互动科普

我们如何养活地球

目前全球有10亿人饱受饥饿之苦，而农业的扩张能力正日渐萎缩，对环境的危害却日益加剧。一个包括5项措施的全球计划或可整体化解粮食危机，推动农业可持续发展。

撰文 乔纳森·A·弗雷（Jonathan A. Foley） 翻译 戴瀚程

多项研究表明，到2050年，世界人口将增加20亿～30亿，食物需求很可能会翻番。高收入人群的增加，也会导致食物（特别是肉类）的需求上升。生物燃料争夺耕地，给农业生产带来更大压力。因此，即使解决了目前面临的贫穷问题和运输分配问题——这已是一项非常艰巨的任务，我们还必须生产出两倍的粮食，以保证充足的全球供应。

挑战还不止于此。人类在热带雨林边缘砍伐森林、拓展耕地，在生态脆弱区和水源涵养区实行深度工业化开垦，这已经使农业成为首要环境威胁。农业占用了大部分陆地，正在破坏生物栖息地，耗尽淡水资源，污染河流与海洋，农业生产排放的温室气体也超过任何其他人类活动。为了保证地球长期健康，我们必须大幅消除农业的不利影响。

世界粮食系统面临着3个令人难以置信、相互交织的挑战：必须保证全球70亿人口有充足的食物；必须在未来40年内使粮食总产量翻番；在实现以上两个目标的同时，还必须真正实现环境的可持续性。

我们能够同时实现这些目标吗？一个国际专家组（本文作者也是其中的一员）制定了5项措施，如能五管齐下，就可以使全球粮食总产量翻番，同时显著降低温室气体排放量，抑制生物多样性的降低，减少水资源利用和水污染。解决前述三重挑战，是人类面临的最重要考验之一。毫不夸张地说，我们如何应对这些挑战，将决定人类文明的命运。

考验

表面上看，对于如何养活更多的人，答案似乎是明摆着的：扩大耕地面积，提高生产率（每公顷土地的粮食产量）。不幸的是，我们在这两方面都遇到了极大的障碍。

人类已开垦的土地大约占地球陆地面积（不包括格陵兰岛和南极大陆）的38%。其中，农业用地所占比例是最高的，其他用途都难以望其项背：这38％的土地绝大部分都是肥沃的农田。已开垦土地之外的部分，主要被沙漠、山脉、苔原、冰原、城市、公园和其他不宜耕种的区域所覆盖。剩下的主要是热带雨林和非洲大草原，这些对全球生态平衡、特别是对碳循环和生物多样性的保持至关重要。

在这些区域开拓耕地是很不合适的，但在过去20年间，每年新开垦的500万～1 000万公顷耕地中，大部分在热带雨林地区。尽管如此，城市发展等多种原因造成了耕地流失（特别是在温带地区），耕地净面积只增加了3％。

提高土地生产率听起来是个好点子。然而，我们的研究小组发现，过去20年间，全球作物平均生产率大约提高了20％——这比通常报道的数据低很多。虽然这种改善是显著的，但远不足以使粮食产量到本世纪中叶翻番。尽管一些农作物的生产率在持续提高，但也有很多作物增产甚微，少数作物甚至减产。

如果生产出来的食物都能分配到人们手上，那么养活更多的人也不至于太难。但是，全球粮食总产量中只有60％供人类食用：主要是谷物，其次是豆类（菜豆和小扁豆）、油料、蔬菜和水果。另外35%用于饲养牲畜，剩下的5％用来制造生物燃料和其他工业产品。肉类是最大的问题。即使是效率最高的肉类和乳品生产加工系统，利用粮食饲养牲畜也会减少全球食品供应。通常情况下，用谷物养牛，每生产一千克食用去骨牛肉，须消耗30千克粮食，生产鸡肉和猪肉的效率略高。用青草养牛可以不占用食物。然而不管怎样，利用谷物喂养牲畜来生产肉类，耗粮甚多，显著减少了全球粮食供应。

另外，种植更多粮食作物将损害已经十分脆弱的环境。农业对环境的破坏，只有能源利用对气候变化和海洋酸化所产生的影响能与之相提并论。据我们的研究小组估计，农业已经占据或者彻底改造了世界上70%的史前草地、50％的大草原、45％的温带落叶林和25％的热带雨林。上一个冰河期以来，相对于农业对生态系统的破坏，任何其他人类活动都只能甘拜下风。农业占地是全球道路和建筑占地的近60倍。

淡水资源是另一个“受害者”。人类每年用水4 000立方千米，绝大部分来自河流和地下蓄水层。灌溉用水占70％。如果只算消耗型用水（用过的水不回流到蓄水区），灌溉用水将占总用水量的80%～90％。受此影响，许多大型河流的流量都在减少，比如科罗拉多河，甚至有些河流已经完全干涸。而且在美国、印度等国家的一些地区，地下水位在迅速下降。

水资源不仅在消失，还在遭受污染。化肥、除草剂和杀虫剂迅速扩散，严重程度匪夷所思，几乎每个生态系统中都能发现化肥的踪迹。1960年以来，环境中的氮和磷增加了一倍多，这导致大范围的水资源污染，世界上许多大型河流的河口因富营养化缺氧而变成“死亡地带”。具有讽刺意味的是，为生产更多粮食而使用的化肥，从农田中流失后，危及另一个重要的食物来源——沿海渔场。毫无疑问，在使全世界人吃饱饭的农业革命中，化肥居功甚伟，但是，我们显然应该做得更好，而不是让近一半的肥料白白流失。

在人类社会中，农业是温室气体排放量最多的一个源头。就二氧化碳、甲烷和氮氧化物来说，农业排放量占人类总排放量的35％。这比全球运输行业（包括所有汽车、卡车和飞机）或发电行业的排放量还多。用于种植、加工和运输食品的能源消耗也是个问题，不过，导致如此巨量排放的最主要原因是：为开垦农田而肆意砍伐热带雨林；动植物腐烂释放甲烷；过度施肥，氮氧化物从土地中逸出。

措施

现代农业为世界做出了惊人的贡献，但我们不能忽视的是，它的扩张能力正日渐萎缩，而对环境的危害却日益加剧。以往解决粮食与环境问题的办法往往自相矛盾：要么开垦更多土地，使用更多的水和化肥来提高粮食产量，代价却是环境遭到破坏；要么退耕还林，恢复生态系统，但粮食产量因此减少。这些非此即彼的方法都不可取，我们需要真正的综合解决方案。

利用好几个月的时间，通过分析研究新近获得的农业和环境数据，我们的国际团队制定了一个包括5项措施的全球计划，来全面应对我们所面临的粮食与环境挑战。

阻止农业继续扩张。我们的第一条建议是，放缓并最终停止农业扩张，尤其是阻止农业侵占热带雨林和热带草原。这些生态系统所遭受的破坏已对环境造成深远影响，尤其是开垦土地导致生物多样性消失和二氧化碳排放量增加。

减缓森林砍伐将显著减少环境危害，而对全球粮食产量只是稍有影响。通过减少因城市化侵占、自然退化或人为遗弃造成的高产农田损失，可以弥补由此造成的粮食产量下降。

人们已经提出了许多旨在减少森林砍伐的建议。其中前景最好的是，通过减少森林砍伐和森林退化而降低温室气体排放的REDD（Reducing Emissions from Deforestation and Degradation）机制。根据REDD，富国给热带国家补贴一些资金来保护雨林，以换取碳信用额度（carbon credits）。其他机制还包括：建立农产品认证标准，从供应链的层面确保不通过毁林造地来种植作物；制定更合理的生物燃料政策，使用柳枝等非食用作物作为原料，腾出更多耕地。

消除全球产量缺口。在不扩大农业占地面积的前提下，要实现全球粮食产量翻番，我们必须显著提高现有耕地的生产率。现在有两个办法：提高最优质农场的生产率——通过使用转基因技术和改善管理，提高这些农场的“产量上限”（yield ceiling）；提高最低产农场的生产率——消除当前产量和更高的潜在产量之间的“产量缺口”（yield gap）。第二个办法取得的效果最显著，也最直接——尤其是在饥饿最严重的地区。

通过分析全球作物生产率，我们发现，世界大部分地区都有明显的“产量缺口”。特别是在非洲、中美洲和东欧等地区，只要种子更好、施肥更有效、灌溉更高效，产量就可以得到大幅提高。我们的分析表明，如果能消除全球16种主要粮食作物的“产量缺口”，就可以使粮食总产量增加50％～60％，而对环境的危害微乎其微。

在最低产的土地上缩小“产量缺口”，通常需要额外的肥料和水。具体实施时必须小心谨慎，避免无节制的灌溉和施肥。许多其他技术也能提高产量，例如“休耕”种植法对土壤影响较小，能防止水土流失。在耕种季间隙种植肥田作物，可以减少杂草，而且在翻耕土地时还可以补充土壤中的养分和氮。也可以借鉴有机农业和农业生态学的经验，把作物残余物保留在土地上，使之降解成营养物质。

为了消除全球范围内的“产量缺口”，我们还必须克服经济和社会障碍，包括将化肥和种子更好地分配到贫困地区，让更多地区向全球市场开放。

更有效地利用资源。为减少农业对环境的影响，低产和高产地区都要提高农业效率，使每份水、化肥和能量投入获得更高的产出。

平均而言，每生产一卡路里的食物大约需要一升灌溉用水。我们的分析表明，农场可以在不太影响食物产出的前提下显著减少用水量，尤其是在干旱地区。主要的策略包括：滴水灌溉（将水直接滴到作物根部，而不是喷洒到空气中）、护根覆盖（用有机物质覆盖土壤，以保存水分）以及减少灌溉系统的水损失（减少水渠和水库的蒸发）。

肥料也是个严峻的问题。有些地方肥料不足，因而收成很低；而另一些地方肥料过量，又导致污染。几乎没人能“非常恰当”地利用肥料。我们的分析表明，全球范围内许多地区，特别是在中国、印度北部、美国中部和西欧，农民完全可以大幅减少化肥用量，而几乎不会影响粮食产量。令人吃惊的是，全球30%～40％的农业化肥污染竟然是10%的耕地造成的。

政策和经济激励措施也是解决化肥过量使用问题的对策之一，例如补贴农民管理和保护水源、减少化肥过量使用、改善肥料管理（尤其是减少储存的肥料在暴雨期间流失到水土中）、重复利用过量使用的肥料以及其他节约措施。此外，使湿地复原，可以提高它们吸收径流中营养物质的能力。

另外，上文提到的休耕种植法，以及精准农业技术（只在必要的时间地点以最有效的方式施肥灌溉）和有机农业技术，都有助于滋养土壤。

改变肉食习惯。将更多粮食用于供应人类，减少饲养家畜耗粮，能显著提高全球粮食供应和环境的可持续性。

如果全世界所有人都吃素，将增加3万亿卡路里的热量供应，这相当于我们现有供应量的50%。当然，目前的饮食习惯和作物利用有许多经济效益和社会效益，而且我们的喜好也不可能彻底改变。尽管如此，只要稍微改变饮食结构，例如从食用谷饲牛肉改为食用猪肉或草饲牛肉，就能取得明显效果。

减少粮食浪费。这是一条很关键、很明显却经常遭到忽视的建议。全球粮食产量中，大约有30％被丢弃、损失、腐烂，或被害虫吃掉。

在富国，大部分浪费发生在终端消费环节，例如消费者丢弃垃圾或在饭店用餐。只要稍微改变日常消费模式，例如减少过量点餐、少扔粮食、少叫外卖、少下馆子，就能显著减少浪费，同时还能避免肥胖。在穷国，损失量大致相当，但主要发生在生产环节，例如作物歉收、害虫偷吃库存粮，或因基础设施不过关和市场欠发达而导致粮食运销不畅。改善储存、冷藏和分配系统，可以显著减少浪费。此外，更好的市场工具可以让买卖双方保持良好沟通，例如非洲的手机网络就很好地连接了供应商、贸易商和买家。

虽然彻底消除生产与消费环节之间的浪费是不现实的，但即便很小的进步也很有好处。只要目标明确——特别是减少资源密集型食物（如肉类和奶制品）的浪费，我们就一定能取得显著改变。

迈向粮食一体化

原则上，我们的5项战略措施可以解决大部分粮食安全问题和环境挑战。5管齐下可以使世界粮食供应增加100%～180％，同时显著降低温室气体排放量，阻止生物多样性消失，减少水资源消耗和污染。

需要特别强调的是，这五项措施（也许有更多）必须同时实施。任何单一策略都不足以解决所有问题。我们绝不能只见树木，不见森林。在农业革命和农业产业化方面，我们已经取得了非凡的成绩，还创造性地构建了有机耕作技术和地方粮食系统。让我们综合最好的想法，构建一个同时注重营养、社会和环境效用的可持续规模化粮食系统。

我们可以通过高效的全球化贸易和运输体系，把各地区对局部气候、水资源、生态系统和文化都很敏感的粮食系统整合起来，形成一个庞大的网络，以此构建下一代粮食系统。这样的粮食系统将具有更强的适应性，也能让农业从业者赚钱养家糊口。

要想构建这种新型粮食系统，必须建立一种类似于“能源与环境设计先锋”（LEED，美国绿色建筑协会提出的一种建筑评估体系）的评估机制。LEED的提出，是为了建造具有环境可持续性的新型商业建筑，它有一套基于绿色累计积分的认证奖励系统，从太阳能发电到高效照明，从循环利用建筑材料到降低建筑废料，任何绿色方案都可获得绿色积分。

就可持续农业而言，一种粮食的最终评分，应该是它在营养、食品安全及其他与公共利益有关的因素上的得分，减去它的环境和社会成本所对应的分数。与目前的“本地生产”或“有机食品”等简单食品标签相比，这样的体系能提供有关食品的更多信息。如此一来，人们就可以从营养、社会、环境等各个角度，综合考虑食品的整体效益，也能更全面地对比不同种植方式的成本与收益。

想象一下，未来某一天，所有的种植作业都根据公开的最有效率的标准进行：热带生产足够全人类食用的柑橘和咖啡，温带生产足够的谷物，各地区自行生产蔬菜作为补充。轻轻点击智能手机中的应用程序，就能了解食物产自哪里，如何生长，以及它在营养、社会效益和环境效益等方面的得分。当挑到满意的食品时，你甚至可以发到微博上，告诉社交圈中的食友。

我们提出的这种新一代农业系统的原则和措施，无论是大范围商业化，还是本地化和有机农业，为解决世界粮食安全和环境问题提供了新思路。如何以一种真正可持续的方式养活90亿人，是人类文明面临的最大挑战之一。只有全人类共同努力与创新，才可能实现这一宏伟目标。

本文译者 戴瀚程是日本国立环境研究所助理研究员，目前在东京工业大学社会工学系攻读博士学位，研究方向是低碳经济、可再生能源及应对气候变化。