文献简介
篇名：Global impacts of future cropland expansion and intensification on agricultural markets and biodiversity
发表时间：2019年
期刊：Nature Communications
作者信息：通讯作者为来自德国基尔世界经济研究所的Ruth Delzeit。
原文来源：https://doi.org/10.1038/s41467-019-10775-z
推荐理由
该研究通过综合考量生物物理和社会经济因素，提出了一个创新的分析框架，以评估未来农田扩张和集约化对全球农业市场和生物多样性的潜在影响。研究方法上，该研究将计算一般均衡（CGE）模型与动态作物生长模型相结合，这种迭代耦合方法能够全面模拟土地利用变化对农业市场的多方面影响。此外，该研究通过整合大规模的全球农作物和生物多样性数据，提高了分析的精确性。研究结果不仅揭示了农业生产与生物多样性保护之间的复杂关系，还识别出潜在的冲突热点区域，为实现全球可持续发展目标提供了科学依据，特别是在平衡农业生产与生态保护方面，具有重要的政策指导意义。
主要内容
随着对生物质需求的增加，耕地扩张和集约化是提高农业生产的主要策略，但也是生物多样性下降的主要驱动因素。虽然之前有研究关注农业生产，但存在诸多不足，如未充分研究不同农耕策略与生物多样性模式的空间关系、未将生物物理和社会经济驱动因素相结合、忽视经济模型对生物物理模型的反馈等。而满足未来生物质需求的同时保护生态系统和生物多样性是21世纪面临的关键挑战。近期数据可用性和土地系统空间显式建模的进展提高了评估未来农业影响的能力，所以该研究旨在捕捉土地利用变化的生物物理和社会经济驱动因素之间的反馈以及与生物多样性的相互作用，研究未来农田生产可能对农业市场和全球生物多样性造成的权衡，以评估实现理想农业途径的可行性并将其对高保护价值地区的影响降至最低。该研究研究了到2030年通过耕地扩张或集约化实现全球同等生产收益的后果，并分析了它们对农业市场和生物多样性的影响。研究发现两种情景都会导致全球作物价格下降，耕地扩张主要影响中南美洲的生物多样性热点地区，而耕地集约化尤其威胁撒哈拉以南非洲、印度和中国的生物多样性。研究结果表明，生产收益将以生物多样性为代价，主要发生在发展中的热带地区，而欧洲和北美受益于较低的世界市场价格，而不会使自己的生物多样性面临风险。通过确定潜在未来冲突的热点，展示了在哪些地方需要优先保护以平衡农业生产和保护目标。
图1 研究设计概述
研究结果表明：与参考情景相比，两种农业策略（耕地扩张和耕地集约化）都使全球作物产量增加了19%。耕地扩张情景下，730万平方千米的土地被用于作物生产；集约化情景下，150万平方千米的土地得到集约化利用。不同地区的产量变化不同，例如在耕地扩张情景下，中南美洲（+146%）和澳大利亚/新西兰（+78%）（图2）的作物产量增加最多；耕地集约化使撒哈拉以南非洲（+78%）、印度（+68%）和前苏联（+63%）（图2）的产量增加最多。价格方面，两种策略都使全球各地区的作物价格下降，包括国内产量下降的地区（如欧盟、美国、俄罗斯）。在耕地集约化情景下，撒哈拉以南非洲和印度等具有高集约化潜力的地区作物价格下降幅度最大，其他地区（如欧盟和中东及北非）也受益于较低的世界市场价格。不同地区的贸易和消费受不同策略影响。例如，欧盟在耕地扩张情景下从净出口国变为净进口国，而俄罗斯作为净进口国因世界市场价格下降增加了进口；印度在耕地扩张情景下是净进口国，在集约化情景下是净出口国。尽管撒哈拉以南非洲的耕地集约化潜力大，但中国由于经济增长强劲，增加的作物净进口使粮食消费增长高于国内生产。
图2 扩大和集约化对受影响生物多样性的产量、价格和面积的影响
两种耕作策略对生物多样性的影响大不相同。在热带地区，到2030年，生物多样性高发地区是最容易受到农田扩张或集约化威胁最大的热点地区，与农田集约化相比，农田扩张对更大范围的区域造成的影响更大（热点地区分别覆盖了14％和8％的陆地生态系统）。在农田扩张压力下的生物多样性热点发生在中美洲和南美洲，包括亚马逊河流域的西部和大西洋森林，中非和马达加斯加的森林和大草原，以及南非，东澳大利亚和大片的部分地区东南亚部分地区（图3）。耕地集约化对生物多样性的压力通常不那么明显，特别是在拉丁美洲，但包括撒哈拉以南非洲，印度，尼泊尔，缅甸和中国的耕种强度预计将在2030年之前大幅增加。虽然鸟类和哺乳动物的热点格局显示出高度的空间一致性（农田扩张和集约化分别有64％和66％的重叠），但与两栖动物丰富度相关的具有高农业潜力的区域相对较小（两栖动物有41％和40％的重叠其他分类单元），因为它们的范围较小，集中在特定地理区域。
图3 特有物种丰富度与耕地扩展和集约化潜力的空间关系
对于耕地使用者，集约化压力更明显（显著热点覆盖8%的陆地生态系统）；对于森林或自然栖息地专家，影响相对较小（4%）（图4），但热点模式大致相同。低农业潜力与低特有性丰富度区域（冷点）两种情景下，冷点大多位于非耕地、沙漠或冰雪覆盖的土地，以及北美和西欧的工业化农业地区。其他具有高农业潜力的地区要么不显著，要么位于生物多样性相对较低的区域。
图4 对于常规或边缘耕地使用者和森林或自然栖息地专家而言，耕地集约化潜力与特有丰富度之间的空间关联
生物多样性最高，且被未来的耕地扩张和集约化受到较大威胁的“热点地区”，分布在中美洲和南美洲，撒哈拉以南非洲地区和澳大利亚。农田扩张主要影响热带安第斯山脉，巴西大西洋森林以及西非和东非的生物多样性热点（图5）。对于集约化情景，生物多样性丧失风险最高的地区位于撒哈拉以南非洲和巴西。总体而言，农田扩张可能会影响更大的具有保护价值的地区。对于集约化而言，耕地物种的这些潜在冲突区域将是森林和自然栖息地的2.4倍。在另一方面，大面积的高农田扩张潜力存在于巴拉圭，阿根廷，乌拉圭和智利，撒哈拉以南非洲地区和巴西。
图5 扩张潜力、集约化潜力和地方性丰富度的分位数叠加
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