原文信息
题 目：Energy implications of the 21st century agrarian transition
作 者：Lorenzo Rosa, Maria Cristina Rulli, Saleem Ali, Davide Danilo Chiarelli, Jampel Dell’Angelo, Nathaniel D. Mueller, Arnim Scheidel, Giuseppina Siciliano & Paolo D’Odorico
期 刊：nature communications
时 间：2022.11.16
一作单位：Department of Environmental Science, Policy, and Management, University of California, Berkeley, Berkeley, CA, USA.
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-22581-7
+
研究背景
通过绿色革命实施的工业化进程克服了传统农业的历史限制，即土壤肥力、水和能源。采用基于化石燃料的工业肥料、新品种和机械，可以消除与土壤养分、水资源和劳动力相关的基本限制。氮肥工业、灌溉和其他技术的进步提高了农业的土地效率，但不一定能节省投入。尽管全球作物产量在过去50年中增加了两倍，但对环境造成了严重影响。全球粮食系统是主要的能源使用者和气候变化的贡献者。食品系统消耗了全球初级能源的15-30%，排放了全球温室气体(GHG)排放总量的25-34%。尽管最近估计了2000年至2016年，35%的排放是由乳制品和肉类生产造成期间。但近4000万公顷大规模土地收购(LSLAs)引起的森林砍伐和土地利用变化相关的温室气体排放量达到了80亿吨CO2当量，由此引发的土地转型相关的能源和相关温室气体排放以及其他有利于商业农业扩张的动态往往被忽视。
+
研究结果
低投入和高投入农业对能源使用。图3显示了低投入和高投入农业情景下，LSLAs在农场层面种植的主要作物的单位面积能源强度。在四种主要主要作物(水稻、小麦、玉米和大豆，占全球粮食产量的70%)中，高投入水稻生产是最耗能的。由于大豆和豆类具有直接从大气中固定氮的能力，需要较少的氮肥，因此与其他主要作物相比，它的能量强度相对较低。从高粱和小米向经济作物或主要作物的转变可能会对能源产生深远影响。在低投入的情景下，棉花具有最高的能源强度，这也引发了关于土地种植的非粮食作物选择的重要问题。对于低投入和高投入种植形式，花生作物的能源强度变化最大。
进一步分析了预期作物的总面积，以估算化石燃料能源需求和由LSLAs引发的全球土地利用变化中的碳排放。油棕是LSLAs最常种植的作物，占此处土地交易总面积的25%。这引发了人们对棕榈油种植园高水平温室气体排放的担忧。然后是其他种植园，其次是一系列粮食和饲料作物。
假设低投入农业种植区域向高投入农业过渡。在低投入农业的情况下，开发4.07公顷的预期作物将需要每年300万桶油当量的能源投入(图4b)。然而，鉴于许多土地交易寻求大规模商业作物生产，高投入、资本密集型生产有望在许多土地交易中占上风。以高投入农业来种植预期作物将需要5倍以上的化石燃料能源(或每年1500万桶石油当量)。
评估了LSLAs高投入农业将产生的额外温室气体排放。假设现代农业技术全部以石油为动力，并考虑到石油的平均温室气体排放强度等于每桶石油492.6千克二氧化碳当量，发现在LSLAs上的高投入农业每年将额外排放600万吨二氧化碳(相当于乌干达或乌拉圭2017年的排放量)。
LSLAs灌溉的能源利用。许多地理环境中，灌溉做法是不可持续的，因为它们对水的需求超过了当地可再生水的供应量，发现20%的土地交易位于水资源不足以可持续满足灌溉需求的地区。为了满足作物对水的需求有进一步的能源影响。灌溉需要能量将水从取水水源转移到田间——除非当地地形允许重力灌溉。使用WATNEEDS作物水模型来评估每笔土地交易的灌溉能源强度(即每单位面积的灌溉能源需求)，考虑两种最广泛的灌溉系统：由于喷灌比地表灌溉具有更高的操作压力，结果表明，在LSLAs上进行喷灌比地表灌溉需要更多的能量。而东欧、亚洲和拉丁美洲的作物类型和气候的组合表明土地征用的灌溉用水需求较低，因此能源需求较小。相反，由于干旱的气候条件和需要大量水的栽培作物(包括油棕和甘蔗)，非洲在灌溉方面的能源需求最高。
与灌溉所需的能源相比，生物燃料的土地交易通常是能源密集型的土地利用。研究表明，如果获得的土地用喷灌灌溉，每年可额外增加430万桶油当量(或2600万吉焦)的化石燃料能源投入。
+
编者按
本文重点研究了集约化农业的化石能源需求与LSLAs之间的关系。发现特别是在低收入和中等收入国家的化肥使用和灌溉方面，由低投入农业生产向高投入农业转型将需要比低投入农业多5倍的化石能源。在考虑LSLAs(407万公顷或约占全球耕地面积的0.27%)的基础上，高投入农业的更高能源强度将转化为每年1500万桶石油当量(约占全球年石油消费量的0.04%)，并每年增加600万吨二氧化碳的温室气体排放。全球农业转型是一个更广泛的全球现象，远远超过了本研究中所考虑的LSLAs的足迹。在规模经济的推动下，目前正在进行的农业工业化，正在推动中低收入国家从小农向大规模商业农业过渡。在全球范围内，小型农场(2公顷以下)占24%的农业面积(约3.6亿公顷)上生产了30%的粮食供应，并在支持当地人口的粮食安全方面发挥着重要作用。假设全球3.6亿公顷小型农场将从低投入农业向高投入农业转型，每年将额外排放6亿吨二氧化碳当量，占目前全球农业温室气体排放总量的4% 。
转自：“西农RE学术社”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
