- 中文題目
有機農業可持續養活世界的發展戰略
- 期刊名稱
NATURE COMMUNICATIONS（影響因子：12.121）
- 第一作者
Adrian Muller，瑞士有機研究所研究員，曾在《NATURE COMMUNICATIONS（影響因子：12.121）》、《PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA（影響因子：9.412）》等著名期刊發表多篇文獻。2020年SCI共收錄21篇，被引頻次總計為668。
- 作者單位
Research Institute of Organic Agriculture FiBL，瑞士有機研究所，是世界上系統從事有機農業最早的研究所，也是有機農業領域裡全世界最領先的研究機構之一。FiBL擁有一支高素質的員工隊伍，在有機土壤管理、植物生長、整體動物健康、動物行為學、有機動物養殖、社會經濟學、有機市場的全面分析、有機食品加工和生產等方面都深有研究，且在國際上享有盛譽。
研究亮點
1. 研究通過SOL模型結合了一系列農業和糧食生產系統的指標，對有機農業可持續地養活世界的可能性進行了探討，並對環境影響進行了定量分析；
2. 有機農業會比常規農業佔用更多的土地，但在特定的情境下可以滿足全球糧食需求；
3. 除了土壤侵蝕潛力外，有機農業的環境表現均優於常規農業生產模式；
4. 有機農業要想可持續的養活世界，除田間生產外，還應更加註重可持續食物體系，以解決食物浪費、作物-草-牲畜的相互依賴性和人類消費等問題。
研究背景
近幾十年來，農業集約化極大地增加了糧食供應。然而，這造成了相當大的環境影響，在遏制農業對環境產生負面影響的同時，確保能夠提供同樣數量的糧食至關重要。為實現這一目標，相關研究人員提出了很多建議，例如進一步提高生產和資源利用的效率，或採取有機生產等綜合方法，減少動物產品的消費和食物浪費等。
有機農業是改善食物系統可持續性的一個具體但存在爭議的建議，它禁止使用化學合成的肥料和農藥，強調作物輪作，注重土壤肥力提升和內部養分循環。然而，有機生產模式的產量較低，需要佔用更大的土地面積來生產與傳統生產模式相同的產量。因此，有機農業可持續養活世界的能力受到了挑戰。
目前的一些研究都沒有從食物系統的角度評估有機生產模式養活全世界的可能性，也沒有探討改變動物飼養制度、消費趨勢和減少食物浪費可能發揮的作用——所有這些都是可以大幅減少農業生產的土地需求、降低環境影響和促進全球糧食供應的戰略因素。基於此，
本文采用了SOL模型，將農業食品生產中動物飼養、消費趨勢和食物浪費幾方面納入評估體系，探討有機農業可持續地養活世界的潛在可行性。
研究方法
本研究採用SOL模型進行評估，SOL模型是一個自下而上的農業生產和糧食部門的物質流平衡模型，該模型根據世界糧農組織（FAO）統計的數據庫進行了校準，用於捕捉追蹤生產中的生物量和養分流，以評估不同方案的可行性，不考慮經濟限制和與數量、價格變化有關的市場效應。
SOL模型中的每項作物和牲畜活動都有一套投入和產出，即與各項活動有關的數量和養分的所有物質流動。畜牧活動的投入是飼料、建築物的能源投入、馬廄中進行的活動（清潔、餵養）以及柵欄的投入。產出包括人類食用產品(肉、奶、蛋)和不可食用產品(皮、毛、骨等)、糞便排洩、營養損失和溫室氣體排放。
研究中設定有機農業生產面積佔比的不同情景（常規生產、20%有機生產、40%有機生產、60%有機生產、80%有機生產、100%有機生產），並對土地佔用、氣候影響、食物浪費、競爭飼料、環境影響進行情景模擬，通過SOL模型評估每種情景，得出每種生產情景下所有作物和牲畜活動的投入、產出和環境影響。對於所有的情景，評估了食物的可獲得性（用人均每天的卡路里和蛋白質供應量來表示）、飲食模式、土地佔用、動物數量以及一系列環境影響，如N/P盈餘（即N/P流入和流出之間的淨差）、水資源消耗、森林砍伐和溫室氣體排放。
主要結果
01
有機農業可行性
圖1 耕地面積的佔用(十億公頃為基準)；基準年(2005-2009年平均數據)、2050年參考情景(0%有機)和有機產品生產百分比增加情景的耕地面積
如圖1所示，與基準年(2005年-2009年平均數據) 相比，維持常規農業生產的前提下耕地面積在2050年需要增加6%。而如果耕地全部（100%）進行有機生產，考慮到有機作物減產因素（8%~25%），耕地面積需要增加16-33%。如果同時考慮到氣候變化對產量的不利影響，有機生產所需的土地佔用將進一步增加，與基準年相比，2050年參考情景常規生產的土地佔用最多可增加55%，而100%有機生產則需要增加71-81%。
圖2 模擬情景下（有機耕地面積佔比、氣候變化對產量的影響、減少糧食競爭的飼料以及減少食物浪費)耕地面積變化的百分比（＞+5%為紅色；＜-5%為藍色；-5%~+5%為黃色，灰色虛線0%為參考情景，參考情景的耕地面積比基準年高6%）
由於有機和常規生產存在產量差距，與部分有機生產相比，常規生產需要的土地更少，但如果採取一些措施，有機生產則可以彌補與常規生產的產量差距，實現整體的可持續性。如圖2所示，部分有機生產(如中等氣候變化影響下，與糧食競爭土地的動物飼料減少40%)，甚至是全部有機生產(如中等氣候影響下，減少50%的食物浪費以及100%的競爭食物的飼料)是完全可行的，與參考情景相比土地需求相等甚至更少。
圖3 模擬情景下（有機耕地面積佔比、氣候變化對產量的影響、減少糧食競爭的飼料以及減少食物浪費）氮盈餘百分比（＞+5%為紅色；＜-5%為藍色；-5%—+5%為黃色，灰色虛線0%為參考情景，參考情景的耕地面積比基準年高6%）
氮盈餘是氮向生態系統供過於求及其相關影響的指標，氮盈餘=氮投入-氮產出，氮投入=肥料投入+生物固定，氮產出=產品帶出+氮排放+氮淋溶。在有機生產中，由於化肥氮素投入的減少和豆科作物氮素的增加，氮盈餘會隨著有機生產比例的增加而減少，並在有機生產佔比為80%時達到平衡水平。基準年相比，100%有機生產情景下氮盈餘甚至可減少15%-35%。總而言之，當60%有機生產、氣候影響中等、減少50%競爭飼料和減少50%食物浪費的情景時，只需要少量的額外土地便可以養活全球人口(圖2)，並且氮盈餘也在可接受的範圍(圖3)。
02
不同情景對飲食的影響
本文通過分析不同情景下的飲食消費，說明所涉及的不同食物體系策略對消費方面的影響。在該模型中，豆類作物在有機生產系統中的份額增加到種植面積的20%，這導致膳食結構(蛋白質供應份額)略有變化，完全有機生產的蛋白質/卡路里比例為12%，而參考情景中的比例為10.9%，這高於美國國家科學院食品和營養委員會推薦的10%的最低水平。隨著額外的豆類替代肉類，動物產品的份額從參考情景的38%下降到全部有機生產的36%。
有機農業可以通過增加豆類作物以彌補動物蛋白供應的減少，使人類膳食結構處於合理的狀態。03
環境影響
圖4展示了2050年全面轉向有機農業對環境的影響，藍色的線代表常規生產。
100%有機生產將減少一系列的環境影響，但有一個情況例外，土壤侵蝕潛力與常規生產相比增加了10-20%，主要是因為有機生產的土地面積增加引起的（假設有機與常規生產的土壤侵蝕率相似）。
P盈餘：假設有機系統與常規系統的非再生P投入水平相似，P盈餘可保持與常規生產的相同水平。
不可再生能源：與常規生產，可以減少19-27%（主要是由於減少合成肥料，以及由於Ecoinvent 2.0數據庫中報告的能源使用的差異）。
溫室氣體排放量：與常規生產相比則減少了3-7%，但與基準年相比仍增加了8-12%。（包括森林砍伐和有機土壤流失所導致的溫室其他排放）。
農藥使用：由於有機農業不使用化學合成的農藥，其影響相應地降至零。
總產量：根據假設，所有情景都提供相同的卡路里和蛋白質水平，不影響產量。
總之，除土壤侵蝕外，有機農業在其他環境指標，如磷盈餘、不可再生資源需求、溫室氣體排放、農藥等方面均優於常規農業。
圖4 2050年全面轉向有機農業對環境的影響。有機生產情景(100%有機農業，黃色線)相對於參考情景(0%有機農業，藍色線)的環境影響，有(虛線)和沒有(實線)氣候變化對產量的影響;在所有情況下，卡路里保持不變。顯示的指標有:農田使用、毀林、溫室氣體排放(包括毀林、有機土壤)、氮和磷過剩、水資源利用、不可再生能源使用、土壤侵蝕、農藥使用
研究結論
有機農業被認為是實現可持續食品體系的一條願景途徑，但其可行性也存在爭議。本文采用食物系統模型，該模型根據有機農業的農藝特性分析了有機農業在可持續食物系統中可以發揮的作用。文章表明，
2050年100%的有機農業生產比常規農業需要更多的土地，但減少了氮盈餘和農藥的使用。在分析時，將糧食浪費與飼料競爭減少，以及相應動物產品的生產和消費減少的模擬情景相結合，採用SOL模型模擬出2050年100%有機農業下的土地使用低於常規農業，溫室氣體排放等其他環境指標也有所改善。除了注重生產之外，可持續糧食系統還需要解決食物浪費、作物、草、牲畜的相互依賴和人類消費問題。文章中提出的這些發展戰略實際上並不需要全面實施，只需要部分措施能夠得到實施就能帶來一個更可持續的食物供給未來。
