸的是，世界在这两个方面都遇到了重大障碍。
社会已经将地球表面约 37% 的土地（不包括格陵兰岛或南极洲）用于农场或牧场。农业是迄今为止人类对地球土地的最大用途；没有其他用途可以与之相提并论。而这 37% 中的大部分覆盖了最好的耕地。其余大部分被沙漠、山脉、苔原、冰川、城市、公园和其他不适宜生长的地区覆盖。为数不多的剩余前沿阵地主要位于热带森林和热带草原，这些地区对全球的稳定至关重要，尤其是作为碳和生物多样性的储存库。向这些地区扩张不是一个好主意，然而，在过去 20 年中，每年都开垦了 500 万至 1000 万公顷的耕地，其中很大一部分土地转换发生在热带地区。然而，由于城市发展和其他因素，特别是温带地区造成的耕地损失，这些新增耕地仅使耕地净面积扩大了 3%。
提高单产听起来也很诱人。然而，我们的研究团队发现，从 1985 年到 2005 年，全球平均作物单产仅增长了 20%——远低于之前的报告。自 2000 年以来，谷物单产的年增长率不到 2%，豆类（豆、扁豆）和块根作物的单产增长率不到 1%——这些增长率远不足以在本世纪中叶将粮食产量翻一番。
如果我们种植的所有粮食都用于人类消费，那么养活更多人会更容易。但世界上只有 60% 的作物是供人食用的：主要是谷物，其次是豆类、油料作物、蔬菜和水果。另有 35% 用于动物饲料，最后的 5% 用于生物燃料和其他工业产品。肉类是这里最大的问题。即使采用最高效的肉类和乳制品系统，用作物喂养动物也会减少世界潜在的粮食供应。谷物饲养的牛通常需要至少 100 公斤的谷物才能生产 1 公斤可食用的去骨牛肉蛋白。鸡肉和猪肉的效率更高，草饲牛肉可以将非食物材料转化为蛋白质。总的来说，谷物饲养的肉类生产系统是对全球粮食供应的一种消耗。
种植更多粮食的另一个障碍是对环境的破坏，这种破坏已经很广泛了。只有我们对能源的使用及其对气候和海洋酸化的深刻影响，才能与农业对环境足迹的巨大影响相媲美。我们的研究团队估计，到 2010 年，农业已经清理或彻底改造了世界史前草原的 70%、热带草原的 50%、温带落叶林的 45% 和热带森林的 25%。自最后一个冰河时代以来，没有什么比农业更能破坏生态系统了。农业的实际足迹几乎是世界道路和建筑物的 60 倍。
淡水是另一个受害者。人类每年惊人地使用 4000 立方公里的水，其中大部分是从河流和含水层中提取的。灌溉占用水量的 70%。如果我们只计算消耗性用水——即被使用后不再返回流域的水——灌溉占总用水量的 80% 或 90%。因此，许多大河流，如科罗拉多河，流量减少，有些甚至完全干涸，许多地方的地下水位迅速下降，包括美国和印度的地区。
水不仅在消失，而且还在受到污染。化肥、除草剂和杀虫剂正以惊人的水平扩散，几乎在每个生态系统中都能发现。自 1960 年以来，磷和氮在环境中的流动量增加了一倍以上，导致广泛的水污染和世界许多主要河流入海口出现巨大的缺氧“死亡区”。具有讽刺意味的是，来自农田的肥料径流——以种植更多粮食的名义——损害了另一个至关重要的营养来源：沿海渔场。化肥当然是绿色革命的关键成分，它帮助养活了世界，但当我们施用的肥料几乎有一半流失而不是滋养作物时，我们显然可以做得更好。
农业也占人类活动释放的温室气体变暖效应的 10% 到 12%——这一贡献与地球上所有道路车辆的贡献相当。农业的直接排放大部分来自动物和稻田产生的甲烷，以及过度施肥的土壤释放的一氧化二氮。加上热带森林砍伐和其他土地开垦的影响，农业在全球排放中所占的份额上升到总量的 24%。
五个解决方案
现代农业一直是世界上一种非常积极的力量，但我们再也不能忽视其扩张能力日益减弱或其造成的日益严重的生态环境破坏。以前解决粮食问题的方法常常与环境要求相悖。我们可以通过开垦更多土地或使用更多水和化学品来提高粮食产量，但这会以森林、河流和湿地为代价。或者我们可以通过将耕地从耕作中移除来恢复生态系统，但这会减少粮食产量。这种非此即彼的方法不再可以接受。我们需要真正综合的解决方案。
经过数月的研究和审议——基于对新生成的全球农业和环境数据的分析——我们的国际团队确定了一项五点计划，该计划共同应对粮食和环境挑战。
停止扩大农业足迹。我们的首要建议是减缓并最终停止农业扩张，特别是向热带森林和热带草原扩张。这些生态系统的消亡对环境产生了深远的影响，尤其是在生物多样性丧失和二氧化碳排放增加（来自土地开垦）方面。
减缓森林砍伐将大大减少环境破坏，同时只会对全球粮食生产施加轻微的限制。由此导致的农业生产能力下降可以通过减少城市化、退化和废弃对更具生产力的耕地的取代来抵消。
已经提出了许多减少森林砍伐的建议。其中最有希望的建议之一是减少毁林和森林退化造成的排放（REDD）机制。根据 REDD，富裕国家向热带国家付款以保护其雨林，以换取碳信用额度。其他机制包括制定农产品认证标准，以便供应链可以确保作物不是在森林砍伐造成的土地上种植的。此外，更好的生物燃料政策——一种依赖柳枝稷等非食用作物而不是粮食作物的政策——可以使重要的耕地重新可用。
缩小世界单产差距。为了在不扩大农业足迹的情况下将全球粮食产量翻一番，我们必须显着提高现有耕地的单产。存在两种选择。我们可以提高我们最佳农场的生产力——通过改进作物遗传学和管理来提高它们的“单产上限”。或者我们可以提高世界上生产力最低的农场的单产——缩小农场当前单产与其更高潜在单产之间的“单产差距”。第二种选择提供了最大和最直接的收益，尤其是在饥饿最严重的地区。
我们的研究小组分析了全球作物单产模式，发现在许多地区存在显着的单产差距：最显着的是非洲、中美洲和东欧的部分地区。在这些地区，更好的种子、更有效的肥料施用和更高效的灌溉可以在不增加耕地面积的情况下生产更多的粮食。我们的分析表明，缩小世界前 16 种作物的单产差距可以将粮食总产量提高 50% 至 60%，而不会造成太多的额外环境破坏。
减少生产力最低的农业土地的单产差距可能通常需要使用额外的化学品和水。农民将不得不以负责任的方式进行灌溉和施肥。他们还可以利用其他提高单产的技术，例如少耕，这可以减少土壤扰动，从而最大限度地减少侵蚀。在粮食作物季之间种植的覆盖作物可以抑制杂草，并在翻耕入土时为土壤增加养分和氮。还可以借鉴有机和农业生态系统的经验，例如将作物残留物留在田间，以便它们分解成养分。为了缩小世界单产差距，我们还必须克服严重的经济和社会挑战，包括向贫困地区的农场更好地分配肥料和种子品种，以及改善许多地区进入全球市场的机会。
更有效地利用资源。为了减少农业对环境的影响，低产和高产地区都必须以单位水、肥料和能源投入生产更多作物产出的方式进行农业生产。
平均而言，种植一卡路里的食物需要大约一升的灌溉水。然而，有些地方使用得更多。我们的分析发现，农场可以在不大幅减少粮食产量的情况下显着减少用水量，尤其是在干燥的气候中。主要策略包括滴灌（将水直接施用于植物根部，而不是浪费地喷洒到空气中）；覆盖（用有机物覆盖土壤以保持水分）；以及减少灌溉系统的水损失（通过减少运河和水库的蒸发）。
对于化肥，我们面临着一种金发姑娘问题。有些地方养分太少，因此作物产量低，而另一些地方养分过多，导致污染。几乎没有人“恰到好处地”使用化肥。令人惊讶的是，世界上只有 10% 的耕地产生了农业肥料污染的 30% 到 40%。我们的分析确定了地球上的热点地区——特别是在美国中部、中国、印度北部和西欧——那里的农民可以大幅减少化肥用量，而对粮食生产几乎没有或没有影响。
可以解决浪费性过度施肥的行为包括政策和经济激励措施，例如向农民支付以下费用：促进流域管理和保护，减少过度施肥，改善粪肥管理（尤其是粪肥储存，以便在暴风雨期间减少径流入流域），通过回收利用捕获多余的养分，以及实施其他保护措施。此外，可以恢复湿地，以增强其作为天然海绵的能力，过滤掉径流中的养分。
同样，少耕有助于滋养土壤，精准农业（仅在需要且最有效时和地点施用肥料和水）和有机耕作技术也是如此。
将饮食从肉类转向植物性饮食。通过更多地使用我们的作物直接喂养人类，减少用于育肥牲畜的作物量，我们可以显着提高全球粮食供应量和环境可持续性。
在全球范围内，人类每年可以通过转向全植物性饮食来净增加多达 3 千万亿卡路里的热量——比我们目前的供应量增加 50%。当然，我们当前的饮食和作物用途具有许多经济和社会效益，而且我们的偏好不太可能完全改变。尽管如此，即使是饮食上的微小转变，例如从谷物饲养的牛肉转向家禽、猪肉或牧场饲养的牛肉，也能获得丰厚的回报。
减少食物浪费。最后一个显而易见但经常被忽视的建议是减少食物系统中的浪费。地球上生产的食物大约有 30% 被丢弃、损失、变质或被害虫消耗。
在富裕国家，大部分浪费发生在系统的消费者端，即餐馆和垃圾桶中。我们日常消费模式的简单改变——减少超大份量、扔进垃圾桶的食物以及外卖和餐馆用餐的次数——可以显着减少损失，以及我们不断增长的腰围。在较贫穷的国家，损失规模相似，但发生在生产者端，以作物歉收、被害虫或变质毁坏的库存，或因基础设施和市场不良而从未交付的食物的形式出现。改进的储存、冷藏和配送系统可以大大减少浪费。此外，更好的市场工具可以将有作物的人与需要作物的人联系起来，例如非洲的手机系统，可以将供应商、贸易商和购买者联系起来。
虽然完全消除从农场到餐桌的浪费是不现实的，但即使是小步骤也会非常有益。有针对性的努力——特别是减少肉类和乳制品等资源密集型食品的浪费——可能会产生重大影响。
迈向网络化粮食系统
原则上，我们的五点战略可以解决许多粮食安全和环境挑战。如果这些步骤同时完成，可以将世界粮食供应量增加 100% 到 180%，同时显着降低温室气体排放、生物多样性丧失、用水和水污染。
重要的是要强调，所有五个要点（甚至更多）必须同时进行。没有哪一项单一策略足以解决我们所有的问题。想想银弹霰弹，而不是银弹。我们拥有绿色革命和工业规模农业的巨大成功可以借鉴，以及有机农业和当地粮食系统的创新。让我们采纳最好的想法，并将它们融入一种新的方法——一种可持续的粮食系统，专注于营养、社会和环境绩效，以实现负责任的粮食生产规模化。
我们可以将下一代系统配置为本地农业系统网络，这些系统对附近的气候、水资源、生态系统和文化敏感，并通过高效的全球贸易和运输方式连接起来。这样的系统可以是具有弹性的，并且可以为农民支付维持生计的工资。
将有助于促进这种新粮食系统的一个手段是能源与环境设计先锋计划的同等计划，该计划目前已到位，用于可持续地建造新的商业建筑。LEED 计划根据通过结合从太阳能和高效照明到再生建筑材料和低建筑垃圾等各种绿色选择中的任何一种而累积的点数，奖励越来越高的认证级别。
对于可持续农业，食品将根据其在营养、粮食安全和其他公共利益方面的表现以及减去其环境和社会成本来奖励积分。这种认证将帮助我们超越当前的食品标签，例如“本地”和“有机”，这些标签实际上并没有告诉我们太多关于我们正在吃什么的信息。相反，我们可以关注我们食物的整体表现——跨越营养、社会和环境维度——并权衡不同耕作方法的成本和收益。
想象一下可能性：来自热带地区的可持续柑橘和咖啡，与来自温带地区的可持续谷物相连，并辅以当地种植的绿叶蔬菜和根类蔬菜，所有这些都在透明的、基于绩效的标准下种植。使用您的智能手机和最新的可持续食品应用程序，您将了解您的食物来自哪里、谁种植的、如何种植的，以及它在各种社会、营养和环境标准中的排名。当您找到有效的食物时，您可以将其发布到您的农民和美食家社交网络。
我们不同农业系统的原则和实践——从大规模商业化到本地化和有机化——为应对世界粮食安全和环境需求奠定了基础。以真正可持续的方式养活 90 亿人将是我们文明不得不面对的最伟大的挑战之一。这将需要全世界无数人的想象力、决心和辛勤工作。时不我待。