淡水

淡水對(duì)全球糧食生產(chǎn)至關(guān)重要。除了土地和能源投入之外，淡水供應(yīng)直接決定了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)供人類消費(fèi)的糧食的效率。目前，大部分地區(qū)沒有足夠的水資源。由于氣候變化預(yù)計(jì)將導(dǎo)致人類對(duì)區(qū)域水資源的實(shí)際使用減少，未來幾十年情況可能會(huì)惡化；缺水，至少是季節(jié)性的，也可能會(huì)擴(kuò)展到目前水資源豐富的地區(qū)。

由于農(nóng)業(yè)占全球淡水使用量的70%，而且許多地區(qū)已經(jīng)面臨水資源的限制，有效使用水資源對(duì)于確保充足的糧食生產(chǎn)至關(guān)重要。

糧食生產(chǎn)需水量

糧食生產(chǎn)需水量。即生產(chǎn)1公斤食物需要多少升水。

全球農(nóng)業(yè)水需求建模方法包括WATERSIM、LPJmL、GEPIC模型、IMPACT模型和水足跡網(wǎng)絡(luò)。其包含牲畜數(shù)據(jù)的建模方法。這些模型區(qū)分了各地區(qū)對(duì)雨水和灌溉/加工用水的具體需求，這兩種水也分別稱為綠色水和藍(lán)色水。

通常預(yù)計(jì)的需水量上升主要是由于食物需求量增加，因此通常會(huì)根據(jù)食物的熱量對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。除了來自全球建模方法的數(shù)據(jù)之外，生命周期評(píng)估在評(píng)估食物對(duì)當(dāng)?shù)厮枨蟮目沙掷m(xù)性方面發(fā)揮著重要作用。

基于全食品或飲食模式分析，近期開始整合食品質(zhì)量標(biāo)記，以提高顯示出較大營(yíng)養(yǎng)可變性的食品的可比性。通常，這些評(píng)估是綜合環(huán)境影響評(píng)估的一部分，還包括GHG排放、土地使用和空氣酸化。比較單一食物發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物產(chǎn)品，特別是豬肉和牛肉，產(chǎn)生最大的水需求，而植物食品，如谷物和豆類，每單位重量或千卡產(chǎn)生的水消耗量較低。

在整個(gè)飲食模式的背景下，除了動(dòng)物產(chǎn)品，水果、蔬菜、堅(jiān)果和種子也可能是食物生產(chǎn)的總體水需求的驅(qū)動(dòng)因素，這表明營(yíng)養(yǎng)豐富的食物的更高攝入量和多樣性、以及最大限度地減少農(nóng)業(yè)對(duì)環(huán)境的影響等目標(biāo)間存在不匹配。

總結(jié)現(xiàn)有的關(guān)于食品生產(chǎn)可持續(xù)性的研究，可以清楚地看到，在過去的幾年里，越來越多把重點(diǎn)從純食物的數(shù)量轉(zhuǎn)移到食物的質(zhì)量，以及近期與環(huán)境影響有關(guān)的食物的營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量(各種常量營(yíng)養(yǎng)素和微量營(yíng)養(yǎng)素的數(shù)量和份額)。

在評(píng)估食物的營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量時(shí)，采用了幾種不同的營(yíng)養(yǎng)密度評(píng)分方法；這使得全面比較變得困難。其中一些方法顯示出一定的局限性，例如，有些研究只計(jì)算了生的、未烹調(diào)的食物的營(yíng)養(yǎng)指數(shù)，但對(duì)谷物而言這可能是不可食用的狀態(tài)。一些營(yíng)養(yǎng)分?jǐn)?shù)只考察了很小范圍的營(yíng)養(yǎng)元素，并且研究尺度局限于地區(qū)范圍。

食物養(yǎng)分生產(chǎn)用水效率

對(duì)糧食及農(nóng)業(yè)組織(糧農(nóng)組織)分類的所有主要食物類別的礦物質(zhì)和維生素含量的基線分析結(jié)果。它根據(jù)每克凈重的營(yíng)養(yǎng)成分分?jǐn)?shù)(NCS)對(duì)食物進(jìn)行排序，即推薦的膳食攝入量(RDAs)占每種營(yíng)養(yǎng)成分的百分比。

這些值與文中這些食物的總蛋白質(zhì)和熱量含量有關(guān)。

內(nèi)臟、海鮮、豆類、雞蛋和蔬菜的總營(yíng)養(yǎng)含量最高，而主要谷物、水果、油脂和糖的凈營(yíng)養(yǎng)含量最低。

肌肉和器官肉天生是以70%的肌肉和30%的內(nèi)臟(如心臟、肝臟和腎臟)的平均比例一起生產(chǎn)的。

當(dāng)結(jié)合肌肉和器官肉的平均得分時(shí)，肉排在貝類之后。

這些分?jǐn)?shù)僅說明了蛋白質(zhì)和微量營(yíng)養(yǎng)素的總體含量，而不是這些營(yíng)養(yǎng)素的生物學(xué)價(jià)值或生物利用度。特定的營(yíng)養(yǎng)分布在不同的食物種類之間有差異。

將數(shù)據(jù)與食物生產(chǎn)的總用水量相結(jié)合，可以根據(jù)這些食物的水利用效率對(duì)它們進(jìn)行排序。

全球主要糧食類的平均用水情況，按用水效率從最高到最低進(jìn)行排列。NCS顯示為每升凈用水量(NCS l?1)，即添加的綠色和藍(lán)色水分?jǐn)?shù)。在上文中，深藍(lán)色的條形圖描繪了每種食物組每升所需的(藍(lán)色)水的消耗份額。

蔬菜和含淀粉的根顯示出最高的綜合效率，廣泛的礦物質(zhì)和維生素分布。

淀粉根也表現(xiàn)出較低的耗水率。

谷物排名相對(duì)較高，得分在1.09至2.04 NCS l?1之間。

結(jié)合肌肉和器官肉類的平均得分，肉類將排在第九位，位于小麥和雞蛋之間，總用水量得分為1.45 NCS l?1。

大豆和其他豆類(豆類、豌豆、扁豆、花生)耗水率低，在這個(gè)尺度上排名較高。

動(dòng)物和植物來源的脂肪(大豆、向日葵、花生、油菜籽、芝麻、棕櫚油、椰子油、橄欖油)排名較低。

飲食環(huán)境

不同飲食模式的總水足跡很大程度上取決于其具體組成。構(gòu)建一個(gè)健康的、足夠滿足人體對(duì)常量營(yíng)養(yǎng)素和微量營(yíng)養(yǎng)素的需求的飲食結(jié)構(gòu)有很多不同的選擇。在每一種飲食模式中，食物的來源、數(shù)量、種類及成分，以及是雜食性還是純植物性飲食，可以有不同，也取決于需求、食品可得性和偏好。

不同飲食中的蛋白質(zhì)選擇，并解答一些常被關(guān)心的問題，即是否用豆類（植物蛋白質(zhì)的主要來源）代替動(dòng)物食品(肉、蛋、奶)，可以平均減少飲食用水需求。

在全球范圍內(nèi)，如果只以熱量替代為目標(biāo)，豆類取代動(dòng)物性食物會(huì)導(dǎo)致對(duì)水需求的平均水平的下降。然而，在這種情況下，總營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)中蛋白質(zhì)總量將下降、碳水化合物將增加。

這意味著，如果要求大量營(yíng)養(yǎng)素在給定的一餐或飲食中保持穩(wěn)定，則以豆類食物替代動(dòng)物性食品提供等量的蛋白質(zhì)份額的同時(shí)，也要求一定量的其他碳水化合物來源被替代。

比較了1克豆類、大豆、奶制品、雞蛋或肉類中含或不含內(nèi)臟的蛋白質(zhì)的微量營(yíng)養(yǎng)素含量、熱量和需水量。

大豆被單獨(dú)描述是因?yàn)?，從健康的角度來看，目前或歷史上沒有大量定期攝入大豆的記錄，這可能是不安全的人類飲食選擇。

平均而言，豆科植物的每克蛋白質(zhì)的總需水量與相較于動(dòng)物蛋白質(zhì)源較低，與奶制品、蛋類和肉類相比，每克豆類蛋白質(zhì)需水量分別是奶制品、蛋類和肉類的?7，?19，34%。

牛肉和豆類的需水量最高，而家禽和豌豆的需水量最低。

進(jìn)一步調(diào)查了更區(qū)域化的蛋白質(zhì)來源的水足跡。

在多數(shù)地區(qū)的數(shù)據(jù)中顯示，豆科植物的平均需水量低于大多數(shù)動(dòng)物性食品，除了澳大利亞/大洋洲，這是最大的例外。而這些區(qū)域數(shù)據(jù)很大程度上支持在全球普遍發(fā)現(xiàn)的問題，即豆類和肉類的可變性來源因地而異。

植物性食物和動(dòng)物性食物都可以提供各種各樣的營(yíng)養(yǎng)，盡管二者并非完全可互換，但其營(yíng)養(yǎng)可以相互補(bǔ)充，成為均衡飲食的一部分。

雖然某些植物性食物，如蔬菜、豆類、堅(jiān)果、種子和含淀粉的根，每克凈重的營(yíng)養(yǎng)含量最高，而且往往用水效率最高，但當(dāng)動(dòng)物的所有可食用部分都成為飲食的一部分時(shí)，動(dòng)物產(chǎn)品的利用效率最高。

考慮到當(dāng)下與未來所面臨的健康和環(huán)境挑戰(zhàn)，更注重飲食的營(yíng)養(yǎng)密度可以改善人口的平均營(yíng)養(yǎng)狀況，同時(shí)還可以提高農(nóng)業(yè)用水效率。

但是，糧食生產(chǎn)的總需水量可能會(huì)增加，這取決于未來飲食中可能出現(xiàn)的新型食物。

灌溉

灌溉用水占據(jù)全球用水的85%。大部分灌溉用水都由地表水供應(yīng)，且地表徑流的季節(jié)性分布對(duì)融雪的變化非常敏感。氣候變化可能會(huì)改變地表水的供應(yīng)，進(jìn)而威脅灌溉作物的生產(chǎn)。

地表徑流

使用地形氣候數(shù)據(jù)集來量化每個(gè)主要流域的歷史每月徑流規(guī)模（1985-2015）以及徑流來自降雨和融雪的比例?；谌虻淖魑?水模型、灌溉配備面積的年度時(shí)間序列和同期灌溉用水資源數(shù)據(jù)，估計(jì)作物特定的月灌溉用水需求，進(jìn)一步估計(jì)出每個(gè)相應(yīng)流域中融雪滿足灌溉需求的比例。

月度計(jì)算假設(shè)降雨和融雪徑流的使用與每個(gè)月的供給成正比。

當(dāng)某月的地表水供應(yīng)不足以滿足灌溉和其他部門的需求時(shí)，量化了地表水需求的不足，這些需求可能由其他地表水源來滿足，例如前幾個(gè)月水庫的蓄水徑流、流域間轉(zhuǎn)移和海水淡化。最后，重復(fù)分析2 °C 和4°C變暖情景下預(yù)測(cè)的融雪和降雨徑流變化。

融雪流域

1985-2015年的平均融雪徑流比例以及2°C和4°C情景下的平均變化。全球所占面積超過26%的陸地上，融雪對(duì)徑流的貢獻(xiàn)超過50%。世界上大約40%的灌溉黑麥和大麥產(chǎn)量，以及20%的灌溉甜菜、葡萄、向日葵、土豆和棉花產(chǎn)量，都位于這些以融雪為主的流域中。

全球變暖導(dǎo)致來自融雪的徑流占比大幅下降。生活在這些以融雪為主的地區(qū)的人口在2°C和4°C的變暖情景中分別從占全球人口的8%下降到6%和3%。

每月徑流與每月水需求之間的關(guān)系。

這些流域的融雪量滿足了大部分年度灌溉用水需求。以加州的圣華金流域?yàn)槔壳岸窘涤炅繌搅髯畲?，?dāng)時(shí)對(duì)水的需求最低，隨著春季需求的增加，幾乎所有消耗的徑流都是融雪，夏季總徑流幾乎消失，需要替代水源以滿足地表水需求。

碳中和

在2°C和4°C的變暖情景下，融雪徑流會(huì)減少并提前到更早。然而，在相同情況下，降雨徑流增加，而在時(shí)間方面變化不大。根據(jù)規(guī)模和時(shí)間，降雨徑流增加可能可以彌補(bǔ)融雪徑流在滿足灌溉用水需求方面的不足（如印度），也可能實(shí)現(xiàn)不了（如圣華金）。

流域?qū)θ谘┮蕾嚨膬蓚€(gè)方面：融雪滿足灌溉用水需求的比例和按流域面積標(biāo)準(zhǔn)化的灌溉用水量。綠黃相間的流域中，融雪滿足灌溉需求的比例相對(duì)較小，這些地區(qū)的灌溉需求主要通過降雨徑流、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移來滿足。深藍(lán)色流域是灌溉用水需求都相對(duì)較高的盆地。

根據(jù)融雪依賴的兩個(gè)方面，分析了特定作物的月度融雪依賴。從全球范圍來看，北半球夏季的水稻和棉花，以及春季的小麥和草地，尤其依賴于融雪。

不同作物每年灌溉地表水總消耗量差異很大，每種作物的灌溉用水量也有大幅度的季節(jié)性變化。

小麥在北半球春季消耗的水最多，而大多數(shù)其他作物（例如椰棗、向日葵、大豆、高粱、土豆和豆類）在夏末（7月和8月）和初秋（9月）對(duì)灌溉用水的需求最大。

對(duì)于目前依賴融雪的流域，在 4 °C 變暖情景下，當(dāng)前融雪和替代來源滿足的灌溉需求占比將來如何變化。由于氣候變暖的情況下融雪徑流減少，所有依賴融雪的流域的灌溉用水需求份額都有所下降。

此外，許多流域未來降雨的增加并不能彌補(bǔ)融雪的損失。如果灌溉需求不改變，將需要越來越多的新替代水源滿足這些需求。

融雪變化

為了從流域融雪變化的視角來評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，首先將融雪危害指數(shù)（SHI）定義為雪融徑流在灌溉需求中比重的預(yù)期減少量和替代水源在需求中比重的預(yù)期增加量。風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步取決于灌溉農(nóng)業(yè)面臨融雪危害的相對(duì)脆弱性。給定地理、政治和經(jīng)濟(jì)因素，脆弱性主要受流域間轉(zhuǎn)移和蓄水可得性的影響，以及能否可持續(xù)地進(jìn)行額外的地下水開采。

水庫蓄水是表明流域是否具備應(yīng)對(duì)此類挑戰(zhàn)的指標(biāo)之一。定義水庫蓄水指數(shù)（RSI）為每個(gè)依賴融雪的流域的替代地表水需求與儲(chǔ)水庫水的比例，較低的RSI表示具有更大的靈活性，可通過地表水存儲(chǔ)來適應(yīng)替代水需求的增長(zhǎng)。水庫蓄水量為每年超額徑流和當(dāng)前水庫蓄水能力的最低值。目前許多亞洲和北美盆地的水庫蓄水量已超過40%。

變暖情景

在變暖情景下，這些盆地對(duì)替代水源的需求甚至可能增加到現(xiàn)有水庫蓄水量的70%。由于流域利用地下水和地表水來滿足總體灌溉需求，如果地表水供應(yīng)減少，就有可能用地下水替代。

然而，一些流域幾乎完全依賴地表水，表明脆弱性和適應(yīng)性挑戰(zhàn)加劇。此外，幾乎所有的高SHI流域的地下水補(bǔ)給率相對(duì)較低，因此，即使地下水適合灌溉，地下水抽水也難以持續(xù)。轉(zhuǎn)自（螺灣工作室）