综述：气候与环境变化对食物系统的界面——来自“农业与饮食：全球生态学中营养、转化和适应的增值”（ADVANTAGE）项目第三工作组的报告

《Advances in Nutrition》：Interface of climate and environmental change on food systems―a report from the “Agriculture and Diet: Value Added for Nutrition, Translation, and Adaptation in a Global Ecology” (ADVANTAGE) Project Working Group 3

　　

随着气候的变化，对气候与食物系统交叉点的研究对于理解其对人类营养和健康的广泛影响至关重要。本研究旨在：(i) 识别气候与环境变化（CEC）与食物系统之间的相互影响，(ii) 阐明CEC与食物系统相互作用的研究空白，以及(iii) 确定应对和减轻CEC对食物系统影响的路径。研究人员通过4条路径讨论了CEC与食物系统的相互作用。食物系统受到CEC的影响，表现为气候常态的转变和极端事件发生频率的改变。支持食物系统所需的物理系统也受到CEC的影响，包括海洋状况、淡水可用性、土壤系统、地面臭氧（O₃）和地表水质量。作为食物系统基础的生物系统同样因CEC而改变，表现为害虫、杂草和病原体压力的变化；野生传粉者种群的变化；以及生物多样性的改变。驱动食物系统的农业生产系统也受到CEC的影响，通过劳动力转移和生产力变化、供应链中断、腐败和食源性疾病等途径。每条路径都可能改变作物和动物性食品的生长条件，导致生产力和营养成分的变化，并影响食品安全、分布、获取和可用性。使食物系统适应CEC需要定性和定量干预，强调系统适应性和气候变化缓解。尽管CEC与食物系统之间的关系已得到充分研究，但研究空白突出表明，需要评估同时发生的气候因素对作物产量、营养密度和食品质量的影响；改进品种、技术和管理实践以实现可持续的粮食生产；确定促进全球粮食安全目标的社会、经济和政治战略；利用桥接数据进行稳健建模；以及推进非农业营养生产系统。
意义声明
本研究提供了对气候与环境变化对食物系统预期和已实现影响的独特综合概括。作为ADVANTAGE项目更广泛论文集的一部分，本研究强调了营养目标对这些气候与环境变化的脆弱性，这种脆弱性通过食物系统的影响得到缓解。

**引言**
研究人员概述了农业、食物系统、疾病和环境变化之间的复杂相互作用，这些相互作用将影响通过改善饮食和营养促进健康的机会。采用生态框架方法（[1]）至关重要，因为农业、食物系统、营养和健康之间存在相互联系和依赖关系。ADVANTAGE（“农业与饮食：全球生态学中营养、转化和适应的增值”）项目提供了对气候与环境变化（CEC）、饮食选择和公共卫生结果的概述。第三工作组（WG3）聚焦于CEC对食物系统的关键界面，评估目标包括：识别CEC与食物系统的相互影响、阐明研究空白、确定应对和缓解路径。框架指向与气候和环境相互作用相关的可持续性。

**气候与环境变化**
CEC与食物系统之间的相互关系可通过多条相互连接的路径（图1）进行检验。路径1：气候转变（包括温度、降雨和极端天气事件的变化）直接影响农业生产力。路径2：物理系统的间接变化（如海洋温度、土壤径流、养分径流、水污染、淡水可用性、灌溉实践及地面臭氧（O₃）浓度）进一步影响食物系统动态。路径3：生物系统作为中介，受气候变化影响的害虫、杂草、病原体、传粉者种群和生物多样性对食物生产具有影响。路径4：农业生产系统（包括劳动力可用性、供应链、腐败管理和食源性疾病）是CEC与食物系统之间的关键中间环节。该框架用于讨论CEC与食物系统之间的关联，并代表当前知识和适应潜力。

**食物系统对CEC的影响**
农业活动通过温室气体排放对CEC有贡献。作物系统的排放主要来自农业管理（如氮肥施用产生的N₂O、水稻淹水产生的CH₄、机械产生的CO₂）。畜牧系统还包括动物直接排放（生物源CO₂和肠道CH₄）及粪便管理排放（N₂O和CH₄）。植物产品的排放低于动物产品，差异源于生产生命周期。反刍动物产品贡献的CH₄较高。水产养殖中CO₂排放主要来自饲料，但商业捕捞对生态系统有广泛影响。收获前和收获后的损失和浪费加剧了粮食的环境影响。由于已有大量文献探讨食物系统对CEC的贡献，本综述主要聚焦CEC如何影响食物系统（即图1中的路径1至4）。

**路径1：食物系统对人为CEC的直接响应**
气候变化预期导致平均气候条件和极端天气事件范围及频率的变化。
*影响1a：气候常态的变化*
- **粮食生产与营养价值**：温度升高和降雨模式变化通过作物-气候模型预测影响产量。中低纬度地区高温可能缩短生长季节并导致作物失败，而中高纬度地区可能因有利温度、CO₂升高的光合作用增强和新增可耕地而提高生产力。但全球净效应不确定。CMIP5数据预测四大作物（玉米、大豆、水稻、小麦）产量净负增长，而CMIP6数据预测因作物而异。CO₂升高可刺激C₃作物增产，但需综合其他气候参数。营养成分方面，在550 ppm以上的高CO₂条件下，许多主食作物（如小麦、水稻、大麦、豆类）的蛋白质、铁、锌及水稻的B族维生素浓度下降4%-9%，甚至13%-30%。模型估计到2050年，约1.75亿人可能面临锌摄入不足，1.22亿人面临蛋白质摄入不足，主要分布在亚洲、中东和非洲。对于动物性食品，热应激降低饲料摄入、生长、免疫和繁殖，并影响牛奶（蛋白质、乳糖、钙、磷、镁和脂肪酸谱）、鸡蛋（大小、重量、壳厚）和肉类（暗色、坚硬、干燥）的营养质量。水产系统方面，1930-2010年历史分析显示变暖已使海洋捕捞量减少4.1%，到2050年可能下降3%-13%。物种组成变化会影响全球铁、钙等营养素的供应。
- **食品安全、分布、获取和可用性**：CEC可能减缓全球饥饿目标的进展并增加微量营养素缺乏症。使用国际食物政策研究所的IMPACT模型，到2050年蛋白质-能量营养不良和营养缺乏可能导致额外310万伤残调整寿命年（DALYs）损失，主要集中在南亚和撒哈拉以南非洲。降水预测的不确定性是主要挑战。气候常态变化还可能影响易腐性，如热应激动物的肉类氧化脂质和蛋白质损伤增加，导致保质期缩短；鸡蛋损失增加；牛奶加工受影响。
*影响1b：极端事件发生频率的变化*
- **粮食生产与营养价值**：极端天气事件（如干旱、洪水、热浪）预计更频繁和强烈，负面产量异常明显。落叶果树（如桃、苹果）因冬季变暖导致休眠异常，2022-2023年乔治亚州桃产量下降90%。极端事件对营养密度的影响研究有限，但短期热应激影响牛奶和鸡蛋营养质量，热浪改变碳同化，干旱提高蛋白质和钙浓度。需进一步研究极端事件严重程度和持续时间对营养密度的影响。
- **食品安全、分布、获取和可用性**：极端事件通常未在模型中得到明确表示。一项模拟立即极端事件的研究发现，在全球99^th百分位作物产量响应下，饥饿脆弱人口增加20%-36%（高排放情景）或11%-33%（低排放情景）。非洲之角严重干旱导致1900-2100万人面临严重粮食不安全；南苏丹连续四年洪水导致作物歉收和牲畜死亡；2003年欧洲热浪导致谷物、饲料和水果产量下降20%-30%，经济损失130亿欧元。

**路径2：食物系统对物理系统变化的响应**
*影响2a：海洋温度和酸度*
- **粮食生产与营养价值**：CEC导致海洋分层、营养混合受阻、氧气减少，可能影响86%的海洋。鱼类物种组成变化影响营养素供应，如小洋性鱼类减少导致钙和铁供应下降。海洋酸化（pH下降）破坏碳酸钙壳，影响蛤蜊、牡蛎等食物来源。
- **食品安全、分布、获取和可用性**：初级生产力下降但区域差异大，珊瑚礁溶解快于重建，贝类附着能力降低。适应能力因国家而异，物种丰富度高的渔业更脆弱。
*影响2b：淡水缺乏和灌溉基础设施*
20%的农田依赖灌溉，62.5%的水产养殖在淡水中。水坝建设对淡水需求增加，限制鱼类栖息地。温度升高进一步扩大水需求。
*影响2c：土壤系统与土壤健康*
- **粮食生产与营养价值**：土壤健康影响作物营养组成。CEC预计降低土壤有机碳（SOC）和呼吸作用。SOC与谷物蛋白质和锌浓度相关。土壤退化可能加剧作物产量下降。
- **食品安全、分布、获取和可用性**：土壤重金属污染（铅、镉、汞、砷）通过废水、工业径流、大气沉降等进入食物链。在发展中国家，重金属水平仍高，受CEC影响可能持续或恶化。重金属直接影响作物产量、生物积累和土壤微生物毒性。土壤盐渍化（过量盐分）和钠碱化（过量钠离子）威胁可持续生产力，受灌溉和干旱驱动，盐渍土面积在2000-2005年至2016年间增长18%。
*影响2d：地面臭氧（O₃）*
- **粮食生产与营养价值**：对流层臭氧是有毒气体，通过光化学反应产生。高CO₂可关闭气孔减轻臭氧影响。低排放情景下，2050年臭氧浓度降低使主要作物增产3.1%；高排放情景下全球减产3.6%。
*影响2e：养分径流与水污染*
- **粮食生产与营养价值**：CEC影响农业土壤养分径流，导致藻华和缺氧条件，引起鱼类死亡。藻毒素通过饮用水和海产品转移至人类，造成腹泻、呕吐、肝出血等急性症状。藻毒素分布不均，监测能力集中在全球北方。

**路径3：食物系统对生物系统变化的响应**
*影响3a：害虫、杂草和病原体压力*
- **粮食生产与营养价值**：害虫（包括微生物、昆虫和杂草）造成巨大产量和质量损失。CEC通过温度升高和CO₂施肥效应影响害虫生物学。昆虫作为变温动物，温度升高可扩大其地理范围并增加繁殖力。CO₂升高可能改变碳氮比，降低蛋白质浓度，影响昆虫防御化合物。植物病原体（真菌、细菌、病毒）在温暖条件下爆发增加，极端降水促进病原体传播，干旱增加霉菌毒素。杂草在高温下竞争力增强，CO₂施肥效应可能加剧杂草与作物竞争。化学农药有效性可能因CEC降低，如高温和CO₂降低除草剂敏感性。
*影响3b：野生传粉者变迁与减少*
- **粮食生产与营养价值**：野生传粉者为约四分之三农作物提供产量效益，贡献3%的卡路里和高达41%的关键微量营养素（如维生素A）。但受土地利用变化、单一种植、农药（尤其是新烟碱类）和CO₂升高导致的蛋白质浓度下降等因素影响，传粉者范围、数量和多样性下降。家养蜜蜂可部分替代，但效率较低。传粉不足导致水果、蔬菜和坚果产量减少3%-5%，每年约42.7万人额外死亡。
*影响3c：生物多样性丧失*
- **粮食生产与营养价值**：生物多样性丧失通过生态系统服务（传粉、害虫控制、土壤肥力等）间接影响食物生产。作物和牲畜遗传多样性降低增加对病虫害的易感性，野生食物来源减少直接影响依赖人群的食物获取。

**路径4：食物系统对人为/农业系统变化的响应**
*影响4a：劳动力转移与生产力变化*
- **粮食生产与营养价值**：农业工人暴露于高温，热相关死亡率是其他行业的35倍，慢性肾病增加。全球变暖3°C时，撒哈拉以南非洲和东南亚农业劳动力减少30%-50%，导致食品价格上涨。防护设备可能加剧热应激。CEC还增加疟疾、蜱传疾病、雷暴溺水风险。工人可能调整活动组合，如减少渔业努力或转向城市。
*影响4b：供应链中断*
- **食品安全、分布、获取和可用性**：CEC可通过极端天气破坏生产、影响运输（如干旱阻断密西西比河航运）、促进食物降解（如霉菌毒素）或改变营养质量。2012年密西西比河干旱导致美国GDP损失0.5%-1%（750-1500亿美元）。
*影响4c：腐败和食源性疾病*
- **粮食生产与营养价值**：约40%的食物被浪费和损失。CEC增加能源中断，影响冷链（图3）。温度、降雨和湿度促进真菌生长和霉菌毒素产生。海洋食物源中，藻毒素（如雪卡毒素）在温暖海水中增殖。食源性病原体（如沙门氏菌、大肠杆菌、弯曲杆菌）在温暖潮湿环境中繁殖加快。

**选择与干预**
食物系统选择可根据干预类型和营养可用性影响进行评估。
*转变粮食生产的土地基础*：适宜气候带向极地移动，但土地重新分配面临地缘政治、土地利用冲突（人口增长、土地权利、族群分裂等）挑战。国际贸易可支持营养再分配，但存在“营养帝国主义”风险。需识别生物物理适宜性、经济驱动因素和社会经济背景。
*转变粮食生产的数量*：现有系统理论上可养活2倍当前人口，但营养不良仍普遍。提高产量需扩大遗传基础、改进管理（如生物炭、生物固氮）。畜牧业需结合遗传和管理适应CEC，同时减少温室气体排放（CH₄）。转向植物性食品可减少排放，但需考虑营养需求和社会经济影响。消费者意识（如菜单标注碳排放）可促进可持续饮食，但市场脱节限制影响。
*转变食品的营养成分*：国家层面强制食品强化（如铁、锌、叶酸、维生素A、碘）是抵抗营养缺乏的有效方法，成本低（碘盐每人每年0.05美元，小麦和大米铁强化每人每年0.12美元）。但需监测和避免过度摄入。
*替代营养素来源*：包括发酵、实验室培养和细胞农业技术。植物性肉类替代品和培养肉可减少环境足迹，但长期健康影响不明。精密发酵（如微生物生产乳蛋白）可能节省水和碳，但需优化复杂营养谱和消费者接受度。

**结论**
有明确证据表明CEC对全球食物系统施加广泛限制，通过改变生产容量、营养密度、食品安全和可及性。适应食物系统需定性和定量干预，考虑系统适应性和缓解能力。研究空白包括：同时气候参数对产量和营养的影响；品种、技术和管理评估；热应激缓解策略对动物性食品营养质量的影响；社会经济政治策略；极端事件严重程度和持续时间对营养密度的影响；桥接数据支持建模；重金属污染净效应；土壤健康建模。为应对CEC，需评估现有作物遗传变异、害虫管理实践、CO₂相关约束，并测试将地方食物系统需求转化为全球选择的策略，以及探索补充和强化策略、完善非农业营养生产系统。

**作者贡献**
作者职责分配如下：RRW、MRS、LZ和KJF贡献了初稿和后续稿件的撰写；RRW主持了写作小组；DJR担任秘书角色指导ADVANTAGE项目；所有作者阅读并批准了最终稿件。

**免责声明**
本文内容代表作者观点，不构成美国国立卫生研究院或美国政府的官方立场。

**资金**
作者声明未收到与本活动相关的资金支持。

**作者**
Robin R. White|Matthew R. Smith|Lewis Ziska|Kathryn J. Fiorella|Daniel J. Raiten
弗吉尼亚理工大学动物科学学院，布莱克斯堡，弗吉尼亚州，美国