文献阅读 | 选择营养丰富的食物对农业用水效率的影响

题目

The impact of nutrient-rich food choices on agricultural water-use efficiency

作者

Kerstin Damerau, Katharina Waha & Mario Herrero

期刊

Nature Sustainability

时间

04 March 2019

一作

单位

Harvard University Center for the Environment, Cambridge, MA, USA

链接

https://www.nature.com/articles/s41893-019-0242-1

研究背景

淡水资源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部门生产供人类消费的粮食的效率。目前，世界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利用减少，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%，而且世界许多地区已经面临水资源的限制，有效利用有限的水资源对于确保充足的粮食生产至关重要。由于全球农业系统已经接近或超过其可持续自然资源利用的极限——水是其中之一——需要新的方法来确保满足未来的粮食需求。在这种情况下，改变饮食偏好和指导可能会对农业的环境可持续性产生重大影响。

鉴于全球普遍的营养缺乏和预期的淡水供应减少，本研究的目的是从更详细的营养角度重新审视全球农业水生产率，并探索提高用水效率和潜在节水的选择。第一步，我们将食品生产所需的淡水投入与特定食品的微量营养素含量联系起来，用它们作为营养价值的指标。我们从比较24种食物的全球平均总用水量和消耗用水量以及22种必需微量营养素的含量开始分析。第二步，我们结合几种营养价值指标评估不同蛋白质来源的水分利用效率。最后，我们从需求方面讨论了农业部门减少用水的可能性。

计算粮食生产的需水量

一些研究估计了粮食生产的需水量。与大多数关于土地使用和农业温室气体(GHG)排放的研究相一致，以前的研究主要侧重于以重量或热量为基础的每单位淡水生产的食物(或蛋白质)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。后者是唯一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，最近的研究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。比较单一食物的研究最终发现，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。不过，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。因此，食品生产环境影响研究的下一个必要步骤是纳入更详细的营养分析。到目前为止，一些研究同时对特定食物的营养价值及其环境影响进行了定量调查，特别是它们的GHG排放量，并指出动物产品通常显示出比植物食品高得多的碳足迹。

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，越来越多的研究把重点从纯食物的数量转移到食物的质量，以及最近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。因此，从自然资源利用和营养角度来看，更大规模和更全面的研究是调查全球粮食系统中环境和营养可持续性之间联系的下一个必要步骤。

全球食物养分生产的用水效率

已有研究常通过比较食物的重量或热量来估计全球范围内食物的水分利用效率，本文则通过综合营养评分方法来综合评估食物的营养价值。图1显示了对粮食及农业组织(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。这些值与背景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很大的差异。

图1. 24种食物的营养成分分数

将图1中的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。图2显示了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。在背景中，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。

图2. 每升净用水的全球平均用水效率

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，都可以有很大的不同，也取决于个人需求、食品可得性和偏好。这限制了比较不同的饮食模式的能力，已有研究也缺少一般性的结论。

该研究侧重于分析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。图3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。黑色线条表示不同豆类和肉类的平均需水量。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。

图3. 每克蛋白质的微量营养素含量和需水量。总需水量以堆叠柱的形式显示，表示绿水和蓝水的份额。除大豆外，最节水的蛋白质来源是豌豆和鸡肉

因为全球价值只提供了一个关于不同食物水足迹非常普遍的概念，因此该研究进一步调查了更区域化的蛋白质来源的水足迹。图4描述了每个大陆上主要蛋白质源对水的总需求，其中第一组是图3所展示的世界平均水平。饮食蛋白质源中蓝水和绿水需求的利用和比例的变化很大。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。

图4. 全球主要饮食蛋白质源需水量的比较

研究结论

该研究是一项关于全球粮食生产用水效率与营养产出的综合调查。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。考虑到当代和后代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特定食物替代品。

编辑：方艳茹

排版：江琴

相关阅读

点击“阅读原文”浏览小组主页