Žmonių azoto naudojimo maistui mažinimas | mokslinės ataskaitos

Žmonių azoto naudojimo maistui mažinimas | mokslinės ataskaitos

Anonim

Dalykai

  • Aplinkos mokslai
  • Tvarumas

Anotacija

Reaktyvusis azotas (N) sukuriamas norint išlaikyti maisto gamybą, tačiau tik nedidelė šio azoto dalis sunaudojama kaip maistas, o likusi dalis prarandama aplinkoje. Apskaičiavome, kad 2000 m. Bendra N gamybos sąnaudų (TN) suma buvo 171 Tg N −1 . 2000 m. Gyvūninės kilmės produktų gamyba sudarė daugiau kaip 50% TN, palyginti su 17% pasaulinės kalorijų gamybos. Esant dabartiniam TN vienam maisto produkcijos vienetui ir darant prielaidą, kad nepasikeis žemės ūkio praktika ir atliekų santykis su maistu, mes manome, kad iki 2030 m. Reikės papildomo 100 Tg N-− 1 TN, kad būtų parengtas pradinis scenarijus, kuris patenkintų badą. tikslai daugiau nei 9 milijardams žmonių. Padidėjusi gyvulininkystė turės didžiausią įtaką didėjančiam TN, todėl reikia sukurti naujas maisto gamybos sistemas su geresniu N perdirbimu, pavyzdžiui, bendradarbiavimą tarp augalininkystės ir gyvulininkystės ūkių. Padidėjęs N vartojimo efektyvumas, sveikesnė mityba ir sumažėjęs maisto švaistymas galėtų sušvelninti šį padidėjimą ir 2030 m. Sumažinti TN net 8%, palyginti su 2000 m. Lygiu. Visame pasaulyje pasiekti TN sumažėjimą yra didelis iššūkis, kuriam reikia nuolatinių veiksmų, siekiant pagerinti azoto tvarkymo praktiką ir sumažinti azoto nuostolius aplinkoje.

Įvadas

Padidėjęs žmogaus reaktyviojo azoto (N) kiekis trąšose padidino derlių 1, 2, 3, 4, kad būtų pakankamai maisto daugumai pasaulio gyventojų. Vis dėlto tik dalis reaktyviojo azoto, naudojamo pasėliams, faktiškai sunaudojama maiste, likusi dalis prarandama aplinkoje ir daro neigiamą poveikį dirvožemiui, ekosistemoms ir klimatui, pvz., Išmetama N 2 O ir azoto aerozolių. Šiuo metu žemės ūkio produkcija yra atsakinga už reaktyvesnio N, nei visų sausumos gamtinių procesų, gamybą 8 . Augalininkystė priklauso nuo mineralinių trąšų (S1 pav.), Kurių pramoninė produkcija sudaro 53% viso žmogaus sukurto reaktyviojo N 9, be to, tai apima biologinį N fiksavimą auginamuose ankštiniuose augaluose. Ekstrapoliuodami pastebėtas naujausias tendencijas (S1 pav.), Galime tikėtis, kad iki 2050 m. Bus pagaminta 70–100% daugiau N trąšų nei 2000 m., Kad būtų patenkintas numatomas maisto poreikis daugiau nei 9 milijardams žmonių 10, 11 . Ateities scenarijai, pagrįsti praeities tendencijomis, sutampa su prielaidomis dėl padidėjusio gyvūninės kilmės baltymų vartojimo, tuo tarpu vien populiacijos padidėjimas negali paaiškinti prognozuojamos paklausos. Jei įvyks toks scenarijus, tai reikš didelę reaktyviojo N kiekio praradimą aplinkoje, eutrofikaciją, biologinės įvairovės praradimą, oro taršą dėl didesnio NO x ir NH 3 išmetimo, vandens taršą, dirvožemio rūgštėjimą ir N 2 O 5, 6 išmetimą. , 12, 13 .

Šiame tyrime mes apskaičiavome bendrą reaktyvųjį N kiekį (TN), susijusius su maisto gamyba per metus. TN apima mineralinių ir organinių trąšų naudojimą, biologinį fiksavimą, azoto nusėdimą atmosferoje pasėlių žemėse ir N perdirbimą iš pasėlių liekanų, taip pat papildomą pasėlių augalų pasisavinimą iš laistymo vandens ir anksčiau sukauptų dirvožemio N telkinių. Pirmiausia įvertiname žmogaus maisto gamybos TN, sujungdami 20 pasėlių N naudojimo duomenis 3 su maisto suvartojimo duomenimis 14 . Tada mes tiriame žemės ūkio ir maisto atliekų tvarkymo ateities scenarijus, kurie galėtų sumažinti TN, tuo pačiu patenkindami visuotinį maisto poreikį.

Rezultatai

Pasaulinė maisto gamybos TN

Apskaičiuota, kad 2000 m. Pasaulinė maisto gamybos TN yra 171 Tg N −1 . Ši bendra suma yra 137 Tg N-− 1, priskiriama 3 augalininkystei (85 Tg N-− 1, kai auginami javai žmonių maistui, ir 52 T N N −1, kai auginami javai, skirti pašarui) ir 34 T N N yr. −1, kad žolė būtų ganoma gyvūnų (1 pav.). Didelis kiekis reaktyviojo N, įtraukto į šį TN, prarandamas dirvožemyje, vandens sistemose ir atmosferoje prieš arba po maisto vartojimo. Mes įvertinome TN dalis, prarastą aplinkai auginant augalus prieš pradedant vartoti maistą, pagal azoto išplovimo modelius 15, dujinių išmetamųjų teršalų normą (N 2 O, NO ir NH 3 ) 16, 17 ir dirvožemio eroziją 18 . Augalininkystės metu vien tik išplovimas sudaro 17% augalininkystės produkcijos TN, 15% - dujinės emisijos, kiti procesai - 9% (šie procesai apima reaktyvųjį dirvožemį, likusį dirvožemyje, erozijoje esančiose medžiagose ir gėluose vandenyse ir upių perneštus į pakrantės vandenyną) ). Apibendrinant, tik 38% augalų pasėlių produkcijos patenka į nuimtų derlių derlių, o 21% - į pasėlių likučius, o likusi dalis prarandama, jei jų nenustato kultūriniai augalai. Taigi pasėlių likučių palikimas lauke reiškia N. perdirbimą. Nuo derliaus nuėmimo iki galutinio žmonių maisto suvartojimo daugiau kaip 20% pasėlių grūdų prarandama kaip maisto atliekos. Dėl šios N nuostolių pakopos, atsižvelgiant į pasaulinę maisto produktų gamybai skirtą 171 Tg N metus −1 TN, apskaičiavome, kad tik 40 Tg N −1 (23%) žmonės suvartoja kaip tikrąjį maistą (pav. .1). Aukščiau pateiktoje sąmatoje nėra atsižvelgiama į maisto nuostolius ir gyvūninių produktų atliekas, nes nėra tikslių duomenų apie šiuos nuostolius. Anot Gustavssono ir kt . 19, mėsos produktų nuostolių procentas buvo didesnis nei 20%, tuo tarpu žuvų ir jūros gėrybių produktų - daugiau kaip 30% įvairiuose pasaulio regionuose. Dėl konservatyvaus 20% nuostolių, susijusių su gyvūninės kilmės produktų gamyba ir vartojimu, bendras N nuostolis sudaro 17, 2 Tg N-− 1, o gyvulinių produktų gamyboje dalyvaujančio N procentas - 13%. Šis rezultatas akivaizdžiai parodo, kad šiandien maisto produktų gamyboje vyrauja nuostoliai.

Image

Kairė: reaktyviojo N, naudojamo maisto gamyboje, šaltiniai (gyvūniniai ir augaliniai produktai). Dešinė: reaktyviojo N kriauklės, rodančios šio N. likimą. Mažiau nei 40% augalininkystės TN tiesiogiai tampa žmonių maistu.

Visas dydis

Geografinis TN pasiskirstymas

Tada mes nustatėme geografinį pasėlių produkcijos TN pasiskirstymą, naudodami erdvinį azoto balanso modelį 3 (2A – C pav.). 2A – C paveikslai rodo, kad tarp šalių pasėlių auginimo vienam gyventojui TN yra ryškūs kontrastai (3 pav.). Didžiausias vidutinis TN vienam gyventojui yra Australijoje, Kanadoje ir JAV (atitinkamai 83, 82 ir 67 kg metinio −1 vienam asmeniui). Šios vertės yra daugiau nei tris kartus didesnės už pasaulio vidurkį - 22, 3 kg N / m −1 vienam asmeniui ir yra būdingos šalims, kuriose yra azoto perteklius. Nors Kinijoje yra didžiausias TN (27 Tg per metus −1 ), dėl savo didelio gyventojų skaičiaus Kinijos TN yra tik 21 kg N −1 vienam asmeniui, šiek tiek mažesnis už pasaulio vidurkį, tenkantį vienam gyventojui. Indijos TN vienam gyventojui yra 18 kg metinio −1 vienam asmeniui, 20% mažiau nei pasaulinis vidurkis, tenkantis vienam gyventojui. Palyginimui, Kenijos, daugumos Afrikos šalių atstovo, TN yra mažas - 6 kg N −1 vienam asmeniui, 73% mažiau nei vienam gyventojui tenkantis pasaulio vidurkis.

Image

( A ) TN vienam gyventojui skiriant 5 arkų minučių skiriamąją gebą. ( B ) Vidutinis vienam gyventojui tenkantis TN šalies mastu. ( C ) Įvairių šalių indėlis į visuotinę TN. ( D ) Grynasis TN importas, susijęs su prekyba pasėliais. Penkios didžiausią maistą eksportuojančios šalys (JAV, Brazilija, Kanada, Australija ir Argentina) sudarė 60% viso TN eksporto. Penkios didžiausią maistą importuojančios šalys (Kinija, Nyderlandai, Pietų Korėja, Japonija ir Meksika) sudarė 40% viso TN importo. [ Sukurtas naudojant ArcGIS 9.3.1 ].

Visas dydis

Image

Tai parodo apskričių kontrastus (žr. Tekstą).

Visas dydis

Regionai yra suskirstyti į penkias N stygiaus kategorijas (TN vienam gyventojui <9 kg N metams −1 ), N stresą (9 kg N metams −1 <vienam gyventojui TN <15 kg N metams −1 ), nėra azoto įtempių (15 kg). N yr −1 <vienam gyventojui TN <30 kg N per metus −1 ), N pakankamumas (30 kg N per metus −1 <vienam gyventojui TN <60 kg N per metus −1 ) arba azotas viršija 100% pakankamumo (vienam gyventojui TN) > 60 kg metinis −1 ) (2A, B pav.). N trūkumas ir N stresas dažniausiai kyla besivystančiose atogrąžų šalyse, Artimuosiuose Rytuose ir Rusijos pietuose, ir tai daro įtaką 48% pasaulio gyventojų. Priešingai, N pakankamumas arba 3 perteklius turi įtakos 26% pasaulio gyventojų šiandien. Augalininkystei nepakanka ir pertekliaus, jei parodyta 2A pav., Daugiausia ten, kur intensyviai auginama augalininkystė. Pirmiau pateikti skaičiavimai buvo apskaičiuoti sugretinant sujungtą informaciją apie N sąnaudas su gyventojų skaičiumi, ir tokiu skaičiavimu nepaisoma pasaulinės prekybos vaidmens paskirstant N tarp regionų. Atkreipkite dėmesį, kad pasauliniame augalininkystės produkcijos TN pasiskirstyme, parodytame 2A pav., Neatsižvelgiama į N srautus iš šalių iš augalininkystės plotų vartotojams. Pavyzdžiui, JAV azoto trūkumas tinklelio elementuose Vakarų ir Rytų pakrančių zonose (2A pav.) Reiškia nedidelį vietinės maisto produkcijos kiekį, tuo tarpu šį vietos trūkumą realiame pasaulyje kompensuoja gaminamo maisto įterpto N importas. JAV žemės ūkio gamybos baseinuose (pvz., Didžiojoje lygumoje).

Produkto TN

Azoto srautai, įterpti į prekybą augalininkystės prekėmis, priklauso nuo parduodamo maisto kiekio ir maisto produktų TN. Produktas TN (PTN) yra naudojamas norint apibrėžti N, sunaudotą kiekvieno konkretaus augalinio maisto produkto vienetui, o PTN erdvinis pasiskirstymas parodytas 4 pav. Pasaulio vidutinis PTN svyruoja nuo 40 kg N t −1 grūdams iki 76 kg N t −1 sojų pupelėms, įskaitant šį augalą, biologiniam fiksavimui ir tręšimui. PTN pasižymi dar dideliu asortimentu, kai atsižvelgiama į visus produktus: pradedant nuo mažiau nei 5 kg N t −1 cukranendrėms, cukriniams runkeliams ir maniokai iki daugiau kaip 100 kg N t −1 žemės riešutų ir pupelių auginimui. Pasėlių PTN taip pat skiriasi skirtinguose regionuose dėl klimato ir dirvožemio sąlygų, tręšimo lygio ir pasėlių veislių skirtumų. Atrodo, kad visų pasėlių vidutinis produkcijos svertinis PTN Afrikoje (20, 2 kg N t −1 ) yra 10% didesnis nei Europoje (18, 3 kg N t −1 ). Afrikoje javų pasėliai šiuo metu auginami neturint pakankamo azoto kiekio, o derlius sudaro tik apie 40% Europos 14 .

Image

Šis skaičius gaunamas naudojant 5 minučių skiriamąją gebą naudojant „ArcGIS 9.3.1“.

Visas dydis

TN įtraukta į prekybą

Azoto srautai, įterpti į pasėlių prekybą tarp skirtingų šalių, turinčių įvairių N sąnaudų, yra pateikti 2D pav. Į pasėlių prekybą įterptas TN svyruoja nuo 13 iki 20 Tg Nr −1 (žr. Metodų suvestinės ir S1 lentelės skaičiavimą; nacionalinis grynasis TN importas vienam gyventojui 5 pav.). Dalis TN pertekliaus kai kuriose išsivysčiusiose šalyse perkeliama į šalis, kuriose trūksta N ir yra streso, vykdant tarptautinę prekybą augalininkystės produktais. Jei laikysimės priskyrimo vartojimu pagrįstos perspektyvos, beveik 100% TN, susijusių su importuotu maistu, galima priskirti importuojančioms šalims, patenkančioms į N stygiaus ar streso kategorijas (S1 lentelė; 2D pav.). Pasauliniu mastu vartotojai daugiau kaip 10% savo TN perkelia iš šalies, ne importuodami maistą. Jei atsižvelgiama į gyvūninius produktus, prekyba įterptais TN modeliais skiriasi. Pavyzdžiui, Nyderlandai buvo didžiausi grynieji TN importuotojai iš augalininkystės produktų, tenkantys vienam gyventojui, tačiau ji yra neto TN eksportuotojai už gyvūninius produktus. Naujoji Zelandija importavo nedidelį kiekį TN per prekybą javais, tačiau gyvūninės kilmės produktų ji eksportavo daugiau nei 250 kg metinio −1 asmens −1 (5 pav.).

Image

Raudona spalva rodo grynąjį TN importą, o mėlyna spalva rodo grynąjį TN eksportą vienam gyventojui.

Visas dydis

Augalinės kilmės TN, palyginti su gyvūninio maisto gamyba

Mes nustatėme, kad norint gauti 1000 kcal augalinių produktų (S2 lentelė), reikia vidutiniškai 16 g N (S2 lentelė), dalijant augalininkystės produkcijos TN (įvertintą pagal konkrečių kultūrų produkcijos duomenis) iš visų augalinių augalų produktų maisto suvartojamo maisto kiekio 14 . Šis skaičius labai skiriasi regionuose (6 pav.). Reikėtų pažymėti, kad svarbi 20 (35%) augalininkystės produkcijos dalis yra skirta gyvūnams šerti, o ne tiesiogiai paverčiama maisto kalorijomis. Apskaičiuota, kad iš viso pašarų gamyboje gaunama 86 Tg N / m −1, iš kurių 56% gaunama iš pasėlių pagaminto pašaro, o likusi dalis - iš ganytos žolės 21 ganykloje (žr. Metodų santrauką ). Šis rezultatas reiškia, kad gyvūninis maistas pagamina daugiau kaip 50% viso TN, tuo tarpu jis sudaro tik 17% visos maisto kalorijų produkcijos 14 . Gautas azoto poreikis kalorijų produkcijos vienetui yra 84 g N / 1000 kcal gyvūnams gaminant kalorijas (S2 lentelė), palyginti su tik 16 g N / 1000 kcal augalinių kalorijų gamyboje. Taigi norint sunaudoti gyvūninius produktus, reikia šešis kartus daugiau N nei augaliniuose produktuose tam pačiam kalorijų kiekiui gaminti. Taigi, žvelgiant iš TN perspektyvos, pasėliams naudojant gyvulinius pašarus, kad ir kokie efektyvūs jie būtų, gaunamos daug didesnės TN vertės. Nepaisant to, gyvūniniai baltymai yra vertingi žmonių mitybai, todėl juos pakeisti reikia bent jau augaliniais baltymais, kurių metabolinės savybės yra panašios.

Image

N, reikalingas maisto kalorijų vienetui, yra sunaudoto azoto kiekis (visų rūšių), reikalingas kiekvienam kalorijų energijos vienetui gaminti. Rezultatai rodo aukštą N poreikio kalorijų atsargų vienetui erdvinį nevienalytiškumą regionuose. [ Sukurtas naudojant ArcGIS 9.3.1 ].

Visas dydis

TN istorinės tendencijos ir ateities scenarijai

7 paveiksle pavaizduotos istorinės TN tendencijos ir skirtingos ateities prognozės 175 šalyse, iš viso sudarančios 98% viso TN. Šie duomenys buvo apskaičiuoti pagal FAOSTAT žemės ūkio statistiką nuo 1961 iki 2009 m. Ir prognozuojami ateičiai 2020 ir 2030 m. Remiantis 4 skirtingais scenarijais (daugiau informacijos apie nacionalinį paskirstymą pateikiama S2 pav.). Mūsų baziniame scenarijuje laikoma, kad keičiamasi mityba ir siekiama Tūkstantmečio vystymosi tikslų (//www.un.org/millenniumgoals/) alkio mažinimo tikslo. Šiame pagrindiniame scenarijuje taip pat daroma prielaida, kad iki 2030 m. Visi žmonės pereis prie „sveikos“ dietos, kurios metu kalorijų kiekis vienam gyventojui būtų 3000 kcal per dieną –1, iš kurių 20% gaunama iš gyvūninės kilmės produktų 22 . Manoma, kad TN kinta tiesiškai. Taigi šis bazinis scenarijus jau pateikia gana optimistinę sveikos mitybos hipotezę, užkertančią kelią didžiuliam TN padidėjimui. Šiame scenarijuje N reikalavimas kalorijų produkcijos vienetui išlieka toks pats, kaip ir šiuolaikinėms technologijoms, ty azoto naudojimui žemės ūkyje nekinta dabartinės žemės ūkio technologijos ir pasėlių bei gyvulininkystės praktika (žr. Metodų santrauką ).

Image

( A ) Pasaulinės maisto gamybos istorinė tendencija ir ateities baziniai scenarijai 2020 ir 2030 m. ( B ) Penki ateities scenarijai, reikalingi TN, norint įvykdyti bado panaikinimo tikslą. BA, bazinė padėtis ; HD, sveika mityba ; WR, atliekų mažinimas ; EI, efektyvumo didinimas ; HB, kombinuotas . Iš viso į analizę buvo įtrauktos 175 šalys, įskaitant 69 mažas pajamas gaunančias šalis, turinčias maisto deficitą (žr. Palaikomąją informaciją).

Visas dydis

Prognozuojama, kad pradiniame scenarijuje TN padidės nuo 171 Tg N-− 1 iki 2000 m. Iki 244 Tg N-− 1 (+ 43%) iki 2020 m. (7A pav.). Prognozuojama, kad iki 2030 m. Bendras 100 Tg N-− 1 padidėjimas viršys 2000 m. Lygį (+ 58%). Pagal šį scenarijų mažas pajamas gaunančios šalys, turinčios maisto deficitą (LIFD), turi padidinti savo TN, kad galėtų pamaitinti augančią populiaciją (S2 pav.). Visų pirma numatoma, kad LIFD šalių TNT padidės dvigubai nuo 2000 iki 2030 m., O ne LIFD šalių TN padidės tik 25% (7A pav. Ir S2 pav.).

Taigi mūsų bazinis scenarijus, net ir turint optimistinę hipotezę apie dietą, reiškia nuolatinį ir didelį TN padidėjimą ateityje, nes, įgyvendinus pasaulinį bado mažinimo tikslą, padidės maisto gamyba LIFD šalyse. Šis didelis TN padidėjimas greičiausiai turės labai neigiamą poveikį aplinkai ir klimatui. Todėl mes ištyrėme galimus būdus, kaip sumažinti TN ir kartu sumažinti alkį, sudarydami keturis alternatyvius scenarijus. Sveikos mitybos scenarijus daro prielaidą, kad iki 2030 m. Visi apsirūpinę maistu gyventojai laikysis sveikos mitybos, kurią sukūrė ir rekomendavo Rockström et al . 22 ; kadangi dėl nepakankamo mitybos lygio suvartojamos energijos suvartojama tiek pat, kiek pagal pradinį scenarijų. Atliekų mažinimo scenarijus numato, kad 2000–2030 m. Maisto švaistymas sumažės 50%, atsižvelgiant į naujausią Europos Sąjungos politiką ir Jungtinių Tautų rekomendaciją (//www.europarl.europa.eu/sides/getDoc.do ? type = REPORT & reference = A7-2011-0430 & language = EN). Veiksmingumo didinimo scenarijuje daroma prielaida, kad PTN gali būti visur sumažintas, kad iki 2030 m. Pasiektų dabartinį Europos šalių vidurkį. Tai reiškia, kad mažiau reaktyvusis N bus naudojamas pasėlių biomasės vienetui (sausai medžiagai) gaminti, kad visame pasaulyje būtų naudojamas azotas. labai pagerės žemės ūkio efektyvumas. Galiausiai, kombinuotas scenarijus sujungia trijų ankstesnių scenarijų siužetus, laikomus papildomais.

Kiekvieno scenarijaus TN raida (7 pav. B) rodo, kad, palyginti su pradiniu scenarijumi, numatomą TN padidėjimą būtų galima žymiai sušvelninti sumažinus atliekas (16%), padidinant efektyvumą (28%) ir jas sujungus. scenarijus (42 proc.). Taigi maisto atliekų mažinimo ir didesnio azoto vartojimo efektyvumo derinys yra veiksmingiausia strategija, siekiant užkirsti kelią dideliam TN augimui ateityje. Sveikos mitybos scenarijus tik šiek tiek sumažina TN, palyginti su pradiniu atveju, tiek 2020 m., Tiek 2030 m., Kas nenuostabu, nes sveika mityba jau buvo pagrindinio scenarijaus siužeto dalis. Sveikos mitybos scenarijus daro prielaidą, kad ne LIFD gyventojai sumažins maisto, ypač gyvūninių produktų, vartojimą, tačiau poveikis TN yra nedidelis, nes šios šalys sudaro tik 37% pasaulio gyventojų 14 . Kombinuotame scenarijuje, kuriame sudėti visi principai, TN gali būti išlenktas ir parodyti šiek tiek mažesnį TN iki 2020 m. (−2%) ir žymiai mažesnį TN iki 2030 m. (−8%), palyginti su 2000 m. Bendras atliekų mažinimo įgyvendinimas, efektyvumo didinimo ir sveikos mitybos strategijų nauda yra tai, kad siekiama alkio mažinimo tikslų, išlaikant TN šiek tiek žemiau 2000 lygio.

Diskusija

Ryšys su kitais tyrimais

Mūsų TN įvertinimas 2000 m. Augalininkystės ir gyvulininkystės produkcijai buvo 171 Tg N-− 1, palyginti su 170 Tg N-− 1 iš Smil 21, tačiau yra mažesnis už bendrą 249 Tg reaktyviojo N į dirvožemį ir pievas kiekį. Metai −1 iš Bouwman ir kt . 23 Bouwman et al . 23 yra didesnis nei mūsų iš dalies todėl, kad jame yra N žaliavų pievose, kurios nėra naudojamos maistui gaminti, ty pievos, kurios nėra ganomos. Mūsų TN įverčiai yra didesni nei Galloway 24 24- ojo dešimtmečio 120 Tg N-− 1 1990 m., Kurie sudarė tik reaktyvųjį N, gautą Haber-Bosch proceso metu, ir BNF, auginant ryžius ir ankštinius augalus.

Leachas ir kt . 25 įvertino bendro reaktyviojo N kiekio, išmetamo į aplinką dėl maisto vartojimo, azoto pėdsaką; daroma prielaida, kad visas sunaudotas N (net ir dalis maiste) bus išleistas į aplinką. Taigi jų azoto pėdsakų apibrėžimas yra lygus bendram panaudoto N kiekiui, kuris yra panašus į mūsų TN apibrėžimą. Tačiau vienas skirtumas yra tas, kad Leach ir kt . 25 neįtrauktas N, prarastas maisto atliekose mažmeninės prekybos, maisto paslaugų ir galutinių vartotojų lygmeniu. Atliekos sudaro apie 1/3 galutinių vartotojų naudojamo maisto (pvz., Kukurūzams, žr. Leach ir kt ., 25 ). Kaip teigia Leachas ir kt . 25 straipsnyje teigiama, kad maisto sektoriaus azoto pėdsakas, tenkantis vienam gyventojui, yra 30 kg N, tenkantis vienam gyventojui −1 metams −1, jei į JAV būtų įtrauktos maisto atliekos, azoto pėdsakas padidėtų iki 45 kg N vienam gyventojui −1 metams - 1, dėl kurio „Leach“ ir kt . įvertinti labai arti mūsų (47 kg N gyventojui −1 metams −1 ). Leach ir kt . Apskaičiavo Nyderlandų azoto pėdsaką vienam gyventojui. 14, pataisytas atsižvelgiant į maisto švaistymą, yra 33 kg N, tenkantis vienam gyventojui −1 metams −1, tačiau jis liks 28% mažesnis už mūsų vertinimus. Leachas ir kt . 25 taip pat atsižvelgė į N nuotekose, į kurias nebuvo atsižvelgta šiame tyrime, kur galutiniai N vartotojai yra apibrėžiami kaip žmonės, vartojantys maistą.

Mes nustatėme, kad 38% TN yra įterpiama į pasėlių derlių, artimą 33% vertei, kurią Galloway ir Cowling 26 apibrėžė kaip N santykį derliaus derlyje ir trąšas. Mūsų tyrime pasėlių derlius ir likučiai kartu sudaro 59% pasėlių produkcijos TN, tai yra arti viršutinės 56% apskaičiavimo viršutinės ribos (Smil 27) . Mes nustatėme, kad N išplovimas ir dujiniai nuostoliai sudaro atitinkamai 17% ir 15% viso TN. Šie du procentai gerai palyginami su Bouwman ir kt . Pateiktomis 16% ir 14% vertėmis. 28 .

Mūsų rezultatas rodo, kad nuostoliai vyrauja maisto gamybos TN. Tokia išvada atitinka ir atitinka kai kurias egzistuojančias literatūras. Pavyzdžiui, pagal TKKG gairių 29 bendrąjį 1 pakopos metodą nurodoma, kad apie 30% (10–80%) į dirvožemį patenkančio azoto gali būti prarasta išplovus N, išmetamųjų teršalų faktorius NO x -N ir NH 3 -N gali būti prarastas. sintetinėms trąšoms turėtų būti apie 10% (3–30%), o organinėms trąšoms - dar daugiau, kai N 2 ON, priklausomai nuo dirvožemio ir trąšų tipo (paprastai mažiau nei 5%). Vienintelėje gerai žinomoje Jungtinių Tautų maisto ir žemės ūkio organizacijos (FAO) ataskaitoje apie maisto švaistymą taip pat nurodoma, kad visame pasaulyje prarandamas arba iššvaistomas maždaug trečdalis žmonėms vartoti skirto maisto 19 .

Ateities maisto gamybos TN svyruoja nuo 157 iki 271 Tg N-− 1 2030 m. Pagal mūsų scenarijus. Viršutinė riba yra beveik tokia pati kaip 270 TgN m-− 1, numatytą 2050 m. Galloway ir kt . 24, ir tai taip pat artima Bouwman et al . Reaktyviajam N kiekiui, įvestam į 2630 Tg N − 1 2030 m. Pasaulio žemės ūkyje. 23 jų „adaptacijos mozaikos“ scenarijuje. Bouwman ir kt . 23 numatomi būsimojo reaktyviojo azoto išmetimai iki 2030 m. Iki 268–331 Tg N-− 1 diapazonui pagal keturis Tūkstantmečio ekosistemų vertinimo scenarijus. Bouwman et al . 23 yra didesnis nei šis tyrimas ir Galloway et al . 6 tikriausiai todėl, kad tai apima natūralias pievas (žr. Aukščiau). Mūsų scenarijai yra pagrįsti sutaptomis N mažinimo priemonėmis maisto vartojime ir gamyboje, tuo tarpu Bouwman et al . 23 paėmė tik gamybos perspektyvą (S3 lentelė). Mūsų pradinis scenarijus, susijęs su globaliu TN, atitinka nepriklausomą reaktyviųjų N indėlių į pasaulio žemės ūkį įvertinimą, kurį pateikė Bouwman ir kt . 23 Pagrindiniame scenarijuje numatome papildomą 100 Tg N / m − 1 TN 2030 m. Augalininkystei 2030 m., Ateityje sugrupuojant natūralaus ir antropogeninio azoto TN. Šiuo metu trąšos sudarė 40% viso TN. Tikimasi, kad ši dalis ateityje padidės pagal bazinį scenarijų; taigi, maistui gaminti žmogus bent jau turės naudoti papildomas azoto trąšas 40 Tg N-− 1 . Šis kiekis yra artimas 48 Tg N-metams –1 iš Leach ir kt . 25 Erismanas ir kt . 30 taip pat prognozavo panašų azoto trąšų padidėjimą 50 Tg N-metru −1 2000 - 2030 m., Blogiausiu atveju, kai trąšų poreikis yra didžiausias.

Tiek mūsų tyrimas, tiek Bodirsky et al . 31 atkreipė dėmesį į svarbiausią azoto vartojimo efektyvumo didinimo ir maisto švaistymo mažinimo politikos vaidmenį mažinant N poveikį. Mūsų rezultatai rodo, kad 2030 m. Globalus TN gali būti 28% mažesnis scenarijuje didėjant azoto naudojimo efektyvumui, gerai suderinus su Bodirsky ir kt . 31 Mes prognozavome, kad pasiekus tikslą sumažinti maisto nuostolius ir atliekas, 2030 m. Pasaulinis TN gali sumažėti 16%, palyginti su pradiniu scenarijumi, o Bodirsky et al . Numatyta, kad 2050 m. Sumažės 24%, kai maisto atliekų sumažinimas bus derinamas su atliekų perdirbimu.

Naujovė ir apribojimai

Palyginti su ankstesniais tyrimais, pateikiame pirmąjį bandymą integruoti pasaulinius azoto pėdsakus maisto gamybos, vartojimo ir prekybos požiūriu (1 lentelė). Daugelyje ankstesnių pasaulinių N tyrimų daugiausia dėmesio buvo skiriama azotui gaminti maistui (pvz., Smil 27, Galloway ir kt . 24 Bouwman ir kt . 2, Liu ir kt . 3 ; Bouwman ir kt . 23 ), ir nedaugelis svarstė maisto vartojimą (pvz., Bodirsky et al. 31 ) ir azoto srautus prekyboje (vienas galimas pavyzdys, ty Galloway et al . 6 ). Kalbant apie maisto vartojimą, Bodirsky et al . 31 pateikė apytikslį 10 pasaulio regionų vertinimą, o mes surinkome duomenis iš 175 šalių. Kalbant apie prekybą maistu, „Galloway 6“ įvertino N prekybose trąšose, grūduose ir mėsos produktuose, o mes įvertinome N, įterptą į prekybos prekes, ir N, naudojamą šioms prekėms gaminti eksportuojančiose šalyse - terminas, panašus į virtualius vandens srautus 32 .

Pilno dydžio lentelė

Kita naujovė yra tai, kad šis tyrimas kiekybiškai parodo maisto nuostolių ir atliekų mažinimo svarbą švelninant TN. Maisto atliekų švaistymas yra rekomenduojamas kaip vienas iš pagrindinių veiksmų gaminant daugiau maisto ir mažiau taršos 33 . Vis dėlto kiekybiniai įvertinimai dėl N sušvelninimo galimybių sumažinti maisto nuostolius ir atliekas išlieka labai reti, išskyrus nuorodą. 31. Mūsų pagrindinis rezultatas yra tai, kad sumažinus maisto nuostolius ir atliekas būtų galima žymiai sumažinti azoto pėdsaką.

Yra keletas galimų mūsų metodikos patobulinimų. Pirma, mes neatsižvelgėme į daržoves į augalininkystės TN. Daržovėse yra didžiausias TN po mėsos dėl mažos derliaus augalų biomasės, didelės N sąnaudos, ypač besivystančiose šalyse, ir dėl didelių atliekų. Tačiau N trąšų dalis auginant daržoves yra maža (<1% Vokietijoje, Austrijoje, Nyderlanduose ir Norvegijoje, 2, 0% Prancūzijoje, 4, 4% Argentinoje ir 6, 4% Kinijoje) 34 . Kinijoje dėl gyventojų skaičiaus augimo labai padidėja daržovių poreikis, o didėjantis N kiekis yra vienas svarbus būdas padidinti daržovių gamybą. Taigi daržovių neleidimas nesudarys didelių sisteminių pasėlių auginimo TN klaidų.

Antra, iš tikrųjų nuoroda „sveika, bet ne švaistoma“ dieta iš tikrųjų yra labai skirtinga skirtinguose regionuose, atsižvelgiant į tokius parametrus kaip metabolinis poreikis, amžius ar tiesiog žmogaus biomasė. Tačiau nėra informacijos apie sveikos šalies kalorijų poreikį. Taigi šiame tyrime mes vartojome pamatinę 3000 kcal dietą vienam gyventojui per dieną, laikydamiesi Rockström et al vertės. 22 Ši pamatinė dieta pagrįsta gamybos lygiu, reikalingu alkiui panaikinti, kurį rekomendavo Pasaulio sveikatos organizacija (PSO) ir FAO 35, 36, ir ji apima vidutinius maisto nuostolius ir atliekas (atsižvelgiant į kalorijų kiekį 24%; Kummu et al . 37). ). Keli kiti autoriai tokį lygį taip pat naudojo kaip maisto saugumo rodiklį, pvz., Kummu ir kt . 38 ir Gerten et al . 39 . Nepaisant to, prieiga prie net kiekvienai šaliai būdingų kalorijų verčių duos patikimesnius rezultatus. Mes taip pat pripažįstame tai, kad mūsų vertinimai grindžiami kaloringumo lygiu, tuo tarpu baltymų kiekis nebuvo vertinamas. Tai trūksta labiausiai prieinamos literatūros, kurioje buvo įvertinti gamtos išteklių (pvz., Vandens ir žemės) poreikiai, daugiausia atsižvelgiant į kalorijų kiekį, o ne į baltymų suvartojimą 22, 39 . Būsimi tyrimai turėtų dėti daugiau pastangų ištirti ryšį tarp žmonių dietų ir baltymų suvartojimo. Žmonių dietoms, kuriose nėra mėsos, paprastai reikia daugiau baltymų turinčių augalų (pvz., Sojos pupelių), kuriems augti reikia daugiau azoto. Pavyzdžiui, norint gauti 1000 kcal sojų pupelių, vidutiniškai reikia 34, 1 g azoto, o tai yra 41% to paties, jei reikia tokio paties gyvulinio produkto.

Politikos reikšmė

Mūsų rezultatai pabrėžia svarbiausią vaidmenį derinant skirtingas strategijas siekiant kartu sumažinti alkį ir sušvelninti padidėjusį maisto suvartojimą. Svarbiausia yra bendras politikos, kuria siekiama sumažinti maisto švaistymą 50 proc., Ir visame pasaulyje pagerinti N efektyvumą, kad būtų pasiektas toks pat lygis, kokį pasiekia Vakarų Europos šalys, įgyvendinimas. Maisto atliekų mažinimas tiekimo grandinėse yra problema, kuriai nepavyko išspręsti sprendimo ir kuri kelia grėsmę žemės ūkio ir aplinkos tvarumui. 1, 20, 33, 40 . Maža pažanga siekiant maisto praradimo mažinimo tikslo, kurį 1945 m. Nustatė FAO 40, padaryta mažai. Dėl daugelio kliūčių šį tikslą sunku įveikti, įskaitant stebėsenos programų trūkumą daugumoje šalių 40 ir valdymo bei institucijų trūkumą 21 . Maisto atliekų mažinimui reikės nuolatinių vyriausybių pastangų, taip pat pereiti prie vartotojų elgesio ir įpročių. Pavyzdžiui, Kinijos politikos formuotojai imasi kovos su maisto švaistymu kampanijos „valyk savo lėkštę“, ribodami vyriausybės remiamus banketus - pakankamai rimtai, kad kai kuriuose Pekino restoranuose metinis verslas sumažėjo 35% 41 .

Norint pasiekti mažesnį PTN, taip pat veiksminga TN švelninimo priemonė. Mūsų mitybinio pasaulio pranešime skatinamas siekis, kad iki 2020 m. 20 proc. Padidėtų visos grandinės azoto vartojimo efektyvumas 33 . Panaudotų azoto trąšų ir derliaus vieneto santykis sumažėjo Japonijoje 42, o JAV - 43, 44 . Nepaisant to, remiantis USDA-ERS ataskaita, JAV vidurvakarių 45 kukurūzų augintojai ne visiškai įgyvendina USDA rekomenduojamą azoto valdymo praktiką. Norint sumažinti PTN ir pagerinti azoto naudojimo efektyvumą, vyriausybėms reikalinga griežta azoto politika 42, 43, o ūkininkams - patobulinta azoto tvarkymo praktika 45, 46 . Tačiau regionai skiriasi azoto problemomis ir politika: Afrikoje į pietus nuo Sacharos ir Lotynų Amerikoje azoto sąnaudos žemės ūkio srityse yra žemos, daugiausia dėl prastos transporto, rinkos infrastruktūros ir menko derliaus padidėjimo ir trąšų sąnaudų; daugelis šalių ten pabrėžė trąšų subsidijų poreikį maisto gamybai užtikrinti 33 . Politika reikalinga ne tik siekiant skatinti daugiau naudoti azoto, bet ir investuoti į transportą, rinką ir tikslinius tyrimus, taip pat plėsti drėkinimą ir tobulinti kitus agronominius veiksnius. Priešingai, regionai, pvz., Europa ir Kinija, susidūrė su taršos problemomis daugiausia dėl to, kad juose naudojama per daug azoto. Šie regionai pradėjo mažinti subsidijas trąšoms ir pabrėžė maistinių medžiagų nuostolių bei taršos mažinimą, tačiau azoto politikos veiksmingumą gali suabejoti nepakankamos investicijos ir didelės nuotekų valymo išlaidos 33, 45 . Šiuose regionuose reikia pereiti prie naujos tvaraus žemės ūkio paradigmos, pagrįstos tiksliaisiais ūkininkavimo būdais ir tvariu dirvožemio valdymu. Regionuose, kuriuose trūksta azoto ir kuriuose daug azoto, reikia stengtis ne tik parodyti geriausią azoto praktiką šioje srityje, bet ir pabrėžti ilgalaikį visų azoto tiekimo grandinės dalyvių dialogą, švietimą ir mokymą 33 .

Prekyba maisto produktais iš dalies leidžia užtikrinti apsirūpinimą maistu regionuose, kuriuose nepakanka vidaus gamybos. Neatsižvelgiama į ekonomikos paskatinto prekybos pasirinkimo padarinius PTN, net jei jie daro poveikį aplinkai ir ekonomines išlaidas gaminančioms šalims. Kai kuriais atvejais importuojant konkretų augalininkystės produktą, PTN yra mažesnis nei tuo atveju, jei tas pats produktas buvo gaminamas šalies viduje (pvz., Iš Brazilijos į Kiniją importuotos sojos pupelės), tačiau gali atsitikti ir priešingai (pvz., Ryžiai, importuojami iš Tailando į Braziliją). Pasauliniu mastu mes apskaičiavome, kad prekyba leidžia sumažinti grynąjį TN 5%, palyginti su hipotetiniu pasauliu, kuriame visos importuotos prekės buvo gaminamos šalies viduje.

Švelninimo veiksmai, tokie kaip maisto švaistymo mažinimas ir azoto vartojimo efektyvumo didinimas, sumažins ne tik vietos, bet ir pasaulinę aplinkos taršą. Teigiamo šių aktyvių veiksmų išorinio poveikio negalima visiškai atsižvelgti į nesuderintą vietos politiką 31 ; taigi, norint užkirsti kelią tolesniam TN augimui, kuris padarytų didelę žalą aplinkai ir ekonomines išlaidas, reikės tarpvyriausybinių pastangų 33 ir pasaulinio bendradarbiavimo 31 .

Metodų santrauka

Augalininkystės TN

Bendras augalininkystės produkcijos azoto kiekis (TN) yra visų azoto rūšių ( t ), susietų su visų augalininkystės produktų augalininkyste, suma ( c ).

Image

kur TN t, c yra t tipo azoto TN ( t = 1

.

T ) auginant c tipo pasėlius ( c = 1

.

C ). TN vienam gyventojui apskaičiuojamas padalijus TN iš tyrimo zonos gyventojų. Duomenys apie populiaciją, kuriuos mes naudojome, buvo gauti iš Kolumbijos universiteto Tarptautinio žemės mokslo informacinio tinklo centro (CIESIN) (//www.ciesin.org). CIESIN 2000 m. 2, 5 arko minutės skiriamosios gebos duomenys buvo paversti į 5 lanko minučių duomenis, sudedant gretimų 2, 5 lanko minučių ląstelių, kurios vėliau buvo panaudotos šiame darbe, vertes. Duomenys apie maisto gamybą gauti iš FAOSTAT 14 .

Apskaičiuojant TN kiekvieno augalinio produkto gamybai, buvo atsižvelgta į šešias N naudojimo rūšis: mineralinės azoto trąšos ( TN 1, c ); mėšlas ( TN 2, c ); drėgno ir sauso atmosferos nusėdimas ( TN 3, c ); biologinė azoto fiksacija ( TN 4, c ); azoto patekimas iš vandens ir iš vėjo ar tekančio vandens nusodintų dirvožemio dalelių ( TN 5, c ) ir azoto patekimas iš perdirbtų augalų liekanų ( TN 6, c ). Kiekvieno azoto tipo naudojimo įvertinimai buvo gauti iš Liu ir kt . 3 skirtingiems pasėliams, kurių erdvinė skiriamoji geba yra 5 lanko minutės.

Mes apsvarstėme 20 pasėlių ar pasėlių grupių: šešios grūdinės kultūros (kviečiai, ryžiai, kukurūzai, miežiai, soros ir sorgai), trys šakniavaisiai ir gumbavaisiai (bulvės, saldžiosios bulvės ir manijos arba baravykai), du ankštiniai augalai (sausos pupelės ir „ kiti “ankštiniai augalai”, du cukriniai augalai (cukranendrės ir cukriniai runkeliai), trys pluoštiniai augalai (kava, medvilnė ir kiti pluoštai), trys aliejiniai augalai (sojos pupelės, žemės riešutai ir kiti aliejiniai augalai) ir viena vaisių grupė (plantatas ir bananas). Šios kultūros kartu sudarė beveik 90% viso pasaulio derliaus nuėmimo ploto 3 .

Produkto TN (PTN)

PTN - azoto kiekis, sunaudojamas vienam augalinės produkcijos vienetui gaminti. C pasėliams jis gali būti apskaičiuojamas kaip TN ir augalininkystės santykis ( P ):

Image

Mes apskaičiavome vidutinį pasėlių (pvz., Javų) grupės PTN kiekvienoje tinklelio ląstelėje, padaliję bendrą TN iš visos šios grupės pasėlių bendros produkcijos. Apskaičiavome vidutinį konkretaus pasėlio PTN geografiškai apibrėžtame plote kaip viso TN santykį su visa šios kultūros produkcija geografinėje srityje.

Ekologinis pasėlių produkcijos pasiskirstymas 2000 m. Buvo gautas iš erdvinės produkcijos paskirstymo modelio (SPAM), kurio erdvinė skiriamoji geba yra 5 lanko minutės 47, 48 . SPAM pateikė patikimus erdvinės augalininkystės duomenis, net daugelyje besivystančių šalių (pvz., Afrikoje į pietus nuo Sacharos ir Brazilijoje) 48, 49 .

N reikalavimas kalorijų atsargų vienetui

N poreikis kalorijų atsargų vienetui yra N (visų rūšių) kiekis, sunaudojamas vienam kalorinės energijos vienetui gaminti. Apskaičiavome bendrą pasėlių grupės N poreikį kalorijų atsargų vienetui pasėlių grupei, padalijus visų pasėlių bendrą TN iš jų bendros kalorinės energijos. Pasėlio c sunaudojimo TN apskaičiuojamas padauginus šio derliaus PTN iš suvartoto maisto iš šios kultūros. Bendras kalorijų energijos, sunaudotos iš pasėlio c, kiekis apskaičiuojamas padauginus iš c tipo pasėlių suvartoto maisto svorį iš kalorijų c pasėlyje. Duomenys apie įvairių pasėlių suvartojamo maisto svorį ir kaloringumą yra gauti iš Maisto ir žemės ūkio organizacijos (FAO) 14 . Apskaičiavome vidutinį N poreikį augalinių produktų kalorijų vienetui ( n p ), pateikdami šią lygtį:

Image

čia NR c yra N reikalavimas c tipo pasėlių kalorijų kiekio vienetui ( c = 1

.

C ) (vienetas: g N / kcal), I c yra vidutinio žmogaus suvartoto maisto iš c tipo pasėlių svoris (vienetas: kg / asm. Per metus), o K c - c pasėlio kaloringumas (vienetas: kcal / kg).

Mes apskaičiavome, kad norint pagaminti ekvivalentinį 1000 kcal augalinio maisto reikia vidutiniškai 15, 7 g N. Ši vertė gali būti konservatyvi, nes į duomenų skaičiavimą neįtraukėme augalinio aliejaus į skaičiavimus. Augalinis aliejus sudaro 10, 9% viso maistinių augalinių produktų maisto produktų, ir paprastai jų N yra didesnis TN ir mažesnis kalorijų našumas N vienetui, kai atsižvelgiama į visą tiekimo grandinę, pradedant aliejiniais augalais ir baigiant augaliniais aliejais 14 .

Naujausi skaičiavimai rodo, kad 35% augalininkystės produkcijos sunaudojama gyvūnams šerti, 62% - tiesioginiam žmonių maistui, o likę 3% - kitiems tikslams, tokiems kaip bioenergija ar sėklų auginimas ir kiti pramonės produktai 20 . Tai reiškia, kad 48 Tg N sunaudojama kiekvienais metais gyvūnams gaminti. Augalai, naudojami gyvūnams šerti, kurie savo ruožtu naudojami gyvūninės kilmės produktams gaminti, sudaro apie 5/9 viso gyvulinės produkcijos TN, o likusi dalis TN gaunama iš ganymo ir vandens maisto 4 . Taigi gyvūninių produktų TN yra iš viso 86 Tg N −1 . FAO praneša, kad gyvūniniai produktai suteikė 1, 026 × 10 15 kcal dietinės energijos ir 897, 46 × 10 9 kg gyvūninės kilmės produktų (septynių rūšių bendras svoris, ty mėsa, subproduktai, gyvūniniai riebalai, kiaušiniai, pienas, žuvis / jūros gėrybės ir kiti vandens produktai) Vidutiniškai reikia 83, 9 g N, kad iš gyvūninės kilmės produktų pagaminama 1000 kcal dietinės energijos, ir 95, 8 g N, norint pagaminti kiekvieną kg gyvūninės kilmės produktų.

N likimas, esantis TN

Atlikdami analizę mes įvertinome (1) N, susikaupusį derliaus pasėlyje (ty derliaus derliui); (2) N kaupiasi derliaus nuėmimo liekanose; 3) N išplovimas iš pasėlių laukų į paviršinius ar požeminius vandenis; 4) dujiniai N nuostoliai iš pasėlių laukų į atmosferą dėl lakiųjų medžiagų ir denitrifikacijos; ir 5) N praranda dirvožemio eroziją ir dėl to pasikeičia dirvožemio N saugykla. Kiekvieno srauto įvertinimai buvo gauti iš Liu ir kt . 3, kurio erdvinė skiriamoji geba yra 5 lanko minutės.

Nuėmus derlių, dalis derliaus prarandama juos sandėliuojant, perdirbant ir transportuojant, kad galėtų juos pasiekti žmonėms vartoti. Taip pat apskaičiavome N tokiuose nuostoliuose iš N, kuris yra sukauptas derliui. Gamybos perspektyvoje mes atlikome visų augalų pasėlių skaičiavimą, remdamiesi prielaida, kad toje pačioje pasėlių kategorijoje (pvz., Javams) pasėlių maisto nuostolių lygis ( l ) buvo pastovus. Dėl prarastų maisto produktų ar atliekų prarasta TN (TNL) buvo apskaičiuota padauginus TN iš l :

Image

kur c žymi pasėlių tipą, o n žymi šalį. Šaliai ir pasėliams būdingos l vertės buvo gautos iš Gustavsson et al . 19 - penkiais etapais (derliaus nuėmimas, tvarkymas po derliaus nuėmimo, sandėliavimas, perdirbimas ir pakavimas, paskirstymas ir vartojimas) septynioms pasėlių ir mėsos grupėms (javai, šaknys ir gumbavaisiai, aliejinių augalų sėklos ir ankštiniai, vaisiai ir daržovės, mėsa, žuvis ir jūros gėrybės, pienas). septyniose šalių grupėse. Iki šiol Gustavssono ir kt . Ataskaita yra išsamiausias pasaulinės maisto atliekų statistikos šaltinis.

When our calculations were conducted from a production perspective, we did not consider food waste during the consumption process. But when we conducted such calculations from a consumption perspective, the food waste in the consumption process was taken into account. When predicting future TNL, we did not use detailed TN information for specific crops. Instead, we calculated TN based on dietary caloric intakes for plant and animal products. We used the l value of cereals to represent plant products, and that of meat to represent animal products. Cereals accounted for almost 60% of dietary energy intake from plant products, whereas meats accounted for 46% of dietary energy intake from animal products 14 .

TN imports and exports

TN imports (TNI) and TN exports (TNE) were calculated based on Eqs (5) and (6), respectively. The TN net import (TNNI) equaled the difference between TNI and TNE. Country- and crop-specific trade data were obtained from FAO 1 .

Image

Image
Image

where c denotes the type of crops, n denotes a nation, C is the total number of crop types, I c, n represents the units of crop c imported from country n , and E c, n represents the export in crop c to country n .

Historical and future TN of food consumption

We calculated the historical and future TN of food consumption ( TN′ ) considering plant and animal products for each scenario.

Image

where n p and n a represent the N requirement per unit of calorie supply of plant products and animal products, respectively. D p and D a represent the dietary energy intakes of plant products and animal products per country, respectively. Historical values of D p and D a from the 175 countries that are monitored by FAO were obtained from FAO for the period from 1961 to 2009 14 . We estimated the future values based on the scenario analysis. We obtained data on historical and present national dietary energy supply per capita (both plant and animal calorie supply) from the FAO food balance sheets 14 . Population figures in each country from 1970 to 2030 were also obtained from FAO 14 . The future TN is compared with the result of the base year 2000.

Quantifying the TN of food consumption to meet the hunger eradication targets ( baseline scenario )

We analyzed the hunger eradication targets for the 175 FAO countries in two years: 2020 and 2030. For 2020, we assumed that the “hunger task” of the Millennium Development Goals (//www.un.org/millenniumgoals/) would be fully achieved. This means that the proportion of undernourished people would decrease by half between 1990 and 2015. For 2030, we assumed that all people could achieve a “healthy but not wasteful” per capita calorie supply target (the “grand calorie target”) of 3000 kcal day −1, of which 20% comes from animal products (600 kcal day −1, the “animal calorie target”), following the value of Rockström et al . 22

Shifts of food consumption patterns and rising population are two key driving forces for food production. The global mean per capita calorie supply from animal products increased by more than 40% between 1970 and 2005 14 . This change was enormous for countries with the fastest growth of income and the fastest urbanization rate 14 . Hence, in our analysis, we considered the dietary calories from both animal products and plant products.

For 2020, we assumed that each undernourished person would eat 1700 kcal day −1 (an approximation of the basic human energy need), with the animal calorie supply equal to the present average for each country 14 . Adequately nourished people would at least reach and possibly exceed both the grand calorie target and the animal calorie target, and the caloric intakes should be no less than the level of 2000. For 2030, countries with a grand calorie supply in 2000 higher than the grand calorie target will remain at that level. For countries that have not achieved the grand calorie target, we assumed that they would reach this target in 2030 and that the calorie supply from animal products would be no less than the animal calorie target or the level of 2000.

The proportion of undernourished people in 1990 was based on available data for each country for the period from 1990 to 1992 14 . The nitrogen requirements to produce each unit of dietary calorie of plant or animal products were calculated in this study, as described above.

We aggregated the results of this analysis for 69 low-income food-deficit (LIFD) countries and 106 non-LIFD countries from the FAO list of 175 countries, for which calorie supply data are available. These LIFD and non-LIFD countries accounted for 63% and 36% of the world population, respectively, and they accounted for about 98% of total global TN. The lists of LIFD and non-LIFD countries are shown in the Supplementary Information.

Scenarios for potential reduction of TN

In addition to the baseline scenario, we also set up four scenarios to study the potential for the reduction of TN:

S1 Diet-shift scenario

In this scenario, we assumed that all the population with food security would have the balanced diet (ie, per capita consumption of 3000 kcal day −1 with 20% from animal products). For the malnourished population, we assumed that their dietary energy intakes would remain the same as in the baseline scenario (ie, by 2030, the malnourished population also has per capita consumption of 3000 kcal day −1 with 20% from animal products). Such a consumption pattern means that currently affluent people would have to reduce their consumption, and particularly animal product consumption.

S2 Waste-reduction scenario

An international document disclosed to the European Parliament and the United Nations contains a commitment to the global reduction of food waste by at least 50% by 2025 in comparison with 1990 levels and also suggests that the reduction of food waste should be a new UN Millennium Development Goal (//www.europarl.europa.eu/sides/getDoc.do?type=REPORT&reference=A7-2011-0430&language=EN). We used this commitment in our scenario, and assumed that progress would be made at a roughly equal rate each year. According to this commitment, food waste should be reduced by 50% in 2030 in comparison with 2000 levels. In S2, we assumed that this reduction task could be fully achieved in each country. The food loss rates in 2000 were based on an FAO report 19 that summarized the rates for seven commodities for five phases of the supply chain in eight global regions. In this estimate, the food loss rates of the LIFD countries for plant and animal products were calculated by weighting the total food waste in all five supply chains for cereals, roots and tubers, oilseed and pulses, fruits and vegetables, and for meat, fish and seafood, and milk estimated by FAO based on the total food caloric supply of each food category in sub-Saharan Africa, North Africa, West and Central Asia, South and Southeast Asia, and Latin America from the 2012 FAOSTAT data 1 . Similarly, the food waste rates of the non-LIFD countries were calculated using weighted averages in Europe, North America, Oceania and industrialized Asia (Japan, China, and South Korea). Our calculations showed that food waste rates from “field to fork” reached 30.8% for plant products and 23.9% for animal products in LIFD countries, versus 38.7% for plant products and 22.6% for animal products in non-LIFD countries.

S3 Efficiency improvement scenario

PTN varies significantly among countries and continents. For example, among all the continents, Europe had the lowest PTN for cereals, with a value 30% lower than the world average. Here, we assumed that PTN in all countries would be reduced to the European level by 2030 at a linear rate over time. This assumes that the efficiency of N use will improve and that the N requirements per unit of calorie supply will consequently decrease.

S4 combined scenario

This is a combination of all the measures taken in scenarios S1, S2, and S3.

Uncertainties in the scenario results are analyzed by adjusting the major parameters (the “grand calorie target” of 3000 kcal day −1, the “animal calorie target” of 600 kcal day −1, the food waste reduction target, the target PTN) by ±10%. The results are shown in Table S3.

Papildoma informacija

How to cite this article : Liu, J. et al . Reducing human nitrogen use for food production. Mokslas. Rep. 6, 30104; doi: 10.1038/srep30104 (2016).

Papildoma informacija

PDF failai

  1. 1.

    Papildoma informacija

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.