整个世界，即没有像某些人所断言的那样面临着粮食用完的危险，也不像另一些人所主张的那样要消除饥饿。由于有了先进的农业技术、实践和政策，使得1980年全世界农场主生产的粮食比1950年多2倍。因此，世界粮食产量还是能满足全球对粮食增长的需要的。在本世纪余下的年代以及以后的时期内，农业将面临着双重挑战：用于食用的粮食将减少到最小限度；同时，为了满足日益增长的市场需要，必须生产质量更高的粮食。
这个挑战必须首先满足发展中国家的要求，到1990年世界人口的四分之三将生活在这些国家中，因此，对粮食的需要增长得最快。到2000年，在亚洲生活的人将比所有其他发展中地区的总和还要多，加速粮食生产的唯一现实的方法是增加产量和在已开垦的土地强化种植。在非洲，由于按人口计算粮食产量的下降和已经出现粮食严重短缺的现象，到2000年，预计粮食产量要增加7倍，因此在农业上，要扩大耕地，使用新技术，充分利用经济资源和要有更多的受过训练的人。在拉丁美洲，把增加粮食产量的希望寄托在新开垦的土地上。
粮食产量受很多因素的制约，有一些是社会的和经济的因素，还有一些是天然的和生物的因素。在本文中，我主要论述影响农作物产量的几个天然的和生物的因素。在一定的区域里，不论是用一种方法还是联合使用几个方法，化学都将是一个重要手段，在今后10年中，化学可以确定人类消费粮食的数量。由于绿色革命的出现，尤其是在发展中国家，化学已经应用在粮食生产上，其形势是乐观的。
化学药品在绿色革命中的作用
过去20年间，发展中国家粮食生产取得的主要进展，是由于发展和种植了对肥料敏感的谷类作用（主要是小麦和水稻）。只要施肥和灌溉得当，大田的产量是传统品种的2倍或3倍。
在表1所列的地区，富裕农民和贫穷农民都迅速地采纳了这些新品种。在印度，小麦新品种产量从1964年的1140万吨增加到1972年的3470万吨。同样地，在印度尼西尼，稻米产量从1970年的1220万吨增加到1981年的2200万吨。在这两个家，由于这两种作物的丰产，已使他们每年的经济产值分别增加到50亿美元到70亿美元。
在发展中国家，产量的增加是同使用肥料有关的。1960年以来，在印度，肥料用量增加18倍。在整个发展中国家，1961 ~ 1965年，使用肥料增加5倍。
虽然，在发展中国家使用肥料的数量有显著增加，但与发达国家的标准相比，每公顷的用量还是很低的。对大多数发展中国家来说，每公顷土地上使用的肥料低于30公斤氮、磷和钾。在美国大约是每公顷100公斤/在日本和大多数人口稠密的欧洲国家都高于每公顷200公斤。
在提高粮食产量方面，农药起着重要作用（仅次于肥料的作用）。病虫害、杂草和齿类动物是粮食生产的大敌，在潮湿的热带危害性更大。消除这些危害的科学工作集中在繁殖能抵抗病虫害的农作物新品种和研制新农药。
发展中国家使用的化学农药与工业化国家相比是微不足道的。而且，大部分农药是用在出口农作物（如棉花和香蕉）上，而不是用在地区性的消费粮食作物上。控制杂草的除莠剂用量高于杀虫剂或杀菌剂。
在发展中国家，使用农药受几个因素的限制。第—，成本高；第二，使用效率低；第三，收入低的农场主既没有熟练的技术也没有简单而有效的器械。最后，在热带某些地区连续耕种条件下，病虫害迅速发展来抵消农药，降低了农药的效用。
当然，随着绿色革命而来的产量提高不能仅仅归功于使用化学产品。农作物产量还与灌溉等有密切关系。
进一步挑战
过去20年粮食的最高产量是在最有利的环境中获得的——肥沃的土地，水的供应可控制，疾病的危害最小，市场形势好。今后20年，粮食产量的增加同样依赖于这些有利因素。在研制的技术中，化学将起重要作用。
在发展中国家，动物是食物的重要来源（尤其是蛋白质），但动物的生殖也取决于有利的植物条件。因此，植物将继续是增加粮食生产的主要源泉，特别是在人口同可耕地比例高的地区更是这样。在非洲和拉丁美洲，增产来自扩大耕地面积和增加单位面积产量，但在亚洲，可耕地上的产量受到一定限制。
土壤问题
在发展中国家，影响产量的最主要因素之一是土壤问题。诺贝尔奖金获得者博劳（Borlaug）说，无疑限制全世界农作物产量的唯一最重要的因素是土壤不肥沃。缺乏一种或多种基本养分通常是风化作用造成的，而风化又是同天然的耕作实践相联系的溶化和浸蚀引起的博劳。等人研制的小麦、玉米和水稻高产品种未能在发展中国家大面积推广，是由于土壤条件不好，如盐分高、铁或铝过量，或者土壤的酸性高。
化学可以提供改良土壤条件的方法，在表2中列出了Cochrane和Sanchez在这方面的数据。根据肥沃容量分类体系（Fertility Capacity Classifi-cation System），这些作者确定了南美洲亚玛逊河盆地的主要化学和物理因素。他们指出，90%的地区缺乏磷，只有约16%地区磷含量高有固定能力。近75%地区的土壤具有铝毒性；并且酸性强。约有六分之一地区具有低的阳离子交换能力，由于溶化很容易失去含养分的阳离子。
热带的一些山地，土地肥力不强，当不施肥时，粮食作物的产量迅速下降。在秘鲁从北卡罗米纳州立大学来的科学家做过一个试验，山地稻子产量从第一次收获2.9吨/公顷下降到1.61吨/公顷（第二次收获）和0.6. 吨/公顷（第五次收获）。
这种迅速下降的情况是严重的，在这里出现了“乱砍和烧荒”或改变耕作方法。非洲、亚洲和拉丁美洲的24亿以上人民用这种耕种体系来勉强维持他们的生存。
今后20年最严重的科学挑战之一是发展耕作体系来取代或改进天然的移动耕种体系。对此，需要各个科学部门的帮助，化学家具有土壤和植物方面的知识，因此在满足这个需要上化学家将起重要作用。
在调查肥料和石灰的潜力以在经济上提高粮食产量方面取得某些进展，在这些地区仍采用移动耕作方式。例如，在巴西和秘鲁做过试验，Sanchez提出，适合的肥料和石灰的加合物可增加农作物产量，降低土壤中铝的毒性，并且可提供一个相对稳定的农作物耕作体系。另外，还需要开展更多的研究工作以确定这些结果的适用程度。
营养的供给和利用
如何有效地利用土壤中的养分是发展中国家生产上面临的一个主要问题。用铁、铝和镁的氧化物以及某些硅酸盐泥土来固定可用的磷酸盐可大大降低磷酸盐肥料的效用，尤其是在风化的酸性土壤中更严重。但是，可用氮的巨大损失可能是向化学家和生物学家提出的最重要的挑战。
在欠发达国家中的农作物生产上氮的近期和远期作用是严峻的。能源的浮动价格给这种元素的利用蒙上了阴影。生产一吨氮所需要的能源相当于七桶石油。将来粮食生产取决于利用生物固氮的程度和提高农作物使用土壤和肥料中氮效率的方法。
氮的损失。能源价格的提高使得把研究工作的重点放在植物利用无机氮的出名的低效率上，特别是在追肥时。山地农作物通常只吸收加到商业肥料中的50 ~ 60影氮。对潮湿地区水稻来说，大部分只吸收25 ~ 35%氮。
控制氮损失的方法有三种：（1）研制缓慢有效的氮化合物；（2）用化学方法把常规的肥料包起来以降低氮的有效率；（3）用硝化抑制剂来把氮固定在氨中，以减少因溶化或挥发而损失氮。
草酰胺，酸性的尿素甲醛和异丁烯双脲是土壤中可释放氮的一类化合物。由于它们价格高，因此通常只用于价值高的农作物上。默里（Murray）和霍恩（Horn）评论了它们可作为氮肥的可能性。
寻找减少肥料中氮损失的方法是化学家和生物学家面临的最重要挑战。
固氮。在发展中国家，提高肥料价格的工作受到注意，为了提高农作物产量，需要有提供氮的生物方法。过去10年，发达国家和发展中国家都在努力研究生物固氮方法，并且已取得相当大的进展。
除了与豆科作物有联系的根茎外，在研究中一个主要收获是发现了几种能固氮的有机体。很多细菌都有固氮作用。在潮湿的热带条件下，有一种络合物每年可固定300 ~ 450公斤的氮。中国在130万公顷土地上长期使用满江红属植物作为氮的来源。从目前的研究中，已经得到一些有关生物固氮的化学和遗传学方面的情报。在固氮能力强的细菌之鉴别和应用上还要开展更多的研究工作。
在发展分析技术以定量表示氮固定和同化方面取得进展。以化学方法固定肥料中的氮效果还为减少农业上能源的需要提供了可能性。Mudabar和Hignett对目前肥料工厂能源需要的分析表明，生产一吨尿素可节省25.5千兆焦耳的能量，或是现在使用能源的三分之一，这相当于节省0.5吨气体/吨固氮。
灾害处理
尽管虫灾、动植物疾病、杂草和齿类动物的处理可能还要继续下去，这主要决定于非化学控制法，但化学药品仍是集中灾害处理系统的主要组成部分。例如，合成有机农药仍将是有价值的，虽然它们对人类和动物可能是有害的。
农药已从有机氯化合物移向有机磷化合物，这种变化增大了世界人民受害的问题，其受害程度还不清楚。
发展中国家的人民更晓得长期使用氯化烃和剧毒有机磷酸盐而引起的问题。在很多国家，这些农药还是以固体形式存在，并且不加选择地加以滥用。经常使用农药，使得昆虫也具有了抵抗农药的能力，因此，要做到如同以往的程度来控制昆虫，就得增加农药的数量和使用的次数。在美国的部分地区已经发现这个问题，而且也涉及到发展中国家，这个问题是大量使用农药而引起的。
在第三世界农业方面，使用化学药品的趋势在增加/为此，他们必须了解成本和效益方面的情况。例如，使用除莠剂可节省劳力。在国际热带农业研究所和国际水稻研究 ~ 正在进行：发展中国家保守耕种农业的研究工作。
用化学药品控制杂草的另一个方法是用生长调节器来刺激杂草种子的发芽。可用化学药品使杂草种子提前发芽，等到谷类植物生长时，杂草种子就死亡了。美国农业部用相似的方法研究了第三世界的重要杂草品种（如Striga和Orobanche品种），把气相乙烯注射到地表之下就可引起未成熟的杂草种子发芽。
在继续研究新合成的化学农药的同时，最近十年的工作集中在模仿天然产物的化学药品的作用上。例如，合成的拟除虫菊酯（Pyrethroids），有时在发达国家完全接受之前，发展中国家就用上。另外，抑止特殊发酵过程的化学药品在棉花灾害管理中起着关键的作用。
昆虫激素是普遍存在于自然界的农药，但这些天然产物还不能商业化。但也有例外，如蒙王一王（methoprene），在商业上可生产其合成类似物用于特殊场合。鲍尔斯（Bowers）等人在植物中发现了激素活性，在昆虫控制上，这样结构类似物的合成可导致新的突破。
在发展中洞家有一种有趣的植物——Neem树，这种植物的提取物和粉状种子有希望用在几个虫害的处理上，从种子和叶子上可得到一种化合物，它有希望成为一种新的驱虫剂。
从理论上来看，用化学杀菌剂来控制虫害是可靠的，但既使在发达国家也没有广泛地采纳。这是因为电离辐射杀菌方法更适宜的缘故。
具有更大可能性的另一方面是涉及到性的Pheromones. 在实验室已经鉴别，并且合成出几种这样的化学药品。在中国，发展了用黑光灯来捕集Pheromones技术，这些吸引物可用于检测新的虫类大批出没和检查灾害的程度。目前正在研究控制昆虫生长的捕集技术，但至今尚未获得满意的结果。
在大多数发展中国家，不能指望马上使用Pheromones，这是一项长远性的工作。在今后十年，化学药品有可能列在集中灾害管理的图表中（在热带）。
在昆虫植物和病原体植物相互关系上，化学因素的作用在增长，在今后十年将培育出能抵抗灾害的农作物新品种。除了经典的生物试验外，将发展快速的仪器分析方法来鉴别活性组分。
改良农作物的新方法
将来，农作物人工繁殖遗传改性和改良可能给发展中国家小农场主提供最大的帮助。在六十年代，新的高产小麦和水稻已被收入低的农场主所接受，使他们提高了收入。新品种比较便宜，适应自然环境的能力强，人工繁殖的农作物可在不利的水土条件下生长，具有较强的抵抗病虫害的能力。辐照或化学作用可给作物更大的变化，在过去是通过传统的植物繁殖方法来取得进展的、将来，生物化学遗传和新的生物技术具有更大的可能性。
国际水稻研究所的科学家，用遗传变种方法研制的新品种可抵抗六种主要的水稻病虫害，其生成期从150 ~ 160天缩短到90 ~ 110天，可耐恶劣的土壤和气候条件，每年有近5千个样品达到此水平。
细胞和组织的人工繁殖
尽管有一些技术的进步必须先有基础研究工作，但细胞和组织的人工繁殖技术已经成熟了，对植物培育者是有利的。这些技术可快速繁殖植物，是产生变种生物的一个有希望的方法。
细胞和组织的人工繁殖是植物遗传工程必经之路，这里需要化学家、植物病理学家、拉物生理学家和植物培育者之间的密切合作。在遗传工程会议上，与会者强调要加强合作和训练人才。在会议上确定了优先研究项目，即用适当的生物化学方法来确定有用的遗传基因。
在应用于农业的遗传工程会议上报道了很多有希望的发展工作。组织人工繁殖技术得到的新稻种，含有较高的赖氨酸和蛋白质，这些研究工作仍处于温室阶段，有的已经开始大田试验。
植物学家认为，在今后15 ~ 20年，组织人工繁殖和其他有关生物技术可产生一定的效益。Menz和Neumeyer报道，科学家作出的评述，可回答5个新的生物技术问题，提高玉米产量。表3列出了这些近代技术的一些情况。
在历史上，还从来没有像现在这样，把化学家请来，帮助世界人民来养活自己。过去25年的发展清楚地表明，在提高粮食产量上，化学家和其他科学家所起的作用。取得的成就是伟大的，但与将来的挑战相比，这些成就又是无足轻重的。将来，不仅要满足日益增长的人民的食用，还必须在恶劣的土地、气候和生物条件下生产出更多的粮食。
目前，发展中国家在加或40年内人口将稳定下来。不论是在发展中国家还是在发达国家，科学家都要做出努力，为农业提供新的品种，改进化肥技术和集约灾害管理技术，只有这样，才能使粮食作物保持高产量。
[Science，1982年第218卷第4575期]