美国国家科学院报告：2030年农业及食品行业展望，6大挑战值得关注
本文为美国国家科学院发布的《科学的突破推动食品和农业研究（2030）》 节选，由35斗进行编译。该报告分为九大章节，分别从美国农业系统面临的挑战、农作物、畜牧业、食品科学与技术、土壤、水资源利用、数据科学、食品系统、展望2030等维度分析了农业的发展。
本文为该报告的开篇，详细叙述了美国农业食品体系面临的六大挑战。
背景简介
近一个世纪以来，科学进步推动了美国农业的进步。农业作为美国经济中最具生产力的行业之一，生产者在减少投入(如土地、劳动力和化学品)的同时实现了产量的大幅增长(Wang等，2018)。今天的农民之所以能用更少的土地生产更多的粮食，是由于植物和动物育种、机械化、农用化学品和灌溉等农业技术改进带来的收益(Clancy等，2016)。
这些进步是农业和食品研究的长期历史投资的直接结果，为公共投资提供了可观的社会回报。据估计，一美元投资的边际收益为32.1美元(Alston等，2011)。农业和食品创新使全国上下能够提供安全、充足的食品，并支持着大宗和高价值农产品的贸易顺差(USDA-ERS, 2018)。
在不久的将来，美国农业食品体系将受到考验。最近的分析报告警告着我们的社会：人口增长的后果便是世界范围内的农业生产将在满足全球粮食和纤维需求方面面临共同的困难(Valin等，2014)。
提高生产力本就是一项艰巨的任务，如果没有创新的技术来应对耕地和水资源短缺、生态系统退化以及气候变化等挑战，就无法实现可持续发展。
一些科学小组已经发布了研究报告，在美国粮食和农业系统的背景下列出了六大挑战。本文章为农业食品研究系列报告的开篇。
后续报告将从解决美国粮食和农业系统面临的最大问题的角度，探索在所有学科中出现的相对较新的科学工具的农业可用性。这份完整的报告确定了最有希望的科学突破，这些突破有可能对粮食和农业产生最大的影响，并有可能在未来十年实现。
农业食品体系的六大挑战
全球粮食体系的挑战
美国是全球粮食系统中的一个关键角色，到2030年全球人口将达到86亿，到2050年将达到98亿(联合国经社署，2017年)。为了满足2050年的粮食需求，已公布的食品生产所需增长百分比估计在25%到110%之间。肉类产品的总产量需要在全球范围内增加70%，以满足不断增长的全球中产阶级的需求(Robinson和Pozzi, 2011)。
美国已经扩大了农业食品生产以及出口，以帮助满足增加粮食生产的需求。许多美国农民依靠出口市场来扩大对产品的需求，并以足以弥补成本的规模来支撑生产。
同样，出口动物产品的能力也为美国的生产打开了市场，因为这需要报告疾病。扩大动植物产品的市场可以扩大规模和专业化，以便利用新的市场机会，这两个机会都可以对农业和粮食生产者和消费者以及整个经济有积极的影响。
与此同时，不断扩大的全球经济需要加强准备，以应对可能来自国外的威胁，包括外国动物疾病、植物病原体、入侵性害虫和贸易中断。贸易增长以及农业和粮食部门的变化可能会有赢家和输家。
最重要的是要了解日益全球化的市场，考虑向市场和新技术过渡的成本，并制定适当的机制来应对变化，以支持可持续和有弹性的粮食和农业系统。
生产力停滞的挑战
全世界对农产品的需求将继续增长，但由于美国的生产力即将停滞不前，未来满足这些需求的难度将越来越大(Andersen等，2018)。粮食产量潜力的提高已经接近其理论上限(Ort等， 2015)。
收益率曲线(特别是谷类作物)在一些地区开始平整：全球大约30%的水稻、小麦和玉米产量可能已经在农民的田地里达到了最大可能产量(Grassini等，2013)，而全世界24-39%的水稻、小麦、玉米和大豆产量表明产量从未改善、停滞或崩溃(Ray等，2012)。
例如，在全美研究跟踪的53.9%的县里，水稻产量停滞不前，其次是玉米42.4%，小麦41.9% (Wei等，2015)。世界主要农作物生产力增长停滞是一个警告信号，当前提高作物生产率的方法只能被利用到一定程度，需要新的方法来解决提高生产率的需要。
食品浪费与食品安全的挑战
生产力问题的另一面是食品浪费问题。冷藏被认为是农业上最重要的历史性突破之一，因为它减少了食品的腐败和浪费，提高了食品的安全性。然而，美国每年浪费的食品价值约2780亿美元，这足以养活近2.6亿人，因此我们需要进一步创新来减少食品浪费或利用多余食物(Buzby等，2014；Bellemare等，2017)。
在系统环境中考虑资源使用和效率可以帮助确定最佳废物管理的机会。生产者还需要关注食品安全，因为美国疾病控制和预防中心估计，食源性疾病每年在美国造成约4780万人患病，超过12.5万人住院，约3000人死亡(Scallan等，2011a,b)。
资源环境约束的挑战
可耕地面积、水和肥沃的土壤日益成为有限的资源，于是我们今天用于提高产量方法也会受到限制。把资源推到极限可能会对资源和周围的生态系统造成永久性的破坏。
世界各地对资源密集型、高投入农业的使用导致了土壤耗竭、水资源短缺、大面积森林砍伐和大量温室气体排放(粮农组织，2017)。加州农业用地下水的抽取导致了土地下沉、含水层压实和地震(Sneed和Brandt, 2015；Kraner等，2018)。如果按照目前的用水习惯继续下去，为美国提供30%灌溉需求的奥加拉拉含水层，到2060年将消耗60% (Steward等，2013)。
尽管一些农业实践，如保护性耕作和免耕种植，在一定程度上减少了土壤侵蚀(Nearing等，2017)，土壤流失仍在继续。2012年，仅爱荷华州的农田，估计每英亩就流失了6吨的土壤(约为每英亩土壤的1%)，沉积物和肥料污染了河流和小溪。仅从水道中去除沉积物每年就要花费400多亿美元(ASPB, 2013)。
生物自然资源也面临危险：由于某些原因，本土授粉昆虫的消失，再加上管理欧洲蜂群所面临的问题，估计每年损失的产量达到240亿美元(白宫，2014)。
全球气候变化增加了美国粮食和农业系统面临的挑战。对于大多数农作物和牲畜来说，气候变化对美国农业的影响将越来越负面，因为多变和极端天气事件、气温升高、降雨模式改变、干旱期延长以及其他气候变化都会影响产量，其影响因地区和作物而异(Hatfield等，2014)。
2017年，美国气候相关的灾害包括干旱、洪水、冰冻、野火和飓风，造成了超过50亿美元的农业损失(NCEI, 2018)。气候压力以及最近出现的新病虫害——如柑橘绿病和影响猪和家禽的新病毒株——对国家的科学能力提出了新的要求。
消费者需求变化的挑战
在美国，消费者的食品偏好正在改变。消费者对影响健康和环境的食品选择变得更警惕，大型零售商通过在市场上宣传他们的产品时强调诸如可持续性、动物福利和供应链中劳工待遇等价值。
为生产者创造市场机会，增加健康、多样化和价格合理的食品选择，是国家利益所在。公共卫生倡导者渴望有更健康的食物，他们认为美国人糟糕的饮食是导致慢性疾病的原因之一，据统计，每年的医疗费用高达数千亿美元(CDC, 2017)。
公共资金减少的挑战
到目前为止，美国农业的成功在很大程度上归功于上个世纪由土地授予大学系统、美国农业部(USDA)和其他联邦机构建立的基础和应用知识。公共资助的研究在农业方面取得了许多重大进展，但由于公共投资在农业和食品研究中所占比例的急剧下降，此类研究在过去10年里有所减少。
从2003年到2013年，美国农业研发(R&D)预算从60亿美元下降到45亿美元(Clancy等，2016)。在同一时期，私营部门的资助增加了64%，超过了2010年公共资助的研究。自2009年以来，公共和私人资金的增长将会更加缓慢，因为那时美元被纳入了研究的实际成本(Heisey和Fuglie, 2018)。
从历史上看，农业部门的公共资金使用往往集中在科学和创新的进步上，而私营部门的资金则集中于商业上有用的生产过程和产品(Clancy等，2016；Heisey和Fuglie, 2018)。今天的证据表明，这两种资金流将被视为美国农业创新系统的补充，尤其是在美国，私营部门的投资不会排挤公共投资。
有证据表明，公共和私人投资倾向于不同的研究领域：私人研发将重点放在商业上有用的技术领域，这些技术容易申请专利，并受到知识产权保护，为投资者提供了更大的盈利机会。在研究中私人投资相对较高的行业包括食品和饲料制造业、植物系统和作物保护(特别是转基因作物、农用化学品)、农业机械和工程以及动物卫生(特别是兽药)(Clancy等，2016)。
消费者对新产品和多样化产品的需求不断增长，对生物技术和信息科学应用的兴趣，以及对知识产权保护的兴趣刺激了私人投资的快速增长(Heisey和Fuglie，2018)。
然而，最近一些农业行业的合并(如种子和农用化学品)导致人们担心，通过提高投入价格、依赖现有的供应网络或与投入供应商相关产品的技术联系，以及抑制私营企业创新的激励，可能会使农民处于不利地位(Wang等，2013；MacDonald，2017)。公共研究经费下降的趋势令人担忧，因为它对产生对科学突破至关重要的基础研究有负面影响。
文章来源：《Science Breakthroughs to Advance Food and Agricultural Research by 2030 (2019)》
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