为迅速增长的世界人口提供足够的食物，乃是当今最为尖锐的问题。现在是对我们的食品生产技术进行重新估价的时候了。
美国主要农作物（玉米、小麦、高粱、马铃薯、棉花、甜菜、蚕豆、花生、大豆）的产量，在经历了五十年代和六十年代的急速增长之后，已经进入平稳状态，农产品的价格不稳，且比以往更加易变。
不断撞击我们食物系统的因素很多、包括以下一些方面：土壤侵蚀——表土流失；有机质丧失——土壤板结；土壤的化学残留物——空气污染；耕种中生产力低的土地增多；生产力高的土地负荷增加；使用水、肥、农药的选择性少；气候和天气的变化；增加了调节管理制约；对农业研究的支持减少。
不过每一个因素的重要程度尚不清楚。生产力减退的因素中，主要的是调节管理制约，它影响到许多方面，而这样的制约对于新技术的发展及其应用：仍然是一个未知因素。
由于调节活动促使价格螺旋上涨，这在我们的整个经济中也是通货膨胀最多的。这就把我们引向第二代农业研究；这方面的技术进展将会使食品和纤维稳产高产，使付出的代价有效果而对环境有比较良好的作用，增加而不是减少地球上的资源，同时节省资金、管理技能和非重复使用的资源。它是中等规模的，主要技术如下：提高光合作用效率，增进 · 生物固氮作用，遗传改良和新的细胞融合技术，对竞：争的生物系统有比较大的抵抗力，养分的吸收和利用更为有效，减少硝化和反硝化造成的损失，对环境选择有较大的耐受性，激素系统和作用机理的确认。
新技术、资源输入和经济刺激，是决定未来农业生产力的参数。本文对今后10 ~ 15年6农业技术的进展及它们对调节环境可能有什么影响作了评价。
一、光合作用、固氮作用和组织培养方法
提高光合作用效率、增进生物固氮和通过新的组织培养技术进行遗传改良，是提高粮食作物产量具有指引方向的基础研究中最为优先考虑的领域。
此外，改进对病虫害的防治，也是一项战略任务。
譬如，通过遗传改变植物的构型和叶子的排列改善接收光的系统，从而捕获更多的光能，这是不会损害环境的。这方面的探索，最初是为了提高光合作用效率，现在正引出近期的结果。通过遗传研究，使经济上重要的粮食作物、饲料作物和纤维作物的光呼吸和（或）暗呼吸减少，并延迟叶片的衰老，这对环境也是安全的，也会增加光合作用效率。对于豆科作物而言，也会因增加光合作用产生的能量而促进生物固氮。
由于对食品需要量的增加和大量进口化石燃料用于化学合成氮肥（每公斤氮消耗天然气1.85立方米）且价格不断上涨，以及由于使用化学氮肥而引起潜在的环境问题，所有这一切都要求集中力量发展固氮的另一技术。生物固氮是慢慢释放的，因而减少了硝化和反硝化作用的损失，而且减少了调节制约方面的要求。此外，也要积极发展小型的以农场为单位利用太阳能、水力、风力生产化学氮肥的技术。
增加光合产物的一个有希望方法是，通过化学调节作物的生长和代谢，目前它对于甘蔗生产是有现实性的。甘蔗催熟剂可增产10%以上，不过突出使用化学催熟剂控制生物过程，可能又要补充调节管理约束才行。
空气中的二氧化碳，是作物产量的一部分资源基础。植物叶片周围的CO2浓度，仍然是进一步增加光合作用的一个最重要速度决定因子。提高CO2浓度促进生长的报道，是没有例外的，且已对所有主要农作物做了研究。提高CO2浓度，也能加速林木及其幼苗的生长。为了增加大温室作物的产量所做的CO2浓度的效应试验表明，它们都有增产和提高质量的反应，特别是在幼苗阶段。最适的二氧化碳浓度，在1000和1500 ppm之间，这是一般空气中CO2浓度的3 ~ 5倍。
空气中CO2浓度增加3倍（从330 ppm增至1000 ppm）将会大大提高光合生产力，同时防止光呼吸的损失。在此条件下每公顷大豆固定的氮，几乎增加6倍。除了大温室作物的生产之外，要大规模应用这个技术还是有困难的，尽管模型已提出来了。
有人推测空气中CO2富集之后会影响气候，可是与许多可疑的推测相反，我们知道促进植物生长和提高作物产量是需要更多的CO2的。农业、林业和粮食生产的研究，尤其应当集中于发展使植物增加固定CO2的方法，一个已充分证明了的途径；是提高空气中，CO2含量。假使空气中CO2有实质性增加之后对环境产生不利影响，那就应当认真通过增加粮食和生物量的生产来使CO2含量达到最佳值。
二、病虫害的防治
由于病虫害（昆虫、病害、杂草、线虫、啮齿动物等）对全世界主要粮食作物造成的大田损失，是很惊人的，大约是35%。所有主要农作物在收获前的损失，超过20%。农药在防治病虫害方面，已发挥了显著的作用，1976年全世界生产的合成有机农药，大约有6亿公斤。自第二次大战以来对农药的依赖不断增加，以致历史学家喜欢把二十世纪后半叶称为“有机农药时代”。
对这种单线防御的依赖，已引起诸如对农药的抗性；天敌的破坏，第二代昆虫的爆发，传粉媒介的减少，对环境的潜在污染和对健康的损害等一系列问题。
未来综合防治病虫害的另一种可替代的战略（现在有些科学家在研究中），将有可能使农业发展中国家使用更多的农药，而在比较发达的国家中则较少。这种在病虫害管理上计划广泛应用的系统，将会减少防治病虫害的成本，对环境的损害较少，增加产量的可靠性大。这种防治途径要利用天敌和寄生菌，确认并生产遗传上有抗性的品种，改进栽培方法，监视环境，适时且有效地使用农药。对棉花、苜蓿、大豆、柠檬、苹果和温室番茄的一些昆虫的综合管理规划，已有了显著的进展。但是，对这些作物及其他作物如马铃薯和洋葱的病虫害防治，在我们面前还有许多挑战。发展综合的病虫害防治措施的科学家，要跳出自己狭小的兴趣领域，并且依靠情报资料及时识别代替化学药物的机会，并向人民解释技术知识。
植物次生代谢产物，可作为植物与植物关系中的防护因子，这方面已有大量证据。对农作物毒素抑制作用的研究，已阐明了天门冬和高粱的根和茎以及黄瓜果实和种子中的有毒物质。高粱和苏丹草的残体，可以有效地防除温室和大田中的一年生来本科杂草。植物毒素抑制作用是农作物的普遍现象。它可能选择替代化学除草剂。虽然植物毒素控制在主要农作物的大田生产上的应用还没有重大突破，可是现时的作物保护技术的迅速废退，表明这是应努力开发的。
三、植物对营养成分的吸收
1. 肥料的使用：在农业生产上最重要的工业输入是肥料，它大约占总能量输入的1/3。在过去40年间所达到的总农作物生产力的1/3，是与肥料有关的。美国的农作物每年要施一千多万公吨的化学合成氮肥，占世界总施用量的1/4左右，其中有一半用于玉米生产。然而美国农作物仅回收作为肥料施用的氮50%，磷和钾不到35%。在热带水田中肥料氮的回收率仅为25 ~ 35%，余额丢失于周围环境中。
反硝化作用使氮素丢失到空气中，而硝化作用又促进了氮肥经土壤淋溶而损失、仅反硝化作用使全世界每年损失的氮肥，就有1200 ~ 1500万吨，而硝化作用的损失也差不多有这么多。把天然的和合成的硝化作用抑制剂和钱或尿素一起施用，就能有效地阻止氮通过淋溶或空气的损失，全球规模施用这类抑制剂才刚刚开始，在10 ~ 15年中可望获得实质性的进展，从而可降低肥料的成本源用量，保存非重复使用的资源，改善粮食供给，减少对环境的危害，最终减轻对食物系统的调节影响。当然，减少农作物氮肥损失的研究重点，应放在优先设计利用可重复使用的资源的新固氮措施上。
增加土壤养分吸收效率的一个相当令人感兴趣的途径，是从遗传上改良农作物， · 以便从贫瘠的、太酸的、有毒的或盐碱的土壤上获得更多的产量。地球上有大面积的土地没有用于或没有充分用于农业生产，只要用相当低的代价，这个技术途径就能大大地扩大基础资源，减少能量输入，提高农作物产量的可靠性；而调节管理制约，即使有也是少的。估计在15 ~ 20年中，可望在这方面有重大的进展。
2. 通过微生物使养分易于吸收：与高等植物共生结合的微生物（真菌）能使养分易于吸收，这是为增加粮食作物产量最令人鼓舞的研究领域之一，它刚露苗头。菌根菌，特别是内生菌根菌和所谓泡本 - 灌木状的亚群，可以大大增加磷的吸收和其他移动性差的养分的吸收，几乎所有粮食作物都有反应。
泡本 - 灌木状菌根菌，可以看作是根的真菌延伸，它们能协助根吸收养分，，并且能促进豆科植物的生长和固氮，特别是在缺磷的土壤上，效果更明显。可以用效应强的优良菌株给农作物接种，这样通过改变植物可利用的矿质养分的数量、浓度和性质，而使林木和农作物易于吸收它们。菌根菌使豆类和谷类作物产量大大增加，其潜力不仅使传统农作物的产量显著增加，并且可以提高现在气候不好和土壤贫瘠的地区经济植物的生产力。
随着研究的不断进展，接种优良的菌根菌使农作物生产力有实质性增加的目标，在10 ~ 20年内是能实现的。其结果是保存了非重复使用的资源，提高生产力，扩大土地资源，而且这种技术的使用是不会受到调节管理约束的。它将是既增加农作物产量又使自然环境令人乐观的一个最好例子。
四、土地、水和能量资源的管理
1. 减少犁耕：减耕是一项重要的资源保存技术的例子。犁板犁耕长期以来就是美国农业的象征，由于风和水的侵蚀，已造成了不可逆转的损失。现在已经肯定，使用适当的化学物防除杂草，不必犁耕土地是能提高农作物的生产力的。于是传统的犁耕正逐步被废止。1978年美国有320万公顷的农田是没有犁耕而种植的（玉米、小麦、大豆），且有2000万公顷土地的耕作，比惯常的次数少。
减少耕作是防止土壤侵蚀，扩大土地的覆盖面，保存地球上主要产粮区的能源、劳力、水、土壤肥力和有机质的最有意义的技术。此外，，这个技术措施也可使丘陵地区有较多的斜坡地，能用于生产或种植更合算的作物。成功的保存耕作法要有二个重要的条件：有合适的除草剂和有专门制作的可在草皮或没有耕作的土壤上播种的种子条播机。合适除草剂的生产和投放，将会继续影响美国和全世界农业生产的免耕法和减耕法的发展及其速度。它的潜力是可以把以前不适于农业生产的千百万公顷土地用于粮食生产，使土壤的侵蚀减少到零级水平。正在严重侵蚀的质土壤和含有机质的土壤用这种栽培方法后，许多种类型的作物是能适应的。
2. 灌溉：水是未来农业发展的关键。全球的粮食生产都受到一定程度的缺水之害。最近已有二亿三千万公顷土地的农作物生产是可灌溉的。灌溉地（占总可耕地的15%）的生产力比较高，提供了全世界粮食的30%。
全世界粮食生产的目标必须面对水的不足和使已有的水利资源的管理合理化。生产一公斤粮食需要多少公斤水，是一个重要的变量。这方面实际上还没有做什么研究。不同作物通过蒸腾失水是很不一样的。如果菠萝为100，谷物和豆科作物为：400 ~ 500，而一些果树和蔬菜则在1000以上。在夏威夷每单位土地面积甘蔗的需水量比菠萝多5倍。以色列的一个研究报告指出，不同作物利用水由效率很不一样？高粱利用1毫米的灌溉水可生产1.72公斤的籽粒，小麦为1.23，花生为0.65，而棉花仅为0.24公斤。用传统的灌溉方法，美国灌溉用水的效率为20 ~ 40%，而在以色列则为80 ~ 85%。“滴灌”有时也称为“蓝色革命”，最早是在以色列发展起来的，应用于大规模粮食生产的技术。它比传统的灌溉系统——淹灌，喷灌，沟灌节省用水50%。重要经济作物的滴灌具有许多优点：运转成本低；土壤的侵蚀降到最低水平；没有建设灌溉沟渠而浪费土地；没有淋溶流失或排出水的污染；便于防除杂草和施肥；对农作物，土壤的管理和收获过程没有相互干扰。而且滴灌还可以使用其他灌溉方法难以利用的含盐分高的水。
3. 增加降雨量：增加可利用的水资源最有希望的方法之一是通过播云来增加降雨量。不过对于调节管理制约（环境、法律、社会、政策和经济方面）而言，它是最易受到责难的技术。推测通过播云之后，科罗拉多河流域冬季降雪量可增加244000公顷/米水量。西部山区增加下雪补充本量：的成本，每公顷/米为8 ~ 12美元，、：师通过水库转运提供补充水的成本需要25 ~ 50美元。显然这也比海水脱盐、地热蒸汽凝缩增加水量便宜得多。最近在佛罗里达州，根据新的播云技术增加降水量的研究提供了相当肯定的结果。动态地播积雨云，增加空中降雨量、在整个靶面积上夏季降雨量增加25%。
4. 水的管理：地球上的淡水资源尚未有效地用于农业灌溉。中国、印度、苏联、巴基斯坦和美国占了全世界总灌溉面积的70%以上。中国的灌溉面积比别的国家多,占总数的1/3。中国在20年中尽管有周期性干旱，但由于采用灌溉，新种子，肥料等措施，主要粮食产量翻了一番。
灌溉农业的扩大对环境调节必然有所影响，因为灌溉的扩大，要求全面的管水系统包括排水，也要调节废水的处理。虽然在开始时，土地能提供较多的产量，但也有增加盐碱化的危险。而且新的孵化地可能产生作为人类疾病媒介的昆虫。
最近，使农作物适应于海水生长的一个遗传学上的突破，是很值得注意的发展。用耐盐的大麦品系，引太平洋的海水灌溉已生产了可在市场上出售的产量，这条遗传途径的潜力是巨大的。接着无疑将要用其他耐盐的作物（苜蓿、甜菜）来生汽。而耐高盐农作物的遗传选择有可能开辟利用废水生产粮食的新边疆。
五、家畜生产力
改进饲料的生产和利用，防治疾病和遗传改良是增加畜产食品资源的途径，这三方面都同等重要，不可偏废。
改善动物的健康状况从而提高生产力，这就必须包括控制主要皮肤传染病，减少其他皮肤病造成的损失，防治地方病，研究动物疾病的经济效果，寄主对疾病抗性有关的生物因子的基础研究等。现在全世界每年由于疾病和寄生虫而死亡的家畜中，牛超过5千万头，绵羊和山羊超过一亿头。使皮肤病和流行病造成的损失下降50%是可能的，这个目标在20年内可实现。
要在饲料利用，遗传改良和增加生殖率等方面获得实质性效果，就要靠发展在遗传上优良的能利用低质饲料的动物品种；在饲养周期的关键时刻加强饲养和管理；最终要发展瘤胃支路来增加蛋白质的利用和刺激胃口；利用特殊的饲料补充物也能显著提高饲料效率和加速增重。使求偶期同步或控制生育周期，保存精液，改进妊娠检测，多产，超，卵等都能增加生殖率。这些技术上的成就必须影响到环境调节，用化学药物控制生育周期，可能会由于管理制约而受到阻挠，同样用化学药物（包括抗菌素）医疗疾病，现正受到严格的检查，抗菌素可能通过动物食品传给人，在肉、奶、蛋中的残留物可能引起变态反应，能进入家畜食物链的环境毒物要严格地检查，并增加管理活动。
可调控的环境条件，对于畜牧业生产乃是一个难以开发的技术领域，目前已广泛应用于家禽和养猪业，并正在羊羔和肉用牛生产中试验。我们应当研究光温度等因子对奶牛和肉用牛生产力、饲养效率、增重速度，激素关系，生殖行为等方面的影响。有一个报告指出，补充光照对奶牛的生长和产奶量有促进作用。
六、食品的经营和加工
食品加工和保存新技术的发展，是有选择余地的。在美国许多以前认为太费劳力而被废弃的技术，在劳力充裕的国家需要重做评价。有的技术在应用时受调节制约的可能性也小。其中之一是保存食物的离子辐射技术，可防止腐败，防止微生物和昆虫，防止贮藏的马铃薯发芽，也可保存新鲜的水果，此外可以减少为了保持肉食颜色所需要的硝酸盐/亚硝酸盐的用量。未来20年中应用辐射技术的突破，对于食品的经营和保存将会有显著的影响。
第二个可利用的选择，是充分发挥脱水和像压缩等其他有效的去除水分的方法的潜力。我们应将太阳能转变为其他能态，并用于多种加工过程。
第三个选择是甑袋的潜在应用。它是一种粘结起来的多层袋。能耐得住热加工的温度，用它来装食品比用罐头好，接近冰冻食品的质量。
利用微生物发酵法保存食品也可能多起来。
七、太阳能
世界上许多国家利用太阳能的兴趣与日俱增，太阳能可用于固定氮素，温室加热，畜舍，收获物干燥，食品加工等。这种能源是安全的，没有污染的，可重复使用和没有调节管理制约的。
八、使农业生产力达到最大值
关于地球的食品生产能力已有不少推测，按谷物换算的话，可达到现有水平的40倍。没有任何一种主要粮食作物的生产力或动物产品已达到生物学上的限度。主要农作物和被消费的畜产品的平均产量相创纪录产量，均已有记录在案。除了一、二个例外，平均产量和创纪录产量之间有很大的差距（表1）。
未来食品生产上真正的技术发展，将会集中到对整个复杂系统（土地，水，能源，昆虫，耕作，肥料，气候，废物，机械化等）进行管理，从而使总的生产量和分配都达到最好程度。现在，玉米和小麦的世界纪录产量所要求的条件大部分已有话载，玉米产量的世界纪录是22139公斤/公顷（2951市斤/亩），而理论的最大产量几乎是其三倍。
〔Bioscience，1979年29卷10期〕