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是否满足全球营养需求?

克里希纳·巴哈杜尔KC博士

研究着眼于在增加粮食产量的同时节省土地并限制温室气体排放

营养需求
To feed a growing global population, this study suggests that the only way to eat a nutritionally balanced diet, save land and reduce 温室气体排放 is to consume and produce more fruits and vegetables as well as transition to diets higher in plant-based protein. Source: //commons.wikimedia.org/wiki/File:Child-559415_1920.jpg

编者注:本文共有21位合著者,但我们仅包含相应作者的姓名和所属信息。有关贡献者的完整列表,请参阅 原始出版物. 

在减少温室气体(GHG)排放和农业带来的其他环境影响的同时,为不断增长的人口生产足够的食物是一项重大的全球挑战。

提议的解决方案通常集中在将产量提高约70%,提高非生产性地区的单产,消除浪费和减少肉类消耗上。此类解决方案也可能有助于实现国际协议(如《巴黎气候协议》和《联合国气候变化框架公约》)设定的某些环境目标。 可持续发展目标 (SDGs)由联合国在2015年设定。

但是,迄今为止,尚未对各种食品(尤其是水果和蔬菜)的生产是否足以为全球人口提供营养均衡的饮食进行认真的全球评估。还不知道转向营养均衡的饮食是否会减少食品生产对环境的影响,从而有助于实现可持续发展目标和《巴黎协定》的目标。然而,最近的一篇论文发现,全球转向目前的西方饮食方式已成为亚洲许多地区已经观察到的趋势,这可能导致土地使用量增加1 Giga公顷。这表明,就其对环境可持续性的影响而言,至少需要考虑一些常用的营养指南。

本文改编自 原始出版物,该研究探讨了全球粮食生产在多大程度上在2011年(我们的基准年,即世界人口大约70亿)在营养上的充分程度,并在2050年预计可满足98亿人口的需要。营养学家推荐的饮食类型与全球农业生产统计数据的比较,然后探讨产生营养均衡的全球饮食的选择。

数据与方法

我们使用了一系列食品和农作物数据库以及不同的营养指南和建议,并采用了多种假设-包括营养指南的选择,计算实际份量和建议份量,计算现有与哈佛健康饮食板(HHEP)所需的土地数量;由哈佛大学公共卫生学院和哈佛医学院的专家共同创建,为消费者提供了主要饮食中最健康的选择。并计算温室气​​体排放–将全球生产的食物量与营养专家认为是健康饮食的食物相比较。

然后,我们估算了改用营养推荐的饮食方式对土地使用和温室气体的影响。然后,为了粗略估计不同可能策略的含义,我们估计了四种可能的未来方案的影响:

  • 一种场景,其中所有牲畜的消费都被基于植物的蛋白质所替代。
  • 消费者将牲畜的消费量减少到其蛋白质的20%(与当前的肉类比率:印度的植物性蛋白质一致)的情况。
  • 新技术增加作物产量的科学技术情景。
  • 减少家庭食物浪费的方案。

另外,为了评估走向营养均衡的全球饮食所带来的一些影响,我们做出了一些假设,在解释结果时需要考虑这些假设。有关所用数据和方法的详细信息,请参阅原始出版物。

结果

可用食品与健康食品方案的比较

目前,全球粮食生产量超过每人每天2750大卡,超过了养活全球人口所需的数量。尽管这些数据说明了农场一级的浪费,但并未包括估计的20%的家庭食品浪费。因此,目前可用的卡路里可能约为每人每天2200大卡,这足以满足世界目前的人口需求。

但是,将全球生产划分为不同的食物类别时,就会出现根本不同的情况。具体来说,全球农业目前每人每天生产12份谷物,5份水果和蔬菜,3份油脂,3份蛋白质,1份牛奶和4份糖。相比之下,使用HHEP,我们估计全球农业生产每人每天应提供八份全谷类,十五份水果和蔬菜,一份油,五份蛋白质和一份牛奶,以提供营养均衡的饮食。因此,世界上目前谷物,脂肪和糖类的产量过高,而水果和蔬菜的产量却大大不足,包括海鲜在内的蛋白质产量也较小(图1)。

营养需求
图1:全球产量与建议消费量全球粮食产量(蓝色柱)来自粮农组织(2011年)数据,营养建议(橙色柱)基于哈佛大学健康饮食板块模型。遵循CFG [17]和USDA指南,所有数据均显示在饮食中。
在广泛的食品类别中,当前的产量与建议的消费量之间存在进一步的不匹配。 HHEP模型表明,水果和蔬菜的总份量应包括大约40%的水果和60%的蔬菜,但水果目前仅占全球水果和蔬菜产量的28%。此外,在全球蔬菜生产中,近40%的产品是木薯和土豆等淀粉类蔬菜。另外,消耗的动物蛋白质中几乎有三分之二是红肉,HHEP模型将其视为对人类健康最不希望的蛋白质,并且比其他蛋白质产生更多的温室气体。

土地利用的影响

我们的分析发现,如果全球农业生产的食物达到HHEP推荐的水平,那么可耕地的数量将用于:

  • 粮食产量将减少1.5亿公顷;
  • 油脂产量将减少1.05亿公顷。和
  • 糖产量将下降多达3000万公顷。

同时,用于水果和蔬菜的耕地将需要增加1.71亿公顷。为了满足我们对蛋白质的需求,用于动物饲料的耕地面积将增加5700万公顷,而用于植物蛋白的土地将增加2000万公顷。因此,总的来说,按照HHEP推荐的饮食方式进行生产转移将使农业所需的耕地总量减少5100万公顷。减少农业用地可有助于全球努力保护生物多样性和增强生态系统服务。

当我们除了可耕地之外还考虑牧场时,情况就不同了:目前有34.33亿公顷的牧场用于饲养牲畜。将蛋白质产量提高到符合HHEP建议的水平,将需要38.91亿公顷。这强调了对其他蛋白质来源(如海鲜)的依赖的必要性。

到本世纪中叶,全球估计有98亿人口,我们的分析表明,如果饮食保持不变,并且农业继续生产与今天相同的食物比例,我们将需要1200万公顷的耕地和13.73亿公顷的耕地牧场。随着HHEP饮食的普遍采用,全球农业将减少3900万公顷的耕地和20.17亿公顷的牧场。

温室气体排放影响

根据我们从2011年基准年开始的统计数据,我们估计采用HHEP饮食相对于世界现有饮食,每年从摇篮到农场的温室气体总排放量将增加约2.8千兆吨(GT)或49%,不包括因土地用途变更而可能发生的任何其他温室气体。

我们还考虑了如果以高动物蛋白(按当前水平)实施HHEP饮食,但每周仅食用2份红肉,会发生什么情况。在这种情况下,温室气体总排放量将仅比当前水平增加0.7 GT。这些数据表明,素食主义者(素食主义者坚持以海鲜作为唯一肉源的饮食)或素食饮食可以减少温室气体的排放。

讨论:未来饮食的三种途径

我们的主要发现是说明营养专家建议的全球农业生产与全球人口均衡饮食所需的根本不匹配。尽管全球农业已经为世界目前的人口提供了足够的卡路里,但是水果,蔬菜和蛋白质的产量不足,而能源密集型食品(尤其是糖,谷物和油)的大量过量生产。因此,人们必须过度消费这些产品才能满足他们的卡路里需求。全球农业无法提供均衡的饮食,大概是造成当前肥胖和糖尿病流行的原因。

如果饮食保持不变,并且农业继续生产与今天的2050年预计的980万人口相同的食物比例,该分析还将量化土地使用和温室气体的影响。简而言之,如果没有其他变化,数据表明我们将需要增加1200万公顷的耕地和13.73亿公顷的牧场,每年将增加2.25 GT的温室气体。相反,如果普遍采用HHEP饮食,全球农业将需要总土地19.78亿公顷,每年增加6.15 GT的温室气体排放。由于这些估算超出了可用的土地基础和可接受的排放量,因此我们考虑了未来的三种潜在途径。

途径1:转向需要更少土地和产生更少GHG的蛋白质

减少与饮食相关的温室气体的一种方法是既提高牲畜系统的效率,又降低我们从畜牧业获得的蛋白质的比例。话虽如此,这种分析不应被视为纯粹素食的理由。畜牧业在许多农业生态系统中发挥着重要作用,全世界9.87亿人口依靠饲养动物作为关键的生计策略,而许多牧场不适合作物生产。在世界上营养不良仍然很普遍的地区,增加畜产品的消费可以帮助改善农村贫困人口的福祉。此外,畜牧业和以动物为基础的饮食对世界各地的人们在文化上都很重要。因此,肉类消费将继续,但不能持续到今天的水平而不会造成重大后果。

因此,总体而言,这些数据表明,随着对植物性或替代性蛋白质(例如真菌,藻类或昆虫)的依赖性增加,粮食和农业系统的环境足迹将减少。此外,目前的科学工作正在帮助提高动物将饲料转化为可用肉并繁殖产生较少温室气体的动物(尤其是牛)的效率。还可以通过“高密度短期轮作”放牧等方法来减少牲畜对环境的影响,并增加土壤碳固存,这种方法是在短时间内将相对大量的牛放在小牧场上。

关于土地使用,情况更加复杂。如上所述,即使普遍采用HHEP饮食,由于需要扩大高蛋白豆科作物的产量,为全球人口生产足够的蛋白质将增加与耕作相关的耕地数量(图2A) 。这可能会造成严重的环境后果,涉及土壤流失,土地用途变化排放的温室气体以及与商品农业相关的生物多样性丧失。但是,减少用于饲养牲畜的牧场的数量可以弥补耕种面积的增加。因此,在同时考虑耕地和牧场的情况下,数据表明,如果既转向HHEP,又要大量消耗植物性蛋白质,则农业使用的土地总量不必增加(图。 2A)。

营养需求
图2:以百万公顷为单位的土地使用量比较,以及采用HHEP饮食的70亿人(今天)和98亿人(2050年):A)用于动植物来源和植物来源的蛋白质只要。 B)以家庭食物垃圾的现状为例,占家庭食物垃圾的10%。

鱼类消费量增加是另一种有用的策略,因为鱼类代表了温室气体排放量相对较低的蛋白质供应,并且已发现可改善心脏和血管健康并减少心血管疾病。然而,还有其他问题,包括毒素对鱼的污染,海洋过度捕捞和栖息地的丧失。因此,需要付出更多的努力来发展可持续的鱼类资源(也许通过改进的和陆基水产养殖或鱼菜共生)并促进可持续的捕捞方式。

总体而言,此处提出的分析加强了越来越多的研究,这些研究表明,开发需要更少土地面积和更少资源的新蛋白质系统(基于植物,藻类,真菌或昆虫)的重要性。

途径2:提高产量的科学技术

第二种方法是利用科学和技术提高产量,特别是水果和蔬菜,其中许多依赖传粉媒介。在以上计算中,我们假设技术进步将继续以每年1%的速度提高产量,这与过去50年技术提高产量的方式一致。

但是,转向HHEP加上人口增长带来的需求增加,将要求水果和蔬菜的年产量增加8%。这将代表着巨大的科学和技术挑战,将需要对国际农业食品研究进行调整,从目前对谷物和淀粉类食品的主要关注转向对水果和蔬菜的研究。同样,要在不增加土地需求的情况下保持HHEP推荐的蛋白质和奶制品水平,肉类蛋白质的产量每年需要增加3%,乳制品的产量每年需要增加0.8%(表1)。

Bahadur,营养需要,表1

食物组到2050年人口98亿
全谷类无需增加*
水果和蔬菜每年8.72%
精油无需增加*
蛋白每年3.27%
牛奶/乳制品每年0.79%
无需增加*
表1.在不增加耕地数量的情况下,为2050年世界人口生产HHEP饮食所需的年产量百分比增长。
*由于我们目前正在生产谷物,油&脂肪和糖类超出了预期的需求,这些类别的集约化程度可以降低,或者可以从这些作物的生产中剥夺土地,从而减少农业对生态系统服务的影响。

增加水果和蔬菜的产量而不增加农业用耕地的数量,也可以部分通过城市农业,垂直农业的创新,LED照明和水培技术驱动的室内生产设施以及其他先进的园艺生产技术来实现。必须与农民指导的参与性植物育种和遗传计划相结合,开发这种创新的生产系统,并为授粉服务提供支持,以提高产量。

途径3:减少浪费

另一个可能的解决方案是减少家庭食物浪费。鉴于粮农组织的数据包括从农场到零售的废物,但不包括估计高达20%的家庭废物,我们计算了将这种家庭废物减半将如何影响当前饮食和耕地的耕地和牧场需求仅使用植物性蛋白质的饮食。如果将全球家庭食物浪费减少一半,那么,分别需要的仅888和8.9亿公顷,而不是需要70亿人口的9.87亿公顷耕地和98亿人口的9.99亿公顷耕地。同样,当我们考虑增加植物性蛋白质的消费量和减少废物的未来时,牧场的需求应该仅为70亿人,仅19.73亿公顷,98亿人,仅27.63亿公顷,而目前的牧场需求为34.33亿公顷牧场(图2B)。就温室气体排放而言,将废物从20%减少到10%将减少粮食生产的资源使用,从而减少10%的排放(除了减少垃圾填埋产生的甲烷排放)。

结论

总之,(1)当前的农业生产未能提供世界人口所需的多种食物,以实现营养学家推荐的均衡饮食; (2)纠正这种不平衡状况将节省耕地,但(3)还要保存牧场和减少温室气体排放将需要更多地依赖植物性蛋白质来源。此外,如果世界人口按预期增长,则粮食生产必须改变以适应可用土地以及可接受的土地利用水平和温室气体排放水平。

数据表明,采用营养均衡的饮食需要更多的水果和蔬菜消费,再减少谷物,脂肪和糖的消费,以及开发需要较少土地生产的蛋白质,这将有助于确保未来几十年的可持续均衡饮食。这种过渡将减少全球温室气体排放,更好地支持生态系统服务和生物多样性,并为人类健康带来重大利益。

参考文献可在原始出版物中找到。


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