食品工业正在发生根本性的转变。第一次农业技术革命取得了令人印象深刻的进步：从年到年，东亚的谷物产量每年增长了2.8%，或超过同期的%，这得益于灌溉、化肥和农药的使用，以及开发新的和更具生产力的作物品种(世界银行年5月)。

但效率增长正在趋缓：产量增长的速度已经放缓，而且挑战更大：到年，世界必须多生产70%的粮食，使用更少的能源、化肥和杀虫剂，同时降低温室气体水平以应对气候变化。旧技术必须最大化应用，新技术必须产生。

即将到来的农业革命——农业4.0，必须是以科技为核心的绿色农业。农业4.0需要同时考虑食品短缺等式的需求侧和供应侧，使用技术不仅是为了创新，而且是为了改善和满足消费者的实际需求，并重新设计价值链。

现代农场和农业经营将以不同的方式运作，主要是因为传感器、设备、机器和信息技术等技术的进步。未来的农业将使用复杂的科技，如机器人、温度和湿度传感器、航空图像和GPS技术等。这些进步将使企业更有利可图、更有效率、更安全、更环保。

农业4.0将不再在整个田地里使用水、化肥和杀虫剂。相反，农民将把上述资源的使用量最小化，甚至完全将他们从供应链中移除。我们将能够在干旱地区种植作物，并使用丰富和清洁的资源，如太阳和海水。

好消息是，这些数字技术带来的进步正在优化行业，增强整个食品价值链。Agfunder的数据显示，自年以来，农业科技初创企业的年增长率超过80%。农业科技公司蓬勃发展，企业家和投资者也表现出旺盛的需求：商业领袖比尔·盖茨、理查德布兰森和杰克和苏西韦尔奇，随着风投基金DFJ和食品巨头嘉吉公司投资MemphisMeats（植物肉的先锋公司）。软银愿景基金(SoftBankVisionFund)在日本亿万富翁孙正义(MasayoshiSon)的牵头下，投资室内垂直农业初创公司Plenty。

（上图为农业领域年至年全球投资的增长趋势）

那么，在农业4.0中，有哪些新的技术和解决方案可以给粮食短缺问题带来希望呢？我们看到了三个总体趋势，在这些趋势中，技术正在改变行业，并展示了具有改革农业系统潜力的具体案例。

一、新技术带来新生产

1.水培法

水培法是溶液培育法的一个分支，是一种不用土壤，在水溶剂中使用矿物营养液来种植植物的方法。

例如，澳大利亚的Sundrop公司已经开发了一种海水水培技术，它结合了太阳能、海水淡化和农业来种植蔬菜。这个系统是可持续的，不依赖化石燃料，也不需要土地。但与用传统方法种植的食物数量相当。通过使用水培法，Sundrop可以建造一个海水温室——在世界任何地方种植蔬菜。

2.藻类原料

水产业里养殖的海藻可以成为饲料和鱼粉的替代品。在大多数地方，养殖藻类的成本在每吨美元到美元之间，与每吨美元的鱼粉相比，节省了60%到70%。此外，藻类是一种更可靠的来资源，因为它更加易得。由于水产养殖业经营风险的降低，这使生产者能够更好地控制成本、预测未来投资或财务状况。

渔业带来的是最重要的原料。然而，全球鱼类生产中只有一小部分用于人类的实际消费，其余部分用于鱼类饲料和动物饲料。由于中国等新兴经济体对鱼产品的需求不断增长，加工成鱼粉的鱼比例不太可能增长。人们还怀疑，世界的捕鱼量能否以一种可持续的方式增加。

同样的道理也适用于动物饲料，尤其是牛，因为牛是食品生产中效率最低的一环。转化率只有15%或更低，这意味着你需要喂牛1公斤饲料才能获得克肉。因而藻类原料是一种有效而廉价的饲料替代品。

3.沙漠农业和海水农业

地球大部分的表面都被水覆盖着，形成了海洋。剩余的陆地面积约占地球表面的29%。剩下的29%中，有三分之一是沙漠。为了解决粮食危机，我们必须想办法把沙漠和海洋变成粮食生产设施。

沙特阿拉伯的阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)处于沙漠农业研究的前沿：KAUST的沙漠农业项目旨在解决沙漠环境中农业带面临的一系列挑战。KAUST正在研究生物和非生物因素。生物研究的关键领域包括：操纵生物系统和植物生长发育的基因组工程技术；改善植物或对不利条件作出反应的生长调节剂；以及根据养分有效性来塑造茎和根结构的植物激素。

考虑到干旱、盐和热造成的收成损失约占总产量的60%，提高非生物抗逆性是作物改良的关键。植物适应极端胁迫条件的能力取决于与特定微生物的联系。KAUST正在寻找：识别与生长在极端高温、干旱和盐碱条件下的植物相关的微生物；阐明使植物能够适应微生物联合引起的极端环境条件的分子机制；并使用适当的植物根际伙伴来增强其抗逆性，以可持续的方式帮助增加作物的粮食产量。

最后，KAUST还通过研究提高抗病性、抗逆性和产量是否依赖于体细胞记忆，以及染色质因子的修饰是否有助于未来的抗逆性，来培育抗逆性更强的作物。

4.环保包装袋：生物塑料

新技术改变的不止是价值链的生产环节，也改变了食品包装。漂浮在海洋中的一亿吨垃圾里，大部分是一次性塑料食品包装袋。消费者越来越注重环保，并呼吁企业开发可回收、可降解或可堆肥的食品容器。

生物塑料已经存在了20多年了。然而，他们并没有代替现有的塑料产品，也没有%回归自然。现在，初创公司TIPA想要改变这一切。

TIPA成立的目的是创造可行的塑料包装解决方案。它的愿景是创造一种可分解、可回收的包装，就像水果或蔬菜那样：被丢弃的会分解，不会留下任何有毒残留物。

TIPA正在开发一种先进灵活的塑料包装，无缝切合当前食品生产流程，为消费者和品牌提供与普通塑料一样的耐用性和保质期，但使用后可以回归自然，就像橘子皮一样成为食品垃圾。

二、为消费者带来食品生产新技术，提高食物链效率

1.垂直农业和城市农业

年，阿联酋进口了多万吨水果和蔬菜。为当地居民提供新鲜农产品的具有成本效益的、商业规模的农业综合企业的发展将为阿联酋政府及其公民带来好处。

垂直农业是可持续提供高质量农产品的一个方法。垂直农业是指在垂直堆叠的层面上种植作物，该技术实现了在缺乏合适土地的恶劣环境下生产食物。与城市农业一样，它使用土壤、水培或气培种植方法。这个过程减少了95%的用水量，减少了化肥和营养剂的使用，而且不用杀虫剂，同时提高了生产率。

自年以来，总部位于美国的AeroFarms公司一直在建造和运营室内垂直农场，种植安全且营养丰富的食品。它在高科技、数据驱动、商业规模的垂直农场领域处于世界领先地位。它的农场可以全年种植农产品，这使得它的潜在产量比传统的同等面积的农场高出倍。产量与极端天气事件或季节变化无关。而且产品是本地种植而不是进口的，使得水果和蔬菜保持新鲜的时间更长。

无独有偶，总部位于旧金山的Plenty公司的室内大农场将农业和作物科学与机器学习、物联网、大数据和气候控制技术结合起来，使其能够种植健康食品，同时最大限度地减少水和能源的使用。该公司得到了软银愿景基金(SoftBankVisionFund)和亚马逊(Amazon)首席执行JeffBezos的投资，这将有助于该公司推进农场建设。

各国政府也围绕这项技术提出了倡议。这些种植技术促进了荷兰室内种植业的繁荣发展：温室现在生产了该国35%的蔬菜，而只占用了不到1%的农田。

荷兰瓦赫宁根大学(WageningenUniversity)主导了很多关于如何在室内最好地种植作物的研究。荷兰农业革命需要比温室更进一步，因为温室仍然依赖阳光等外部力量。

然而，为了达到成本效益，垂直农业中的电力成本很关键。政府可以通过提供电力补贴或其他税收优惠来支持这些农场的发展。人口受教育程度高、能源成本低、政府愿意参与公私合作的国家最终将成为这一领域的领导者。

2.转基因和养殖肉类

通过常规育种技术改进作物，用于开发抗旱小麦，在发展中国家掀起了提高产量的第一波浪潮。但是为了解决未来的粮食需求，基因工程是必要的。

聚类、规则间隔、短回文重复(CRISPR)技术是一种重要的基因组编辑新方法，它带来更广的选择性并减少了偶然性因素。这项技术不仅可以培育出产量更高、抗逆性更强的品种，还可以用来繁殖含有必需维生素、营养物质和矿物质的作物。CRISPR如今正在促进转基因动物食品的生产。

细胞肉是一项极具潜力的前沿技术，但仍处与脆弱的发展阶段。这项技术在粮食安全、环境、动物食品疾病和动物福利问题方面具有巨大的影响潜力。总部位于荷兰的MosaMeat公司是少数几家使用该技术的初创公司之一。MosaMeat目前正致力于开发肉末产品（用于汉堡），并计划在未来几年把产品推向市场。该公司相信，细胞肉可以为不断增长的人口提供高质量的蛋白质，同时避免了传统肉类生产中的许多环境和动物权益问题。

3.食物中的3D打印技术

3D打印在制造业中变得越来越重要，该技术现在也应用于食品生产。3D打印是一种通过层层材料来创造物体的过程——在这种情况下，就是我们熟悉的菜肴。专家认为，使用水胶体的打印机能用可再生资源（如藻类）替代食品的基础原料。

荷兰应用科学研究组织开发了一种印刷微藻的方法（微藻是蛋白质、碳水化合物、色素和抗氧化剂的天然来源），并将这些成分转化为胡萝卜等可食用食物。这项技术基本上是把“糊状物”变成了食物。在其中一项研究中，研究人员将磨碎的粉虫添加到酥饼食谱中。

3D食品打印机最令人兴奋的（也是技术要求最高的）应用可能是肉类替代品。一些研究人员已经开始试验用藻类代替动物蛋白，而另一些人则试图用牛细胞来制造肉。

三、整合跨行业技术和应用

随着“精准农业”的规模越来越大，农场之间的联系越来越紧密，未来几年的效率和生产率将会提高。据估计，到年，将有超过万个农业物联网设备投入使用；到年，平均每个农场每天将产生万个数据点。

然而，尽管越来越多的联网设备带来了巨大商机，但也增加了复杂性。解决方案在于利用有助于理解、学习、推理、互动和提高效率的认知技术。以下是一些革命性的技术：

物联网(IoT)：数字转型正在革新农业世界。物联网技术允许结构化和非结构化数据之间的关联，为食品生产提供洞见。像IBM的沃森(Watson)这样的物联网平台正在将机器学习应用于传感器或无人机数据，将管理系统转化为真正的人工智能系统。

技能和劳动力的自动化：联合国预测，到年，全球三分之二的人口将生活在城市地区，农村劳动力将减少，因而需要新技术来减轻农民的工作负担：操作将远程化，流程将自动化，风险预识别，问题被解决。在未来，农民的能力将混合技术和生物技能，而不只与农业有关。

数据驱动农业：通过分析和关联天气、种子类型、土壤质量、疾病概率、历史数据、市场趋势和价格等信息，农民将做出更明智的决定。

聊天机器人：目前，人工智能的聊天机器人(虚拟助手)被应用于零售、旅游、媒体和保险行业。但农业也可以利用这项技术，帮助农民就具体问题提供答案和建议。

1.无人机技术

无人机不是一项新技术。但由于投资和监管环境变宽松，他们的时代可能已经到来。根据报告，无人机相关的各行业解决方案价值可能超过亿美元。最有前途的领域之一是农业，无人机有潜力应对重大挑战。

在整个作物周期中，无人机发挥了六项重要作用：

土壤和田间分析：通过制作用于早期土壤分析的精确三维地图，无人机可以在规划种子种植、收集灌溉和氮水平管理数据方面发挥作用。

种植：初创公司已经创建了无人机种植系统，将种植成本降低了85%。这些系统将豆荚种子和养分射入土壤，为作物的生长提供所有必需的养分。

作物喷洒：无人机可以扫描地面，实时喷洒，覆盖均匀。研究表明：无人机的空中喷洒速度比传统机械快5倍。

作物监测：低效的作物监测是一个巨大的障碍。使用无人机，时间序列动画可以显示作物的生长情况，并显示生产效率低下的部分，从而实现更好的管理。

灌溉：传感器无人机可以识别农田的哪些部分需要浇灌，哪些部分需要减少浇灌。

健康评估：通过使用可见光和近红外光扫描作物，无人机携带的设备可以帮助跟踪植物的变化，显示它们的健康状况，并提醒农民注意作物疾病。

2.区块链与农业价值链保护

比特币和其他加密货币背后的分布式账本技术区块链允许高度安全的数字交易和记录保存。虽然区块链主要用于虚拟货币，但它也可以应用于其他类型的交易，包括农业交易。

区块链可以减少低效和欺诈，改善食品安全、农民工资和交易时间。通过改善供应链的可追溯性，它可以使监管机构在发生污染事件时迅速确定受污染食品的来源和受影响产品的范围。此外，该技术可以通过检测导致食品变质的供应链瓶颈来减少浪费。

区块链的透明度也有助于打击食品欺诈。随着消费者对有机、转基因和不含抗生素食品需求的激增，标签造假的案件也层出不穷。无论是农场、仓库还是工厂的最小的交易都可以被有效地监控，并与诸如传感器和RFID标签等物联网技术相结合，在整个供应链上进行沟通。Maersk是一家航运和物流公司，它的大陆内部供应链涉及数十名员工和数百名员工之间的互动。他们估计，区块链可以通过提高效率来减少欺诈和人为错误，从而为他们节省数十亿美元。

开放的好处延伸到所有诚实的市场参与者。区块链技术可以防止价格敲诈和延迟付款，同时消除中间商和降低交易费用，使定价更公道，帮助小农获取更大利润。

3.纳米技术与精准农业

20世纪的绿色革命是由盲目使用农药和化肥导致的，因为土壤生物多样性丧失，对病原体和害虫抵抗门槛的提高。

新的革命将是由纳米技术驱动的精准农业。在这场革命中，纳米颗粒将被输送到植物和先进的生物传感器上，用于精准农业。纳米封装的传统肥料、杀虫剂和除草剂将缓慢而持续地释放出营养物质和农药，从而精确地控用量。

普通的施肥过程浪费了大约60%的肥料，造成了污染。纳米肥料有助于缓慢、持续地释放农药，从而产生精确的剂量。而生物传感器可以检测农作物中的农药，从而对其进行更明智的使用。

4.共享经济和众包农业

最后，共享经济对防止食物浪费方面也有贡献。

技术使社区能够分享他们的商品和服务。这种方式最初在拼车和房屋共享中流行起来，现在已经应用到包括食品在内的各个行业。

由社会企业家创办的Olio已经开发了一款应用程序，将人们与邻居和当地商店联系起来，这样多余的食物就可以被分享，而不是被丢弃。

另一个社会创业项目，NaranjasdelCarmen，提出了众包农业的概念。NaranjasdelCarmen创造了一个系统，在这个系统中，个人拥有农民种植的树木和土地的所有权。通过这种方式，这些树的果实就会落到用户手里，在生产和消费之间建立起直接的联系，避免了价值链上的生产过剩和浪费。

人口结构、自然资源短缺、气候变化和粮食浪费给传统农业模式带来了不小的压力，要应对这些挑战，需要政府、投资者和创新农业技术的共同努力。这是可以做到的，但我们需要打破这个现有的农业体系。

参考资料：《AGRICULTURE4.0:THEFUTUREOFFARMINGTECHNOLOGY》

图片来源：同上