CSIRO 土地和水科学主任 Paul Bertsch 博士讨论了食物-能源-水的关系，以及向清洁能源过渡将如何改变我们生产食物的方式以及我们对水安全的看法。

创新是管理澳大利亚供水的关键。（图片：Alison Pouliot）

如果不考虑粮食、饲料、纤维生产和能源，就不可能考虑水安全，因为它们密不可分。这种三方面的相互依赖被称为食物-能量-水的关系。

这种联系也被称为食物-能源-环境三难困境，因为我们当前的农业、食物和能源系统对环境的影响不仅限于水，而且影响范围更广（Tillman 等，2009）。

例如，人类已经改变了地球上大约 50% 的无冰土地面积，其中大部分用于食品、饲料和纤维生产。土地利用的这种巨大改变扰乱了生态系统功能，导致了我们目前正在经历的第六次物种大规模灭绝，并造成了工业革命后所有人为温室气体 (GHG) 排放量的 30% 以上。

此外，我们目前以化石燃料为主的能源系统对气候变化、汞等污染物的全球大气扩散负有主要责任，并且每年因空气质量下降而导致数百万人死亡。仅在澳大利亚，燃煤电厂每年就造成约 800 例过早死亡、1400 例哮喘发作和 845 例新生儿低出生率（Farrow 等，2020）。

农业面临的挑战

农业是能源密集型的，每年产生的温室气体排放量约占所有温室气体排放量的三分之一。除了土地利用变化导致的温室气体排放外，其他排放来自化石燃料密集型活动，包括化肥生产和重型设备的操作，如拖拉机和收割机、运输，以及植物性食物和植物中的一氧化二氮和甲烷释放。饲料生产系统和饲养肉类和乳制品动物。

农业也非常耗水，地球上大约 70% 的淡水用于我们的食品、饲料和纤维生产系统。因此，我们当前的食品、饲料和纤维生产系统正在导致严重的环境退化，例如生物多样性丧失，以及从我们的农业系统泄漏到水道中的磷、氮和杀虫剂造成的污染。

工作中的收割机

改变食品生产

改变我们的粮食生产系统是应对我们现在面临的环境挑战不可或缺的一部分，同时也满足了粮食需求的显着增长，以养活本世纪中叶预计在地球上出现的 95 亿人口，其中粮食产量需要增加 70%。

食品生产系统的这种转变将涉及补充传统的蛋白质来源，主要是动物蛋白质，转向植物性蛋白质，甚至是通过精确发酵生产的蛋白质。替代肉类中使用的植物蛋白目前与豌豆、鹰嘴豆和蚕豆分离，与一公斤牛肉相比，每公斤肉类替代品使用的水少 75%（Fresán 等，2019）。

精确发酵涉及使用合成生物学技术来设计单细胞生物以生产可制成食品的蛋白质，这与酵母用于生产啤酒和葡萄酒的方式大致相同（Lv 等，2021）。

目前有公司通过这个过程生产牛奶蛋白，然后用植物性脂质配制这些蛋白来生产纯素牛奶、冰淇淋和奶酪。其他公司专注于发酵具有肉味和质地的蛋白质，这些蛋白质具有目前从羽扇豆中提取的蛋白质，因此不再需要种植植物来提供这些替代蛋白质。

因此，即使低于植物性肉类，水和环境足迹也会显着降低，并且鉴于发酵罐处于非常受控的环境中，生产将免受气候影响。

这种转变发生的速度比三五年前预测的要快得多，当时人们普遍认为这些替代蛋白质仅占全球食用蛋白质的一小部分。

过去几年，消费者对替代蛋白质食品的快速接受和多样性表明，其增长轨迹更为激进，据估计，到 2035 年，替代蛋白质食品将占全球所有蛋白质消费量的 22%（Witte 等人，2016 年）。 , 2021)。

用干细胞生产肉类也取得了重大进展，生产和基因编辑方面的进步继续推动成本下降。一个报告表明，所有肉类的35％将是培养肉在交替基于蛋白质的食品2040年的快速增长，以及在培养的肉会大大降低粮食生产对环境的影响，并腾出土地用于造林和生态系统恢复大规模，这已被确定为减缓全球变暖和将全球温度升高保持在 2oC的关键行动。

食品生产中发生的另一个主要转变是将其转移到室内受控环境条件，即受控环境农业 (CEA)（Benke 和 Tomkins，2017 年；Sarathkumar 等人，2020 年）。

垂直农业是一种典型的变革性 CEA 方法，利用 LED 照明、全面环境控制、传感器和传感器技术、人工智能和机器学习驱动的大数据/数据分析以及机器人技术来优化植物生长和作物产量。 .

室内农业用水量减少 80-95%，减少或消除杀虫剂的使用，最大限度地减少营养物质向环境的泄漏，导致土地使用量减少 99%，产量相同，并且可以大大减少食物的运输（斯坦因, 2021)。正如精确发酵一样，CEA 是气候证明。

垂直农业的投资和预期增长也远远超出预期，而当前的大流行进一步加速了这一趋势。

虽然当前对前期基础设施和能源成本的经济挑战导致新兴产业专注于高价值的水果和蔬菜，但最近的一项研究表明，如果采用垂直 CEA 生产，即使小麦产量每公顷也会高出数百倍，具有上述所有伴随的环境效益（Asseng 等，2020）。

CEA 彻底颠覆传统农业的最大障碍是能源成本相对较高，以及从风能、太阳能、绿色氢和其他零排放能源中获取现成的可再生能源，例如先进的核技术和小型模块化反应堆 (SMR) ）。

绿色能源转型：重新构想关系并解决三难困境

要改造我们的粮食生产系统并获得环境和气候效益，就需要对我们的能源系统进行改造。创造更实惠的零排放能源将降低电力成本，并使这些新的粮食生产系统在经济上可行，尤其是在考虑到伴随这一转变的碳和生物多样性信用时。

此外，能源系统转型可以大规模淡化和分配淡水，解决粮食-能源-环境三难困境，并从根本上消除水安全挑战。

数千年来，管道一直用于长距离输水，石油和天然气管道在 1860 年代首次使用，过去 70 年跨大陆石油和天然气管道变得普遍。随着石油和天然气的价值不断下降，而水的价值随着时间的推移而增加，远距离输送淡水以提供水安全的管道将变得越来越有吸引力。

水安全一直是一个前沿和中心挑战，这是可以理解的，因为我们生活在地球上最干旱的大陆之一，而且由于气候正在加剧周期性的严重干旱，粮食生产中断，社区和环境缺乏淡水改变。

在过去的 200 年中，澳大利亚发生了 3 次大旱，最近的千年干旱是有记录以来最严重的一次。图片：CSIRO。

然而，气候变化不会影响水平衡，它会加剧水循环，导致更频繁和更严重的干旱和偶发性洪水。我们的能源系统从化石燃料向低/零排放可再生和先进核能 SMR 的转变将完全颠覆我们对未来水安全的看法。

能够以经济实惠的方式大规模淡化海水，并且碳排放量非常低或为零，这意味着可以随时获得目前未开发的淡水供应。因此，巨大的全球挑战围绕着在激进的时间尺度上扩展可再生能源和先进的核 SMR。

能源转型将由各国必须应对气候变化以及采取快速行动以减少排放和加强碳固存的必要性推动。

政策杠杆的实施可能会远远超出主权国家的边界。例如，欧洲已经根据贸易伙伴的气候政策、能源组合和产品的全生命周期分析，根据货物足迹为贸易伙伴制定了未来的进口规则。

联系概念表明，解决食物、能源、环境三难困境是一项能源挑战，一旦得到解决，将提供安全且适应气候变化的食物和水供应，并带来巨大的环境、社会和经济效益。