文献阅读 | 严格保护生物多样性会对全球和地区尺度下的粮食安全与健康造成什么影响

题目

Global and regional health and food security under strict conservation scenarios

作者

Roslyn C. Henry, Almut Arneth, Martin Jung, Sam S. Rabin, Mark D. Rounsevell, Frances Warren and Peter Alexander

期刊

Nature Sustainability

时间

2022年4月

一作

单位

School of Geosciences, University of Edinburgh, Edinburgh, UK

链接

https://doi.org/10.1038/s41893-021-00844-x

摘要

全球生物多样性正在迅速减少，制止生物多样性丧失的目标（如“爱知目标”）也尚未实现。为了避免进一步的生物多样性丧失，以地区为基础的保护（area-based protection）将成为新的生物多样性目标的一部分。

本研究使用全球土地使用模型Landsymm13探索在严格执行30%和50%土地保护的情景下，全球和区域人类健康和粮食安全情况。研究发现由于饮食和体重相关的变化，保护方案会导致额外的人类死亡。南亚和撒哈拉以南非洲等低收入地区与体重不足有关的死亡率最高，在这些地区仅因营养不良就导致20万人的额外死亡。相比之下，高收入地区受保护措施的影响较小。

研究结果突出表明：保护具有生物多样性价值的地区的严格措施可能危及世界上最脆弱地区的粮食安全和人类健康。

引言

《生物多样性公约》承诺制止生物多样性损失，但国际协定大多未能实现。为避免进一步的物种灭绝，在2020年之后的全球生物多样性框架讨论中，以高级别区域为基础的目标构成了其中不可分割的一部分。然而，保护措施需要确保其执行不损害其他可持续发展目标（SDGs）。特别是以地区为基础的全球目标需要扩大保护区和恢复自然土地。如果这种扩张限制了农业，那么粮食供应就会减少，可能危及粮食安全目标和人类健康（尤其是在脆弱地区）。

然而，人们对于这一影响的理解还很不够。此外，尽管有人呼吁确保考虑到区域差异，人类与生物多样性相互作用的研究通常是在全球范围内进行的。鉴于目前存在的粮食安全不平等现象，因此必须以空间上明确的方式考虑保护措施对人类健康和营养的影响。

本研究使用土地系统模块模型（LandSyMM）来解决这些问题。LandSyMM将空间明确的、由生物物理过程产生的农作物产量响应和土地制约因素（如保护区）与社会经济情景数据结合起来，预测未来土地使用和管理的投入以及对农业初级商品的需求和贸易。模型用优化方法确定了对防止物种灭绝贡献最大的区域，并且为这项研究做出假设：到2040年，地球陆地表面的30%和50% 将受到严格保护，不被人类使用。基准情景与SSP2共享社会经济路径情景一致，在SSP2下，未来社会经济主要遵循历史趋势。本研究调查了严格保护对人类健康和粮食安全的影响，计算了因饮食和体重相关风险因素变化而导致的额外死亡人数，并与参考情景进行了比较。

对于农业在自然保护区内可发挥的作用，人们有着不同的看法。本研究的设想可以被认为是一种极端形式，其特点是将自然与人类压力分离开来的严格保护，因此不直接代表任何现有的建议。人们经常讨论严格区域保护的潜在缺陷；然而，很少有研究分析扩大严格保护对人类福祉的后果。本研究并非主张采取严格的保护措施，而是量化这种极端的潜在管理行动可能产生的一些影响。

主要结果

在2020年至2040年期间，在30%和50%的保护设想中，生物多样性保护将逐步在陆地实施，到2040年，地球的30%和50%土地将处于严格保护之下。如此极端的保护水平和对人类的排斥会对粮食生产的模拟结果产生影响。

在50%的保护方案中，55%的保护区位于亚热带地区；在30%的保护方案中，63% 的保护区位于亚热带地区。因此，农业用地会从这些地区的最佳种植区转移到高纬度地区，特别是在50%保护的情况下。这会造成粮食供应减少，但需求会随着人口增长而继续增加。当需求超过供给时，食品价格上涨，从而减少食品消费。

这一方面会通过减少肥胖和红肉消费产生积极健康影响，但另一方面会通过增加营养不良水平和减少水果和蔬菜消费产生消极健康影响。减少肥胖水平可以降低患癌症、中风和冠状动脉疾病的风险，尤其是糖尿病的风险，减少红肉消费对于降低结肠直肠癌的风险尤为重要。相反，减少水果和蔬菜的摄入会增加患癌症、中风和冠状动脉疾病的风险，而体重不足则会增加患癌症和其他原因导致死亡的风险。

严格的土地保护对不同区域的健康影响各不相同

与2019年相比，在所有三种情景下（基准情景、30%与50%面积的土地保护），肥胖水平增加、红肉消费增加、水果和蔬菜消费减少均会导致额外的与饮食和体重相关的死亡。然而，与基准情景相比，保护情景下，水果和蔬菜的消费量进一步减少，体重不足相关的死亡率仍然较高，从而增加了全球死亡率。2060年，30%和50%的土地保护使全球总死亡率增加了4%，分别相当于每百万人增加31和28人死亡（图1）。在保护方案中，额外的与饮食和体重相关的死亡率是由相对于基准情景的食品价格上涨引起的。由于需求系统的非线性，尽管在50%的情况下价格较高，但两种保护情况下的净额外死亡率是相似的。

水果、蔬菜以及红肉的消费对价格的反应都是非线性的，以至于无论价格如何，水果、蔬菜或红肉的最低维持量都是存在的。因此，一旦达到这个临界值，水果和蔬菜的消费量就不会进一步减少，也就不会有额外的死亡。因此，在50%的情况下，因水果和蔬菜消费量减少而增加的死亡人数相应地减少了，因为一些国家的消费量已经达到最低限度。与此同时，肉类摄入量没有达到最低阈值，而且价格处于50%情景下的价格点，其消费量与参考情景相比大大减少。在这里，我们发现红肉消费量的减少所避免的死亡率成比例地增加。水果、蔬菜和红肉消费量的比例变化改变50%情景中额外死亡和避免死亡之间的平衡，因此81%的额外死亡被避免死亡抵消，而30%情景中只有56%。

图1 2060年30%（a）和50%（b）保护情景与基准情景之间的死亡人数差异   颜色代表不同的危险因素，点表示死亡人数的平均总变化，误差线表示95%置信区间。一个区域的个别风险因素的总和可能低于死亡人数的总变化，因为个别风险在与其他风险因素相结合时可以减少和/或补偿。

与基准情景相比，保护方案减少了水果、蔬菜和红肉的消费量。在这两种保护方案中，与基准情景相比，饮食原因导致的死亡率均净增加。虽然30%和50%保护的净全球和区域影响相似，但在50%的情况下，饮食风险暴露和相关死亡率的变化要比30%的情况大得多。减少水果和蔬菜消费使全球死亡人数在30%保护情景下增加377,000人，在50%保护情景下增加691,000人。在30%保护情况下，减少红肉消费可减少全球死亡人数93,000人，在50%保护情况下可减少297,000人。因此，在这两种情况下，减少红肉消费的好处被减少水果和蔬菜消费的负面后果所压倒。

同样，体重风险的差异在50%的情况下比在30%的情况下要大得多。在全球范围内，保护方案降低了平均身体质量指数 (average body-mass index, BMI) ，因此在30%和50%的方案中，肥胖和超重相关死亡分别减少了167,000和448,000人。然而，与基准情景相比，减少BMI还会使体重不足相关死亡人数增加87,000人（30%情景），增加236,000人（50%情景）。因此，从30%的保护增加到50%的保护几乎使2060年体重不足相关死亡率的变为原来的三倍。

发展中国家与发达国家之间体重不足相关死亡率存在明显差异。与30%和50%保护率的参考情景相比，2060年南亚和东南亚撒哈拉以南非洲因体重不足导致的死亡人数最多。在50%的保护情况下，南亚和撒哈拉以南非洲平均每百万人中有75人和44人因体重不足而死亡，相当于196,000人的绝对额外死亡。因此，这些地区与体重不足有关的额外死亡占全球所有与体重不足有关额外死亡的83%。

相比之下，北美洲和欧洲等发达区域以及中亚与基准情景相比，2060年因体重不足造成的死亡人数增加最少，两者的死亡率都是每百万人增加3人，按绝对值计算相当于增加3717人。2019年，南亚和东南亚是卡路里消耗量最低的地区，随后是体重不足人口比例最高的地区，分别为22% 和16%。

在基准情景中，到2060年，这些地区的卡路里摄入量增加，南亚的体重不足人口比例从22%下降到13%，南亚撒哈拉以南非洲从16%下降到7%。然而，保护情景延缓了这种减少，到2060年，50%保护情景中的体重不足人口比例在南亚为14%，在撒哈拉以南非洲为8%。对于这两个区域，50%保护方案和基准情景之间的差距为1个百分点。

图2 2060年，基准情景与30% （a）和50% （b）保护情景之间的四个体重指数重量类别中，每个地区人口的百分比差异（Δ）。Y轴值不等于零表示保护情景下发生的变化。列表示平均值，误差条表示95% 的置信区间。每个区域的值是一个加权平均数，使用国家人口规模作为区域内的权重。

南亚与体重不足有关的死亡人数解释了为什么参考情景中的总死亡率与50%情景中的总死亡率之间的差异在南亚最大，每百万人增加80例死亡，是全球平均数的两倍以上。此外，基准情景和50%保护情景在水果和蔬菜消费量方面的差异在南亚最大。因此，由于水果和蔬菜消费量低于基准情景，死亡率增加。与体重不足有关的额外死亡以及由于水果和蔬菜消费量减少造成的额外死亡相结合，使南亚相对于其他区域的净额死亡人数增加。

与基准情景相比，撒哈拉以南非洲是唯一土地保护导致相较于基准情景更少死亡的地区。在30%的保护方案中，每100万人中死亡人数减少10人；在50%的保护方案中，每100万人中死亡人数减少49人。与其他地区不同的是，与基准情景相比，撒哈拉以南非洲的水果和蔬菜消费量没有大幅下降，因此，与水果和蔬菜消费量减少有关的死亡人数较少。由于食品需求的跨价格弹性的变化，保护情景和基准情景之间的水果和蔬菜消费的差异在撒哈拉以南非洲比其他地区要小。撒哈拉以南非洲的收入水平最低，与其他地区相比，反刍动物产品的价格上涨幅度最大。因此，在保护情景中，撒哈拉以南非洲的反刍动物产品消费量下降幅度最大。

植物性食品代替了不消费的肉类产品，特别是水果和蔬菜是常见的替代品。因此，在撒哈拉以南非洲，由于土地保护减少了反刍动物产品的消费，水果和蔬菜的消费水平得以维持，因此，水果和蔬菜的消费量在保护和基准情景之间的差异在这个地区是较小的。虽然土地保护似乎有利于撒哈拉以南非洲的净死亡率的降低，撒哈拉以南非洲仍然经历大量额外的体重不足相关的死亡。最终，撒哈拉以南非洲的净死亡率会下降，因为人们无法负担更昂贵、不健康的富含肉类的饮食，但这也会导致由于保护措施导致的食物供应减少而造成更大的体重不足相关死亡率。

严格的土地保护增加了食品价格和开支

保护情景中饮食消费水平的变化和体重的变化是由相对于基准情景的食品价格上涨造成的。此外，与30%情景相比，50%情景中更大的健康影响是由50%保护情景中更大的食品价格变化所驱动的。相对于基准情景，保护情景中的高粮食价格也增加了粮食支出。

图3 a-c，参考情景（a）、30% 保护情景（b）和50% 保护情景（c）中世界不同地区的拉氏食品价格指数。d-f，在参考情景（d）、30% 保护情景（e）和50% 保护情景（f）中，世界不同地区的粮食支出占国内生产总值的百分比。区域指数和支出是根据一个地区的人口规模，以该地区特定国家的价格指数和支出的加权平均数来计算的。中位数和标准偏差（阴影）显示。

在2020-2040年期间，农业用地被改变回天然土地，这会减少粮食生产，当需求超过供应时，粮食价格上涨。在2020年至2060年的基准情景中，由于持续的全球化、气候变化和生产效率的提高，粮食价格会下降。随着价格下降，所有地区的价格指数都在下降。

在2020年至2040年的保护情景中，粮食价格指数上升，对大多数地区而言，在2040年达到峰值。2040年之后，随着供求开始稳定，粮食价格开始稳定，价格指数开始下降，尽管下降速度慢于这一时期早些时候的增长速度。

尽管价格指数上升，北美和欧洲的粮食开支仍然很低，这表明发达国家由于其国内生产总值（GDP）很高而受到价格上涨的缓冲。相比之下，撒哈拉以南非洲仍然容易受到食品价格小幅上涨的影响，因为他们在食品上的比例支出是最大的。事实上，基准情景和保护情景之间最大的区域支出差异出现在撒哈拉以南非洲。例如，在2060年前的撒哈拉以南非洲，在50%的保护情景中，18%的GDP用于满足粮食需求，而在基准情景中，这一比例为12%。

讨论与总结（部分）

①当研究中的每一个风险因素被单独考虑时，50%情景的影响要大于所有30%情景的影响。

②发达世界地区基本上没有受到严格区域保护的负面影响，可以说，减少卡路里消耗和减少肥胖程度是一个可取的结果，相反，发展中地区受到食物供应减少造成的营养不良影响最严重。

③土地保护在2010年撒哈拉以南非洲净减少了死亡人数。在北美等发达地区，肉类蛋白质可以被其他来源取代，因为有充足的食物供应。然而，对于发展中国家来说，如果肉类不能轻易替代，那么由于红肉消费量的减少而导致的非传染性疾病减少所带来的好处，实际上可能会被缺乏足够的膳食蛋白质所带来的后果所抵消。

……

本研究的分析有助于进一步量化这样一个事实：即激进措施如果在全球实施，将导致不良和不平等的健康和粮食安全结果。这项工作的结果强调，人们必须评价与区域养护有关的人类健康和粮食安全成果，特别是在世界粮食不安全地区。

模型简介

Landsymm是先进的全球土地利用模型，它将动态全球植被模型(LPJ-GUESS)与食物和土地系统模型（PLUM）相结合。LandSyMM 将空间明确的、生物物理过程产生的作物产量响应与社会经济情景数据结合起来，以预测未来的需求、土地使用和管理投入。LandSyMM 改进了现有的综合评估模型（IAMs），以更细致的方式对作物产量反应进行模拟。此外，LandSyMM计算的是内生的商品需求，因此，与大多数土地使用模型不同，对商品的需求是动态响应商品价格变化的。

启示与思考

目前的本研也主要聚焦于针对模型结果的后分析上，并没有对于GLOBIOM模型进行很深入的理解。因此对自己而言，如何从模型的输出结果中识别有趣的要点并讲好一个完整而有价值的 “故事”是很重要的，分享这篇文献的目的也主要是希望自己能够学习作者们分析并呈现结果的方法。

对模型方法与情景设置感兴趣的读者可以阅读文献原文~

编辑&排版：房晨

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