Un cambio del 12 % de la producción de ganado monogástrico a rumiante puede reducir las emisiones y aumentar la producción de cultivos para 525 millones de personas

Nature Food volumen 3, páginas 1040–1051 (2022)Citar este artículo

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Los rumiantes tienen una menor eficiencia en el uso de alimentos que el ganado monogástrico y producen mayores emisiones de nitrógeno reactivo y metano, pero pueden utilizar biomasa no comestible para los humanos a través de la alimentación y la paja como materia prima. Aquí realizamos un análisis contrafactual, reemplazando los rumiantes con ganado monogástrico para cuantificar los cambios en la pérdida de nitrógeno y las emisiones de gases de efecto invernadero a nivel mundial desde una perspectiva de ciclo de vida completo. Cambiar el 12 % de la producción ganadera mundial de ganado monogástrico a rumiante podría reducir las emisiones de nitrógeno en un 2 % y las emisiones de gases de efecto invernadero en un 5 % debido al cambio en el uso de la tierra y la menor demanda de áreas de cultivo para la alimentación de rumiantes. La producción de las tierras de cultivo liberadas podría alimentar hasta 525 millones de personas en todo el mundo. Más productos de rumiantes, además de una gestión optimizada, generarían beneficios generales valorados en 468 000 millones de USD mediante la reducción de los impactos adversos en la salud humana y de los ecosistemas, y la mitigación de los impactos climáticos.

El sector ganadero mundial emitió 65 TgN año−1 en 2010, lo que representa un tercio de las emisiones antropógenas totales de nitrógeno reactivo (Nr)1. Toda la cadena de producción ganadera generó aproximadamente el 15 % de las emisiones antropógenas de gases de efecto invernadero (GEI) globales, y los rumiantes y el ganado monogástrico contribuyeron con 5,7 y 1,4 PgCO2e de emisiones de GEI al año, respectivamente2. La producción de piensos para el ganado utiliza aproximadamente dos tercios de la superficie total mundial de tierras de cultivo3 y los aumentos en la demanda de proteínas derivadas del ganado podrían acelerar la competencia entre alimentos y piensos4.

La eficiencia en el uso de alimentos es menor en los rumiantes que en el ganado monogástrico1, lo que genera emisiones de Nr y GEI relativamente más altas por unidad de producción de proteína para los rumiantes. Reducir el consumo de productos de rumiantes puede ayudar a limitar los impactos ambientales de la producción de carne5, pero cumplir con los requisitos de proteína animal del ganado monogástrico, especialmente las aves de corral, conlleva compensaciones. El grano representa ~95 % del alimento en las granjas avícolas intensivas, y las aves consumen comparativamente más granos comestibles para humanos que los rumiantes6. En contraste, alrededor del 60 % del alimento para rumiantes es celulosa no comestible para humanos, por ejemplo, pasto, residuos de cultivos y hojas7. Por lo tanto, los rumiantes pueden contribuir a maximizar el uso de biomasa vegetal que de otro modo sería inutilizable, beneficiando la seguridad alimentaria y reduciendo el impacto ambiental de la agricultura8,9.

Argumentamos que maximizar el uso de celulosa como alimento para el ganado puede reducir la presión sobre la producción de alimentos para animales, que está asociada con altos costos ambientales y riesgos para la seguridad alimentaria. Aquí realizamos un análisis contrafactual, reemplazando los rumiantes con ganado monogástrico, para cuantificar los cambios en las emisiones de Nr y GEI en 166 países, desde una perspectiva de ciclo de vida completo. Luego calculamos los aspectos de eficiencia de producir cantidades equivalentes de proteína y las emisiones de Nr y GEI resultantes de los rumiantes y el ganado monogástrico en diferentes países, considerando las limitaciones locales. Con base en estos análisis globales, desarrollamos un escenario optimizado de producción de proteína de ganado al maximizar la proporción de rumiantes para reducir las emisiones de Nr y GEI, aumentando así la disponibilidad de tierras de cultivo para la producción de alimentos humanos a base de granos. La gestión de rumiantes para la producción de alimentos con bajas emisiones podría salvaguardar la seguridad alimentaria, reducir los impactos ambientales y mitigar el cambio climático.

Los rumiantes se alimentan principalmente de celulosa no comestible para humanos (Datos ampliados, Fig. 1), aunque tienen mayores necesidades de alimentación (14,8 kgNalimentación por kgNrumiante) que el ganado monogástrico (6,3 kgNalimentación por kgNmonogástrico). La producción de ganado monogástrico requiere alrededor de cuatro veces más tierras de cultivo que la producción de rumiantes para producir un equivalente por unidad de proteína (Fig. 1a,c y Datos ampliados, Figs. 2 y 3) (8,0 ha por t de proteína para el ganado monogástrico frente a 1,9 ha por t de proteína para el ganado monogástrico). rumiantes). Los rumiantes de todo el mundo produjeron aproximadamente 7 Tg de proteína-N en 2019. La producción del mismo nivel de proteínas únicamente por parte del ganado monogástrico daría como resultado un 15 % (7 Tg) más de pérdidas de nitrógeno al medio ambiente en toda la cadena de producción. Las emisiones de amoníaco (NH3) al aire y de nitrato (NO3-) a los cuerpos de agua aumentarían en un 13 % (3 Tg) y un 18 % (5 Tg), respectivamente, en este escenario, mientras que las emisiones de N2O y NOx disminuirían en un 14 %. % (−0.3 Tg) y 17% (−0.04 Tg), respectivamente (Fig. 2a, b). Los aumentos sustanciales están asociados con la producción de piensos de cereales para el ganado monogástrico, que requiere más superficie de cultivo y fertilizantes sintéticos.

a, Área de tierras de cultivo requerida para producir por unidad de proteína de rumiante. b, Proporción alimenticia del ganado rumiante; este valor representa el porcentaje de contenido de nitrógeno. El alimento para rumiantes comprende pasto (61%), residuos de cultivos (23%) y productos de cultivos (16%). c, Área de tierras de cultivo requerida para producir por unidad de proteína monogástrica. d, Proporción alimenticia del ganado monogástrico. 'Otros' representa aminoácidos sintéticos, harina de pescado y piedra caliza. El ganado monogástrico se alimenta principalmente de productos agrícolas (81 %), seguido de desperdicios (9 %) y otros piensos (9 %). El mapa base se aplicó sin respaldo utilizando datos de la Base de datos de áreas administrativas globales (GADM; https://gadm.org/).

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a, Flujos globales de nitrógeno en ganado monogástrico. 'Estiércol para otros' representa el estiércol aplicado a las tierras de cultivo para la nutrición humana o alimento vegetal para otros animales. b, Flujos globales de nitrógeno en el ganado rumiante. 'Estiércol para otros' comprende aquí dos partes: (1) estiércol depositado en otros pastizales (12 Tg); (2) estiércol aplicado a tierras de cultivo para nutrición humana o alimento para otros animales (37 Tg). c, Emisiones globales de carbono del ganado monogástrico (que comprende las emisiones de CO2 y CH4). d, Emisiones globales de carbono del ganado rumiante. El flujo verde oscuro representa insumos verdes, como el reciclaje de paja, el retorno del estiércol al campo, la fijación natural de nitrógeno y la utilización de desechos, etc. Todos los números están en Tg año−1.

El ganado monogástrico tiene una mayor eficiencia en el uso de nitrógeno (EUN) en la etapa de crianza (16%) en comparación con los rumiantes (7%). Sin embargo, la NUE de la producción de alimentos para el ganado monogástrico (33 %) es mucho más baja que la de los rumiantes (69 %), lo que lleva a que la NUE general de la cadena de producción ganadera sea bastante similar tanto para el ganado monogástrico como para los rumiantes, en torno al 6 %. globalmente. Además, en la etapa de cría de rumiantes, se produce más nitrógeno en el estiércol debido a la baja NUE, que podría usarse para la producción de raciones de cultivos para humanos. Más oportunidades de reciclaje y procesos de base natural estaban disponibles en la cadena de producción de rumiantes (Fig. 2), como el reciclaje de paja y estiércol y la fijación biológica natural de nitrógeno en los pastizales, lo que ilustra que los rumiantes pueden reciclar más nutrientes en la producción de alimentos, reduciendo las emisiones generales de Nr. .

Las emisiones serían aproximadamente 3 PgCO2e más altas si los rumiantes reemplazaran al ganado monogástrico a nivel mundial (Fig. 2c,d). Se modeló el aumento de las tierras de cultivo necesarias para la producción de piensos de cereales (270 Mha) para convertirlas en bosques, lo que generó un aumento de 5,4 PgCO2e en las emisiones del cambio de uso de la tierra, las operaciones de campo, el procesamiento y la fabricación de fertilizantes. Por el contrario, la reducción de emisiones de alrededor de 2,5 PgCO2e resultaría de la fermentación entérica de CH4 evitada y el manejo del estiércol.

Se calculó que la intensidad de las emisiones de Nr de los rumiantes (1,07 kgN por kg de proteína) era inferior a la del ganado monogástrico (1,24 kgN por kg de proteína) en toda la cadena de producción a nivel mundial. La producción de piensos representa el 81 % y el 78 % de las emisiones totales en el ganado monogástrico y los rumiantes, respectivamente (Fig. 3a). Reemplazar a los rumiantes con ganado monogástrico aumentaría las emisiones de Nr de la producción de alimentos en aproximadamente un tercio. Entre todo el ganado, los pollos de traspatio tuvieron la mayor intensidad de emisión de Nr debido a su menor índice de conversión alimenticia (1/4-1/2 que los pollos industriales)4, seguidos por los cerdos industriales. Por el contrario, los pequeños rumiantes no lácteos (ovejas y cabras) tuvieron la menor intensidad de emisión de Nr en el alimento, ya que su alimento generalmente contiene una gran proporción de residuos de cultivos (10–40 %) y solo una pequeña proporción de granos (0–7 %). 6. No hubo una diferencia notable en la intensidad de emisión de Nr de la ganadería entre los rumiantes (0,23 kgN por kg de proteína) y el ganado monogástrico (0,24 kgN por kg de proteína) a nivel mundial.

a, Intensidad de emisión de Nr (incluye NH3-N, NOx-N, NO3−-N) de todos los sistemas ganaderos. El verde (alimento de pasto) y el amarillo (alimento de cultivo) representan las emisiones de Nr de los alimentos, y el azul representa las emisiones de Nr de la cría de ganado. b, intensidad de las emisiones de GEI (incluidos CO2, CH4, N2O) de todos los sistemas ganaderos. Las barras rojas representan las emisiones de carbono de los alimentos causadas por los cambios en el uso de la tierra, las barras amarillas son las emisiones de carbono totales de otros procesos de producción de alimentos, como las operaciones de campo, el procesamiento y la mezcla, y las barras azules representan las emisiones de GEI de la cría de ganado. Las líneas rojas y negras representan la emisión unitaria promedio para rumiantes y ganado monogástrico, respectivamente. c, Cambios totales en las emisiones de Nr al reemplazar ganado monogástrico con rumiantes, incluidos NH3-N, NOx-N, NO3−-N de las cadenas de suministro del ganado. d, Proporción de emisiones modificadas de Nr calculada dividiendo el total de cadenas de suministro modificadas de a por las emisiones de Nr de los rumiantes. e, Total de emisiones de GEI modificadas (incluidos CO2, CH4, N2O) derivadas de la sustitución de rumiantes por ganado monogástrico. f, Proporción de las emisiones de GEI modificadas por la sustitución de rumiantes por ganado monogástrico, calculada dividiendo las emisiones de GEI modificadas totales de c por las emisiones de GEI de los rumiantes a partir de la producción de piensos y la cría de ganado. El mapa base se aplicó sin respaldo utilizando datos de la Base de datos de áreas administrativas globales (GADM; https://gadm.org/).

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La intensidad de las emisiones de GEI de los rumiantes (93 kgCO2e por kg de proteína) es mucho menor que la del ganado monogástrico (159 kgCO2e por kg de proteína), pero las variaciones tienden a ser sustanciales en las etapas de producción de alimentos y cría de ganado (Fig. 3b) . Se calculó que la intensidad de las emisiones de GEI de los piensos de los sistemas de ganado monogástrico era mucho mayor que la de los rumiantes debido a las emisiones sustanciales del cambio de uso de la tierra. La intensidad de las emisiones de GEI del alimento proveniente del procesamiento, transporte, mezcla, operación de campo y fabricación de fertilizantes también fue mayor para el ganado monogástrico (36 kgCO2e por kg de proteína) que para los rumiantes (26 kgCO2e por kg de proteína). La intensidad de las emisiones de CH4 de la producción láctea es menor que la de la producción de carne, debido a una mayor eficiencia en la producción de proteínas y una mayor proporción de contenido de dieta digerible. Por ejemplo, la intensidad de las emisiones de CH4 del ganado lechero (22 kgCO2e por kg de proteína) es mucho menor que la del ganado vacuno (173 kgCO2e por kg de proteína). Los pollos tuvieron la menor intensidad de emisión de GEI en la ganadería debido a la falta de fermentación entérica y las emisiones totales de CH4 del estiércol.

La intensidad de las emisiones de nitrógeno y GEI varía notablemente entre los rumiantes y el ganado monogástrico y entre países debido a las diferencias en tecnología, instalaciones en la ganadería, conocimiento y prácticas de los agricultores y condiciones climáticas (Datos extendidos Figs. 4 y 5). Además, existen diferencias considerables en la relación de cambio de las emisiones de nitrógeno y GEI cuando se reemplazan los rumiantes con ganado monogástrico (Datos ampliados, Fig. 6).

La mayoría de los países y regiones mostraron un aumento de las emisiones de Nr al reemplazar los rumiantes con ganado monogástrico, predominantemente en el este y sur de Asia, África, Oceanía y América del Norte debido a la NUE relativamente baja en la producción de materia prima de granos para el ganado monogástrico (Fig. 3c, d). India fue el país que mostró el mayor aumento en las emisiones de Nr, estimadas en 2,5 Tg (+44%). A escala continental, África tiene la tasa de aumento más grande (+66 %, 2,2 Tg), seguida por el sur de Asia (+50 %, 4,3 Tg). Sin embargo, en la mayoría de los países de América del Sur y Europa, las emisiones de Nr del ganado monogástrico fueron más bajas que las emisiones de los rumiantes, especialmente en Brasil, que mostró una reducción de alrededor de 2,7 TgN (−57 %) si se reemplazan los rumiantes por ganado monogástrico. Esto se debe a que la producción de piensos de cereales de Brasil tiene una NUE comparativamente alta (69 %) porque se basa en la producción de soja con bajas tasas de aplicación de fertilizantes nitrogenados sintéticos, lo que da como resultado una baja tasa general de emisión de Nr.

A excepción de la mayoría de los países de América del Sur y varios países de África, todos los países restantes mostraron un aumento de las emisiones de GEI si no se realizaba la producción de ganado rumiante debido a la demanda sustancial de piensos de cereales y la consiguiente conversión del uso de la tierra de bosques a tierras de cultivo (Fig. 3e,f ). India, Pakistán y China mostraron el aumento más sustancial en las emisiones de GEI con 524 Tg (+99 %), 289 Tg (+155 %) y 273 Tg (+102 %) CO2e, respectivamente. Oceanía (+206%, 329 Tg) tuvo la tasa de aumento más alta debido a las bajas emisiones de CH4 entérico de los rumiantes y las altas emisiones por cambios en el uso de la tierra. En cambio, en Sudamérica central y oriental, como Brasil, Argentina, Paraguay y Uruguay, las emisiones de GEI se redujeron en 255 Tg (−45 %), 66 Tg (−60 %), 16 Tg (−61 %) y 13 Tg (−45%) CO2e, respectivamente. El alto rendimiento de los cultivos redujo el área total de tierras de cultivo requerida para la alimentación del ganado monogástrico y la alta ingesta bruta de energía por parte de los rumiantes indujo una alta emisión de CH4 entérico en estos países.

Se diseñaron cuatro escenarios para mitigar las emisiones de Nr y GEI del ganado a través de la optimización de los sistemas de producción ganadera: un escenario BAU (negocios como siempre) y tres escenarios de mitigación (SYS, FED, ALL) (Fig. 4), con beneficios relacionados con el bienestar ambiental y la seguridad alimentaria. (Figura 5). El escenario SYS asumió la maximización de la producción de rumiantes teniendo en cuenta la capacidad de carga de los pastizales y el máximo alimento de paja disponible para los países donde las emisiones de Nr de los rumiantes son inferiores a las emisiones de Nr del ganado monogástrico (Métodos). El escenario SYS2 (una variante extrema del escenario SYS) tiene como objetivo maximizar la producción de rumiantes en función del potencial máximo actual de producción total de celulosa, asumiendo que la paja no se devuelve al campo y los rumiantes hacen un uso máximo de la paja. El escenario FED se estableció para optimizar la gestión de alimentos y estiércol en línea con una intensidad de emisión promedio global (disminuyendo el nivel más alto a la intensidad de emisión promedio global mientras se mantiene la intensidad de emisión más baja original). Finalmente, el escenario ALL integró los escenarios SYS y FED.

a, Emisiones totales de Nr de rumiantes y ganado monogástrico en varios escenarios. El escenario ALL representa una combinación del escenario SYS y FED y no está relacionado con SYS2. b, Emisiones totales de GEI de rumiantes y ganado monogástrico. c, Relación de reducción de las emisiones de Nr total (NH3-N, NOx-N y NO3−-N). d, tasa de reducción de emisiones de GEI (incluidos CO2, CH4, N2O) en el escenario SYS en comparación con BAU. Las áreas blancas no representan ningún cambio. e, relación de reducción de emisiones de Nr. f, relación de reducción de emisiones de GEI bajo el escenario FED en comparación con BAU. g, relación de reducción de emisiones de Nr. h, relación de reducción de emisiones de GEI bajo el escenario ALL en comparación con BAU. El mapa base se aplicó sin respaldo utilizando datos de la Base de datos de áreas administrativas globales (GADM; https://gadm.org/).

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Los beneficios de reducir las emisiones de Nr y GEI se superponen en esta figura. Los beneficios derivados de la reducción de emisiones de GEI se incluyen en el impacto climático.

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Bajo el escenario SYS, encontramos que aumentar la producción de rumiantes en un 24 % (Datos ampliados, Fig. 7) podría maximizar el uso de celulosa y reducir en 2,3 TgN (3 %) las pérdidas al medio ambiente (Fig. 4c), reduciendo la demanda de cereales forrajeros por 2,9 TgN (datos extendidos Fig. 8a) en comparación con el escenario BAU a nivel mundial. Como consecuencia, se podrían liberar 39 Mha de tierras de cultivo, con el potencial de alimentar hasta 525 millones de personas (Datos ampliados Fig. 8c,e) en todo el mundo o secuestrar 862 TgCO2e de emisiones a través de la reforestación. En total, se podrían reducir 495 TgCO2e de emisiones por año bajo el escenario SYS. Sorprendentemente, con SYS2 se produciría un 40 % más de rumiantes, se reducirían 4 emisiones de TgN y se liberarían 73 Mha de tierras de cultivo, lo que significa que se podría alimentar a 940 millones de personas más (Datos ampliados Fig. 8d,f). Sin embargo, se estima que la cantidad de secuestro de carbono resultante de la reforestación es mayor que la reducción total de GEI en el escenario SYS, es decir, existe una compensación entre la reducción de emisiones y el apoyo a más personas. Esto ocurre principalmente porque el aumento de la producción de rumiantes generaría grandes cantidades de emisión de CH4 y, por lo tanto, también es esencial la implementación simultánea de medidas específicas de reducción.

Se prevé que las emisiones de Nr de la producción de piensos y la cría de ganado se reduzcan en 20 Tg y 3 Tg en el escenario FED, respectivamente (Fig. 4e), como consecuencia de la reducción de las emisiones del ganado al nivel medio global. Se reducirían alrededor de 10,5 TgN emitidas por la aplicación de fertilizantes y 9,8 TgN por el estiércol reciclado, y las emisiones de GEI podrían reducirse en 709 Tg mediante una mejor gestión de los alimentos y en 936 Tg mediante la cría de ganado. Esto indica que la gestión de piensos y estiércol todavía tiene un potencial sustancial para la optimización a nivel mundial, especialmente en países con niveles actuales de emisiones de Nr y GEI por encima de los niveles promedio globales. Oceanía muestra la mayor reducción de emisiones de Nr (47 %) debido a la optimización de la producción de piensos. La mayor disminución en las emisiones de GEI (40 %) se encuentra en el África subsahariana debido a la reducción de las emisiones de CH4 derivadas de la fermentación entérica (Datos ampliados, Fig. 9).

El escenario ALL se diseñó para combinar elementos de optimización del sistema y mejora de la alimentación, proporcionando información sobre el potencial de respuesta a las presiones emergentes de seguridad alimentaria, por ejemplo, como resultado de la pandemia de COVID-19. Este escenario podría maximizar el uso de celulosa y salvar tierras de cultivo para la producción de granos para el consumo humano directo, mientras que también podría reducir las emisiones de Nr y GEI mediante la mejora de las estrategias de alimentación y la gestión del estiércol. A través de la integración de los escenarios SYS y FED, los beneficios de ambos escenarios podrían amplificarse y contribuir así a una gestión cada vez más eficiente de la producción ganadera a nivel mundial. El escenario ALL tiene un potencial de mitigación de 25 TgN y da como resultado una reducción de las emisiones de Nr del 87 % en la producción de alimentos, logrando beneficios para la seguridad alimentaria y la protección del medio ambiente al mismo tiempo. Además, las emisiones globales de GEI se reducirían en 2,2 PgCO2e al año si se reforestaran todas las tierras de cultivo salvadas. Aproximadamente 1,3 PgCO2e de emisiones de GEI se reducirían si las tierras de cultivo no se devolvieran al uso de suelo forestal. Sin embargo, varios países pueden experimentar un aumento de las emisiones de GEI sin la reforestación y puede ocurrir una compensación entre la reducción de emisiones y alimentar a más personas (Figura complementaria 1). Alternativamente, las tierras de cultivo ahorradas en estos países podrían reforestarse en parte y utilizarse en parte para cultivar alimentos para lograr una situación beneficiosa para todos en la reducción de emisiones y la seguridad alimentaria.

Se llevó a cabo un análisis de costo-beneficio para evaluar la viabilidad de la implementación de escenarios. La reducción de las emisiones de Nr y GEI tiene el potencial de beneficiar la salud humana a través de una menor exposición a la contaminación del aire, como las partículas finas (PM2.5), así como mejorar la salud del ecosistema, al tiempo que mitiga el cambio climático. Sin embargo, es importante considerar los impactos socioeconómicos, por ejemplo, ejemplificados a través de los costos de implementación.

Los rumiantes tienen altos costos de producción debido al largo período de alimentación y los continuos insumos de alimentación requeridos, lo que resulta en una baja relación costo-beneficio en el escenario SYS (2.4) (Fig. 5). Sin embargo, las tierras de cultivo salvadas en este escenario podrían contribuir a alimentar a 525 millones de humanos más y, por lo tanto, ayudar a lograr el objetivo mundial de hambre cero. Al mismo tiempo, las emisiones de GEI de los rumiantes podrían reducirse mediante la optimización de la producción de piensos y la gestión del estiércol, como ilustra el escenario FED. En general, los costos más bajos podrían generar enormes beneficios ambientales (US$ 443 000 millones) a partir de una aplicación optimizada de fertilizantes sintéticos y estiércol de tierras de cultivo y pastizales (US$ 6 000 millones) y mejoras en la ganadería y la gestión del estiércol (US$ 5 000 millones). La combinación de los escenarios SYS y FED podría lograr los mayores beneficios ambientales (US$ 468 mil millones) y beneficios de seguridad alimentaria como se documenta en el escenario ALL, con una relación costo-beneficio de 13,5, principalmente a través de la optimización de las proporciones relativas de los tipos de ganado. en todo el sistema y mejorando la eficiencia de la producción.

Teniendo en cuenta una perspectiva de ciclo de vida completo y la producción de alimentos, encontramos que los rumiantes tienen emisiones de Nr y GEI comparativamente más bajas que el ganado monogástrico. Enfatizar las altas emisiones de Nr y GEI de los rumiantes durante la etapa de crianza sin un análisis completo del ciclo de vida ha confundido las recomendaciones de políticas sobre el desarrollo óptimo del ganado. El cambio de uso de la tierra y el uso de fertilizantes nitrogenados sintéticos para la producción de piensos de cereales para el ganado monogástrico dan como resultado emisiones relativas más altas de Nr y GEI. Los rumiantes pueden convertir la celulosa no comestible para los humanos en proteína de alta calidad, ahorrando así energía y nutrientes necesarios para la producción de alimentos4,10, con beneficios para la seguridad alimentaria humana, el medio ambiente y el clima8. Por lo tanto, cambiar el equilibrio en la producción ganadera de rumiantes a monogástricos requiere más alimento de granos con implicaciones sustanciales en el cambio de uso de la tierra y la conversión de bosques a tierras de cultivo. Esto conduciría a exacerbar la pérdida de biodiversidad y amenazar los valiosos sumideros de carbono, lo que tendría claros impactos negativos en una estrategia global para lograr el carbono neto cero. Además, los rumiantes depositarían la mayor parte del estiércol en los pastizales, que se utilizan directamente como nutriente para la producción de forraje6. Por lo tanto, a pesar de la baja NUE de la producción de carne, los rumiantes en conjunto solo contribuyen en pequeña medida a la contaminación por Nr del medio ambiente, ya que el estiércol se recicla en los pastizales. Sin embargo, los corrales de engorde todavía tienen un potencial de reducción sustancial con respecto a la contaminación por Nr de los rumiantes.

Determinamos la capacidad de carga de los pastizales utilizando datos de participación de la cobertura de los pastizales para ajustar la utilización razonable de los pastizales debido a la falta de datos específicos del país sobre la degradación de los pastizales (Métodos). El cálculo de los costos de implementación bajo el escenario SYS debe utilizar los costos de producción de todo el ganado en cada país, pero usamos datos de precios al productor derivados de FAOSTAT, que pueden ser ligeramente más altos que los costos de implementación reales. Además, el aumento del 12 % en la producción de rumiantes en el escenario SYS puede potencialmente reducir y aumentar el precio de producción de rumiantes y monogástricos, respectivamente, pero esto está más allá del alcance de este estudio y, por lo tanto, no se considera aquí debido a la complejidad de la economía. principios involucrados. Idealmente, el cálculo del potencial para alimentar a más personas se habría basado en la demanda de proteínas per cápita, pero faltan datos detallados para todos los países, por lo que utilizamos datos de suministro de proteínas per cápita bien documentados en 2019 proporcionados por FAOSTAT. Además, se cuantificó en detalle el costo de reducir las emisiones de Nr, mientras que la implementación de medidas de reducción de Nr (NH3, NOx, NO3− y N2O) tendrá co-beneficios debido a las reducciones de emisiones de carbono asociadas (CH4 y CO2). Sin embargo, estos co-beneficios son complejos de evaluar a escala global y están fuera del alcance de este estudio.

El aumento en la producción de ganado rumiante podría ir acompañado de un cambio en los tipos de cultivos primarios para aumentar la eficiencia general. La producción de soja tiene un rendimiento comparativamente bajo y genera solo una pequeña cantidad de paja en comparación con la producción de maíz, aunque la soja tiene una NUE más alta que el maíz11. Por lo tanto, cambiar el ensilaje de soja por maíz integral puede beneficiar la producción de rumiantes al tiempo que aumenta el rendimiento y reduce la contaminación. Sin embargo, aún se necesitan más estudios cuantitativos para evaluar los impactos de tal cambio a nivel de la puerta de la finca. Además, para optimizar las proporciones de rumiantes y ganado monogástrico a escala local para maximizar el uso de granos y paja, es importante integrar espacialmente las tierras de cultivo con animales tanto para el uso de piensos como para el reciclaje de estiércol.

Sin un cambio fundamental en los métodos de producción existentes, se podría criar alrededor de un 24 % más de rumiantes utilizando los niveles actuales de producción de pasto y paja. Sin embargo, mejorar las prácticas de producción en los sistemas de tierras de cultivo, pastizales y ganadería es un paso esencial, siempre que se mejore la eficiencia de la producción durante la etapa de crianza. En comparación con el escenario SYS, la optimización de piensos y estiércol en el escenario FED tiene un mayor potencial para reducir las emisiones de Nr y GEI durante la producción de alimentos para animales. Las medidas específicas de reducción de emisiones para tierras de cultivo y pastizales incluyen la mejora de las técnicas de aplicación de fertilizantes nitrogenados12,13 y el barbecho14. Las opciones de reducción de emisiones para la cría de ganado se centran en la dieta del ganado15 y la gestión del estiércol16. En comparación con la optimización del sistema, la mejora de las prácticas de alimentación tiene costos más bajos y beneficios ambientales comparativamente mayores. Es un enfoque fácil de implementar para reducir las emisiones rápidamente y lograr los objetivos de mitigación.

El largo ciclo de reproducción indujo un alto costo de producción para los rumiantes, lo que llevó a un alto precio de la carne roja y un bajo nivel de consumo a nivel doméstico. Por lo tanto, es importante reducir el costo de producción para que sea factible aumentar la proporción de rumiantes a nivel mundial. Los gobiernos deben guiar adecuadamente la cría de ganado vacuno y ovino: (1) aumentar los subsidios a la cría de ganado vacuno y ovino, como los subsidios de riesgo, y los subsidios para las empresas de cría relacionadas para reducir los costos de cría17; (2) prestar atención al cultivo de nuevas variedades de animales para mejorar la eficiencia en el uso de alimentos y reducir la producción de estiércol; y (3) guiar el acoplamiento de la siembra de cultivos y la cría de animales, especialmente en regiones dominadas por la agricultura a pequeña escala, para reducir los costos de transporte de alimentos y estiércol18.

El consumo de carne humana es el motor fundamental de la producción ganadera19. Hemos demostrado que reducir la producción de rumiantes mientras se aumenta la producción de ganado monogástrico en la etapa actual tendría efectos adversos en la seguridad alimentaria y la salud ambiental, mientras que la celulosa no comestible para humanos no se usaría para la producción de alimentos a través de la conversión a través de rumiantes. Sin embargo, el consumo excesivo de carne roja está asociado con varias enfermedades crónicas, obesidad y muerte prematura20. A pesar de que esta asociación carece de pruebas sólidas21, no abogamos simplemente por comer más carne, como ternera y cordero, sino que proporcionamos pruebas de apoyo para lograr una dieta sana y equilibrada, cambiando hacia la proteína de rumiantes en la estructura actual de la demanda de proteínas de la carne y sin exceder el límite superior de recomendación para el consumo de carnes rojas. Equilibrar la estructura dietética y reubicar una mayor producción de productos de rumiantes en países donde sea necesario, especialmente en países africanos, podría ayudar a alcanzar los Objetivos de Desarrollo Sostenible en su conjunto (como hambre cero, buena salud y bienestar). Abogamos por una evaluación integrada a lo largo de todo el ciclo de vida y todos los determinantes humanos y ambientales al desarrollar recomendaciones para la eficiencia de toda la cadena de producción y la cantidad de celulosa que usaríamos para los rumiantes. El desarrollo de políticas relacionadas debe tener en cuenta una estructura dietética más equilibrada, que incluya productos de ganado tanto rumiantes como monogástricos, con base en una evaluación de costo-beneficio de todo el sistema.

Aunque reemplazar a los rumiantes con ganado monogástrico liberaría pastizales, los pastizales naturales y seminaturales (que ocupan la mayor parte del área total de pastizales) no pueden convertirse en tierras de cultivo o bosques en todas partes debido a factores climáticos22, de fertilidad del suelo y topográficos23. Los pastizales son sumideros de carbono más estables que los bosques debido a su resistencia inherente a la sequía y los incendios forestales24. Los cambios en el albedo causados por la forestación pueden superar los beneficios de la captura de carbono, lo que resulta en un efecto de calentamiento neto25. Además, los pastizales sanos pueden almacenar una cantidad de carbono orgánico comparable a la de los bosques, principalmente debido a sus ricos sumideros subterráneos de carbono24. Los pastizales también son más propicios que los bosques para aliviar la erosión del suelo y aumentar la conservación del agua en ecosistemas semiáridos26, y formar hábitats para una variedad de especies de vida silvestre27. Solo una pequeña porción de pastizales artificiales puede ser adecuada para la conversión, pero la falta de información detallada disponible sobre el área de pastizales artificiales convertibles, los posibles cambios en la productividad después de la recuperación en tierras de cultivo y el grado de secuestro de carbono después de la forestación dificultan la proyección precisa. los beneficios potenciales de la conversión de pastizales. La conversión de pastizales artificiales en tierras de cultivo liberaría una gran cantidad de emisiones de GEI28,29 y la forestación de pastizales es compleja y, por lo tanto, no está claro si la captura de carbono disminuiría30,31 o aumentaría32. Por lo tanto, este estudio solo puede subestimar ligeramente los beneficios potenciales para la seguridad alimentaria y el clima del ganado monogástrico. Además, el objetivo principal de este estudio no es eliminar a todos los rumiantes, sino brindar un caso extremo para demostrar la importancia de los rumiantes en el contexto de la máxima utilización de los recursos de celulosa. Nuestro objetivo es brindar orientación a los formuladores de políticas, no criticar o incluso eliminar a los rumiantes, y resaltar que los rumiantes pueden utilizar celulosa no comestible para los humanos, liberando grandes áreas de tierras de cultivo para convertirlas en bosques o para la producción de alimentos para humanos.

FAOSTAT (Productos agrícolas y ganaderos, https://www.fao.org/faostat/en/#data/QCL) proporciona cifras (Animales productores/Fabricados), producción (Cantidad de producción) y rendimiento en peso sacrificado (Rendimiento) de cada ganado3 . Utilizamos el contenido de proteínas de los productos pecuarios del Modelo de evaluación del medio ambiente ganadero mundial (GLEAM)6. La demanda de proteína humana para todos los productos fue de FAOSTAT (Food Balances)3. La información de proporciones para sistemas ganaderos específicos, como los sistemas de producción porcina que contienen sistemas de traspatio, intermedios e industriales, se obtuvo de GLW (Gridded Livestock of the World, https://dataverse.harvard.edu/dataverse/glw/).

El rendimiento y la cantidad de producción de los cultivos forrajeros se derivaron de los datos de FAOSTAT3. Para el rendimiento de pasto, adquirimos los datos de la literatura33. El contenido de nitrógeno de cada cultivo y pasto fue de GLEAM6. Estimamos el consumo de fertilizantes sintéticos de cada cultivo y pasto de FAO3 (https://www.fao.org/faostat/en/#data/RFB), IFA34 y la literatura35. Las tasas de deposición de nitrógeno en tierras de cultivo y pastizales se derivaron de la literatura36,37,38. Las tasas de nitrógeno de riego se obtuvieron de Lesschen et al.39 y los datos de uso de agua de riego fueron de AQUASTAT (https://www.fao.org/aquastat/en/). Para la fijación biológica natural a partir de la fijación biológica de nitrógeno en pastos y cultivos, utilizamos datos de Lassaletta et al.35 y Zhang et al.37. Los datos mundiales sobre la cobertura del suelo y el uso del suelo se obtuvieron de la base de datos GLC-SHARE (https://data.apps.fao.org/catalog/dataset/global-land-cover-share-database) y de los datos de FAOSTAT3.

Comparamos los impactos ambientales entre los rumiantes y el ganado monogástrico estimando y comparando las emisiones de Nr y GEI de los rumiantes actuales y el ganado monogástrico reemplazado por los rumiantes de acuerdo con el estándar de igualdad de proteínas. Usando este enfoque, podemos analizar los enormes riesgos de cambio de uso de la tierra para el cultivo de cultivos forrajeros y evaluar la contribución de los rumiantes y el ganado monogástrico a los humanos desde una nueva perspectiva. La asignación de cerdos y pollos entre el ganado monogástrico se basa en los requisitos de proteína humana de cerdos, pollos y huevos (de FAOSTAT, cantidad de suministro de proteínas)3.

Para estimar las emisiones de Nr de cada cadena de suministro de ganado, utilizamos principalmente GLEAM. Una descripción detallada del modelo GLEAM se puede encontrar en la literatura6. Para la producción de alimento, primero estimamos la materia seca del alimento por índice de conversión de alimento (FCR)4 y el contenido de nitrógeno del cultivo para calcular el nitrógeno del alimento para pasto (Ngrass feed), cultivo (Ncrop feed) y residuos de cultivo (Ncrop residuo feed), respectivamente, siguiendo el porcentaje de la ración de alimento del modelo GLEAM6, y luego se calcularon las emisiones de Nr de las tierras de cultivo y los pastizales.

Calculamos las emisiones de Nr de las tierras de cultivo a partir de fertilizantes sintéticos, estiércol reciclado y residuos de cultivos descompuestos. En primer lugar, utilizamos el modelo CHANS40 para calcular todas las NUE (NEUcrop, sin diferenciar entre cultivos forrajeros y raciones) de todas las tierras de cultivo en todos los países del mundo (ecuación (1)). Luego, usamos NUEcrop para calcular la entrada de nitrógeno de los alimentos para cultivos, especialmente la entrada de nitrógeno de fertilizantes y estiércol que se usaron para estimar la pérdida de nitrógeno. Calculamos la cantidad de nitrógeno de los residuos de cultivos descompuestos devueltos al campo siguiendo las ecuaciones del modelo GLEAM, y usamos su fracción eliminada de residuos sobre el suelo de las tierras de cultivo para estimar la cantidad de alimentación de residuos de cultivos (Nalimentación de residuos de cultivos). El nitrógeno del estiércol reciclado disponible en las tierras de cultivo de cada sistema ganadero se estimó siguiendo a Uwizeye et al.1. Finalmente, las emisiones de Nr de los fertilizantes sintéticos, el estiércol y los residuos de cultivos se calcularon siguiendo las ecuaciones del modelo GLEAM.

donde las entradas de nitrógeno de las tierras de cultivo consisten en la fijación biológica de nitrógeno de los cultivos (NCBNF), el nitrógeno de los fertilizantes (Nfertilizer), el nitrógeno del estiércol (Nestiércol), el nitrógeno de riego (Nirrigation) y el nitrógeno de deposición (Ndeposición), y las salidas de nitrógeno de las tierras de cultivo son productos de cultivos ( Nproductos de cultivo).

Calculamos las emisiones de Nr de los pastizales a partir de fertilizantes sintéticos y estiércol depositados en los pastos. El estiércol depositado en los pastos de todo el ganado se calculó con base en Uwizeye et al.1. La pérdida de nitrógeno de los pastos se calculó en el modelo GLEAM.

Las emisiones de Nr de los sistemas de gestión del estiércol se estimaron como emisiones de la ganadería6. Calculamos la excreción de nitrógeno siguiendo los métodos del IPCC41,42 y el nitrógeno amoniacal total (TAN) de Uwizeye et al.1, y usamos la fracción del sistema de gestión del estiércol (MSS) y EF (factor de emisión) para calcular las emisiones de Nr en la etapa de cría de ganado. .

Las entradas de nitrógeno de las tierras de cultivo consisten en la fijación biológica de nitrógeno de cultivos (NCBNF), nitrógeno fertilizante (Nfertilizer), nitrógeno de estiércol (Nestiércol), nitrógeno de riego (Nrrigation) y nitrógeno de deposición (Ndeposición), y las salidas de nitrógeno de las tierras de cultivo son cultivos (Ncrop feed) y residuos de cosechas (Nresiduos de cosechas para piensos) como piensos, otros residuos de cosechas (Otros residuos de cosechas, no como piensos para este sistema ganadero, como piensos para otro ganado o para otros usos) y emisiones de Nr (Nemisiones, incluidas NH3-N, NOx- N, NO3−-N, N2O-N). NUE en un sistema de tierras de cultivo (NUEcropland) se calcula como la ecuación (2). Las entradas de nitrógeno de los pastizales contienen fijación biológica natural de nitrógeno (NNBNF), nitrógeno fertilizante (Nfertilizer), nitrógeno de estiércol depositado (Nestiércol) y nitrógeno de deposición (Ndeposición), y las salidas de nitrógeno de los pastizales son alimento para pasto (Ngrass feed) y emisión de Nr (Nemission). ). NUE en un sistema de pastizales (NUEgrassland) se toma de la ecuación (3).

Cultivos (Nalimentos de cultivos), residuos de cultivos (incluidos Nalimentos de residuos de cultivos y Otros piensos de residuos de cultivos de la producción de raciones humanas o piensos de cultivos para otro ganado), piensos de hierba (Npiensos de hierba), desperdicios (Nswill) y otros piensos (Otros piensos, incluidos los aminoácidos sintéticos y la harina de pescado) son las entradas de nitrógeno, y la salida de nitrógeno contenía productos pecuarios (Nproductos pecuarios, incluida la carne, los huevos y la leche), la emisión de Nr y el reciclaje de nitrógeno del estiércol en tierras de cultivo y pastizales. La NUE en el sistema ganadero (NUElivestock) se obtiene con base en la ecuación (4).

Definimos la cadena completa de NUE con base en la cadena total de suministro de ganado, incluidas las etapas de producción de alimentos y cría de ganado (ecuación (5)). NBNF contiene NCBNF de tierras de cultivo y NNBNF de pastizales. Otro estiércol es el reciclaje de nitrógeno del estiércol a las tierras de cultivo de otro ganado, por ejemplo, el ganado monogástrico que requiere más alimento para cultivos no podría producir suficiente estiércol propio y necesitaría el nitrógeno del estiércol de otro ganado.

Las principales emisiones de GEI de los sistemas ganaderos en el modelo GLEAM son: (1) emisiones de CH4 de la fermentación entérica en rumiantes y cerdos; (2) emisiones de CH4 derivadas de la gestión del estiércol; (3) las emisiones de N2O liberadas por la gestión del estiércol, realizadas en el cálculo de las emisiones de Nr; (4) emisiones de CH4 de la producción de arroz; (5) emisiones de CO2 de la fabricación de fertilizantes; (6) emisiones de CO2 de las operaciones de campo; (7) emisiones de CO2 de la mezcla, el procesamiento y el transporte de piensos; (8) Emisiones de CO2 por cambio de uso del suelo. Los elementos (1) a (7) se calcularon mediante los siguientes métodos descritos en la Tabla complementaria 1 y el elemento (8) se calculó siguiendo las ecuaciones (6) y (7).

Calculamos el área de tierras de cultivo por ganado monogástrico más que rumiantes y tomamos el área de tierras de cultivo como el cambio relativo del uso de la tierra con ganado monogástrico, como se muestra en las ecuaciones (6) y (7).

donde Landc es el área de tierra del alimento c, DMYGc es el rendimiento de materia seca del alimento c, en kg ha−1, y se calcula en función del rendimiento del cultivo de acuerdo con el método GLEAM, FUEc es la eficiencia del uso del alimento c y MFAc y EFAc son la fracción de masa y la fracción económica, respectivamente, y se derivan de GLEAM.

donde Croplandruminant y Croplandmonogastric son las áreas de tierras de cultivo requeridas para la alimentación de rumiantes y monogástricos, respectivamente, y LUC es el valor del cambio de uso de la tierra43, que representa las emisiones anuales de GEI liberadas del bosque a las tierras de cultivo, en tCO2 ha−1 año−1. El valor LUC tiene en cuenta los efectos a largo plazo y fue descontado a un valor promedio para cada año43. Hubo una gran incertidumbre en el cálculo de los cambios en las emisiones de GEI de la conversión de bosques a tierras de cultivo y reforestación (Análisis de incertidumbre).

El escenario de referencia se ha establecido como BAU, suponiendo que la cantidad total de proteína de rumiantes y monogástricos producida en 2019 se mantenga en un nivel constante. Se diseñaron tres escenarios optimizados para evaluar el impacto en la mitigación de las emisiones de nitrógeno y GEI del ganado, incluidos los escenarios SYS, FED y ALL.

El escenario BAU asume que la cantidad de proteína producida por los rumiantes y el ganado monogástrico es de 7,06 y 6,64 TgN-proteína en 2019, respectivamente. Actualmente, hay áreas de pastizales parcialmente infrautilizadas (Fig. 2 complementaria) y recursos de residuos de cultivos no utilizados sostenibles.

En este escenario, modelamos el efecto de maximizar la producción de rumiantes y reducir la producción de monogástricos en consecuencia, manteniendo constante la producción total de proteína ganadera (13,7 TgN-proteína, calculada a partir de FAOSTAT) en 2019. El escenario SYS representa un cambio del 12,3 % de la producción ganadera mundial desde monogástricos hasta rumiantes. Las restricciones de recursos para maximizar la producción de proteína de rumiantes son la producción máxima actual de celulosa total considerando la capacidad de carga de la hierba y la cantidad total de residuos de cultivos. En cuanto al valor máximo disponible de nitrógeno de la hierba, tenemos en cuenta las condiciones de degradación (tasa de ajuste de la degradación de la hierba (DAR))44 de las praderas de pastoreo para ajustar la eficiencia de utilización (UE)6 de las praderas. Para DAR, establecemos una degradación leve en un 80 %, una degradación levemente leve en un 65 %, una degradación moderada en un 50 % y una degradación severa en un 30 % (Datos ampliados, Fig. 10). La proporción promedio de cobertura de pastizales del país se calculó a partir de la base de datos GLC-Share45 para reflejar el alcance de la degradación de los pastizales, y utilizando 3/4 de valor, 1/2 valor y 1/4 de valor en cuadratura en cuatro intervalos, los factores de ajuste se establecieron en 80 %, 65%, 50% y 30%, respectivamente. Además, la degradación de los pastizales no se considera para los pastizales sin pastoreo. El valor máximo disponible de nitrógeno del pasto (Nmaxgrass) se calcula como se muestra en la ecuación (8).

donde ProductiongrassN es la producción total de nitrógeno del pasto y Rgrazing es la tasa de pastoreo de los rumiantes.

El nitrógeno máximo de residuos de cultivos extraído de las tierras de cultivo se calculó a partir del nitrógeno de los cultivos (ProduccióncropN), la relación entre residuos de cultivos y cultivos (Rresiduos-cultivos)6 y la proporción de residuos de cultivos eliminados (Rremovidos)6, como se muestra en la ecuación (9).

La producción máxima de nitrógeno celulósico se obtuvo de la suma de los residuos Nmaxgrass y Nmaxcrop, dividiendo por la cantidad actual de celulosa utilizada por los rumiantes y obteniendo el máximo multiplicador de producción rumiante disponible. Mientras tanto, en el contexto de que la intensidad de emisión de Nr de los rumiantes es menor que la del ganado monogástrico, podemos obtener la proporción de rumiantes que maximiza la utilización de celulosa.

Este escenario es una variante extrema del escenario SYS; supone que los residuos de cultivos no se devuelven a las tierras de cultivo y que todos los residuos de cultivos eliminados se utilizan para producir alimentos para rumiantes, es decir, Rremoved = 1. En SYS2, también es un requisito previo que la intensidad de emisión de Nr de los rumiantes sea menor que la de ganado monogástrico. El escenario SYS2 refleja un cambio del 20,7 % de la producción ganadera mundial de ganado monogástrico a rumiante. Para darse cuenta plenamente de los beneficios de este escenario, sería necesario tener en cuenta el hecho de que las tierras de cultivo pueden verse privadas de nutrientes de los residuos de cultivos reciclados; sin embargo, el déficit podría ser suplido con el estiércol de rumiantes. Este escenario liberaría más tierras de cultivo y alimentaría a más personas que el escenario SYS.

En este escenario, la producción de rumiantes y monogástricos se mantuvo consistente con el escenario BAU. Todas las emisiones de Nr (nitrógeno de NH3, NOx y NO3−) de la producción de piensos y la cría de ganado se reducen al promedio mundial, y aquellos países que ya están por debajo del promedio mundial permanecen sin cambios. El escenario FED fue diseñado para producir reducciones sustanciales de emisiones y podría lograrse a través de medidas de reducción específicas en tierras de cultivo, pastizales y sistema ganadero (Tabla complementaria 2), pero no se liberarían tierras de cultivo adicionales.

El escenario ALL es una combinación del escenario SYS y el escenario FED para lograr un índice de producción ganadera y niveles de emisión óptimos. En este escenario, se necesita maximizar la producción de rumiantes (la producción de proteína de rumiantes es consistente con el escenario SYS) y medidas de reducción específicas en todas las etapas. El escenario TODO podría maximizar los beneficios de la seguridad alimentaria, la protección ambiental y la mitigación climática. Este es el escenario defendido en este estudio.

Se considera que el costo de implementación bajo el escenario SYS es igual al cambio en la calidad de la proteína de todo el ganado Pj (donde j representa diferentes sistemas ganaderos) multiplicado por el costo unitario del producto (PPpricej, en US$ por kg de proteína), como se muestra en ecuación (10). Aquí PPicej es el precio regional al productor animal y se deriva de la base de datos de FAOSTAT con precios regionales al productor.

Para el escenario FED, utilizamos el modelo de Interacciones y Sinergias de Gases de Efecto Invernadero y Contaminación Atmosférica (GAINS) (https://gains.iiasa.ac.at/models/index.html) para calcular los costos de reducción de las tierras de cultivo (CostFED–cropland ,k), pastizales (CostFED–pastizales,k) y ganado (CostFED–ganado,k) para cada país. Se puede encontrar una descripción detallada del modelo GAINS en Klimont et al.46 El costo de implementación bajo el escenario FED se calcula en las ecuaciones (11)–(13).

Donde ∇EN–tierras de cultivo,k y ∇EN–pastizales,k son la reducción de emisiones de Nr de las tierras de cultivo y los pastizales en el país k, respectivamente, Ctierras de cultivo,k, Cpastizales,k y Clivestock,k son el costo unitario de reducción de las mitigaciones más apropiadas (que se muestra en las Tablas complementarias 2 y 3) para reducir la pérdida de nitrógeno de las tierras de cultivo, nitrógeno de los pastizales y nitrógeno del ganado modificado para las prácticas agrícolas específicas del país k, respectivamente; Cprassland,k se establece en una quinta parte de Ccropland,k. ARk es la tasa de reducción calculada para el país k.

Para el escenario ALL, se supone que los costos de reducción de las tierras de cultivo y los pastizales son iguales a los del escenario FED, y los costos de reducción del ganado son la suma de los escenarios FED y SYS.

Los beneficios sociales de optimizar la producción mundial de rumiantes en este estudio se definen como la suma de los costos de daños evitados para la salud del ecosistema (Ebeneficio), la salud humana (Hbeneficio) y la mitigación del cambio climático (Cbeneficio), como se muestra en la ecuación (14).

Se supone que el Ebeneficio es el beneficio de la mitigación de Nr en el ecosistema, que también es igual a la reducción de los costos por daños evitados. Asumimos que el costo unitario del daño Nr en Europa y los Estados Unidos también es aplicable a otros países después de ajustar las diferencias en la disposición regional a pagar (WTP) y la paridad del poder adquisitivo (PPA) para los servicios ecosistémicos, como se muestra en la ecuación (15) .

donde ∂EU es el costo unitario estimado del daño al ecosistema de las emisiones de Nr basado en la literatura45,47; el valor de UEbenefit,Nr,k se puede encontrar en la Tabla complementaria 4.

Luego, el Ebeneficio se suma de acuerdo con la ecuación (16).

donde $\ejemplos E_{\mathrm{N}_2\mathrm{O}}$, $\ejemplos E_{\mathrm{NH}_3}$ y $\ejemplos E_{\mathrm{NO}_ {x}}$ son la reducción calculada en N2O, NH3 y NOx, y ${\mathrm{UE}}_{\mathrm{beneficio},\mathrm{N}_2\mathrm{O}}$, $\mathrm{UE}_{\mathrm{beneficio},\mathrm{NH}_3}$ y $\mathrm{UE}_{{\mathrm{beneficio}},{\mathrm{NO}}_x }$ representan el beneficio ecosistémico unitario de la reducción de emisiones de N2O, NH3 y NOx, respectivamente, en US$ kgN−1 (los valores se enumeran en la Tabla complementaria 4).

El beneficio para la salud humana (Hbenefit) se refiere al beneficio de mortalidad evitada derivado de la mitigación de PM2.5 causada por la reducción del Nr animal. Derivamos los costos de daño a la salud por unidad nacional específicos de la emisión de Nr de Gu et al.48, que relacionaron los costos económicos de la mortalidad por unidad de emisión de Nr con la densidad de población, el PIB per cápita, la urbanización y la proporción de nitrógeno. El cálculo de los beneficios para la salud en este estudio se muestra en la ecuación (17).

donde ∇ENr es la reducción de emisiones de Nr en escenarios específicos y Hcost,Nr representa el beneficio unitario para la salud de la reducción de Nr en US$ kgN−1.

Se considera que los beneficios relacionados con el clima de optimizar la producción de rumiantes (Cbenefit) son la suma de los beneficios de mitigación de GEI y el impacto de mitigación de Nr (NH3 y NOx) en el clima, como se muestra en la ecuación (18).

donde ∇EGHG es la reducción de emisiones de GEI en un escenario específico, en kgCO2e, y los GWP100 para CH4 y N2O son 27.9 y 273 kgCO2e, respectivamente. UCbenefit,GEI representa el beneficio climático monetario debido a la mitigación de GEI, que se supone que es el precio del carbono, de US$40–80 tCO2−1 (ref. 49). $C_{{\mathrm{beneficio,NH}}_3}$ y $C_{{\mathrm{beneficio,NO}}_x}$ representan el impacto climático monetario debido a las emisiones modificadas de NH3 y NOx, que es asociado con el efecto de enfriamiento de NH3 y NOx en el clima global basado en estudios previos.

Primero calculamos el área de tierras de cultivo recuperadas o 'salvadas' (Landsys y todo) bajo los escenarios SYS y ALL (no se liberan tierras de cultivo en el escenario FED). A continuación, calculamos el rendimiento de nitrógeno del cultivo por unidad de tierra de cultivo (YieldcropN) dividiendo toda la producción de nitrógeno del cultivo (ProductioncropN) utilizando el área total de cultivo (Croplandtotal, de FAOSTAT), que se multiplica por Landsys y todo para obtener el valor total de la cosecha ahorrada. producción de nitrógeno. Estimamos el número adicional de personas que podrían sostenerse bajo el supuesto de una dieta puramente vegetariana mediante la producción adicional de alimentos de las tierras de cultivo salvadas (Población salvada) dividiendo la producción total de nitrógeno ahorrado del cultivo por las necesidades de nutrición de nitrógeno por unidad (Unidad de proteína/6,25, donde 6,25 es la relación de conversión de proteína a nitrógeno y Proteinunit es el requerimiento de proteína per cápita, en kg de proteína per cápita por año, calculado a partir de FAOSTAT). El cálculo se representa en las ecuaciones (19) y (20).

En este estudio, estimamos las incertidumbres de las pérdidas de nitrógeno, las emisiones de GEI, los costos y los beneficios para cada escenario en 166 países utilizando 10 000 simulaciones de Monte Carlo. Se calcularon los intervalos de confianza del 95% para todos los resultados. Los coeficientes de variación (CV, %) de los datos y parámetros de la actividad se muestran en las Tablas complementarias 5 y 6, y las incertidumbres de los resultados finales de la simulación se muestran en los Datos complementarios.

Más información sobre el diseño de la investigación está disponible en el Resumen de informes de Nature Portfolio vinculado a este artículo.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles en el Artículo, un archivo de datos fuente separado y sus archivos de Información complementaria. Los datos de origen se proporcionan con este documento.

No se utiliza ningún código en esta investigación. El análisis espacial se ejecuta en ArcGIS v.10.2.

Se ha publicado una corrección de este artículo: https://doi.org/10.1038/s43016-023-00689-x

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Descargar referencias

Este estudio fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (42261144001 y 42061124001), el Proyecto Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China (2022YFD1700700) y el Programa de Investigación y Desarrollo de Ganso Pionero y Líder de Zhejiang (2022C02008). Este trabajo es una contribución de la Actividad 1.4 al proyecto 'Hacia el Sistema Internacional de Gestión del Nitrógeno' (INMS, http://www.inms.international/) financiado por el Fondo para el Medio Ambiente Mundial (FMAM) a través del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA). ).

Facultad de Ciencias Ambientales y de Recursos, Universidad de Zhejiang, Hangzhou, China

Luxi Cheng, Xiuming Zhang, Jianming Xu y Baojing Gu

Laboratorio de simulación de políticas, Universidad de Zhejiang, Hangzhou, China

Luxi Cheng, Chenchen Ren y Baojing Gu

Escuela de Agricultura y Alimentación, Universidad de Melbourne, Melbourne, Victoria, Australia

Xiumin Zhang

Centro de Ecología e Hidrología del Reino Unido, Penicuik, Reino Unido

stefano reis

Facultad de Medicina de la Universidad de Exeter, Knowledge Spa, Truro, Reino Unido

stefano reis

Universidad de Edimburgo, Escuela de Química, Edimburgo, Reino Unido

stefano reis

Departamento de Gestión de Tierras, Universidad de Zhejiang, Hangzhou, China

Chenchen Ren

Laboratorio clave provincial de recursos agrícolas y medio ambiente de Zhejiang, Universidad de Zhejiang, Hangzhou, China

Jian Ming Xu

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

BG diseñó el estudio. LC realizó la investigación. XZ analizó datos relacionados con la economía. LC preparó los mapas de distribución. LC y BG escribieron el documento, SR, XZ y CR revisaron el documento y todos los demás autores contribuyeron a la discusión del documento.

Correspondencia a Baojing Gu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature Food agradece a Xuejun Liu y a los otros revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

La proporción de N de los componentes de materia seca en diferentes alimentos para ganado.

El mapa base se aplicó sin respaldo utilizando datos de la Base de datos de áreas administrativas globales (GADM; https://gadm.org/).

a, la relación de cambio de las emisiones de Nr en la etapa de producción del alimento. b, la relación de cambio de las emisiones de Nr en la etapa de crianza. c, la relación de cambio de las emisiones de GEI en la etapa de producción de alimentos. d, la relación de cambio de las emisiones de GEI en la etapa de cría de ganado. El mapa base se aplicó sin respaldo utilizando datos de la Base de datos de áreas administrativas globales (GADM; https://gadm.org/).

a y b son proteína N de rumiantes y monogástricos en el escenario BAU, respectivamente. c y d son proteína N de rumiantes y monogástricos en el escenario SYS, respectivamente. e y f son la proporción de aumento de proteína de rumiante en el escenario SYS y SYS2, respectivamente. El mapa base se aplicó sin respaldo utilizando datos de la Base de datos de áreas administrativas globales (GADM; https://gadm.org/).

Los escenarios SYS y ALL tienen la misma área de tierra salvada porque no había potencial para tierras de cultivo salvadas bajo el escenario FED. El mapa base se aplicó sin respaldo utilizando datos de la Base de datos de áreas administrativas globales (GADM; https://gadm.org/).

a, Tasas regionales de reducción de las emisiones de nitrógeno bajo diferentes escenarios supuestos. b, Tasas regionales de reducción de emisiones de GEI bajo el escenario asumido. La división de regiones se basa en el modelo GLEAM.

a se deriva de GLC-SHARE Beta-Release 1.0 base de datos-2014 (https://data.apps.fao.org/map/catalog/srv/eng/catalog.search#/metadata/ba4526fd-cdbf-4028-a1bd- 5a559c4bff38). Muestra la proporción de pastizales de cada país y se utiliza como base para establecer el DAR (b). El mapa base se aplicó sin respaldo utilizando datos de la Base de datos de áreas administrativas globales (GADM; https://gadm.org/).

Texto suplementario, discusión, Figs. 1 y 2, tablas 1 a 6 y referencias.

Datos complementarios 1 y 2.

Fuente de datos estadísticos.

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Reimpresiones y permisos

Cheng, L., Zhang, X., Reis, S. et al. Un cambio del 12 % de la producción de ganado monogástrico a rumiante puede reducir las emisiones y aumentar la producción de cultivos para 525 millones de personas. Nat Food 3, 1040–1051 (2022). https://doi.org/10.1038/s43016-022-00661-1

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Recibido: 01 Junio 2022

Aceptado: 04 noviembre 2022

Publicado: 15 diciembre 2022

Fecha de emisión: diciembre de 2022

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

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