来源:Frontiers of Agricultural Science & Engineering 发布时间:2022/3/28 11:44:08
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FASE | 前沿研究:作物科学真的可以帮助我们生产出质量更高的食物,同时减少农业的环境足迹吗?

论文标题:Can crop science really help us to produce more better-quality food while reducing the world-wide environmental footprint of agriculture?(作物科学真的可以帮助我们生产出质量更高的食物,同时减少农业的环境足迹吗?)

期刊:Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者:William J. DAVIES , Susan E. WARD , Alan WILSON

发表时间:17 Jan 2020

DOI:10.15302/J-FASE-2019299

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FASE亮文解读

农业绿色发展 Agriculture Green Development

「Mar 2020,Volume7 Issue1,第四篇」

▎亮文ID

Can crop science really help us to produce more better-quality food while reducing the world-wide environmental footprint of agriculture?

作物科学真的可以帮助我们生产出质量更高的食物,同时减少农业的环境足迹吗?

发表年份 : 2020年

第一作者 : William J. DAVIES

通讯作者 : William J. DAVIES

w.davies@lancaster.ac.uk

作者单位 : Lancaster Environment Centre, Lancaster University

Cite this article :

William J. DAVIES, Susan E. WARD, Alan WILSON. Can crop science really help us to produce more better-quality food while reducing the world-wide environmental footprint of agriculture?. Front. Agr. Sci. Eng., 2020, 7(1): 2844 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2019299

• 文章亮点 •

1. 我们应该有效地为不断增长的全球人口提供健康饮食,同时要定义环境风险最小化的可持续食物系统的种类。

2. 为了达到食物可持续目标,我们需要向健康饮食模式转变,并依据健康食品的标准重新定位农业的优先发展方向,同时减少粮食的损失和浪费。

3. 科学家和食物生产者之间有效的知识交流机制是实现粮食可持续目标的关键。

4. 应利用植物科学手段改造新型农作物,以提高单产和生产效率,增强农作物的适应性。

5. 通过遗传改良、作物系统管理等技术提高粮食产量的同时,增强养分和水分的利用效率,并减少环境代价。

• 摘 要 •

本文综述了作物科学的最新发展,这些进展可以成为全球粮食系统革命的基础,但同时我们也强调,这种革命所需要的不仅仅是改变粮食生产和供应。我们必须更有效地为不断增长的全球人口提供健康饮食,同时提供各种可持续食物系统,以最大程度地减少对地球的损害。作物生产生物学方面有令人兴奋的新发展,通过借助知识交换(KE)框架,可以利用许多现有的作物科学来提高产量,这些知识交换框架要求使用现在大多数人都可以使用的新技术。我们讨论了在植物和农作物水平上将提高养分和水分生产率的新颖方法,并且还概述了减少能源消耗和温室气体排放并消除劳动力短缺的方法。对新生物学和新工程的开发利用需要公私合作和跨学科合作发展,以实现科学研究向实际应用的转化。

• 文章内容 •

▎研究背景

2008年,世界市场上粮食价格的大幅上涨导致了全世界人口的粮食供应危机。2009年,时任英国首席科学家约翰•贝丁顿爵士(Sir John Beddington)提出了“完美风暴”一词,从而表达了我们对未来粮食安全的担忧。从那时起,人们一直在致力于解决我们社会面临的“巨大挑战”之一:粮食安全问题的多方面的挑战。除此之外,世界许多地区的粮食生产越来越受到极端天气事件的影响(例如:干旱、洪涝和极端高温),解决全球粮食系统中的问题将不仅仅是科学问题,在社会和经济方面的挑战也很多,作物科学的进展已然成为保障粮食安全的关键。本文将综述作物科学的进展以及可以减少水肥投入并提高产量的科学进展,旨在让这些进展可以成为全球粮食系统革命的基础。

▎为地球节食以及解决全球粮食安全的框架

我们目前的粮食生产方式威胁着人类和地球健康,然而,在EAT-Lancet健康饮食委员会于2019年初发布的关于可持续食物系统的报告中得出结论,到2050年及以后,全球粮食系统可以为所有人提供双赢的饮食。但是,这将需要“大的食物转型(Great Food Transformation)”。尽管人们越来越意识到这种转型挑战的严峻性,但在大多数社会中,仍进展缓慢。植物科学在提高粮食质量,提高农作物生产力,增强环境可持续性以及创造新产品和制造工艺方面做出了巨大贡献,但仍需要与其他科学相结合。为了对政府政策和人类行为进行必要的改变,我们必须能够说服人们对人类和地球健康日益增长的威胁的性质和严重程度,并说服社会各界将这些目标作为联合国的可持续发展目标。现在,我们将讨论一些知识交换(KE)机制的发展,这些机制对于我们改变农业生产方式以及人们的饮食习惯至关重要。

图1 有效知识交流(KE)示意图(粮食市场,行业从业者,科学家和传播专家之间的合作)

▎知识交流(KE)范例:“科技小院”(STBs)

科学家和粮食生产者之间有效的KE机制被认为是实现上述框架内所需的许多实践变革的关键。一些有益干预措施的有效信息也必须传达给决策者。在资源密集型农业中,新的基因型和农业系统的改变是常见的,也往往容易被从业者接受,但是一些包括普通公众在内的辩论者仍然认为这些问题很重要。各种各样的出版物意味着所有人都可以获得新的信息,但是通常不能期望农民和相关人员能浏览所有的科学文献。因此,易于使用的KE工具可以对问题的总体理解以及粮食供应和质量产生有益的影响。

中国农业大学的科学家所开发的“科技小院”(STBs)是一种非常创新的方法,可以帮助中国的小农户转变农业生产方式,以应对近几年来由中国政府主导的更大的“生态文明”的挑战。使用这种方法来传播植物和作物科学的最新进展非常符合EAT-Lancet委员会的议程。在越来越多的中国社区中,农业科学家与农民一起生活在村庄中,以实现产量和经济收益可持续增长。这项KE计划的目的是促进参与式创新和科技成果转化,并为这些创新获得公共部门和个人的支持。该方法确定了涉及农业、基础设施和社会经济条件的多方面产量限制因素,以及个人和社区一级的干预措施正在改变人们的生活。重要的推广人员网络已经建立起来(图2)。STB模式是实现农业绿色发展的有效途径,旨在通过科研人员、农民、政府和农业企业的共同努力,增强小农的力量,从而缩小中国农业的产量差距。

图2 中国农业大学研究人员构思的科技小院(STB)示意图

▎规划设想

为了达到食物可持续目标,做出以下三点规划与设想:改造新型农作物以提高产量和生产效率从而增强农作物的适应力;通过工程技术提高农作物抵御气候变化能力及其资源利用效率;使用更少劳动力和更少的环境破坏的农业工程化。总的来讲,对新生物学和新工程的开发利用需要公私合作和跨学科合作发展,以实现科学研究向实际应用的转化。

图3 科学研究过渡到实际应用实例:a)在传统漫灌(TF)和干湿交替灌溉(AWD)下种植的水稻作物产量、灌溉用水和水分利用效率;b)土壤细菌(Variovorax paradoxus 5C2)和土壤干旱对田间豌豆生长、产量、水分关系、化学信号传递和结瘤的影响

• 结 论 •

本文支持全球普遍的观点,即社会需要更有效地为不断增长的全球人口提供健康饮食,同时定义并提供可持续发展的食物系统,以最大程度地减少对地球的损害。

作物科学和作物遗传学的最新发展可以成为我们全球食物系统革命的基础,以确保增加优质、营养和安全食品的供应。当然,这种革命所需要的不仅仅是改变食物生产和供应,而且在某些情况下,许多改变甚至可能与食物没有直接关系。但是,我们强烈认为,作物科学在为更多人提供更多食物方面起着关键作用。不断发展的气候变化意味着对新基因型和新作物生产系统进行创新的需求变得越来越迫切。修订后的KE框架可以利用许多现有的作物科学,同时KE框架要求使用目前所有人都可以获得的新技术。小农户可以受益于更容易获得的作物科学,也可以受益于新基因型的更多可能性。另外,对新生物学的开发将要求促进公私伙伴关系和跨学科合作,以有效地弥合科学研究与商业应用之间的鸿沟。科学界还必须与公众和决策者更有效地互动,以便所有人都理解“现代”粮食和农业所面临的挑战、机遇和担忧。

摘要

This paper reviews recent developments in crop science that can be the basis of a revolution in the global food system but it is also emphasized that such a revolution requires more than changes in food production and supply. We must more effectively feed a growing global population with a healthy diet while also defining and delivering the kinds of sustainable food systems that will minimise damage to our planet. There are exciting new developments in crop production biology but much existing crop science can be exploited to increase yields with the aid of a knowledge exchange (KE) framework requiring the use of new technology now available to most people across the globe. We discuss novel approaches at both the plant and the crop level that will enhance nutrient and water productivity and we also outline ways in which energy use and greenhouse gas (GHG) emissions can be reduced and labor shortages combatted. Exploitation of new biology and new engineering opportunities will require development of public-private partnerships and collaborations across the disciplines to allow us to move effectively from discovery science to practical application. It is also important that consumers contribute to the debate over proposed changes to food and farming and so effective KE mechanisms are required between all relevant communities.

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