有机农业可持续养活世界的发展战略
研究亮点 1. 研究通过SOL模型结合了一系列农业和粮食生产系统的指标，对有机农业可持续地养活世界的可能性进行了探讨，并对环境影响进行了定量分析； 2. 有机农业会比常规农业占用更多的土地，但在特定的情境下可以满足全球粮食需求； 3. 除了土壤侵蚀潜力外，有机农业的环境表现均优于常规农业生产模式； 4. 有机农业要想可持续的养活世界，除田间生产外，还应更加注重可持续食物体系，以解决食物浪费、作物-草-牲畜的相互依赖性和人类消费等问题。 研究背景 近几十年来，农业集约化极大地增加了粮食供应。然而，这造成了相当大的环境影响，在遏制农业对环境产生负面影响的同时，确保能够提供同样数量的粮食至关重要。为实现这一目标，相关研究人员提出了很多建议，例如进一步提高生产和资源利用的效率，或采取有机生产等综合方法，减少动物产品的消费和食物浪费等。 有机农业是改善食物系统可持续性的一个具体但存在争议的建议，它禁止使用化学合成的肥料和农药，强调作物轮作，注重土壤肥力提升和内部养分循环。然而，有机生产模式的产量较低，需要占用更大的土地面积来生产与传统生产模式相同的产量。因此，有机农业可持续养活世界的能力受到了挑战。 目前的一些研究都没有从食物系统的角度评估有机生产模式养活全世界的可能性，也没有探讨改变动物饲养制度、消费趋势和减少食物浪费可能发挥的作用——所有这些都是可以大幅减少农业生产的土地需求、降低环境影响和促进全球粮食供应的战略因素。基于此，本文采用了SOL模型，将农业食品生产中动物饲养、消费趋势和食物浪费几方面纳入评估体系，探讨有机农业可持续地养活世界的潜在可行性。 研究方法 本研究采用SOL模型进行评估，SOL模型是一个自下而上的农业生产和粮食部门的物质流平衡模型，该模型根据世界粮农组织（FAO）统计的数据库进行了校准，用于捕捉追踪生产中的生物量和养分流，以评估不同方案的可行性，不考虑经济限制和与数量、价格变化有关的市场效应。 SOL模型中的每项作物和牲畜活动都有一套投入和产出，即与各项活动有关的数量和养分的所有物质流动。畜牧活动的投入是饲料、建筑物的能源投入、马厩中进行的活动（清洁、喂养）以及栅栏的投入。产出包括人类食用产品(肉、奶、蛋)和不可食用产品(皮、毛、骨等)、粪便排泄、营养损失和温室气体排放。
研究中设定有机农业生产面积占比的不同情景（常规生产、20%有机生产、40%有机生产、60%有机生产、80%有机生产、100%有机生产），并对土地占用、气候影响、食物浪费、竞争饲料、环境影响进行情景模拟，通过SOL模型评估每种情景，得出每种生产情景下所有作物和牲畜活动的投入、产出和环境影响。对于所有的情景，评估了食物的可获得性（用人均每天的卡路里和蛋白质供应量来表示）、饮食模式、土地占用、动物数量以及一系列环境影响，如N/P盈余（即N/P流入和流出之间的净差）、水资源消耗、森林砍伐和温室气体排放。
主要结果
01
有机农业可行性
图1 耕地面积的占用(十亿公顷为基准)；基准年(2005-2009年平均数据)、2050年参考情景(0%有机)和有机产品生产百分比增加情景的耕地面积
如图1所示，与基准年(2005年-2009年平均数据)相比，维持常规农业生产的前提下耕地面积在2050年需要增加6%。而如果耕地全部（100%）进行有机生产，考虑到有机作物减产因素（8%~25%），耕地面积需要增加16-33%。如果同时考虑到气候变化对产量的不利影响，有机生产所需的土地占用将进一步增加，与基准年相比，2050年参考情景常规生产的土地占用最多可增加55%，而100%有机生产则需要增加71-81%。
图2 模拟情景下（有机耕地面积占比、气候变化对产量的影响、减少粮食竞争的饲料以及减少食物浪费)耕地面积变化的百分比（＞+5%为红色；＜-5%为蓝色；-5%~+5%为黄色，灰色虚线0%为参考情景，参考情景的耕地面积比基准年高6%）
由于有机和常规生产存在产量差距，与部分有机生产相比，常规生产需要的土地更少，但如果采取一些措施，有机生产则可以弥补与常规生产的产量差距，实现整体的可持续性。如图2所示，部分有机生产(如中等气候变化影响下，与粮食竞争土地的动物饲料减少40%)，甚至是全部有机生产(如中等气候影响下，减少50%的食物浪费以及100%的竞争食物的饲料)是完全可行的，与参考情景相比土地需求相等甚至更少。
图3 模拟情景下（有机耕地面积占比、气候变化对产量的影响、减少粮食竞争的饲料以及减少食物浪费）氮盈余百分比（＞+5%为红色；＜-5%为蓝色；-5%—+5%为黄色，灰色虚线0%为参考情景，参考情景的耕地面积比基准年高6%）
氮盈余是氮向生态系统供过于求及其相关影响的指标，氮盈余=氮投入-氮产出，氮投入=肥料投入+生物固定，氮产出=产品带出+氮排放+氮淋溶。在有机生
产中，由于化肥氮素投入的减少和豆科作物氮素的增加，氮盈余会随着有机生产比例的增加而减少，并在有机生产占比为80%时达到平衡水平。基准年相比，100%有机生产情景下氮盈余甚至可减少15%-35%。总而言之，当60%有机生产、气候影响中等、减少50%竞争饲料和减少50%食物浪费的情景时，只需要少量的额外土地便可以养活全球人口(图2)，并且氮盈余也在可接受的范围(图3)。
02
不同情景对饮食的影响
本文通过分析不同情景下的饮食消费，说明所涉及的不同食物体系策略对消费方面的影响。在该模型中，豆类作物在有机生产系统中的份额增加到种植面积的20%，这导致膳食结构(蛋白质供应份额)略有变化，完全有机生产的蛋白质/卡路里比例为12%，而参考情景中的比例为10.9%，这高于美国国家科学院食品和营养委员会推荐的10%的最低水平。随着额外的豆类替代肉类，动物产品的份额从参考情景的38%下降到全部有机生产的36%。有机农业可以通过增加豆类作物以弥补动物蛋白供应的减少，使人类膳食结构处于合理的状态。
03
环境影响
图4展示了2050年全面转向有机农业对环境的影响，蓝色的线代表常规生产。
100%有机生产将减少一系列的环境影响，但有一个情况例外，土壤侵蚀潜力与常规生产相比增加了10-20%，主要是因为有机生产的土地面积增加引起的（假设有机与常规生产的土壤侵蚀率相似）。
P盈余：假设有机系统与常规系统的非再生P投入水平相似，P盈余可保持与常规生产的相同水平。
不可再生能源：与常规生产，可以减少19-27%（主要是由于减少合成肥料，以及由于Ecoinvent 2.0数据库中报告的能源使用的差异）。
温室气体排放量：与常规生产相比则减少了3-7%，但与基准年相比仍增加了8-12%。（包括森林砍伐和有机土壤流失所导致的温室其他排放）。
农药使用：由于有机农业不使用化学合成的农药，其影响相应地降至零。 总产量：根据假设，所有情景都提供相同的卡路里和蛋白质水平，不影响产量。
总之，除土壤侵蚀外，有机农业在其他环境指标，如磷盈余、不可再生资源需求、温室气体排放、农药等方面均优于常规农业。
图4 2050年全面转向有机农业对环境的影响。有机生产情景(100%有机农业，黄色线)相对于参考情景(0%有机农业，蓝色线)的环境影响，有(虚线)和没有(实线)气候变化对产量的影响;在所有情况下，卡路里保持不变。显示的指标有:农田使用、毁林、温室气体排放(包括毁林、有机土壤)、氮和磷过剩、水资源利用、不可再生能源使用、土壤侵蚀、农药使用
研究结论
有机农业被认为是实现可持续食品体系的一条愿景途径，但其可行性也存在争议。本文采用食物系统模型，该模型根据有机农业的农艺特性分析了有机农业在可持续食物系统中可以发挥的作用。文章表明，2050年100%的有机农业生产比常规农业需要更多的土地，但减少了氮盈余和农药的使用。在分析时，将粮食浪费与饲料竞争减少，以及相应动物产品的生产和消费减少的模拟情景相结合，采用SOL模型模拟出2050年100%有机农业下的土地使用低于常规农业，温室气体排放等其他环境指标也有所改善。除了注重生产之外，可持续粮食系统还需要解决食物浪费、作物、草、牲畜的相互依赖和人类消费问题。文章中提出的这
有机农业可持续养活世界的发展战略
