Eine 12-prozentige Umstellung von der monogastrischen auf die Wiederkäuer-Tierhaltung kann die Emissionen reduzieren und die Pflanzenproduktion für 525 Millionen Menschen steigern

Nature Food Band 3, Seiten 1040–1051 (2022)Diesen Artikel zitieren

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Wiederkäuer haben eine geringere Futterverwertungseffizienz als monogastrische Nutztiere und produzieren höhere reaktive Stickstoff- und Methanemissionen, können aber für den Menschen ungenießbare Biomasse durch Nahrungssuche und Stroh als Futtermittel nutzen. Hier führen wir eine kontrafaktische Analyse durch, bei der Wiederkäuer durch monogastrische Nutztiere ersetzt werden, um die Veränderungen des Stickstoffverlusts und der Treibhausgasemissionen weltweit aus der Perspektive des gesamten Lebenszyklus zu quantifizieren. Die Umstellung von 12 % der weltweiten Tierproduktion von Monogastrier- auf Wiederkäuervieh könnte die Stickstoffemissionen um 2 % und die Treibhausgasemissionen um 5 % reduzieren, da sich die Landnutzung ändert und die Nachfrage nach Ackerflächen für Wiederkäuerfutter sinkt. Die Produktion freigegebener Ackerflächen könnte weltweit bis zu 525 Millionen Menschen ernähren. Mehr Wiederkäuerprodukte würden zusätzlich zu einem optimierten Management einen Gesamtnutzen im Wert von 468 Milliarden US-Dollar generieren, indem sie negative Auswirkungen auf die Gesundheit von Mensch und Ökosystem verringern und die Auswirkungen auf das Klima abmildern.

Der weltweite Viehwirtschaftssektor emittierte im Jahr 2010 65 TgN pro Jahr, was einem Drittel der gesamten anthropogenen reaktiven Stickstoffemissionen (Nr) entspricht1. Die gesamte Tierproduktionskette verursacht etwa 15 % der globalen anthropogenen Treibhausgasemissionen (THG), wobei Wiederkäuer und monogastrische Nutztiere 5,7 bzw. 1,4 PgCO2e Treibhausgasemissionen pro Jahr verursachen2. Die Futtermittelproduktion beansprucht etwa zwei Drittel der weltweiten gesamten Ackerfläche3 und ein Anstieg der Nachfrage nach tierischen Proteinen könnte den Wettbewerb zwischen Nahrungsmitteln und Futtermitteln beschleunigen4.

Die Futternutzungseffizienz ist bei Wiederkäuern geringer als bei monogastrischen Nutztieren1, was bei Wiederkäuern zu relativ höheren Nr- und Treibhausgasemissionen pro Einheit Proteinproduktion führt. Die Reduzierung des Produktkonsums von Wiederkäuern kann dazu beitragen, die Umweltauswirkungen der Fleischproduktion zu begrenzen5, doch die Deckung des Bedarfs an tierischem Protein bei monogastrischen Nutztieren, insbesondere Geflügel, ist mit Kompromissen verbunden. Getreide macht etwa 95 % des Futters in intensiven Geflügelfarmen aus, und Geflügel verzehrt vergleichsweise mehr für den Menschen essbare Körner als Wiederkäuer6. Im Gegensatz dazu besteht das Futter von Wiederkäuern zu etwa 60 % aus für den Menschen ungenießbarer Zellulose, beispielsweise aus Gras, Ernterückständen und Blättern7. Auf diese Weise können Wiederkäuer dazu beitragen, die Nutzung ansonsten nicht nutzbarer pflanzlicher Biomasse zu maximieren, die Ernährungssicherheit zu verbessern und die Umweltauswirkungen der Landwirtschaft zu verringern8,9.

Wir argumentieren, dass die Maximierung der Verwendung von Zellulose als Viehfutter den Druck auf die Getreidefutterproduktion verringern kann, der mit hohen Umweltkosten und Risiken für die Ernährungssicherheit verbunden ist. Hier führen wir eine kontrafaktische Analyse durch, bei der Wiederkäuer durch monogastrische Nutztiere ersetzt werden, um die Veränderungen der Nr- und Treibhausgasemissionen in 166 Ländern unter Berücksichtigung des gesamten Lebenszyklus zu quantifizieren. Anschließend berechneten wir die Effizienzaspekte der Produktion äquivalenter Proteinmengen und die daraus resultierenden Nr- und Treibhausgasemissionen von Wiederkäuern und monogastrischen Nutztieren in verschiedenen Ländern unter Berücksichtigung lokaler Einschränkungen. Basierend auf diesen globalen Analysen haben wir ein optimiertes Szenario für die Proteinproduktion bei Nutztieren entwickelt, indem wir den Anteil von Wiederkäuern maximiert haben, um Nr- und Treibhausgasemissionen zu reduzieren und so die Verfügbarkeit von Ackerland für die getreidebasierte menschliche Nahrungsmittelproduktion zu erhöhen. Die Bewirtschaftung von Wiederkäuern für eine emissionsarme Lebensmittelproduktion könnte die Ernährungssicherheit gewährleisten, die Auswirkungen auf die Umwelt verringern und den Klimawandel abmildern.

Wiederkäuer ernähren sich hauptsächlich von für den Menschen ungenießbarer Zellulose (Erweiterte Daten, Abb. 1), obwohl sie einen höheren Futterbedarf haben (14,8 kg Futter pro kg Wiederkäuer) als monogastrische Nutztiere (6,3 kg Futter pro kg monogastrisch). Die Produktion monogastrischer Nutztiere erfordert etwa viermal mehr Ackerfläche als die Produktion von Wiederkäuern, um ein Äquivalent pro Proteineinheit zu produzieren (Abb. 1a, c und erweiterte Daten Abb. 2 und 3) (8,0 ha pro t Protein für monogastrische Nutztiere gegenüber 1,9 ha pro t Protein für Wiederkäuer). Weltweit produzierten Wiederkäuer im Jahr 2019 etwa 7 Tg Protein-N. Die Produktion der gleichen Menge an Proteinen allein durch monogastrische Nutztiere würde über die gesamte Produktionskette zu 15 % (7 Tg) mehr Stickstoffverlusten in die Umwelt führen. Die Emissionen von Ammoniak (NH3) in die Luft und die Freisetzung von Nitrat (NO3−) in Gewässer würden in einem solchen Szenario um 13 % (3 Tg) bzw. 18 % (5 Tg) ansteigen, während die N2O- und NOx-Emissionen um 14 % sinken würden % (−0,3 Tg) bzw. 17 % (−0,04 Tg) (Abb. 2a,b). Die erheblichen Steigerungen sind mit der Getreidefutterproduktion für Monogastriervieh verbunden, die mehr Ackerfläche und den Einsatz von Kunstdünger erfordert.

a: Anbaufläche, die pro Einheit Wiederkäuerprotein produziert werden muss. b, Futterverhältnis von Wiederkäuern; Dieser Wert stellt den Prozentsatz des Stickstoffgehalts dar. Wiederkäuerfutter besteht aus Gras (61 %), Ernterückständen (23 %) und Pflanzenprodukten (16 %). c, Anbaufläche, die pro Einheit monogastrischen Proteins produziert werden muss. d, Futterverhältnis von monogastrischen Nutztieren. „Sonstige“ steht für synthetische Aminosäuren, Fischmehl und Kalkstein. Monogastrische Nutztiere ernähren sich hauptsächlich von pflanzlichen Produkten (81 %), gefolgt von Speisebrei (9 %) und anderen Futtermitteln (9 %). Die Basiskarte wurde ohne Genehmigung unter Verwendung von Daten aus der Database of Global Administrative Areas (GADM; https://gadm.org/) angewendet.

Quelldaten

a, Globale Stickstoffströme in monogastrischen Nutztieren. „Gülle für andere“ bezeichnet den Dünger, der auf Ackerflächen zur menschlichen Ernährung oder als Futtermittel für andere Tiere ausgebracht wird. b, Globale Stickstoffströme bei Wiederkäuern. „Mist für andere“ umfasst hier zwei Teile: (1) auf anderem Grünland abgelagerter Mist (12 Tg); (2) Gülle, die auf Ackerflächen zur menschlichen Ernährung oder als Futtermittel für andere Tiere ausgebracht wird (37 Tg). c, Globale Kohlenstoffemissionen von monogastrischen Nutztieren (einschließlich Emissionen von CO2 und CH4). d, Globale Kohlenstoffemissionen von Wiederkäuern. Der dunkelgrüne Fluss stellt grüne Inputs dar, wie z. B. Recycling von Stroh, Rückführung von Gülle auf das Feld, natürliche Stickstofffixierung und Verwendung von Spülschlamm usw. Alle Zahlen sind in Tg yr−1 angegeben.

Monogastrische Nutztiere haben in der Tierhaltung eine höhere Stickstoffnutzungseffizienz (NUE) (16 %) im Vergleich zu Wiederkäuern (7 %). Allerdings ist der NUE der Futtermittelproduktion für monogastrische Nutztiere (33 %) viel niedriger als der von Wiederkäuern (69 %), was dazu führt, dass der gesamte NUE der Nutztierproduktionskette mit etwa 6 % für monogastrische Nutztiere und Wiederkäuer ziemlich ähnlich ist. global. Darüber hinaus wird in der Viehhaltungsphase von Wiederkäuern aufgrund des niedrigen NUE-Werts mehr Güllestickstoff produziert, der für die Produktion von Kulturrationen für den Menschen verwendet werden könnte. In der Produktionskette von Wiederkäuern standen mehr Recyclingmöglichkeiten und natürliche Prozesse zur Verfügung (Abb. 2), wie z. B. Stroh- und Güllerecycling und natürliche biologische Stickstofffixierung im Grasland. Dies verdeutlicht, dass Wiederkäuer mehr Nährstoffe in die Lebensmittelproduktion zurückführen können, wodurch die gesamten Nr-Emissionen reduziert werden .

Die Emissionen wären um etwa 3 PgCO2e höher, wenn Wiederkäuer die Monogastrierviehhaltung auf globaler Ebene ersetzen würden (Abb. 2c,d). Der Anstieg der für die Getreidefutterproduktion benötigten Ackerfläche (270 Mha) wurde modelliert, indem er aus Wald umgewandelt wurde, was zu einem Anstieg der Emissionen von 5,4 PgCO2e aus Landnutzungsänderungen, Feldarbeiten, Verarbeitung und Düngemittelherstellung führte. Im Gegensatz dazu würde eine Reduzierung der Emissionen um etwa 2,5 PgCO2e aus der Vermeidung der enterischen CH4-Fermentation und der Güllebewirtschaftung resultieren.

Es wurde berechnet, dass die Nr-Emissionsintensität von Wiederkäuern (1,07 kgN pro kg Protein) in der gesamten Produktionskette weltweit niedriger ist als die von monogastrischen Nutztieren (1,24 kgN pro kg Protein). Die Futtermittelproduktion ist für 81 % bzw. 78 % der Gesamtemissionen bei monogastrischen Nutztieren und Wiederkäuern verantwortlich (Abb. 3a). Der Ersatz von Wiederkäuern durch monogastrische Nutztiere würde die Nr-Emissionen aus der Futtermittelproduktion um etwa ein Drittel erhöhen. Unter allen Nutztieren wiesen Hinterhofhühner aufgrund ihres geringeren Futterverwertungsverhältnisses (1/4–1/2 im Vergleich zu Industriehühnern) die höchste Futter-NR-Emissionsintensität auf4, gefolgt von Industrieschweinen. Im Gegensatz dazu hatten kleine Wiederkäuer (Schafe und Ziegen), die keine Milchprodukte produzierten, die niedrigste Futter-NR-Emissionsintensität, da ihr Futter typischerweise einen großen Anteil an Ernterückständen (10–40 %) und nur einen geringen Anteil an Getreide (0–7 %) enthielt. 6. Es gab weltweit keinen nennenswerten Unterschied in der Nr-Emissionsintensität der Nutztierhaltung zwischen Wiederkäuern (0,23 kgN pro kg Protein) und monogastrischen Nutztieren (0,24 kgN pro kg Protein).

a, Nr-Emissionsintensität (einschließlich NH3-N, NOx-N, NO3−-N) aller Tierhaltungssysteme. Grün (Grasfutter) und Gelb (Pflanzenfutter) stellen die Nr-Emissionen von Futtermitteln dar, und Blau stellt die Nr-Emissionen aus der Viehzucht dar. b, Treibhausgasemissionsintensität (einschließlich CO2, CH4, N2O) aller Tierhaltungssysteme. Die roten Balken stellen die Kohlenstoffemissionen von Futtermitteln dar, die durch Landnutzungsänderungen verursacht werden, die gelben Balken stellen die gesamten Kohlenstoffemissionen aus anderen Prozessen der Futtermittelproduktion wie Feldarbeit, Verarbeitung und Mischung dar und die blauen Balken stellen Treibhausgasemissionen aus der Viehzucht dar. Die roten und schwarzen Linien stellen die durchschnittliche Einheitenemission für Wiederkäuer bzw. monogastrische Nutztiere dar. c, Gesamtveränderungen der Nr-Emissionen durch den Ersatz von monogastrischen Nutztieren durch Wiederkäuer, einschließlich NH3-N, NOx-N, NO3-N aus den Lieferketten der Nutztierhaltung. d, Anteil der veränderten Nr-Emissionen, berechnet durch Division der gesamten veränderten Lieferketten aus a durch die Nr-Emissionen von Wiederkäuern. e, Gesamte veränderte Treibhausgasemissionen (einschließlich CO2, CH4, N2O) durch den Ersatz von Wiederkäuern durch monogastrische Nutztiere. f, Anteil der veränderten Treibhausgasemissionen durch den Ersatz von Wiederkäuern durch monogastrische Nutztiere, berechnet durch Division der gesamten veränderten Treibhausgasemissionen von c durch die Treibhausgasemissionen von Wiederkäuern aus der Futtermittelproduktion und der Viehhaltung. Die Basiskarte wurde ohne Genehmigung unter Verwendung von Daten aus der Database of Global Administrative Areas (GADM; https://gadm.org/) angewendet.

Quelldaten

Die Treibhausgasemissionsintensität von Wiederkäuern (93 kg CO2-Äquivalent pro kg Protein) ist viel geringer als die von monogastrischen Nutztieren (159 kg CO2-Äquivalent pro kg Protein), die Schwankungen sind jedoch in der Futtermittelproduktion und in der Viehzucht tendenziell erheblich (Abb. 3b). . Es wurde berechnet, dass die Treibhausgasemissionsintensität von Futtermitteln bei monogastrischen Tierhaltungssystemen aufgrund erheblicher Emissionen aus Landnutzungsänderungen weitaus höher ist als bei Wiederkäuern. Die Intensität der Treibhausgasemissionen von Futtermitteln aus Verarbeitung, Transport, Mischung, Feldarbeit und Düngemittelherstellung war bei Monogastriern ebenfalls höher (36 kg CO2e pro kg Protein) als bei Wiederkäuern (26 kg CO2e pro kg Protein). Die CH4-Emissionsintensität der Milchproduktion ist aufgrund der höheren Proteinproduktionseffizienz und eines höheren Anteils an verdaulichen Nahrungsbestandteilen geringer als die der Fleischproduktion. Beispielsweise ist die CH4-Emissionsintensität von Milchkühen (22 kg CO2e pro kg Protein) viel geringer als die von Fleischrindern (173 kg CO2e pro kg Protein). Hühner hatten aufgrund der fehlenden enterischen Fermentation und der gesamten CH4-Emissionen aus der Gülle die geringste Intensität der Treibhausgasemissionen im Viehbestand.

Die Intensität der Stickstoff- und Treibhausgasemissionen variiert erheblich zwischen Wiederkäuern und monogastrischen Nutztieren sowie zwischen den Ländern aufgrund von Unterschieden in der Technologie, den Einrichtungen in der Tierhaltung, dem Wissen und den Praktiken der Landwirte sowie den klimatischen Bedingungen (Erweiterte Daten, Abbildungen 4 und 5). Darüber hinaus gibt es erhebliche Unterschiede im Änderungsverhältnis von Stickstoff- und Treibhausgasemissionen beim Ersatz von Wiederkäuern durch monogastrische Nutztiere (Extended Data Abb. 6).

Die meisten Länder und Regionen verzeichneten erhöhte Nr-Emissionen beim Ersatz von Wiederkäuern durch monogastrische Nutztiere, vor allem in Ost- und Südasien, Afrika, Ozeanien und Nordamerika aufgrund der relativ niedrigen NUE in der Getreiderohstoffproduktion für monogastrische Nutztiere (Abb. 3c, d). Indien war das Land, das den größten Anstieg der Nr-Emissionen verzeichnete, der auf 2,5 Tg (+44 %) geschätzt wurde. Auf kontinentaler Ebene weist Afrika die größte Zuwachsrate auf (+66 %, 2,2 Tg), gefolgt von Südasien (+50 %, 4,3 Tg). In den meisten südamerikanischen und europäischen Ländern waren die Nr-Emissionen von monogastrischen Nutztieren jedoch niedriger als die Emissionen von Wiederkäuern, insbesondere in Brasilien, wo eine Reduzierung um etwa 2,7 TgN (−57 %) zu verzeichnen war, wenn Wiederkäuer durch monogastrische Nutztiere ersetzt wurden. Dies liegt daran, dass die Getreidefutterproduktion in Brasilien einen vergleichsweise hohen NUE-Wert (69 %) aufweist, da sie auf der Sojabohnenproduktion mit geringen Mengen an synthetischem Stickstoffdünger basiert, was zu einer insgesamt niedrigen Nr-Emissionsrate führt.

Mit Ausnahme der meisten Länder Südamerikas und mehrerer Länder Afrikas verzeichneten alle übrigen Länder erhöhte Treibhausgasemissionen, wenn aufgrund der erheblichen Nachfrage nach Getreidefutter und der daraus resultierenden Landnutzungsumwandlung von Wald in Ackerland keine Wiederkäuer-Viehproduktion betrieben wurde (Abb. 3e, f). ). Indien, Pakistan und China verzeichneten mit 524 Tg (+99 %), 289 Tg (+155 %) bzw. 273 Tg (+102 %) CO2e den deutlichsten Anstieg der Treibhausgasemissionen. Ozeanien (+206 %, 329 Tg) verzeichnete aufgrund geringer enteraler CH4-Emissionen von Wiederkäuern und hoher Emissionen durch Landnutzungsänderungen die höchste Steigerungsrate. Im Gegensatz dazu sanken die Treibhausgasemissionen in Mittel- und Ostsüdamerika wie Brasilien, Argentinien, Paraguay und Uruguay um 255 Tg (−45 %), 66 Tg (−60 %), 16 Tg (−61 %) und 13 Tg (−45 %) CO2e. Hohe Ernteerträge verringerten die gesamte Ackerfläche, die für monogastrisches Viehfutter benötigt wurde, und eine hohe Bruttoenergieaufnahme durch Wiederkäuer führte in diesen Ländern zu hohen enterischen CH4-Emissionen.

Es wurden vier Szenarien entwickelt, um die Anzahl der Nutztiere und die Treibhausgasemissionen durch die Optimierung der Tierproduktionssysteme zu verringern: ein BAU-Szenario (Business as Usual) und drei Minderungsszenarien (SYS, FED, ALL) (Abb. 4) mit entsprechenden Vorteilen für das Wohlergehen der Umwelt und die Ernährungssicherheit (Abb. 5). Das SYS-Szenario ging von einer Maximierung der Wiederkäuerproduktion unter Berücksichtigung der Graslandtragfähigkeit und des maximal verfügbaren Strohfutters für Länder aus, in denen die Nr-Emissionen von Wiederkäuern niedriger sind als die Nr-Emissionen von monogastrischen Nutztieren (Methoden). Das SYS2-Szenario (eine extreme Variante des SYS-Szenarios) zielt darauf ab, die Produktion von Wiederkäuern auf der Grundlage des aktuellen maximalen Gesamtzelluloseproduktionspotenzials zu maximieren, vorausgesetzt, dass das Stroh nicht auf das Feld zurückgeführt wird und Wiederkäuer das Stroh maximal nutzen. Das FED-Szenario sollte das Futter- und Mistmanagement im Einklang mit einer globalen durchschnittlichen Emissionsintensität optimieren (wobei das höhere Niveau auf die globale durchschnittliche Emissionsintensität gesenkt wird, während die ursprünglich niedrigere Emissionsintensität beibehalten wird). Schließlich wurden im ALL-Szenario die SYS- und FED-Szenarien integriert.

a, Gesamt-NR-Emissionen von Wiederkäuern und monogastrischen Nutztieren unter verschiedenen Szenarien. Das ALL-Szenario stellt eine Kombination aus dem SYS- und dem FED-Szenario dar und hat nichts mit SYS2 zu tun. b, Gesamte Treibhausgasemissionen von Wiederkäuern und monogastrischen Nutztieren. c, Reduktionsverhältnis der gesamten Nr-Emission (NH3-N, NOx-N und NO3-N). d, Reduktionsverhältnis der Treibhausgasemissionen (einschließlich CO2, CH4, N2O) im SYS-Szenario im Vergleich zum BAU. Weiße Bereiche zeigen keine Veränderung an. e, Nr Emissionsreduktionsverhältnis. f, THG-Emissionsreduktionsverhältnis im FED-Szenario im Vergleich zum BAU. g, Nr Emissionsreduktionsverhältnis. h, THG-Emissionsreduktionsverhältnis im ALL-Szenario im Vergleich zum BAU. Die Basiskarte wurde ohne Genehmigung unter Verwendung von Daten aus der Database of Global Administrative Areas (GADM; https://gadm.org/) angewendet.

Quelldaten

In dieser Abbildung sind die Vorteile der Reduzierung von Nr- und Treibhausgasemissionen überlagert. Die Vorteile, die sich aus der Reduzierung der Treibhausgasemissionen ergeben, sind in der Klimawirkung enthalten.

Quelldaten

Im SYS-Szenario haben wir herausgefunden, dass eine Steigerung der Wiederkäuerproduktion um 24 % (Erweiterte Daten, Abb. 7) den Einsatz von Zellulose maximieren und die Verluste an die Umwelt um 2,3 TgN (3 %) reduzieren könnte (Abb. 4c), wodurch der Bedarf an Futtergetreide sinkt um 2,9 TgN (Extended Data Abb. 8a) im Vergleich zum BAU-Szenario weltweit. Infolgedessen könnten 39 Mha Ackerland freigesetzt werden, mit dem Potenzial, bis zu 525 Millionen Menschen weltweit zu ernähren (Extended Data Abb. 8c,e) oder 862 TgCO2e-Emissionen durch Wiederaufforstung zu binden. Insgesamt könnten im SYS-Szenario 495 TgCO2e-Emissionen pro Jahr reduziert werden. Überraschenderweise würden unter SYS2 40 % mehr Wiederkäuer produziert, die TgN-Emissionen würden um 4 reduziert und 73 Mha Ackerland würden freigesetzt, was bedeutet, dass 940 Millionen Menschen mehr ernährt werden könnten (Extended Data Abb. 8d,f). Es wird jedoch geschätzt, dass die durch die Wiederaufforstung verursachte Kohlenstoffbindung größer ist als die gesamte Treibhausgasreduzierung im SYS-Szenario, d. h. es besteht ein Kompromiss zwischen der Reduzierung von Emissionen und der Unterstützung von mehr Menschen. Dies liegt vor allem daran, dass die erhöhte Produktion von Wiederkäuern große Mengen an CH4-Emissionen verursachen würde und daher auch die gleichzeitige Umsetzung gezielter Minderungsmaßnahmen unerlässlich ist.

Die Nr-Emissionen aus der Futtermittelproduktion und der Viehhaltung werden im FED-Szenario voraussichtlich um 20 Tg bzw. 3 Tg sinken (Abb. 4e), da die Emissionen aus der Tierhaltung auf das weltweite Durchschnittsniveau gesenkt werden. Etwa 10,5 TgN aus der Düngemittelausbringung und 9,8 TgN aus recyceltem Mist würden reduziert, und die Treibhausgasemissionen könnten durch ein verbessertes Futtermanagement um 709 Tg und durch die Viehhaltung um 936 Tg reduziert werden. Dies deutet darauf hin, dass das Futter- und Güllemanagement weltweit noch erhebliches Optimierungspotenzial aufweist, insbesondere in Ländern, in denen die aktuellen Werte an Nr- und Treibhausgasemissionen über dem globalen Durchschnitt liegen. Ozeanien weist aufgrund der Optimierung der Futtermittelproduktion die größte Nr-Emissionsreduzierung (47 %) auf. Der größte Rückgang der Treibhausgasemissionen (40 %) ist in Afrika südlich der Sahara zu verzeichnen, was auf die Reduzierung der CH4-Emissionen aus der enterischen Fermentation zurückzuführen ist (Erweiterte Daten, Abb. 9).

Das ALL-Szenario wurde entwickelt, um Elemente der Systemoptimierung und der Fütterungsverbesserung zu kombinieren und Einblicke in das Reaktionspotenzial auf neu auftretende Ernährungssicherheitsprobleme, beispielsweise infolge der COVID-19-Pandemie, zu geben. Dieses Szenario könnte die Nutzung von Zellulose maximieren und Ackerland für die Getreideproduktion für den direkten menschlichen Verzehr retten, während es gleichzeitig die Emissionen von Nr. und Treibhausgasen durch verbesserte Fütterungsstrategien und Güllemanagement reduzieren könnte. Durch die Integration von SYS- und FED-Szenarien könnten die Vorteile beider Szenarien verstärkt werden und so zu einem immer effizienteren Management der Tierproduktion weltweit beitragen. Das ALL-Szenario hat ein Minderungspotenzial von 25 TgN und führt zu einer Reduzierung der Nr-Emissionen in der Futtermittelproduktion um 87 %, wodurch gleichzeitig Vorteile für die Ernährungssicherheit und den Umweltschutz erzielt werden. Darüber hinaus würden die globalen Treibhausgasemissionen um 2,2 PgCO2e pro Jahr reduziert, wenn die eingesparten Ackerflächen vollständig wiederaufgeforstet würden. Ungefähr 1,3 PgCO2e der Treibhausgasemissionen würden reduziert, wenn das Ackerland nicht wieder in Waldflächen umgewandelt würde. In mehreren Ländern könnte es jedoch ohne Wiederaufforstung zu erhöhten Treibhausgasemissionen kommen, und es könnte zu einem Kompromiss zwischen Emissionsreduzierung und der Ernährung von mehr Menschen kommen (ergänzende Abbildung 1). Alternativ könnten die in diesen Ländern eingesparten Ackerflächen teilweise wieder aufgeforstet und teilweise für den Nahrungsmittelanbau genutzt werden, um eine Win-Win-Situation für Emissionsreduzierung und Ernährungssicherheit zu erreichen.

Um die Machbarkeit der Szenarioumsetzung zu beurteilen, wurde eine Kosten-Nutzen-Analyse durchgeführt. Die Reduzierung der Nr- und Treibhausgasemissionen hat das Potenzial, die menschliche Gesundheit zu verbessern, da sie weniger Luftverschmutzung wie Feinstaub (PM2,5) ausgesetzt ist, die Gesundheit des Ökosystems zu verbessern und gleichzeitig den Klimawandel abzumildern. Es ist jedoch wichtig, sozioökonomische Auswirkungen zu berücksichtigen, beispielsweise anhand der Implementierungskosten.

Wiederkäuer haben aufgrund der langen Fütterungszeit und der erforderlichen kontinuierlichen Futterzufuhr hohe Produktionskosten, was zu einem niedrigen Nutzen-Kosten-Verhältnis im SYS-Szenario (2.4) führt (Abb. 5). Allerdings könnten die in diesem Szenario eingesparten Ackerflächen dazu beitragen, 525 Millionen weitere Menschen zu ernähren und so dazu beitragen, das globale Null-Hunger-Ziel zu erreichen. Gleichzeitig könnten die Treibhausgasemissionen von Wiederkäuern durch die Optimierung der Futtermittelproduktion und des Güllemanagements reduziert werden, wie im FED-Szenario dargestellt. Insgesamt könnten niedrigere Kosten durch eine optimierte Anwendung synthetischer Düngemittel und Dünger aus Ackerland und Grasland (6 Milliarden US-Dollar) sowie durch Verbesserungen in der Viehhaltung und im Düngermanagement (5 Milliarden US-Dollar) große Umweltvorteile (443 Milliarden US-Dollar) mit sich bringen. Die Kombination der SYS- und FED-Szenarien könnte die größten Vorteile für die Umwelt (468 Milliarden US-Dollar) und die Ernährungssicherheit erzielen, wie im ALL-Szenario dokumentiert, mit einem Nutzen-Kosten-Verhältnis von 13,5, hauptsächlich durch die Optimierung der relativen Anteile der Nutztierarten im gesamten System und Verbesserung der Produktionseffizienz.

Unter Berücksichtigung des gesamten Lebenszyklus und der Futtermittelproduktion haben wir herausgefunden, dass Wiederkäuer vergleichsweise geringere Nr- und Treibhausgasemissionen aufweisen als monogastrische Nutztiere. Die Betonung der hohen Nr- und Treibhausgasemissionen von Wiederkäuern während der Aufzuchtphase ohne eine vollständige Lebenszyklusanalyse hat zu falschen politischen Empfehlungen zur optimalen Entwicklung der Nutztiere geführt. Landnutzungsänderungen und der Einsatz synthetischer Stickstoffdünger für die Getreidefutterproduktion für Monogastriervieh führen zu höheren relativen Nr- und Treibhausgasemissionen. Wiederkäuer sind in der Lage, für den Menschen ungenießbare Zellulose in hochwertiges Protein umzuwandeln und so Energie und Nährstoffe einzusparen, die sonst für die Futtermittelproduktion benötigt werden4,10 – mit Vorteilen für die menschliche Ernährungssicherheit, die Umwelt und das Klima8. Daher erfordert die Verlagerung des Gleichgewichts in der Tierproduktion von Wiederkäuern auf monogastrische Nutztiere mehr Getreidefutter mit erheblichen Auswirkungen auf Landnutzungsänderungen und die Umwandlung von Wald in Ackerland. Dies würde zu einem verstärkten Verlust der biologischen Vielfalt führen und wertvolle Kohlenstoffsenken gefährden, was eindeutig negative Auswirkungen auf eine globale Strategie zur Erreichung von Netto-Null-Kohlenstoff hätte. Darüber hinaus würden Wiederkäuer den größten Teil des Mistes auf Grasland ablagern, das direkt als Nährstoff für die Futterproduktion genutzt wird6. Daher tragen Wiederkäuer trotz der geringen NUE der Fleischproduktion insgesamt nur in geringem Maße zur Nr-Verschmutzung der Umwelt bei, da der Mist im Grasland recycelt wird. Allerdings besteht in Mastbetrieben noch ein erhebliches Reduktionspotenzial hinsichtlich der Nr-Belastung durch Wiederkäuer.

Wir haben die Tragfähigkeit des Grünlandes anhand von Daten zum Anteil der Grünlandbedeckung ermittelt, um die sinnvolle Nutzung von Grünland anzupassen, da länderspezifische Daten zur Grünlanddegradation fehlen (Methoden). Bei der Berechnung der Implementierungskosten im SYS-Szenario sollten die Produktionskosten des gesamten Viehbestands in jedem Land zugrunde gelegt werden. Wir haben jedoch von FAOSTAT abgeleitete Erzeugerpreisdaten verwendet, die möglicherweise etwas höher sind als die tatsächlichen Implementierungskosten. Darüber hinaus kann der 12-prozentige Anstieg der Wiederkäuerproduktion im SYS-Szenario möglicherweise den Produktionspreis von Wiederkäuern bzw. monogastrischen Nutztieren senken bzw. erhöhen, was jedoch den Rahmen dieser Studie sprengt und daher aufgrund der Komplexität des wirtschaftlichen Sachverhalts hier nicht berücksichtigt wird Prinzipien beteiligt. Die Berechnung des Potenzials zur Ernährung von mehr Menschen hätte idealerweise auf dem Pro-Kopf-Proteinbedarf basieren sollen, aber detaillierte Daten für alle Länder fehlen, daher haben wir stattdessen gut dokumentierte Pro-Kopf-Proteinversorgungsdaten aus dem Jahr 2019 von FAOSTAT verwendet. Darüber hinaus wurden die Kosten für die Reduzierung der Nr-Emissionen detailliert quantifiziert, während die Umsetzung von Nr-Reduktionsmaßnahmen (NH3, NOx, NO3− und N2O) aufgrund der damit verbundenen Reduzierung der Kohlenstoffemissionen (CH4 und CO2) zusätzliche Vorteile mit sich bringen wird. Es ist jedoch schwierig, diese Zusatznutzen auf globaler Ebene zu bewerten, und sie liegen außerhalb des Rahmens dieser Studie.

Die Steigerung der Wiederkäuer-Tierproduktion könnte mit einer Änderung der Primärkulturarten einhergehen, um die Gesamteffizienz zu steigern. Der Sojaanbau hat im Vergleich zum Maisanbau einen vergleichsweise geringen Ertrag und erzeugt nur wenig Stroh, obwohl Soja einen höheren NUE als Mais aufweist11. Daher kann die Umstellung von Sojabohnen auf Ganzmaissilage der Produktion von Wiederkäuern zugute kommen, gleichzeitig den Ertrag steigern und die Umweltverschmutzung verringern. Dennoch sind noch weitere quantitative Studien erforderlich, um die Auswirkungen einer solchen Änderung auf der Ebene der Erzeuger abzuschätzen. Um den Anteil von Wiederkäuern und monogastrischen Nutztieren auf lokaler Ebene zu optimieren und die Nutzung von Getreide und Stroh zu maximieren, ist es außerdem wichtig, Ackerflächen mit Tieren sowohl für die Futtermittelverwendung als auch für die Gülleverwertung räumlich zu integrieren.

Ohne eine grundlegende Änderung der bestehenden Produktionsmethoden könnten bei der derzeitigen Gras- und Strohproduktion etwa 24 % mehr Wiederkäuer aufgezogen werden. Allerdings ist die Verbesserung der Produktionspraktiken in allen Ackerland-, Grünland- und Viehhaltungssystemen ein wesentlicher Schritt, vorausgesetzt, dass die Produktionseffizienz während der Aufzuchtphase verbessert wird. Im Vergleich zum SYS-Szenario hat die Futter- und Gülleoptimierung im FED-Szenario ein größeres Potenzial zur Reduzierung von Nr- und Treibhausgasemissionen bei der Tierfutterproduktion. Zu den spezifischen Emissionsminderungsmaßnahmen für Acker- und Grünlandflächen gehören die Verbesserung der Stickstoffdüngungstechniken12,13 und der Brachlandanbau14. Emissionsreduzierungsoptionen für die Viehhaltung konzentrieren sich auf die Ernährung der Nutztiere15 und das Güllemanagement16. Im Vergleich zur Systemoptimierung hat die Verbesserung der Fütterungspraxis geringere Kosten und vergleichsweise größere Vorteile für die Umwelt. Es handelt sich um einen einfach umzusetzenden Ansatz zur schnellen Reduzierung von Emissionen, um Minderungsziele zu erreichen.

Der lange Zuchtzyklus führte zu hohen Produktionskosten für Wiederkäuer, was zu einem hohen Preis für rotes Fleisch und einem niedrigen Verbrauchsniveau auf Haushaltsebene führte. Daher ist es wichtig, die Produktionskosten zu senken, um den Anteil der Wiederkäuer weltweit zu erhöhen. Regierungen sollten die Zucht von Rindern und Schafen richtig steuern: (1) die Subventionen für die Rinder- und Schafzucht erhöhen, beispielsweise Risikosubventionen, und Subventionen für verbundene Zuchtunternehmen, um die Zuchtkosten zu senken17; (2) auf den Anbau neuer Tierarten achten, um die Effizienz der Futternutzung zu verbessern und die Gülleproduktion zu reduzieren; und (3) die Koppelung von Pflanzenanbau und Tierhaltung, insbesondere in Regionen mit überwiegend kleinbäuerlicher Landwirtschaft, zu steuern, um die Transportkosten für Futter und Dünger zu senken18.

Der menschliche Fleischkonsum ist der grundlegende Treiber der Tierproduktion19. Wir haben gezeigt, dass eine Reduzierung der Wiederkäuerproduktion bei gleichzeitiger Erhöhung der monogastrischen Viehproduktion zum jetzigen Zeitpunkt negative Auswirkungen auf die Ernährungssicherheit und die Umweltgesundheit haben würde, während für den Menschen ungenießbare Zellulose durch die Umwandlung durch Wiederkäuer für die Lebensmittelproduktion ungenutzt bleiben würde. Allerdings wird ein übermäßiger Verzehr von rotem Fleisch mit mehreren chronischen Krankheiten, Fettleibigkeit und vorzeitigem Tod in Verbindung gebracht20. Auch wenn es für diesen Zusammenhang keine eindeutigen Belege gibt21, plädieren wir nicht einfach nur für den Verzehr von mehr Fleisch wie Rind- und Hammelfleisch, sondern liefern unterstützende Belege für eine ausgewogene, gesunde Ernährung, die sich in der aktuellen Struktur des Fleischproteinbedarfs auf Wiederkäuerprotein verlagert und den Proteinbedarf nicht überschreitet Obergrenze der Empfehlung für den Verzehr von rotem Fleisch. Eine ausgewogene Ernährungsstruktur und die Verlagerung einer verstärkten Produktion von Wiederkäuerprodukten in Länder, in denen sie benötigt werden, insbesondere in afrikanische Länder, könnten dazu beitragen, die Ziele für nachhaltige Entwicklung insgesamt zu erreichen (z. B. Null Hunger, gute Gesundheit und Wohlbefinden). Wir plädieren für eine integrierte Bewertung des gesamten Lebenszyklus und aller menschlichen und umweltbedingten Faktoren bei der Entwicklung von Empfehlungen für die Effizienz der gesamten Produktionskette und die Zellulosemenge, die wir für Wiederkäuer verwenden würden. Die entsprechende politische Entwicklung sollte eine ausgewogenere Ernährungsstruktur berücksichtigen, die sowohl Wiederkäuer- als auch monogastrische Nutztierprodukte umfasst und auf einer Kosten-Nutzen-Bewertung des gesamten Systems basiert.

Obwohl die Ersetzung von Wiederkäuern durch monogastrische Nutztiere zur Freisetzung von Grünland führen würde, können natürliche und naturnahe Grünlandflächen (die den größten Teil der gesamten Grünlandfläche einnehmen) aufgrund des Klimas22, der Bodenfruchtbarkeit und topografischer Faktoren23 nicht überall in Ackerland oder Wälder umgewandelt werden. Grasland ist eine stabilere Kohlenstoffsenke als Wälder, da es von Natur aus widerstandsfähig gegenüber Dürre und Waldbränden ist24. Durch Aufforstung verursachte Veränderungen der Albedo können die Vorteile der Kohlenstoffabscheidung überwiegen, was zu einem Nettoerwärmungseffekt führt25. Darüber hinaus können gesunde Graslandschaften eine Menge an organischem Kohlenstoff speichern, die mit der von Wäldern vergleichbar ist, was vor allem auf ihre reichhaltigen unterirdischen Kohlenstoffsenken zurückzuführen ist24. Grasland ist außerdem besser geeignet als Wälder, die Bodenerosion zu mildern, zur Wassereinsparung in semiariden Ökosystemen beizutragen26 und Lebensräume für eine Reihe von Wildtierarten zu bilden27. Möglicherweise ist nur ein kleiner Teil des Kunstrasenlandes für die Umwandlung geeignet, aber der Mangel an detaillierten Informationen über die Fläche des umwandelbaren Kunstrasenlandes, potenzielle Änderungen der Produktivität nach der Rückgewinnung in Ackerland und den Grad der Kohlenstoffbindung nach der Aufforstung erschweren eine genaue Prognose die potenziellen Vorteile der Grünlandumwandlung. Die Umwandlung von künstlichem Grünland in Ackerland würde eine große Menge an Treibhausgasemissionen freisetzen28,29 und die Aufforstung von Grünland ist komplex, und daher ist unklar, ob die Kohlenstoffbindung sinken30,31 oder zunehmen32 würde. Daher unterschätzt diese Studie möglicherweise nur geringfügig die potenziellen Vorteile für die Ernährungssicherheit und das Klima durch monogastrische Nutztiere. Darüber hinaus besteht der Hauptzweck dieser Studie nicht darin, alle Wiederkäuer zu entfernen, sondern einen Extremfall zu liefern, um die Bedeutung von Wiederkäuern im Zusammenhang mit der maximalen Nutzung von Zelluloseressourcen zu demonstrieren. Unser Ziel ist es, politischen Entscheidungsträgern Orientierung zu geben – und nicht, Wiederkäuer zu kritisieren oder gar zu eliminieren – und hervorzuheben, dass Wiederkäuer für den Menschen ungenießbare Zellulose nutzen können, wodurch große Ackerflächen für die Umwandlung in Wälder oder für die menschliche Nahrungsmittelproduktion frei werden.

FAOSTAT (Crop and Livestock Products, https://www.fao.org/faostat/en/#data/QCL) liefert Zahlen (produzierende Tiere/geschlachtete Tiere), Produktion (Produktionsmenge) und Schlachtgewichtsertrag (Ertrag) jedes Viehs3 . Wir haben den Proteingehalt von Tierprodukten aus dem Global Livestock Environment Assessment Model (GLEAM)6 verwendet. Der Bedarf an menschlichem Protein für alle Produkte stammte von FAOSTAT (Food Balances)3. Anteilsinformationen für bestimmte Viehhaltungssysteme, wie z. B. Schweineproduktionssysteme mit Hinterhof-, Zwischen- und Industriesystemen, wurden von GLW (Gridded Livestock of the World, https://dataverse.harvard.edu/dataverse/glw/) erhalten.

Der Ertrag und die Produktionsmenge von Futterpflanzen wurden aus FAOSTAT-Daten3 abgeleitet. Für den Grasertrag haben wir die Daten aus der Literatur übernommen33. Der Stickstoffgehalt jeder Kulturpflanze und jedes Grases stammte von GLEAM6. Wir haben den Verbrauch synthetischer Düngemittel für jede Kultur und jedes Gras anhand der FAO3 (https://www.fao.org/faostat/en/#data/RFB), der IFA34 und der Literatur35 geschätzt. Die Stickstoffdepositionsraten auf Ackerland und Grünland wurden aus der Literatur abgeleitet36,37,38. Die Bewässerungsstickstoffraten wurden von Lesschen et al.39 erhalten und die Daten zum Bewässerungswasserverbrauch stammten von AQUASTAT (https://www.fao.org/aquastat/en/). Für die natürliche biologische Fixierung von Gras und die biologische Stickstofffixierung von Nutzpflanzen verwendeten wir Daten von Lassaletta et al.35 und Zhang et al.37. Globale Landbedeckungs- und Landnutzungsdaten stammten aus der GLC-SHARE-Datenbank (https://data.apps.fao.org/catalog/dataset/global-land-cover-share-database) und FAOSTAT-Daten3.

Wir vergleichen die Umweltauswirkungen zwischen Wiederkäuern und monogastrischen Nutztieren, indem wir die Nr- und Treibhausgasemissionen aktueller Wiederkäuer und monogastrischer Nutztiere, die durch Wiederkäuer gemäß dem Standard der Proteingleichheit ersetzt wurden, schätzen und vergleichen. Mit diesem Ansatz können wir die enormen Risiken von Landnutzungsänderungen für den Anbau von Futterpflanzen analysieren und den Beitrag von Wiederkäuern und monogastrischen Nutztieren für den Menschen aus einer neuen Perspektive bewerten. Die Aufteilung von Schweinen und Hühnern auf monogastrische Nutztiere basiert auf dem menschlichen Proteinbedarf von Schweinen, Hühnern und Eiern (von FAOSTAT, Protein Supply Quantity)3.

Um die Nr-Emissionen aus jeder Tierlieferkette abzuschätzen, haben wir hauptsächlich GLEAM verwendet. Eine detaillierte Beschreibung des GLEAM-Modells finden Sie in der Literatur6. Für die Futtermittelproduktion haben wir zunächst die Futtertrockenmasse anhand des Lebensmittelumwandlungsverhältnisses (FCR)4 und des Stickstoffgehalts der Pflanzen geschätzt, um anschließend den Futterstickstoff für Gras (Ngrass-Futter), Ernte (Ncrop-Futter) und Ernterückstände (Ncrop-Restfutter) zu berechnen Der Prozentsatz der Futterration aus dem GLEAM-Modell6 und dann wurden die Nr-Emissionen aus Ackerland und Grünland berechnet.

Wir haben die Nr-Emissionen der Ackerflächen aus synthetischem Dünger, recyceltem Mist und zersetzten Ernterückständen berechnet. Zunächst verwendeten wir das CHANS-Modell40, um alle Ackerland-NUE (NEUcrop, ohne Unterscheidung zwischen Futter- und Rationsanbau) über globale Länder hinweg zu berechnen (Gleichung (1)). Anschließend haben wir NUEcrop verwendet, um den Stickstoffeintrag von Pflanzenfutter zu berechnen, insbesondere den Stickstoffeintrag von Düngemitteln und Gülle, der zur Schätzung des Stickstoffverlusts verwendet wurde. Wir haben die Stickstoffmenge aus zersetzten Ernterückständen, die auf das Feld zurückgeführt wurden, anhand der Gleichungen im GLEAM-Modell berechnet und den entfernten Anteil der oberirdischen Rückstände des Ackerlandes verwendet, um die Futtermenge der Ernterückstände (Ncrop-Restfutter) abzuschätzen. Der verfügbare, auf Ackerland recycelte Güllestickstoff aus jedem Viehhaltungssystem wurde nach Uwizeye et al.1 geschätzt. Schließlich wurden die Nr-Emissionen aus synthetischem Dünger, Gülle und Ernterückständen nach Gleichungen im GLEAM-Modell berechnet.

wobei die Stickstoffeinträge von Ackerland aus pflanzenbiologischer Stickstofffixierung (NCBNF), Düngemittelstickstoff (Nfertilizer), Güllestickstoff (Nmanure), Bewässerungsstickstoff (Nirrigation) und Ablagerungsstickstoff (Ndeposition) bestehen und die Stickstoffausstöße von Ackerland Pflanzenprodukte sind ( Ncrop-Produkte).

Wir haben die Nr-Emissionen des Grünlandes aus synthetischem Dünger und Gülle berechnet, die auf Weiden abgelagert werden. Der von allen Nutztieren auf Weiden abgelagerte Mist wurde auf der Grundlage von Uwizeye et al.1 berechnet. Der Stickstoffverlust aus Grünland wurde im GLEAM-Modell berechnet.

Die Nr-Emissionen aus Güllemanagementsystemen wurden als Emissionen aus der Viehhaltung geschätzt6. Wir berechneten die Stickstoffausscheidung nach IPCC-Methoden41,42 und den gesamten Ammoniakstickstoff (TAN) von Uwizeye et al.1 und verwendeten den Anteil des Güllemanagementsystems (MSS) und EF (Emissionsfaktor) zur Berechnung der Nr-Emissionen in der Phase der Viehhaltung .

Die Stickstoffeinträge von Ackerland bestehen aus biologischer Stickstofffixierung (NCBNF), Düngemittelstickstoff (Nfertilizer), Güllestickstoff (Nmanure), Bewässerungsstickstoff (Nirrigation) und Ablagerungsstickstoff (Ndeposition). und Ernterückstände (Ncrop reste Feed) als Futtermittel, andere Ernterückstände (Nother Crop Resistes, nicht als Futtermittel für dieses Tierhaltungssystem, als Futtermittel für andere Nutztiere oder für andere Zwecke) und Nr-Emissionen (Nemission, einschließlich NH3-N, NOx- N, NO3−N, N2O-N). NUE in einem Ackerlandsystem (NUEcropland) wird als Gleichung (2) berechnet. Die Stickstoffeinträge von Grünland umfassen natürliche biologische Stickstofffixierung (NNBNF), Düngemittelstickstoff (Nfertilizer), deponierten Güllestickstoff (Nmanure) und Ablagerungsstickstoff (Ndeposition), und die Stickstoffausträge von Grünland sind Grasfutter (Ngrassfeed) und Nr-Emissionen (Nemission). ). NUE in einem Grünlandsystem (NUEgrassland) wird aus Gleichung (3) entnommen.

Feldfrüchte (Ncrop-Futter), Ernterückstände (einschließlich Ncrop-Restfutter und Nother-Ernterückstandsfutter aus der Produktion menschlicher Rationen oder Pflanzenfutter für anderes Vieh), Grasfutter (Ngrass-Futter), Speisebrei (Nswill) und andere Futtermittel (Nother Feed, (einschließlich synthetischer Aminosäuren und Fischmehl) sind die Stickstoffeinträge, und der Stickstoffausstoß umfasste tierische Produkte (Nviehprodukte, einschließlich Fleisch, Eier und Milch), Nr-Emissionen und Stickstoffrecycling von Gülle auf Ackerland und Grünland. Der NUE im Nutztiersystem (NUElivestock) wird basierend auf Gleichung (4) abgeleitet.

Wir haben NUEwhole Chain basierend auf der gesamten Lieferkette für Nutztiere definiert, einschließlich der Phasen der Futtermittelproduktion und der Viehzucht (Gleichung (5)). NBNF enthält NCBNF aus Ackerland und NNBNF aus Grünland. Unter Gülle versteht man die Rückführung von Güllestickstoff von anderen Nutztieren in das Ackerland. Monogastrische Nutztiere, die mehr Pflanzenfutter benötigen, könnten beispielsweise nicht genug eigenen Dünger produzieren und benötigen Güllestickstoff von anderen Nutztieren.

Die wichtigsten Treibhausgasemissionen aus Tierhaltungssystemen im GLEAM-Modell sind: (1) CH4-Emissionen aus der enterischen Fermentation bei Wiederkäuern und Schweinen; (2) CH4-Emissionen aus der Güllebewirtschaftung; (3) N2O-Emissionen, die bei der Güllebewirtschaftung freigesetzt werden und bei der Berechnung der Nr-Emissionen berücksichtigt werden; (4) CH4-Emissionen aus der Reisproduktion; (5) CO2-Emissionen aus der Düngemittelherstellung; (6) CO2-Emissionen aus Feldeinsätzen; (7) CO2-Emissionen aus Futtermischung, -verarbeitung und -transport; (8) CO2-Emissionen aus Landnutzungsänderungen. Die Punkte (1)–(7) wurden mit den folgenden Methoden berechnet, die in der Ergänzungstabelle 1 beschrieben sind, und Punkt (8) wurde nach den Gleichungen (6) und (7) berechnet.

Wir haben die Anbaufläche für monogastrische Nutztiere mehr als für Wiederkäuer berechnet und nehmen die Anbaufläche als relative Landnutzungsänderung bei monogastrischen Nutztieren, wie in den Gleichungen (6) und (7) dargestellt.

Dabei ist Landc die Landfläche von Futter c, DMYGc der Trockenmasseertrag von Futter c in kg ha−1 und wird auf Grundlage des Ernteertrags gemäß der GLEAM-Methode berechnet, FUEc die Futternutzungseffizienz von Futter c und MFAc und EFAc sind der Massenanteil bzw. der Wirtschaftsanteil und werden von GLEAM abgeleitet.

Dabei sind Croplandruminant und Croplandmonogastric die Ackerlandflächen, die für Wiederkäuer- bzw. Monogastrierfutter benötigt werden, und LUC ist der Wert der Landnutzungsänderung43, der die jährlichen Treibhausgasemissionen darstellt, die vom Wald auf Ackerland freigesetzt werden, in tCO2 ha−1 Jahr−1. Der LUC-Wert berücksichtigt die langfristigen Auswirkungen und wurde auf einen Durchschnittswert für jedes Jahr abgezinst43. Es bestand eine große Unsicherheit bei der Berechnung der Treibhausgasemissionsänderungen durch die Umwandlung von Wäldern in Ackerland und Wiederaufforstung (Unsicherheitsanalyse).

Das Basisszenario wurde als BAU festgelegt, wobei davon ausgegangen wird, dass die Gesamtmenge des im Jahr 2019 produzierten Wiederkäuer- und Monogastrierproteins auf einem konstanten Niveau gehalten wird. Drei optimierte Szenarien wurden entwickelt, um die Auswirkungen auf die Minderung der Stickstoff- und Treibhausgasemissionen von Nutztieren zu bewerten, darunter die Szenarien SYS, FED und ALL.

Das BAU-Szenario geht davon aus, dass Wiederkäuer und Monogastrier im Jahr 2019 eine Proteinmenge von 7,06 bzw. 6,64 TgN-Protein produzieren. Derzeit gibt es teilweise ungenutzte Grünlandflächen (Ergänzungsabbildung 2) und nachhaltig ungenutzte Ernterückstandsressourcen.

In diesem Szenario modellieren wir die Auswirkung einer Maximierung der Produktion von Wiederkäuern und einer entsprechenden Reduzierung der monogastrischen Produktion, während die Gesamtproteinproduktion der Nutztiere im Jahr 2019 konstant bleibt (13,7 TgN-Protein, berechnet nach FAOSTAT). Das SYS-Szenario stellt eine Umstellung von 12,3 % der weltweiten Nutztierproduktion dar vom monogastrischen bis zum Wiederkäuervieh. Die Ressourcenbeschränkungen für die Maximierung der Proteinproduktion von Wiederkäuern sind die aktuelle maximale Produktion von Gesamtzellulose unter Berücksichtigung der Tragfähigkeit des Grases und der Gesamtmenge an Ernterückständen. Was den maximal verfügbaren Wert an Grasstickstoff betrifft, berücksichtigen wir die Abbaubedingungen (Gras-Degradationsanpassungsrate (DAR))44 von Weidegrünland, um die Nutzungseffizienz (UE)6 von Grünland anzupassen. Für DAR legen wir einen leichten Abbau auf 80 %, einen leicht leichten Abbau auf 65 %, einen mäßigen Abbau auf 50 % und einen starken Abbau auf 30 % fest (Erweiterte Daten, Abb. 10). Der durchschnittliche Anteil der Grünlandbedeckung des Landes wurde aus der GLC-Share-Datenbank45 berechnet, um das Ausmaß der Grünlanddegradation widerzuspiegeln. Unter Verwendung von 3/4-Werten, 1/2-Werten und 1/4-Quadraturwerten in vier Intervallen wurden die Anpassungsfaktoren auf 80 festgelegt %, 65 %, 50 % bzw. 30 %. Darüber hinaus wird die Grünlanddegradation für nicht beweidetes Grünland nicht berücksichtigt. Der maximal verfügbare Wert an Grasstickstoff (Nmaxgrass) wird wie in Gleichung (8) berechnet berechnet.

Dabei ist ProductiongrassN die Gesamtstickstoffproduktion des Grases und Rgrasing das Beweidungsverhältnis der Wiederkäuer.

Der maximale aus den Ackerflächen entfernte Ernterückstandsstickstoff wurde aus dem Erntestickstoff (ProductioncropN), dem Verhältnis von Ernterückständen zu Ernte (Rresidue–crop)6 und dem Anteil der entfernten Ernterückstände (Rremoved)6 berechnet, wie in Gleichung (9) dargestellt.

Die maximale Zellulosestickstoffproduktion wurde aus der Summe der Nmaxgrass- und Nmaxcrop-Rückstände ermittelt, indem man sie durch die aktuell von den Wiederkäuern genutzte Zellulosemenge dividierte und so den maximal verfügbaren Multiplikator für die Wiederkäuerproduktion ergab. Da die Nr-Emissionsintensität von Wiederkäuern geringer ist als die von monogastrischen Nutztieren, können wir den Anteil der Wiederkäuer ermitteln, der die Zelluloseverwertung maximiert.

Dieses Szenario ist eine extreme Variante des SYS-Szenarios; Dabei wird davon ausgegangen, dass die Ernterückstände nicht auf das Ackerland zurückgeführt werden und alle entfernten Ernterückstände zur Herstellung von Futtermitteln für Wiederkäuer verwendet werden, d. h. Rremoved = 1. In SYS2 ist es außerdem eine Voraussetzung, dass die Nr-Emissionsintensität von Wiederkäuern niedriger ist von monogastrischen Nutztieren. Das SYS2-Szenario spiegelt eine Umstellung von 20,7 % der weltweiten Nutztierproduktion von Monogastrier- auf Wiederkäuervieh wider. Um die Vorteile dieses Szenarios voll auszuschöpfen, müsste die Tatsache berücksichtigt werden, dass dem Ackerland möglicherweise Nährstoffe aus recycelten Ernterückständen entzogen werden. Allerdings könnte das Defizit durch Wiederkäuermist ausgeglichen werden. Dieses Szenario würde mehr Ackerland freisetzen und mehr Menschen ernähren als das SYS-Szenario.

In diesem Szenario wurde die Produktion von Wiederkäuern und Monogastriervieh im Einklang mit dem BAU-Szenario gehalten. Alle Nr-Emissionen (Stickstoff aus NH3, NOx und NO3−) aus der Futtermittelproduktion und der Viehhaltung werden auf den globalen Durchschnitt reduziert, und die Länder, die bereits unter dem globalen Durchschnitt liegen, bleiben unverändert. Das FED-Szenario war darauf ausgelegt, erhebliche Emissionsreduzierungen zu bewirken und könnte durch gezielte Minderungsmaßnahmen auf Ackerland, Grünland und Viehzuchtsystemen erreicht werden (Ergänzungstabelle 2), es würden jedoch keine zusätzlichen Ackerflächen freigegeben.

Das ALL-Szenario ist eine Kombination aus dem SYS-Szenario und dem FED-Szenario, um sowohl ein optimales Nutztierproduktionsverhältnis als auch optimale Emissionswerte zu erreichen. In diesem Szenario sind eine Maximierung der Wiederkäuerproduktion (die Proteinproduktion von Wiederkäuern entspricht dem SYS-Szenario) und gezielte Minderungsmaßnahmen in allen Phasen erforderlich. Das ALL-Szenario könnte die Vorteile der Ernährungssicherheit, des Umweltschutzes und des Klimaschutzes maximieren. Dies ist das Szenario, das in dieser Studie vertreten wird.

Die Implementierungskosten im SYS-Szenario werden als gleich der Änderung der Proteinqualität aller Nutztiere Pj (wobei j für verschiedene Nutztiersysteme steht) multipliziert mit ihren Produktstückkosten (PPricej, in US-Dollar pro kg Protein) angesehen, wie in gezeigt Gleichung (10). Hier ist PPricej der regionale Tiererzeugerpreis und wird aus der FAOSTAT-Datenbank mit regionalen Erzeugerpreisen abgeleitet.

Für das FED-Szenario haben wir das Greenhouse Gas and Air Pollution Interactions and Synergies (GAINS)-Modell (https://gains.iiasa.ac.at/models/index.html) verwendet, um die Vermeidungskosten von Ackerland (CostFED–cropland) zu berechnen ,k), Grünland (CostFED–Grasland,k) und Vieh (CostFED–Viehstock,k) für jedes Land. Eine detaillierte Beschreibung des GAINS-Modells finden Sie in Klimont et al.46. Die Implementierungskosten im FED-Szenario werden in den Gleichungen (11)–(13) berechnet.

Dabei sind ∇EN–Ackerland,k und ∇EN–Grasland,k die Nr-Emissionsreduktion von Ackerland bzw. Grünland in Land k, Ccropland,k, Cgrassland,k und Clivestock,k sind die Einheitskosten der Vermeidung der am besten geeigneten Abhilfemaßnahmen (dargestellt in den Ergänzungstabellen 2 und 3) zur Reduzierung des Stickstoffverlusts auf Ackerland, Grünlandstickstoff und Nutztierstickstoff, jeweils angepasst an die spezifischen landwirtschaftlichen Praktiken von Land k; Cgrassland,k ist auf ein Fünftel von Ccropland,k festgelegt. ARk ist die berechnete Vermeidungsrate für Land k.

Für das ALL-Szenario wird davon ausgegangen, dass die Vermeidungskosten von Ackerland und Grünland denen im FED-Szenario entsprechen, und die Vermeidungskosten von Nutztieren sind die Summe der FED- und SYS-Szenarien.

Der gesellschaftliche Nutzen der Optimierung der weltweiten Wiederkäuerproduktion wird in dieser Studie als die Summe der vermiedenen Schadenskosten für die Gesundheit des Ökosystems (Ebenefit), die menschliche Gesundheit (Hbenefit) und die Eindämmung des Klimawandels (Cbenefit) definiert, wie in Gleichung (14) dargestellt.

Es wird davon ausgegangen, dass der Ebenefit der Nutzen der Nr-Minderung für das Ökosystem ist, der auch einer Reduzierung der vermiedenen Schadenskosten gleichkommt. Wir gehen davon aus, dass die Schadenskosten pro Einheit Nr. in Europa und den Vereinigten Staaten auch auf andere Länder anwendbar sind, nachdem Unterschiede in der regionalen Zahlungsbereitschaft (WTP) und der Kaufkraftparität (KKP) für die Ökosystemdienstleistungen berücksichtigt wurden, wie in Gleichung (15) dargestellt. .

wobei ∂EU die geschätzten Einheitskosten für Ökosystemschäden durch Nr-Emissionen sind, basierend auf der Literatur45,47; Der Wert von UEbenefit,Nr,k ist in der Ergänzungstabelle 4 zu finden.

Anschließend wird die Ebenefit gemäß Gleichung (16) summiert.

wobei $\examples E_{\mathrm{N}_2\mathrm{O}}$, $\examples E_{\mathrm{NH}_3}$ und $\examples E_{\mathrm{NO}_ {x}}$ sind die berechnete Reduktion von N2O, NH3 und NOx und ${\mathrm{UE}}_{\mathrm{Nutzen},\mathrm{N}_2\mathrm{O}}$, $\mathrm{UE}_{\mathrm{Nutzen},\mathrm{NH}_3}$ und $\mathrm{UE}_{{\mathrm{Nutzen}},{\mathrm{NO}}_x }$ stellen den Ökosystemnutzen pro Einheit durch die Reduzierung der N2O-, NH3- und NOx-Emissionen in US$ kgN−1 dar (die Werte sind in der Ergänzungstabelle 4 aufgeführt).

Der Nutzen für die menschliche Gesundheit (Hbenefit) bezieht sich auf den Nutzen der verhinderten Sterblichkeit, der sich aus der PM2,5-Minderung ergibt, die durch die Reduzierung von Tier-Nr. verursacht wird. Wir haben die landesspezifischen Einheitskosten für Gesundheitsschäden der Nr-Emission von Gu et al.48 abgeleitet, die die wirtschaftlichen Kosten der Sterblichkeit pro Einheit der Nr-Emission mit der Bevölkerungsdichte, dem BIP pro Kopf, der Urbanisierung und dem Stickstoffanteil verknüpften. Die Berechnung des gesundheitlichen Nutzens in dieser Studie ist in Gleichung (17) dargestellt.

Dabei ist ∇ENr die Nr-Emissionsreduktion in bestimmten Szenarien und Hcost,Nr der Einheitsgesundheitsnutzen der Nr-Reduktion in US$ kgN−1.

Die klimabezogenen Vorteile der Optimierung der Wiederkäuerproduktion (Cbenefit) werden als die Summe der THG-Minderungsvorteile und der Nr (NH3 und NOx)-Minderungswirkung auf das Klima betrachtet, wie in Gleichung (18) dargestellt.

Dabei ist ∇EGHG die Reduzierung der Treibhausgasemissionen in einem bestimmten Szenario in kgCO2e und der GWP100 für CH4 und N2O beträgt 27,9 bzw. 273 kgCO2e. UCbenefit,GHG stellt den monetären Klimavorteil aufgrund der Treibhausgasminderung dar, der als Kohlenstoffpreis angenommen wird und 40–80 tCO2−1 beträgt (Ref. 49). $C_{{\mathrm{benefit,NH}}_3}$ und $C_{{\mathrm{benefit,NO}}_x}$ stellen die monetäre Klimawirkung aufgrund veränderter NH3- und NOx-Emissionen dar basierend auf früheren Studien mit der kühlenden Wirkung von NH3 und NOx auf das globale Klima verbunden.

Wir haben zunächst die wiederhergestellte oder „gerettete“ Ackerlandfläche (Landsys und alle) unter den SYS- und ALL-Szenarien berechnet (im FED-Szenario wird kein Ackerland freigegeben). Als nächstes berechneten wir den Stickstoffertrag der Pflanzen pro Einheit Ackerland (YieldcropN), indem wir die gesamte Stickstoffproduktion der Pflanzen (ProductioncropN) durch die gesamte Ackerlandfläche (Croplandtotal, von FAOSTAT) dividierten, die mit Landsys und allen multipliziert wurde, um den Gesamtwert der eingesparten Ernte zu erhalten Stickstoffproduktion. Wir schätzen die zusätzliche Anzahl an Menschen, die unter der Annahme einer rein vegetarischen Ernährung durch zusätzliche Nahrungsmittelproduktion auf geretteten Ackerflächen (Populationsaved) ernährt werden könnten, indem wir die gesamte eingesparte Stickstoffproduktion der Pflanzen durch den Stickstoffernährungsbedarf pro Einheit (Proteinunit/6,25, wobei 6,25 ist) dividieren das Protein-zu-Stickstoff-Umwandlungsverhältnis und Proteinunit ist der Pro-Kopf-Proteinbedarf in kg Protein pro Kopf und Jahr, berechnet von FAOSTAT). Die Berechnung ist in den Gleichungen (19) und (20) dargestellt.

In dieser Studie haben wir die Unsicherheiten in Bezug auf Stickstoffverluste, Treibhausgasemissionen, Kosten und Nutzen für jedes Szenario in 166 Ländern anhand von 10.000 Monte-Carlo-Simulationen geschätzt. Für alle Ergebnisse wurden die 95 %-Konfidenzintervalle berechnet. Die Variationskoeffizienten (CVs, %) der Aktivitätsdaten und Parameter sind in den Ergänzungstabellen 5 und 6 aufgeführt, und die Unsicherheiten der endgültigen Simulationsergebnisse sind in den Ergänzungsdaten aufgeführt.

Weitere Informationen zum Forschungsdesign finden Sie in der mit diesem Artikel verlinkten Nature Portfolio Reporting Summary.

Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind im Artikel, einer separaten Quelldatendatei und den ergänzenden Informationsdateien verfügbar. Quelldaten werden mit diesem Dokument bereitgestellt.

In dieser Forschung wird kein Code verwendet. Die räumliche Analyse wird in ArcGIS v.10.2 ausgeführt.

Eine Korrektur zu diesem Artikel wurde veröffentlicht: https://doi.org/10.1038/s43016-023-00689-x

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Diese Studie wurde von der National Natural Science Foundation of China (42261144001 und 42061124001), dem National Key Research and Development Project of China (2022YFD1700700) und dem Pioneer and Leading Goose R&D Program of Zhejiang (2022C02008) unterstützt. Diese Arbeit ist ein Beitrag von Aktivität 1.4 zum Projekt „Towards the International Nitrogen Management System“ (INMS, http://www.inms.international/), das von der Global Environment Facility (GEF) über das Umweltprogramm der Vereinten Nationen (UNEP) finanziert wird ).

Hochschule für Umwelt- und Ressourcenwissenschaften, Zhejiang-Universität, Hangzhou, China

Luxi Cheng, Xiuming Zhang, Jianming Xu und Baojing Gu

Policy Simulation Laboratory, Zhejiang-Universität, Hangzhou, China

Luxi Cheng, Chenchen Ren & Baojing Gu

School of Agriculture and Food, The University of Melbourne, Melbourne, Victoria, Australien

Xiuming Zhang

Britisches Zentrum für Ökologie und Hydrologie, Penicuik, Großbritannien

Stefan Reis

Medizinische Fakultät der Universität Exeter, Knowledge Spa, Truro, Großbritannien

Stefan Reis

Die University of Edinburgh, School of Chemistry, Edinburgh, Großbritannien

Stefan Reis

Abteilung für Landmanagement, Zhejiang-Universität, Hangzhou, China

Chenchen Ren

Schlüssellabor der Provinz Zhejiang für landwirtschaftliche Ressourcen und Umwelt, Zhejiang-Universität, Hangzhou, China

Jianming Xu

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BG hat die Studie entworfen. LC führte die Forschung durch. XZ analysierte wirtschaftsbezogene Daten. LC hat die Verbreitungskarten erstellt. LC und BG haben das Papier geschrieben, SR, XZ und CR haben das Papier überarbeitet und alle anderen Autoren haben zur Diskussion des Papiers beigetragen.

Korrespondenz mit Baojing Gu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Food dankt Xuejun Liu und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Der N-Anteil der Trockenmassebestandteile in verschiedenen Nutztierfuttermitteln.

Die Basiskarte wurde ohne Genehmigung unter Verwendung von Daten aus der Database of Global Administrative Areas (GADM; https://gadm.org/) angewendet.

a, das Änderungsverhältnis der Nr-Emissionen in der Futtermittelproduktionsphase. b, das Änderungsverhältnis der Nr-Emissionen in der Viehzuchtphase. c, das Änderungsverhältnis der Treibhausgasemissionen in der Futtermittelproduktionsphase. d, das Änderungsverhältnis der Treibhausgasemissionen in der Viehzuchtphase. Die Basiskarte wurde ohne Genehmigung unter Verwendung von Daten aus der Database of Global Administrative Areas (GADM; https://gadm.org/) angewendet.

a und b sind Wiederkäuer- bzw. monogastrisches N-Protein im BAU-Szenario. c und d sind Wiederkäuer- bzw. monogastrisches N-Protein im SYS-Szenario. e und f sind das Anstiegsverhältnis des Wiederkäuerproteins im SYS- bzw. SYS2-Szenario. Die Basiskarte wurde ohne Genehmigung unter Verwendung von Daten aus der Database of Global Administrative Areas (GADM; https://gadm.org/) angewendet.

Die SYS- und ALL-Szenarien haben die gleiche Fläche an eingespartem Land, da es im FED-Szenario kein Potenzial für eingespartes Ackerland gab. Die Basiskarte wurde ohne Genehmigung unter Verwendung von Daten aus der Database of Global Administrative Areas (GADM; https://gadm.org/) angewendet.

a, Regionale Reduktionsraten der Stickstoffemissionen unter angenommenen unterschiedlichen Szenarien. b, Regionale THG-Emissionsreduktionsraten im angenommenen Szenario. Die Einteilung der Regionen basiert auf dem GLEAM-Modell.

a ist abgeleitet von der GLC-SHARE Beta-Release 1.0 Datenbank-2014(https://data.apps.fao.org/map/catalog/srv/eng/catalog.search#/metadata/ba4526fd-cdbf-4028-a1bd- 5a559c4bff38). Es zeigt den Grünlandanteil jedes Landes und dient als Grundlage für die Festlegung des DAR (b). Die Basiskarte wurde ohne Genehmigung unter Verwendung von Daten aus der Database of Global Administrative Areas (GADM; https://gadm.org/) angewendet.

Ergänzender Text, Diskussion, Abb. 1 und 2, Tabellen 1–6 und Referenzen.

Ergänzende Daten 1 und 2.

Statistische Quelldaten.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Cheng, L., Zhang, X., Reis, S. et al. Eine 12-prozentige Umstellung von der monogastrischen auf die Wiederkäuer-Tierhaltung kann die Emissionen reduzieren und die Pflanzenproduktion für 525 Millionen Menschen steigern. Nat Food 3, 1040–1051 (2022). https://doi.org/10.1038/s43016-022-00661-1

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Eingegangen: 01. Juni 2022

Angenommen: 04. November 2022

Veröffentlicht: 15. Dezember 2022

Ausgabedatum: Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s43016-022-00661-1

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