文献阅读 | 未来全球食物消费引起的气候变暖
题目
Future warming from global food consumption
作者
Catherine C. Ivanovich , Tianyi Sun, Doria R. Gordon & Ilissa B. Ocko
期刊
Nature Climate Change
时间
2023年3月
一作
单位
Department of Earth and Environmental Sciences, Columbia University, New York, NY, USA.
Environmental Defense Fund, Washington, DC, USA
链接
https://doi.org/10.1038/s41558-023-01605-8
研究内容
食品消费是温室气体(GHG)排放的主要来源，评估其未来变暖影响对于指导气候缓解行动至关重要。然而，在报告食品相关排放时缺乏精细度，广泛使用过于简单的指标，如二氧化碳当量，使得解释变得复杂。我们通过开发一个全球食品消费温室气体排放清单来应对这些挑战，该清单按各种气体进行分类，并采用一个简化的气候模型，评估相关的未来变暖贡献以及某些缓解措施的潜在益处。我们发现，到2100年，仅全球食品消费一项就可能使气温上升近1℃。百分之七十五的变暖是由富含甲烷的食物(反刍动物肉、奶制品和大米)造成的。然而，超过55%的预期变暖可以通过生产实践的同步改进、健康饮食的普遍采用以及消费者和零售层面的食物浪费减少来避免。
研究背景
食物既是生活的一个重要方面，也是温室气体的一个重要排放源(GHG)。农业部门占全球人类活动产生的甲烷(CH4)排放量的近一半、一氧化二氮(N2O)排放量的三分之二和二氧化碳(CO2)排放量的3%。这三种温室气体占当今全球变暖总量的80%(分别为29%、5%和46%)，这表明农业可能对当前变暖水平的大约15%负有责任。然而，只有三分之一的国家在提交巴黎协议的国家决定文件中提到了农业缓解措施。为了鼓励对减少食品系统的GHG排放做出更多承诺，并支持有效的政策设计，需要提高对全球食品消费在促进未来变暖中作用的理解。
评估农业变暖影响的挑战
温室气体由多种气体组成，这些气体的辐射特性、大气寿命和排放源差异很大。二氧化碳是一种可以在大气中存在数百年的气体，它在整个食品供应链中从各种来源排放，如耕作机械和产品运输过程中的能源使用。甲烷是一种比与质量相当的二氧化碳多100倍温室效应的气体，但大气层寿命约为十年，主要通过肠道发酵、粪肥管理和稻田甲烷生成，从动物产品和大米生产中排放。一氧化二氮可以比二氧化碳多吸收250倍的热量，持续大约一个世纪，并通过使用合成肥料、种植固氮作物和牧场上的反刍动物排泄物排放。
为了评估这些综合排放对农业造成的变暖影响，研究人员通常使用简单的指标全球变暖潜力(GWP)及其对应的二氧化碳当量(CO2e)来评估这些气体的影响。GWP量化了在特定的时间范围内(例如100年或20年)，相对于相同质量的二氧化碳，非二氧化碳温室气体排放所吸收的能量。CO2e使用GWP作为乘数，将非CO2排放量转换为在给定时间范围内产生相同变暖影响的CO2排放量。然而，这些指标并没有真实地反映气候影响，因为它们没有考虑持续和不断变化的排放，没有计算随时间变化的变暖影响，并且需要选择一个任意的时间范围，最终扭曲短期或长期的气候影响
虽然已提出的替代度量标准来改进甲烷影响的量化都有一定缺点。气候模拟仍然是评估GHG排放物随时间变化的温度影响的优越方法。在那些超越简单指标并使用气候模型估计食物消费对变暖影响的研究中，只有选定的食物项目或食物类别(如牛肉和牲畜)得到了分析。需要进行更全面的分析，调查所有食物来源对变暖的影响，因为这将:
(1)提高对食物消费如何在近期和远期促成气候变化的理解；
(2)明确不同食物和气体在造成气候变化方面的相对重要性；
(3)为粮食部门的气候缓解工作提供指导。
研究方法
在这项分析中，研究者估计了未来变暖的影响通过使用简化的气候模型，设定在21世纪维持当前的全球饮食消费模式。基于广泛的文献综述制定了当前食物消费中个人GHG排放量的详细清单。研究者随着时间的推移按比例计算年排放量，使用简化气候模型MAGICC第六版评估温室气体引起的气候变化，模拟这些排放对地表气温变化的影响。在预测中考虑了多种人口变化情况，并将气候影响(通过全球平均地表气温变化)归因于单个气体和食物组。此外，研究者估计通过需求和供给方面的干预，到2100年，未来的变暖可以避免多少。选择这些干预措施是为了反映整个食品供应链中目前可用的缓解战略，并包括对生产实践的改进，出于健康动机的饮食变化和能源部门的去碳化以及零售和消费级食物浪费的减少。
研究结果
鉴于最详细的全球范围的GHG排放清单涵盖了各种食品的整个生命周期，报告了以CO2e100计算的排放估计值(使用100年时间范围内的全球升温潜能值)，本研究首先将排放分解为各自的GHG成分(CO2、CH4和N2O)，以便将排放数据输入到气候模型中。本研究根据115项研究的文献综述和206项对每种食物或每组食物的单独气体分解的估计，对94种食物进行了分析(了解每项研究的排放分解和系统界限)。然后，根据联合国粮食及农业组织(粮农组织)食物平衡表中171个国家可供消费的食物数据，计算出当前的排放量3并在全球范围内进行汇总。根据粮农组织的方法，这里的食品消费是指零售层面上可获得的食品总量，其中已除去生产和运输过程中发生的食品损失。
GHG的全球食品消费排放量
据估计，2010年全球每年用于食品消费的GHG排放总量为48.6亿吨二氧化碳、1.51亿吨甲烷和9亿吨氧化亚氮。这些数值与最近的估计一致，但处于CO2范围的低端，处于CH4和N2O范围的高端。当结合使用标准的二氧化碳当量指标时，我们的估计值(100年和20年全球升温潜能值(GWP100和GWP20)分别为13和22千兆吨)落在文献提供的范围内，这些文献采用自上而下和自下而上的方法进行农业排放核算。潜在的差异可能源于应用排放率的综合食品消费数据、对某些食品类别的成分气体比率进行平均的影响、地区生产方法的差异以及包含某些生命周期评估，这些评估涵盖了略有不同的生产阶段。
使用这些单独的GHG排放轨迹作为模型输入，本研究发现，如果当前的饮食模式和农业生产实践持续到本世纪末，根据人口增长趋势，仅全球食品消费就可能比目前的变暖水平高出0.7±0.2到0.9±0.2℃(如图1所示)。
图1. 全球平均地面气温对GHG排放的响应基于五种人口预测的未来食物消费。使用本文开发的数据库和Riahi等人为以下ssp开发的人口预测，计算了食品消费的GHG排放量(二氧化碳、甲烷和一氧化二氮)。区域竞争、不平等、中间道路、化石燃料发展和可持续性(分别对应SSP3、SSP4、SSP2、SSP5和SSP1)。此外，还提供了与2020年全球人口消费相关的未来变暖情况，以供参考。RCP8.5排放是除农业以外的所有部门以及除二氧化碳、甲烷和一氧化二氮以外的所有强制因素的输入，以开发所有强制因素的基线模拟，从中得出单独的食品消费温度响应。阴影表示基于190个集合成员的95%置信区间，线表示这些集合成员的平均值。不等式(SSP4)场景用虚线标识，以便更好地显示重叠结果。
因为到2021年，我们已经比工业化前的水平高出1℃以上，仅这种额外的变暖就足以超过1.5℃的全球变暖目标，并接近《巴黎协定》设立的2℃阈值(假设目前来自GHG排放的变暖在不久的将来很大程度上是不可逆的，甲烷是预计增加的主要原因，占本世纪末与食物消费相关的变暖的近60%，大约20%的世纪末变暖归因于二氧化碳和氧化亚氮的排放。从2030年到2100年，乳制品和肉类的消费占全球变暖的一半以上。
图2 . 在高人口预测下，食物组对未来食物消费GHG排放的全球平均地面气温响应的相对贡献。
本研究将每种食物的排放量分为12类：谷物、大米、水果、蔬菜、反刍动物肉、非反刍动物肉、海鲜、奶制品、蛋类、油类、饮料和其他。我们发现在其他食物类别中，大米对世纪末变暖的贡献很大(19%)，而蔬菜、谷物、海鲜、油类、饮料、鸡蛋、水果和所有其他未分类的食物各占5%或更少。我们注意到，每种食物对本世纪末变暖的相对贡献不同于它们各自在CO2e20和CO2e100年排放量中的份额。然而，肉类、大米和乳制品对食物消费的总体气候影响的主导作用是一致的。
本研究假设饮食模式将保持不变，直到本世纪末。然而，到2050年，对反刍动物肉的需求预计将增长约90%，而所有动物产品的消费预计将增长约70%。这一增长远远超过了预计的人口增长比例(到本世纪中叶，人口将从80亿增加到近100亿)，因为预计世界各地未来的经济发展将有利于购买更昂贵的商品，如肉类和奶制品。因此，与其他食物来源相比，动物产品的排放强度相对较高，我们预测的变暖可能是低估了。事实上，我们的估计低于最近发表的文献对与畜牧业生产相关的未来变暖的估计。
通过缓解办法避免变暖
然而，通过对生产实践的现有修改，有相当大的减排潜力，消费模式，食物的损失和浪费的改进都在不同的前期研究中被讨论。在这里，我们评估了通过努力减少供应和需求两方面的干预所能避免的变暖程度。我们使用最高人口增长情景作为基线，来量化潜在气候效益的上限。在每一个被研究的减缓方案中，基线人口增长的选择影响着避免变暖的程度，为了应对不断变化的当地气候(例如，适应通过改变作物位置来改变气候)。我们的模型模拟表明，立即采用这些生产实践(排放量线性下降，直到2030年完全实施)将避免约0.2°C的变暖，或者到2100年因食物消费而预期变暖的近四分之一(如图3所示).
与本世纪中叶的国际净零排放目标一致，我们还评估了如果能源部门到2050年实现与食品消费相关的温室气体减排。能源部门的这种去碳化将在世纪末变暖减少约17%或额外的0.15℃。
接下来，我们通过分析与普遍采用健康饮食相关的潜在避免变暖来考虑饮食行为的变化。先前的研究发现，与改善健康相关的行动和与降低GHG排放强度相关的行动之间可能存在协同增效作用，与为应对环境问题而改变饮食行为相比，在全球范围内更有可能采用健康驱动的任务。我们使用了哈佛医学院提供的饮食建议，重点是减少肉类摄入，提倡富含蛋白质的饮食，减少饱和脂肪和胆固醇。这些建议明确规定少吃红肉(牛肉和猪肉；大约每周一份)和有限的鱼、家禽和蛋的消费(每天最多两份)。我们发现，如果这些饮食变化在全球范围内实施，到本世纪末，由于食物消费导致的变暖可能会降低0.19℃，这与之前的文献一致，这些文献强调了饮食建议提供环境和健康益处的潜力。由于持续的饮食消耗率，这相当于预期变暖的21%。
全球范围的行为变化极其复杂，因为饮食构成往往是由文化上重要的传统或有限的多样化食物。在与实施膳食建议相关的缓解方案中，我们模拟了全球平均消费率的变化，这导致美国和西班牙等国家的动物产品消费减少，而印度和埃塞俄比亚等国家的动物产品消费增加。这表明，仅在目前高排放强度食品消费占主导地位的地区实施较小的饮食变化，同样可以减少全球食品消费的排放。
最后，研究还强调了在农场、运输、零售和消费者层面减少粮食损失和浪费的潜力，这是减少农业GHG排放的一个途径。因此，我们还探索了将零售和消费者层面的食物浪费减少一半的缓解潜力，以符合国家层面的承诺，如美国2030年减少食物损失和浪费的目标。我们使用FAOSTAT的食物平衡表附件来估算食物浪费，应用每个食物组的区域平均值。如果零售(消费者)层面的食物浪费减半，本世纪末的变暖将减少0.04℃(0.03℃)，约为与饮食消费相关的预期变暖的5% (4%)。这些减少并没有考虑整个生产链中食物损失的减少，这可能会大大增加变暖的总体减少。我们无法评估这一贡献，因为我们的基本消费数据已经排除了整个农场和运输阶段的粮食损失。根据粮农组织的全球平均估计，约52%的粮食损失和浪费发生在零售阶段之前。如果在生产和运输阶段减少50%的食物损失，我们可以预期本世纪末的变暖会以类似的规模进一步减少(~0.1℃)。
几项研究强调了多尺度方法，这对于气候变化减缓的讨论是必须的。考虑供应方和需求方的同时采取措施，如果改进生产实践、能源脱碳、健康饮食和减少食物浪费与附加结果同时进行，到2100年可以避免0.5℃的额外未来变暖——超过维持全球食物消费预期变暖的55%。
图3. 全球平均地面气温对未来食物消费GHG排放的响应，用于缓解策略和在高人口预测，人口预测取自SSP3
研究讨论
在本世纪剩下的时间里，维持全球目前的饮食模式可能会导致气温上升近1℃。变暖超过了今天的水平，比工业化前高出约1℃。即使在一系列人口增长情景下，我们预计至少0.7±0.2℃和高达0.9±0.2℃的额外变暖(分别根据共享社会经济路径SSP1和SSP3的人口预测)。这两种情况都将超过仅从食物消费得出的1.5℃的温度目标。此外，随着对动物产品需求的增加，我们可能会看到更多的来自食物消费的变暖，这比我们在这里估计的还要多。然而，我们还发现，生产实践的技术改进、能源部门的去碳化、饮食习惯中以健康为动机的变化以及食物浪费的减少，与持续的饮食消费率相比，可以将预期的变暖降低55%以上，相对于高人口增长情景下的正常基线，避免0.5°C。进一步避免变暖的潜力存在于残余排放中，这可以通过减少食物损耗来解决生产阶段或未来的技术创新。
本研究通过气体分解食品消费产生的GHG排放的方法的主要优势在于，它允许使用气候模型来评估温度对食品消费的反应。这使得：(1)随着时间的推移，量化食物消费对气候变化的影响；(2)阐明不同食物和温室气体对未来气温升高的相对重要性；以及(3)确定粮食部门的有效缓解措施。以前的研究往往低估甲烷对气候变化的贡献，这种考虑缺乏所导致的结果不准确性尤其需要被考虑。例如，我们的分析显示了甲烷排放在食物消费导致的未来短期和长期变暖中的主导作用：到本世纪中叶，甲烷排放占食物导致的额外温度升高的73%，到本世纪末占60%。因为甲烷排放是相对短暂的，而目前约30%的变暖归因于甲烷，减少甲烷排放可以迅速造福气候。未来几十年，全球变暖的速度将会放缓，产生社会效益，例如减少极端天气和气候事件的可能性。
本研究的分析还表明，未来超过80%的变暖将来自于食物消费，如肉类、大米和奶制品，这些都是高甲烷含量的食物。因此，关注这些食物群的生产、消费和废物的减排，可以在避免与食物消费相关的温度升高方面发挥重要作用。目前，约有三分之一(148份中的50份)更新的《巴黎协定》国家确定的缓解措施提到了水稻缓解措施，不到五分之一(148份中的25份)提到了水稻缓解措施。我们的分析为更多国家优先采取行动减少农业GHG排放提供了动力。
本研究的结果受到基础数据中几个不确定性来源的影响，例如对GHG排放的气候响应建模中的标准不确定性，以及个别食品项目的可用GHG排放数据的局限性。未来的排放也将取决于消费模式的变化和人口增长。然而，我们的分析清楚地表明，目前的饮食生产和消费模式与维持不断增长的人口同时追求一个安全的气候未来是不相容的。幸运的是，有令人信服的缓解方案可以应对这一挑战。
编辑&排版：朱羽遥
审校&责编：肖逸龙
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