目前約有10億人處於長期飢餓狀態，但事實上，全球農民生產的糧食足以養活全人類，只是未能適當分配。然而，就算適當分配了，許多人也因為糧價不斷上漲而無法負擔。
但另一個挑戰亦逐漸逼近。
到了2050年，世界人口將增加20~30億人，根據幾項研究指出，這可能使糧食需求增加一倍。此外，由於高收入的人口將會更多，這表示他們也會吃得更多，尤其是肉類，因此糧食需求也將跟著增加。另外，種植生質燃料作物的耕地增加，農地需求也會跟著增加。因此，即便我們解決了目前貧窮及糧食取得的艱鉅任務，我們還是得生產兩倍的糧食，以保證供應全球所需。
然而，問題還不只這些。
人類砍伐熱帶森林，在貧瘠的土地上耕作，並在脆弱的地形與水域中進行密集的商業耕種，使得農業成為地球最嚴重的環境威脅。農業已經佔用了大部份陸地面積，且正在摧毀生物的棲地、用盡乾淨的淡水、污染河流及海洋，且農業排放的溫室氣體範圍幾乎比其他人類活動的範圍更廣。為了確保地球環境長期的健康，我們必須大幅降低農業帶來的負面影響。
全球的糧食系統正面臨著三項不可思議且相互關聯的挑戰：它必須確保現在活著的70億人口都有足夠的糧食；必須在40年內使糧食產量倍增；在達成上述兩項目標後，必須同時真正做到環境的永續。
糧食增產阻礙重重
乍聽之下，要養活更多人，方法似乎很明確：只要擴增農地並提高單位面積的生產量，就能收成更多糧食。不幸的是，這兩項策略在全世界都面臨極大的障礙。
姑且不論南極與格陵蘭，地球表面上的土地大約有38%已經開發為耕地。目前人類在土地上進行最多的是農業活動，其他用途皆遠不及此。這38%的農地幾乎佔去了地球所有最棒的土地，剩下的大部份是沙漠、高山、苔原、冰、城市、公園以及其他不適合耕種的地區。少數僅有的未開發之地則主要在熱帶森林與莽原，對於地球生態的穩定性，特別是碳的儲存及生物多樣性來說，非常重要。把農地擴張到這些處女地並不明智，但是過去20年間，全球每年大約開墾了500~1000萬公頃的農田，且大部份都在熱帶地區。儘管如此，地球耕地面積的淨增加只有3%，因為城鄉發展及其他外力造成了耕地流失，特別是在溫帶地區。
增加作物產量聽起來也很誘人，然而，我們的研究小組發現，過去20年來全球平均作物產量增加了約20%，遠低於一般的預期。這是一項很顯著的進步，但成長速率仍遠不足以讓糧食產量在2050年時增加一倍。儘管有些作物的產量明顯提升，但有些還是成長不多，甚至下降。
如果我們種植的食物都是供人類食用，要養活更多人就沒那麼困難。但全世界農作物中，供人食用的只有60%，主要是穀物，其次是豆類（豆實和豆莢）、油料作物、蔬菜及水果等。另外35%是用做動物飼料，剩下5%則用於生質燃料及其他工業製品。這裡最重要的課題是肉類，即使採用最有效率的肉品及乳品產製系統，把作物拿來餵養牲畜，仍然會降低全球的糧食供應。以吃穀物的牛為例，通常每30公斤穀物只能生產1公斤可供食用的牛肉（不含骨頭重量），相較而言，雞肉及豬肉的生產效率較高，而吃牧草的牛則是把非糧食物質轉換成蛋白質。但無論如何，以穀物來生產肉類的方式，對全球的食品供應來說都是一種流失。
另一個阻礙糧食增產的原因，是大規模的環境破壞，光是人類對能源的利用方式，就對氣候變化及海洋酸化產生深遠的影響，與農業對環境的衝擊不相上下。我的研究團隊估計，70%的史前草原、50%的莽原、45%的溫帶落葉林，以及25%的熱帶森林，都已經因農業活動而遭清除或徹底改變。自上個冰河時期以來，對生態系統的破壞沒有比農業更嚴重的了。農業的實質足跡將近是全世界建築體及鋪面道路的60倍。
淡水是另一個折損嚴重的資源，人類每年用掉40億公噸的水，相當驚人，這些水大部份取自地底含水層及河流，其中70%用於灌溉。如果我們只計算水的消耗量（也就是使用的水），而不算回到水體的水，那麼灌溉用水則攀升至總用量的80~90%。因此，許多大型河流，例如美國的科羅拉多河，流量都已減少，有的甚至完全乾涸。此外，包括美國及印度許多地區的地下水位也迅速下降。
水資源不但正在消逝，還受到了污染。肥料、除草劑及殺蟲劑不斷擴散，程度嚴重到令人難以置信，且幾乎滲透到所有生態系統中。自1960年以來，環境中的氮與硫的濃度也至少增加一倍，造成大範圍的水污染，以及讓全球許多重要河流的出海口成為嚴重缺氧的「死區」。諷刺的是，為了種植更多糧食作物，來自農地的肥料逕流又危害到另一個重要的營養來源：沿海漁場。肥料確實一直是綠色革命中的一個關鍵成份，幫忙養活了世界，但是當我們施用的肥料有近一半是流失的，並沒有滋養到作物，那麼我們就應該加以改善。
農業也是人類社會溫室氣體排放的最大單一來源，總計佔全球二氧化碳、甲烷及氧化亞氮排放量的35%左右，比運輸（包括所有的汽車、卡車及飛機）或發電的排放量還多。用來種植、加工及運輸食物的能量消耗，固然令人憂心，但絕大多數的排放，是來自砍伐熱帶森林、畜牧業的動物以及水稻田排出的甲烷，以及從過度施肥的土壤中釋出的氧化亞氮。
五大解決方案
現代化農業一直是一股不可思議的正面力量，但我們不能繼續忽視它的擴增能力正在下滑，對環境造成的傷害卻日漸上升。過去用來解決糧食及環境問題的方法往往互相矛盾：我們確實可以開墾更多土地、耗用更多水資源及化學藥劑，來增加糧食產量，但這要付出環境的代價；我們也可以減少耕種農地來復育生態系統，但這會減少糧食產量。這種非此即彼的做法已無法被接受，我們需要真正的整合解決方案。
我們的國際團隊以最新的全球農業及環境資料為基礎，經過好幾個月的研究及商議，已經歸納出五個能同時因應糧食及環境問題的重點計畫。
停止農業足跡的擴張。我們的第一個建議是，先減緩農業的擴張，並希望最終能夠停止，特別是不讓農業進入熱帶森林及稀樹草原。這些生態系統的消失對環境有巨大的衝擊，特別是生物多樣性的喪失及二氧化碳排放量的增加（來自開墾土地）。
減緩森林的砍伐能明顯減少對環境的破壞，而這對全球糧食生產的影響卻不大。即使這會造成農場產能下降，但只要高生產力的耕地，不要再因都市化、耕地品質退化及棄耕而流失，就能抵消這種損失。
為減少森林砍伐，專家學者提出了許多建議。其中最有希望的是「減少森林伐除與退化導致的排放」機制（REDD）。在REDD機制之下，富裕國家付費給熱帶國家來保護他們的熱帶雨林，以換取碳排放額度。其他機制還包括發展農產品認證標準，讓供應鏈能保證其作物不是產自伐林開墾的農地。此外，以柳枝稷（switchgrass）等非糧食作物來生產生質燃料，能讓重要耕地重新生產糧食。
縮短全球作物產量的差距。為了讓全球糧食產量倍增，又不能擴張農業足跡，我們必須大幅提高現有耕地的產量。選擇有二：我們可以提高那些最佳農地的產量，透過改良作物基因及管理，提高它們的產量極限；或者是改善生產力最低的農地產量，縮小各農地現有產量及可能產量之間的差距。第二個方案的好處最大又最快有成效，特別是在饑荒問題最急迫的地區。
我們的研究團隊分析了全球作物產量的模式，發現許多地方的產量差距都很大。尤其在非洲、中美洲及東歐的許多地區，作物產量都還可以大幅增加。在這些地區，利用更好的種子、更有效率的施肥與灌溉，單位面積土地的糧食產量會更高。我們的分析建議，縮小世界前16大作物的產量差距，能使世界糧食作物產量增加50~60%，對環境造成的傷害卻不大。
要縮小最低產量農地的產量差距，往往需要施加更多肥料與水，因此要特別注意避免無節制地用水及使用化學製劑。此外，還有許多其他技術也能提高產量，「減少犁田」的耕種技術對土壤的干擾較少，能防止水土流失。在糧食作物產季之間種植覆蓋作物，不但能減少雜草生長，而且將覆蓋植物犁進土裡，還能增加土壤的養份及氮。從有機農業及農業生態系統學習到的經驗，也可以加以應用，例如把收成後的殘株留在田裡，使它們分解成養份。要降低全球的產量差距，我們還必須克服重大的經濟及社會挑戰，包括將種子及肥料分配給貧困地區的農民，及讓許多地區的農產品更容易進入全球市場。
更有效地使用資源。若想降低農業對環境的衝擊，產量低及產量高的地區都必須用更有效率的方式來從事農業：每單位面積的用水、肥料及能量所產出的作物，都要大幅增加。
平均來說，要生產一大卡的食物，大約需要一公升的灌溉用水，但有些地方會用得多一點。我們的分析發現，農場可以大幅減少用水，糧食產量卻不會降低太多，特別是在乾燥氣候地區。主要策略包括滴水灌溉法（水直接澆灌到植物根部，不會因噴灑在空中而浪費）；地面覆蓋（以有機物覆蓋土壤保住水份）；以及減少水從灌溉系統流失（降低水道及蓄水池的蒸發量）。
化肥的問題，有點類似小女孩闖進三隻小熊屋子裡的故事，要選擇那碗既不冷也不熱的麥片粥。有些地區土壤養份太少，因此作物產量很低，而有些地區則太多，導致污染；幾乎沒有人能把化肥使用得「恰到好處」。從我們的分析可以看出，在全球生產熱點（特別是在中國、印度北部、美國中部及西歐地區）的農民，即便大幅降低化肥用量，對於糧食生產造成的影響卻很小，甚至沒有影響。令人驚訝的是，全球農業化肥污染的30~40%，只來自區區10%的耕地。
要解決肥料使用過度的問題，方法之一是政策及經濟誘因，例如針對水域管理及保護、減少化肥的過量使用、改善糞肥管理（特別是水肥的儲放，以避免暴雨時流入自然水域）、回收多餘的養份，以及實施其他節約措施等，給予農民補助。此外，復育濕地可增強濕地的功能，讓它像海綿一樣過濾逕流中的養份。
減少犁田也有助於滋養土壤，精準農業（只在必要的時間和地點施肥及灌溉）及有機農法也可以達到這個目的。
改變飲食習慣、少吃肉。把更多糧食直接供人類食用，減少餵養牲畜的糧食數量，可明顯提高全球糧食的可用性及環境的永續。
從全球來看，如果人類改吃全素，每年最多可多出3000兆大卡的熱量，比目前的供應量多了50%。當然，人類目前的飲食習慣及作物利用方式有許多經濟及社會效益，而我們也不可能徹底改變我們的喜好。不過即使是飲食上些微的改變（例如，從穀飼牛肉改成家禽、豬肉或牧草餵養的牛肉），還是會有可觀的成果。
減少食物浪費。最後的一個建議，是最明顯但通常也最被忽視的建議：減少食物浪費。地球上生產的食物大約有30%是被丟棄、耗損、腐壞或被害蟲吃掉。
在富裕國家，許多浪費通常發生在糧食系統的消費者端，亦即餐館及垃圾桶裡。只要我們稍微改變日常生活的消費習慣，例如減少特大號份量、少把食物丟掉，以及減少外賣餐點及上館子的次數等，就能明顯減少浪費，腰圍也不會一直變粗。而在較貧窮的國家，食物浪費的數量亦不遑多讓，但發生在生產者端，例如作物歉收、病蟲損害存糧，或是基礎設施及通路欠佳而使食物無法運出產地。改進儲存、冷藏及配送系統可以大幅減少浪費。此外，使用更好的通路銷售工具，則可以聯繫起擁有作物的人和需要作物的人，例如在非洲以手機系統連結供應商、貿易商及採購者。
要完全消除從產地到餐桌這個過程中的浪費，是不切實際的，但即使是很小的一步，幫助也很大。只要目標明確，特別是減少浪費那些資源最密集的食物（如肉品及乳製品），就能發揮很大的作用。
