目前，約有 10 億人長期遭受飢餓困擾。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，根據多項研究，這將可能使糧食需求翻一番。需求也將上升，因為更多人的收入將會增加，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需求。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。而且這還不是全部。
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主要的生態環境威脅。農業已經消耗了地球表面很大一部分土地，並且正在破壞棲息地、消耗淡水、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。
世界糧食系統面臨著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 億人都能獲得充足的食物；它必須在未來 40 年內將糧食產量翻一番；而且它必須變得真正具有環境可持續性——所有這些都必須同時實現。
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這些同時實現的目標有可能實現嗎？我協調的一個國際專家團隊確定了五個步驟，如果共同實施，可以將全球人類消費的糧食增加 100% 以上，同時大幅減少溫室氣體排放、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）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。
社會已經將地球表面約 37% 的土地（不包括格陵蘭島或南極洲）用於農場或牧場。農業是迄今為止人類對地球土地的最大用途；沒有其他用途可以與之相提並論。而這 37% 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、公園和其他不適宜生長的地區覆蓋。為數不多的剩餘前沿陣地主要位於熱帶森林和熱帶草原，這些地區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庫。向這些地區擴張不是一個好主意，然而，在過去 20 年中，每年都開墾了 500 萬至 1000 萬公頃的耕地，其中很大一部分土地轉換髮生在熱帶地區。然而，由於城市發展和其他因素，特別是溫帶地區造成的耕地損失，這些新增耕地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，從 1985 年到 2005 年，全球平均作物單產僅增長了 20%——遠低於之前的報告。自 2000 年以來，穀物單產的年增長率不到 2%，豆類（豆、扁豆）和塊根作物的單產增長率不到 1%——這些增長率遠不足以在本世紀中葉將糧食產量翻一番。
如果我們種植的所有糧食都用於人類消費，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、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乳製品系統，用作物餵養動物也會減少世界潛在的糧食供應。穀物飼養的牛通常需要至少 100 公斤的穀物才能生產 1 公斤可食用的去骨牛肉蛋白。雞肉和豬肉的效率更高，草飼牛肉可以將非食物材料轉化為蛋白質。總的來說，穀物飼養的肉類生產系統是對全球糧食供應的一種消耗。
種植更多糧食的另一個障礙是對環境的破壞，這種破壞已經很廣泛了。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，才能與農業對環境足跡的巨大影響相媲美。我們的研究團隊估計，到 2010 年，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%。自最後一個冰河時代以來，沒有什麼比農業更能破壞生態系統了。農業的實際足跡幾乎是世界道路和建築物的 60 倍。
淡水是另一個受害者。人類每年驚人地使用 4000 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——即被使用後不再返回流域的水——灌溉佔總用水量的 80% 或 90%。因此，許多大河流，如科羅拉多河，流量減少，有些甚至完全乾涸，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，而且還在受到汙染。化肥、除草劑和殺蟲劑正以驚人的水平擴散，幾乎在每個生態系統中都能發現。自 1960 年以來，磷和氮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出現巨大的缺氧“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——損害了另一個至關重要的營養來源：沿海漁場。化肥當然是綠色革命的關鍵成分，它幫助養活了世界，但當我們施用的肥料幾乎有一半流失而不是滋養作物時，我們顯然可以做得更好。
農業也占人類活動釋放的溫室氣體變暖效應的 10% 到 12%——這一貢獻與地球上所有道路車輛的貢獻相當。農業的直接排放大部分來自動物和稻田產生的甲烷，以及過度施肥的土壤釋放的一氧化二氮。加上熱帶森林砍伐和其他土地開墾的影響，農業在全球排放中所佔的份額上升到總量的 24%。
五個解決方案
現代農業一直是世界上一種非常積極的力量，但我們再也不能忽視其擴張能力日益減弱或其造成的日益嚴重的生態環境破壞。以前解決糧食問題的方法常常與環境要求相悖。我們可以透過開墾更多土地或使用更多水和化學品來提高糧食產量，但這會以森林、河流和溼地為代價。或者我們可以透過將耕地從耕作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——我們的國際團隊確定了一項五點計劃，該計劃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，特別是向熱帶森林和熱帶草原擴張。這些生態系統的消亡對環境產生了深遠的影響，尤其是在生物多樣性喪失和二氧化碳排放增加（來自土地開墾）方面。
減緩森林砍伐將大大減少環境破壞，同時只會對全球糧食生產施加輕微的限制。由此導致的農業生產能力下降可以透過減少城市化、退化和廢棄對更具生產力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。其中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。根據 REDD，富裕國家向熱帶國家付款以保護其雨林，以換取碳信用額度。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——一種依賴柳枝稷等非食用作物而不是糧食作物的政策——可以使重要的耕地重新可用。
縮小世界單產差距。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它們的“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。
我們的研究小組分析了全球作物單產模式，發現在許多地區存在顯著的單產差距：最顯著的是非洲、中美洲和東歐的部分地區。在這些地區，更好的種子、更有效的肥料施用和更高效的灌溉可以在不增加耕地面積的情況下生產更多的糧食。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%，而不會造成太多的額外環境破壞。
減少生產力最低的農業土地的單產差距可能通常需要使用額外的化學品和水。農民將不得不以負責任的方式進行灌溉和施肥。他們還可以利用其他提高單產的技術，例如少耕，這可以減少土壤擾動，從而最大限度地減少侵蝕。在糧食作物季之間種植的覆蓋作物可以抑制雜草，並在翻耕入土時為土壤增加養分和氮。還可以借鑑有機和農業生態系統的經驗，例如將作物殘留物留在田間，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。
更有效地利用資源。為了減少農業對環境的影響，低產和高產地區都必須以單位水、肥料和能源投入生產更多作物產出的方式進行農業生產。
平均而言，種植一卡路里的食物需要大約一升的灌溉水。然而，有些地方使用得更多。我們的分析發現，農場可以在不大幅減少糧食產量的情況下顯著減少用水量，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）；以及減少灌溉系統的水損失（透過減少運河和水庫的蒸發）。
對於化肥，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”使用化肥。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% 到 40%。我們的分析確定了地球上的熱點地區——特別是在美國中部、中國、印度北部和西歐——那裡的農民可以大幅減少化肥用量，而對糧食生產幾乎沒有或沒有影響。
可以解決浪費性過度施肥的行為包括政策和經濟激勵措施，例如向農民支付以下費用：促進流域管理和保護，減少過度施肥，改善糞肥管理（尤其是糞肥儲存，以便在暴風雨期間減少徑流入流域），透過回收利用捕獲多餘的養分，以及實施其他保護措施。此外，可以恢復溼地，以增強其作為天然海綿的能力，過濾掉徑流中的養分。
同樣，少耕有助於滋養土壤，精準農業（僅在需要且最有效時和地點施用肥料和水）和有機耕作技術也是如此。
將飲食從肉類轉向植物性飲食。透過更多地使用我們的作物直接餵養人類，減少用於育肥牲畜的作物量，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性飲食來淨增加多達 3 千萬億卡路里的熱量——比我們目前的供應量增加 50%。當然，我們當前的飲食和作物用途具有許多經濟和社會效益，而且我們的偏好不太可能完全改變。儘管如此，即使是飲食上的微小轉變，例如從穀物飼養的牛肉轉向家禽、豬肉或牧場飼養的牛肉，也能獲得豐厚的回報。
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，即餐館和垃圾桶中。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館用餐的次數——可以顯著減少損失，以及我們不斷增長的腰圍。在較貧窮的國家，損失規模相似，但發生在生產者端，以作物歉收、被害蟲或變質毀壞的庫存，或因基礎設施和市場不良而從未交付的食物的形式出現。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，但即使是小步驟也會非常有益。有針對性的努力——特別是減少肉類和乳製品等資源密集型食品的浪費——可能會產生重大影響。
邁向網路化糧食系統
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。如果這些步驟同時完成，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）必須同時進行。沒有哪一項單一策略足以解決我們所有的問題。想想銀彈霰彈，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的方法——一種可持續的糧食系統，專注於營養、社會和環境績效，以實現負責任的糧食生產規模化。
我們可以將下一代系統配置為本地農業系統網路，這些系統對附近的氣候、水資源、生態系統和文化敏感，並透過高效的全球貿易和運輸方式連線起來。這樣的系統可以是具有彈性的，並且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個手段是能源與環境設計先鋒計劃的同等計劃，該計劃目前已到位，用於可持續地建造新的商業建築。LEED 計劃根據透過結合從太陽能和高效照明到再生建築材料和低建築垃圾等各種綠色選擇中的任何一種而累積的點數，獎勵越來越高的認證級別。
對於可持續農業，食品將根據其在營養、糧食安全和其他公共利益方面的表現以及減去其環境和社會成本來獎勵積分。這種認證將幫助我們超越當前的食品標籤，例如“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，我們可以關注我們食物的整體表現——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葉蔬菜和根類蔬菜，所有這些都在透明的、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品應用程式，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、營養和環境標準中的排名。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——從大規模商業化到本地化和有機化——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 億人將是我們文明不得不面對的最偉大的挑戰之一。這將需要全世界無數人的想象力、決心和辛勤工作。時不我待。