第二章水族学：结束有限的水、土地和养分资源循环
2.8 摘要
随着人口不断增加，全世界对高质量蛋白质的需求日益增加。 与肉类来源相比，鱼类被广泛认为是一种特别健康的蛋白质来源。 在世界粮食供应方面，水产养殖现在比捕捞渔业提供更多的鱼蛋白质（FAO 2016）。 在全球范围内，人均鱼类消费量继续以 3.2% 的年平均增长率 (1961 年至 2013 年)，这是人口增长率的两倍。 在 1974 年至 2013 年期间，生物上不可持续的 “过度捕捞” 增加了 22%。 在同一时期, 被认为是 “充分开发” 渔业的渔获量减少了 26%. 因此，水产养殖是满足不断增长的市场需求的唯一可能解决方案。 它现在是增长最快的粮食部门，因此是粮食安全的一个重要组成部分 (同上) 据估计，到 2050 年，全球人口将达到 83－109 亿人（Bringezu 等人，2014 年），水产养殖和农业部门的可持续发展需要优化生产效率，同时也需要减少有限资源的利用，特别是水、土地和土地。肥料。 水产养殖的好处不仅涉及有效利用土地、水和营养资源，而且还能够更多地整合诸如沼气和太阳能等智能能源机会。 在这方面，水果树是生产高质量鱼类蛋白质和蔬菜的一种有前途的技术，可以使用大幅减少土地、减少能源和减少水，同时最大限度地减少传统粮食生产中使用的化学和肥料投入。
· Aquaponics Food Production Systems2.7 能源资源
2.7.1 预测 随着机械化在全球范围内扩展，开田密集型农业越来越多地依赖化石燃料来为农用机械供电、运输化肥和农产品，以及运营加工、包装和储存设备。 2010 年，经合组织国际能源机构预测到 2035 年全球能源消费将增长 50%；粮农组织还估计，全球能源消费的 30% 用于粮食生产及其供应链（粮农组织，2011 年）。 与化石燃料相关的温室气体排放量 (生命周期分析中约 14%) 加上肥料制造 (16%) 和来自平均土壤的一氧化二氮 (44%) (Camargo 等人, 2013 年)，所有这些都大大增加了农业对环境的影响。 21 世纪生产以作物为基础的生物燃料 (例如玉米用于乙醇) 取代化石燃料的趋势增加了清理雨林、泥炭地、稀树草原和草原用于农业生产的压力。 然而，研究指出，这种做法产生了一种 “碳债务”，因为 COSub2/Sub 的总排放量超过了它们通过取代化石燃料而减少的温室气体 (Fargione 等人，2008 年)。 在清理土地以便通过依赖矿物燃料的传统农业种植粮食作物时，也存在着类似的碳债务。 在对农业生产系统的比较分析中，发现拖网渔业和再循环水产养殖系统的排放温室气体是非拖网捕捞和非 RAS（钢笔、滚道）水产养殖的 2—2.5 倍。 在 RAS 中，这些能源需求主要涉及泵和过滤器的功能（迈克尔和 David 2017）。 同样，如果需要能源才能将热和光保持在最佳范围内，温室生产系统的温室气体排放量可比露天作物生产多出三倍 (同上)。 然而，这些温室气体数字没有考虑到非现代化系统对环境的其他影响，例如富营养化或潜在的病原体转移到野生种群。 它们也不考虑生产、运输和应用除草剂和农药所产生的温室气体，也不考虑相关牲畜生产中的甲烷和一氧化二氮，这两者的温室气体温室升温潜能值是 COSub2/Sub 的 25 和 298 倍，(卡马戈等人, 2013 年; 埃格尔斯顿等人, 2006 年). 对目前和未来与粮食生产有关的能源消耗和温室气体排放的这些清醒的估计，促使采用新的模型和方法，例如 [第 2.1 节](社区/文章/第 21 章-建筑环境中水-食物-能源关系方法)。 联合国的可持续发展目标明确指出，粮食生产易受能源价格波动影响，是粮食不安全的一个关键驱动因素。 这促使人们努力使农业食品系统成为 “智能能源”，重点是提高能源效率、增加使用可再生能源以及鼓励粮食和能源生产的一体化（粮农组织，2011 年）。 #2.7.2 水上乐器与节能
· Aquaponics Food Production Systems2.6 土地利用
2.6.1 预测 在全球范围内，陆基作物和牧场占可用土地总量的约 33%，2000 年至 2050 年期间，农业用途的扩张估计将增加 7-31% (350—1500 兆赫，取决于来源和基本假设)，最常见的是以森林和湿地为代价 (Bringezu 等人)。(2014 年)。 虽然目前仍有一些土地被划为 “良好” 或 “边缘”，可供雨水灌溉农业使用，但其中很大一部分远离市场，缺乏基础设施或有地方病、地形不适当或限制发展潜力的其他条件。 在其他情况下，剩余的土地已经得到保护、森林或开发用于其他用途 (亚历山德拉托斯和布鲁因斯马，2012 年)。 相比之下，联合国可持续发展委员会将旱地生态系统界定为干旱、半干旱和亚湿润干旱地区，这些地区通常受到荒漠化的威胁，因此不适合农业扩张，但仍有数以百万计的人生活在接近（经济 2007 年）。 这些事实表明，需要更可持续地加强粮食生产，更接近市场，最好是在基本上非生产性的土地上，这些土地可能永远不适合土壤耕作。 一些专家认为，促进农业投入效率的两个最重要因素是：(一) 粮食生产位于气候 (和土壤) 条件自然提高效率的地区；(二) 农业生产对环境的影响减少 (迈克尔和大卫 2017 年）。 必须通过加强每公顷生产并减少环境负担 (例如土壤结构退化、养分损失、有毒污染) 来增加耕作生物量的供应。 换言之，高效粮食生产的足迹必须缩小，同时最大限度地减少对环境的负面影响。 #2.6.2 水上乐园与土地利用 Aquaponic 生产系统是无土的，试图回收养殖鱼类和植物所必需的营养物质，从而利用鱼类饲料和废物中的有机物养分，尽量减少或消除对植物肥料的需求。 例如，在这种系统中，利用土地进行开采、加工、储存和运输磷酸盐或富钾肥就变得不必要，从而消除了这些肥料的固有成本和施用成本。 水产生产不仅有助于提高用水效率（[第 2.5.2 节]（/社区/文章/2-5-水资源 #252-水资源和水保护）），而且还通过减少生产所需的土地足迹来提高农业投入效率。 例如，设施可以位于不可耕地上以及离市场更近的郊区或城市地区，从而减少与农村农场和将产品运往城市市场有关的碳足迹。 由于占地面积较小，生产能力可以位于其他非生产性的地区，例如屋顶或旧厂场地，如果这些地区被认为不适合住房或零售业务，这也可以降低土地征用成本。 在水生动物中生产高质量蛋白质和蔬菜的足迹较小，也可以消除清除具有生态价值的自然和半自然区域以供传统农业使用的压力。
· Aquaponics Food Production Systems2.5 水资源
2.5.1 预测 ！ 水食品印刷 ** 图 2.1** 水足迹（L 每公斤）。 RAS 系统中的鱼使用的水在任何食品生产系统中最少 除了需要使用肥料以外，现代密集型农业做法也对水资源提出了很高的要求。 在生物化学流动中（图 2.1），现在认为缺水是限制粮食生产的最重要因素之一（Hoekstra 等人，2012 年；Porkka 等人，2016 年）。 由于气候变化，预计全球人口增加和陆地水供应量的变化需要在农业中更有效地使用水。 如前所述，到 2050 年，根据人口增长和对生活水平的不断提高的预期，全球农业总产量将需要增加 60%（亚历山德拉托斯和布鲁因斯马，2012 年），发展中国家的粮食估计增加 100%（亚历山德拉托斯和布鲁因斯马，2012 年；世卫组织 2015 年）。 世界某些地区的饥荒以及营养不良和隐性饥饿表明，粮食需求与供应之间的平衡已达到临界水平，粮食和水安全是直接相关的 (McNeill 等人, 2017 年)。 气候变化预测表明，到二十一世纪末，淡水供应量减少，农业产量也相应下降 (米斯拉，2014 年)。 农业部门目前约占全世界淡水使用量的 70%，而世界上大多数最不发达国家的淡水抽水率甚至超过 90%。 由于预计人口增长，未来 25 年内缺水情况将会增加（Connor 等人，2017 年；Esch 等人，2017 年），最新的模型预测几乎所有国家的水供应量在不久的将来都会下降（Distefano 和 Kelly 2017）。 联合国预测，追求一切照旧做法，到 2030 年，全球水资源短缺率将达到 40%（水资源 2015）。 在这方面，由于用于灌溉的地下水供应枯竭或污染，干旱地区因气候变化而遭受更多干旱和水短缺，农业生产用水将变得越来越有价值 (Ehrlich 和 Harte 2015a)。 水资源日益匮乏不仅影响人类消费的水安全，而且影响到全球粮食生产（McNeill 等人，2017 年）。 鉴于即使在目前水资源相对充足的地区也预计缺水，因此必须开发低水投入需求的农业技术，并通过更好地再利用改善废水的生态管理（粮农组织，2015a）。 《2017 年联合国世界水资源开发报告》（Connor 等人，2017 年）的重点是废水作为一种尚未开发的能源、营养物质和其他有用副产品来源，不仅影响到人类和环境健康，而且对粮食和能源安全以及气候变化缓解产生影响。 本报告呼吁采用适当和负担得起的技术，以及法律和监管框架、筹资机制和提高社会对废水处理的接受程度，以便在循环经济中实现水的再利用。 报告还指出，2016 年世界经济论坛报告将水危机列为未来 10 年最令人关切的全球风险。
· Aquaponics Food Production Systems2.4 害虫、杂草和疾病控制
2.4.1 预测 人们普遍认识到，控制疾病、害虫和杂草是遏制威胁粮食安全的生产损失的关键组成部分 (Keating 等人, 2014 年)。 事实上，在二十世纪后半叶，越来越多地使用抗生素、杀虫剂、除草剂和杀菌剂以减少损失和提高生产力，使农业产量大幅度增加。 然而，这些做法也与许多问题有关：土壤和灌溉水中的持久性有机化合物造成的污染、土壤中根细菌和菌根活性的变化、作物和牲畜的污染、抗药菌株的发展、对授粉者的有害影响和（布林格祖等人，2014 年；埃尔利希和哈特，2015a；埃施等人，2017 年；粮农组织 2015b）。 几乎每一项呼吁都提到以减少使用这些物质的方式处理虫害、杂草和疾病控制问题，为日益增长的世界人口提供粮食安全。 #2.4.2 害虫、杂草和疾病的控制 作为一个采取生物安全措施的封闭系统，水生系统在植物组成部分中需要的化学农药应用要少得多。 如果仔细处理和监测种子和移植库存，可以采取有针对性的措施，在水培单元中控制杂草、真菌和细菌/藻类污染物，而不是在土壤农业中普遍使用的除草剂和杀菌剂。 随着技术的不断进步，积压温室等发展可以进一步减少虫害问题（米尔斯和两者 2001）。 减少虫害风险的设计功能可以降低化学品、劳动力、施用时间和设备方面的成本，特别是因为工业规模的水产生物系统的土地足迹很小，而且系统紧凑且严格控制，与蔬菜和植物的开放生产面积相比，传统土壤农场的水果作物。 在水生养殖系统中使用 RAS 还可以防止养殖种群与野生种群之间的疾病传播，这是流动和开放网笔养殖中的一个迫切问题（Read 等人，2001 年；Samuel-Fitwi 等人，2012 年）。 RAS 成分通常不需要常规使用抗生素，因为它是一个封闭的系统，可用于引入疾病的载体很少。 此外，通常不鼓励使用抗菌剂和抗寄生虫药，因为这可能对微生物群有害，因为微生物群对于将有机和无机废物转化为可用化合物，用于水培单位的植物生长至关重要（Junge 等人，2017 年）。 如果确实出现疾病，从周围环境中控制鱼类和植物使得净化和根除工作更易于管理。 虽然封闭式系统显然不能完全缓解所有疾病和害虫问题（Goddek 等人，2015 年），但在独立的 RAS 和水培中已经采用的适当生物控制措施大大降低了风险。 这些问题将在随后各章中进一步详细讨论 (关于鱼类，见 [第 6 章](/社区/文章/第 6 章-水生鱼科细菌关系-新研究-方向)；关于植物，进一步详情见 [第 14 章](/社区/文章/第 14 章植物-病原和控制战略-鱼)。
· Aquaponics Food Production Systems2.3 耕地和养分
2.3.1 预测 即使需要生产更多的粮食，可用于农业耕作的土地本质上限于世界土地面积的大约 20-30%。 农业用地的供应正在减少，最需要的地方，尤其是在人口中心附近，缺乏适当的土地。 土壤退化是造成这种下降的主要原因，一般可以分为两类：位移 (风蚀和水侵蚀) 和土壤内部化学和物理退化 (营养物质和/或有机物的丧失、盐碱化、酸化、污染、压实和水涝)。 鉴于定义、严重程度、时间安排、土壤分类等多种多样，估计全世界自然和人为引起的土壤退化总量十分困难。2017 年），从而将可耕地和永久耕地的增长限制在从 20 世纪 60 年代初到 20 世纪 90 年代末的四十年中（布鲁因斯马 2003 年）。 更重要的是，与此期间的人口增长相比，人均可耕地下降了约 40% (Conforti 2011)。 “可耕地” 一词意味着有足够的营养物质来支持作物生产. 为了应对营养耗尽，全球化肥消费量从 2002 年的 90 公斤/公顷上升到 2013 年的 135 公斤（袖珍手册 2015 年）。 然而，肥料使用的增加往往导致硝酸盐和磷酸盐过量最终进入水生生态系统（Bennett 等人，2001 年），在藻类生物量衰减消耗氧气并限制水生生物多样性时，造成藻类繁殖和富营养化。 大尺度的硝酸盐和磷酸盐引起的环境变化在流域和沿海地区尤其明显. 氮、钾和磷是植物生长所必需的三大营养物质。 虽然对磷肥的需求继续呈指数级增长，但磷酸盐岩储量仍然有限，估计表明它们将在 50-100 年内耗尽 (Cordell 等人，2011 年；Steen 1998；Van Vuren 等人，2010 年)。 此外，人为氮投入预计将推动陆地生态系统实现更大的磷限制，尽管更好地了解这些过程至关重要（Deng 等人，2017 年；Goll 等人，2012 年；Zhu 等人，2016 年）。 目前，农业中没有磷的替代品，从而限制了依赖开采磷酸盐的主要肥料投入的未来农业生产力（Sverdrup 和 Ragnarsdottir，2011 年）。 “P-悖论”，换句话说，P 过量会影响水质，再加上其作为消耗不可再生资源的短缺，意味着必须大幅提高回收利用率和利用效率（Leinweber 等人，2018 年）。 现代密集型农业做法，例如耕作的频率和时间，除草剂和杀虫剂的使用，以及不经常添加含微量营养素的有机物，可能会改变土壤结构及其微生物多样性，从而使肥料的添加不再提高每公顷的生产力。 鉴于土地使用的变化导致土壤有机碳损失估计约为 8%，2010 年至 2050 年期间预计损失为该数字的 3.
· Aquaponics Food Production Systems2.2 粮食供应和需求
2.2.1 预测 在过去 50 年中，粮食供应总量几乎增加了三倍，而世界人口只增加了两倍，伴随着经济繁荣的饮食发生了重大变化 (Keating 等人, 2014 年)。 在过去的 25 年里，世界人口增长了 90%，预计 2018 年上半年将达到 76 亿关口（世界计量）。 与 2010 年相比，2050 年世界粮食需求增加的估计数字在 45% 至 71% 之间，这取决于对生物燃料和废物的假设，但显然存在需要填补的生产差距。 为了避免扭转近期营养不良下降趋势，必须减少粮食需求和/或减少粮食生产能力的损失 (Keating 等人, 2014 年)。 粮食需求上升的一个日益重要的原因是人均消费，这是因为人均收入不断增加，其特点是转向高蛋白质食品，特别是肉类 (Ehrlich 和 Harte 2015b)。 这一趋势给食品供应链带来了进一步的压力，因为动物生产系统在水消费和饲料投入方面一般需要更多的资源 (Rask 和 Rask 2011；Ridoutt 等人，2012 年；薛和 Landis 2010)。 尽管近几十年来粮食需求增长率有所下降，但如果目前人口增长和饮食变化的轨迹切合实际，全球农产品需求将在 2050 年之前每年增长 1.1-1.5%（亚历山德拉托斯和 Bruinsma，2012 年）。 城市地区的人口增长对传统上用于土壤作物的土地造成了压力：对住房和福利设施的需求继续侵蚀主要农田，使其价值远远超出了农民通过耕作所能获得的价值。 近 54% 的世界人口现在生活在城市地区（Esch 等人，2017 年），城市化趋势没有减退的迹象。 在城市中心附近能够可靠地供应新鲜食品的生产系统正在需求，并将随着城市化的增加而增加。 例如，在新加坡等城市中心，垂直耕作的兴起有力暗示，集中、高生产力的耕作系统将成为未来城市发展的一个组成部分。 技术进步使室内耕作系统越来越经济，例如，开发持久耐用且节能的 LED 园艺灯提高了室内耕作和高纬度生产的竞争力。 对农业生物多样性的分析一直表明，高收入和中等收入国家通过国家或国际贸易获得多样化的食物，但这也意味着生产和粮食多样性是脱节的，因此比低收入国家更容易受到供应线中断的影响。大多数食品都是在国家或地区生产的（Herrero 等人，2017 年）。 此外，随着农场规模的扩大，作物多样性，特别是属于高营养食品类别 (蔬菜、水果、肉类) 的作物的多样性趋于减少，倾向于谷物和豆类，这再次有可能限制当地和区域一系列不同食品类别的供应 (Herrero 等人, 2017)。
· Aquaponics Food Production Systems2.1 导言
目前，“临界点” 一词被用来描述处于重大和潜在灾难性变化边缘的自然系统（Barnosky 等人，2012 年）。 农业粮食生产系统被视为正在接近临界点的关键生态服务之一，因为气候变化日益产生新的虫害和疾病风险、极端天气现象和全球气温升高。 不良的土地管理和土壤保持做法, 土壤养分枯竭和流行病的风险也威胁着世界粮食供应. 可用于农业扩张的耕地有限，过去几十年农业生产力的提高主要原因是作物密集度增加和作物产量提高，而不是农业土地的扩大（例如，90% 的作物生产收益是因为生产力的提高，但只有 10％ 由于土地扩张）（亚历山德拉托斯和布鲁因斯马 2012 年；施密杜贝尔 2010 年）。 据估计，到 2050 年，全球人口将达到 83－109 亿人 (Bringezu 等人，2014 年)，这一不断增长的世界人口，加上总消费和人均消费的相应增加，构成了广泛的新的社会挑战。 《联合国防治荒漠化公约》(《荒漠化公约》) _ 全球土地展望工作文件 _ 2017 年报告指出了影响粮食生产的令人担忧的趋势（Thomas 等人，2017 年），包括土地退化、生物多样性和生态系统的丧失，以及应对环境压力下降，粮食生产和需求之间的差距日益扩大. 粮食供应分配不均导致粮食数量不足，或缺乏足够营养质量的粮食，而在世界其他地区，与肥胖有关的过度消费和疾病日益普遍。 在世界一些地区，饥饿和营养不良与粮食浪费和过度消费混为一体，反映出复杂的相互关联的因素，包括政治意愿、资源稀缺、土地负担能力、能源和化肥成本、交通基础设施和一系列影响粮食生产和分配的其他社会经济因素. 最近对粮食安全办法的重新审查确定，需要采取一种 “水-能源-粮食关系” 的办法，以有效理解、分析和管理全球资源系统之间的相互作用（Scott 等人，2015 年）。 联系方法承认土地、水、能源、资本和劳工等资源基础与其驱动因素之间的相互关联，并鼓励部门间协商和合作，以平衡不同的资源使用者目标和利益。 它的目标是在保持生态系统完整性的同时，最大限度地扩大整体利益，以实现粮食 因此，可持续的粮食生产需要减少对资源的利用，特别是水、土地和矿物燃料的利用，而这些燃料与人口增长相比，价格有限，而且往往分配不当，还需要回收生产系统内的现有资源，例如水和养分。尽量减少浪费. 在本章中，我们将讨论当前与粮食安全有关的一系列挑战，重点讨论资源限制以及新技术和跨学科方法如何帮助解决与联合国可持续发展目标相关的水-食物关系。 我们集中注意需要增加营养回收，减少水消耗和不可再生能源，以及增加边缘化或不适合农业的土地上的粮食生产。
· Aquaponics Food Production Systems