研究

农业生产是地球系统超越行星边界的主要驱动力

• 摘要
• 简介
• 土地制度的变化
• 淡水使用
• 生物地球化学流
• 生物圈完整性的变化
• beplay竞技
• 海洋酸化
• 平流层臭氧损耗
• 大气气溶胶加载
• 新实体介绍
• 结论
• 对本文的回应
• 致谢
• 文献引用

介绍

一些学者认为，世界现在已经进入“人类世”，人类活动显著影响地球系统功能的时代(Crutzen和Stoermer 2000)。农业对环境的深刻且几乎无所不在的影响有充分的文献记载(Foley et al. 2005, Beddington et al. 2012)，并通过多种相互作用的途径表现出来，如土地覆盖变化、温室气体排放、过度用水和生物多样性影响。

2009年Rockström等(2009a、b)介绍了“行星界限”的概念(PBs)和“为人类安全操作空间,”最近修订Steffen et al。(2015)。PBs的目的是表示地球系统的过程，如果这些过程被跨越，可能会产生不可接受的环境变化，可能危及人类的生存。目前公认的九种PBs (Steffen et al. 2015)如下:

1. 土地制度变革;
2. 淡水使用;
3. 生物地球化学流。氮和磷循环;
4. 生物圈的完整性;
5. beplay竞技气候变化;
6. 海洋酸化;
7. 平流层臭氧损耗;
8. 大气气溶胶加载;而且
9. 引入新的实体。

农业生产对人类生存至关重要，它正以多种方式推动地球系统或其中的区域越过一个或另一个边界。我们研究了全球农业生产在多大程度上促使地球系统向人类安全操作空间的边界转移(Rockström等，2009年)a、b)．

PBs的量化是正在进行的研究和争论的主题。Steffen等人(2015)认为，至少有四个PBs已经被超过或处于不确定区域，即高风险或日益增加的风险:气候变化、土地系统变化、生物地球化学流动和生物圈完整性。beplay竞技对于淡水使用量是否已经超过PB也存在相当大的争议(Gerten et al. 2015)。尽管为PBs设定的许多数值将被修订，但我们认为，这一概念为评估农业对地球系统的影响提供了一个有用的基础，并可用于刺激粮食和农业部门的紧急转型。

土地制度的变化

土地制度变化与农业之间的联系是明确和一致的。根据Foley et al.(2005)，农田和牧场是地球上最大的陆地生物群落之一，占陆地表面的40%左右。这使得农业生产成为地球上唯一最广泛的土地利用形式。在热带地区，新的农业用地是以牺牲热带雨林、稀树草原和其他生态系统为代价的，未来的扩张将更加清晰(Gibbs et al. 2010)。还有一种反馈是，农业排放的甲烷和一氧化二氮会导致作物产量下降，因此农业扩张可能需要进一步扩张(Shindell 2016)。

具有碳捕获和储存功能的生物能源(BECCS)越来越被认为是实现气候目标的关键组成部分。但这有可能增加与粮食生产的竞争，并导致大规模的土地使用变化。因此，最近的研究表明，BECCS可能只在更适度的规模上作为强有力的缓解行动的“辅助参与者”是可行的(Boysen等人，2017年，Smith等人，2016年)。即使产量大幅增加和集约，如果人类要满足未来对粮食和生物燃料的需求，农业的净面积将不得不扩大，这将进一步给重要的生物群落带来压力。

Rockström等(2009一个)建议将不超过15%的地球无冰表面转变为农田。Steffen et al.(2015)将控制变量从耕地数量改为剩余森林覆盖数量，因为主要森林生物群落在陆地表面-气候耦合方面比其他生物群落发挥更强的作用。他们将边界设为75%(热带、温带和北方森林边界的加权平均值)，不确定区域设为54-75%(剩余森林占原始面积的百分比)，并计算出当前值为62%。

2000年，地球上大约有1500万平方公里的农田和2800万平方公里的牧场，分别相当于其无冰地表的12%和28% (Ramankutty et al. 2008)。过去的趋势表明，到2050年，约1000万平方公里的土地将被清理以满足需求。这将使农业下的地球无冰地表再增加约8%，超过Rockström等人设定的PB一个)．

我们遵循Steffen等人(2015)的边界框架。尽管农业无疑对森林损失作出了重大贡献，但要计算出确切的贡献却不是一件简单的事。在过去300年里，农业用地的扩张造成了约700万至1100万平方公里森林的净损失(Foley et al. 2005)。1980年至2000年期间，55%以上的新增农业用地取代了原始森林，28%的土地来自退化森林(Gibbs et al. 2010)。在全球范围内，大约30%的温带落叶林已转变为农田。积极的一面是，尽管热带穷国的森林继续减少，但高纬度地区和富裕国家的森林正在增加(Sloan和Sayer, 2015年)。Blaser和Robledo(2007)的研究是为数不多的估计不同因素在森林损失中的作用的研究之一。根据他们的数据，在1990-2005年期间，农业造成了森林砍伐地区75%的森林砍伐。Kissinger等人(2012)和Hosonuma等人(2012)利用粮农组织的数据估计，2000-2010年期间，全球约80%的森林砍伐是由农业造成的。因此，我们在图1中使用了80%。

Rockström等(2009一个)建议在多个尺度上实施，包括保留最适合农业的空间，保持高保护价值的森林，并保持富含碳的土壤和生态系统处于完全不受干扰或至少经过精心管理的状态。农业的可持续集约化以限制耕种面积至关重要。

淡水使用

在所有人类活动中，农业，特别是作物生产，消耗的水最多，主要是通过作物植物的蒸腾作用和土壤和灌溉设施的蒸发。农业占全球淡水取水量的70%左右。这一比例因地区而异:经合组织国家占总取水量的44%，非洲国家占87%，亚洲占80%，一些阿拉伯国家超过90%(《世界水评估方案2012》)a, b, c)．可以区分“蓝水”消耗(从河流、水库、湖泊和含水层提取水)和“绿水”消耗(直接使用雨水)。

为了确定与淡水使用有关的人类“安全空间”，Rockström等人(2009一个)最初建议的淡水PB为4000公里^3.年^－1不确定区域4000-6000公里^3.年^－1、全球蓝水消费使用量作为监测的控制变量。淡水PB的监测和量化越来越有争议。尽管有人建议将原始PB与消耗的蓝水使用进行比较，Jaramillo和Destouni (2015一个)指出，由于Rockström等人(2009 .)提出的蓝水和绿水的互补性一个)，应以蓝水和绿水的总消费量来监测淡水的PB，而不应只监测蓝水。从这个角度来看，20世纪和21世纪初人类全球淡水消耗的增加可能已经超过了4000公里的PB^3.年^－1(Destouni et al. 2013, Jaramillo and Destouni 2015a、b)．

除了这些以水文气候观测为基础的研究外，还有一些研究使用了全球水文模型来估计人类的用水量。例如，Siebert和Döll(2010)使用作物模型估计雨养作物消耗4586公里^3.年^－1全球绿化水源，灌溉农作物2099公里^3.年^－1(1180公里^3.年^－1蓝色水域，约919公里^3.年^－1绿色的水)。然而，在农业消耗的蓝水和绿水的数量上，仍然没有真正的共识。

Molden(2009:117)认为Rockström等人(2009一个)可能过高，因为“全球限制的概念忽视了当地情况的重要性，以及管理在放大或改善问题方面的作用。”因此，Steffen等人(2015)引入了特定于每个盆地的次全球淡水边界，以便在更多的地方和区域尺度上监测淡水消耗的可持续性。Gerten等人(2013)对淡水PB进行了进一步的重新评估，将全球淡水PB值降低到2800公里左右^3.年^－1，对应的不确定度范围为1100-4500公里^3.年^－1这意味着目前淡水的使用状况已经处于不确定地带(增加风险)。

为了简单起见，我们遵循Steffen等人(2015)设定的全球淡水行星边界为4000公里^3./年和他们使用蓝水消耗作为控制变量，但修改边界，继Gerten等人(2013)和Jaramillo和Destouni (2015)b)．根据Shiklomanov和Rodda(2003)的估计，灌溉农业消耗的蓝水占人类所有蓝水消耗的84%，我们将农业在该PB状态中的作用定位在84%的水平(图1)。

生产食物所需的水量取决于正在培育的作物和生产方法。随着人口的增长和饮食偏好向更多肉类的转变，将需要越来越多的水。特别是牲畜生产的增长增加了水的消耗，因为种植用来喂养牲畜的作物需要额外的水。生物燃料产量的增加将进一步增加对水资源的压力。此外，根据Jaramillo和Destouni (2015b)，世界上许多为截留和储存作物灌溉用水而修建的水坝可能消耗了大量的蓝水和绿水，而这些水目前在作物模型估计中被忽略了。

农业现在是并将继续是全球最大的淡水消费国。除了绝对数量外，一些地区的地下水耗竭也是一个主要问题，每年下降300毫米以上^－1在印度恒河平原(Wada et al. 2010)。因此，应优先降低农业和相关人类活动消耗淡水的不确定性水平，以便估计即将到来的水资源短缺及其管理(Jaramillo和Destouni, 2015年)b)．尽管许多地区的可用水资源预计将减少，但“到2050年，预计仅未来全球农业用水(包括旱作和灌溉农业)就将增加约19%”(《2012年世界水评估方案》)a, b, c: 269)。尽管自1961年以来，单位粮食生产用水量几乎减半(2012年世界水评估方案)一个)，提高农业用水效率的潜力仍然很大。水管理、政策改革和基础设施投资都有助于提高效率和降低消耗。灌溉用水可以通过提高运输效率(从水源到农场)、分配效率(从农场到田地)和应用效率(应用于作物;罗斯格兰特等人。2009)。

生物地球化学流

尽管Steffen等人(2015)提出需要计算多种元素的PBs，但我们遵循了他们实用的方法，将分析局限于氮(N)和磷(P)。氮(N)是一种必需的宏量营养素，也是许多陆地和水生生态系统中植物生长的限制元素。人类活动深刻地改变了全球氮循环(Swaney et al. 2012)，主要驱动因素是化石燃料的使用增加、农业和工业对氮的需求增加以及利用效率低。现在，人为的氮源对地球系统的贡献超过了所有自然陆地过程的总和(Rockström et al. 2009一个， Canfield等人。2010)。过量的N会导致土壤和空气污染，导致生物多样性丧失，污染沿海海水和流域(Howarth et al. 2011, Swaney et al. 2012)，增加N的水平₂对流层中的O和活性N气体(Robertson和Vitousek 2009, Canfield等人2010,Bodirsky等人2012)。据估计，欧洲氮素损失的环境成本超过了氮素在农业中的全部直接经济效益之和(Sutton et al. 2011)。

Steffen et al.(2015)的N的全球边界来自de Vries et al.(2013)的分析，他们提出的PB为62 Tg N年^－1从工业和有意的生物氮固定，旨在避免水生生态系统的富营养化。Steffen et al.(2015)为N引入了区域边界，是发生越界的特定区域，尤其是北美、欧洲、南亚和中国。

植物和牲畜生产需要大量的氮，导致农业活动成为氮循环的主要驱动因素(Galloway et al. 2008, Liu et al. 2010, Bodirsky et al. 2012)。根据Fixen和West(2002)的说法，从1960年到2000年，农业氮肥的使用增加了约800%，尽管估计数字有所不同。例如，Liu等人(2010)发现，2000年农田氮素总投入约为每年137 Mt N^－1而Bouwman等人(2009)估计每年农业氮素投入总量为24900 Mt N^－1．农业在全球人为用氮总量中所占的份额(每年187亿吨N^－1)估计为86.1% (Galloway et al. 2008)，因此我们使用~85%作为图1中的水平。

几项研究还揭示了作物氮素利用效率低;施用于农田的氮只有大约一半被纳入植物生物量，而其余的氮则通过淋滤(16%)、土壤侵蚀(15%)和气体排放(14%)损失;Liu et al. 2010, Bodirsky et al. 2012)。根据Robertson和Vitousek(2009)的作物轮作，改进对作物肥料氮素需求的预测、施肥时机和施肥位置，以及弥补氮素损失的策略，都是目前可以大幅减少氮素损失的可行做法。

大多数农业生产依赖于磷的磷酸盐形式(PO₄^{3 -})从肥料或粪肥中分离出来，这些肥料改善了土壤，补充了作物收获时流失的土壤(Cordell and White 2013)。人类活动深刻地改变了全球磷循环，主要是通过开采磷矿生产农业用磷肥。P循环速度是背景速率的2到3倍(Smil 2000)，导致淡水和河口系统的富营养化(Diaz和Rosenberg 2008)，除了预期的农业生产增加。

Steffen等人(2015)也在Carpenter和Bennett(2011)分析的基础上，提出了生物地球化学流动边界P分量的两级方法。全局边界设定在11tg P年^－1从淡水系统进入海洋以避免大规模的海洋缺氧事件，这可能解释了过去海洋生物的大规模灭绝(Handoh和Lenton 2003)。区域边界的设置是为了防止淡水的富营养化，至于N成分，是特定区域的边界被越过。

Smil(2000)指出，全球磷肥产量的90%(每年约148万吨磷矿)用于生产农业化肥。最近的研究表明，开采的磷中有96%被用于化肥生产(每年22.6万吨)^－1每年的人类生产总量为23.5万吨^－1)，几乎所有的磷都被添加到陆地土壤中(Carpenter and Bennett 2011)。随着人口数量的增加和饮食习惯的改变，全球对粮食的需求增加，到2050年磷的需求可能会增加50-100% (Cordell and White 2013)，导致农业对这一已经超出的边界产生更大的影响。我们估计农业在PB中的作用大于90%(图1)。

有几种选择可以减少农业对当前PB越级的贡献(Elser and Bennett 2011, Cordell and White 2013)。最系统的办法是减少磷的新增使用，其中一个办法是平衡农业土壤的磷预算，另一个办法是增加从粪便、人类排泄物和食物残渣中回收磷的使用，以减少对新开采磷的依赖。一个不太系统但仍然重要的解决办法是减少从农场到水生系统的磷损失。可以通过以下方法尽量减少这种磷径流:(i)采用更好的耕作方法;(ii)建立和维持河岸缓冲区;或(iii)恢复湿地地区。最后，减少储存或售后市场的食物浪费，从而减少首先需要生产的食物，这是一个迫切需要考虑的问题。

生物圈完整性的变化

在他们的原始论文Rockström等(2009一个)将“生物多样性损失率”作为9个PBs之一，但Steffen et al.(2015)将其改为“生物圈完整性的变化”，目的是通过包括遗传多样性和功能多样性，更好地反映人类活动对生物圈的更普遍的影响。作者认为，遗传多样性可以用灭绝率来衡量，功能多样性可以用生物多样性完整性指数(BII)来衡量。

Steffen等人(2015)保留了每百万物种年的平均灭绝次数(E/MSY)作为衡量遗传多样性损失的代理，尽管它被批评难以测量，而且不可避免地具有时滞。最近的估计表明，地球上可能有大约500±300万种物种，目前的一些模型预测每十年灭绝率低于5%，尽管气候变化对物种灭绝的影响特别不确定(Costello et al. 2013)。beplay竞技尽管每十年5%听起来并不是灾难性的，Steffen等人(2015)建议“理想的”PB为1 E/MSY，更现实的PB为10 E/MSY。作为参考，化石记录中海洋生物过去的平均灭绝率是比较众所周知的，估计为0.1至1 E/MSY。但是，目前的增长率估计超过100 E/MSY，预计未来的损失将达到1000 E - 1万E/MSY。

功能多样性描述了生物圈在地球系统功能中的整体作用。Steffen等人(2015)建议BII为90%作为PB，具有较大的不确定性区间(90-30%)。Newbold等人(2016)估计，土地利用和相关压力已经降低了全球58%陆地表面PB以外的地方生物多样性的完整性。BII可能在不确定区域，这是我们在图1中放置它的地方。

在缺乏更好的信息的情况下，我们认为80%是农业在生物圈完整性PB状态中的作用(图1)，即与土地系统变化的值相同，因为遗传多样性和功能多样性的损失都是由土地系统变化驱动的。因此，农业使生物圈的完整性超越了生态环境，至少对生态环境的一个组成部分是这样。生物多样性的丧失不仅仅是栖息地面积的功能，生物圈完整性可能更多地与功能多样性有关，而不是遗传多样性(Steffen et al. 2015)。由于基础设施投资的巨大扩张，全球森林正在迅速分散，农业是新景观的关键组成部分(Sloan和Sayer 2015)。发展走廊被视为将发展中国家的农业转变为更高生产力水平的一种方式。这些发展走廊面临着现有森林(尤其是热带地区)被严重割裂和占用的风险，可能对生物圈完整性造成灾难性后果(Laurance等人，2015年)。beplay竞技气候变化和栖息地破碎化正在促进外来入侵物种以前所未有的速度向自然栖息地扩散，对生物多样性和生态系统功能造成令人担忧的后果。

beplay竞技

农业活动排放大量重要的非co₂温室气体，而砍伐森林，为农业创造更多的空间，释放大量的CO₂．整个食物链及其相关活动，从肥料的生产到食品商品的分配，也排放大量的CO₂．综合起来，这使得农业成为导致气候变化的最重要的人类活动之一。beplay竞技此外，气候变化本身将影响农beplay竞技业条件，并将对整个农业系统产生重大影响。

Rockström等(2009一个)提出了一种利用两种大气CO来应对气候变化的双重方法beplay竞技₂浓度和大气顶部辐射强迫作为全球尺度的控制变量，表明CO为350 ppm₂和1 W m^－2高于工业化前水平的两个边界(美国环保局2011年)。这是基于(i)气候系统对温室气体强迫的平衡敏感性分析;(ii)大型极地冰原在比全新世更温暖气候下的行为;(iii)观测到的某一CO下气候系统的行为₂浓度约为387 ppm和+1.6 W m^－2(+0.8/-1.0 W m-2)净辐射强迫。Rockström等(2009一个)指出，在设定界限时，必须考虑到气候对所谓的“慢反馈”(例如冰盖体积减少和气溶胶降温效应消失)的敏感性。气溶胶PB与气候变化PB之间还有另一个重要的相互作用(Mahowald et al. 2017)。beplay竞技据估计，来自大气沉积的营养补贴的增加正在导致二氧化碳吸收的增加。随着减少工业来源的气溶胶排放以改善空气质量，这些增强的碳吸收可能会减少。

农业贡献了约5.0至5.8亿吨二氧化碳₂e年^－1根据100年的全球变暖潜力，或约11%的人为温室气体排放，不包括农业驱动的土地利用变化(Smith et al. 2014)。鉴于发展中国家增加农业生产的潜力，发展中国家的总体农业相关排放占全球的大部分，而且预计其排放增长最快(Smith et al. 2014)。农业排放在国家层面也很重要，在发展中国家平均占35%，在发达国家平均占12% (Richards et al. 2015)。将整个粮食系统从生产到消费的排放计算在内，将温室气体排放总量的贡献率从14-24%(包括农业驱动的土地利用变化)提高到19-29% (Vermeulen et al. 2012)。这个数字包括整个供应链、化肥制造、农业生产本身、加工、运输、零售、家庭食品管理和废物处理。我们将25%作为农业(包括农业驱动的土地覆盖变化)在该PB状态中的作用(图1)。

Wollenberg等人(2016)估计，农业必须减少1亿吨CO的排放₂e年^－1到2030年，如果世界气温上升不超过2摄氏度的目标，同时养活不断增长和更加富裕的人口。采用两种不同的方法，每吨CO的价格高达20美元₂E，他们估计只有21%到40%的减缓可以实现;这包括广泛使用技术性的农艺做法和提高效率加强作物和牲畜的生产。预期的缓解结果与看似合理的结果之间的巨大差距表明，将需要更多变化性的技术和政策选择，例如高科技解决方案，如产生较少甲烷和更多保留土壤有机质的家畜品种。与此同时，还需要减少因农业开垦而引起的土地使用变化，减少粮食损失和浪费，并改变饮食模式。

海洋酸化

海洋酸化是由二氧化碳排放到大气中引起的，其中约25%被海水吸收，形成碳酸。自1800年以来，这已经导致海水酸度增加了34%，除非我们减少CO₂到2100年，这将导致海洋表面酸度增加约150% (Hönisch et al. 2012)。这是数百万年来海洋化学变化速度最快的一次。

许多海洋类群，例如珊瑚和牡蛎，使用文石或方解石来建造保护壳或骨架，当海水CO₂水平逐渐增加(Rodolfo-Metalpa etal . 2011)。珊瑚礁是由文石构成的，当“文石饱和状态”(Ω arag)低于1时，珊瑚礁就会溶解。珊瑚礁形成于文石过饱和的水域(Ω arag > 3)，在此以下，珊瑚礁较弱，容易被蛀虫侵蚀，如藻类和海绵，以及食草动物，如海胆和鹦嘴鱼。

Rockström等(2009b)提出了一个海洋酸化边界，即“海洋文石饱和状态保持在全球工业化前表面海水平均Ω arag 3.44的80%或更高”。目前，Ω arag约为工业化前价值的84%，并在迅速下降(Gattuso et al. 2015)。

农业部门直接导致海洋酸化，因为它是CO的主要来源₂排放。也有间接影响，例如耕地集水区酸化，以及化肥向海洋输入营养物质。生产用于农业肥料的活性氮是人类世的标志之一;流入沿海水域的硝酸盐刺激了藻类生长，从而降低了藻类腐烂时的溶解氧水平。的有限公司₂微生物呼吸过程中产生的酸性增加，增加了海洋酸化的区域效应(Ekstrom et al. 2015)。在缺乏额外信息的情况下，我们使用25%作为农业在驱动PB变化方面的作用(图1)，这是CO的比例₂农业驱动的土地覆盖变化相对于总CO产生的排放₂工业时代的排放(Ciais et al. 2013)。

全球海洋酸化问题的地方解决办法可以包括农业做法的改变。世界自然保护联盟的“蓝色碳”倡议认识到沿海植被(藻类、海草、红树林)有能力防止酸性水流失、捕获和储存碳，以及提高沿海水域的pH值。在被改造为虾场的地区种植海藻和逐渐恢复红树林是在我们的PBs中农业更安全运行的方法(Siikamäki et al. 2013)。

平流层臭氧损耗

Rockström等(2009一个)认为在任何特定纬度，臭氧水平的PB值较1964-1980年的值下降< 5%。迄今为止，臭氧损耗主要是由历史上氟氯化碳排放所释放的卤素造成的₂扮演相对次要的角色。然而，臭氧损耗是由N₂预计O的重要性将会增加，如“N”₂O是目前最重要的单一臭氧消耗排放物，预计在整个21世纪仍将是最大的”(Ravishankara et al. 2009:123)。

N₂土壤O是人为氮的主要来源₂O，主要与施于土壤的氮肥和粪肥有关。氮肥使用的增加和畜粪产量的增加预计将增加农业氮肥₂到2030年，O排放量将减少35-60% (Smith et al. 2008)。Crutzen等人(2008)计算了一个人为N₂O来源5.6-6.5 Mt N₂设计年^－1农业贡献了4.3-5.8亿吨氮素₂设计年^－1．由此可见，全球66-90%的人为氮₂O的排放可归因于农业活动。Montzka等人(2011)计算的数字表明，全球49-83%的人为氮₂O的排放来自农业活动。鉴于氟氯化碳的历史排放量，目前农业的影响相当低;我们在图1中使用了5%的值，认识到农业的份额在未来会增加。

减轻人为氮的选择有很多₂目前可以获得O排放，对农业来说，最有效的方法包括在农田上更有效地使用化肥(Ravishankara et al. 2009)。限制未来N₂O的排放将促进臭氧层从枯竭状态的恢复。这也将减少气候系统的人为强迫，

大气气溶胶加载

大气中的气溶胶颗粒对人类健康有害，而且众所周知会影响气候(Ramanathan等人，2007年)。事实上，气溶胶“黑碳”的排放可能是导致全球变暖的第二大因素，仅次于二氧化碳排放(Bond et al. 2013)。众所周知，作物残渣燃烧是大气气溶胶的一个重要全球来源(van der Werf et al. 2010)，尽管对确切数字几乎没有共识。根据文献评估，人为排放的黑碳和有机碳的比例约为3-14% (Bond等人，2013年)。

大气气溶胶加载的PB以“气溶胶光学深度”(AOD)为控制变量。由于AOD在地球表面的变化非常大，因此没有设定全球边界。相反，Steffen等人(2015)设定了印度次大陆的区域边界，因为它对赋予生命的季风有潜在影响。印度次大陆的背景AOD约为0.15 (Chin et al. 2014)，边界设为0.3 (Steffen et al. 2015)。然而，AOD具有强烈的季节性和空间非均匀性，在旱季，印度恒河平原上空的值通常接近1.0。

AOD受到整个大气气溶胶柱的影响，但由于几乎所有排放都来自表面，它也与表面小颗粒物质(PM)有关。年平均人口加权PM暴露中约38%来自黑碳和有机碳，约11%来自氨(Shindell 2015年)，这表明与农业燃烧有关的排放占全球PM的约3%，与化肥生产和使用有关的排放约11%，尽管在一些人口密集地区，与农业有关的排放是PM的主要来源(Bauer et al. 2016年)。因为全球疾病负担估计，每年约有320万人的过早死亡可归因于小颗粒物(Lim等人，2012年)，这表明，根据这一分析和另一项研究(Lelieveld等人，2015年)，农业对大气气溶胶负荷的贡献可能导致每年约45万至66万人的过早死亡。总之，农业对大气气溶胶负荷有很大贡献，在污染地区，这种PB可能定期(季节性)超标，对人体健康有极其严重的损害。禁止露天焚烧农业废料和更有效地使用化肥将带来巨大的效益。

引入新实体

Steffen等人(2015)从Rockström等人(2009)描述的原始“化学污染”扩展了该PB一个)以包括其他新型工程材料或生物，例如转基因生物，尽管许多讨论仍与化学物质有关。Steffen等人(2015:1259855-8)指出，“目前还没有一个综合的、全球层面的化学污染分析，以其作为控制变量或[行星]边界值的基础。”这是因为人类世期间生产和动员的无数化学物质无法直接量化(Conway和Pretty 2013)。然而，许多案例研究都描述了人为化学品对生态系统功能的影响(Milton等人，2011年，Pease 2011年)，其中与农业密切相关。例如，许多农药在农业和水产养殖中广泛使用，通常具有很高的生物活性。Stehle和Schulz(2015)在一份关于农业杀虫剂对淡水的全球影响的综述中报告称，检测到的杀虫剂中有50%的浓度超过了监管阈值。

目前还不清楚将该PB扩大到包括转基因生物(gmo)是否合适。在农业中使用转基因生物存在环境(和其他)方面的担忧，尽管该领域存在争议(Trumbo和Powell 2016年)。未经证实的担忧包括与假定的过敏症、食品不安全、威胁生物多样性完整性的转基因流动以及有害性状在杂草中的传播有关的担忧。还有关于种子的知识产权(ipr)的担忧，尽管知识产权与PB概念无关。Abberton等人(2016)总结了如何使用和适应基因组工具来加速主要和次要作物的育种，目的是提高产量，使粮食供应多样化，增强对气候变化的适应或减轻影响。beplay竞技一项针对转基因玉米和大豆的全球元分析表明，它们的产量高于传统玉米和大豆，同时降低了生产成本，提高了毛利率(Areal et al. 2013)。研究还表明，转基因作物减少了37%的化学农药使用，同时增加了22%的产量和68%的农民利润(Klümper和Qaim 2014)。最近的一项综述表明，转基因品种管道似乎非常有希望为气候变化下的世界农业系统开发更有营养和投入效率的作物(Ortiz et al. 2014)。工程生物可以帮助社会向积极的方向转变农业，例如，通过减少使用其他“新实体”，如农药中的化学物质。这无疑是一个非常复杂的行星边界，需要彻底的思考才能正确地定义其组成部分。

结论

在适应气候变化和减少农业影响的同时，beplay竞技人类将不得不面对以下事实:至少有10亿人无法获得足够的卡路里(粮农组织2014年)，超过20亿人缺乏足够的营养(世卫组织和粮农组织2014年)，而与此同时，超过20亿人消耗了过多的卡路里(Ng等，2014年)。这种消费不足和过度导致了营养不良的“三重负担”(IFPRI 2015)，解决这一问题是一个重大的社会挑战。在这种背景下，全球人口预计到2050年将达到90亿，随着平均财富的增加，食品消费模式正在迅速改变，导致总体上更多的食品消费，特别是更多的肉类(科尔尼2010年)。关于PBs，特别值得关注的是饮食变化导致的过度消费，因为这对每个人都有不成比例的影响。因此，迫切需要管理需求，而不是满足需求(Ingram 2017)。

在9种PBs中，有5种处于高风险或风险增加区，其中4种是农业的主要驱动因素，其余1种是农业的主要驱动因素(图1)。农业也是许多仍处于安全区的PBs的主要驱动因素。有许多可能的干预点来减少农业对PBs的影响(Sayer和Cassman 2013)。然而，至少需要一个彻底转变的系统，对生产的所有方面进行大量的改变，对景观层面的管理进行更多的关注，并对更广泛的粮食系统的所有方面进行改变(贝丁顿等人，2012年，英格拉姆和波特2015年)。这是因为，从农业、加工、物流和零售到消费的所有粮食系统活动都在一定程度上影响PBs (Ingram 2011年)，因此提供了广泛的缓解可能性。

尽管管理需求是减轻对PBs的影响的基础，但毫无疑问，将需要更多的土地进行耕种，但这需要仔细选择和管理，以减少对PBs的影响。还应实施旨在改善环境、社会和经济效益的土地管理战略。Foley等人(2005)提供了以下例子:(i)增加单位土地面积、单位肥料投入和单位用水量的农业产量;保持和增加农田土壤有机质，这是保持水分能力、养分有效性和固碳的关键;(iii)采用提供食物和纤维的农林复合做法，同时维持受威胁物种的栖息地;(iv)维持当地生物多样性和相关的生态系统服务，如授粉和虫害控制。将需要寻求景观层面的解决办法，包括，例如，利用沿海植被防止酸性水流失，恢复红树林，建立和维持河岸缓冲区。减少磷的使用可以包括增加从粪便、人类排泄物和食物残渣中回收磷的使用。减少储存或售后市场中的食物浪费，从而减少生产是一项迫切需要。减少肉类和乳制品的消费可能是至关重要的。 High tech solutions may involve breeding cattle for lower methane emissions; and modifying crop quality to improve the efficiency of postfarm gate food chain activities, such as food processing and storage.

总之，总体上需要一种更平衡的消费-生产方法，使农业在复杂和高度综合的整体粮食系统中发挥关键作用。一种全面的方法还应该创造机会，有助于平稳地从一切照旧向更可持续的粮食体系过渡(英格拉姆等人，2016年)。农业和整个粮食系统的“改善”被正确地视为朝着地球可持续发展迈出的重要一步。

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