第一章 土壤与农作物
土壤
1934年5月，一场暴风从北美大平原掀起了一团黑色的尘土，将1200万吨黑土倾倒在芝加哥市（图1）。两天后，暴风到达东部沿海地区，灰尘飘进了华盛顿白宫的窗户。这场灾难有益的一面是提醒人们，人类的生命要依赖区区几英寸深的脆弱表土，对农民来说，它和阳光一样重要。作为固定作物和为其提供营养的资源，它是一种包含成千上万生物体的活介质。在世界各地，土壤的类型和厚度对作物的种植都至关重要。本章的第一部分将介绍土壤是什么，它们有何不同，又是如何分类的，以及农民如何管理它们。
土壤是由空气、水、矿物质和有机质组成的复杂混合物，在很多时候，要历经数千年的演变。通常情况下，在状态良好的表土体积中，空气占25%，水也占25%，有机质则占其体积的5%左右。因此，体积不等的实际矿物质部分（从大石头到细小的黏土颗粒）只占表土体积的45%，尽管其在土壤重量中的比例要大得多。
图1 1930年代的美国沙尘暴：一幅风沙土的生动画面
任何特定地点的土壤的类型都取决于母质[1]、气候、所在地的地形、生活在其中和其上的各种有机体，以及时间。有些母质是固态岩石，如花岗岩、砂岩、白垩和石灰岩，或者板岩，而其他的母质则是表层沉积物，如河流冲积物，即被河流带走后沉积在洪泛区的物质。冲积土或许是世上最肥沃的土壤，而形成于沙丘上的土壤在肥沃程度上往往处于相反的一端。黄土和沙丘一样，是由风输送的物质形成的，但在这种情况下，涉及的物质要细得多。它覆盖了北美和中国北方的广大地区，后者来自戈壁沙漠。此外，还有在潮湿条件下形成的泥炭土、在冰川融化后的沉积物上形成的冰碛土、来自最初沉积于海底的物质的海洋黏土（如荷兰部分地区），以及火山灰土。
这些和其他母质最终能发展出什么，则取决于当地的气候，特别是当时的温度和湿度、生活于斯的有机体，以及该地的地形，特别是坡度。坡度越大，反复冻融或暴雨就越容易使物质下移，所以缓坡地的土壤往往比陡坡地的更厚。气温的升高加速了矿物质的风化和有机质的分解，土壤湿度越大，就有越多的钙等可溶性元素从表层向下移动，所以湿润的热带或半热带土壤往往具有相当高的酸度，而温度相近地区的干燥土壤，其酸度则不那么高。土壤上生长的植物从土壤中获得水分和养分；在自然条件下，它们死亡后成为腐烂的表层枯落物的一部分，分解后的养分又可以被重新吸收。
在热带森林中，沉积在地表的枯落物数量可达北方松林的十倍，但更温暖条件下的分解速度过快，以至于热带土壤中的有机质含量可能仍然很低。部分植物残体的分解和混合进入土壤是由小动物完成的，如蚯蚓、马陆、弹尾虫、螨虫、线虫（鳗蛔虫）、蚂蚁和白蚁等。其他分解者有真菌、细菌、放线菌（像细菌一样是单细胞，但像真菌一样产生菌丝线）、藻类和病毒等。与之相对应的是脊椎动物，如兔子、鼹鼠、草原犬鼠、盲鼹鼠等，它们都是通过挖掘活动来促进土壤层混合的。当然，农民的耕种行为也会混合土壤。
这里有一个循环的过程，一般被称为碳循环：大气中的二氧化碳被固定在植物中（见后文中“植物如何生长”一节），这些植物要么死亡并被分解，要么被人类和其他动物吃掉，从而部分固定在其体内，残余物作为粪便和尿液出现，又被分解并成为土壤有机质的一部分，其中一些将被氧化，从而回到大气的二氧化碳库中。这一切发生的速度显然受到了农业发展的影响，因为放牧动物会去除生长中的植物，将其转化为粪尿，也会转化为气态二氧化碳和甲烷。它或许在更大程度上还受到了煤炭和石油形式的碳化石开采的影响，这增加了大气中的二氧化碳含量。
所有这些因素都有助于形成不同类型的土壤，我们将在后文中看到这些，但对农民个人来说，最重要的可能是土壤的质地和结构。质地是由土壤中不同大小的矿物质颗粒的比例决定的，如表1所示，该表显示了英国采用的分类系统。
不同的土壤或多或少都会含有这些不同的颗粒。例如，根据美国农业部的体系，由40%的沙子、40%的淤泥和20%的黏土组成的土壤，将被归类为“壤土”，而这三种成分数量相当的土壤则为“黏壤土”。要精确测定粒度分布，需要经过化学处理、筛分和沉积等复杂的过程，但有经验的土壤科学家可以通过一种被称为“吐唾沫然后揉搓”的过程，进行足够有效的评估。土壤在手指和拇指之间被润湿，通过对样品的感触便可了解其质地。粗沙让人感觉很有颗粒感，细沙则稍逊一筹，淤泥让样品变得柔滑，黏土则使其黏稠。
表1 土壤矿物质的颗粒大小和性质
土壤的质地会影响到它的易耕性和肥沃度。含沙量高的土壤容易排水，但也会受到干旱的影响，不是特别肥沃。耕种这种土壤的人经常说，他们每天都需要下雨，星期天则要淋粪肥，虽然他们或许不会说得如此确切。而黏土则要肥沃得多，但耕作起来也困难得多。
有此区别的原因是什么？沙子和淤泥级别的土壤颗粒每克表面积相对较小，主要由石英（二氧化硅）颗粒组成，后者的化学性质不活泼。因此，它们不太可能通过毛细引力和化合物中的养分来保持水分。而一定重量的黏土颗粒具有巨大的表面积，往往比沙子的表面积大一千倍，并且化学性质活泼，因而能保持水分和养分。所以，它们可能非常肥沃；但另一方面，在黏土里拉动犁或其他任何中耕机都比沙土中需要更大的力量，而且黏土排水缓慢，干旱期难以复湿。因此，黏土常被形容为又“冷”又“重”，而沙土则被认为是“轻盈的”。当然，大部分土壤既没有过多的沙子，也没有过多的黏土，所以既肥沃又容易耕作，壤土或黏土等从农耕的角度来看最好的土壤无疑也是如此。
农民可以通过人工排水来影响土壤的含水量，从而改善土壤的可耕性，延长生长季节，提高肥料的使用效率，刺激作物扎根更深。在英国，对农作物产量的影响在10%～25%之间。采用的技术多种多样，既有通向溪流及河水的明沟，也有瓦渠、管渠和鼠道渠。在鼠道渠这个例子中，所谓的鼠道是一个直径约70毫米的尖圆筒，连接在垂直犁片的底部，由强力拖拉机拉过土壤。在黏土中，这样产生的渠道可以维持长达五年之久。由专业机器铺设的瓦渠或管渠排水管的使用寿命要长得多，但安装费用也相应较高。
与此相反的过程当然是灌溉，这在某些国家里已经进行了几百年甚至几千年：尼罗河三角洲的季节性洪灾就是一个明显的例子。在温带国家，往往只有马铃薯、甜菜和各种蔬菜等价值较高的作物才能回报灌溉的费用，但在热带地区，灌溉是水稻作物种植的必要组成部分。据估计，全球可耕种面积的20%目前要进行灌溉，其农作物产量约占总产量的40%。大部分这类耕地种植的是亚洲水稻作物，但美国也有很多。
对于农民来说，另一个重要的考虑因素是土壤的结构，因为这也影响到耕作的容易程度。土壤的形成不是沙子、淤泥和黏土简单地混合在一起就行了，而是需要随着时间的推移，通过土壤生物的活动，将前面讨论的矿物质颗粒与有机质相混合，结果便形成了稳定的聚集体，其中含有植物根系和其他土壤生物所需的水和空气（图2）。
孔隙空间中可以充满水或空气，或是两者的混合物，在结构良好的土壤中，表层土壤颗粒均匀，越深处则聚集体越多。在这样的土壤中，栽培工具比较容易产生结构细密的表层土壤，农民称之为“耕性良好”，这为植物的发芽和生长提供了理想的条件。相反，在结构不佳的土壤中，如在过于潮湿时被耕作过的黏壤土，黏土会变成“一片泥糊”，或聚集成大块，往往在25～30厘米深的地方形成不透水的磐层，阻碍了排水。
图2 土壤结构详解
农民无法改变土壤的质地（即沙子、淤泥和黏土的百分比），但他们的农场管理决策可以影响土壤的结构。连续耕作——或者在错误的情况下，即便是常规的耕作——会降低土壤中有机质的含量，更容易产生这种结构问题，而使用永久牧场或者至少是长期的草地，以及定期添加粪肥和石灰，都有助于改善土壤有机质和土壤结构。结构在极端的情况下会恶化到易受风蚀的程度，如1960年代在东盎格利亚[2]发生的情况，而最著名的例子就是美国中西部的沙尘暴（图1）。
所有这些母质、质地、结构、有机质和地形的变化意味着世上的土壤种类繁多，土壤科学家已经为其制定了各种分类系统，其中许多系统涉及极其复杂的描述性术语。最广泛使用的系统与气候变量有关，主要是降雨量和温度，以及由此产生的植被区。
因此，褐土（有时称之为雏形土）形成于温带落叶林下，是良好的混合耕作土壤，而黑钙土是在干草原或大草原上形成的黑土，成为美国中西部和乌克兰的可耕作土壤。酸性浸出型的灰化土形成于针叶林、荒原和沼泽地寒冷潮湿的环境中，而在热带地区温暖潮湿的环境中，则发现了高度风化的红土（也被称为砖红壤或铁铝土），有时呈红色或黄色。它们是酸性的，缺乏养分，虽然它们可以在地表快速回收利用养分，长出茂盛的森林，但只能成为贫瘠的农业土壤。灰黏土是积水土壤，在温带地区需要排水和精心管理，但在热带地区则是主要的水稻种植土壤。
这些只是以气候为基础的分类系统所识别的各种土壤中的一小部分，还有其他一些方法更强调母质和地形的重要性，从而形成了与地理和土地形态有关的全球分类。
因此，土壤从根本上支持着作物的生长，并为其根部提供水分。溶解在水中的是植物所需的各种养分，以帮助植物从空气里的二氧化碳中提取其主要成分碳，我们将在下一节详细探讨这些养分。
作物的养分
植物的主要构成元素——碳、氢和氧——均来自它们通过叶子吸收的空气和根部吸收的水。除此之外，它们还大量需要三种元素（主要营养素），较少量需要另外三种元素，极少量需要通常被称为微量营养素的其他八种元素。
三种主要养分是氮（N）、磷（P）和钾（K）。大部分氮元素以硝酸根离子的形式从土壤水中获得，是植物蛋白质和叶绿素的组成成分。没有它，植物就会变黄，无法茁壮成长。归根结底，植物体内的氮来自空气，但它首先要进入土壤。少量的氮溶解在雨水中，但更多的氮来自生活在土壤中的藻类或细菌（如固氮菌）的活动，或是来自豆科植物（如豌豆、菜豆、白车轴草，甚至荆豆）根部的固氮结节。来自这些有机来源的氮被进一步的细菌活动转化为硝酸根离子，硝酸根离子极易溶于水，并以这种形式被植物根部吸收。不过，它们也可能随着水的流失而被溶出，或再次转化为大气中的氮，或者被土壤生物吸收，再次成为土壤有机储备的一部分。大多数粪肥和矿物质化肥的作用，就是增加这一循环中硝酸盐阶段氮的可利用量。
植物的能量和蛋白质代谢需要磷，没有磷，根就长不好。土壤中通常有大量的磷，但以相对难溶解的形式存在，所以在某些情况下，只有溶解状态的少量磷能被植物利用。钾参与植物的水分控制和运输机制，所以没有它，生长速度就会降低。钾在土壤里的黏土风化过程中被释放出来，由于水溶性高，可能会在排水中流失。在正常情况和大多数耕作制度下，只有这三种主要养分的流失量足够大，才需要用肥料来替代。
然而，在更集约化的农场管理系统中，还有一些其他的元素有时可能需要替换。硫是某些氨基酸和酶的成分，在正常情况下，土壤储量充足，但自从欧洲燃煤发电站的硫排放量下降后，一些地区出现了缺硫的迹象。这一类的另外两种元素是钙和镁，它们在控制土壤酸度方面起着一定的作用（见下一段）。最后是微量元素：硼、铜、锌、锰、钼、铁、氯和钴，其中许多元素在植物酶中起着重要作用，但通常需要的量很少，以至于大多数土壤都含有足够的量。例如，产生6吨谷物和3.5吨稻草的谷类作物将从1公顷土地上移走120公斤的氮，但导致的锌损失还不到1公斤。
土壤酸度也会影响养分的可利用性。它是由土壤的pH值来衡量的，pH值为7时，既不酸也不碱，随着pH值的降低，酸度会增加。耕地土壤的pH值通常在5～7之间，但对于像在石灰质和白垩上的钙质土壤来说，pH值可能在7～8之间。酸度最高的高地泥炭土可能低至3.5。在这个酸度水平上，所有主要营养素和某些微量营养素的可利用性都会降低。在pH值介于6～7之间的微酸性土壤中，养分的可利用性往往处于最高水平，微生物的活动也是如此，因此农民认识到需要通过添加适当的石灰质物料（如石灰石细粉）来维持这一水平。石灰也有助于形成良好的土壤结构，因此应将其视为土壤改良剂而不是肥料。
粪肥和化肥
从前面的讨论中可以看出，使用粪肥和化肥的目的是替代种植和放牧所带走的植物养分，所以它们的价值主要在于它们所含的氮、磷和钾。粪肥和化肥之间并没有硬性的界限。从本质上讲，粪肥的来源是有机的——典型的例子是农家肥，它是秸秆、粪便和尿液的混合物，而化肥的原料则是化工厂生产（如氮肥）或开采的（如磷肥和钾肥）。但也有很多介于这两个极端之间的产品的例子，比如血粉和骨粉，或者干鸡粪，它们源自有机质，但又经过了制造加工过程。
粪肥的养分含量相对较低：即使是最浓缩的家禽粪肥也只含有约2%的氮和磷以及1%的钾。农家肥的另一个好处是它含有部分降解的有机质，有助于改善土壤结构。近年来，高度机械化的农场将动物粪尿以浆液的形式收集起来，然后直接施用于土地而不添加秸秆，因此，这将不会产生同样的土壤结构效益。
有机肥（相对于粪肥）浓度更高，蹄角粉和血粉中含有12%～14%的氮。过去使用的此类原材料范围很广：海鸟粪、煤气石灰、鱼、鲸脂、“油渣”（蜡烛制造商的废料）、毛皮加工者的剪裁边角料、羽毛、羊毛、亚麻布、翻造呢绒、皮货商的鞣皮废料（尸体残骸）和菜籽粕粉都出现在1860年编制的清单上。同样，从煅烧石灰到泥灰岩和贝壳砂的许多原材料，过去都曾因其含有石灰而被使用。
无机肥的浓度最高，可利用养分最多能占施用量的一半。氮肥有好几种，如硝酸铵、尿素、无水氨等，但各种氮肥中的氮都是从大气中固定下来的（这个过程需要大量的烃类燃料，现在通常以气体的形式存在），然后再与其他元素结合。同样，大多数磷肥都来自磷灰岩，它可以直接作为化肥使用，但释放磷的过程非常缓慢。因此，通常用硫酸（制成过磷酸盐）或磷酸（制成磷含量更高的重过磷酸盐）来处理磷灰岩。
钾以氯化钾的形式被开采出来，要么直接使用，要么用硫酸处理后制成硫酸钾。所有这些单独的养分都可以独自使用——在这种情况下，它们通常被称为“单质肥”——但它们也可以结合起来制成“复合肥”，其中含有混合的养分，有时是为了满足特定作物的要求而配制的。因此，一种好的通用复合肥配比是20:10:10，含氮20%，磷和钾各占10%，而一种旨在替代因为收割青贮饲料而带走的养分的肥料不需要磷，因此比例可能是25:0:15（即25%的氮和15%的钾）。其中任何一种在特定的田地或作物上的施用量都取决于各种考虑因素，包括土壤中现有的氮、磷、钾状态到作物的反应、售价，以及肥料的成本。大多数作物的反应曲线是递减的，即随着施肥量的增加，作物产出的增产效应会降低。
因此，作物和草地的长期持续生产需要健康的、管理良好的土壤。一些农民认为，最好的办法是避免使用矿物质肥料，依靠有机方法循环利用养分。另一些人则采用精耕细作的方法，只在需要的地方投放矿物质肥料，以保持土壤肥力。农民必须根据他们现有的资源和他们希望种植的作物来做出正确的管理决策。
作物
人类以植物为生，要么直接食用植物，要么间接食用动物的肉或产品（如牛奶），而这些都是动物进食植物后出产的。黑莓或护肤桐果等少数植物或许可以从野外采集，但大多数是栽培的，在这种情况下，它们被称为农作物。某种淀粉类能源作物几乎是世界各地人类饮食的基础，它通常是谷物，如小麦、谷子、水稻或玉米（图3）。在条件不适合种植这些作物的地方，则种植木薯、薯蓣或马铃薯等根茎类作物。本章的以下几节将探讨植物如何生长，其生长的阻碍因素，以及如何改善它们的生长，然后再介绍一些主要的作物和栽培制度。
图3 最重要的食用谷物：（a）小麦，（b）谷子，（c）水稻，（d）玉米
植物如何生长
农民如何捕捉阳光中的能量，并使之可用，从而使诸位读者有力气翻开这本书的书页？他们利用了含有叶绿素的植物。叶绿素是让植物变绿的东西，它能吸收辐射，从而提供能量，推动叶子内部的一系列生化反应，从空气中吸收二氧化碳（CO2），使之与根部吸收的水结合，制造简单的碳水化合物分子——糖——并释放氧气（O2）。这个过程叫作光合作用，以公式概括如下：
它的重要性无论怎样强调都不为过。没有它，就没有我们所知的地球上的生命。从最矮小的草到最高大的树，所有的绿色植物都会进行光合作用，它们95%的干物质（即不含水的部分）都是由它产生的。葡萄糖等单糖可以结合成长链（称为聚合物），形成淀粉（大多数植物储存能量的形式）和纤维素（植物细胞壁的主要成分之一）。脂肪和油类也可以通过碳水化合物的进一步转化而产生，如果加入氮，有时再加入其他元素，还可以产生蛋白质。
因此，作物的生长速度显然取决于光合作用的速度，而后者的速度又取决于光照、温度、二氧化碳的浓度以及水和养分的供应情况。当温度和光照强度增加时，只要有水，光合作用也会加速。大多数温带作物使用所谓的C3代谢途径进行碳固定，限制因素是大气中的二氧化碳浓度。这就是燃烧化石燃料导致这种气体水平的增加会产生肥效的原因，也是一些种植者提高温室中的二氧化碳含量的原因。
玉米、甘蔗、谷子和高粱等许多热带作物都使用另一种C4代谢途径，在这种途径中，光合作用在光照强度大大提高之前不受二氧化碳浓度的限制。采取这种代谢方式的植物在更炎热干燥的条件下可以有很高的光合速率，因此人们目前正在着手研究确定起作用的基因，并利用它们来生产C4品种的水稻。据称，这可以比目前的C3品种多产50%的粮食。
随着植物的生长，由于细胞数量增加，干物质或总生物量也随之增加。植物通过细胞的特化（分化）和组织化，从种子萌芽到营养生长发育、繁殖发育，再到种子发育。根据其生命周期（一年生、两年生或多年生）以及植物有用的部分和作为食物收获的部分，作物可能在几周、几个月或几年后达到衰老（死亡）。
在发芽之前，大多数种子都能抵御寒冷和干旱的压力，往往可以长期存活。例如，斯瓦尔巴全球种子库[3]中的种子就保存在一口废弃矿井中温度零下的永久冻土里。大多数温带作物至少需要温度在1～5℃才有可能发芽，最适宜的发芽温度在20～25℃之间，但水稻的最适宜温度是30～35℃。在植株生长阶段，植物的生长点（分生组织）产生叶片和茎秆材料，在生殖阶段产生花，花经过授粉受精后产生种子。对于粮食作物，农民只希望有足够的茎叶发育，最大限度地增加植物的光合（绿色）面积，因为他们将收获和出售的是种子，而他们根本不希望马铃薯产生种子，因为收获的是作为食物的块茎。
随着温度的升高，大多数作物生长得更快，原产于温暖气候下的玉米等作物，通常比原产于世界较冷地区的小麦或黑麦草等作物需要更高的温度，才能达到最佳生长状态。温度驱动着发育速度，并往往控制着从一个生长阶段到另一个阶段的变化时间。例如，一些小麦品种被设计为在秋季播种（冬小麦），需要一段时间的寒冷天气（春化作用）才能在来年夏天结籽。有些植物也会对日长反应灵敏。例如，一些水稻品种在白天开始变短之前不会开花，而大多数温带植物是“长日型”植物，需要日长日益增长才能开始开花，这确保了它们在夏季开花。
这些都是单株植物的特点，但作物是植物的集合，个体之间的相互作用也很重要。农民力求对作物进行整体管理，在白昼最长、阳光最强的时候，最大限度地截取光照。因此，如果播种太晚，就可能无法产生足够的叶子来覆盖地面，播种太稀也会有同样的结果。肥沃的土壤和充足的水分也会促进叶子的生长。另一方面，如果这些因素中的任何一个过头了，都会导致产量下降，因为较高的叶子遮住了较低的叶子，单个植株没有足够的生长空间，或者由于快速生长或缺水，产生弱茎或垂茎，不能保持直立。
必须在单株植物的产量和作物整体的产量之间取得平衡。需要农民的技能和经验以及农业科学家的研究来确定最佳的种子、施肥量及播种时间，从而最大限度地提高作物的产量。
植物生长的阻碍因素
从植物和作物的这些特点可以看出，任何阻碍单株植物和作物整体以其最大的光合效率运作的因素都会降低收获和产出。从理论上讲，一般的作物可以捕捉到它可利用的大约5%的太阳能量；在实践中，这个数字接近1%，部分原因在于气候因素的影响，如寒冷或阴天，或是由于缺乏水分或养分，但主要是由于杂草、虫害和疾病的影响。
诚如谚语所说，杂草是长错了地方的植物。罂粟花（罂粟属）在花园里看起来很漂亮，但长在小麦作物中却是个问题。白茅（Imperatacylindrica）在马来语中被称为lalang，在美国被称为cogon，在澳大利亚则叫blady grass，是东南亚传统的葺屋顶材料，也有栽培用于加固海滩的，在非洲有时也会用于放牧，但在美国东南部的几个州却是官方铲除计划的对象。杂草的影响还取决于它的生长时间：早期的杂草侵袭会使作物窒息，而后期在发育迅速的作物中生长的杂草对于产量可能就几乎没有影响了。因此，杂草最明显的影响来自它们争夺阳光从而减少作物的光合作用的能力，但它们也会与作物争夺水分，其种子可能会污染收获的作物，而且它们可能会使收获变得困难，例如旋花类植物爬上作物茎秆的时候，就会产生这样的问题。
因此，如果在错误的时间生长在错误的地方，几乎任何植物都可能是杂草，但有些被认为特别容易造成问题。在温带作物中，大穗看麦娘和野燕麦等禾本科杂草、一年生阔叶杂草和多年生杂草尤其难以对付。例如，藜（Chenopodium album）现在通常被归类为一年生阔叶杂草，但过去它曾被用作沙拉蔬菜。多年生的杂草包括匍匐冰草、欧洲蕨、酸模，以及温带地区的蓟；在热带地区，最麻烦的杂草之一是凤眼蓝（Eichhornia crassipes），它是作为观赏性植物从巴西引进的，但长成了野生植物并繁衍到堵塞灌溉渠道、引发洪水的程度。
和杂草一样，害虫/害兽则是走错了地方的动物。在塞伦盖蒂[4]平原上看起来很有气势的大象，践踏农作物时就是一种害兽；在林间草地上啃草的兔子可能会受到欢迎，但在树篱的另一侧啃食幼麦时就不是了。在大小尺度的另一端是微小的鳗蛔虫（线虫这种叫法非常合适），它们可以毁坏甜菜和马铃薯，还有包括蚜虫和蝗虫在内的许多昆虫。它们可以攻击作物从种子到根部的所有部分。有的通过吃植物的叶子来影响后者的光合能力，有的通过吃植物的根来影响植物的水分和养分吸收。蚜虫有刺吸式口器，以植物细胞中的汁液为食，所以令其生长受阻。在此过程中，麦长管蚜等有些蚜虫会将病毒性疾病（这里指大麦黄矮病毒BYDV）传给植物，进一步攻击后者。
当致病生物被引入新环境时，就会发生一些最具破坏性的害虫/害兽攻击。19世纪中叶之前，美国的科罗拉多马铃薯象甲一直在茄科的杂草上安静地生活着。后来引进了同科（茄科）植物马铃薯，象甲种群便增加并扩散开来。1873年，科罗拉多马铃薯象甲从科罗拉多州到达美国大西洋沿岸，1901年越过大西洋，并从那里传播到欧洲大陆，成为马铃薯的主要害虫。同样，美国的葡萄藤对根瘤蚜虫相对免疫，但当后者在19世纪传播到欧洲大陆的葡萄园时，却造成了巨大的破坏，因为那里使用的葡萄品种从未接触过根瘤蚜虫，没有进化出与美国品种相同的保护机制。
虫害的范围非常大，如果环境条件合适的话，几乎每一种作物上都会生活着几种害虫。例如，非洲的咖啡作物会受到丽蝽、盲蝽、咖啡果小蠹、粉蚧、介壳虫、蛀茎虫和潜叶虫的攻击。据估计，在整个世界范围内，虫害造成的作物损失高达25%。
农作物的病害多是由各种真菌引起的，但病毒和细菌也难辞其咎。有些真菌会造成叶绿素的损失，使叶子看起来发黄，因此减少了光合作用。另一些真菌则生长在植物输送水分的导管中，令植物枯萎。目前造成相当大问题的一个真菌的例子就是尖孢镰刀菌，它生活在土壤中，并渗透到香蕉的根部，最终蔓延开来，导致叶子变黄，整株植物开始枯萎。
尖孢镰刀菌是19世纪末首次在巴拿马发现的，因此也被称为“巴拿马病”。当时在香蕉商贸中占主导地位的品种“大麦克”（Gros Michel）对这种病很敏感，到1960年，该病已蔓延到大多数生产国。幸运的是，另一个品种“卡文迪许”被证明对当时存在的尖孢镰刀菌的菌种具有抗性，因此它继而成为主要的商业品种，但近年来马来西亚出现了一个被称为“热带菌种4号”（TR4）的新菌种，并传播到其他国家，而“卡文迪许”对它很敏感。由真菌致病疫霉引起的马铃薯枯萎病也许是植物病害中最著名的例子，它在19世纪中期袭击了爱尔兰的马铃薯作物，造成了巨大的社会经济影响。
该如何改善植物的生长状况？
如果植物因缺乏光、热、水和养分而无法生长，显而易见的解决办法就是提供这些东西，而且往往可以做到这一点，但要付出一定的代价。如果作物的价值足够高，这个代价或许是值得的。18世纪，一些富有的英格兰地主建造了加热的温室，在其中种植菠萝。近年来，警方在突击检查中发现了完全人工的种植室，毒贩在其中种植大麻。
在更常见的商业环境下，北欧的番茄种植者在温室中种植作物，人工加温、浇水、施肥，在某些情况下还增加了二氧化碳的含量。而在西班牙南部，同样的作物不需要人工加温，但需要从地下水井中抽取更多的水。在加利福尼亚州干旱地区上空飞行的旅客可以俯瞰到沙漠中的绿色圆圈，那是在环绕中央水源的大型灌溉设备的帮助下生长的作物（图4）。
如果运输成本足够低廉，那么在温暖的地方种植作物，然后把它出售到那些由于过于寒冷而无法生长的地方，可能是值得一试的：正因为如此，冬月里才能在欧洲超市买到肯尼亚的青豆。各地的农民总是试图以动物粪肥的形式将有机养分返还给土地，发达国家的大多数农民（有机农除外）以及发展中国家越来越多的农民现在则使用人工肥料（见本章前文）。
图4 中央枢纽灌溉促进了加利福尼亚州干旱地区的作物生长
正如我们所看到的那样，即使在理想的生长条件下，作物的生长仍然可能会受到杂草和病虫害的影响，农民的技能之一就是掌握关于如何减少它们的影响的知识。当杂草与其周围生长的作物非常相似时，它们是最难控制的，无论通过耕种还是使用除草剂都很难根除。如果杂草看起来像作物，人们就会犹豫是否要用锄头处理掉它；如果它在生理和解剖上与作物相似，就很难找到一种既能杀死它又不损害作物的除草剂。例如，野生稻（Oryza rufipogon）是水稻中最严重的杂草，旁遮普地区的损失一度估计超过作物的一半。
农民已经制定了许多杂草防治的策略。重要的是以适当的播种率将未受污染的种子播入肥沃的苗床，使作物与杂草竞争获胜的概率最大化；有些杂草可以通过反复切割来控制；轮作可以使在阔叶作物中难以控制的阔叶杂草在随后种植的谷类作物中得到更有效的处理，反之亦然。
在采用化学除草剂之前，农场主及其工人们会用锄头清理作物，或者用手拔除杂草，对于杂草侵袭相当轻的高价值种子作物，现在有时仍会这样做。条播机可以成行播种，正如杰斯罗·塔尔[5]在其《马耕畜牧》（Horse-Hoeing Husbandry，1733年）一书中所论述的那样，发明这种机器的一个原因是，当时用马拉锄头在行间锄草比较容易，而易于实施行间耕作的宽行距作物通常被称为“抑草作物”。但所有这些方法都需要大量的劳动力。
20世纪初，在化学除草剂出现之前，一位农场主估计，一个农场有三分之一到一半的田间劳动都耗费在了消灭杂草上。因此就不难理解农场主为何如此热衷于使用除草剂（在时薪很高的经济体中尤其如此），也不难理解不能使用除草剂的有机农为何往往认为杂草比病虫害更难管理了。
如同杂草一样（病虫害也是如此），农民尝试用管理和化学方法相结合的方式来减少其影响。轮种作物使得土地在连续几年里生长不同的作物，有助于打破真菌和土壤中的昆虫的生命周期，还有通过早播或晚播来错过病虫害最活跃的时间，这些都是管理方法的例子。只有在这些方法无效时，农民才越来越多地使用昂贵的农药。
化学防治本身并非没有问题。它不仅可能使目标生物体对其产生抗药性，而且还可能对非目标物种产生不必要的副作用。广泛使用氯代烃杀虫剂对猛禽类繁殖成功率的影响就是一个众所周知的例子。解决这个问题的一个办法是利用捕食性动物打击害虫，如利用寄生蜂打击温室粉虱；另一个办法是尝试为植物培育出抵抗力。
抗病虫害只是植物育种者的潜在目标之一。从根本上说，大多数育种计划都试图提高作物产量或质量，或两者兼而有之，不过有时增产是以牺牲质量为代价的：例如，菲律宾的国际水稻研究所1966年发布的早期高产水稻品种之一IR8，由于谷粒呈粉质以及易碎而被消费者所厌弃。
育种者可以通过各种方式来提高产量。他们可以培育出抗旱或抗常见病虫害（如谷物叶片病）的品种，还可以尝试增加植物的可售部分，而牺牲其他部分。这已被水稻和小麦育种者广泛应用，他们培育出了秸秆较短但穗较大的品种。总的生物量可能不会有太大的变化，但可出售的生物量增加了。
其他的目标取决于单个作物的特质。老的甜菜品种生产的种子是一簇一簇的，发芽后会产生三到四棵植株，必须费力地用手锄从这些植株中挑出一棵强壮的，所以当育种者生产出“单胚芽”种子，每簇只有一粒种子时，就不需要这项工作了，成本也随之降低。糖的另一来源甘蔗的某些品种叶缘锋利，蔗田里的工人干活时可能会很疼，所以育种者试图生产出能尽量减少这一特性的品种。植物的现代育种方法及其影响将在第六章中讨论。
作物与种植
“我们大多数人的体内都有一个马铃薯形状的空间，每顿饭都必须填满它，不是用马铃薯就是用同样能填饱肚子的东西。”凯瑟琳·怀特霍恩在她的经典之作《床头柜里的烹饪》（Cooking in a Bedsitter，1963年）中写道。这些主食通常以淀粉为基础，来自一些最广泛种植的农作物，如水稻、小麦、玉米、马铃薯、木薯和薯蓣等。科幻作家约翰·克里斯托弗在其小说《草之死》（The Death of Grass，1956年）中提出，如果某种疾病开始杀死所有的禾本科植物，世界文明就会崩溃。这个科的植物不仅包括世上种植最广泛的作物——牧草，还包括温带谷类（小麦、大麦、燕麦、黑麦）、热带及半热带谷类（玉米、水稻、谷子、高粱）和甘蔗。如果类似的瘟疫影响到了包括豌豆、菜豆和兵豆在内的荚果（豆科），十字花科（卷心菜、油菜、芜菁甘蓝、芥菜等）也受到了打击的话，蔬菜和油菜籽等就都会灭绝，我们也会缺乏蛋白质。
有些农作物生产不止一种产品。小麦可以制作面包，大麦制成麦芽后可以制作啤酒，但这两种作物也可以用来喂养动物，特别是猪和鸡。大豆可以榨油，剩下的就是高蛋白动物饲料了。亚麻秆的纤维是制造亚麻布的来源，而亚麻籽则是工业油的来源，尽管随着时间的推移，不同品种的亚麻已经被培育成专门生产两种产品之一的作物了。
大多数农作物都有不同的品种，例如，小麦就有数百个不同的品种。有些品种经过培育，在炎热干燥的气候下生长得更好，有些品种能生产更好的面包面粉，还有些品种能抵抗各种真菌病害，等等。在热带和半热带国家种植的玉米品种构成了膳食淀粉最重要的来源之一，但这些品种不会是西北欧农民为生产动物饲料用的玉米青贮而种植的品种，也不会是美国农民为生产甜玉米而种植的品种。生产优质葡萄酒的葡萄品种并不适合作为新鲜的食用葡萄。
这些都是人类或动物的食用作物，但也有棉花、黄麻和大麻等大面积作物是为了获得纤维而种植的，还有小面积的琉璃苣、金盏花和月见草，用于生产工业用油和药用油。越来越多的作物可用于生产生物质，或是生物乙醇等燃料。
所有这些物种也可根据其生长方式进行分类。咖啡、可可、香蕉、橄榄和苹果等木本作物一旦种植后就能生长很多年。其他的多年生作物包括葡萄藤、醋栗或覆盆子等灌木作物，它们同样可以持续生长，如果是葡萄藤，则可以生长很多年。但农民种植的大部分作物都是一年生或（少数）二年生的。在温带气候下，这意味着作物通常在夏季生长，秋季收获。
农民在准备苗床时，有时先犁地并掩埋前一批作物的剩余物，继而开垦并打碎土块，然后用条播机成行种下种子。小麦或大麦等谷物可以在秋季播种，并在真正的寒冷天气出现之前就已经定植了。等到春季土壤变暖时，它们就可以生长了，这样可以最大限度地延长它们进行最有效的光合作用的时间。秋季可用于准备苗床的时间可能有限，或者冬季非常严寒，以至于许多种子作物的品种都要在春季播种。例如在加拿大北部，作物可能只有90天的时间完成从播种到收获的周期。马铃薯和甜菜等根茎类作物通常在春季播种，在当年秋季收获。一旦作物定植后，可施一次或多次肥料、除草剂和杀真菌剂。谷物和油料作物的收获时间是在谷物灌浆成熟后，马铃薯和甜菜的收获时间则是在预计作物几乎不会再继续生长时。
这显然是对这一过程的一个非常基本的概述，应该明确，它涉及许多不同的决策，准备苗床的最佳方式，种植哪些品种，采用怎样的播种率来产生最佳的植物种群，使用多少肥料以及何时施用，哪些杂草和病虫害可能会威胁到作物以及如何防治它们，何时收获，等等。不同农场、不同田地，甚至在同一田地内，所有这些都可能有所不同。
农民还必须决定种植哪种作物组合。有时，他们年复一年地种植同一种作物，但这可能导致病虫害的积累，后者必须加以控制，也可能导致土壤养分的消耗，而这些养分必须加以补充。在种植最有利可图的作物与保持作物健康和土壤肥力之间需要取得平衡。
在欧洲，现代的六茬耕地轮作的方式可能是先种两年小麦，再种一年菜豆，然后是小麦，再是大麦，最后是油菜（油菜籽）。菜豆打破了小麦的病虫害生命周期，并且作为豆科植物，有助于土壤固氮；油菜也打破了谷类病害的生命周期。经典的诺福克四茬轮作在小麦之后是大量喷洒农家肥、同时仔细除过草的芜菁，这样就为接下来的大麦作物提供了肥沃而无杂草的土壤，然后是白车轴草，白车轴草能够固氮，为接下来的小麦作物提供了肥沃的土壤，以此类推。现代化肥和农药使农民增加了补肥作物之间的时间，但这个原理仍然适用，而且比完全依靠化学药品便宜。轮作得到了简化，而不是淘汰了。
在美国中西部各州，也就是常被称为“玉米带”的地区，农民现在依靠的是玉米（在英国，这种作物被称作maize，而corn在那里是小麦、大麦和燕麦的统称）和大豆的轮作。在南方各州，玉米可能与棉花和一种豆类（如豇豆）轮作。在一些热带国家存在这一轮作主题的变体，那里像木薯这样能在地里生长数年的作物可以单独种植，也可以与一年生作物间种。在一些水稻种植区，土地可以一直休耕，直到播种下一季水稻作物为止，但在东南亚的某些地区，由于土壤适合在旱季种植，水稻可以与豆类、玉米或蔬菜轮作。
农民在决定轮作的最佳作物时，还必须考虑如何收割：前面提到的小麦/菜豆/大麦/油菜轮作中的所有作物都可以进行联合收割，而插入牧草则需要农场有放牧的动物，或者需要额外的机械来割草，并将其制成干草或青贮饲料。
因此，农民对其种植的作物所做的决定取决于一系列因素：不仅涉及土壤和气候允许他们种植什么，还包括他们拥有的知识和设备能够生产什么，以及他们或其动物需要吃些什么，或者能够卖什么。以下各章将讨论这些考虑因素。