摘要

1. 前言

近一個世紀(jì)以來，科學(xué)進(jìn)步已經(jīng)推動了美國農(nóng)業(yè)進(jìn)步，使美國的生產(chǎn)者能夠?yàn)閲鴥?nèi)提供安全而豐富的食品，并在大宗和高價值農(nóng)產(chǎn)品和糧食方面產(chǎn)生貿(mào)易順差。但是，當(dāng)今，美國糧農(nóng)企業(yè)面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，這將考驗(yàn)其長期的可持續(xù)性、競爭力和快速恢復(fù)的能力。在當(dāng)前的發(fā)展道路上，美國農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的未來生產(chǎn)力可能需要進(jìn)行權(quán)衡取舍。農(nóng)業(yè)的成功與自然系統(tǒng)息息相關(guān)，這些自然系統(tǒng)顯示出受到脅迫的跡象，隨著氣候變化的發(fā)展，這種跡象會更嚴(yán)重。水資源短缺、增加的異常天氣、洪水和干旱等是糧農(nóng)生產(chǎn)受脅迫的一些例子。超過三分之一的食品不是被消費(fèi)掉的，在全球糧食需求上升之際，這是一種難以接受的食物與營養(yǎng)損失。依靠增加糧食肉類生產(chǎn)來滿足對食品的需求，將排放更多的溫室氣體并產(chǎn)生多余的動物糞便。總體上，美國的食品供應(yīng)是安全的，但卻無法躲避持續(xù)爆發(fā)的食源性疾病所造成的高昂代價和致命沖擊，也無法避免病蟲害對農(nóng)作物、家畜和家禽的持續(xù)威脅。美國的農(nóng)民和生產(chǎn)者處于第一線，需要更多工具來應(yīng)對他們所面臨的壓力。

在未來十年，如果一切照舊，對美國糧農(nóng)企業(yè)的壓力不太可能通過農(nóng)民、市場、供應(yīng)商投入或當(dāng)前公共與私營部門的研究工作來解決。那種主要集中對復(fù)雜影響（一些來自生物和自然方面，另一些來自人為影響）進(jìn)行增量修復(fù)（譯者注：只修復(fù)或解決局部問題，而非徹底解決問題，或頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳）的方法，無法使用簡單的途徑解決。食品系統(tǒng)龐大、復(fù)雜并且相互并聯(lián)。所謂的“棘手”問題——有許多相互依賴的因素使其難以確定或解決的問題——需要一種完全不同的途徑來了解和揭示的解決途徑，而這些解決途徑只有在突破傳統(tǒng)糧農(nóng)學(xué)科界限時才能找到。需要從更廣闊的視角為優(yōu)化糧農(nóng)系統(tǒng)提供更好的觀點(diǎn)。要獲得這種視角，意味著需要重新構(gòu)建問題，使用新興工具來識別和解決干預(yù)系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)。

本報告確定了使美國糧農(nóng)系統(tǒng)更高效、更有恢復(fù)力和更可持續(xù)發(fā)展的相關(guān)創(chuàng)新與前沿科學(xué)進(jìn)展。為加速實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，美國國家科學(xué)工程和醫(yī)學(xué)科學(xué)院任命了一個特別研究委員會，在《任務(wù)陳述》[1]指導(dǎo)下，在跨所有學(xué)科領(lǐng)域中探索相對前沿的科學(xué)進(jìn)展。該委員會確定了可能對糧農(nóng)系統(tǒng)產(chǎn)生最大的積極影響最有希望的科學(xué)突破，并且這些可能在未來10年（到2030年）實(shí)現(xiàn)。本報告中概括的機(jī)遇，突出了糧農(nóng)科學(xué)未來創(chuàng)新的新途徑。

2. 2030研究戰(zhàn)略

2.1 主要目標(biāo)與關(guān)鍵研究挑戰(zhàn)

在研究過程中，委員會與科學(xué)界成員展開討論，確定糧農(nóng)業(yè)面臨的最具挑戰(zhàn)性的問題以及解決這些問題的最佳研究機(jī)遇。在接下來的10年中，糧農(nóng)研究的主要目標(biāo)包括：（1）提高糧農(nóng)系統(tǒng)的效率；（2）提高農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性；（3）提高農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的可恢復(fù)性，以便適應(yīng)快速的變化和極端條件。這些目標(biāo)源于糧農(nóng)科學(xué)家確定的關(guān)鍵研究挑戰(zhàn)的共性，其中包括：

l  提高作物生產(chǎn)系統(tǒng)的養(yǎng)分利用效率；

l  減少土壤流失與退化；

l  調(diào)動遺傳多樣性來進(jìn)行作物改良；

l  優(yōu)化農(nóng)業(yè)用水；

l  改善食用動物遺傳學(xué)；

l  發(fā)展精準(zhǔn)畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)；

l  動植物疾病早期快速發(fā)現(xiàn)與預(yù)防；

l  食源性病原體早期及迅速檢測；以及

l  在整個供應(yīng)鏈中減少食品損耗與浪費(fèi)。

2.2 融合

過去，受制于實(shí)用性和更容易管理等相關(guān)因素，人們更通常在給定的空間或?qū)W科中查找問題，而且這種方法能有效地在需要專門知識的領(lǐng)域中解決一些特定問題。而今天，要解決最具挑戰(zhàn)性的問題，迫切需要以綜合的研究途徑利用整個科技企業(yè)的能力。2014年國家研究委員會報告《融合：促進(jìn)生命科學(xué)跨學(xué)科綜合》將融合描述為：

一種解決問題的途徑，跨越學(xué)科界限并整合關(guān)于生命與健康科學(xué)、自然、數(shù)學(xué)以及計算科學(xué)、工程學(xué)科等領(lǐng)域的知識、工具和思維方式，形成全面的綜合框架來應(yīng)對存在于多領(lǐng)域交互的科學(xué)與社會挑戰(zhàn)。

這意味著，融合不同的專業(yè)領(lǐng)域?qū)⑼瑫r激發(fā)基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)現(xiàn)和轉(zhuǎn)化應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新。需要進(jìn)一步擴(kuò)大糧農(nóng)研究，以利用數(shù)據(jù)科學(xué)、材料科學(xué)和信息技術(shù)的新進(jìn)展。此外，由于糧農(nóng)系統(tǒng)既屬于人類系統(tǒng)，又屬生物自然系統(tǒng)，綜合社會科學(xué)（如行為科學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)）以正確構(gòu)建問題及其解決方案空間至關(guān)重要。

2.3 科學(xué)突破與建議

委員會確定了五大突破機(jī)遇，可以大大提高糧農(nóng)科學(xué)的能力。隨后的建議需要研究界在如何開展工作方面有所轉(zhuǎn)變，并且對每項(xiàng)突破的舉措都需要強(qiáng)有力的支持。

跨學(xué)科研究與系統(tǒng)途徑

突破1：利用一種系統(tǒng)途徑來了解糧農(nóng)系統(tǒng)中各不同要素之間相互作用的性質(zhì)，以提高整體系統(tǒng)效率、恢復(fù)力和可持續(xù)性。只有當(dāng)科學(xué)界開始更有條理地將科學(xué)、技術(shù)、人類行為、經(jīng)濟(jì)和政策綜合到生物物理和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，這些主要目標(biāo)才會取得進(jìn)展。例如，需要將采用新技術(shù)、實(shí)踐、產(chǎn)品和加工創(chuàng)新的速率和決定因素綜合到糧農(nóng)系統(tǒng)模型中。需要采用這種途徑來適當(dāng)量化資源利用、市場效應(yīng)及響應(yīng)的轉(zhuǎn)變，并確定通過科學(xué)技術(shù)突破可帶來的效益。對這些系統(tǒng)相互作用的考慮，對于找到威脅安全和競爭力的糧農(nóng)挑戰(zhàn)整體解決方案非常重要。

建議1：應(yīng)該優(yōu)先采用跨學(xué)科的科學(xué)與系統(tǒng)途徑來解決農(nóng)業(yè)最棘手的問題。 解決農(nóng)業(yè)中最具挑戰(zhàn)性的問題，需要融合和系統(tǒng)思維來處理問題；如果沒有這兩者，就沒有持久的解決方案。需要推動基于問題的跨學(xué)科合作（團(tuán)隊(duì)科學(xué)），因?yàn)閷τ谀承┤藖碚f，很難被吸引到其專業(yè)知識以外的科學(xué)領(lǐng)域。這種轉(zhuǎn)變需要學(xué)會在跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)中工作。為了吸引并使來自不同學(xué)科的研究人員在糧農(nóng)問題上有效合作，需要激勵措施來支持合作。采用融合途徑也將推動新的合作，在各自領(lǐng)域從事不同學(xué)科單獨(dú)工作的研究人員，可能也不會產(chǎn)生這類合作?；趩栴}的跨學(xué)科合作能使新的或各種利益相關(guān)方和合作伙伴參與進(jìn)來，并使糧農(nóng)部門受益。領(lǐng)導(dǎo)力是確保團(tuán)隊(duì)科學(xué)成功的關(guān)鍵，因?yàn)榭茖W(xué)帶頭人需要一套獨(dú)特的技能，包括對不同觀點(diǎn)的開放性、對大局進(jìn)行概念化的能力，以及可能最重要的是，將人們凝聚在共同使命周圍的才能。對科學(xué)家來說，這些品質(zhì)并不總是天生的，因此提供專業(yè)發(fā)展機(jī)會來培養(yǎng)跨學(xué)科模式的領(lǐng)導(dǎo)力非常關(guān)鍵。

已有許多需要跨學(xué)科開展工作的項(xiàng)目實(shí)例：例如，美國國家科學(xué)基金會創(chuàng)新計劃在給“食品、能源、水系統(tǒng)關(guān)聯(lián)（INFEWS）” 項(xiàng)目提供的撥款，以及由美國農(nóng)業(yè)部（USDA）“農(nóng)業(yè)與食品研究”項(xiàng)目管理的2018可持續(xù)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)競爭性資助項(xiàng)目所發(fā)出的研究計劃提案申請概述。NSF的INFEWS項(xiàng)目以及最近USDA對可持續(xù)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的撥款有相對較多的預(yù)算，可以支持融合的團(tuán)隊(duì)科學(xué)。然而，大量需要“跨學(xué)科”途徑的標(biāo)準(zhǔn)撥款并沒有提供足夠資金來支持團(tuán)隊(duì)科學(xué)，因此對跨學(xué)科科學(xué)的激勵仍然缺乏。為了真正實(shí)現(xiàn)富有成效的融合，需要財政激勵措施來鼓勵資助申請人走出舒適區(qū)，并在多領(lǐng)域業(yè)務(wù)專家之間建立深層聯(lián)系。

傳感技術(shù)

突破2：精確、準(zhǔn)確、可現(xiàn)場部署的傳感器和生物傳感器的開發(fā)與驗(yàn)證，將實(shí)現(xiàn)多種糧農(nóng)學(xué)科的快速檢測和監(jiān)測能力。歷史上，傳感器和傳感技術(shù)已用于糧農(nóng)研究中，為某些感興趣的特征（例如溫度）提供點(diǎn)測量，但是，連續(xù)同時監(jiān)測多個特征的能力，才是在目標(biāo)系統(tǒng)中了解如何及為何發(fā)生的關(guān)鍵。材料科學(xué)、微電子學(xué)及納米技術(shù)等領(lǐng)域的科技進(jìn)步，有望創(chuàng)造新型納米和生物傳感器，以持續(xù)監(jiān)測環(huán)境刺激、以及生物和非生物脅迫的情況。下一代傳感器也許還可以徹底改變在動植物疾病癥狀發(fā)作之前的檢測能力，在人類病原體進(jìn)入食物鏈之前識別它們，并實(shí)現(xiàn)近實(shí)時的監(jiān)測與決策。

建議2：創(chuàng)建新舉措以更有效地利用現(xiàn)有傳感技術(shù)，并開發(fā)跨糧農(nóng)所有領(lǐng)域新型傳感技術(shù)。該新舉措將推進(jìn)整個食品系統(tǒng)開展跨學(xué)科的研究、開發(fā)與應(yīng)用。 傳感器的屬性（如形狀、大小、材料、原位或在植物體內(nèi)、移動、有線或無線、可生物降解）將取決于傳感器的目的、應(yīng)用、持續(xù)時間與位置。比如，原位土壤和作物傳感器可以提供連續(xù)數(shù)據(jù)饋送，并可能在土壤含水量和植物膨壓降至臨界水平以下時向農(nóng)民發(fā)出警報，從而開始對一組植物進(jìn)行特殊位點(diǎn)（site-specific）灌溉，從而無需對整片農(nóng)田進(jìn)行灌溉。同樣，在植物體內(nèi)的傳感器可以量化由害蟲或病原體引起的植物生物化學(xué)變化，在可見的感染或損害發(fā)生之前警告生產(chǎn)者，以便實(shí)施直接定點(diǎn)控制策略的計劃與部署。食品生物傳感器可指示產(chǎn)品摻假或腐敗，還能提醒經(jīng)銷商和消費(fèi)者采取必要的行動。

數(shù)據(jù)科學(xué)與糧農(nóng)信息學(xué)

突破3：數(shù)據(jù)科學(xué)、軟件工具及系統(tǒng)模型的應(yīng)用與綜合，將實(shí)現(xiàn)糧農(nóng)系統(tǒng)管理的先進(jìn)性分析。糧農(nóng)系統(tǒng)收集了海量數(shù)據(jù)，但尚無合適的工具來有效地使用。在研究實(shí)驗(yàn)室和田間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以互不聯(lián)系的方式進(jìn)行維護(hù)，從而無法從其綜合中獲得洞見。數(shù)據(jù)科學(xué)與分析的發(fā)展與應(yīng)用，被強(qiáng)調(diào)為提高糧農(nóng)研究和知識應(yīng)用的一個重大突破機(jī)遇。更快速地獲取、分析、存儲、共享以及綜合高度異構(gòu)數(shù)據(jù)集的能力，將為極大提高對復(fù)雜問題的了解，并為最終廣泛使用近實(shí)時、數(shù)據(jù)驅(qū)動的管理方法創(chuàng)造機(jī)遇。

建議3：制定新舉措以培育新興的糧農(nóng)信息學(xué)，在糧農(nóng)研究中推進(jìn)對信息技術(shù)、數(shù)據(jù)科學(xué)和人工智能的采用與發(fā)展。最大化從大型研究數(shù)據(jù)集中獲得知識和利用，需要實(shí)施戰(zhàn)略性的努力，在糧農(nóng)系統(tǒng)中提供更好的數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)分析。需要解決如何處理跨時空、高度異構(gòu)的大型數(shù)據(jù)集帶來的挑戰(zhàn)。需要建立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，并且大量數(shù)據(jù)需要更易查找、可互操作和可重用等特性。需要提高數(shù)據(jù)處理速度，開發(fā)快速評估數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的方法，并為開發(fā)和推廣糧農(nóng)信息學(xué)能力提供支持，包括用于在動態(tài)變化條件下實(shí)時建模應(yīng)用程序的工具。

區(qū)塊鏈和人工智能，包括機(jī)器學(xué)習(xí)算法等技術(shù)，對尚未充分開發(fā)的糧農(nóng)系統(tǒng)的獨(dú)特需求來說很有前景。先進(jìn)分析途徑的發(fā)展，例如用于自動化快速表型分析的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，需要更好的平臺來研究食品系統(tǒng)中各種組分如何相互作用。應(yīng)用這些途徑將需要進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施投資，以存放大量記錄，以及通過將這些記錄綜合起來的手段，有效用于決策制定的目的。要實(shí)現(xiàn)這些機(jī)遇的潛力，需要融合許多學(xué)科的專業(yè)知識。

2.4 有前景的研究方向

 

委員會探討了重要研究方向，以按學(xué)科或類別解決關(guān)鍵研究挑戰(zhàn)。其中，最有前景的研究方向?yàn)楸鞸-1中描述的方向。這些被選為重要機(jī)遇，是因?yàn)樗鼈冇修D(zhuǎn)變糧農(nóng)的潛力，而且因?yàn)樾碌目茖W(xué)發(fā)展使其可能在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)。盡管這些研究方向具有聚焦的目標(biāo)，但這些研究方向針對研究挑戰(zhàn)的更廣泛目標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)的，可以協(xié)同推進(jìn)。前文所述的突破新舉措將促進(jìn)表-1中的研究方向取得成功。

 

表S-1：按學(xué)科或類別的研究方向建議 作物 1、繼續(xù)開展基因解剖（genetically dissect），然后通過使用傳統(tǒng)遺傳方法和靶向基因編輯，引入需要的性狀，并從作物植株中去除不需要的性狀。 2、通過開發(fā)快速轉(zhuǎn)化和再生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)所有農(nóng)作物的常規(guī)基因修飾。 3、通過發(fā)展新型傳感技術(shù)，監(jiān)測植物的脅迫力和養(yǎng)分；通過探索納米技術(shù)、合成生物學(xué)以及植物微生物群的應(yīng)用，使植物能更好地應(yīng)對環(huán)境挑戰(zhàn)（熱、冷、干旱、洪水、害蟲、營養(yǎng)需求），從而開發(fā)出能夠只在需要時才開啟或關(guān)閉某些功能的動態(tài)作物（dynamic crops）。 畜牧業(yè) 1、通過開發(fā)和使用傳感技術(shù)與預(yù)測算法，使用數(shù)據(jù)驅(qū)動途徑實(shí)現(xiàn)更佳的疾病檢測與管理。 2、通過使用與田間表型連接的基因測序大數(shù)據(jù)，結(jié)合基因組學(xué)、先進(jìn)繁殖技術(shù)和精準(zhǔn)育種技術(shù)，加速畜牧業(yè)、家禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖群的可持續(xù)性特征（如繁殖力、改善飼料轉(zhuǎn)化率、福利以及抗病性）的遺傳改良。 3、確定可持續(xù)性和動物福利的客觀衡量標(biāo)準(zhǔn)，如何將其納入精準(zhǔn)畜牧系統(tǒng)，以及社會科學(xué)如何把這些科學(xué)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行傳播并解釋，來促進(jìn)消費(fèi)者更好理解取舍并使他們做出明智的購買決策。 食品科學(xué)與技術(shù) 1、通過改進(jìn)加工與包裝技術(shù)、傳感器的設(shè)計與功能以及“食品組學(xué)”技術(shù)（包括基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)）的應(yīng)用，描述和/或改變食品性狀的期許（如化學(xué)成分、營養(yǎng)價值、有意和無意污染以及質(zhì)量與感官屬性）。 2、通過開發(fā)、優(yōu)化和驗(yàn)證先進(jìn)的食品加工與包裝技術(shù)，以經(jīng)濟(jì)高效、同時減少環(huán)境影響和食品浪費(fèi)的方式，提供增強(qiáng)的產(chǎn)品質(zhì)量、營養(yǎng)保持、安全和消費(fèi)者吸引力。 3、通過利用新型數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)集成以及高級決策支持工具的開發(fā)，支持改進(jìn)決策，最大限度地提高食品完整性、質(zhì)量、安全性和可追溯性，同時減少食品的損失與浪費(fèi)。 4、通過擴(kuò)展與消費(fèi)者行為與風(fēng)險決策相關(guān)的知識和實(shí)踐，增強(qiáng)消費(fèi)者對食品生產(chǎn)、加工以及食品安全處理等方面創(chuàng)新的了解和接受程度。   土壤 1、通過采用最佳農(nóng)藝措施，結(jié)合使用新型傳感技術(shù)、生物戰(zhàn)略以及綜合系統(tǒng)方法，保持現(xiàn)有肥沃土壤的深度和質(zhì)量，恢復(fù)退化土壤。 2、通過綜合新型傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)分析、精準(zhǔn)植物育種以及土地管理實(shí)踐，顯著提高并優(yōu)化養(yǎng)分利用效率（尤其是氮）。 3、通過識別和利用土壤微生物群落的能力生產(chǎn)養(yǎng)分，提高養(yǎng)分生物利用率并提高植物對環(huán)境壓力和疾病的恢復(fù)力，創(chuàng)造更高產(chǎn)和可持續(xù)的作物生產(chǎn)系統(tǒng)。 4、通過融合土壤科學(xué)、技術(shù)采用以及社區(qū)參與，改善向農(nóng)民轉(zhuǎn)讓技術(shù)與實(shí)踐，以減少土壤流失。 用水效率與生產(chǎn)率 1、通過在綜合系統(tǒng)中實(shí)施多種節(jié)水技術(shù)，提高用水效率。 2、通過應(yīng)用規(guī)范分析管理水資源，降低用水量。 3、通過改善植物和土壤特性來降低用水需求，提高用水效率。 4、通過使用受控環(huán)境和替代水資源，提高水資源生產(chǎn)力。 數(shù)據(jù)科學(xué) 1、通過構(gòu)建一個穩(wěn)健的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施來加速創(chuàng)新，包含建筑物并提供FAIR（可查找、可訪問、可互操作和可重復(fù)利用），以及對糧農(nóng)數(shù)據(jù)的開放訪問。 2、通過采用并影響糧農(nóng)研究中數(shù)據(jù)科學(xué)和信息技術(shù)的新發(fā)展，制定糧農(nóng)研究中的數(shù)據(jù)科學(xué)戰(zhàn)略，培育新興的農(nóng)產(chǎn)品信息學(xué)領(lǐng)域。 3、通過投資匿名化、價值歸因及相關(guān)技術(shù)，解決隱私問題，鼓勵在糧農(nóng)企業(yè)中共享公共、私人和聯(lián)合數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)途徑 1、確定改善食品系統(tǒng)綜合系統(tǒng)模型和決策支持工具的性能及采用的機(jī)遇。 2、將系統(tǒng)思維和可持續(xù)性等要素融入到食品系統(tǒng)（從教育到研究再到政策）的各個方面。

3. 進(jìn)一步考慮

由于還有其他因素有助于糧農(nóng)業(yè)研究取得成功，僅靠科學(xué)突破并不能使糧農(nóng)研究轉(zhuǎn)型。畢竟這些因素包括研究基礎(chǔ)設(shè)施、經(jīng)費(fèi)以及科研人員隊(duì)伍。其他的考慮因素包括各種途徑的社會、經(jīng)濟(jì)以及政治產(chǎn)出。

3.1研究基礎(chǔ)設(shè)施方面的考慮

 

結(jié)論1：需要對工具、設(shè)備、設(shè)施及人力資本進(jìn)行投資，以開展糧農(nóng)領(lǐng)域的前沿研究。以一種連貫的方式解決農(nóng)業(yè)最棘手的問題，將需要投資研究基礎(chǔ)設(shè)施來促進(jìn)糧農(nóng)業(yè)研究的多學(xué)科融合。這些可能包括用于實(shí)驗(yàn)的物理基礎(chǔ)設(shè)施以及能夠共享想法、數(shù)據(jù)、模型和知識的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。需要對知識基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行投資，培養(yǎng)一支能在跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)中以融合方式開展工作的隊(duì)伍。還需要建立機(jī)制，促進(jìn)建立公私伙伴關(guān)系并使公眾參與糧農(nóng)研究。

結(jié)論2：農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)站網(wǎng)絡(luò)和合作推廣系統(tǒng)應(yīng)得到繼續(xù)支持，因其對基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究至關(guān)重要，在糧農(nóng)部門把研究有效地轉(zhuǎn)化成有影響的成果很有必要。農(nóng)業(yè)科學(xué)以基礎(chǔ)科學(xué)為基礎(chǔ)，但著眼于應(yīng)用；歷史上，這一觀念得到州農(nóng)業(yè)試驗(yàn)推廣站的推動，也得到擴(kuò)張和宣傳推廣工作的推動。具有這些功能的人員和設(shè)施使科學(xué)家能夠?qū)⒒趯?shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果轉(zhuǎn)化為最相關(guān)的實(shí)際產(chǎn)品和工藝，最終傳達(dá)給關(guān)鍵利益相關(guān)者和最終用戶。這些利益相關(guān)者包括工業(yè)、監(jiān)管機(jī)構(gòu)、農(nóng)民與牧場主以及公眾。認(rèn)識到科學(xué)家需要與利益相關(guān)者合作，并將基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)化為有益和適用的結(jié)果來造福社會，這是農(nóng)業(yè)科學(xué)的基本價值。通過提供資源來認(rèn)識和加強(qiáng)這一價值，對于將農(nóng)業(yè)科學(xué)突破融入日常生活結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

3.2 經(jīng)費(fèi)方面的考慮

結(jié)論3：目前用于糧農(nóng)業(yè)研究的公共和私人經(jīng)費(fèi)不足，難以解決未來10年的關(guān)鍵突破領(lǐng)域。迅速增長的對食品安全與健康的新興需求，值得國家優(yōu)先考慮并為之提供應(yīng)對未來10年復(fù)雜挑戰(zhàn)所需的經(jīng)費(fèi)。 如果一個穩(wěn)健的食品系統(tǒng)對于確保國家健康和福祉至關(guān)重要，那么在公共和私營部門的經(jīng)費(fèi)分配中，應(yīng)對將此作為優(yōu)先事項(xiàng)有所反應(yīng)。

過去一個世紀(jì)期間，糧農(nóng)研究的公共經(jīng)費(fèi)對美國有才華的科學(xué)家開展基礎(chǔ)科學(xué)研究并提供改善食品與農(nóng)業(yè)的創(chuàng)新解決方案至關(guān)重要。然而，在過去10年中，美國已不再是全球公共農(nóng)業(yè)研究與開發(fā)（R＆D）的最佳表現(xiàn)者。除非美國扭轉(zhuǎn)這種趨勢并進(jìn)行投資，否則美國在農(nóng)業(yè)增長方面將落后于其他國家。2017財年（FY），美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）撥款182億美元用于競爭性研究經(jīng)費(fèi)，而比較USDA僅獲取撥款3.25億美元用于競爭性研究經(jīng)費(fèi)（不到NIH金額的2%），這一預(yù)算還不到國會批準(zhǔn)的一半。因此，目前用于糧農(nóng)研究的聯(lián)邦資金水平如此的不足。需要突破性的科學(xué)技術(shù)來幫助糧農(nóng)業(yè)企業(yè)在未來發(fā)展壯大，這將需要大量投資。還需要更多的努力來維持協(xié)調(diào)與合作水平，解決日益綜合、擴(kuò)大和富有遠(yuǎn)見的研究問題，確保未來的安全與競爭力。

雖然私人研發(fā)不能替代公共研發(fā)經(jīng)費(fèi)，但私人基金和行業(yè)可以提供一些研究經(jīng)費(fèi)，補(bǔ)充美國農(nóng)業(yè)創(chuàng)新體系中的公共經(jīng)費(fèi)。創(chuàng)新的商業(yè)模式可以更廣泛地用來吸引研究人員。例如，為科技行業(yè)界的創(chuàng)業(yè)公司提供風(fēng)險投資十分普遍，也正為糧農(nóng)研究提供創(chuàng)紀(jì)錄的投資源。有些新的資助研究并實(shí)施由研究引起創(chuàng)新的機(jī)構(gòu)與機(jī)制，提供擴(kuò)大經(jīng)費(fèi)（如糧農(nóng)研究基金會）的潛力。然而，僅靠這些資源不足以實(shí)現(xiàn)本報告中提出的目標(biāo)。為了使美國農(nóng)業(yè)企業(yè)能夠充分利用目前正被許多其他行業(yè)（如傳感技術(shù)、無線通信、機(jī)器學(xué)習(xí)）積極開展的綜合、擴(kuò)張性和高瞻遠(yuǎn)矚的研究工具，現(xiàn)在需要對重大投資作出承諾，以確保其在糧農(nóng)方面的相關(guān)應(yīng)用。

3.3 教育與科技人才

結(jié)論4：需要努力恢復(fù)對糧農(nóng)研究的興趣來吸引非農(nóng)業(yè)專業(yè)人士參與并激勵下一代學(xué)生。有大量機(jī)會供非傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)專業(yè)人員參與到糧業(yè)領(lǐng)域中來。然而，他們的參與可能存在障礙，例如，一些誤解包括對農(nóng)業(yè)技術(shù)復(fù)雜程度，以及缺乏建立跨學(xué)科農(nóng)業(yè)研究團(tuán)隊(duì)的持續(xù)經(jīng)費(fèi)，這些團(tuán)隊(duì)包括非農(nóng)業(yè)專業(yè)人員和來自其他學(xué)科的科學(xué)家從事糧農(nóng)業(yè)科學(xué)工作。一支強(qiáng)大的糧農(nóng)研究隊(duì)伍需要人才，他們精通食品系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)，同時還了解用突破框架的思考發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新機(jī)會。招募人才從事糧農(nóng)研究，需要證明并轉(zhuǎn)變對糧農(nóng)研究可以創(chuàng)新的看法。

3.4社會經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)及其他考慮因素

結(jié)論5：需要更好地了解生物自然科學(xué)和社會經(jīng)濟(jì)科學(xué)之間的聯(lián)系，以支持糧農(nóng)部門開展更有效的政策設(shè)計、生產(chǎn)者采用及消費(fèi)者接受創(chuàng)新。科學(xué)創(chuàng)新在該領(lǐng)域的成功應(yīng)用取決于利益相關(guān)者成功應(yīng)用和使用新產(chǎn)品和新工藝的意愿和能力；還取決于他們是否將高科技、特殊地點(diǎn)途徑（site-specific approaches）視為對經(jīng)濟(jì)或生態(tài)有益。在公共和私營部門的雙重投入下，迫切需要更好了解在生產(chǎn)過程中有效技術(shù)開發(fā)和綜合的最佳手段與方法。為了支持研究創(chuàng)新政策的有效設(shè)計和應(yīng)用，需要更好地了解與技術(shù)創(chuàng)新的采納和利用有關(guān)的政治經(jīng)濟(jì)、行為與選擇過程以及對新產(chǎn)品的接受與感知。例如，來自遙感設(shè)備的數(shù)字信息可以輸入到新型決策支持系統(tǒng)中，幫助農(nóng)業(yè)勞動者作出關(guān)于田間操作或動物處理的選擇。 然而，這些勞動者需要足夠的培訓(xùn)和積極性，來應(yīng)對預(yù)期和意外的結(jié)果、以及不確定性（如動物對治療或極端天氣事件的反應(yīng)）。行為科學(xué)的經(jīng)驗(yàn)可能有助于支持行為改變及培訓(xùn)需要。

科學(xué)進(jìn)步的成功實(shí)施還需要考慮其他重要因素。關(guān)于土地或投入使用、環(huán)境影響、動物福利以及食品處理加工的政策，會對農(nóng)業(yè)與食品可持續(xù)性產(chǎn)生重大的短期與長期影響。某些政策或技術(shù)變更可能會在系統(tǒng)中產(chǎn)生意想不到的后果，需要對系統(tǒng)交互作用進(jìn)行仔細(xì)檢查，包括與采納和利用新輸入、產(chǎn)品及工藝相關(guān)的人類行為。來自行為科學(xué)的見解有助于為政策設(shè)計提供信息并降低轉(zhuǎn)變成本，提供該領(lǐng)域技術(shù)采用信息（如生態(tài)保護(hù)設(shè)計或面耕法應(yīng)用，或向消費(fèi)者提供產(chǎn)品信息），并解決產(chǎn)品認(rèn)可和消費(fèi)者對食品系統(tǒng)的信任問題。

4. 結(jié)束語

在歷史上這個關(guān)鍵時期，全球不斷擴(kuò)增的人口從日益脆弱的自然資源基礎(chǔ)上得到更多需求，如今，食品與農(nóng)業(yè)比以往任何時候都更需要科學(xué)突破。作為世界上最大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)國，美國承擔(dān)著實(shí)施科學(xué)進(jìn)步來支持國家福祉與安全，甚至全球穩(wěn)定的巨大責(zé)任。美國科技企業(yè)愿意應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，本報告中確定的工具和資源可確保其成功。

引用建議：美國國家科學(xué)工程醫(yī)學(xué)院，2018。《2030科學(xué)突破推進(jìn)糧農(nóng)研究》。 美國科學(xué)院出版社，華盛頓特區(qū)。

DOI： https://doi.org/10.17226/25059。

 

 

原文題目：Science Breakthroughs to Advance Food and Agricultural Research by 2030

資料來源：http://nap.edu/25059

 

（黃銘瑞，王化編譯，殷永元審核）