目前，約有十億人遭受長期飢餓。世界各地的農民種植的糧食足以養活他們，但糧食分配不均，而且即使分配均勻，許多人也買不起，因為價格正在上漲。
但另一個挑戰正在逼近。
到 2050 年，世界人口將增加 20 億或 30 億，這將可能使糧食需求翻一番，根據幾項研究。需求也將上升，因為更多人將擁有更高的收入，這意味著他們將吃得更多，尤其是肉類。將更多耕地用於生物燃料將對我們的農場提出額外的要求。因此，即使我們解決了當今的貧困和獲取問題——這是一項艱鉅的任務——我們也必須將產量翻一番，以保證全球範圍內的充足供應。
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但這還不是全部。
透過砍伐熱帶森林、耕種邊際土地以及在敏感的景觀和流域中加強工業化耕作，人類已使農業成為地球上主要的環境威脅。農業已經消耗了地球表面很大一部分，並且正在破壞棲息地、耗盡淡水、汙染河流和海洋，以及比幾乎任何其他人類活動更廣泛地排放溫室氣體。為了保證地球的長期健康，我們必須大幅減少農業的不利影響。
世界糧食系統面臨三個令人難以置信的、相互交織的挑戰。它必須保證當今活著的 70 億人都能得到充分的食物；它必須在未來 40 年內將糧食產量翻一番；並且它必須在實現這兩個目標的同時變得真正具有環境可持續性。
這些同步目標有可能實現嗎？由我協調的一個國際專家團隊已經確定了五個步驟，如果共同實施，可以將全球人類消費的糧食增加 100% 以上，同時顯著減少溫室氣體排放、生物多樣性喪失、用水和水汙染。應對三重挑戰將是人類有史以來面臨的最重要的考驗之一。可以公平地說，我們的應對措施將決定我們文明的命運。
撞上障礙
乍一看，養活更多人的方法似乎很明確：透過擴大耕地和提高單產——每公頃收穫的作物量——來種植更多糧食。不幸的是，世界在這兩個方面都遇到了重大障礙。
社會已經耕種了地球表面約 38% 的土地，不包括格陵蘭島或南極洲。農業是迄今為止人類對地球土地的最大利用；沒有其他任何事物可以與之媲美。而這 38% 中的大部分覆蓋了最好的耕地。其餘大部分被沙漠、山脈、苔原、冰川、城市、公園和其他不適宜種植的地區覆蓋。剩餘的少數前沿地區主要位於熱帶森林和熱帶草原，這對全球的穩定至關重要，尤其是作為碳和生物多樣性的儲存地。擴張到這些地區不是一個好主意，然而，在過去 20 年中，每年創造了 500 萬到 1000 萬公頃的耕地，其中很大一部分位於熱帶地區。然而，由於城市發展和其他力量，特別是溫帶地區造成的耕地損失，這些增加僅使耕地淨面積擴大了 3%。
提高單產聽起來也很誘人。然而，我們的研究團隊發現，過去 20 年全球平均作物單產提高了約 20%——遠低於通常報告的水平。這一改進意義重大，但速度遠不足以在 21 世紀中葉將糧食產量翻一番。雖然某些作物的單產大幅提高，但其他作物的單產增長甚微，少數甚至下降。
如果我們種植的所有糧食都用於人類，那麼養活更多人會更容易。但世界上只有 60% 的作物是供人食用的：主要是穀物，其次是豆類（豆類、扁豆）、油料作物、蔬菜和水果。另有 35% 用於動物飼料，最後的 5% 用於生物燃料和其他工業產品。肉類是這裡最大的問題。即使採用最高效的肉類和奶製品系統，用作物餵養動物也會減少世界潛在的糧食供應。通常，穀物餵養的牛場需要 30 公斤穀物才能生產一公斤可食用的去骨牛肉。雞肉和豬肉的效率更高，而草飼牛肉則將非食物材料轉化為蛋白質。但是，無論你如何看待，穀物餵養的肉類生產系統都會消耗全球糧食供應。
增加糧食產量的另一個障礙是對環境的破壞，這種破壞已經非常廣泛。只有我們對能源的使用，及其對氣候和海洋酸化的深刻影響，才能與農業對環境影響的巨大程度相媲美。我們的研究團隊估計，農業已經清理或徹底改造了世界史前草原的 70%、熱帶草原的 50%、溫帶落葉林的 45% 和熱帶森林的 25%。自上次冰河時代以來，沒有什麼比農業更能擾亂生態系統了。農業的實際足跡幾乎是世界路面和建築物的 60 倍。
淡水是另一個受害者。人類每年驚人地使用 4,000 立方公里的水，其中大部分是從河流和含水層中提取的。灌溉佔用水量的 70%。如果我們只計算消耗性用水量——即被使用且未返回流域的水——灌溉量攀升至總量的 80% 或 90%。因此，許多大河，如科羅拉多河，流量減少，一些河流完全乾涸，許多地方的地下水位迅速下降，包括美國和印度的地區。
水不僅在消失，而且還在被汙染。化肥、除草劑和殺蟲劑正以驚人的水平傳播，並且幾乎在每個生態系統中都能發現。自 1960 年以來，氮和磷在環境中的流動量增加了一倍以上，導致廣泛的水汙染和世界許多主要河流入海口處巨大的缺氧“死亡區”。具有諷刺意味的是，來自農田的肥料徑流——以種植更多糧食的名義——損害了另一個重要的營養來源：沿海漁場。肥料無疑是綠色革命的關鍵成分，綠色革命幫助養活了世界，但當我們施用的肥料中幾乎一半都流失而不是滋養作物時，我們顯然可以做得更好。
農業也是社會溫室氣體排放的最大單一來源， collectively 佔我們釋放的二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的約 35%。這超過了全球交通運輸（包括所有汽車、卡車和飛機）或發電的排放量。用於種植、加工和運輸食物的能源是一個令人擔憂的問題，但絕大多數排放來自熱帶森林砍伐、動物和稻田釋放的甲烷以及過度施肥土壤產生的一氧化二氮。
五種解決方案
現代農業一直是世界上令人難以置信的積極力量，但我們不能再忽視其不斷縮小的擴張能力或其施加的日益嚴重的環境危害。以前解決糧食和環境問題的方法常常相互衝突。我們可以透過清理更多土地或使用更多水和化學品來提高糧食產量，但這會以環境為代價。或者我們可以透過將耕地從耕種中移除來恢復生態系統，但這會減少糧食產量。這種非此即彼的方法不再可以接受。我們需要真正綜合的解決方案。
經過數月的研究和審議——基於對新生成的全球農業和環境資料的分析——我們的國際團隊已經確定了一個五點計劃，以共同應對糧食和環境挑戰。
停止擴大農業足跡。我們的首要建議是減緩並最終停止農業擴張，特別是進入熱帶森林和熱帶草原。這些生態系統的消亡對環境產生了深遠的影響，尤其是透過生物多樣性喪失和二氧化碳排放增加（來自清理土地）。
減緩森林砍伐將大大減少環境破壞，同時僅對全球糧食生產施加輕微的限制。農場產能的由此下降可以透過減少城市化、退化和廢棄對生產力更高的耕地的取代來抵消。
已經提出了許多減少森林砍伐的建議。最有希望的建議之一是減少毀林和森林退化造成的排放 (REDD) 機制。在 REDD 機制下，富裕國家向熱帶國家付款以保護其熱帶雨林，以換取碳信用額。其他機制包括制定農產品認證標準，以便供應鏈可以確保作物不是在森林砍伐造成的土地上種植的。此外，更好的生物燃料政策，即依賴柳枝稷等非食用作物而不是糧食作物，可以使重要的耕地重新可用。
彌合世界單產差距。為了在不擴大農業足跡的情況下將全球糧食產量翻一番，我們必須顯著提高現有耕地的單產。存在兩種選擇：我們可以提高我們最佳農場的生產力——透過改進作物遺傳學和管理來提高其“單產上限”。或者我們可以提高世界上生產力最低的農場的單產——縮小農場當前單產與其更高潛在單產之間的“單產差距”。第二種選擇提供了最大和最直接的收益——尤其是在飢餓最嚴重的地區。
我們的研究團隊分析了全球作物單產模式，發現世界大部分地區存在顯著的單產差距。特別是，在非洲、中美洲和東歐的許多地區，單產可以大幅提高。在這些地區，更好的種子、更有效的肥料施用和高效的灌溉可以在相同的土地面積上生產更多的糧食。我們的分析表明，縮小世界前 16 種作物的單產差距可以將糧食總產量提高 50% 至 60%，而對環境的破壞很小。
在生產力最低的農業土地上縮小單產差距可能通常需要一些額外的肥料和水。必須注意避免不受控制的灌溉和化學品使用。許多其他技術可以提高單產。“免耕”種植技術減少了土壤擾動，防止了侵蝕。在糧食作物季之間種植的覆蓋作物可以減少雜草，並在耕入地下時為土壤增加養分和氮。還可以採用來自有機和農業生態系統的經驗，例如將作物殘留物留在田地中，以便它們分解成養分。為了縮小世界單產差距，我們還必須克服嚴重的經濟和社會挑戰，包括向貧困地區的農場更好地分配肥料和種子品種，以及改善許多地區進入全球市場的機會。
更高效地利用資源。為了減少農業對環境的影響，低產和高產地區都必須以更高的效率進行農業生產：每單位水、肥料和能源產生更多的作物產量。
平均而言，種植一卡路里食物大約需要一升灌溉水，儘管有些地方使用更多。我們的分析發現，農場可以顯著減少用水量，而不會大幅減少糧食產量，尤其是在乾燥的氣候中。主要策略包括滴灌（將水直接施用於植物的根部，而不是浪費地噴灑到空氣中）；覆蓋（用有機物覆蓋土壤以保持水分）；以及減少灌溉系統中的水損失（透過減少運河和水庫的蒸發）。
對於肥料，我們面臨著一種金髮姑娘問題。有些地方養分太少，因此作物產量低，而另一些地方養分過多，導致汙染。幾乎沒有人“恰到好處地”使用肥料。我們的分析顯示了地球上的熱點地區——尤其是在中國、印度北部、美國中部和西歐——那裡的農民可以大幅減少肥料用量，而對糧食產量幾乎沒有影響。令人驚訝的是，世界上只有 10% 的耕地產生了農業肥料汙染的 30% 至 40%。
可以解決這種過量問題的行動包括政策和經濟激勵措施，例如向農民支付流域管理和保護費用、減少過度使用肥料費用、改善糞肥管理（尤其是糞肥儲存，從而減少暴風雨期間流入流域的量）、透過回收利用捕獲過量養分以及實施其他保護措施的費用。此外，恢復溼地將增強其作為天然海綿過濾徑流中養分的能力。
同樣，免耕可以幫助滋養土壤，精準農業（僅在需要和最有效的時候和地點施用肥料和水）和有機耕作技術也可以做到這一點。
將飲食從肉類轉向。透過更多地利用我們的作物直接餵養人類，減少用於育肥牲畜的作物，我們可以顯著提高全球糧食供應量和環境可持續性。
在全球範圍內，人類每年可以透過轉向全植物飲食來淨增高達 3 萬億額外卡路里的熱量——比我們目前的供應量增加 50%。當然，我們目前的飲食和作物用途具有許多經濟和社會效益，我們的偏好也不太可能完全改變。儘管如此，即使飲食上的微小轉變，例如從穀物餵養的牛肉轉向家禽、豬肉或牧場飼養的牛肉，也可以獲得豐厚的回報。
減少食物浪費。最後一個顯而易見但經常被忽視的建議是減少食物系統中的浪費。地球上生產的食物大約有 30% 被丟棄、損失、變質或被害蟲消耗。
在富裕國家，大部分浪費發生在系統的消費者端，在餐館和垃圾桶中。我們日常消費模式的簡單改變——減少超大份量、扔進垃圾桶的食物以及外賣和餐廳用餐的次數——可以顯著減少損失，以及我們不斷膨脹的腰圍。在貧窮國家，損失規模相似，但發生在生產者端，表現為作物歉收、被害蟲毀壞的庫存或因基礎設施和市場不良而從未交付的食物。改進的儲存、冷藏和配送系統可以大大減少浪費。此外，更好的市場工具可以將擁有作物的人與需要作物的人聯絡起來，例如非洲的手機系統，可以將供應商、貿易商和購買者聯絡起來。
雖然完全消除從農場到餐桌的浪費是不現實的，但即使是小小的步驟也將非常有益。有針對性的努力——尤其是減少肉類和奶製品等資源密集型食物的浪費——可能會產生很大的影響。
走向網路化糧食系統
原則上，我們的五點戰略可以解決許多糧食安全和環境挑戰。這些步驟共同可以將世界糧食供應量增加 100% 到 180%，同時顯著降低溫室氣體排放、生物多樣性喪失、用水和水汙染。
重要的是要強調，所有五個要點（甚至更多）都必須共同追求。沒有哪個單一策略足以解決我們所有的問題。想想散彈槍，而不是銀彈。我們擁有綠色革命和工業規模農業的巨大成功可以借鑑，以及有機農業和當地糧食系統的創新。讓我們採納最好的想法，並將它們融入一種新方法——一種側重於營養、社會和環境績效的可持續糧食系統，以將負責任的糧食生產擴大規模。
我們可以將下一代系統配置為對附近的氣候、水資源、生態系統和文化敏感的本地農業系統網路，並透過高效的全球貿易和運輸方式連線起來。這樣的系統可以具有彈性，並且還可以為農民支付維持生計的工資。
將有助於促進這種新糧食系統的一種工具將是能源與環境設計先鋒獎計劃的等效計劃，該計劃現在用於可持續地建造新的商業建築。該 LEED 計劃根據透過結合從太陽能和高效照明到回收建築材料和低建築垃圾等各種綠色選項中的任何一種而累積的點數，授予越來越高的認證級別。
對於可持續農業，食物將根據其在營養、糧食安全和其他公共利益方面的表現，減去其環境和社會成本來獲得積分。這種認證將幫助我們超越當前的食物標籤，如“本地”和“有機”，這些標籤實際上並沒有告訴我們太多關於我們正在吃什麼的資訊。相反，我們可以檢視我們食物的整體效能——跨越營養、社會和環境維度——並權衡不同耕作方法的成本和收益。
想象一下這種可能性：來自熱帶地區的可持續柑橘和咖啡，與來自溫帶地區的可持續穀物相連，並輔以當地種植的綠色蔬菜和根莖類蔬菜，所有這些都在透明、基於績效的標準下種植。使用您的智慧手機和最新的可持續食物應用程式，您將瞭解您的食物來自哪裡、誰種植的、如何種植的，以及它在各種社會、營養和環境標準方面的排名。當您找到有效的食物時，您可以將其釋出到您的農民和美食家社交網路。
我們不同農業系統的原則和實踐——從大型商業農業到本地和有機農業——為應對世界糧食安全和環境需求奠定了基礎。以真正可持續的方式養活 90 億人口將是我們文明不得不面對的最偉大的挑戰之一。這將需要來自世界各地無數人的想象力、決心和辛勤工作。時不我待。