La reubicación de las tierras de cultivo podría reducir drásticamente los impactos ambientales de la producción mundial de alimentos. Este será el primer articulo que publico sin haberlo leído, si lo voy a leer, pero son las 4:39 am en mi país.

 

La reubicación de las tierras de cultivo podría reducir drásticamente los impactos ambientales de la producción mundial de alimentos

https://www.nature.com/articles/s43247-022-00360-6

• Roberto M. Beyer ,
• Fang Yuan Hua ,
• Felipe A. Martín ,
• Andrea Manica &
• Tim Rademacher 

Comunicaciones Tierra y Medio Ambiente volumen 3 , Número de artículo:  49 ( 2022 ) Citar este artículo

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Resumen

La producción agrícola ha reemplazado a los ecosistemas naturales en todo el planeta, convirtiéndose en un importante impulsor de las emisiones de carbono, la pérdida de biodiversidad y el consumo de agua dulce. Aquí combinamos el rendimiento global de los cultivos y los datos ambientales en un marco de optimización matemática de ~1 millón de dimensiones para determinar cómo la optimización de la distribución espacial de las tierras de cultivo globales podría reducir los impactos ambientales mientras se mantienen los niveles actuales de producción de cultivos. Estimamos que la reubicación de las tierras de cultivo actuales en ubicaciones óptimas, al tiempo que permite que los ecosistemas en las áreas entonces abandonadas se regeneren, podría reducir simultáneamente la huella actual de carbono, biodiversidad y agua de riego de la producción agrícola mundial en un 71 %, 87 % y 100 %, respectivamente. , asumiendo una agricultura de altos insumos en sitios recién establecidos. La distribución global óptima de cultivos es muy similar para las condiciones climáticas actuales y de fin de siglo en todos los escenarios de emisión. Ya se podrían lograr reducciones sustanciales del impacto reubicando solo una pequeña proporción de la producción agrícola mundial, reubicando las tierras de cultivo solo dentro de las fronteras nacionales y asumiendo sistemas agrícolas menos intensivos.

Introducción

La conversión de casi la mitad de la superficie terrestre libre de hielo del mundo en áreas agrícolas 1 ha contribuido a tres de los desafíos ambientales más apremiantes de la humanidad 2 , 3 : (i) la agricultura es una fuente importante de emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero 4 , 5 , 6 , en gran parte de la liberación de carbono almacenado en la vegetación natural y los suelos 7 , 8 ; (ii) la agricultura es el principal impulsor de la pérdida de hábitat, la mayor amenaza para la biodiversidad terrestre 9 , 10 , 11 , 12 ; y (iii) la agricultura es responsable de aproximadamente el 70% del consumo mundial de agua dulce13 , 14 , lo que provoca escasez de agua potable en muchas partes áridas del mundo 15 , 16 . La creciente demanda mundial de productos animales 17 reduce las esperanzas de que los beneficios de los cambios en la dieta de la sociedad para disminuir las huellas ambientales de la producción de alimentos 2 , 3 , 18 puedan materializarse plenamente en un futuro próximo. Los aumentos de rendimiento a través de prácticas más eficientes en el uso de recursos, avances tecnológicos y variedades de cultivos mejoradas genéticamente son prometedores 2 , 3 , 19 ; sin embargo, una población humana en crecimiento y un consumo per cápita en aumento 20 , 21amenazan con contrarrestar el potencial de estos desarrollos sin medidas complementarias.

La restauración de ecosistemas ha sido identificada como una estrategia clave para lograr el secuestro de carbono a gran escala y reducir las presiones sobre la biodiversidad terrestre 22 , 23 , 24 . De hecho, las reservas de carbono y la pérdida de biodiversidad por la conversión de la tierra a menudo pueden acercarse rápidamente a los niveles previos a la perturbación cuando se permite que las áreas degradadas por la agricultura se regeneren 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30 (Nota complementaria  1). Sin embargo, para que los niveles totales de producción de alimentos permanezcan constantes, la restauración de la tierra actualmente utilizada para la agricultura requerirá que la producción se intensifique o se expanda espacialmente en otros lugares. Si bien estudios previos han identificado áreas prioritarias para la restauración ecológica 22 , 23 , 24 , está menos claro cómo se debe redistribuir espacialmente la producción agrícola para maximizar los beneficios ambientales a largo plazo sin comprometer la seguridad alimentaria. Además de las ganancias de carbono y biodiversidad, la reubicación óptima de las tierras de cultivo también podría reducir sustancialmente la huella hídrica de la agricultura si se establecieran nuevas áreas donde las lluvias suficientes evitan la necesidad de riego 31. Es importante destacar que la reubicación de áreas agrícolas no solo puede representar una oportunidad ambiental, sino que también puede convertirse en una necesidad para mantener la seguridad alimentaria mundial, ya que los patrones cambiantes de precipitación y deshielo amenazan el suministro de agua para los cultivos 32 , 33 mientras que los regímenes cambiantes de temperatura reducen la productividad 34 , 35 , 36 en todo el mundo. grandes partes del mundo.

Aquí determinamos las distribuciones óptimas de tierras de cultivo globales que minimizan las huellas de carbono y biodiversidad al tiempo que evitan la necesidad de riego sistemático, en las condiciones climáticas actuales y futuras. Usamos mapas globales de las áreas de cultivo actuales de 25 cultivos principales 37 (consulte la sección "Métodos"), que entre ellos representan el 77% de las tierras de cultivo en todo el mundo. Para cada cultivo, evaluamos el impacto del carbono asociado con el cultivo en un área como la diferencia entre las existencias de carbono locales naturales y específicas del cultivo en la vegetación y los suelos 8 (consulte la sección "Métodos"). De manera similar, los impactos en la biodiversidad se estimaron como la diferencia entre la biodiversidad local bajo vegetación natural y bajo tierras de cultivo 38. Para nuestro análisis principal, medimos la biodiversidad local en términos de la rareza del área de distribución, dada por la suma de los tamaños inversos del área de distribución natural de las especies que se encuentran localmente (consulte la sección "Métodos"), una métrica recomendada como particularmente significativa para la planificación de la conservación 39 , dado la fuerte relación entre el tamaño del área de distribución de las especies y su vulnerabilidad a la extinción 40 , 41. Los mismos métodos nos permitieron predecir los impactos potenciales sobre el carbono y la biodiversidad de la producción de cultivos en lugares que actualmente no se cultivan (consulte la sección "Métodos"). Luego combinamos estas estimaciones de impacto con un conjunto de datos globales de rendimientos agroecológicamente alcanzables, disponibles para los mismos 25 cultivos, tanto en áreas actualmente cultivadas como no cultivadas, y para las condiciones climáticas actuales y futuras proyectadas 42 . Usamos estimados de rendimiento potencial para tres escenarios de manejo alternativos, que representan el rango desde los sistemas tradicionales de agricultura orgánica basados ​​en la subsistencia hasta la producción avanzada y completamente mecanizada con variedades de cultivos de alto rendimiento y una aplicación óptima de fertilizantes y pesticidas 42(ver la sección “Métodos”). Todas las estimaciones se derivaron asumiendo solo el suministro de agua de secano 42; así, cualquier configuración de tierras de cultivo a partir de ellas representa un escenario en el que no se requiere riego sistemático. Usando estos rendimientos potenciales, consideramos todas las distribuciones espaciales posibles de las tierras de cultivo de secano para las cuales la producción global total de cada cultivo individual era la misma que en la actualidad (ver la sección “Métodos”). En este paso, el área asumida como potencialmente disponible para la agricultura en una celda de cuadrícula se definió como el área que actualmente no está cubierta por cuerpos de agua, tierra inadecuada debido a restricciones de suelo y terreno, áreas urbanas e infraestructura, cultivos no incluidos en nuestro análisis, pastizales y áreas protegidas (ver la sección “Métodos”). Finalmente, entre todas esas distribuciones de tierras de cultivo, identificamos aquellas para las cuales los impactos globales de carbono y biodiversidad fueron mínimos. En la cuadrícula de 20 minutos de arco (0,33°) utilizada aquí,

Resultados y discusión

Reubicación transnacional óptima con manejo de cultivos de alto insumo

La distribución óptima de las tierras de cultivo determinada aquí depende de cómo se ponderen el carbono y la biodiversidad entre sí en la minimización del impacto, y consideramos esta compensación más adelante en nuestro análisis; Los siguientes resultados se basan en una ponderación óptima entre los impactos del carbono y la biodiversidad diseñada para minimizar las compensaciones (consulte la sección "Métodos"). Primero consideramos el escenario de manejo de cultivos de alto insumo en tierras de cultivo reubicadas, y luego examinamos los efectos de prácticas agrícolas menos intensivas. Para este escenario, estimamos que una optimización completa de la distribución espacial de las tierras de cultivo reduciría simultáneamente los impactos actuales sobre el carbono y la biodiversidad de la producción global de cultivos en un 71 % y un 87 %, respectivamente, al mismo tiempo que eliminaría la necesidad de riego por completo (Fig.  1 ).). El área mundial total utilizada para la agricultura en el escenario optimizado sería menos de la mitad (48%) del área actual. La cantidad de carbono secuestrado en la vegetación y los suelos sería equivalente a 20 años del actual aumento neto anual de CO 2 atmosférico de 5,1 Pg de carbono por año 43 . Las presiones sobre las especies terrestres serían drásticamente menores de lo que son hoy en día dado el importante papel de la destrucción del hábitat agrícola en la pérdida de la biodiversidad global 10 . En particular, las tierras de cultivo ubicadas de manera óptima se superponen con solo el 0,2 % de las áreas clasificadas como biomas de bosques tropicales 44, lo que representa una reducción del 98% en el área de bosque tropical que actualmente se utiliza para los cultivos en nuestro análisis. Los grupos espaciales particularmente pronunciados de ubicaciones óptimas de cultivo incluyen áreas de cultivo de cebada, algodón, colza, soja, girasol y trigo alrededor del cinturón de maíz en el medio oeste de EE. UU.; de algodón, maíz, soja, mijo y arroz a lo largo de una banda longitudinal al sur de la zona del Sahel en el África subsahariana; de maíz, arroz y soja en el noreste argentino y regiones vecinas; y de colza y soja en el noreste de China (Película complementaria  1 ), impulsada por un alto potencial de rendimiento de secano combinado con impactos ambientales relativamente bajos en estas áreas (Película complementaria  2 , Figura complementaria  1a–c ).

Fig. 1: Distribuciones actuales y ambientalmente óptimas de las tierras de cultivo globales.

Los potenciales de reducción estimados en a se basan en una compensación óptima entre los impactos del carbono y la biodiversidad (ver la sección “Métodos”). Los datos de rendimiento potencial que se utilizan aquí se basan en las condiciones climáticas actuales y suponen una gestión de cultivos con muchos insumos y suministro de agua de secano, de modo que las áreas reubicadas, por diseño del enfoque, no se rieguen. Los niveles de producción global de cultivos individuales para áreas óptimamente distribuidas son idénticos a los niveles actuales; en el escenario de deslocalización nacional, este es también el caso de los niveles de producción nacional. Para efectos de visualización, en b – d se agruparon los 25 cultivos; los mapas de la distribución óptima de cultivos individuales para la reubicación a través y dentro de la frontera se muestran en la película complementaria 1 .

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Reubicación nacional óptima con manejo de cultivos de alto insumo

Mover la producción agrícola, y por lo tanto la mano de obra y el capital, a través de las fronteras nacionales plantea desafíos políticos y socioeconómicos que pueden ser difíciles de resolver en un futuro próximo. Por lo tanto, repetimos nuestro análisis exigiendo que, en el escenario optimizado, la producción total de cada cultivo en cada país sea idéntica a la actual (ver la sección “Métodos”). Suponiendo un manejo de cultivos de alto insumo en los sitios reubicados, estimamos que si cada país optimizara de forma independiente su distribución de tierras de cultivo, los impactos de carbono y biodiversidad resultantes en todo el mundo serían 59% y 77% más bajos de lo que son actualmente (Fig.  1). La gran mayoría de la producción, que corresponde al 99,4% de las tierras de cultivo mundiales, podría reubicarse a nivel nacional para que las lluvias proporcionen suficiente suministro de agua; sin embargo, algunos países producen cultivos para los cuales las condiciones agroecológicas naturales dentro de sus fronteras no son adecuadas y, por lo tanto, se necesita riego o cultivos de invernadero para mantener los niveles actuales de producción nacional de cada cultivo (ver la sección “Métodos”).

Distribución óptima de las tierras de cultivo en escenarios climáticos futuros

La distribución global óptima de áreas de cultivo que proporcionen la misma producción total de cada cultivo que en la actualidad, según las condiciones climáticas actuales, es en gran medida similar a las condiciones climáticas de finales de siglo, independientemente del escenario específico de cambio climático. El 73 %, 73 %, 70 % y 63 % de las áreas óptimas para el clima RCP 2.6, 4.5, 6.0 y 8.5 en 2071–2100 (Fig.  2a–d ), respectivamente, se superponen con las asociadas con el clima actual en Figura  1c. En particular, los cuatro grupos espaciales principales antes mencionados permanecen en su lugar en gran medida; sin embargo, partes de la banda al sur de la zona del Sahel se vuelven algo menos adecuadas con el aumento del calentamiento, mientras que los sitios óptimos en Argentina se expanden. Algunas áreas más pequeñas emergen como ubicaciones óptimas como resultado del cambio climático, incluidas partes cercanas a la costa noroeste de Estados Unidos y al este de los Montes Urales en Rusia (Fig.  2 ). En general, nuestro análisis sugiere que si la demanda global de los cultivos considerados aquí no disminuye por debajo de los niveles actuales en las próximas décadas, entonces las tierras de cultivo establecidas en ubicaciones óptimas ahora permanecerán en gran medida en ubicaciones óptimas en el futuro. La falta de proyecciones adecuadas a largo plazo de los niveles futuros de producción mundial de cultivos (que son demasiado a corto plazo oo no lo suficientemente específico 46 ) nos impide determinar las distribuciones óptimas de tierras de cultivo para escenarios futuros específicos de producción mundial de alimentos; sin embargo, dado el crecimiento continuo previsto de la población mundial, se prevé que los niveles de producción total de los principales cultivos aumenten al menos durante la próxima década 45 . En principio, los cambios en la dieta a gran escala podrían dar lugar a una disminución de la demanda futura de algunos de los cultivos considerados aquí, en cuyo caso algunas áreas identificadas en nuestro análisis podrían no representar ubicaciones óptimas para los cultivos; sin embargo, aunque tales cambios podrían, en teoría, generar beneficios nutricionales y ambientales 3 , 47 , 48 , 49, las tendencias recientes y las proyecciones futuras reducen las expectativas sobre una implementación rápida 46 , 50 .

Fig. 2: Distribuciones óptimas de tierras de cultivo globales para el clima de fin de siglo.

Los mapas muestran los equivalentes de la Fig.  1c con base en los rendimientos potenciales proyectados para el clima de 2071–2100 bajo cuatro escenarios de emisión alternativos: RCP a 2.6, b 4.5, c 6.0, d 8.5. En cada escenario, los niveles de producción de los cultivos individuales son idénticos a los actuales, dada la falta de proyecciones futuras adecuadas (ver texto). Los mapas de la distribución de los 25 cultivos individuales para cada escenario climático se muestran en la Película complementaria  3 . No se estimaron los sitios óptimos de tierras de cultivo para la reubicación dentro de las fronteras nacionales (es decir, equivalentes de la Fig.  1d ), ya que el problema de optimización en este caso está mal definido (consulte la sección "Métodos").

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Reubicación parcial de la producción y gestión de cultivos con menos insumos

Hasta ahora, hemos considerado el escenario en el que toda la producción de cultivos se reubica de manera óptima y en el que las tierras de cultivo recién establecidas se gestionan de acuerdo con las mejores prácticas. ¿Cómo cambian los posibles beneficios ambientales de la reubicación de cultivos si se modifican estos supuestos? En todos los cultivos, los impactos ambientales atribuidos a la producción de una unidad de producto varían mucho entre las áreas de cultivo actuales: la mitad del impacto global de carbono y biodiversidad atribuido a cada cultivo se produce actualmente en áreas que representan solo el 23 % y el 5 % del cultivo. producción total, respectivamente (Fig.  2 complementaria). Esto sugiere que priorizar la reubicación de la producción fuera de estas áreas, donde las reservas potenciales de carbono y la biodiversidad son altas y los rendimientos son bajos, podría generar beneficios ambientales particularmente grandes. Repetimos nuestro análisis de la distribución óptima de las tierras de cultivo a través y dentro de las fronteras nacionales, pero asumimos que solo se está moviendo una cierta proporción de la producción total actual de cada cultivo, comenzando con las tierras de cultivo actuales donde los impactos locales son más altos en relación con la producción local ( ver la sección “Métodos”). Como antes, los rendimientos en las áreas recién establecidas asumen solo el suministro de agua de lluvia. Para la gestión de altos insumos en nuevas tierras de cultivo, lo óptimo es reubicar solo alrededor del 15 % de la producción de cada cultivo a través de las fronteras, o alrededor del 25 % dentro de las fronteras, 3a, b ). Incluso la reubicación de las áreas menos eficientes desde el punto de vista agroambiental, que representan tan solo el 5% de la producción, a ubicaciones óptimas podría generar ganancias ambientales considerables (Fig.  3a, b ).

Fig. 3: Reducciones de impactos de carbono y biodiversidad para diferentes niveles de reubicación y escenarios de gestión.

Cada línea de color representa el conjunto de reducciones de impacto de carbono y biodiversidad alcanzables simultáneamente, en relación con los impactos actuales, que varían según el peso que se les da en el marco de optimización (consulte la sección "Métodos"). Según los datos utilizados, las tierras de cultivo reubicadas son de secano; no se muestra el porcentaje resultante de tierras de cultivo irrigadas en cada escenario (que oscila entre el 21 % para la distribución actual y el 0 % y el 0,6 % en el escenario de reubicación total a través y dentro de las fronteras nacionales, respectivamente). Los marcadores negros representan la compensación óptima entre los impactos del carbono y la biodiversidad (ver la sección “Métodos”); los de a y b corresponden a los mapas de tierras de cultivo de la Fig.  1c, d , respectivamente, y los de c– f a los mapas en la Fig.  3a–d complementaria . En todos los escenarios, los niveles de producción global de cultivos individuales son idénticos a los actuales; en los escenarios de deslocalización nacional, este es también el caso de los niveles de producción nacional. Todas las estimaciones se basan en las condiciones climáticas actuales.

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Las posibles reducciones del impacto estimadas bajo el supuesto de una gestión de cultivos con muchos insumos en tierras de cultivo recién establecidas son necesariamente más altas que para prácticas agrícolas menos intensivas, dado que los requisitos de tierra son más elevados en el último caso. Un aspecto importante en el contexto del manejo de cultivos de bajos insumos en nuevos sitios es que la reubicación más allá de una cierta proporción de la producción puede aumentar los impactos ambientales, en lugar de reducirlos. Esto ocurre cuando la producción de cultivos se traslada de las áreas existentes, en las que los rendimientos son altos como resultado de la agricultura intensiva, a lugares donde los cultivos se manejan de manera menos intensiva; este paso puede requerir un área adicional tan grande que compense los beneficios ambientales del nuevo sitio. Para el manejo de cultivos de insumos medios y bajos, respectivamente, en tierras de cultivo recién establecidas, 3c–f ). A estos niveles, y suponiendo una gestión de insumos medios en las nuevas tierras de cultivo, los impactos actuales sobre el carbono y la biodiversidad de la producción agrícola mundial se reducirían simultáneamente en un 54 % y un 80 %, respectivamente, para una reubicación óptima a través de las fronteras nacionales (Fig.  3c , marcador negro), y en un 35% y 63%, respectivamente, para una reubicación óptima dentro de los países (Fig.  3d , marcador negro). Para una gestión de bajos insumos en nuevas áreas, los impactos del carbono y la biodiversidad, respectivamente, se reducirían en un 27 % y un 65 % para la reubicación transnacional (Fig.  3e , marcador negro), y en un 8 % y un 37 % para la reubicación nacional (Fig.  3f, marcador negro). Estos resultados reafirman que cerrar las brechas de rendimiento es importante para reducir la huella ambiental de la agricultura 2 , 3 , 18 , 19 , 20 , 51 , 52 ; Al mismo tiempo, incluso para prácticas agrícolas menos intensivas, los impactos de carbono y biodiversidad en áreas de cultivo distribuidas de manera óptima son sustancialmente más bajos de lo que son en la actualidad (Fig.  3c–f), lo que demuestra que se pueden lograr beneficios sustanciales solo con la reubicación de las tierras de cultivo. Esto es particularmente relevante dado que la implementación de un manejo de cultivos con muchos insumos puede ser difícil, debido a los rendimientos económicos marginales a corto plazo de la mecanización de la producción, el uso de variedades de cultivos de alto rendimiento y la mejora de fertilizantes y pesticidas o debido a problemas socioeconómicos, políticos, políticos locales. o restricciones infraestructurales 53 . Los esfuerzos gubernamentales e intergubernamentales para apoyar a los agricultores en la intensificación sostenible de la producción son clave para obtener los beneficios ambientales asociados con el cierre de las brechas de rendimiento agrícola 54 .

Las reducciones del impacto del carbono y la biodiversidad asociadas con la reubicación de tierras de cultivo son desproporcionadamente altas en relación con el cambio en el área total de tierras de cultivo (Figura complementaria  4 ). Para el manejo de cultivos con muchos insumos (Fig.  4a complementaria ), esto demuestra que los beneficios estimados no son simplemente una consecuencia de la disminución en el área total debido a mayores rendimientos. Este hecho se vuelve aún más claro en el caso de la gestión de bajos insumos, donde se pueden lograr reducciones de impacto considerables a pesar de un aumento en el área total de tierras de cultivo causada por bajos rendimientos en áreas recién establecidas (Figura complementaria  4c ).

Compensación entre reducción del impacto del carbono y la biodiversidad

La compensación entre la reducción del impacto del carbono y la biodiversidad es muy pequeña, como lo muestra la alta convexidad de las líneas que representan conjuntos de reducciones del impacto del carbono y la biodiversidad alcanzables simultáneamente en la Fig.  3 . La optimización de la distribución de las tierras de cultivo para cada una de las dos medidas de impacto de forma independiente permite potenciales de reducción de hasta el 73 % y el 94 %, respectivamente, en el caso de una reubicación transnacional de áreas, y hasta el 61 % y el 81 %, respectivamente, en el caso de la reubicación nacional, suponiendo una gestión de altos insumos en las nuevas tierras de cultivo (Fig.  3a, b , puntos finales de las líneas azul oscuro). Estas reducciones son solo ligeramente superiores a las obtenidas simultáneamente para el escenario de ponderación óptima considerado hasta ahora (Fig.  3a, b, rotuladores negros). Los resultados son similares para el manejo de cultivos de insumos bajos y medios (Fig.  3c–f ).

Sensibilidad a la métrica de biodiversidad

La fuerte relación entre el tamaño del área de distribución de las especies y su vulnerabilidad a la extinción 40 , 41 hace que la rareza del área de distribución sea una métrica de biodiversidad particularmente relevante para la conservación 39 ; sin embargo, como cualquier indicador, captura solo ciertos aspectos de la diversidad biológica 55 . Para evaluar el efecto de usar una métrica alternativa, repetimos nuestro análisis en la Fig.  1, pero midió la biodiversidad en términos de riqueza de especies (Métodos). Estimamos que para una distribución globalmente optimizada de tierras de cultivo y rendimientos de secano con altos insumos, los impactos de la producción de cultivos en el carbono y la riqueza de especies serían un 70 % y un 77 % más bajos, respectivamente, de lo que son en la actualidad, mientras que las reducciones del 60 % y el 67 % , respectivamente, podría lograrse mediante una reubicación óptima dentro de las fronteras nacionales (Fig.  5 complementaria ). Las ubicaciones de los sitios de cultivo óptimos en estos escenarios son, en general, similares a las identificadas en función de la rareza del rango, con un 69 % y un 86 % de áreas óptimas para la reubicación a través y dentro de la frontera, respectivamente, que se superponen con las áreas respectivas en la Fig.  1c, D. En particular, en el caso de la reubicación transnacional, las áreas óptimas se superponen en el cinturón de maíz del medio oeste de los EE. UU., el noreste de Argentina, el noreste de China y el norte del Mar Negro, aunque la banda longitudinal al sur de la zona del Sahel ya no es óptima en términos de riqueza de especies (Fig.  5b complementaria ), debido al número relativamente alto de especies (generalmente no de rango pequeño) en esta área (Fig.  1c, d complementaria ). Los potenciales ligeramente más bajos para reducir los impactos en la biodiversidad, en comparación con nuestros resultados basados ​​en la rareza del rango, se deben a la distribución espacial más uniforme de la riqueza de especies en comparación con la rareza del rango (Figuras complementarias  1c, d ).

Tiempos de recuperación del carbono después de la reubicación de cultivos

La restauración de las reservas de carbono y la biodiversidad en áreas agrícolas abandonadas es un proceso a largo plazo, mientras que los impactos ambientales de reubicar la producción de cultivos en ubicaciones óptimas que actualmente no se cultivan serían casi instantáneos. ¿Cuánto tiempo tomaría para que estos nuevos impactos sean compensados ​​por la regeneración gradual de las áreas abandonadas? Suponiendo estimaciones conservadoras de la trayectoria de recuperación de carbono en tierras agrícolas degradadas (consulte la sección "Métodos") y una gestión de altos insumos en nuevas tierras de cultivo, estimamos que el impacto neto de carbono de la reubicación óptima de toda la producción agrícola actual dentro de las fronteras nacionales alcanzaría el punto de equilibrio dentro de una década, y en menos de la mitad de ese tiempo para la reubicación a través de las fronteras (Figura complementaria  6). Para la reubicación óptima de partes más pequeñas de la producción que actualmente están ubicadas en áreas con los mayores potenciales de restauración (consulte la sección "Métodos"), los puntos de equilibrio se alcanzarían desproporcionadamente antes (Figura complementaria  6 ) como resultado de la desigual distribución de los impactos y la producción en las áreas actuales (Fig.  2 complementaria ). Estas escalas de tiempo cortas ilustran nuevamente la diferencia considerable entre los impactos de carbono actuales y los mínimos alcanzables. No intentamos estimar los tiempos de equilibrio para la biodiversidad, dada la falta de estimaciones de recuperación con una cobertura espacial adecuada.

Aspectos normativos de la reubicación de tierras de cultivo

¿Cómo se puede implementar en la práctica la reubicación de tierras de cultivo, a pequeña o gran escala? Una serie de esquemas nacionales y supranacionales de reserva, destinados a retirar tierras agrícolas para obtener beneficios ambientales, pueden ofrecer modelos útiles sobre cómo los pagos por servicios ecosistémicos pueden reducir los impactos actuales de manera socioeconómicamente sostenible 56 , 57 , 58 . Como ejemplo de caso, el programa Grain for Green de China, el esquema nacional de pagos por servicios ecosistémicos más grande del mundo, logró la regeneración de 15 millones de hectáreas de tierras agrícolas a bosques entre 1999 y 2010, con resultados económicos positivos generales para los 124 millones de personas involucradas 59. El programa generó beneficios sustanciales de carbono y biodiversidad, a pesar de estar destinado principalmente a reducir la erosión del suelo 59 , 60 . También facilitó una reubicación efectiva de las tierras de cultivo del sur al norte de China 61 . Diseñar incentivos para fomentar el abandono y la regeneración de las áreas menos eficientes agroambientalmente será crucial para lograr los beneficios de manera más efectiva. Los fondos climáticos internacionales pueden ayudar a los países que carecen de los medios financieros para pagar a los agricultores en la implementación de esquemas duraderos de retirada de tierras 62 . Además, en muchas partes del mundo, los subsidios agrícolas evitan el abandono de tierras agrícolas que, de otro modo, ocurriría naturalmente 63; Por lo tanto, reducir los subsidios en áreas con alto potencial de almacenamiento de carbono y biodiversidad representa una estrategia particularmente rentable para generar beneficios ambientales 64 . Una serie de medidas financieras, de infraestructura y políticas, que van desde la zonificación del uso de la tierra hasta el apoyo agronómico estratégico y los esquemas de certificación 54 , pueden incentivar el establecimiento de nuevas tierras agrícolas en áreas objetivo óptimas. Simultáneamente, marcos legales y políticos sólidos 65 , 66 , 67 , 68son necesarios para garantizar una protección eficaz de las tierras de cultivo abandonadas en regeneración y promover la restauración activa para apoyar el proceso de recuperación cuando sea necesario. Finalmente, es crucial que tales medidas tengan en cuenta la dimensión de equidad social del abandono y reubicación de tierras agrícolas 69 . Reconocer que la compensación financiera no puede reemplazar los activos sociales y culturales, y que la reubicación de las tierras agrícolas debe ser consensuada, debe ser la piedra angular de cualquier diseño de programa.

incertidumbres

Las incertidumbres en nuestro análisis están vinculadas a las de los datos de entrada relevantes, específicamente los mapas globales de los impactos del carbono y la biodiversidad y los rendimientos reales y potenciales; sin embargo, la falta de estimaciones de incertidumbre para estos conjuntos de datos no nos permite cuantificar formalmente las incertidumbres en nuestro análisis. Los datos específicos del país y del cultivo utilizados para generar mapas globales de los rendimientos observados y las áreas cosechadas utilizadas aquí difieren en calidad; sin embargo, los mapas derivados han sido curados y validados ampliamente en base a conjuntos de datos regionales y nacionales independientes y la opinión de expertos locales 37. Las estimaciones de los rendimientos potenciales de los cultivos están limitadas por la disponibilidad y la calidad de los datos climáticos, ecológicos y agrícolas necesarios para calibrar los modelos de rendimiento; La información espacialmente heterogénea sobre las propiedades globales del suelo en particular se ha señalado como una limitación importante 42 . Sin embargo, las estimaciones derivadas se han sometido a una extensa verificación sobre el terreno basada en registros estadísticos locales de todo el mundo 42 . Las existencias potenciales de carbono natural, utilizadas aquí para evaluar los impactos del carbono, se derivaron en base a metodologías establecidas que logran solidez al proporcionar estimaciones que generalmente son específicas para una combinación determinada de ecosistema, clima y región geográfica y que, por lo tanto, pueden subrepresentar heterogeneidades espaciales más finas 8. Los mapas de distribución de especies de expertos, utilizados para estimar los impactos en la biodiversidad, no están exentos de incertidumbres e imprecisiones 70 , 71 ; sin embargo, permiten una estimación consistente y transparente de los efectos de la conversión de tierras agrícolas en la biodiversidad natural en áreas actualmente cultivadas y no cultivadas en todo el mundo que no sería trivial para enfoques alternativos para lograr 38 , 72 .

Perspectivas futuras

Considerar los rendimientos potenciales de secano nos ha permitido identificar distribuciones de tierras de cultivo que obvian la necesidad de riego sistemático; sin embargo, en varias partes del mundo, los recursos hídricos locales son en la actualidad 73 , o lo serán en el futuro 74 , lo suficientemente abundantes como para permitir un riego sostenible, que puede aumentar sustancialmente los rendimientos 53 . Esto destaca la necesidad de estimaciones de rendimiento potencial suponiendo un suministro de agua basado en el riego, que actualmente no está disponible en la misma medida que los rendimientos de secano utilizados aquí 42 . Tales estimaciones, combinadas con los modelos de uso de agua de cultivos 31 , permitirían una evaluación rigurosa de las compensaciones de tres vías entre los impactos del carbono, la biodiversidad y el agua.

Examinamos tres escenarios diferentes de manejo de cultivos a escala global; en realidad, la intensidad de la agricultura y el cierre de la brecha de rendimiento son muy heterogéneos espacialmente 53 , dependiendo de las condiciones socioeconómicas locales. Las estimaciones de los niveles probables de rendimiento de los cultivos en lugares donde actualmente no se cultivan, dadas las circunstancias locales específicas actuales o futuras proyectadas, serían valiosas para determinar estrategias óptimas de reubicación en contextos locales.

Aquí no intentamos optimizar también la distribución espacial de los pastos globales (pero asumimos que estos no están disponibles para nuevas tierras de cultivo), debido a la falta de mapas apropiados del crecimiento potencial del pasto y la mayor complejidad del ganado en comparación con los procesos de producción de cultivos. Sin embargo, su inmenso tamaño sugiere un tremendo potencial para reducir los impactos ambientales a través de una reubicación óptima, que merece ser examinado. En este contexto de productos de origen animal, así como de cultivos, será muy informativo explorar el beneficio potencial de una estrategia combinada de cambios en la dieta y optimización espacial de las áreas agrícolas, en las que se minimizan los impactos ambientales mientras se mantiene la niveles de producción global de cultivos individuales, como se hace aquí, pero cumpliendo con una producción adecuada de nutrientes.

Conclusiones

La reasignación espacial de la producción agrícola tiene un enorme potencial para reducir los impactos ambientales de la producción mundial de alimentos. Es importante destacar que la reubicación de tierras de cultivo no necesita implementarse a gran escala para generar beneficios sustanciales; incluso una redistribución de pequeñas partes de la producción, a través de escalas espaciales más pequeñas y sin una gestión completamente optimizada en nuevos sitios, tendría efectos positivos considerables. Si bien los desafíos políticos y socioeconómicos asociados con esta estrategia son innegables, existe una variedad de medidas políticas comprobadas para facilitar los pasos relevantes de manera sostenible. Su implementación será crucial para hacer realidad el potencial ambiental de mover áreas agrícolas, brindando ganancias que son muy necesarias si queremos revertir la degradación en curso del clima global, la biodiversidad,

Métodos

Usamos la notación en la Tabla  1 .

Tabla 1 Notación utilizada en la descripción del marco de optimización.

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Producción actual de cultivos y áreas, P i ( x ), H i ( x )

Usamos mapas de 5 minutos de arco de la producción de peso fresco P i ( x ) (Mg año −1 ) y el área de cultivo H i ( x ) (ha) de 25 cultivos principales (Tabla  2 ) en el año 2010 37 . Estos representan los datos globales más recientes espacialmente explícitos y específicos de cultivos 75 . Se disponía de mapas separados para tierras de cultivo de regadío y de secano, lo que nos permitió estimar la proporción mundial de áreas de regadío como el 21% de todas las tierras de cultivo.

Cuadro 2 Cultivos incluidos en el análisis.

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Rendimientos agroecológicamente alcanzablesYˆi(x)${\hat{Y}}_i(x)$

Utilizamos mapas de 5 minutos de arco del rendimiento de peso seco agroecológicamente alcanzable (Mg ha −1  año −1 ) de los mismos 25 cultivos en áreas de cultivo potenciales en todo el mundo (Película complementaria  3 ) del modelo GAEZ v4, que incorpora condiciones térmicas, de humedad, agroclimáticas, del suelo y del terreno 42 . Estas estimaciones de rendimiento se derivaron con base en el supuesto de suministro de agua de secano (es decir, sin riego adicional) y están disponibles para las condiciones climáticas actuales y, asumiendo un efecto de fertilización con CO 2 , para cuatro escenarios climáticos futuros (período 2071-2100) correspondientes a rutas de concentración (RCP) 2.6, 4.5, 6.0 y 8.5 76 simuladas por el modelo HadGEM2-ES 77. Las estimaciones del rendimiento potencial de secano para las condiciones climáticas actuales estaban disponibles para un nivel de manejo de cultivos de bajos y altos insumos, que representaban, respectivamente, sistemas de agricultura orgánica basados ​​en la subsistencia y producción avanzada y completamente mecanizada utilizando variedades de cultivos de alto rendimiento y fertilizantes y pesticidas óptimos. aplicación 42 . Además, consideramos los rendimientos potenciales que representan un escenario de gestión de insumos medios, dado por la media de los rendimientos relevantes de insumos altos y bajos. Los rendimientos potenciales futuros estaban disponibles solo para el nivel de manejo de alto insumo. Por lo tanto, consideramos un total de 175 (=25 × 3 presente + 25 × 4 futuro) mapas de rendimiento potencial. Los rendimientos potenciales de peso seco se convirtieron a rendimientos de peso fresco, , usando factores de conversión específicos del cultivoYˆi(x)${\hat{Y}}_i(x)$42 , 78 .

Los rendimientos de secano potenciales actuales y futuros de GAEZ v4 se simularon en función de los datos meteorológicos diarios y, por lo tanto, tienen en cuenta eventos a corto plazo como días de heladas, olas de calor y períodos húmedos y secos 42 . Sin embargo, las estimaciones representan promedios de rendimientos anuales a lo largo de períodos de 30 años; por lo tanto, mientras que la necesidad de riego en las áreas de cultivo identificadas en nuestro enfoque durante años particularmente secos puede en principio obviarse mediante el almacenamiento adecuado de la producción de cultivos 79 , en la práctica, el riego ad hoc puede ser una medida económicamente deseable para mantener la productividad durante tiempos de sequía , que se prevé que aumenten en diferentes regiones geográficas debido al cambio climático 80 , 81 .

Impacto de carbono C i ( x )

Siguiendo un enfoque anterior 8 , el impacto del carbono de la producción de cultivos, C i ( x ), en una celda de cuadrícula de 5 minutos de arco, se estimó como la diferencia entre las reservas potenciales de carbono natural y las reservas de carbono específicas de las tierras de cultivo, cada una dada por la suma del carbono relevante específico de la vegetación y del suelo. El cambio en las reservas de carbono de la vegetación resultante de la conversión de la tierra viene dado por la diferencia entre el carbono almacenado en la vegetación natural potencial, disponible como un mapa global de 5 minutos de arco 8 (Figura complementaria  1a ), y el carbono almacenado en los cultivos, para que utilizamos las estimaciones disponibles 8 , 78. Con respecto al suelo, no se dispone de estimaciones globales espacialmente explícitas de los cambios en el carbono orgánico del suelo (COS) debido al cambio en la cobertura terrestre. Por lo tanto, elegimos un enfoque simple, consistente con estimaciones a través de grandes escalas espaciales, en lugar de un modelo complejo espacialmente explícito para el cual, dados los datos empíricos limitados, sería difícil lograr predicciones sólidas a lo largo y más allá de las áreas cultivadas actualmente. Siguiendo un enfoque anterior 8 , y respaldado por metanálisis empíricos 82 , 83 , 84 , 85 , 86, asumimos que la conversión del hábitat natural a tierras de cultivo da como resultado una reducción del 25 % del COS natural potencial. Para este último, utilizamos un mapa global de 5 minutos de arco de existencias de SOC preagrícolas 7 (Figura complementaria  1b ). Por lo tanto, el impacto de carbono local total (Mg C ha −1 ) de la producción del cultivo i en la celda de cuadrícula x se estimó como

Ci(x)=Cpotentialvegetation(x)+0.25⋅CpotentialSOC(x)−Ccrop(i)$$C_i(x)=C_{\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{v}\mathrm{e}\mathrm{g}\mathrm{e}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{o}\mathrm{n}}(x)+0.25\cdot C_{\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{S}\mathrm{O}\mathrm{C}}(x)-C_{\mathrm{c}\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{p}}(i)$$

(1)

donde Cpotencialvegetación(x)$C_{\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{c}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{v}\mathrm{e}\mathrm{g}\mathrm{e}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{i}ó\mathrm{n}}(x)$ yCpotentialSOC(x)$C_{\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{S}\mathrm{O}\mathrm{C}}(x)$ indican las reservas naturales potenciales de carbono en la vegetación y el suelo en x , respectivamente, y denota las reservas de carbono del cultivo i (todo en MgCha- 1 ). Por diseño, el enfoque nos permite estimar el impacto de carbono de la conversión del hábitat natural en tierras de cultivo, independientemente de si un área está actualmente cultivada o no.Ccrop(i)$C_{\mathrm{c}\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{p}}(i)$

En nuestro análisis, no consideramos las emisiones de gases de efecto invernadero de fuentes distintas al cambio de uso de la tierra, incluidas las emisiones de nitroso de los suelos fertilizados y las emisiones de metano de los arrozales 87 . A diferencia de las emisiones únicas de cambio de uso de la tierra consideradas aquí, esas son emisiones continuas que incurren continuamente en el proceso de producción. Supondríamos que la magnitud de estas emisiones en un escenario de redistribución de superficies agrícolas, en el que la producción total de cada cultivo se mantiene constante, es aproximadamente similar a la asociada a la actual distribución de superficies. Tampoco consideramos las emisiones asociadas al transporte; sin embargo, se ha demostrado que estos son pequeños en comparación con otras emisiones de la cadena alimentaria 88y escasamente correlacionada con la distancia recorrida por los productos agrícolas 89 .

Impacto en la biodiversidad B i ( x )

Análogamente a nuestro enfoque para el carbono, estimamos el impacto de la producción de cultivos en la biodiversidad, B i ( x ), en una celda de cuadrícula de 5 minutos de arco como la diferencia entre la biodiversidad local asociada con el hábitat natural y la asociada con las tierras de cultivo. Para nuestro análisis principal, cuantificamos la biodiversidad local en términos de la rareza del rango (dada por la suma de los tamaños inversos del rango de especies; ver más abajo) de mamíferos, aves y anfibios. La rareza del rango ha sido defendida como una medida de biodiversidad particularmente relevante para la planificación de la conservación en general 39 , 90 , 91 , 92 , 93 y la protección de especies endémicas en particular 39. En un análisis complementario, también consideramos la biodiversidad en términos de riqueza de especies.

Usamos mapas globales de 5 minutos de arco de la rareza del rango y la riqueza de especies de mamíferos, aves y anfibios bajo vegetación natural potencial (Fig.  1c, d complementaria ) y bajo cobertura de tierras de cultivo 94 . La metodología utilizada para generar estos datos 38 combina extensiones de presencia específicas de especies (envolturas espaciales de los límites geográficos más externos de las especies 40 ) y preferencias de hábitat (listas de categorías de cobertura terrestre en las que las especies pueden vivir 95 ), ambos disponibles para todos los mamíferos, aves , y anfibios 96 , 97 , con un mapa global de biomas naturales potenciales 44para estimar qué especies estarían presentes en una cuadrícula para las condiciones del hábitat natural. La incorporación de información sobre la capacidad de las especies para vivir en tierras de cultivo, incluida en las preferencias de hábitat, permite determinar las especies que tolerarían y las que no tolerarían una conversión local de hábitat natural en tierras de cultivo. El impacto de la producción de cultivos en la riqueza de especies en una celda de cuadrícula se obtiene luego como el número de especies que se estima que se pierden localmente cuando el hábitat natural se convierte en tierra de cultivo. En lugar de sopesar todas las especies por igual, el impacto de la rareza del rango en una celda de cuadrícula se calcula como la suma de los tamaños de rango natural potenciales inversos de las especies que se pierden localmente cuando se convierte el hábitat natural; por lo tanto, se atribuye un mayor peso a las especies de rango restringido, que tienden a estar en mayor riesgo de extinción 40 , 41 .

Como en el caso del carbono, el enfoque nos permite estimar el impacto en la biodiversidad de la producción de cultivos tanto en las áreas actualmente cultivadas como en las no cultivadas.

Terreno potencialmente disponible para la agricultura, V ( x )

Definimos el área V ( x ) (ha) potencialmente disponible para la producción de cultivos en una celda de cuadrícula dada x , como el área que actualmente no está cubierta por cuerpos de agua 42 , tierra inadecuada debido a las limitaciones del suelo y el terreno 42 , tierra edificada (urbana áreas, infraestructura, caminos) 1 , pastizales 1 , cultivos no considerados en nuestro análisis 37 , o áreas protegidas 42 (Figura Suplementaria  1e). En el escenario de una reubicación parcial de la producción de cultivos, en el que una parte de las tierras de cultivo existentes no se mueve, las áreas retenidas relevantes se restan adicionalmente del área potencialmente disponible, como se describe más adelante.

Reubicación transnacional óptima

Primero consideramos el escenario en el que todas las tierras de cultivo actuales se reubican a través de las fronteras nacionales en función del clima actual (Fig.  3a , línea azul oscuro). Para cada cultivo i y cada celda de la cuadrícula x , determinamos el área local (es decir, específica de la celda de la cuadrícula) (ha) en la que se encuentra el cultivo i cultivado en la celda x para que la producción total de cada cultivo i sea igual a la producción actual y el impacto ambiental sea mínimo. denotar porHˆi(x)${\hat{H}}_i(x)$

P¯i=∑xPi(x)$${\overline{P}}_i={\sum }_x{P}_i(x)$$

(2)

la producción global actual del cultivo i , cualquier solución debe satisfacer las restricciones de igualdadHˆi(x)${\hat{H}}_i(x)$

∑xHˆi(x)⋅Yˆi(x)=P¯iforeachcropi$${\sum }_x{\hat{H}}_i(x)\cdot {\hat{Y}}_i(x)={\overline{P}}_{\mathrm{i}}\mathrm{f}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{c}\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{p}i$$

(3)

exigir que la producción total de cada cultivo individual después de la reubicación sea igual a la actual. Una solución también debe satisfacer las restricciones de desigualdad

∑iHˆi(x)≤V(x)foreachgridcellx,$${\sum }_i{\hat{H}}_i(x)\le V(x)\mathrm{f}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{g}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{d}\mathrm{c}\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{l}x,$$

(4)

asegurando que la suma local de áreas de cultivo no sea mayor que el área disponible localmente V ( x ) (ver arriba). Dadas estas limitaciones, podemos identificar la configuración global de las tierras de cultivo que minimiza el impacto total asociado del carbono o la biodiversidad al minimizar la función objetivo

∑xHˆi(x)⋅Ci(x)→minor∑xHˆi(x)⋅Bi(x)→min$${\sum }_x{\hat{H}}_i(x)\cdot C_i(x)\to min\mathrm{o}\mathrm{r}{\sum }_x{\hat{H}}_i(x)\cdot B_i(x)\to min$$

(5)

respectivamente. En términos más generales, podemos minimizar una medida combinada de impacto del carbono y la biodiversidad, y examinar las compensaciones potenciales entre minimizar cada uno de los dos impactos, al considerar la función objetivo ponderada

∑xHˆi(x)⋅(α⋅Ci(x)+(1−α)⋅Bi(x))→min$${\sum }_x{\hat{H}}_i(x)\cdot (\alpha \cdot C_i(x)+(1-\alpha )\cdot B_i(x))\to min$$

(6)

donde el parámetro de ponderación α oscila entre 0 y 1.

Teniendo en cuenta todos los cultivos en todas las celdas de la cuadrícula, denotamos por

C¯=∑i∑xHi(x)⋅Ci(x)$$\overline{C}={\sum }_i{\sum }_x{H}_i(x)\cdot C_i(x)$$

(7)

el impacto global del carbono asociado con la distribución actual de las tierras de cultivo, y por

C^(α)=∑i∑xH^i(x)⋅Ci(x)$$\hat{C}(\alpha )={\sum }_i{\sum }_x{\hat{H}}_i(x)\cdot C_i(x)$$

(8)

el impacto global del carbono asociado con la distribución óptima de tierras de cultivo para alguna ponderación de carbono-biodiversidad . El cambio relativo entre el impacto de carbono actual y el óptimo viene dado por{Hˆi(x)}i,x(={Hˆαi(x)}i,x)${\{{\hat{H}}_i(x)\}}_{i,x}(={\{{\hat{H}}_i^{\alpha }(x)\}}_{i,x})$α∈[0,1]$\alpha \in [0,1]$

c^(α)=100%⋅C^(α)−C¯C¯$$\hat{c}(\alpha )=100\mathrm{\%}\cdot \frac{\hat{C}(\alpha )-\overline{C}}{\overline{C}}$$

(9)

Usando una notación análoga, el cambio relativo entre el impacto actual y el óptimo sobre la biodiversidad global en todos los cultivos y celdas de la cuadrícula viene dado por

bˆ(α)=100%⋅Bˆ(α)−B¯B¯$$\hat{b}(\alpha )=100\mathrm{\%}\cdot \frac{\hat{B}(\alpha )-\overline{B}}{\overline{B}}$$

(10)

La línea azul oscuro en la Fig.  3a visualiza y para el rango completo de ponderaciones de carbono-biodiversidad , cada uno de los cuales corresponde a una distribución óptima específica de tierras de cultivo . Definimos una ponderación óptima , destinada a representar un escenario en el que la compensación entre minimizar el impacto total del carbono y minimizar el impacto total sobre la biodiversidad es lo más pequeño posible. Tal ponderación es necesariamente subjetiva; aquí lo definimos comocˆ(α)$\hat{c}(\alpha )$bˆ(α)$\hat{b}(\alpha )$α∈[0,1]$\alpha \in [0,1]${Hˆi(x)}i,x${\{{\hat{H}}_i(x)\}}_{i,x}$αopt${\alpha }_{\mathrm{o}\mathrm{p}\mathrm{t}}$

αopt=argminα∈[0,1]∣∣∣∂c^(α)∂b^(α)c^(α)⋅∂b^(α)∂c^(α)b^(α)∣∣∣$${\alpha }_{\mathrm{o}\mathrm{p}\mathrm{t}}=\arg {min}_{\alpha \in [0,1]}\left|\begin{array}{l}\frac{\frac{\mathrm{\partial }\hat{c}(\alpha )}{\mathrm{\partial }\hat{b}(\alpha )}}{\hat{c}(\alpha )}\cdot \frac{\frac{\mathrm{\partial }\hat{b}(\alpha )}{\mathrm{\partial }\hat{c}(\alpha )}}{\hat{b}(\alpha )}\end{array}\right|$$

(11)

Cada uno de los dos factores del lado derecho representa la tasa de cambio relativa en la reducción de un tipo de impacto con respecto al cambio en la reducción del otro cuando α varía. Por lo tanto, α opt representa la ponderación en la que ningún tipo de impacto puede reducirse más variando α sin aumentar el impacto relativo del otro en al menos la misma cantidad. Los escenarios basados ​​en esta ponderación óptima se muestran en las Figs. 1 ,   2 y las figuras complementarias. 3 – 6 , y están representados por los marcadores negros en la Fig.  3 .

Nuestro enfoque no tiene en cuenta los cultivos múltiples; es decir, parte de una celda de cuadrícula no se asigna a más de un cultivo, y el rendimiento anual asumido se basa en una sola cosecha. Permitir que varios cultivos se planten sucesivamente en el mismo lugar durante un período de crecimiento aumentaría sustancialmente la dimensionalidad del problema de optimización. Sin embargo, dado que solo el 5 % de las áreas de secano actuales del mundo están bajo cultivos múltiples 98 , es probable que esto no sea una gran limitación de nuestro análisis basado en secano. Como resultado de este enfoque, nuestros resultados pueden incluso subestimar ligeramente el potencial de producción de cultivos locales y, por lo tanto, los potenciales de reducción del impacto global.

Reubicación nacional óptima

En el caso de áreas que se reubican dentro de las fronteras nacionales, el marco matemático es idéntico con la excepción de que la suma de las celdas de cuadrícula relevantes x en las ecuaciones. ( 2 ) y ( 4 ) se ocupan de las celdas que definen el país de interés dado, en lugar del mundo entero. De esta forma, la producción total de cada cultivo dentro de cada país para tierras de cultivo óptimamente distribuidas es la misma que para las áreas actuales. Luego se resuelve el problema de optimización de forma independiente para cada país.

Reubicación parcial óptima

Cuando (ya sea por reubicación nacional o transnacional) solo se reubica una cierta proporción de la producción de cada cultivo (de un país o del mundo) en lugar de la producción total, Eq . ( 3 ) cambios enλ∈[0,1]$\lambda \in [0,1]$

∑xHˆi(x)⋅Yˆi(x)=λ⋅P¯iforeachcropi.$$\sum _x{\hat{H}}_i(x)\cdot {\hat{Y}}_i(x)=\lambda \cdot {\overline{P}}_i\mathrm{f}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{c}\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{p}i.$$

(12)

Además, el área potencialmente disponible para nuevas tierras de cultivo, V ( x ), (ver arriba) se reduce por el área que permanece ocupada por tierras de cultivo actuales, lo que representa la proporción de producción que no es siendo reubicado. Denotamos por el área que continúa siendo utilizada para la producción del cultivo i en la celda de cuadrícula x en el escenario donde la proporción λ de la producción es siendo redistribuido de manera óptima. En particular, y para todo i y x(1−λ)$(1-\lambda )$Hλi(x)$H_i^{\lambda }(x)$H0i(x)=Hi(x)$H_i^0(x)=H_i(x)$H1i(x)=0$H_i^1(x)=0$. Para una ponderación de carbono-biodiversidad dada en la ecuación. ( 6 ), se calcula de la siguiente manera. En primer lugar, todas las celdas de cuadrícula en las que se cultiva actualmente el cultivo i se ordenan de acuerdo con su eficiencia agroambiental, es decir, la relación específica de celda de cuadrícula entre el impacto ambiental atribuido a la producción del cultivo y la producción local.α∈[0,1]$\alpha \in [0,1]$Hλi(x)$H_i^{\lambda }(x)$

Eαi(x)=Hi(x)⋅(α⋅Ci(x)+(1−α)⋅Bi(x))Pi(x).$$E_i^{\alpha }(x)=\frac{H_i(x)\cdot (\alpha \cdot C_i(x)+(1-\alpha )\cdot B_i(x))}{P_i(x)}.$$

(13)

Sea el índice de la celda de la cuadrícula en la que crece actualmente el cultivo i es la más pequeña entre todas las celdas de la cuadrícula en las que se cultiva el cultivo. Entonces, sea x 2 el índice para el cual es el segundo más pequeño (o igual al más pequeño), y así sucesivamente. Por lo tanto, el vector contiene todos los índices de las celdas de la cuadrícula donde el cultivo i se cultiva actualmente en forma descendente orden de eficiencia agroambiental. El área retenida en alguna celda de la cuadrícula está dada porx1(=x1(i,α))$x_1(=x_1(i,\alpha ))$Eαi$E_i^{\alpha }$Eαi$E_i^{\alpha }$(x1,x2,x3,…)$(x_1,x_2,x_3,\dots )$Hλi(xn)$H_i^{\lambda }(x_n)$xn$x_n$

Hλi(xn)=⎧⎩⎨⎪⎪Hi(xn)0if∑m=1nPi(xm)≤(1−λ)⋅P¯ielse$$H_i^{\lambda }(x_n)=\{\begin{array}{ll}{H}_i(x_n)& \mathrm{i}\mathrm{f}\sum _{m=1}^n{P}_i(x_m)\le (1-\lambda )\cdot {\overline{P}}_i\\ 0& \mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{s}\mathrm{e}\end{array}$$

(14)

Por lo tanto, las áreas de cultivo en una celda de cuadrícula se conservan si se encuentran entre las más eficientes desde el punto de vista agroambiental del cultivo i en las que la producción combinada no supera (que no se está reubicando). Las áreas de cultivo en las restantes celdas de cuadrícula menos eficientes desde el punto de vista agroambiental se abandonan y quedan potencialmente disponibles para otros cultivos reubicados. Tenga en cuenta que depende de la ponderación α del carbono frente a los impactos sobre la biodiversidad. Finalmente, en lugar de la Ec. ( 4 ), tenemos, en el caso de la reubicación parcial de la proporción λ de la producción total,xn$x_n$(1−λ)⋅P¯i$(1-\lambda )\cdot {\overline{P}}_i$Hλi$H_i^{\lambda }$

∑iHˆi(x)≤V(x)−Hλi(x)foreachgridcellx.$$\sum _i{\hat{H}}_i(x)\le V(x)-H_i^{\lambda }(x)\mathrm{f}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{g}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{d}\mathrm{c}\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{l}x.$$

(15)

Resolviendo el problema de optimización

Todos los conjuntos de datos necesarios en la optimización (es decir, , , , , , , ) están disponibles con una resolución de 5 minutos de arco (0,083°); sin embargo, las limitaciones computacionales requirieron que los ampliáramos a una cuadrícula espacial de 20 minutos de arco (0,33°). A esta resolución, la Ec. ( 6 ) define un problema de optimización lineal de 1,12 × 10 6 dimensiones en el escenario de la reubicación transfronteriza. La alta dimensionalidad del problema se debe en parte al requisito de la ecuación. ( 3A(x)$A(x)$Pi(x)$P_i(x)$Hi(x)$H_i(x)$Ci(x)$C_i(x)$Bi(x)$B_i(x)$Yˆi(x)${\hat{Y}}_i(x)$V(x)$V(x)$) que se mantenga el nivel de producción individual de cada cultivo. Requerir en cambio que, por ejemplo, solo se mantenga la producción calórica total 31 , 99 reduce la ecuación. ( 6 ) a un problema unidimensional. Sin embargo, en tal escenario, la producción de cultivos individuales y, por lo tanto, de macro y micronutrientes, sería generalmente muy diferente de los niveles actuales, suponiendo implícitamente cambios dietéticos potencialmente drásticos que pueden no ser nutricional o culturalmente realistas.

El problema de optimización en la Ec. ( 6 ) se resolvió usando el algoritmo dual-simplex en la función linprog del Matlab R2021b Optimization Toolbox 100 para una tolerancia de terminación en la factibilidad dual de 10 −7 y una tolerancia de factibilidad para restricciones de 10 −4 .

En el caso de una reubicación transnacional de la producción de cultivos, el algoritmo siempre convergió a la solución óptima, es decir, para todos los niveles de gestión de cultivos, escenarios climáticos y proporciones de producción que se estaban reubicando. Para la reubicación dentro de las fronteras nacionales, este no siempre fue el caso. Esto se debe a que algunos países producen pequeñas cantidades de cultivos que, según las estimaciones de rendimiento potencial de GAEZ v4, no podrían cultivarse en las cantidades pertinentes en ningún lugar del país en condiciones climáticas naturales y para el suministro de agua de secano; es probable que estos cultivos requieran cultivo en invernadero o riego, por lo tanto, no pueden reubicarse con éxito dentro de nuestro marco. En todos los países, este fue el caso de la producción que se produjo en el 0,6% de todas las tierras de cultivo. Cuando este fue el caso de un determinado país y cultivo,

Este tema está relacionado con por qué determinar la distribución óptima de las tierras de cultivo dentro de las fronteras nacionales no es un problema bien definido para las condiciones climáticas futuras. Bajo las condiciones climáticas actuales, si un cultivo no se puede reubicar dentro de nuestro marco, entonces su distribución actual ofrece una solución alternativa que proporciona el nivel de producción actual y nos permite cuantificar los impactos ambientales. Las diferentes condiciones climáticas en el futuro significan que la producción de un cultivo en los lugares de cultivo actuales no será la misma que en la actualidad y, por lo tanto, la solución alternativa disponible para el presente ya no está disponible, por lo que una cuantificación consistente de la impactos ambientales de un cultivo no reubicable no es posible.

Trayectorias de recuperación de carbono y biodiversidad

Nuestro análisis en la Fig.  6 complementaria requiere estimaciones espacialmente explícitas de la trayectoria de recuperación de carbono en tierras de cultivo abandonadas. Si bien se ha demostrado que la regeneración del carbono y la biodiversidad sigue ciertos patrones generales, la recuperación es específica del contexto (Nota complementaria  1) en el sentido de que, dependiendo de las condiciones locales, la regeneración en un lugar específico puede tener lugar a velocidades más lentas o más rápidas de lo que normalmente sería el caso en la ecorregión más amplia. Aquí, asumimos que estas advertencias se pueden acomodar utilizando estimaciones conservadoras de los tiempos de recuperación y asumiendo que los factores locales se promediarán en la resolución espacial de nuestro análisis. Los tiempos de recuperación de carbono asumidos aquí se basan en estimaciones específicas del ecosistema del tiempo requerido para que las áreas agrícolas abandonadas retengan las reservas de carbono anteriores a la perturbación 82 . Buscando un enfoque conservador, asumimos tiempos de recuperación de carbono iguales a por lo menos tres veces estas estimaciones, redondeadas al cuarto de siglo más cercano (Tabla  3). Las estimaciones empíricas independientes de sitios específicos y de metanálisis se encuentran dentro de estas escalas de tiempo (Nota complementaria  1 ).

Cuadro 3 Supuestos tiempos requeridos para que las reservas de carbono en tierras de cultivo abandonadas alcancen los niveles previos a la perturbación.

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La aplicación de los valores de la Tabla  3 a un mapa global de biomas naturales potenciales 44 proporciona un mapa de tiempos de recuperación de carbono. Asumimos una trayectoria de recuperación de carbono en forma de raíz cuadrada a lo largo de estos períodos de regeneración 101 ; trayectorias similares, a veces modeladas por funciones exponenciales de convergencia más rápida, se han identificado en otros estudios 25 , 27 , 30 , 102 , 103 , 104 , 105 . Por lo tanto, se asumió que las reservas de carbono en un área de una celda de cuadrícula x utilizada previamente para cultivar i se regeneran de acuerdo con la función

{Cagricultura _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _( X ) +tTcarbon(x)−−−−−−√⋅(Cpotential(x)−Cagricultural(x))Cpotential(x)ift<Tcarbonift≥Tcarbon$$\{\begin{array}{ll}{C}_{\mathrm{a}\mathrm{g}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{t}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{l}}(x)+\sqrt{\frac{t}{T_{\mathrm{c}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{b}\mathrm{o}\mathrm{n}}(x)}}\cdot (C_{\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{l}}(x)-C_{\mathrm{a}\mathrm{g}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{t}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{l}}(x))& \mathrm{i}\mathrm{f}t<T_{\mathrm{c}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{b}\mathrm{o}\mathrm{n}}\\ C_{\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{l}}(x)& \mathrm{i}\mathrm{f}t\ge T_{\mathrm{c}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{b}\mathrm{o}\mathrm{n}}\end{array}$$

(dieciséis)

donde, usando la misma notación que más arriba

Cpotential(x)=Cpotentialvegetation(x)+CpotentialSOC(x)Cagricultural(x)=Ci(x)+0.75⋅CpotentialSOC(x)$$\begin{gathered} C_{\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{l}}(x)=C_{\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{v}\mathrm{e}\mathrm{g}\mathrm{e}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{o}\mathrm{n}}(x)+C_{\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{S}\mathrm{O}\mathrm{C}}(x) \\ {C}_{\mathrm{a}\mathrm{g}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{t}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{l}}(x)=C_i(x)+0.75\cdot C_{\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{S}\mathrm{O}\mathrm{C}}(x) \end{gathered}$$

(17)

Resumen de informes

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

Disponibilidad de datos

Los datos asociados con este estudio están disponibles en Open Science Framework ( https://doi.org/10.17605/OSF.IO/MHS9K ).

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Referencias

1. Ellis, EC et al. Transformación antropogénica de los biomas 1700 a 2000. Glob. Ecol. Biogeogr. 19 , 589–606 (2010).

   Google Académico 

2. Foley, JA et al. Soluciones para un planeta cultivado. Naturaleza 478 , 337–342 (2011).

   CAS Google Académico 

3. Springmann, M. et al. Opciones para mantener el sistema alimentario dentro de los límites ambientales. Naturaleza 562 , 519–525 (2018).

   CAS Google Académico 

4. Vermeulen, SJ, Campbell, BM & Ingram, JSI Cambio climático y sistemas alimentarios. año Rev. Medio Ambiente. recurso 37 , 195–222 (2012).

   Google Académico 

5. Tubiello, FN et al. La contribución de la agricultura, la silvicultura y otras actividades de uso de la tierra al calentamiento global, 1990–2012. globo Cambio Biol. 21 , 2655–2660 (2015).

   Google Académico 

6. Crippa, M. et al. Los sistemas alimentarios son responsables de un tercio de las emisiones antropogénicas mundiales de GEI. Nat. Alimentos 2 , 198–209 (2021).

   CAS Google Académico 

7. Sanderman, J., Hengl, T. & Fiske, GJ Deuda de carbono del suelo de 12 000 años de uso humano de la tierra. proc. nacional Academia ciencia 114 , 9575–9580 (2017).

   CAS Google Académico 

8. Oeste, PC et al. Comercio de carbono por alimentos: Comparación global de las reservas de carbono frente a los rendimientos de los cultivos en tierras agrícolas. proc. nacional Academia ciencia 107 , 19645–19648 (2010).

   CAS Google Académico 

9. Sala, OE et al. Escenarios de biodiversidad global para el año 2100. Science 287 , 1770–1774 (2000).

   CAS Google Académico 

10. IPBES. Informe de evaluación global sobre biodiversidad y servicios de los ecosistemas de la Plataforma Intergubernamental de Ciencia y Política sobre Biodiversidad y Servicios de los Ecosistemas (Secretaría de IPBES, 2019).

11. Dudley, N. & Alexander, S. Agricultura y biodiversidad: una revisión. Biodiversidad 18 , 45–49 (2017).

    Google Académico 

12. Benton, TG, Bieg, C., Harwatt, H., Pudasaini, R. & Wellesley, L. Impactos del sistema alimentario en la pérdida de biodiversidad: Tres palancas de transformación del sistema alimentario en apoyo de la naturaleza (Chatham House, 2021).

13. Postel, SL, Daily, GC & Ehrlich, PR Apropiación humana del agua dulce renovable. Ciencia 271 , 785–788 (1996).

    CAS Google Académico 

14. Gleick, PH et al. El agua del mundo , vol. 7 : Informe bienal sobre recursos de agua dulce (Island press, 2012).

15. Rosegrant, MW, Cai, X. & Cline, SA Agua y alimentos en el mundo hasta 2025: lidiar con la escasez (Instituto Internacional de Investigación sobre Políticas Alimentarias, 2006).

16. Wada, Y., van Beek, LPH & Bierkens, MFP Riego no sostenible que sustenta las aguas subterráneas: una evaluación global. Recurso de agua. Res . 48 , W00L06 (2012).

17. Thornton, PK Producción ganadera: tendencias recientes, perspectivas futuras. Filosofía Trans. R. Soc. largo B Biol. ciencia 365 , 2853–2867 (2010).

    Google Académico 

18. Tilman, D. et al. Amenazas futuras a la biodiversidad y vías para su prevención. Naturaleza 546 , 73–81 (2017).

    CAS Google Académico 

19. Clay, J. Congelar la huella de los alimentos. Naturaleza 475 , 287–289 (2011).

    CAS Google Académico 

20. Tilman, D., Balzer, C., Hill, J. & Befort, BL La demanda mundial de alimentos y la intensificación sostenible de la agricultura. proc. nacional Academia ciencia 108 , 20260–20264 (2011).

    CAS Google Académico 

21. Myers, N. & Kent, J. Nuevos consumidores: la influencia de la riqueza en el medio ambiente. proc. nacional Academia ciencia USA 100 , 4963–4968 (2003).

    CAS Google Académico 

22. Bastin, J.-F. et al. El potencial global de restauración de árboles. Ciencia 365 , 76–79 (2019).

    CAS Google Académico 

23. Estrasburgo, BBN et al. Los enfoques estratégicos para restaurar los ecosistemas pueden triplicar los beneficios de la conservación y reducir a la mitad los costos. Nat. Ecol. Evol. 3 , 62–70 (2019).

    Google Académico 

24. Estrasburgo, BBN et al. Áreas prioritarias globales para la restauración de ecosistemas. Naturaleza 586 , 724–729 (2020).

    CAS Google Académico 

25. Poorter, L. et al. Recuperación de bosques tropicales multidimensionales. Ciencia 374 , 1370–1376 (2021).

26. Jones, HP & Schmitz, OJ Recuperación rápida de ecosistemas dañados. PLoS ONE 4 , e5653 (2009).

    Google Académico 

27. Poorter, L. et al. Resiliencia de la biomasa de los bosques secundarios neotropicales. Naturaleza 530 , 211–214 (2016).

    CAS Google Académico 

28. Silver, WL, Ostertag, R. & Lugo, AE El potencial para el secuestro de carbono a través de la reforestación de tierras agrícolas y de pastoreo tropicales abandonadas. Restaurar Ecol. 8 , 394–407 (2000).

    Google Académico 

29. Chazdon, RL et al. El potencial para la conservación de especies en los bosques secundarios tropicales. Conservar Biol. J. Soc. 23 , 1406–1417 (2009).

    Google Académico 

30. Gilroy, JJ et al. El carbono barato y la biodiversidad se benefician de la regeneración forestal en un punto crítico de endemismo. Nat. Clima Cambiar 4 , 503–507 (2014).

    Google Académico 

31. Davis, KF, Rulli, MC, Seveso, A. & D'Odorico, P. Aumento de la producción de alimentos y reducción del uso de agua a través de la distribución optimizada de cultivos. Nat. Geosci. 10 , 919–924 (2017).

    CAS Google Académico 

32. Elliott, J. et al. Restricciones y potencialidades de la futura disponibilidad de agua de riego en la producción agrícola bajo el cambio climático. proc. nacional Academia ciencia 111 , 3239–3244 (2014).

    CAS Google Académico 

33. Qin, Y. et al. Riesgos agrícolas por cambios en el deshielo. Nat. Clima Cambio 10 , 459–465 (2020).

    Google Académico 

34. Teixeira, EI, Fischer, G., van Velthuizen, H., Walter, C. & Ewert, F. Puntos críticos globales de estrés por calor en cultivos agrícolas debido al cambio climático. agricola Para. Meteorol. 170 , 206–215 (2013).

    Google Académico 

35. Zhao, C. et al. El aumento de la temperatura reduce los rendimientos globales de los principales cultivos en cuatro estimaciones independientes. proc. Academia Nacional. ciencia 114 , 9326–9331 (2017).

    CAS Google Académico 

36. Rosenzweig, C. et al. Evaluación de los riesgos agrícolas del cambio climático en el siglo XXI en una intercomparación global de modelos de cultivos cuadriculados. proc. nacional Academia ciencia 111 , 3268–3273 (2014).

    CAS Google Académico 

37. Yu, Q. et al. Un planeta cultivado en 2010 – Parte 2: Los mapas cuadriculados de producción agrícola global. Sistema Tierra ciencia Datos 12 , 3545–3572 (2020).

    Google Académico 

38. Beyer, RM & Manica, A. Tamaños de rango futuros históricos y proyectados de los mamíferos, aves y anfibios del mundo. Nat. común 11 , 5633 (2020).

    CAS Google Académico 

39. Guerin, GR & Lowe, AJ 'Suma de tamaños de rango inverso' (SIR), una métrica de biodiversidad con muchos nombres e interpretaciones. Biodiversos. Conservar 24 , 2877–2882 (2015).

    Google Académico 

40. Gaston, KJ & Fuller, RA Los tamaños de los rangos geográficos de las especies. Aplicación J. Ecol. 46 , 1–9 (2009).

    Google Académico 

41. Staude, IR, Navarro, LM & Pereira, HM El tamaño del rango predice el riesgo de extinción local por pérdida de hábitat. globo Ecol. Biogeogr. 29 , 16–25 (2020).

    Google Académico 

42. Fischer, G. et al. Documentación del modelo Global Agro Ecological Zones v4 (FAO, 2021).

43. Friedlingstein, P. et al. Presupuesto global de carbono 2020. Earth Syst. ciencia Datos 12 , 3269–3340 (2020).

    Google Académico 

44. Ramankutty, N. & Foley, JA Estimación de los cambios históricos en la cobertura global del suelo: tierras de cultivo desde 1700 hasta 1992. Glob. Biogeoquímica. Ciclos 13 , 997–1027 (1999).

    CAS Google Académico 

45. OCDE/FAO. OECD-FAO Agricultural Outlook 2021–2030 (OECD Publishing, 2021).

46. Bodirsky, BL et al. La transición nutricional en curso frustra los objetivos a largo plazo para la seguridad alimentaria, la salud pública y la protección del medio ambiente. ciencia Rep. 10 , 19778 (2020).

    CAS Google Académico 

47. Kim, BF et al. Cambios en la dieta específicos de cada país para mitigar las crisis climática y del agua. globo Reinar. Cambio 62 , 101926 (2020).

    Google Académico 

48. Behrens, P. et al. Evaluación de los impactos ambientales de las recomendaciones dietéticas. proc. nacional Academia ciencia 114 , 13412–13417 (2017).

    CAS Google Académico 

49. Aleksandrowicz, L., Green, R., Joy, EJM, Smith, P. & Haines, A. Los impactos del cambio dietético en las emisiones de gases de efecto invernadero, el uso de la tierra, el uso del agua y la salud: una revisión sistemática. PLoS ONE 11 , e0165797 (2016).

    Google Académico 

50. Swinburn, BA y col. La pandemia global de obesidad: moldeada por impulsores globales y entornos locales. The Lancet 378 , 804–814 (2011).

    Google Académico 

51. Fader, M., Gerten, D., Krause, M., Lucht, W. y Cramer, W. Desacoplamiento espacial de la producción y el consumo agrícolas: cuantificación de las dependencias de los países respecto de las importaciones de alimentos debido a las limitaciones nacionales de tierra y agua. Reinar. Res. Letón. 8 , 014046 (2013).

    Google Académico 

52. Kummu, M. et al. Reuniéndolo todo: vinculando medidas para asegurar el suministro de alimentos de las naciones. actual Opinión Reinar. Sostener. 29 , 98–117 (2017).

    Google Académico 

53. Müller, ND et al. Cerrar las brechas de rendimiento a través de la gestión de nutrientes y agua. Naturaleza 490 , 254–257 (2012).

    CAS Google Académico 

54. Phalan, B. et al. ¿Cómo puede la agricultura de mayor rendimiento ayudar a salvar la naturaleza? Ciencia 351 , 450–451 (2016).

    CAS Google Académico 

55. Harper, JL & Hawksworth, DL Biodiversidad: medición y estimación. Prefacio. Filosofía Trans. R. Soc. largo B. Biol. ciencia 345 , 5–12 (1994).

    CAS Google Académico 

56. Buskirk, JV & Willi, Y. Mejora de la biodiversidad de las tierras agrícolas dentro de las tierras reservadas. Conservar Biol. 18 , 987–994 (2004).

    Google Académico 

57. OCDE. Indicadores ambientales para la agricultura, vol. 3 . Métodos y Resultados (OECD Publishing, 2001).

58. Sutherland, WJ, Dicks, LV, Petrovan, SO & Smith, RK What Works in Conservation 2021 (Open Book Publishers, 2021).

59. Delang, CO & Yuan, Z. Programa Grain for Green de China: una revisión del programa de restauración ecológica y desarrollo rural más grande del mundo (Springer International Publishing, 2015).

60. Hua, F. et al. Oportunidades para el aumento de la biodiversidad en el marco del programa de reforestación más grande del mundo. Nat. común 7 , 12717 (2016).

    CAS Google Académico 

61. Liu, J. et al. Características, patrones y causas espaciotemporales de los cambios en el uso de la tierra en China desde finales de la década de 1980. J. Geogr. ciencia 24 , 195–210 (2014).

    Google Académico 

62. Bishop, J. & Hill, C. Financiamiento global de la biodiversidad: el caso de los pagos internacionales por los servicios de los ecosistemas (Edward Elgar Publishing Ltd, 2014).

63. Li, S. & Li, X. Comprensión global del abandono de tierras agrícolas: una revisión y perspectivas. J. Geogr. ciencia 27 , 1123–1150 (2017).

    Google Académico 

64. Myers, N. & Kent, J. Subvenciones perversas: cómo los dólares de los impuestos pueden socavar el medio ambiente y la economía (Island Press, 2001).

65. Lamb, D., Erskine, PD & Parrotta, JA Restauración de paisajes de bosques tropicales degradados. Ciencia 310 , 1628–1632 (2005).

    CAS Google Académico 

66. Chazdon, RL Más allá de la deforestación: restauración de bosques y servicios ecosistémicos en tierras degradadas. Ciencia 320 , 1458–1460 (2008).

    CAS Google Académico 

67. Bullock, JM, Aronson, J., Newton, AC, Pywell, RF & Rey-Benayas, JM Restauración de servicios ecosistémicos y biodiversidad: conflictos y oportunidades. Tendencias Ecol. Evol. 26 , 541–549 (2011).

    Google Académico 

68. Chazdon, RL & Guariguata, MR La regeneración natural como herramienta para la restauración forestal a gran escala en los trópicos: perspectivas y desafíos. Biotrópica 48 , 716–730 (2016).

    Google Académico 

69. Benayas, J., Martins, A., Nicolau, J. & Schulz, J. Abandono de tierras agrícolas: una visión general de los impulsores y las consecuencias. CAB Rev. Perspectiva. agricola Veterinario. ciencia Nutrición Nat. recurso _ 2 , 1–14 (2007).

70. Akçakaya, HR et al. Hacer clasificaciones consistentes de la UICN bajo incertidumbre. Conservar Biol. 14 , 1001–1013 (2000).

    Google Académico 

71. Hughes, AC, Orr, MC, Yang, Q. & Qiao, H. Mapeo efectivo y preciso de patrones de biodiversidad global para diferentes regiones y taxones. globo Ecol. Biogeogr. 30 , 1375–1388 (2021).

    Google Académico 

72. Jetz, W., Wilcove, DS & Dobson, AP Impactos proyectados del cambio climático y del uso de la tierra en la diversidad global de aves. PLoS Biol. 5 , e157 (2007).

    Google Académico 

73. D'Odorico, P. & Rodriguez-Iturbe, I. Sustaining water resources. En Health of People, Health of Planet and Our Responsibility: Climate Change, Air Pollution and Health (eds Al-Delaimy, WK, Ramanathan, V. & Sánchez Sorondo, M.) 149–163 (Springer International Publishing, 2020).

74. Rosa, L. et al. Potencial para la expansión sostenible del riego en un clima 3 °C más cálido. proc. nacional Academia ciencia 117 , 29526–29534 (2020).

    CAS Google Académico 

75. Kim, K.-H. et al. Una revisión de los productos de datos del sistema de cultivo cuadriculado global. Reinar. Res. Letón. 16 , 093005 (2021).

76. Vuuren, DP et al. Las vías de concentración representativas: una descripción general. Clima Cambio 109 , 5–31 (2011).

    Google Académico 

77. Jones, CD et al. La implementación HadGEM2-ES de las simulaciones del centenario de la CMIP5. Geosci. Desarrollo del modelo 4 , 543–570 (2011).

    Google Académico 

78. Monfreda, C., Ramankutty, N. & Foley, JA Farming the planet: 2. Distribución geográfica de áreas de cultivo, rendimientos, tipos fisiológicos y producción primaria neta en el año 2000. Glob. Biogeoquímica. Ciclos 22 , GB1022 (2008).

    Google Académico 

79. Mbow, C. et al. Seguridad alimentaria. En Cambio climático y tierra: un informe especial del IPCC sobre el cambio climático, la desertificación, la degradación de la tierra, la gestión sostenible de la tierra, la seguridad alimentaria y los flujos de gases de efecto invernadero en los ecosistemas terrestres 437–550 (Panel intergubernamental sobre cambio climático, 2019).

80. Dai, A. Aumento de la sequía bajo el calentamiento global en observaciones y modelos. Nat. Clima Cambio 3 , 52–58 (2013).

    Google Académico 

81. Trenberth, KE et al. El calentamiento global y los cambios en la sequía. Nat. Clima Cambio 4 , 17–22 (2014).

    Google Académico 

82. Houghton, RA El flujo neto anual de carbono a la atmósfera a partir de cambios en el uso de la tierra 1850–1990. Tellus B 51 , 298–313 (1999).

    Google Académico 

83. Guo, LB & Gifford, RM Reservas de carbono en el suelo y cambios en el uso de la tierra: un metanálisis. globo Cambio Biol. 8 , 345–360 (2002).

    Google Académico 

84. Murty, D., Kirschbaum, MUF, Mcmurtrie, RE & Mcgilvray, H. ¿La conversión de bosques en tierras agrícolas cambia el carbono y el nitrógeno del suelo? Una revisión de la literatura. globo Cambio Biol. 8 , 105–123 (2002).

    Google Académico 

85. Don, A., Schumacher, J. & Freibauer, A. Impacto del cambio de uso de la tierra tropical en las reservas de carbono orgánico del suelo: un metanálisis. globo Cambio Biol. 17 , 1658–1670 (2011).

    Google Académico 

86. Laganière, J., Angers, DA & Paré, D. Acumulación de carbono en suelos agrícolas después de la forestación: un metanálisis. globo Cambio Biol. 16 , 439–453 (2010).

    Google Académico 

87. Carlson, KM et al. Intensidad de las emisiones de gases de efecto invernadero de las tierras de cultivo mundiales. Nat. Clima Cambio 7 , 63–68 (2017).

    CAS Google Académico 

88. Edwards-Jones, G. et al. Poniendo a prueba la afirmación de que 'la comida local es mejor': los desafíos de un enfoque basado en la evidencia. Tendencias Ciencias de la alimentación. Tecnología 19 , 265–274 (2008).

    CAS Google Académico 

89. Coley, D., Howard, M. & Winter, M. Millas de alimentos: ¿es hora de repensar? Hermano Comida J. 113 , 919–934 (2011).

    Google Académico 

90. Williams, P. et al. Una comparación de puntos críticos de riqueza, puntos críticos de rareza y áreas complementarias para conservar la diversidad de las aves británicas. Conservar Biol. 10 , 155–174 (1996).

    Google Académico 

91. Lamoreux, JF y col. Pruebas globales de concordancia de la biodiversidad y la importancia del endemismo. Naturaleza 440 , 212–214 (2006).

    CAS Google Académico 

92. Albuquerque, F. & Beier, P. Riqueza ponderada por rareza: una alternativa simple y confiable a la programación de enteros y algoritmos heurísticos para problemas de cobertura mínima y máxima en la planificación de la conservación. PLoS ONE 10 , e0119905 (2015).

93. Roberts, CM et al. Puntos críticos de biodiversidad marina y prioridades de conservación para los arrecifes tropicales. Ciencia 295 , 1280–1284 (2002).

    CAS Google Académico 

94. Beyer, R. & Manica, A. Datos globales y a nivel de país de las huellas de biodiversidad de 175 cultivos y pastos. Resumen de datos 36 , 106982 (2021).

    Google Académico 

95. Comisión, ISS Categorías y criterios de la Lista Roja de la UICN: Versión 3.1 . (Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza y de los Recursos, 2001).

96. UICN y NatureServe. La Lista Roja de Especies Amenazadas de la UICN https://www.iucnredlist.org/ . (2022).

97. BirdLife Internacional. Mapas de distribución de especies de aves del mundo http://datazone.birdlife.org/species/requestdis . (2022).

98. Waha, K. et al. Múltiples sistemas de cultivo del mundo y el potencial para aumentar la intensidad de cultivo. globo Reinar. Cambio 64 , 102131 (2020).

    Google Académico 

99. Johnson, JA, Runge, CF, Senauer, B., Foley, J. y Polasky, S. Agricultura global y compensaciones de carbono. proc. nacional Academia ciencia EE . UU. 111 , 12342–12347 (2014).

    CAS Google Académico 

100. The MathWorks, Inc. MATLAB y Optimization Toolbox Release 2021b (The MathWorks, Inc., 2021).

101. Johnson, CM, Zarin, DJ & Johnson, AH Acumulación de biomasa aérea posterior a la perturbación en bosques secundarios globales. Ecología 81 , 1395–1401 (2000).

     Google Académico 

102. Fu, Z. et al. Tiempo de recuperación y cambio de estado del ciclo del carbono terrestre después de la perturbación. Reinar. Res. Letón. 12 , 104004 (2017).

     Google Académico 

103. Rappaport, DI et al. Cuantificación de los cambios a largo plazo en las reservas de carbono y la estructura forestal a partir de la degradación de los bosques amazónicos. Reinar. Res. Letón. 13 , 065013 (2018).

     Google Académico 

104. Yang, Y., Luo, Y. & Finzi, AC Dinámica del carbono y el nitrógeno durante el desarrollo de los rodales forestales: una síntesis global. Fitol nuevo. 190 , 977–989 (2011).

     CAS Google Académico 

105. Martin, PA, Newton, AC & Bullock, JM Las reservas de carbono se recuperan más rápidamente que la biodiversidad vegetal en los bosques secundarios tropicales. proc. R. Soc. B Biol. ciencia 280 , 20132236 (2013).

     Google Académico 

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Agradecimientos

RMB y AM recibieron el apoyo de ERC Consolidator Grant 647797 "LocalAdaptation". Este trabajo se benefició de conversaciones con América P. Durán, Catherine Tayleur, Sharon E. Brooks, David Coomes, Paul F. Donald y Fiona J. Sanderson durante un proyecto de investigación independiente.

Información del autor

Notas del autor

1. Estos autores contribuyeron igualmente: Andrea Manica, Tim Rademacher.

afiliaciones

1. Departamento de Zoología, Universidad de Cambridge, Cambridge, Reino Unido

   Robert M. Beyer, Philip A. Martin y Andrea Manica

2. Instituto de Potsdam para la Investigación del Impacto Climático (PIK), Potsdam, Alemania

   Roberto M. Beyer

3. Instituto de Ecología, Facultad de Ciencias Urbanas y Ambientales, Universidad de Pekín, Pekín, China

   Fang Yuan Hua

4. Centro Vasco para el Cambio Climático (BC3), Leioa, España

   Felipe A. Martín

5. Bosque de Harvard, Universidad de Harvard, Petersham, EE. UU.

   Tim Rademacher

6. Escuela de Informática, Computación y Sistemas Cibernéticos y Centro de Ciencias y Sociedades de Ecosistemas, Universidad del Norte de Arizona, Flagstaff, EE. UU.

   Tim Rademacher

7. Institut des Sciences de la Forêt Tempérée, Université du Québec en Outaouais, Ripon, Canadá

   Tim Rademacher

Contribuciones

RMB diseñó el proyecto, realizó el análisis y redactó el manuscrito. RMB, FH, PAM, AM, TR interpretaron los resultados y revisaron el manuscrito.

Autor correspondiente

Correspondencia a Robert M. Beyer .

Declaraciones de ética

Conflicto de intereses

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

revisión por pares

Información de revisión por pares

Communications Earth & Environment agradece a los revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Editores principales de manejo: Clare Davis. Los informes de los revisores están disponibles.

Información adicional

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

Información suplementaria

Información suplementaria

Película complementaria 1

Película complementaria 2

Película complementaria 3

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Beyer, RM, Hua, F., Martin, PA y col. La reubicación de las tierras de cultivo podría reducir drásticamente los impactos ambientales de la producción mundial de alimentos. Entorno terrestre común 3, 49 (2022). https://doi.org/10.1038/s43247-022-00360-6

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• Recibió15 enero 2021

• Aceptado27 enero 2022

• Publicado10 marzo 2022

• DOIhttps://doi.org/10.1038/s43247-022-00360-6

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Asignaturas

• Agricultura
• Impacto medioambiental
• Ecología de la restauración

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