本文为美国国家科学院发布的《科学的突破推动食品和农业研究（）》节选，由35斗进行编译。该报告分为九大章节，分别从美国农业系统面临的挑战、农作物、畜牧业、食品科学与技术、土壤、水资源利用、数据科学、食品系统、展望等维度分析了农业的发展。
本文为该报告的开篇，详细叙述了美国农业食品体系面临的六大挑战。
背景简介
近一个世纪以来，科学进步推动了美国农业的进步。农业作为美国经济中最具生产力的行业之一，生产者在减少投入(如土地、劳动力和化学品)的同时实现了产量的大幅增长(Wang等，)。今天的农民之所以能用更少的土地生产更多的粮食，是由于植物和动物育种、机械化、农用化学品和灌溉等农业技术改进带来的收益(Clancy等，)。
这些进步是农业和食品研究的长期历史投资的直接结果，为公共投资提供了可观的社会回报。据估计，一美元投资的边际收益为32.1美元(Alston等，)。农业和食品创新使全国上下能够提供安全、充足的食品，并支持着大宗和高价值农产品的贸易顺差(USDA-ERS,)。
在不久的将来，美国农业食品体系将受到考验。最近的分析报告警告着我们的社会：人口增长的后果便是世界范围内的农业生产将在满足全球粮食和纤维需求方面面临共同的困难(Valin等，)。
提高生产力本就是一项艰巨的任务，如果没有创新的技术来应对耕地和水资源短缺、生态系统退化以及气候变化等挑战，就无法实现可持续发展。
一些科学小组已经发布了研究报告，在美国粮食和农业系统的背景下列出了六大挑战。本文章为农业食品研究系列报告的开篇。
后续报告将从解决美国粮食和农业系统面临的最大问题的角度，探索在所有学科中出现的相对较新的科学工具的农业可用性。这份完整的报告确定了最有希望的科学突破，这些突破有可能对粮食和农业产生最大的影响，并有可能在未来十年实现。
农业食品体系的六大挑战
全球粮食体系的挑战
美国是全球粮食系统中的一个关键角色，到年全球人口将达到86亿，到年将达到98亿(联合国经社署，年)。为了满足年的粮食需求，已公布的食品生产所需增长百分比估计在25%到%之间。肉类产品的总产量需要在全球范围内增加70%，以满足不断增长的全球中产阶级的需求(Robinson和Pozzi,)。
美国已经扩大了农业食品生产以及出口，以帮助满足增加粮食生产的需求。许多美国农民依靠出口市场来扩大对产品的需求，并以足以弥补成本的规模来支撑生产。
同样，出口动物产品的能力也为美国的生产打开了市场，因为这需要报告疾病。扩大动植物产品的市场可以扩大规模和专业化，以便利用新的市场机会，这两个机会都可以对农业和粮食生产者和消费者以及整个经济有积极的影响。
与此同时，不断扩大的全球经济需要加强准备，以应对可能来自国外的威胁，包括外国动物疾病、植物病原体、入侵性害虫和贸易中断。贸易增长以及农业和粮食部门的变化可能会有赢家和输家。
最重要的是要了解日益全球化的市场，考虑向市场和新技术过渡的成本，并制定适当的机制来应对变化，以支持可持续和有弹性的粮食和农业系统。
生产力停滞的挑战
全世界对农产品的需求将继续增长，但由于美国的生产力即将停滞不前，未来满足这些需求的难度将越来越大(Andersen等，)。粮食产量潜力的提高已经接近其理论上限(Ort等，)。
收益率曲线(特别是谷类作物)在一些地区开始平整：全球大约30%的水稻、小麦和玉米产量可能已经在农民的田地里达到了最大可能产量(Grassini等，)，而全世界24-39%的水稻、小麦、玉米和大豆产量表明产量从未改善、停滞或崩溃(Ray等，)。
例如，在全美研究跟踪的53.9%的县里，水稻产量停滞不前，其次是玉米42.4%，小麦41.9%(Wei等，)。世界主要农作物生产力增长停滞是一个警告信号，当前提高作物生产率的方法只能被利用到一定程度，需要新的方法来解决提高生产率的需要。
食品浪费与食品安全的挑战
生产力问题的另一面是食品浪费问题。冷藏被认为是农业上最重要的历史性突破之一，因为它减少了食品的腐败和浪费，提高了食品的安全性。然而，美国每年浪费的食品价值约亿美元，这足以养活近2.6亿人，因此我们需要进一步创新来减少食品浪费或利用多余食物(Buzby等，；Bellemare等，)。
在系统环境中考虑资源使用和效率可以帮助确定最佳废物管理的机会。生产者还需要