農(nóng)業(yè)4.0：農(nóng)業(yè)技術(shù)的未來

｜文/Matthieu De Ciercq 等 譯/柳得

2015 年，聯(lián)合國通過2030 年可持續(xù)發(fā)展議程，提出通過國際社會(huì)的共同努力在15 年后消除饑餓的目標(biāo)。但目前來看，我們離目標(biāo)還有很遠(yuǎn)，如一切照常，到2030 年，世界上仍有8%的人口約6.5 億人營養(yǎng)不良；到2050 年，我們的糧食將需要增產(chǎn)70%，而同時(shí)，農(nóng)業(yè)在全球GDP中所占份額將縮減為3%。未來幾十年，仍然面臨著糧食短缺和饑餓。

人口大幅增長推升糧食需求。一方面，人口在增長。在未來的幾十年中，世界人口預(yù)計(jì)將增長33%，到2050年將增至100 億，糧食需求增加約50%。另一方面，城市化正在加快。預(yù)計(jì)到2050 年，全球城市化可能導(dǎo)致城鎮(zhèn)人口凈增加24 億。城市化往往會(huì)提高收入，增加對(duì)加工食品和動(dòng)物源食品的需求。肉類生產(chǎn)，飼養(yǎng)牲畜的農(nóng)業(yè)用水以及溫室氣體的排放，對(duì)環(huán)境也有不利影響。盡管農(nóng)業(yè)投資和創(chuàng)新正在提高生產(chǎn)率，但產(chǎn)量增長已經(jīng)放緩到令人不安的水平。同樣緊迫的問題是：誰來種地？農(nóng)村人口在不斷減少；而且農(nóng)村人口正在迅速老齡化，這對(duì)勞動(dòng)力、生產(chǎn)模式、土地經(jīng)營、農(nóng)村社會(huì)組織以及總體經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有重大影響。

自然資源約束壓力巨大。世界上的農(nóng)田越來越不適合生產(chǎn)，根據(jù)某些指標(biāo)，25%的農(nóng)田已經(jīng)被評(píng)為高度退化，另外有44%的農(nóng)田為中度或輕度退化。水資源非常緊張，世界上40%以上的農(nóng)村人口生活在缺水地區(qū)。長期以來，土地一直被認(rèn)為是一種有限資源，早期退化的農(nóng)田可由新的、未使用的土地所取代，但如今，這樣的土地很少，剩下的土地往往無法在可持續(xù)的基礎(chǔ)上耕種。土地短缺導(dǎo)致農(nóng)場(chǎng)規(guī)模縮小，人均產(chǎn)量下降，無地現(xiàn)象加劇，所有這些都加劇了農(nóng)村貧困。農(nóng)業(yè)是耕地退化的主要原因和間接受害者。全球大約80%的森林砍伐是由農(nóng)業(yè)問題引起的。雖然清理植被為農(nóng)田讓路不會(huì)直接導(dǎo)致土壤退化，但它會(huì)通過侵蝕水資源間接地造成土壤退化。所有這些問題都是由于缺乏遠(yuǎn)見。土地短缺和貧窮產(chǎn)生了不可持續(xù)的土地管理做法，這是上述土壤退化的直接原因。

氣候變化降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力。氣候變化正在快速改變環(huán)境，人造溫室氣體排放的程度已經(jīng)達(dá)到歷史最高點(diǎn)。農(nóng)業(yè)是溫室氣體排放的主要來源之一，過去的50 年里，農(nóng)業(yè)貢獻(xiàn)了全球甲烷和氮氧化物排放的最大份額，并且預(yù)計(jì)在2050 年以前將進(jìn)一步增加。氣候變化導(dǎo)致干旱和洪水的頻率增加，這往往會(huì)降低作物產(chǎn)量。氣候變化將加劇現(xiàn)有的長期環(huán)境問題，如地下水枯竭和土壤退化，這將影響糧食和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)。

糧食浪費(fèi)及其帶來的環(huán)境危害。全球生產(chǎn)的33%～50%的糧食從未被吃掉，其價(jià)值超過1 萬億美元，而每天還有8 億人餓著肚子睡覺。糧食浪費(fèi)是一種規(guī)模巨大的市場(chǎng)低效現(xiàn)象，對(duì)環(huán)境也有害，不僅浪費(fèi)了生產(chǎn)糧食所用的資源，而且當(dāng)糧食垃圾在沒有氧氣的情況下分解產(chǎn)生甲烷，其危害程度是二氧化碳的23 倍。

農(nóng)業(yè)所面臨的這些挑戰(zhàn)，其宏觀趨勢(shì)導(dǎo)致了糧食短缺，其結(jié)果是全球性的貧困和饑餓，7 億人仍極度貧窮，8 億人長期挨餓，20 億人缺乏微量營養(yǎng)素，遵循當(dāng)前的發(fā)展路徑并不能解決問題，世界需要一個(gè)巨大變化。根除世界貧困和饑餓，在發(fā)展戰(zhàn)略上，不僅要解決農(nóng)業(yè)問題，還要解決創(chuàng)造就業(yè)和收入多樣化問題。

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式正在發(fā)生根本性的轉(zhuǎn)變。農(nóng)業(yè)的第一次技術(shù)革命取得了令人印象深刻的進(jìn)步，1961 年—2004 年，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實(shí)踐的推動(dòng)下，東亞谷物產(chǎn)量年增長2.8%，整個(gè)期間增長至原來的300%以上。但是效率提升幅度在下降，產(chǎn)出率增長速度已經(jīng)放緩。而且面臨的挑戰(zhàn)還更大，到2050 年，全球必須將糧食產(chǎn)量提高70%，同時(shí)還要減少能源、化肥和農(nóng)藥的使用，降低溫室氣體排放，應(yīng)對(duì)氣候變化，這必須要有新的生產(chǎn)技術(shù)。

農(nóng)業(yè)4.0，即將到來的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命，必須是一場(chǎng)以科學(xué)技術(shù)為核心的綠色革命，需要同時(shí)關(guān)注食品短缺的需求端和供應(yīng)端即價(jià)值鏈，其技術(shù)不僅僅是為了創(chuàng)新，而且還要改善和解決消費(fèi)者的真正需求，重新調(diào)整價(jià)值鏈。那么，農(nóng)業(yè)4.0 中有哪些新技術(shù)和解決方案可以給食物短缺問題帶來希望呢?

采用新工藝進(jìn)行不同的生產(chǎn)

水栽培。水培法是在水中加入礦物質(zhì)營養(yǎng)液，在無土壤的情況下種植植物的方法。如，澳大利亞的Sundrop公司開發(fā)了一種海水水培技術(shù)，將太陽能、海水淡化和農(nóng)業(yè)結(jié)合在一起種植蔬菜。

藻類原料。在水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)養(yǎng)殖的藻類可以成為飼料中魚粉原料的替代品。在大多數(shù)地區(qū)，養(yǎng)殖藻類的成本為每噸400 ～600 美元之間，與每噸1700 美元的魚粉相比，用藻類配制飼料可以使成本節(jié)省60%～70%，而且不依賴漁業(yè)生產(chǎn)的藻類是更加可靠的飼料來源。

沙漠農(nóng)業(yè)和海水農(nóng)業(yè)。地球表面大部分為海洋，陸地大約占29%，其中三分之一由各種類型的沙漠構(gòu)成。解決糧食危機(jī)，必須把沙漠和海洋利用起來。沙特阿拉伯的阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）處于沙漠農(nóng)業(yè)研究的前沿，同時(shí)研究生物和非生物因素，其研究的關(guān)鍵領(lǐng)域是提高植物生長對(duì)極端高溫、干旱和鹽城條件的耐受力和適應(yīng)性，以可持續(xù)的方式提高作物糧食產(chǎn)量。

生物塑料。這一包裝材料的出現(xiàn)已經(jīng)有20 多年，但并沒有實(shí)現(xiàn)與塑料包裝相同的包裝效用，仍有1 億噸垃圾漂浮在海洋中，其中大部分是一次性食品包裝用的塑料制品。當(dāng)前，已有新興公司，正在開發(fā)一種先進(jìn)的柔性塑料包裝，為食品提供與普通塑料相同的耐用性和保質(zhì)期，使用后可以回歸自然，就像橘子皮成為食品垃圾流的一部分一樣。

利用新技術(shù)促進(jìn)生產(chǎn)

立體農(nóng)業(yè)。這是一種在沒有適宜土地的情況下、在垂直堆疊層中種植的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方法，可持續(xù)地提供高質(zhì)量農(nóng)產(chǎn)品，其水、肥和營養(yǎng)補(bǔ)充劑的用量均減少95%，且不使用農(nóng)藥，生產(chǎn)率得以提高。

基因編輯和細(xì)胞肉。通過傳統(tǒng)育種技術(shù)可以改良作物品種，但是為了解決未來的糧食需求，基因工程是必須的。基因編輯技術(shù)不僅可以培育出產(chǎn)量更高、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)的作物品種，而且還可以用于改善農(nóng)產(chǎn)品的營養(yǎng)成分，可以生產(chǎn)出含有必需的維生素、礦物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)成分的作物產(chǎn)品。細(xì)胞肉是一項(xiàng)前沿技術(shù)，具有很大潛力，可以對(duì)糧食安全、環(huán)境、動(dòng)物傳播的且與食物相關(guān)的疾病、動(dòng)物福利等領(lǐng)域產(chǎn)生影響。荷蘭的MosaMeat 公司認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)出來的肉類可以為不斷增長的人口提供高質(zhì)量的蛋白質(zhì)，同時(shí)避免傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)中許多環(huán)境和動(dòng)物權(quán)利問題。

食品3D 打印技術(shù)。3D 打印在制造業(yè)中越來越重要，現(xiàn)在正被研究應(yīng)用于食品生產(chǎn)。荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究，組織開發(fā)了一種用微藻打印食品的方法。微藻是蛋白質(zhì)、碳水化合物、色素和抗氧化劑的天然來源，一些研究人員已經(jīng)開始試驗(yàn)用藻類作為動(dòng)物蛋白的替代品，而另一些研究人員則試圖用在實(shí)驗(yàn)室中生長的牛細(xì)胞來制造肉類替代品。

整合跨行業(yè)技術(shù)

主要有四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域：一是物聯(lián)網(wǎng)（IoT），物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)正在將管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲娜斯ぶ悄芟到y(tǒng)。二是生產(chǎn)自動(dòng)化，農(nóng)民不僅要掌握生物技能，還要掌握越來越多的自動(dòng)化技能。三是數(shù)字驅(qū)動(dòng)型農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者將通過分析有關(guān)天氣、種子類型、土壤質(zhì)量、疾病概率、歷史數(shù)據(jù)、市場(chǎng)趨勢(shì)和價(jià)格等數(shù)字化信息，做出更明智的決策。四是聊天機(jī)器人，人工智能驅(qū)動(dòng)的聊天機(jī)器人也可幫助農(nóng)民就具體問題提供答案和建議。

無人機(jī)技術(shù)。無人機(jī)將在整個(gè)作物生長周期中發(fā)揮作用：通過收集數(shù)據(jù)，為土壤分析制作3D 地圖，規(guī)劃種植，提高灌溉施肥控制水平。通過創(chuàng)建無人機(jī)種植系統(tǒng)，可將種植成本降低85%。通過掃描地面，精準(zhǔn)噴灑農(nóng)藥，覆蓋范圍均勻且高效。通過隨時(shí)監(jiān)測(cè)顯示作物的生長的情況，實(shí)現(xiàn)更加有效的管理。通過識(shí)別田地的墑情分布，及時(shí)高效灌溉。通過使用可見光和近紅外光掃描作物，跟蹤評(píng)估植物的健康狀況，發(fā)出病害警報(bào)。

區(qū)塊鏈。區(qū)塊鏈?zhǔn)潜忍貛藕推渌用茇泿疟澈蟮姆植际椒诸愘~技術(shù)，使高度安全的數(shù)字交易和記錄保存成為可能。雖然區(qū)塊鏈主要用于虛擬貨幣，但它也可以應(yīng)用于其他類型的交易，包括農(nóng)業(yè)交易。區(qū)塊鏈技術(shù)可以減少食品欺詐現(xiàn)象、提高食品安全水平、改善農(nóng)民支付和交易方式。通過改善供應(yīng)鏈的可追溯性，可以快速識(shí)別受污染食品的來源和范圍，可以防止價(jià)格勒索和延遲付款，可以消除中間商、降低交易費(fèi)用。

納米技術(shù)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。農(nóng)藥化肥的盲目使用，將使土壤失去生物多樣性。將納米技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)，可以提高農(nóng)藥化肥的使用效率，推動(dòng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。納米封裝的常規(guī)肥料、農(nóng)藥和除草劑，以緩慢持續(xù)的方式釋放營養(yǎng)物質(zhì)和農(nóng)用化學(xué)品，從而使植物獲得精確的劑量。

所有這些新技術(shù)有助于解決饑餓和糧食短缺問題，各國政府應(yīng)積極促進(jìn)農(nóng)業(yè)4.0 技術(shù)的開發(fā)利用，減少糧食對(duì)進(jìn)口的依賴，探索確保糧食安全的解決方案。雖然技術(shù)是解決方案的一部分，但僅靠技術(shù)無法解決全球饑餓和糧食危機(jī)，各國政府不能僅僅將全球糧食危機(jī)視為威脅挑戰(zhàn)，更要將其視為機(jī)遇，為解決世界面臨的糧食短缺問題創(chuàng)造一個(gè)共同的解決方案。