粮食的需求增加，世界谷物库存已降至50年来最低点，危机凸显。(3)资源耗竭和环境恶化。粮食生产的发展越来越受到资源和环境的制约，第一次绿色革命走的是“高投入、高产出和高资源环境代价”的道路，农田养分流失造成的面源污染、生物多样性下降、温室气体排放增加等生态环境问题对集约化农业提出了新的挑战，特别是水资源日趋短缺，已经成为限制粮食产量进一步提高的关键因素。
国际学术界一直关注上述热点问题。Matson等(1997)在“Science”上撰文提出“集约化可持续农业”概念；Swaminathan (2000)提出了“Evergreen Revolution”，主张适度增加外部投入，改善农田生产效率，同时增强农业可持续性、降低环境成本；Cassman则提出了农业的“生态集约化”，主张通过土壤质量的改善、水肥资源调控以及综合管理途径来挖掘作物的产量潜力，同时达到保护生态环境的目标。然而，如何在大面积实现增产的同时大幅度提高资源效率目前仍然还没有很好的模式。因此，同时实现作物产量持续提高与资源高效利用是当前国际上农业可持续发展的研究热点，是人类面临的最大的科学挑战之一。
从世界范围看，增加产量以确保食物安全、保护环境以实现可持续发展成为当今世界农业发展中最突出的两大动向。20世纪八十年代以来，作物高产研究越来越受到许多国家的重视，最早由美国钾、磷研究所倡导并开展的“作物最高产量研究(MYR)”已取得了丰硕的成果，美国玉米、大豆和小麦的每公顷最高产量已分别达到
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21.2吨、7.9吨和14.5吨；欧洲国家已普遍开展了农作物高产蓝图设计与集约化栽培管理研究；日本在上世纪70年代就提出了“作物高产工程”的概念和研究计划，近年来作物高产研究再度掀起热潮；国际水稻所在“1990-2000年研究战略”中提出了突破产量限制的新思路和亩产吨粮的作物理想构型，并进行了超高产水稻的研究，这些高产研究对当地的产量提高都起到了积极作用。一些发展中国家也已开始实施高产研究并初见成效，菲律宾玉米产量达到15.6t/hm2、小麦6.2t/hm2，巴西玉米产量16.1t/hm2，泰国玉米产量12.0t/hm2，印度玉米产量11.3t/hm2，巴基斯坦小麦产量6.0t/hm2。国外的高产研究往往是由农民或种子公司或一些民间组织开展，正规的科研机构及少参与高产研究，更不可能像中国这样由国家组织大规模的高产研究和实践，如国际农业研究磋商小组及其下属的国际水稻研究所、国际玉米小麦改良中心等研究机构都是民间研究机构。如欧美国家的作物生理和生态等研究并不要求直接与生产联系，而栽培技术一般重视田间试验的直观结果，一般并不深究其原理，造成了基础研究和生产的脱节，未能形成作物高产研究的理论体系。世界各国政治、经济的不同，特别是科学技术水平差异的不同，决定了世界农业将是多元化的格局，不同的国情将产生不同的农业发展道路和模式，对高产研究的态度也不同，欧美等发达国家由于经济发达，欧美发达国家主要着力于提高劳动生产率、投入产出率和市场竞争力，并不把单产放在突出的位臵。美国的六个农业重点研究领域中，改善生产体系、保护地表和地下水质、
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防止水土流失和农业生态系统的可持续发展是第一位的，有关植物生产的研究也限于生物学机理和作物生长模拟模型的研究。农业研究最为关键的资源是人力和资本，特别是创造农业新知识和新技术的专业研究人员和研究经费，相对于发达国家来讲，许多发展中国家受经济社会条件的限制，农业科研系统很少，其完成创新和改造农业技术的能力非常有限，高产研究同样发展缓慢。
近年来来生物技术与信息技术的发展，引领转基因品种等重大技术突破，掀起了遍及全球的“新的绿色革命”。目前，发达国家的农业科技对粮食增产的贡献率一般都在75%以上，德国、法国、英国等发达国家高达90%左右。
3.国际上粮食安全正在进行的重要研究项目预期成果
农业高新技术引领粮食技术发展。农业生物技术作为农业科技革命的强大推动力，在其应用的几十年里显示了在提高粮食生产力、提高农产品质量、保护资源环境等方面的巨大潜力。2007年全球范围内生物技术作物的种植面积达到了1.143亿公顷。继2000年人类基因组计划完成之后，水稻全部DNA序列测定也在2002年完成，这些研究成果都直接与粮食生产有关。在农业信息技术的发展方面，已随着计算机技术、人工智能技术、网络技术和多媒体技术的迅速发展而进入了一个新的发展时期。世界上一些农业发达国家，如美国通过INTERNET和卫星数据传输系统网加速农业信息技术传播。美国和荷兰已研制出大量作物模拟模型、作物生产管理系
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统或病虫害管理系统、以及其他与农业生产相关的模型、专家系统和管理系统。现代农业高技术研究已经成为发达国家农业技术创新的制高点，也是农业市场核心竞争力的关键。
依靠科技创新确保粮食安全成为各国的共识。20世纪70年代初期全球性粮食危机爆发之后，粮食安全问题已成为世界各国普遍关注的议题，依靠科技进步确保粮食安全已成为世界各国的共识。各国立足各自不同的国情因地制宜选择了适合发展的粮食安全科技战略。
美国、欧洲等发达国家采取了用现代高技术的粮食科技战略。通过生物技术生产生物农药、生物肥料等，推动粮食生产向优质、高效、无污染方向发展；重视信息技术、遥感技术、地理信息系统技术、全球定位技术等在粮食生产中的应用，提高粮食生产过程的可控程度。另外，利用航天技术发展农业，成为当今世界农业领域最尖端科技课题之一，太空育种已从研究走向实践。
发展中国家则将重点放在以改造传统技术带动粮食生产的科技战略上。目前，国际农业研究磋商小组及其18个国家的农业研究中心正加紧对“超级水稻”、“超级木薯”、“超级玉米”、“专用小麦”等的研究与开发，并将生物技术、农田节水灌溉技术、精量施肥施药技术与环境保护等作为第二次绿色革命的主导领域。如印度政府在粮食生产中大力推广生物技术，提高农作物的产量和抗病虫害能力，实现粮食增产和农业的可持续发展。
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4.粮食安全及相关交叉学科的工程科技发展趋势
（1）粮食安全与农业生物学
生物技术不断出现新的重大突破，进入高速发展期。15年后生物产业有望成为新的主导产业之一。基因组测序、功能基因组学、蛋白质组学、干细胞、生物信息技术等将取得重大进展，将在农业育种、生态保护、医疗诊断、创新药物等方面带来新的突破，形成新的产业。
我国的粮食安全问题一直是政府和科技界关注的焦点。国内外实践证明，利用现代生物技术是大幅度提高单产的有效途径。在这种现实背景下，以水稻、玉米、小麦、油菜等等作物为研究对象，采用功能基因组学、比较基因组学、生物信息学、表观遗传学和育种学等研究方法，具有常规育种无可比拟的优点,如优良基因的定向转移、基因型的精确鉴定、育种周期短等。一些作物（如水稻、玉米等）全基因组序列测定的相继完成、重要农艺性状分子解析和功能基因的克隆，将进一步促进“作物分子设计育种”研究的全面开展。一旦建立了完善的品种分子设计体系,就可以很快将功能基因组学的研究成果用于改良生物品种而创造出巨大的经济效益。
（2）粮食安全与农业信息学
在未来15年或更长时间内仍将占有主导地位。信息技术将进入大的更新换代期。计算机技术、通信技术和网络技术的进一步融合，呈现出数字化、宽带化、智能化、个性化的新特点。新一代大高速宽带信息通讯网络将在今后几年投入运行，智能技术和通信个
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