简谈粮食生产

淡水

淡水对全球粮食生产至关重要。除了土地和能源投入之外，淡水供应直接决定了农业产业生产供人类消费的粮食的效率。目前，大部分地区没有足够的水资源。由于气候变化预计将导致人类对区域水资源的实际使用减少，未来几十年情况可能会恶化；缺水，至少是季节性的，也可能会扩展到目前水资源丰富的地区。

由于农业占全球淡水使用量的70%，而且许多地区已经面临水资源的限制，有效使用水资源对于确保充足的粮食生产至关重要。

粮食生产需水量

粮食生产需水量。即生产1公斤食物需要多少升水。

全球农业水需求建模方法包括WATERSIM、LPJmL、GEPIC模型、IMPACT模型和水足迹网络。其包含牲畜数据的建模方法。这些模型区分了各地区对雨水和灌溉/加工用水的具体需求，这两种水也分别称为绿色水和蓝色水。

通常预计的需水量上升主要是由于食物需求量增加，因此通常会根据食物的热量对其进行评估。除了来自全球建模方法的数据之外，生命周期评估在评估食物对当地水需求的可持续性方面发挥着重要作用。

基于全食品或饮食模式分析，近期开始整合食品质量标记，以提高显示出较大营养可变性的食品的可比性。通常，这些评估是综合环境影响评估的一部分，还包括GHG排放、土地使用和空气酸化。比较单一食物发现，动物产品，特别是猪肉和牛肉，产生最大的水需求，而植物食品，如谷物和豆类，每单位重量或千卡产生的水消耗量较低。

在整个饮食模式的背景下，除了动物产品，水果、蔬菜、坚果和种子也可能是食物生产的总体水需求的驱动因素，这表明营养丰富的食物的更高摄入量和多样性、以及最大限度地减少农业对环境的影响等目标间存在不匹配。

总结现有的关于食品生产可持续性的研究，可以清楚地看到，在过去的几年里，越来越多把重点从纯食物的数量转移到食物的质量，以及近期与环境影响有关的食物的营养质量(各种常量营养素和微量营养素的数量和份额)。

在评估食物的营养质量时，采用了几种不同的营养密度评分方法；这使得全面比较变得困难。其中一些方法显示出一定的局限性，例如，有些研究只计算了生的、未烹调的食物的营养指数，但对谷物而言这可能是不可食用的状态。一些营养分数只考察了很小范围的营养元素，并且研究尺度局限于地区范围。

食物养分生产用水效率

对粮食及农业组织(粮农组织)分类的所有主要食物类别的矿物质和维生素含量的基线分析结果。它根据每克净重的营养成分分数(NCS)对食物进行排序，即推荐的膳食摄入量(RDAs)占每种营养成分的百分比。

这些值与文中这些食物的总蛋白质和热量含量有关。

内脏、海鲜、豆类、鸡蛋和蔬菜的总营养含量最高，而主要谷物、水果、油脂和糖的净营养含量最低。

肌肉和器官肉天生是以70%的肌肉和30%的内脏(如心脏、肝脏和肾脏)的平均比例一起生产的。

当结合肌肉和器官肉的平均得分时，肉排在贝类之后。

这些分数仅说明了蛋白质和微量营养素的总体含量，而不是这些营养素的生物学价值或生物利用度。特定的营养分布在不同的食物种类之间有差异。

将数据与食物生产的总用水量相结合，可以根据这些食物的水利用效率对它们进行排序。

全球主要粮食类的平均用水情况，按用水效率从最高到最低进行排列。NCS显示为每升净用水量(NCS l−1)，即添加的绿色和蓝色水分数。在上文中，深蓝色的条形图描绘了每种食物组每升所需的(蓝色)水的消耗份额。

蔬菜和含淀粉的根显示出最高的综合效率，广泛的矿物质和维生素分布。

淀粉根也表现出较低的耗水率。

谷物排名相对较高，得分在1.09至2.04 NCS l−1之间。

结合肌肉和器官肉类的平均得分，肉类将排在第九位，位于小麦和鸡蛋之间，总用水量得分为1.45 NCS l−1。

大豆和其他豆类(豆类、豌豆、扁豆、花生)耗水率低，在这个尺度上排名较高。

动物和植物来源的脂肪(大豆、向日葵、花生、油菜籽、芝麻、棕榈油、椰子油、橄榄油)排名较低。

饮食环境

不同饮食模式的总水足迹很大程度上取决于其具体组成。构建一个健康的、足够满足人体对常量营养素和微量营养素的需求的饮食结构有很多不同的选择。在每一种饮食模式中，食物的来源、数量、种类及成分，以及是杂食性还是纯植物性饮食，可以有不同，也取决于需求、食品可得性和偏好。

不同饮食中的蛋白质选择，并解答一些常被关心的问题，即是否用豆类（植物蛋白质的主要来源）代替动物食品(肉、蛋、奶)，可以平均减少饮食用水需求。

在全球范围内，如果只以热量替代为目标，豆类取代动物性食物会导致对水需求的平均水平的下降。然而，在这种情况下，总营养供应中蛋白质总量将下降、碳水化合物将增加。

这意味着，如果要求大量营养素在给定的一餐或饮食中保持稳定，则以豆类食物替代动物性食品提供等量的蛋白质份额的同时，也要求一定量的其他碳水化合物来源被替代。

比较了1克豆类、大豆、奶制品、鸡蛋或肉类中含或不含内脏的蛋白质的微量营养素含量、热量和需水量。

大豆被单独描述是因为，从健康的角度来看，目前或历史上没有大量定期摄入大豆的记录，这可能是不安全的人类饮食选择。

平均而言，豆科植物的每克蛋白质的总需水量与相较于动物蛋白质源较低，与奶制品、蛋类和肉类相比，每克豆类蛋白质需水量分别是奶制品、蛋类和肉类的−7，−19，34%。

牛肉和豆类的需水量最高，而家禽和豌豆的需水量最低。

进一步调查了更区域化的蛋白质来源的水足迹。

在多数地区的数据中显示，豆科植物的平均需水量低于大多数动物性食品，除了澳大利亚/大洋洲，这是最大的例外。而这些区域数据很大程度上支持在全球普遍发现的问题，即豆类和肉类的可变性来源因地而异。

植物性食物和动物性食物都可以提供各种各样的营养，尽管二者并非完全可互换，但其营养可以相互补充，成为均衡饮食的一部分。

虽然某些植物性食物，如蔬菜、豆类、坚果、种子和含淀粉的根，每克净重的营养含量最高，而且往往用水效率最高，但当动物的所有可食用部分都成为饮食的一部分时，动物产品的利用效率最高。

考虑到当下与未来所面临的健康和环境挑战，更注重饮食的营养密度可以改善人口的平均营养状况，同时还可以提高农业用水效率。

但是，粮食生产的总需水量可能会增加，这取决于未来饮食中可能出现的新型食物。

灌溉

灌溉用水占据全球用水的85%。大部分灌溉用水都由地表水供应，且地表径流的季节性分布对融雪的变化非常敏感。气候变化可能会改变地表水的供应，进而威胁灌溉作物的生产。

地表径流

使用地形气候数据集来量化每个主要流域的历史每月径流规模（1985-2015）以及径流来自降雨和融雪的比例。基于全球的作物-水模型、灌溉配备面积的年度时间序列和同期灌溉用水资源数据，估计作物特定的月灌溉用水需求，进一步估计出每个相应流域中融雪满足灌溉需求的比例。

月度计算假设降雨和融雪径流的使用与每个月的供给成正比。

当某月的地表水供应不足以满足灌溉和其他部门的需求时，量化了地表水需求的不足，这些需求可能由其他地表水源来满足，例如前几个月水库的蓄水径流、流域间转移和海水淡化。最后，重复分析2 °C 和4°C变暖情景下预测的融雪和降雨径流变化。

融雪流域

1985-2015年的平均融雪径流比例以及2°C和4°C情景下的平均变化。全球所占面积超过26%的陆地上，融雪对径流的贡献超过50%。世界上大约40%的灌溉黑麦和大麦产量，以及20%的灌溉甜菜、葡萄、向日葵、土豆和棉花产量，都位于这些以融雪为主的流域中。

全球变暖导致来自融雪的径流占比大幅下降。生活在这些以融雪为主的地区的人口在2°C和4°C的变暖情景中分别从占全球人口的8%下降到6%和3%。

每月径流与每月水需求之间的关系。

这些流域的融雪量满足了大部分年度灌溉用水需求。以加州的圣华金流域为例，目前冬季降雨量径流最大，当时对水的需求最低，随着春季需求的增加，几乎所有消耗的径流都是融雪，夏季总径流几乎消失，需要替代水源以满足地表水需求。

碳中和

在2°C和4°C的变暖情景下，融雪径流会减少并提前到更早。然而，在相同情况下，降雨径流增加，而在时间方面变化不大。根据规模和时间，降雨径流增加可能可以弥补融雪径流在满足灌溉用水需求方面的不足（如印度），也可能实现不了（如圣华金）。

流域对融雪依赖的两个方面：融雪满足灌溉用水需求的比例和按流域面积标准化的灌溉用水量。绿黄相间的流域中，融雪满足灌溉需求的比例相对较小，这些地区的灌溉需求主要通过降雨径流、储存和转移来满足。深蓝色流域是灌溉用水需求都相对较高的盆地。

根据融雪依赖的两个方面，分析了特定作物的月度融雪依赖。从全球范围来看，北半球夏季的水稻和棉花，以及春季的小麦和草地，尤其依赖于融雪。

不同作物每年灌溉地表水总消耗量差异很大，每种作物的灌溉用水量也有大幅度的季节性变化。

小麦在北半球春季消耗的水最多，而大多数其他作物（例如椰枣、向日葵、大豆、高粱、土豆和豆类）在夏末（7月和8月）和初秋（9月）对灌溉用水的需求最大。

对于目前依赖融雪的流域，在 4 °C 变暖情景下，当前融雪和替代来源满足的灌溉需求占比将来如何变化。由于气候变暖的情况下融雪径流减少，所有依赖融雪的流域的灌溉用水需求份额都有所下降。

此外，许多流域未来降雨的增加并不能弥补融雪的损失。如果灌溉需求不改变，将需要越来越多的新替代水源满足这些需求。

融雪变化

为了从流域融雪变化的视角来评估风险，首先将融雪危害指数（SHI）定义为雪融径流在灌溉需求中比重的预期减少量和替代水源在需求中比重的预期增加量。风险进一步取决于灌溉农业面临融雪危害的相对脆弱性。给定地理、政治和经济因素，脆弱性主要受流域间转移和蓄水可得性的影响，以及能否可持续地进行额外的地下水开采。

水库蓄水是表明流域是否具备应对此类挑战的指标之一。定义水库蓄水指数（RSI）为每个依赖融雪的流域的替代地表水需求与储水库水的比例，较低的RSI表示具有更大的灵活性，可通过地表水存储来适应替代水需求的增长。水库蓄水量为每年超额径流和当前水库蓄水能力的最低值。目前许多亚洲和北美盆地的水库蓄水量已超过40%。

变暖情景

在变暖情景下，这些盆地对替代水源的需求甚至可能增加到现有水库蓄水量的70%。由于流域利用地下水和地表水来满足总体灌溉需求，如果地表水供应减少，就有可能用地下水替代。

然而，一些流域几乎完全依赖地表水，表明脆弱性和适应性挑战加剧。此外，几乎所有的高SHI流域的地下水补给率相对较低，因此，即使地下水适合灌溉，地下水抽水也难以持续。转自（螺湾工作室）