Постачання продовольства та виробництво біоенергії в межах глобальних планетних кордонів

У рівній мірі сприяв цій роботі разом з: Р. С. Генрі, К. Енгстрьом

Ролі Адміністрація проекту, візуалізація, написання - оригінальний проект, написання - огляд та редагування

Філіальна школа географічних наук, Единбурзький університет, Единбург, Великобританія

В рівній мірі сприяв цій роботі разом з: Р. С. Генрі, К. Енгстрем

Ролі Концептуалізація, формальний аналіз, методологія, програмне забезпечення, написання - оригінальний проект

Відділ фізичної географії та науки про екосистеми, Університет Лунда, Sölvegatan 12, Лунд, Швеція

Ролі Формальний аналіз, методологія, програмне забезпечення

Authors ‡ Ці автори також внесли однаковий внесок у цю роботу.

Відділ фізичної географії та науки про екосистеми, Університет Лунда, Sölvegatan 12, Лунд, Швеція

Ролі Фінансування придбання, написання - огляд та редагування

Authors ‡ Ці автори також внесли однаковий внесок у цю роботу.

Affiliations School of Geosciences, Edinburgh University, Edinburgh, United Kingdom, Land Economy and Environment Research, SRUC, Единбург, Великобританія

Придбання фінансування ролей, нагляд, написання - огляд та редагування

Authors ‡ Ці автори також внесли однаковий внесок у цю роботу.

Філія Карлсруе, Інститут технологій, Інститут метеорології та кліматичних досліджень, Дослідження навколишнього середовища (IMK-IFU), Kreuzeckbahnstr. 19, Гарміш-Партенкірхен, Німеччина

Придбання фінансування ролей, нагляд, написання - огляд та редагування

Authors ‡ Ці автори також внесли однаковий внесок у цю роботу.

Affiliations School of Geosciences, Единбурзький університет, Единбург, Великобританія, Технологічний інститут Карлсруе, Інститут метеорології та дослідження клімату, Дослідження атмосферного середовища (IMK-IFU), Kreuzeckbahnstr. 19, Гарміш-Партенкірхен, Німеччина

Р. С. Генрі,
К. Енгстрьом,
С. Олін,
П. Олександра,
А. Арнет,
М. Д. А. Руунсевелл

Цифри

Анотація

Цитування: Henry RC, Engström K, Olin S, Alexander P, Arneth A, Rounsevell MDA (2018) Постачання продуктів харчування та виробництво біоенергії в межах глобальних планетних кордонів. PLOS ONE 13 (3): e0194695. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0194695

Редактор: Пол К. Струїк, Університет Вагенінгена, НІДЕРЛАНДИ

Отримано: 9 серпня 2017 р .; Прийнято: 7 березня 2018 р .; Опубліковано: 22 квітня 2018 р

Наявність даних: Дані, що лежать в основі цього дослідження, були завантажені в базу даних PANGEA і доступні за таким посиланням: https://doi.pangaea.de/10.1594/PANGAEA.885799.

Фінансування: Це дослідження було проведено в рамках гранту Formas Strong Research Environment для AA, Землекористування сьогодні та завтра (LUsTT; dnr: 211-2009-1682; http://www.formas.se/en/). MDAR, PA і AA відзначають підтримку проекту Сьомої рамкової програми Європейського Союзу (FP7) LUC4C (грант № 603542; https://ec.europa.eu/research/fp7/index_en.cfm). RCH і PA відзначають підтримку проекту Глобальної програми продовольчої безпеки Великобританії Стійкість продовольчої системи Великобританії до глобальних шоків (RUGS, BB/N020707/1; https://www.foodsecurity.ac.uk/). Фінансисти не мали жодної ролі у розробці досліджень, зборі та аналізі даних, прийнятті рішення про публікацію чи підготовці рукопису.

Конкуруючі інтереси: Автори заявили, що не існує конкуруючих інтересів.

1. Вступ

Прогнозований приріст населення до понад 9 мільярдів людей до 2050 року, наслідки зміни клімату на продуктивність сільського господарства [1–4] та перехід до дієти на основі тварин [5–8] становлять виклик для забезпечення продовольчої безпеки в майбутньому. Частка людей, які недоїдають у всьому світі, зменшилася вдвічі в період між 1990 і 2015 роками; впавши з 23,3% у 1990–92 рр. до 12,9% у 2015 р. [9]. Тим не менш, у 2015 році все ще було близько 800 мільйонів недоїдаючих людей, переважно в Азії та Африці. Досягнення продовольчої безпеки в майбутньому вимагатиме достатнього виробництва продовольства, а також рівного розподілу та доступу всіх людей, як зазначено в другій Цілі ООН зі сталого розвитку [10].

У сукупності існує великий тиск на сухопутну систему, щоб прогодувати зростаюче населення, сприяти пом'якшенню клімату і тим не менше залишатися в межах планети для площі посівів. Протягом останніх десятиліть аналіз сценаріїв відігравав центральну роль в оцінках подолання такого зростаючого тиску, намагаючись дослідити потенційні наслідки соціально-економічних змін та глобальних змін навколишнього середовища. Такі сценарії походять від інтерпретації цілісних, якісних сюжетних ліній, що описують майбутні шляхи чи прогнози [24–27]. Дослідницькі сценарії описують різні майбутні стани, які можуть виникнути за відсутності встановлення цілей, часто екстраполюючи поточні тенденції, наприклад на попит на їжу, розширення посівних площ та клімат [27–29]. Наприклад, нещодавні роботи з використанням інтегрованих моделей оцінки досліджували безліч питань, включаючи майбутні зміни клімату, землекористування та енергетичного сектору, які можуть відбуватися без урахування чіткої екологічної та енергетичної політики [4,30,29,31–33].

У нормативному (або цілеспрямованому) сценарійному підході спочатку визначаються цілі, що представляють бажану ситуацію в якийсь момент у майбутньому, а шляхи досягнення цих цілей інтерпретуються або виводяться, часто на основі модельних моделювань [34]. Існуючі підходи до нормативного сценарію визначили цілі та інтерпретували шляхи задоволення попиту на їжу [35], екологічні обмеження [36] та цілі щодо біоенергетики [37,38]. У деяких випадках враховували більше однієї цілі, наприклад, Erb et al. [36] оцінив простір варіантів для задоволення прогнозованого світового попиту на продовольство за різних дієт у 2050 році з низьким рівнем вирубки лісів або відсутністю його. Однак нормативний підхід, який одночасно враховує граничні цілі зменшення глобальної нестачі продовольства, обмеження змін землекористування та задоволення попиту на біоенергію, ще не розглядався.

2. Методи

2.1 Нормативні цілі

Цільове забезпечення продовольством має забезпечити достатнє продовольче забезпечення для всього населення планети. Харчові потреби оцінювались на основі загальної кількості населення в світі у 9,1 мільярда в 2050 році [42] та щоденної потреби в їжі в енергії 2350 ккал на душу населення на добу (ккал - 1 д -1 - [43]). Використана тут статистика споживання продуктів харчування на душу населення [44] визначає харчові відходи на рівні домогосподарств. Середні загальносвітові відходи харчових продуктів на рівні домогосподарств оцінюються у 12% [45], отже, цільовим запасом продовольства було встановлено мінімум 2635 ккал обмеження -1 д -1 в середньому на країну.

Планетна цільова межа для глобальної площі посівних площ передбачає, що до 15% глобальної, вільної від льоду наземної поверхні може бути використано для виробництва рослинництва [13]; нинішня площа становить 12%. Припускаючи загальну площу без льоду суші 13400 Мга, ми встановили 2010 Мга як глобальну планетарну межу посівних площ.

Для цілі пом’якшення наслідків біоенергетики ми обрали шлях біоенергетики, прогнозований у сценарії 450 із світового енергетичного прогнозу [41]. Враховуючи невідомий внесок енергетичних культур другого покоління, ми змоделювали лише біоенергетичні культури першого покоління, які в даний час вносять 3–4% світового виробництва біоенергії [46]. Останні тенденції показали збільшення поглинання біоенергетичних культур як палива, наприклад, використання сучасної біомаси для рідких та газоподібних носіїв енергії збільшилось на 37% з 2006 по 2009 рік [46]. Ми припускаємо, що глобальний внесок біоенергетичних культур першого покоління подвоїться з 2000 по 2050 рік, оскільки країни все частіше відмовляються від використання традиційної біомаси з низькою ефективністю, такої як деревина, солома та гній, до енергетичних культур з більш високою ефективністю. За сценарієм 450, прогнозується, що вклад біоенергетики, традиційної та сучасної біомаси збільшиться з 10% світового попиту на первинну енергію сьогодні до 15% до 2035 року (2235 мільйонів тонн нафтового еквіваленту (Mtoe), що складає 94 EJ до 2035 та 125 EJ при екстраполяції до 2050 р .; [41]). Таким чином, ми встановили ціль пом’якшення біоенергії для біоенергетичних культур першого покоління до 9 Едж до 2050 року.

2.2 Припущення для моделювання моделей

Модель парсимного землекористування використовувалась для моделювання сільськогосподарської системи до 2050 року (докладні описи СЛЮМ можна знайти в; [39,47]. ПЛУМ імітує зміну використання сільськогосподарських угідь на зернових землях як проксі для змін на посівах із зерновими культурами на попит на їжу та корми для тварин. Механізм торгівлі передбачає доступ країн до світового ринку. Попит у країні може бути задоволений внутрішнім виробництвом зернових культур та імпортом. Країни, що мають продукцію, що перевищує попит, експортують надлишок. дані спостережень, знайдені у глобальному масштабі, діапазон модельованих результатів моделей може відтворювати споживання, виробництво та моделі використання сільськогосподарських земель [39].