摘要：以资源环境可持续的方式满足日益增长的食物需求是一项全球性挑战，行星边界（PBs）概念框架的提出为可持续食物系统研究提供了科学参考。本文在全球和中国尺度总结了PBs框架在可持续食物系统研究中的应用；基于以上边界评估了食物系统在耕地、淡水、氮磷等资源利用和氮磷损失、温室气体排放等环境影响的可持续状况；梳理了不同管理策略在食物系统可持续方面的作用；最后，提出了未来可持续食物系统研究的发展方向。本文能够为全球和中国未来可持续食物系统和农业土地利用管理提供理论基础和策略依据。
研究结果
1. 行星边界框架在可持续食物系统研究中的阈值应用
食物系统是PBs框架中土地利用变化、淡水利用、氮磷循环和气候变化等维度破坏的主要驱动因素。由于PBs评估方法不同，各维度的边界阈值也不断修正，并且由于多数边界的提出是从全球多部门出发，并非能够直接应用于食物系统。其中在食物系统相关的PBs综合评估中，全球耕地利用边界为1260×104km2；淡水边界为1980km3/y，约占全球总淡水边界的70.71%；以肥料形式输入到食物系统的氮和磷边界分别为69 TgN/y和16TgP/y；农业生产中总温室气体（GHG）排放和非CO2源GHG排放边界则分别为6.5 GtCO2eq/y和4.3~5.3 GtCO2eq/y。
由于地球系统过程之间的相互依赖性，PBs提出的初衷是从全球视角出发，并非在于将其应用于区域尺度。然而，制定资源环境相关的可持续管理策略往往是在区域尺度展开，将PBs降尺度应用成为了区域资源环境可持续发展的必要环节。当前的降尺度方法可以归纳为“自上而下分配”和“自下而上整合”两类。基于两类降尺度方法，结合中国区域淡水资源可获得性、人口占比等确定中国食物系统中淡水边界为53 km3/y，农业GHG排放边界为0.97 GtCO2eq/y，水体中氮磷排放边界为0.58TgN/y和0.32TgP/y，耕地边界为80×104km2。
2. 基于行星边界的食物系统资源利用和环境效应评估
食物系统供应链的食物生产、收获后处理与储存、加工、分销、零售和消费等主要过程均会产生资源环境风险。以食物生产阶段为例（图1），开垦土地威胁土地利用边界。灌溉消耗地表水和地下水，威胁淡水边界。施肥过程消耗氮磷资源，而生产、运输和施用过程中会排放GHG；过量投入会通过淋溶和径流形式影响氮磷循环。畜牧和水产养殖均需占用土地和消耗淡水，影响土地利用和淡水边界。而动物排泄物的挥发、淋溶或径流以及动物的肠道发酵等会威胁全球气候变化边界和氮磷边界。在食物供应链的其他阶段，食物损失浪费是资源利用和环境效应产生的主要原因。
图1 行星边界约束下食物系统生产阶段的资源利用与环境影响框架图
本文对比了1981年以来全球和中国食物系统各维度指标的演变趋势，及其与对应行星边界之间的差距（图2）。研究表明（1）全球和我国耕地面积分别超过对应耕地上边界120×104km2和35×104km2。（2）过去40年全球农业用水量增长124.35%，趋近淡水上界。中国食物系统淡水用量超过淡水上界的64.8%。（3）1961-2020年间全球作物氮磷施用增加3-5.7倍，超过氮磷边界。2021年中国食物系统氮磷肥投入是1981年的1.86-3.48倍，超过对应上界。（4）全球食物系统氮和磷损失分别是对应平均边界的2.5倍和0.85倍。2010年中国食物系统通过淋溶和径流损失的氮磷分别是1980年的4.6倍和7.9倍。（5）全球食物系统GHG排放总量约占人为GHG排放总量的三分之一，已超过GHG排放下界。中国食物系统GHG排放总量占全球排放总量的13.5%，且近几十年的排放份额呈增加趋势，接近GHG排放下界。
图2 1981年以来全球和中国食物系统各维度时间变化及其与行星边界比较
3. 可持续食物系统管理策略
在全球或国家尺度采取可持续食物系统管理策略，有助于推进食物系统资源环境可持续目标的实现。现有管理策略主要包括改变饮食结构，改进技术和管理水平，减少食物损失浪费，优化农业生产布局以及不同措施综合等。
4. 未来研究展望
本文深入探讨了PBs框架在全球和中国可持续食物系统中的应用，评估了PBs的食物系统资源利用和环境效应，梳理了管理策略在可持续食物系统应对PBs挑战中的作用。建议未来从以下几方面加强PBs下的可持续食物系统研究：（1）加强食物系统中各PBs之间相互作用机制的研究；（2）加强食物系统中各PBs的降尺度研究；（3）加强中国可持续食物系统政策制定的合理性。
原文链接：
王鸣雷, 史文娇. 2024. 行星边界下的可持续食物系统评估及策略研究进展. 中国科学: 地球科学, 54, https://doi.org/10.1360/SSTe-2023-0091
Wang M, Shi W. 2024. Research progress in assessment and strategies for sustainable food system within planetary boundaries. Science China Earth Sciences, 67, https://doi.org/10.1007/s11430-023-1232-y
(史文娇 供稿)
