2.3 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 3.5 倍，因此假定土壤持水能力和养分损失将继续下去，特别是在全球变暖的情况下 (Esch 等人, 2017)。 显然，满足人类需求与不损害生物圈维持生命的能力之间存在着权衡（Foley 等人，2005 年）。 然而，在建立与当前土地利用做法相关的行星边界时，可以清楚地看出，有必要改进 N 和 P 循环，主要是减少氮和磷的排放和农田径流，同时还要更好地捕获和再利用 (Conijn 等人, 2018)。

2.3.2 水生养素和营养物质

其中一个主要好处是，它允许回收养分资源。 鱼类成分的养分投入来自饲料，饲料的组成取决于目标鱼种，但水产养殖中的饲料通常构成投入成本的很大一部分，可能是年生产总成本的一半以上。 在某些水生设计中，细菌生物量也可以作为饲料加以利用，例如，生物氟烷生产使水生系统越来越自足（Pinho 等人，2017 年）。

开放式钢笔或滚道的废水往往排入水体，造成营养素污染并随后产生富营养化。 相比之下，水生子系统从未食用的鱼饲料和粪便中获取溶解的营养物质，并利用可分解有机物的微生物，将氮和磷转化为生物利用形式，供水培单元的植物使用。 为了达到经济上可接受的植物生产水平，适当的微生物组合的存在减少了添加大部分补充营养素的需要，这些营养素在独立的水培单元中经常使用。 因此，水生鱼是一个近乎零的排放系统，它不仅可以从鱼类和植物生产流程中获得经济效益，而且还可以大幅减少水产养殖场地对环境有害的排放。 它还消除了土壤农业中使用的肥料产生富含 N 和 P 的径流问题。 在分离的水生系统中，有氧或厌氧生物反应器还可用于处理污泥，并以生物利用形式回收显著的宏观营养素和微量营养素，以便随后用于水培生产（Goddek 等人，2018 年）（见 [第 8 章]（/社区/文章/第 8 章）。 这些令人振奋的新发展，其中许多目前正在实现商业生产，继续完善循环经济概念，越来越多地允许养分回收。