Перспективы системы Земля при устойчивом пищевом производстве
Широко признается необходимость в разработке и применении на практике устойчивых пищевых производств, призванных функционировать без нанесения вреда, сохранять процессы системы Земля, от которых зависит и качество производимых продуктов питания, и само пищевое производство, и благополучие человечества. В фермерстве и рыбном промысле развиваются экологичные способы хозяйствования, в рамках которых предпочтение отдается экосистемным услугам (Слайд №4), таким как борьба с вредителями, опыление, регулирование водных ресурсов и кругооборот питательных веществ, в целях достижения продуктивности и устойчивости аграрных комплексов при снижении вредного воздействия на окружающую среду.137 Эти экологичные сельскохозяйственные практики реализованы во множестве подходов и направлений, в числе которых создание заповедных природоохранных зон, устойчивая экологическая интенсификация, многообразие (диверсификация) экологичных фермерских хозяйств, точное земледелие и органическое земледелие.138–140 Большинство из таких агропроизводств нацелены на обеспечение экологической устойчивости в масштабах фермерского хозяйства, что подразумевает заботу об увеличении содержания органического почвенного углерода, уменьшение утечки удобрений с полей и повышение эффективности использования водных ресурсов для полива выращиваемых культур. Многие агропроизводства организованы также с учетом ландшафта местности или водораздела, либо обоих этих факторов с тем, чтобы максимально использовать природные процессы и ресурсы природных экосистем, в которые встроены агропроизводства, что повышает их продуктивность.137,141 Таким образом, большая часть работы по определению условий экологической устойчивости пищевых производств осуществлена на уровне конкретных сельхозугодий, располагающихся на определенных ландшафтах. Такой подход имеет большое значение, поскольку эффекты, наблюдаемые в аграрных производствах при разных способах хозяйствования, в первую очередь, зависят от локальных природных условий местонахождения производства и, следовательно, варьируются по всему миру вместе с изменениями почв, гидроклиматических и агроэкологических зон. В силу отмеченного обстоятельства, способы хозяйствования, гарантирующие минимизацию воздействия пищевого производства на окружающую среду, будут отличаться по регионам.
В геологическую эпоху Антропоцена142 скорость и масштабы локального антропогенного воздействия на окружающую среду выросли экспоненциально с середины 1950-х гг. Люди стали доминирующей движущей силой изменений, а пищевые производства – основная причина деградации окружающей среды – самым мощным фактором, влияющим на систему Земля. Несмотря на сложность и многомерность проблемы глобального негативного влияния современной продовольственной системы на экологическую ситуацию, понимание необходимости внедрения экосистемного подхода при создании устойчивых безопасных для окружающей среды пищевых производств растет. Причем, достигнуто осознание того, что в качестве решения проблемы больше не может рассматриваться только снижение нагрузки на окружающую среду со стороны локальных аграрных хозяйств. При теоретическом и практическом конструировании устойчивого безопасного пищевого производства необходимо учесть его роль в регулировании состояния локальных экосистем, биосферы и глобальной системы Земля. То есть следует рассматривать комплексные системные взаимодействия от локального до глобального масштабов. Также должны быть идентифицированы глобальные границы, которые задают параметры глобальной системе продовольственного обеспечения таким образом, чтобы ее функционирование было безопасным для биофизических процессов, поддерживающих устойчивость системы Земля. Такой подход позволяет максимально подробно определить характеристики устойчивой системы продовольственного обеспечения на всех ее уровнях для всех шкал ее оценки. Учет возрастающего влияния человека на изменения глобальных биохимических циклов при планировании пищевых производств может служить наглядным примером практического воплощения описанного подхода. На уровне сельхозугодия при организации устойчивого пищевого производства необходимо брать в расчет вопрос применения химических удобрений (азотсодержащих и фосфорных). В частности, при устойчивом пищевом производстве утечка соединений азота и фосфора в локальные подземные воды и реки должна быть исключена. Однако азот и фосфор содержатся в сельскохозяйственном урожае и транспортируются месте с ним в города или на рынки, зачастую далеко от места применения азотсодержащих и фосфорных удобрений. Через пищевые отходы, экскременты или частично загрязненные канализационные стоки, прошедшие через муниципальные очистные сооружения, происходит непосредственное загрязнение земли соединениями азота и фосфора. Значительная доля азота и фосфора способствует созданию питательной среды в водных системах, вызывая эвтрофикацию пресноводных систем или прибрежных зон, зачастую далеко от того места, где они первоначально применялись в качестве удобрений. Эти процессы оказывают влияние на устойчивость экосистем, улавливание углерода и изменения климата. С ростом добычи человеком азота и фосфора из природных ресурсов, увеличением нагрузки на биосферу соединениями азота и фосфора, необходимо уделять пристальное внимание проблеме кумулятивного эффекта вмешательства в глобальные циклы азота и фосфора, наблюдающегося в эпоху антропоцена, и рассматривать перспективу системы Земля в отношении круговорота азота и фосфора в природе. Следовательно, необходимо добиваться не только снижения влияния фермерских хозяйств на круговорот азота и фосфора в окружающей среде, но и заботиться также о сокращении миграции реактивного азота и фосфора в биосферу, которая происходит глобально как результат их добычи из природных запасов (азота – из атмосферного воздуха, фосфора – из шахт).
Появляется все больше подтверждений тому, что пищевые производства являются основной причиной глобальных экологических изменений, и переход к устойчивым пищевым производствам — необходимое условие для устойчивого глобального развития. Универсальное определение устойчивого пищевого производства должно включать общесистемные критерии оценки воздействия на окружающую среду, всеобъемлющий набора параметров различных масштабов. Выбросы парниковых газов, использование земельных и водных ресурсов, применение азотных и фосфорных удобрений, утрата биоразнообразия и химическое загрязнение гербицидами и пестицидами все чаще подвергаются оценке и применяются в качестве параметров по определению устойчивых пищевых производств.143–145 Использование единого набора параметров при определении устойчивого пищевого производства обеспечивает также последовательность в соблюдении критериев устойчивости в локальном и глобальном масштабах. Рамки, которым должны соответствовать два этих критерия — интеграция всеобъемлющего набора общесистемных параметров, отражающих влияние на окружающую среду, и масштабируемость от сельхозугодия до планеты – это рамки планетарных ограничений.2,29,146 Планетарные ограничения идентифицируют и очерчивают способы и критерии функционирования пищевых производств, гарантирующие биофизически безопасную эксплуатацию окружающей среды, и процессы, которые способствуют стабильности и устойчивости системы Земля.
При определении научных целевых индикаторов устойчивого пищевого производства мы руководствовались необходимостью идентифицировать параметры пищевых производств, детерминирующие их функционирование в рамках планетарных ограничений. Концепция планетарных ограничений оказалась полезной также и в связи с тем, что она позволила EAT-Lancet Комиссии выделить шесть систем и процессов, и определить их количественные характеристики. Мы устанавливаем глобальные цели, и эта концепция согласуется с целями по сохранению и укреплению стабильности процессов разнообразных систем Земли в масштабах планеты. Кроме того, эта концепция уже была применена разными странами и секторами как практический метод учета множественного антропогенного, глобального и экологического давления на окружающую среду. Тем не менее, эта концепция не охватывает вопросы взаимодействия между различными процессами систем Земли, хотя при ее разработке наличие таких динамических взаимодействий признавалось. Науки о Земле и исследования социально-экологической устойчивости указывают на существование системных компонентов и процессов, которые регулируют поведение системы Земля и являются ключевыми для обеспечения устойчивости планеты (Приложение, стр. 15–16).147–149 Комиссия фокусируется на смежных и пересекающихся исследованиях, чтобы идентифицировать шесть основных систем и процессов в окружающей среде, которые подвергаются влиянию пищевых производств: изменение климата, утрата биоразнообразия, изменение систем землепользования, использование водных ресурсов, а также потоки азота и фосфора.2,150 Научные данные о закономерностях, присущих этим системам и процессам, позволяют нам устанавливать количественные научные целевые индикаторы. Эти системы и процессы все чаще признаются в качестве параметров, необходимых для общесистемной дефиниции устойчивого пищевого производства. Мы опираемся на имеющиеся научные знания по каждой из этих систем и процессов, чтобы очертить границы, в рамках которых должна функционировать устойчивая глобальная система продовольственного обеспечения, чтобы снизить риск необратимых и потенциально катастрофических сдвигов в системе планеты Земля. Эти границы концептуально определяют верхний предел глобального воздействия на окружающую среду со стороны мировой системы продовольственного обеспечения.2,148
Неопределенность в оценках устойчивого пищевого производства
Чтобы четко сформулировать определение устойчивого пищевого производства, и, исходя из определения, организовать его работу на практике, необходимо установить планетарные ограничения, лимитирующие воздействие пищевого производства на климат, земельные ресурсы, водные ресурсы, биоразнообразие и биогенные циклы азота и фосфора. К нашему определению устойчивого пищевого производства для каждого из планетарных ограничений мы приводим научное обоснование, литературные источники и допущения. Тем не менее, установить для каждого процесса четкие границы, выход за пределы которых повлечет необратимые и вредные изменениям в системе Земля, — это сложная задача. Трудности обусловлены существованием пробелов в знаниях, естественной изменчивостью и взаимозависимостью процессов системы планеты Земля. Мы выставляем диапазоны неопределенности, опираясь на научных литературные данные и собственные суждения о степени уверенности, с тем, чтобы отразить ту неопределенность, которая сохраняется при установлении глобальных границ, в рамках которых должны функционировать устойчивые системы продовольственного обеспечения (Табл. 2).
Изменение климата
Общие сведения
Антропогенные выбросы парниковых газов инициируют изменение климата, что приводит к сбоям в системе Земля, таким как повышение уровня моря и увеличение частоты экстремальных погодных явлений.151 Системы продовольственного обеспечения производят выбросы парниковых газов (например, углекислого газа, метана, и закиси азота) непосредственно в атмосферу, служат основным локомотивом изменений в землепользовании, которые в конечном итоге (за счет вырубки лесов, осушивания болот, вспахивания земель) создают дополнительные выбросы углекислого газа в атмосферу. Пищевые производства являются основными источниками таких парниковых газов, как метан и закись азота, потенциал вызывать глобальное потепление которых в 56 раз и в 280 раз (примерно за 20 лет) превосходит таковой углекислого газа соотвественно.151 Метан производится в желудочно-кишечном тракте в процессе переваривания пищи у жвачных животных, таких как коровы и овцы, или во время анаэробного разложения органического материала в затопленных рисовых полях. Закись азота в основном образуется за счет жизнедеятельности почвенных микробов на пахотных землях и пастбищах, а также при манипуляциях по управлению плодородием почв, например, при внесении удобрений. Углекислый газ выделяется сельскохозяйственными угодьями при обработке почв, при сжигании растений, органических и сельскохозяйственных остатков с целью очищения земель под нужды аграрного хозяйства, а также от сжигания ископаемого топлива сельскохозяйственной техникой, предприятиями, производящими химические удобрения, а также перевозчиками сельскохозяйственной продукции. Углекислый газ также выделяется при превращении природных экосистем, особенно лесов, в сельскохозяйственные угодья.
Биологические процессы, присущие растениеводству и животноводству, неизбежно сопровождаются газообразованием, поэтому некоторое количество парниковых газов всегда будет генерироваться любыми сельскохозяйственными объектами. Следовательно, хотя амбициозные цели по сокращению антропогенных выбросов парниковых газов обязательно должны быть установлены, устранение всех выбросов парниковых газов (например, метана и закиси азота), производимых пищевыми производствами, не представляется возможным. Мы предлагаем установить ограничения на выбросы парниковых газов продовольственной системой на максимально возможном низком уровне. Ограничений следует начать придерживаться до наступления 2050 года, чтобы к этому времени обеспечивать здоровым питанием население планеты и достичь при этом целей Парижского Соглашения.
Парижское соглашение создает политический и научный консенсус, в соответствии с которым все мировые державы объединяют усилия во имя сдерживания прироста глобальной средней температуры. Согласно соглашению, прирост температуры к 2100 году должен ограничиваться уровнем намного ниже 2°С (ближе к 1,5°С) относительно температур доиндустриальной эпохи (1861–80 гг). Чтобы не допускать превышения установленного лимита прироста глобальной средней температуры, необходимо ограничить выброс парниковых газов максимально допустимым уровнем, получившим название углеродный бюджет. Это означает, что оставшийся бюджет общих глобальных выбросов, начиная с 2011 г, должен составит примерно 800 Гт чистого диоксида углерода или 1000 Гт в эквиваленте диоксида углерода для диоксида углерода, метана и закиси азота вместе взятых.151
Большинство сценариев антропогенного воздействия на климатическую систему Земли, лежащих в основе Репрезентативных траекторий концентраций (РТК) 2.6, выведенных Межправительственной группой экспертов по изменению климата, включают первоначальное превышение углеродного бюджета, а затем компенсацию, особенно начиная с 2040 г., путем массивного удаления углеродного газа из атмосферы.152 Благодаря различным технологиям отрицательной эмиссии углекислого газа, а также решительным действиям этот избыток углекислого газа может быть удален из атмосферы за счет наиболее распространенных подходов по улавливанию и хранению углерода и биоэнергетики с использованием технологии улавливания и хранения углерода. Между тем, биоэнергетика с использованием технологии улавливания и хранения углерода может конкурировать с земледельческими пищевыми производствами и оказывать тем самым серьезное влияние на продовольственную безопасность (Приложение, стр. 16–17).
На рисунке 2 обобщены данные28 по предполагаемым требованиям, основанным на прогнозах по глобальной эмиссии парниковых газов, которым необходимо следовать для достижения целей Парижского соглашения по климату. Для 66% вероятности удержания глобального потепления на уровне менее 2°C глобальные выбросы углекислого газа в результате сжигания ископаемого топлива и промышленных процессов должны достигнуть максимума не позднее 2020 г. и к 2050 г. достичь примерно 5 Гт эквивалента углекислого газа в год. Среди выбросов углекислого газа, происходящих в ходе землепользования, от изменений в землепользовании и от лесных хозяйств (LULUCF) доминируют выбросы от расширения сельхозугодий и землепользования. Наземное сельское хозяйство должно будет перейти от статуса глобального источника (около 5 Гт эквивалента диоксида углерода в год) в 2050 г. к статусу потребителя углерода (–10 Гт эквивалента углекислого газа в год) к 2100 г. Методы производства продуктов питания имеют важное значение для достижения цели Парижского соглашения — удерживать прирост глобальной средней температуры на уровне на много меньше 2°C. Также необходимо будет сократить выбросы других парниковых газов, особенно метана и закиси азота, производимых пищевыми производствами, включая мировую систему продовольственного снабжения, преобразованную в будущем из нетто-источника углерода в нетто-поглотителя углерода. Кроме того, для достижения целей Парижского соглашения потребуется быстрая глобальная декарбонизации системы энергетического обеспечения, в том числе используемой в сельском хозяйстве.
Рисунок 2: Прогностические величины глобальной эмиссии парниковых газов, которых необходимо придерживаться для сдерживания потепления на уровне на много меньше 2°C при стремлении к 1.5°C.
Представлены данные из Пятого Оценочного доклада межправительственной группы экспертов по изменению климата (данные по РТК 2,6 для закиси азота и метана), и Rockström и коллег28 (по выбросам от использования ископаемого топлива, землепользования, изменений в землепользовании и лесного хозяйства, и по биосферным поглотителям углерода).
Статус выбросов пищевых производств
Оценки нетто-выбросов парниковых газов в сельском хозяйстве существенно отличаются в зависимости от того, какие подкатегории рассматриваются: выбросы не углекислых газов (метана и закиси азота) сельскохозяйственными производствами оцениваются в 5.0–5.8 Гт эквивалента диоксида углерода в год;153 выбросы углекислого газа в результате преобразования природных экосистем, особенно лесов, в пахотные земли и пастбища, по оценкам, составляют 2.2–6.6 Гт эквивалента диоксида углерода в год,154 плюс небольшое количество от сжигания биомассы около 0.3 Гт эквивалента углекислого газа в год;153 выбросы углекислого газа от использования энергетического ископаемого топлива сельскохозяйственной техникой оцениваются в 1.0 Гт эквивалента углекислого газа в год.155 Общий объем всех выбросов парниковых газов, производимых системой продовольственного снабжения, оценивается в 8.5–13.7 Гт эквивалента углекислого газа в год. Общие выбросы от пищевых производств оставались стабильными с 1990 г., увеличиваясь менее чем на 1% в год, поскольку увеличение производства компенсировалось снижением интенсивности выбросов на единицу продукции.153,155
Определение максимально допустимой доли оставшегося глобального углеродного бюджета, которая может приходиться на систему продовольственного снабжения, является трудно выполнимой задачей, и любой научный целевой индикатор, при условии, что все источники выбросов будут считаться равновесными, будет зависеть от жизнеспособности и затрат на сокращение выбросов в других секторах. Поэтому мы пытаемся установить максимально допустимый бюджет углерода для продовольственной системы, основываясь на оценочных расчетах минимального количества выбросов парниковых газов в результате биологической жизнедеятельности аграрных хозяйств, которых, по нашему мнению, сложно, если невозможно, избежать в течение следующих 30 лет. Мы оцениваем неизбежную долю выбросов парниковых газов от пищевых производств до 2050 г. В расчет не берутся все выбросы углекислого газа в результате сжигания ископаемого топлива и изменений в землепользовании, так как, согласно нашему допущению, они сведены к нулю. Мы рассматриваем только выбросы метана и закиси азота, производимые в результате биологических процессов, присущих объектам растениеводства и животноводства.
Мы полагаем, что глобальные выбросы парниковых газов метана и закиси азота, создаваемые мировым пищевым производством, не должны превосходить объем 5 Гт эквивалента диоксида углерода в год в 2050 г. Такой научный целевой индикатор составляет почти половину допустимой глобальной эмиссии из всех источников в 2050 г., отвечает РТК 2.6 и цели сдерживать глобальное потепление на уровне на много меньше 2°C. Такой удельный вес доли выбросов от продовольственной системы в глобальных выбросах парниковых газов к 2050 г. превышает удельный вес сегодняшней доли, которая в настоящее время оценивается примерно в четверть от общих глобальных выбросов парниковых газов.
Обозначенный научный целевой индикатор установлен на базе комбинированных прогнозов по выбросам метана и закиси азота, производимым мировой продовольственной системой, которые оцениваются в 4.7 Гт эквивалента диоксида углерода в год. Прогнозы осуществлены при помощи трех моделей комплексной оценки156 — IMAGE 4.28, MESSAGE 4.41, и GCAM 5.30 согласно РТК 2.6. Они описаны в статье Wollenberg и соавторов.156 Модель IMAGE была подтверждена van Vuuren с соавторами.157 Модели комплексной оценки генерируют указанный результат посредством запуска субмоделей климатических, социально-экономических, энергетических, земледельческих и других подсистем для наиболее эффективного распределения пропорций по сокращению выбросов парниковых газов между секторами. РТК 2.6 прогнозирует, что выбросы метана от мирового пищевого производства будут постепенно уменьшаться в течение 21-го века, в то время как выбросы закиси азота, согласно ожиданиям, выйдут на плато после 2050 г.157,158 В соответствии с РТК 2.6, в дополнение к эмиссии метана и закиси азота, сжигание биомассы на сельскохозяйственных угодьях будет создавать эмиссию углекислого газа объемом 0.7 Гт в 2050 году.157,158 Суммирование выбросов всех трех парниковых газов дает в общей сложности 5.4 Гт эквивалента углекислого газа в год. В силу некоторой неопределенности, сопровождающей оценку эмиссии, мы установили пороговую величину выбросов в 5 Гт эквивалента диоксида углерода в год с диапазоном неопределенности 4.7–5.4.
Научный целевой индикатор по эмиссии парниковых газов со стороны системы продовольственного обеспечения достижим за счет двух фундаментальных факторов. Во-первых, за счет сокращения до нуля выбросов углекислого газа, происходящих при расчищении земель под пищевые производства. Если расширение границ землепользования (например, за счет вырубки лесов и реорганизации других земель) под нужды пищевого производства будет сведено к нулю, то этот процесс как источник выбросов парниковых газов прекратит свое существование, то есть выбросы будут исключены. Заданная цель является амбициозной и выходит за рамки РТК 2.6 для выбросов углекислого газа, вызванных изменениями в использовании земельных ресурсов. Во-вторых, нулевые нетто-выбросы наступят в звеньях системы продовольственного снабжения, использующих энергетическое топливо. Выбросы парниковых газов, происходящие при использовании ископаемого топлива в продовольственной системе, относятся к энергетическому, а не сельскохозяйственному сектору в МГЭИК и других системах учета выбросов. Аналитики предполагают глобальный переход к чистой энергетике к 2050 г., производящей нулевую эмиссию парниковых газов при использовании чистых источников энергии во всех секторах.28
Использование водных ресурсов
Общие сведения
Продовольственный сектор является крупнейшим в мире потребителем воды. 84% земледельческих хозяйств используют пресную воду от дождевых осадков, а остальные 16% применяют орошение, то есть производят забор воды из пресноводных озер, рек и водоносных слоев земли.159 70% всего мирового водозабора используется для орошения. Доля забора воды на нужды пищевого производства варьируется в зависимости от региона: от 21% в Европе до 82% в Африке. Потребление воды пищевыми производствами более чем удвоилось в период с 1961 г. по 2000 г.160
Вода – это кровоток биосферы.161 Вода поддерживает рост всей биомассы, а также детерминирует размер и распределение биомов и экосистем. Вода стимулирует круговорот питательных веществ, включая вымывание и выщелачивание питательных и загрязняющих веществ (тяжелых металлов и пластмасс). Гидрологический цикл связан с климатическими системами, включая влажность, через динамические обратные связи с которой детерминируется количество осадков в регионе.162 В фокусе наших научных интересов – определение количества воды, необходимого для поддержания минимального уровня так называемого экологического стока воды в водосборах и бассейнах рек, который обеспечивает сохранение здоровья экосистем и благополучные условия для жизни общества.
Экологический сток – это водный режим, то есть «количественные, качественные и временные параметры стока, необходимые для поддержания эстуарных и пресноводных экосистем, а также для оптимального жизнеобеспечения и благополучия людей, которые от них зависят».163 Эти стоки являются результатом разделения пресноводных осадков на испарение или сток, и на них влияет забор воды для орошения или других целей. Например, орошаемое земледелие вдоль течения рек требует большого забора воды, что приводит к уменьшению экологического стока воды в реках. Это сокращение стока может повлиять на экологические функции, важные для общества, такие как снабжение питьевой водой, рыболовство, удержание питательных веществ и контроль загрязнения.
Чтобы понять влияние водозаборов на экологический сток, следует различать безвозвратные расходы воды и использование воды, не сопровождающееся ее потерями (непотребительское использование). К безвозвратным потерям воды относятся потери в результате эвапотранспирации (прямого испарения или транспирации растений), непосредственно сокращающей экологические стоки воды. При непотребительском использовании воды, вода возвращается в реки и водоносные слои земли. Основная масса поливных вод становится безвозвратной, что делает ее частью водного бассейна, недоступной для других целей. Лишь небольшая часть возвращается непосредственно в водосборы в виде поверхностных или грунтовых стоков. До 75–84% мирового безвозвратного водопотребления можно отнести на счет сельского хозяйства.160,164
Требования к экологическому стоку (ТЭС) – это минимальный объем воды, время и качество, необходимые для поддержания экологических функций и обеспечения благополучия людей. ТЭС определяет допустимые водозаборы и безвозвратные расходы, устанавливающие ограничения для водопользования, благодаря которым обеспечивается адекватный экологический сток в водосборах. Гидрологическая динамика (то есть значения низкого и высокого стока) и экологический контекст отдельных водосборов и речных бассейнов влияют на значения ТЭС.165 Следовательно, водные ресурсы точнее всего анализируется регионально на уровне бассейнов.
Изначально планетарное ограничение для водных ресурсов предполагалось на уровне 4000 км³/год, который основывался на глобальном анализе без учета отдельных гидро-экологических условий и ТЭС для отдельных речных бассейнов.146 Это ограничение не включало в себя расходы воды сельскохозяйственными культурами в неорошаемом (богарном) земледелии и потерю воды из-за испарения с дамб.166 Некоторые люди утверждают, что установленное ограничение позволяет слишком высокий уровень расходов воды, и должно быть ужесточено.167 Gerten с коллегами168 уточнили водные ограничения с помощью глобального анализа в масштабах ТЭС для речного бассейна, количественно оценив доступные запасы пресной воды в случае, если будут соблюдаться требования ТЭС. Gerten и коллеги предлагают консервативное глобальное планетарное ограничение для использования пресной воды в 2800 км³/год для всех видов водопотребления человека, включая водозаборы со стороны пищевых производство.168 Безвозвратное водопотребление при всех видах человеческой деятельности оценивается в 1800–2100 км³/год, из которых продовольственная система потребляет 1400–1800 км³/год.160,164
Для того, чтобы установить глобальный научный целевой индикатор для безвозвратного водопотребления продовольственной системой, мы решили принять консервативное планетарное ограничение в 2800 км³ в год.168 Доля сельского хозяйства в мировом безвозвратном водопотреблении составляет 75–84%.169 Если этот объем сохраняется, то доля пищевых производств в водопользовании в рамках планетарного ограничения расходов пресной воды составит 2100–2352 км³/год. Поскольку производство продуктов питания имеет основополагающее значение для благополучия населения, а преодоление разницы в урожайности во многих частях мира имеет важное значение для снабжения пищей населения всей планеты, мы полагаем, что сельскохозяйственному сектору должны быть разрешены более обширные доли при распределении общих планетарных ограничений в будущем. Установив долю сельского хозяйства при планетарном ограничении в 2800 км³/год до 90% к 2050 г., а не 75–84%, получаем глобальное водное ограничение для пищевых производств около 2500 км³/год. Однако в силу наличия неопределенности в данных мы использовали диапазон неопределенности Gerten и коллег168 1100–4500 км³/год. Применение доли в 90% для продовольственной системы дает нам диапазон неопределенности, округленный до 1000–4000 км³/год.
По нашему мнению, увеличение доли пищевых производств в безвозвратном мировом водопотреблении до 90% возможно, поскольку многие технологические решения позволят ограничить безвозвратное водопотребление в промышленности и в быту. Wada c коллегами160 обнаружили, что в странах с высоким уровнем доходов и передовыми технологиями 20% безвозвратных потерь воды в промышленности происходят при водозаборе, в то время как в странах со средним и низким уровнем доходов потери при водозаборах составляют 35% и 60% соответственно. Выявленный факт свидетельствует, что возможно существенно сократить потери благодаря более эффективному использованию существующих технологий. В пищевых производствах безвозвратное водопотребление неизбежно в силу транспирации растений и испарений воды из почвы. Методы управления могут снизить потери в результате испарения за счет улучшения технологий орошения; однако некоторые потери останутся неизбежными из-за роста растений (транспирационных процессов).
Региональная дифференциация
Глобальная оценка безвозвратного водопотребления маскирует существенные региональные различия: некоторые регионы обеспечены водными ресурсами, а другие испытывают острый дефицит воды. Острый дефицит воды особенно распространен в засушливых регионах, где хронически не хватает воды, и где ТЭС для водосборного бассейна перерасходуется на ирригацию (Приложение, стр. 17). Водопользование является проблемой регионального уровня и на уровне речного бассейна. Местные и региональные ограничения должны устанавливаться в зависимости от их конкретных ТЭС. Глобальное ограничение, которое мы провозглашаем, представляет собой совокупное водопользование по регионам. В дополнение к применению ТЭС, Gleick и Palaniappan170 предлагают использовать концепцию пиковой возобновляемой воды, пиковой невозобновляемой воды и пикового экологического стока. Под пиковым экологическим стоком понимается точка разграничения, при выходе за пределы которой общая цена экологических нарушений и ущерба превосходит ту ценность, которую люди получают от использования этой воды. Эти показатели могут служить в качестве индикаторов забора и использования пресной воды.
При условии идеального торгового сценария интегрированность водных бассейнов может быть поддержана за счет торговли. Вода из бассейнов с избытком воды может доставляться в бассейны с дефицитом воды за счет торговли водоемкими продуктами питания. Это потребует беспрепятственной торговли продуктами питания, и наличия у всех стран достаточного количества иностранной валюты для покупки продуктов питания. Однако нынешняя политическая атмосфера побуждает страны наращивать продовольственный суверенитет (или самообеспечение) посредством местных пищевых производств. Такая ситуация предъявляет большие требования к водным ресурсам, особенно в засушливых и полузасушливых развивающихся странах. Страны с низким уровнем доходов, которые не могут торговать по политическим или экономическим причинам, подвергаются наибольшему риску.
Потоки азота и фосфора
Общие сведения
Азот и фосфор являются питательными элементами, жизненно важными для поддержания структуры и обмена веществ (метаболизма) живых организмов на суше и в океанах. Азот и фосфор имеют решающее значение для роста растений, но их естественная доступность ограничивает рост растений в большинстве наземных экосистем. Внесение азотных и фосфорных удобрений в пахотные земли имеет важное значение для увеличения урожайности, и будет впредь необходимо для обеспечения пищей растущего населения мира.171
Производство, применение и продажа удобрений нарушает глобальные биогеохимические круговороты (циклы) азота и фосфора. Чрезмерное применение соединений азота и фосфора в производстве пищевых продуктов имеет значимые последствия. В частности их сток в ручьи и реки стимулирует эвтрофикацию пресноводных и морских экосистем и последующее развитие гипоксических (бескислородных) условий, приводящих к гибели рыб и другим экологическим нарушениям.17 Хотя чрезмерное применение удобрений в пищевом производстве служит главной причиной нежелательных явлений, канализационные сточные воды также являются их важным источником. Осаждение соединений азота из атмосферы на поверхность Земли, обычно осуществляемое через дождевые осадки, снег или туман, является третьим важным источником загрязнения, особенно в странах с высокими уровнем выбросов оксидов азота (оксида и диоксида азота) и аммиака в атмосферу.172
Помимо эвтрофикации водных экосистем, применение соединений азота в сельском хозяйстве может иметь ряд других последствий для экологии, здоровья людей и других живых существ, включая эвтрофикацию наземных экосистем, приводящую к снижению биоразнообразия и нарушению функций экосистем;173 174 подкисление воды и почвы выбросами аммиака;175 эмиссию закиси азота, являющейся сильнодействующим парниковым газом;176 загрязнение грунтовых вод нитратами, отрицательно влияющими на здоровье человека;177 и образование в атмосферном воздухе аммиака, вредящего здоровью человека.178 Азот, поступающий от сельского хозяйства, также ведёт к выбросу оксидов азота в атмосферу, являющихся основным источником загрязнения аэрозолями и озоном179 и способствующих снижению урожайности сельскохозяйственных культур.180
Азотные удобрения производятся с использованием промышленного процесса Габера-Боша, преобразующего широко распространённый в природе нереакционноспособный газообразный азот в аммиак. Этот процесс очень энергоемкий и связан с высоким уровнем выбросов парниковых газов. Фосфорные удобрения являются невозобновляемым ресурсом, добываемым из месторождений фосфоритов, число которых конечно. При существующих и прогнозируемых темпах добычи, запасы фосфоритов будут исчерпаны в течение 50–100 лет.
Значение азота и фосфора для народонаселения и планеты
Главная задача человечества – гармонизировать максимально допустимую нагрузку биосферы азотом и фосфором, не нарушающую стабильность системы Земля, с необходимым количеством азота и фосфора, требуемым для обеспечения продовольствием населения планеты.182 Согласно оценкам, чтобы снабжать продовольствием население Земли численностью около 10 миллиардов человек к 2050 году за счет существующих сельхозугодий, потребуется более масштабное ежегодного применения азотных и фосфорных удобрений,183 превышающее планетарные ограничения для азота (62–82 Тг в год) и фосфора (6,2–11,2 Тг в год). Тем не менее, предложенный нами глобальный системный подход в контексте системы Земля расширяет возможности по обеспечению продовольствием человечества при условии, если будут применены методы, позволяющие производить больше пищевых продуктов на единицу внесенного азота или фосфора, свести к минимуму потерю этих питательных веществ, а также обеспечить их круговорот не только на фермерских полях, но и на системном уровне (например, в интерфейсе село-город). Опыт показывает, что существуют широкие возможности для снижения воздействия пищевых производств на окружающую среду путём исключения чрезмерного использования питательных веществ и их стока в водные системы, что сохраняет при этом потенциал по увеличению продуктивности пищевых производств.184
Замыкание циклов питательных элементов (их совершенствование) и эффективное использование азота и фосфора – это одна из возможностей для увеличения продуктивности пищевых производств без наращивания выбросов химически активного азота и фосфора в биосферу. Такая стратегия предполагает применение соответствующего типа и количества удобрений в нужное время и в нужном месте. Кроме того, эта стратегия включает меры по извлечению питательных веществ (т.е., обеспечение их рециркуляции) в пригодных для использования формах из участков продовольственной системы, где они концентрируются, таких как очистные сооружения сточных вод, предприятия пищевой промышленности, переработка органических отходов в компост и отходов производства на животноводческих предприятиях. Внедрение систем замкнутого цикла в мировом производстве пищевых продуктов обеспечивает рециркуляцию азота и фосфора в продовольственных системах, не допуская их попадания в биосферу, и таким образом снижает их воздействие на окружающую среду. Повышение эффективности использования и повторного использования питательных веществ может позволить увеличить глобальное внесение азота и фосфора для устранения разрыва в урожайности (т.е., разницы между потенциальным и фактическим урожаем), одновременно уменьшая общую глобальную потребность в синтезе новых азотных и фосфорных удобрений.
Другая возможность возникает за счет перераспределения использования азота и фосфора для сокращения разрыва в урожайности. В глобальном масштабе применение азотных и фосфорных удобрений распределено крайне неравномерно, начиная от внесения азота и фосфора в недостаточном для устранения разрыва в урожайности количестве, до чрезмерного их внесения во многих развитых и быстро развивающихся экономиках.185 Многие развитые страны применяют азот в избытке, причем нормы внесения азота превышают количества, необходимые для получения урожая. В то же время во многих развивающихся странах урожайность составляет лишь от половины до четверти от тех значений, которые могут быть получены при надлежащем увеличении и своевременном внесении удобрений.184, 185
Потоки азота (нетто-потоки азота) в атмосферу и водную среду непосредственно зависят от величины поступления азота, поскольку азот не накапливается в почве. Следовательно, увеличение количества азота, вносимого в пахотные земли, увеличивает ожидаемые потери азота из-за вымывания и стока в водные системы, улетучивания в атмосферу и сбора урожая, на который приходится большая часть азота, покидающего почвенную систему. Эта прямая связь между затратами и потерями легла в основу расчёта антропогенного вклада азота, выполненного De Vries с соавторами,183 представляющего собой то количество азота, которое можно применять (от фиксации бобовыми растениями и внесения удобрений) во всём мире для производства пищевых продуктов без опасения вызвать эвтрофирование. Рассчитанный авторами антропогенный вклад азота (внесение азота) является частью существующего глобального антропогенного поступления азота, который в настоящее время превышает планетарные ограничения.
Ограничения по азоту для глобального производства продуктов питания получают путем умножения расчетного количества глобально применяемого и биологически фиксируемого азота на средние доли, варьирующиеся между 0,50 и 0,67 от глобального внесения азота. Эти средние доли связаны с процентом снижения глобального внесения азота, необходимого для поддержания концентрации азота в стоках в безопасных пределах 1-2,5 мг азота на 1 л.183 Общее глобальное внесение азота оценивается приблизительно в 130 Тг в год.183 Умножение 130 Тг азота в год на 0,50 и 0,67 дает 65–87 Тг азота в год, при провозглашённом ограничении на внесение азота для пищевых производства в 90 Тг азота в год с диапазоном неопределенности 65–90 Тг. Такое значение ограничения в применении азота несколько превышает предложенный Steffen с соавторами,2 исходившими из величины общего глобального внесения азота в размере 121,5 Тг в год, которая, вероятно, может объясняться недооценкой использования удобрений.
Предлагаемое ограничение на использование азота пищевыми производствами может оказаться несколько преувеличенным, поскольку базируется на данных по глобальному внесению азота, которое не является равномерным по всему миру: в некоторых регионах азот используется чрезмерно, в других – недостаточно. В районах, где наблюдается дефицит азота, возможно дополнительное внесение азота для увеличения урожайности без негативных последствий для окружающей среды. Кроме того, ограничение по азоту устанавливалось без учета возможности по повышению продуктивности его применения за счёт замыкания цикла азота. Если учесть эффекты от глобального перераспределения внесения азота и замыкания цикла азота, то возможно его глобальное использование в большем количестве, чем 90 Тг в год, то есть допустимо расширить границы дозволенного применения азота для пищевых производств. В этой связи мы установили более высокие значения предела внесения азота, равные диапазону неопределённости 90–130 Тг азота в год, допускающие увеличение использования азотных удобрений184 в случае, если глобальное внесение азота перераспределено, и циклы азота замкнуты. Верхний предел в 130 Тг азота в год является расчётным количеством азота, которое может потребоваться для обеспечения продовольствием населения планеты численностью около 10 миллиардов человек.
Планетарное ограничение на использование фосфора в 6,2 Тг фосфора в год (диапазон неопределенности составляет 6,2–11,2 Тг), первоначально предложенное Carpenter и Bennett186 и принятое Steffen с соавторами,2 было региональным, краткосрочным ограничением для предотвращения широкого распространения эвтрофирования региональных водосборных бассейнов. Это ограничение применялось в первую очередь к пахотным землям на глобальном уровне, поскольку большая часть фосфора поступает в водосборные бассейны в результате использования удобрений. Обозначенное ограничение основано на оценках глобального потока фосфора из размываемых почв в пресноводные системы за вычетом показателя выветривания. Тем не менее, такой подход предполагает, что размывание почв является основным источником фосфора для пресноводных систем. Фосфор, выносимый с полей за счет сбора урожая сельскохозяйственных культур, потребляемых животными и людьми, выделяемый в виде навоза и отходов жизнедеятельности человека и, в конечном итоге, попадающий в пресноводные системы, исключается из расчета. Такое исключение может привести к переоценке долгосрочного глобального ограничения содержания фосфора в устойчивом потоке из пресноводных систем в океан на уровне 11 Тг фосфора в год (диапазон неопределенности составляет 11–100).
De Vries с соавторами183 разработали глобальную модель потока фосфора для пищевых производств, учитывающую критику первоначального подхода, использованного Carpenter и Bennett,186 но не учитывающую другие потоки, такие как выветривание. В этой модели внешний допустимый вынос фосфора в биосферу, осуществляемый пищевыми производствами, детерминируется долгосрочной (в масштабе тысячелетий) допустимой аккумуляцией фосфора в почвах и донных отложениях и поступлением в поверхностные воды (океаны) в результате стока и выщелачивания, что увеличивает концентрацию фосфора до порогового значения для начала эвтрофирования. Поглощение и выведение фосфора человеком в пресноводные системы (накапливаемого в донных отложениях) и в почву через рециркуляцию отходов жизнедеятельности человека (запасаемого в почвах) влияет на величину ограничения для фосфора. Это ограничение предполагает полную рециркуляцию фосфора из навоза животных. Использование такого подхода при допущении отсутствия рециркуляции отходов жизнедеятельности человека дает долгосрочное глобальное поступление фосфора из пищевых производств в объёме около 6–12 Тг фосфора в год. Это новое расчётное значение поступления фосфора аналогично диапазону, выведенному Carpenter и Bennett.186 Поэтому мы полагаем, что глобальное долгосрочное ограничение для применения фосфора пищевыми производствами должно составить 8 Тг фосфора в год (диапазон неопределённости составляет 6–12 Тг). Такое ограничение для фосфора может оказаться заниженным, поскольку в нем не учтена возможность по повышению эффективности использования фосфора в результате замыкания циклов фосфора путём его рециркуляции и снижения фосфорной нагрузки от точечных источников. Обозначенное ограничение также не учитывает ситуации глобального перераспределения использования фосфора из регионов, в которых фосфорные удобрения применяются в избытке в регионы, где они вносятся недостаточно. Такое перераспределение имеет большое значение, поскольку, в отличие от азота, фосфор адсорбируется почвой, может аккумулироваться в ней и накапливаться в запасах почвенного фосфора. Увеличение содержания органического вещества и запасённого углерода в почвах увеличивает способность почв накапливать фосфор. Вымывание и сток фосфора в поверхностные воды происходит тогда, когда почвы насыщены запасами фосфора, а поступление фосфора из удобрений превышает количество фосфора, удаленного во время выращивания и сбора урожая. Когда в почве наблюдается дефицит фосфора (т.е. его запасы находятся ниже уровня насыщения), возможно дополнительное внесение фосфора, что приведёт к увеличению урожайности при минимальном вреде для окружающей среды. Объединение указанных условий позволяет эффективно увеличить ограничение на применение фосфора.
Глобальные почвенные запасы фосфора в одних областях недостаточны, а в других регионах планеты почвы насыщены запасами фосфора. Для повышения урожайности, глобальные почвенные запасы фосфора должны быть повсеместно насыщены, а внесение фосфорных удобрений должно поддерживать насыщенность почв путём восполнения фосфора, удаляемого из почв в ходе выращивания и сбора урожая. Этот процесс позволит закрыть разрыв в урожайности, что необходимо для обеспечения продовольствием населения численностью около 10 миллиардов человек, ожидаемой к 2050 г. Согласно нашим оценкам, эту цель можно достичь путём краткосрочного (в течение нескольких лет) глобального внесения фосфора в объёме 16 Тг в год целенаправленно в почвы с дефицитом фосфора. Таким образом, мы предлагаем верхний предел внесения фосфора 8–16 Тг фосфора в год при сохранении ограничения в 8 Тг в год, что может быть достигнуто путём переработки 50% отходов жизнедеятельности человека и повторного применения переработанного фосфора на пахотных землях.187 Значение такого подхода будет возрастать по мере увеличения населения более чем на 2 миллиарда человек к 2050 году.
Потеря биоразнообразия
Общие сведения
Богатое видовое разнообразие и полнота численности популяций всех живых организмов, обитающих на суше и в воде, является важным условием для поддержания стабильного состояния экосистем,188,189 а также продуктивности и устойчивости систем продовольственного снабжения. Функциональная значимость биоразнообразия зачастую понимается в недостаточно полной мере и серьезно недооценивается.190,191 Биоразнообразие улучшает экосистемные услуги, необходимые для обеспечения благополучия человечества, включая производство пищевых продуктов, опыление, борьбу с сельскохозяйственными вредителями, регулирование тепла, поглощение углерода, обратную связь по влажности, регулирующую осадки. Питательная ценность, защитные свойства и вкусовые качества большей части растительной пищи – функция эволюционных взаимодействий между биологическими видами (Слайд №4).192
Мы вступили в период шестого массового вымирания видов на Земле, теряя виды со скоростью в 100-1000 раз быстрее естественных темпов фонового вымирания видов.193-195 Потеря видов измеряется с помощью показателя вымирания видов,194,195 местными изменениями в составе сообществ, снижением численности популяций,194 а также снижением сохранности биоразнообразия.150 Вымирание видов представляет собой растущую угрозу для системы Земля88,189 и мировой продовольственной безопасности, а также может существенно подорвать наш потенциал в деле по стабильному обеспечению продовольствием населения планеты к 2050 году.
Пищевое производство как фактор потери биоразнообразия
Многие виды деятельности человека приводят к потере биоразнообразия. Потеря наземной и водной среды обитания, фрагментация естественной среды обитания, изменение климата, химическое загрязнение окружающей среды, появление инвазивных чужеродных видов, а также неустойчивая урожайность диких видов являются первичными факторами потери биоразнообразия.190,196 При этом потеря и фрагментация среды обитания, происходящие из-за присвоения человеком земель для пищевых производств, являются основной движущей силой потери биоразнообразия.190,197 Согласно классификации рисков исчезновения птиц и млекопитающих Международного союза охраны природы, 80% угроз исчезновения видов птиц и млекопитающих обусловлено сельским хозяйством (Приложение, стр.17).
Текущие показатели скорости вымирания видов198 и сокращения численности популяций194 выше таковых, когда она составляла исчезновение одного вида на миллион видов в год. Число видов, которое может исчезнуть при сохранении способности обеспечить человечество питанием, остается неизвестным, однако каждый новый исчезнувший вид – это фундаментальное снижение устойчивости и способности реагировать на изменения окружающей среды.199 Предвестником исчезновения видов является сокращение численности популяций и локальное исчезновение. Биомасса насекомых уменьшилась на 75% за 30 лет, а количество птиц, обитающих на сельскохозяйственных землях – на 30% за 15 лет. Такое сокращение произошло задолго до исчезновения биологических видов по всему миру, при этом существенно навредило способности видового разнообразия поддерживать производство продуктов питания, перенос генов и другие экосистемные услуги (Слайд №4).
В качестве ориентира для оценки воздействия деятельности человека на биоразнообразие был введен показатель фоновой скорости вымирания видов («нормальные» естественные темпы вымирания), составляющий вымирание одного вида на миллион видов в год во многих таксонах.195 Высокая степень неопределенности существует в отношении скорости вымирания видов, допустимой для Земли, которая не равно нулю, хотя некоторые аналитики настаивают на необходимости свести вымирание видов к нулю для сохранения биоразнообразия. Эта неопределенность объясняет широкий диапазон неопределенности для провозглашенного нами научного целевого индикатора по утрате биоразнообразия (по ограничению на исчезновению видов), равного исчезновению менее десяти видов на миллион видов в год, что находится в одном ряду с фоновым уровень вымирания и показателем, предложенным Steffen и коллегами.2 Однако, поскольку переломная скорость или типы утраты биоразнообразия, которые могут стать причиной необратимых изменений в системе Земля, являются неизвестными, ограничение для пищевых производств должно быть установлено на уровне не ниже исторического фонового показателя «нормального» вымирания видов. Поэтому мы установили диапазон неопределенности, равный 1-80 исчезновениям на миллион видов в год. Самое низкое значение диапазона (т.е. 1) равно фоновой скорости вымирания, а самое высокое значение (т.е. 80) отражает долю влияния сельскохозяйственной сферы на сокращение количества видов и представляет собой 80% от верхнего предела области неопределенности (100 вымерших видов на миллион в год), предложенного Steffen и коллегами.2
Показатель скорости вымирания видов, выражаемый количеством исчезнувших видов на миллион в год, является логической метрикой для количественной оценки утраты биоразнообразия, поэтому важно учитывать несколько предостережений. Во-первых, показатель вымирания видов на миллион в год обычно измеряется согласно геологической, а не экологической временной шкале в глобальных экологических конвенциях, в том числе в Конвенции о биологическом разнообразии. Тем не менее, ранние признаки вымирания видов начинают просматриваться в экологической шкале времени, и должны немедленно приниматься к сведению для принятия решительных и неотложных мер. Во-вторых, снижение численности популяций биологических видов194 в регионах и локальное исчезновение видов предвещает вымирание видов по всему миру. Для количественной оценки этих процессов лучше применять региональную метрику, такую как индекс интактности биоразнообразия, а не логическую. В-третьих, не все виды оказывают одинаковое измеримое воздействие на процессы системы Земля, поэтому величина показателя исчезновения видов может не отражать степени влияния исчезновения определенных видов на глобальные процессы.201 Несмотря на отмеченные ограничения, модели, основанные на хорошо задокументированных закономерностях, действующих в ареалах обитания видов, применялись для прогностической оценки того, какой вклад может внести планируемое преобразование (освоение) земель в сокращение численности популяций и видового разнообразия.202,203 В этой связи мы считаем, что скорость вымирания видов, измеряемая в количестве вымерших видов на миллион видов в год, — это релевантная метрика для глобальной количественной оценки утраты биоразнообразия, вызванной функционированием пищевых производств.
Слайд №4: Сельскохозяйственное биоразнообразие
Сельскохозяйственное биоразнообразие или агробиоразнообразие имеет важное значение для благополучия населения и напрямую влияет на качество питания. Агробиоразнообразие, часто называемое разнообразием сельскохозяйственных культур, включает культивируемые и некультивируемые биологические виды, употребляемые в пищу или участвующие в производстве продуктов питания. Культивируемые сельскохозяйственные виды – это виды, которые специально выращиваются или разводятся фермерами. Агробиоразнообразие возникло в результате селекции, проводившейся человеком на протяжении десятков тысяч лет, с целью получения съедобных видов растений и животных, обладающих интересующими человека характеристиками, удовлетворяющими различные запросы и потребности (например, социальные, вкусовые, по урожайности, устойчивости к холоду и т.д.).
К несъедобным биологическим видам сельскохозяйственного значения относится бесчисленное множество видов живых существ от почвенных микробиомов до насекомых, птиц и млекопитающих, которые опыляют сельскохозяйственные культуры, регулируют количество вредителей, абсорбируют чрезмерное количество питательных веществ на полях, а также фиксируют углерод в почве. Выгоды, обеспечиваемые таким биоразнообразием, называются агроэкосистемными услугами. Агропроизводственные практики, такие как агролесоводство, береговые буферные полосы, консервация сельскохозяйственных угодий или «дикое всполье» помогают сохранить биоразнообразие в сельскохозяйственных угодьях, причем, эти сервисы управляются и обеспечиваются пищевыми производствами.31
Поскольку растения лишены возможности перемещаться, в процессе эволюции в них выработались многочисленные химические защитные приспособления от вредителей, хищников и болезней, и адаптивные приспособления для благоприятствования размножению. Например, сладкий вкус фруктов и ягод – словно награда для поедающих их животных, которые рассеивают их семена повсюду через экскременты, а структура плодов (зерна, семена, орехи) обеспечивает зародыш растений большим запасом энергии для развития и роста. Все эти разнообразные адаптивные приспособления являются источником богатой пищевой ценности растительных продуктов. Разнообразные свежие фрукты и овощи, цельные зерна, семена и орехи являются важной частью здорового питания, через употребление которых мы получаем выгоды для здоровья, приобретенные растениями в ходе эволюционного развития, приведшего к разнообразию.32
Не смотря на то, что существует более 14 000 съедобных видов растений, человек употребляет в пищу только 150-200 из них. И только лишь три культуры (рис, кукуруза и пшеница) составляют 60% от всех калорий, потребляемых населением планеты.32,33 Между тем, многие разновидности растений, которые не используются в пищу, имеют великолепный питательный профиль, а также представляют большой интерес в плане адаптации пищевых производств к изменениям климата (например, такие представители зерновых как квиноа, просо, сорго, тефф, или фрукты сапота и чая, и бобы ченаподес). Свойства таких съедобных растений особенно важны в свете растущей угрозы того, что изменения климата могут влиять на урожайность культур и пищевую ценность продуктов. Более того, упрощение системы продовольствия приводит к потере невостребованных существующих видов и сортов съедобных растений, что обедняет возможности человечества по обеспечению здоровых рационов питания при помощи экологически безопасных устойчивых систем продовольственного снабжения.
Изменение системы землепользования
Общие сведения
В мировом масштабе чистая площадь земли, занятой пищевыми производствами, остается неизменной с середины 20-го столетия. Однако такой подход к оценке маскирует реальную картину, поскольку в умеренных климатических зонах Европы, России и Северной Америки произошло существенное сокращение земель сельскохозяйственного назначения, в то время как в тропических зонах, отличающихся богатым биоразнообразием, сельхозугодия, наоборот, существенно расширились. Пищевые производства являются основным эксплуататором земель и движущей силой изменений в землепользовании, главным образом за счет вырубки лесов и сжигание биомассы. В период с 2000 по 2014 год в Бразилии уничтожалось в среднем по 2,7 млн. га лесов в год, в Демократической Республике Конго – 0,57 га/год с увеличение показателя в 2,5 раза, начиная с 2011 года, а в Индонезии — 1,3 миллиона га/год, причем 40% приходится на первобытные леса.204 Эти изменения в системе землепользования являются главной причиной утраты биоразнообразия и выбросов парниковых газов, и подрывают другие процессы системы Земля.
Главная задача человечества в отношении землепользования заключается в сохранении незаменимых земных и морских биомов, поскольку они регулируют состояние планеты и выполняют экологические функции, которые обеспечивают производство продуктов питания. Около 51% мировой земной поверхности могут быть классифицированы как нетронутые экосистемы с индексом интактности биоразнообразия более 90.150,205 Индекс интактности биоразнообразия — это количественная мера сохранности местных сообществ в пределах региона по сравнению с их исходным состоянием. Степень интактности экосистем варьируется по всему миру, и самыми сохранными биомами отличаются бореальные и тундровые зоны.205
15% из вышеуказанных 51% мировой поверхности земли имеют правовой статус охраняемых территорий и могут быть классифицированы как естественные места обитания флоры и фауны, являющиеся домом для уникальных биологических видов. Большое количество таких видов находится на грани исчезновения, поэтому они нуждаются в обширных нетронутых территориях для проживания с нулевым или минимальным вмешательством человека. В Конвенции о биологическом разнообразии (Айтинская целевая задача №11) поставлена задача защитить 17% суши и внутренних водоемов по всему миру с акцентом на законодательную защиту ключевых районов биоразнообразия206 и «горячих точек» биоразнообразия, где эндемики катастрофически теряют среду обитания.207
Оставшиеся 36% нетронутых экосистем не имеют правового статуса охраняемых территорий и сохраняют при этом высокие показатели интактности биоразнообразия.205 Под наибольшей угрозой исчезновения находятся те биомы, которые имеют наибольшую сельскохозяйственную ценность, в том числе биомы пастбищ, сухих тропических лесов и лесов умеренной зоны. В противоположность биомов с низкими показателями сохранности биоразнообразия из-за пищевых производств, высокоширотные тундровые и бореальные лесные биомы хорошо защищены и сохранены. Комбинация показателей площади нетронутых биомов (>50%) и сохранности биоразнообразия (индекс интактности > 90%) обеспечивает набор метрик, который указывает на масштабы прогресса, к которым необходимо стремиться, чтобы глобально защитить биоразнообразие (Рисунок 3). Поскольку биоразнообразие в каждой местности уникально, привязано к локальным условиями и не поддается экспорту, задачи по его сохранению необходимо ставить на уровне каждого экорегиона, обеспечивая, таким образом, равное распределение природоохранных мероприятий по всему миру.
Большая часть оставшейся поверхности земли отведена под пахотные земли и пастбища (естественные пастбища и пастбищные угодья), занимающие около 40% от свободной ото льда земной поверхности. В совокупности эти сельскохозяйственные системы являются крупнейшими в мире экосистемами, и, помимо производства продовольствия, они предоставляют другие важные услуги, в частности, служат средой обитания для разнообразных биологических видов (то есть поддерживают биоразнообразие) и поглощают углерод. Из этих 40% пастбища занимают 23% поверхности земли и имеют большое значение для сохранения биоразнообразия и связывания углерода. Пастбищные угодья могут также играть особенно значимую роль в стратегиях восстановления биоразнообразия в бывших биомах лугов или лесовосстановления в бывших лесных биомах, важных стратегиях по улавливанию углерода. Высадка леса ограничена наличием земель, и поэтому лесовосстановление за счет деградированных пастбищ и лугов дает возможность удалять двуокись углерода из атмосферы, обеспечивая при этом дополнительные преимущества для сохранения биоразнообразия.208 К преобразованию оставшихся нетронутыми естественных пастбищ и лугов следует относиться с большой осторожностью, поскольку издержки, связанные с утратой биоразнообразия и ростом эмиссии углекислого газа, высоки.
Мы используем минимальное количество лесных насаждений, индекс интактности биоразнообразия, а также зональную сохранность для ключевых биомов как основание для установления научных целевых индикаторов по использованию земельных ресурсов пищевыми производствами.2 Поскольку сельское хозяйство является крупнейшим действующим фактором обезлесения и основным эксплуататором земель, для достижения Парижского соглашения и сокращения потерь биоразнообразия, экспансия сельского хозяйства в лесные районы и другие природные экосистемы должна быть остановлена. Поэтому глобальное землепользование пищевыми производствами должно быть ограничено уровнем 13 млн. кв.м. и ниже (11–15 млн. кв.м.).
Рисунок 3: Связь между территориальной сохранностью экосистем и индексом интактности биоразнообразия, отражающим сохранность видового состава, служащая количественной мерой оценки текущего статуса биома в отношении целевых индикаторов по сохранению территорий и видового разнообразия.
Размер кружков отражает протяженность (то есть площадь) биома. Пунктирные линии представляют целевые индикаторы по территории (ось х) и сохранности видов (ось у). Целевой индикатор по сохранности территорий и стратегическую цель согласно модели «Половина Земли» (оставить нетронутыми 50%) предложили Wilson209 и Dinerstein с коллегами.205 Индекс интактности биоразнообразия, отражающий сохранность видового состава, был предложен Steffen и коллегами,2 и представляет собой меру функционального биоразнообразия, которое было проанализировано в мировом масштабе Newbold и коллегами.150 Четыре биома (зеленая область) имеют индекс интактности биоразнообразия более 90 и интактность территорий более 50%; один биом (луга умеренных зон) имеет менее 50% интактности по площади и индекс интактности биоразнообразия видов 90. Четыре биома спускаются ниже целевых индикаторов по сохранности территорий и видов, если порог индекса интактности биоразнообразия составляет 80%. Остальные биомы спускаются ниже одного целевого индикатора, но не двух сразу (по территории или видовому составу). Описание каждого биома см. в приложении.
Стратегия «Половина Земли»
Согласно предположениям, мы можем остановить потерю биоразнообразия и сберечь как минимум 80% предпромышленного видового богатства посредством защиты оставшихся 50% поверхности Земли за счет сохранения экосистем нетронутыми.205,209 Таким образом, количественные ограничения на изменения землепользования и утрату биоразнообразия, провозглашенные EAT-Lancet Комиссией, в глобальном масштабе заключаются в требовании свести преобразование природных экосистем в сельскохозяйственные угодья к нулю, то есть в реализации стратегии «Половина Земли». Эта стратегия согласуется с выведенным Steffen и коллегами2 ограничением на утрату биоразнообразия на региональном уровне, в соответствии с которым индекс интактности биоразнообразия должен поддерживаться на уровне 90% (Рисунок 3). Реализация стратегии «Половина Земли» в пределах биомов даст множество сопутствующих преимуществ, таких как сохранение функционального разнообразия экосистем, сокращение выбросов парниковых газов, производимых в процессе сельскохозяйственной деятельности, лесоводства и других видов землепользования, а также стимулирование лесопосадок или лесовосстановления, что важно для содействия выполнению Парижского соглашения. Стратегия «Половина Земли» может быть осуществлена посредством правовой защиты или использования земель с учетом видового состава биома, например, бережный сбалансированный сбор урожаев в естественных природных лесах, использование природных местных участков земли или применение систем выпаса низкой интенсивности в луговых экосистемах, или же других методов землепользования, которые позволяют поддерживать индекс интактности биоразнообразия не менее 90.
Сохранение показателей биоразнообразия при функционировании пищевых производств зависит также от мелкомасштабных природоохранных мер, применяемых для сельскохозяйственных ландшафтов. В основном потеря биоразнообразия вызвана фрагментацией естественной среды обитания и интенсификацией сельскохозяйственного производства, в том числе потерей зон свободной миграции и скрещивания, буферных систем и изолированных зон сохранения. Интегрирование как минимум 10% экологически сохранных земель мелких масштабов (<1км2) в сельскохозяйственные системы обеспечивает соединение мест обитания, что существенно для выживания биологических видов и доступа к экосистемным услугам, предоставляемым биомом благодаря биоразнообразию, которые поддерживают функционирование пищевых производств. Кроме того, трансформации экосистем, вызванные изменениями климата, приводят к меньшей потере биоразнообразия, чем изменения в землепользовании. Для того, чтобы биологические виды гарантированно адаптировались к темпам изменения климата, необходимо обеспечить сохранность естественной среды обитания, а также связей и взаимодействий внутри нее.210
Научные целевые индикаторы и стратегические направления по обеспечению устойчивого производства продуктов питания
В Таблице 2 представлены научные целевые индикаторы по планетарным ограничениям для пищевых производств, провозглашенные Комиссией. Эти глобальные научные целевые индикаторы позволяют дать интегрированное определение устойчивого пищевого производства, которое можно конкретизировать в виде целевых индикаторов, основанных на научных доказательствах (Слайд №1), для секторов разных масштабов — от региональных до страновых. Кроме того, научные целевые индикаторы устойчивых пищевых производств могут быть конкретизированы в виде стратегических направлений: (1) декарбонизация цепи продовольственного снабжения от производства к потреблению означающая, что к 2050 году необходимо свести использование ископаемого топлива к нулю и поддерживать выбросы парниковых газов, производимых пищевыми производствами, на уровне 5 Гт и менее эквивалента диоксида углерода в год для метана и закиси азота; (2) радикальное повышение эффективности системного (в том числе сельского и городского) использования питательных веществ и рециркуляции азота и фосфора; (3) срочное принятие мер по достижению нулевых потерь биоразнообразия; (4) обеспечение человечества продовольствием за счет уже функционирующих сельскохозяйственных угодий, т.е. отказ от расширения территорий сельхозугодий, прекращение экспансии сельского хозяйства в природные экосистемы; (5) интегрирование 10% экологически сохранных территорий в существующие сельскохозяйственные ландшафты, восстановление деградировавших земель, в том числе за счет высаживания леса; (6) принятие стратегии «Половина Земли» по сбережению биоразнообразия, т.е. сохранение 50% экосистем Земли в нетронутом виде; (7) сокращение потерь продуктов питания и отходов на 50% для уменьшения давления на спрос на продовольствие; и (8) трансформирование пищевых производств путем их устойчивой интенсификации за счет устойчивых методов поддержания почв, эффективного использования воды, питательных и химических веществ, производящих революцию в сельском хозяйстве.