地球的未来粮仓：藻类农场可养活100亿人
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麦田
图片来源：pixabay
2022年10月16日是第42个世界粮食日，联合国粮食及农业组织将今年的世界粮食日全球活动主题确定为：“不让任何人掉队。更好生产、更好营养、更好环境、更好生活。”
愿望很美好，但现实很骨干。粮食短缺和粮食危机，始终伴随着人类，即使人类文明进入了21世纪，粮食问题依然没有很好解决。
《2022年世界粮食安全和营养状况》指出，2021年全球受饥饿影响的人数已达8.28亿，较2020年增加约4600万，自新冠疫情暴发以来累计增加1.5亿。报告提出的最新证据表明，全世界正在进一步偏离目标，无法保证到2030年消除饥饿、粮食不安全和一切形式营养不良。
当前，全球共有31亿人口无力负担健康膳食。全球面临着疫情、冲突、气候变化、粮价上升和国际紧张局势等重重挑战，种种因素都在影响全球粮食安全。
仅在2022年的前几个月里，全球饥饿人口就从2.82亿激增到3.45亿。
2021年12月，联合国粮食及农业组织发布题为《2021年世界粮食和农业领域土地及水资源状况：系统濒临极限》报告，认为地球土壤、土地和水资源状况在过去十年急剧恶化，压力与日俱增，难以在2050年满足全球将近100亿人口的粮食需求。
面对日益严峻的粮食危机，科学家们把目光投向了这个星球上最古老而又极易被忽略的微小生物——藻类。
近日，发表在《海洋学》杂志上的一项新研究推测，未来的全球粮食生产问题可以通过在陆上、海水喂养的水产养殖系统中种植营养丰富且蛋白质密集的微藻来解决。未来，陆上和海洋中的藻类农场将会如雨后春笋般拔地而起，成为地球新的可持续粮仓，而营养丰富、富含蛋白质的藻类也可能是满足未来全球蛋白质需求的终极解决方案。
夏威夷大岛科纳海岸沿线的微藻种植设施
图片来源：Cyanotech Corporation
一、日益严峻的全球粮食危机
2020年以来，在新冠疫情、拉尼娜极端天气等多重因素影响下，全球粮价出现快速上涨。进入2022年，俄乌冲突爆发后，国际粮食价格连续飙升、全球粮食产量预期下降、粮食贸易保护主义升温，进一步扩大了粮食危机影响范围。
疫情和局地冲突也推高了全球能源价格，推高物流成本，给粮食供应链进一步造成冲击，使这场全球性的粮食危机愈演愈烈。
俄乌冲突爆发后，国际农产品期货价格大涨。3月国际粮食市场多品种价格创历史新高。
小麦、玉米、大豆价格已经突破2008年粮食危机水平，其中芝加哥商品期货交易所CBOT 小麦期货价格在3月7日创出历史新高，两周内涨幅超60%。
进入2022 年，全球小麦、玉米、大豆价格已经创历史新高
图片来源：Wind，光大证券研究所
2022年，乌克兰受到战争限制， 预计小麦产量减产。印度小麦主产区受到高温影响，政府预计产量同比下降10%。美国、法国也担心天气因素而下调了产量预期。根据美国农业部5月发布的报告，估计2022年全球小麦、玉米的库存消费比仍将处于下行趋势中，更低的库存放大了供需矛盾和粮价涨幅。
近年来全球小麦、玉米库存消费比下行
图片来源：USDA、粤开证券研究院
此外，俄乌冲突爆发后，多国宣布采取限制出口措施来限制本国粮食出口。5月印度颁布小麦出口禁令，曾引发国际粮食市场剧烈波动，9月上旬，印度又宣布禁止碎米出口，并对其他关键大米出口品种征税，引起国际社会普遍担忧。
根据华盛顿智库国际食物政策研究所（IFPRI）的数据，全球已有20多个国家实施了粮食的出口限制令，已影响全球近五分之一的粮食交易，是2008年爆发的全球粮食危机的近一倍。
2022 年新颁布粮食出口禁令的主要国家（截止5月底）
图片来源：Wind、粤开证券研究院
与此同时，全球面临饥饿威胁的国家和人数增加。2021年，全世界共有7.02亿至8.28亿人面临饥饿。按照预测范围的中间值（7.68亿人），与2020年相比，2021年受饥饿影响的人数增加4600万。2022年联合国粮食计划署（WFP）多次警告称“人类面临二战后最大的粮食危机”。
2021 年全世界共有7.02 亿至8.28 亿人面临饥饿
图片来源：联合国粮农组织
二、微藻养殖可满足全球粮食需求
除了面临粮食危机，人类社会还同时将面临人口的不断增长。到2050年，世界人口预计将接近100亿人。预计全球粮食产量将需要增加高达 56% 才能满足不断增长人口的营养需求。
然而，今天的粮食生产是不足且不可持续的。在陆地上，农业提供了全球粮食生产系统的支柱；然而，这是以对土地利用和碳排放以及淡水资源和生物多样性的负面影响为代价的。
预计 2010 年至 2050 年全球人口增长以及农业粮食生产、土地利用和减缓气候变化方面的相应预计差距
图片来源：WRI
因此，科学家们正在探索许多替代食品选择，以评估社会如何可持续地加强其粮食生产系统。这一次，美国康奈尔大学的研究人员把目光投向了已经在地球上存活了数十亿年的海藻。与近海海洋水产养殖相比，在陆上开发养殖淡水和海洋微藻的水产养殖设施已有 50 年的丰富历史。
尽管基于微藻的水产养殖最初的重点是生产生物燃料和营养保健品，但该领域的研究最近已经发展到研究微藻在生产动物和水产饲料以及供人类直接食用的食物方面的潜力。
印度尼西亚巴淡岛封闭式藻类养殖系统
图片来源：Algatech International
研究人员分析认为，基于海藻的水产养殖可以帮助缩小社会未来营养需求的预期差距，同时提高环境可持续性。以海藻为基础的水产养殖的粮食产量有可能超过预计到2050年的全球蛋白质总需求量，即2.638亿吨/年至2.865亿吨/年。
预测的海藻产量
图片来源：[10]
此前，根据研究人员在《自然-可持续发展》（Nature Sustainability）杂志上发表的文章预测，在长期（2000-2018年）增长率约为6.2%/年的情况下，海藻水产养殖的全球产量将达到2.52亿吨，面积约为15,733 平方千米，这比目前的产量高6.6倍。若将目前的增长率增加一倍，达到12%/年，那么到2050年估计产量将达到11.95亿吨，面积为74,524平方公里。
三、微藻养殖的可持续性优势
与陆地农业相比，陆上水产养殖设施中培养的海洋微藻的粮食生产具有多种营养和环境可持续性优势。
相对于陆生植物，海洋微藻代表了一个潜在的、尚未开发的优质营养蛋白来源，此外，海洋微藻提供了更好的必需氨基酸和其他微量营养素来源，例如维生素、抗氧化剂、omega-3 多不饱和脂肪酸和矿物质。
从各种营养来源生产必需氨基酸的土地和淡水足迹
图片来源：[2]
就环境可持续性的直接优势而言，微藻的初级生产力通常比产量最高的陆地作物高出一个数量级以上。因此，在土地利用方面，在陆上水产养殖设施中培养海洋微藻有可能从不到十分之一的土地面积中生产等量的食物。
同时，由于海洋微藻不需要土壤和灌溉，它们的种植不需要与农业和其他利益相关者争夺耕地和淡水。
最后，由于海洋微藻的培育对营养物质的利用非常有效，只损失那些在所需产品中收获的营养物质，因此可以最大限度地减少与过量肥料径流和随后的水生和海洋生态系统富营养化有关的问题。
此外，海洋微藻养殖还能提供间接环境可持续性优势的潜力。通过减少农业对耕地的需求，海洋微藻的种植可以减轻森林砍伐的压力，并有可能显着减少温室气体排放和生物多样性丧失。
四、微藻养殖的可持续性挑战
虽然基于海洋微藻的水产养殖的潜在环境可持续性优势很大，但在全球范围内扩大规模也面临着巨大的挑战。
康奈尔大学的研究人员使用基于GIS的模型根据年度阳光、地形以及其他环境和后勤因素预测产量。模型结果表明，陆上藻类养殖设施的最佳位置位于全球南部海岸，包括沙漠环境。尽管在热带和亚热带有大片地形适宜、日照充足的适宜土地，但种植设施必须离海水或微咸水源足够近，以免运输成本过高。
陆上藻类养殖设施的最佳位置及年化蛋白质产量：
（a）基于年度入射太阳辐射数据和验证过的生长模型的潜在陆上海洋微藻生物量生产全球图
(b) 潜在的陆上海洋微藻蛋白质生产的全球地图
图片来源：[2]
比寻找合适的土地更具挑战性的是对二氧化碳的需求。当快速生长时，微藻吸收二氧化碳的速度超过了它在开放式养殖池的空气-水界面上扩散的速度。必须将二氧化碳添加到池塘中，并且供应这种气体的能源和经济成本必须保持在较低水平。理想情况下，二氧化碳应从非化石碳源现场生产。一些研究者建议通过将微藻栽培设施与直接空气捕集（DAC）或生物能源与碳捕集和储存（BECCS）技术相结合来实现。目前的DAC方法对这一目的来说过于昂贵；然而，将DAC与集中的太阳能发电或其他新兴的可再生能源技术相结合，可以为同时发电和捕获二氧化碳提供一个具有成本效益的方法。
海洋微藻养殖循环示意图
图片来源：[10]
此外，为在全球范围内培养海洋微藻提供营养也是一项艰巨的挑战，尤其是在磷方面。科学界花了十多年的时间试图预测全球农业何时会受到“磷峰值”的限制，而微藻种植也无法幸免于这种限制。事实上，微藻的化学计量营养需求放大了这种磷挑战。幸运的是，前面提到的养分利用效率（即没有肥料径流）与通过基于藻类的废水处理进行养分循环的潜力相结合，使挑战变得不那么艰巨。
藻类的出现，对于地球生命史具有划时代的意义。在大约25亿年前的远古宙，海洋中诞生了蓝绿藻，比起40亿年前太古宙中出现的低等藻类，蓝绿藻多出了能进行光合作用的器官，不仅能为自己提供能量，还能通过制造氧气改善地球大气的成分，为之后地球其他生命的诞生奠定了重要基础。在粮食危机和气候危机日益严峻的当下，当人类从这种具有古老生命智慧的生物中获得启发，将有可能为未来的粮食需求找到终极解决方案。
参考资料：
[1] https://www.inceptivemind.com/onshore-algae-farms-solve-future-global-food-production-problems/27786/
[2] Greene, C.H., C.M. Scott-Buechler, A.L.P. Hausner, Z.I. Johnson, X.G. Lei, and M.E. Huntley. 2022. Transforming the future of marine aquaculture: A circular economy approach. Oceanography 35(2):26–34, https://doi.org/10.5670/oceanog.2022.213.
[3] 联合国粮食及农业组织，《2022 年世界粮食安全和营养状况：调整粮食和农业政策，提升健康膳食可负担性》
[4] https://news.un.org/zh/story/2022/10/1111412
[5] https://www.fao.org/newsroom/detail/fao-ready-to-help-map-a-pathway-out-of-global-food-crisis/zh
[6] 联合国粮食及农业组织发布题，《2021年世界粮食和农业领域土地及水资源状况：系统濒临极限》
[7] 20220530-光大证券-《大国博弈》第二十二篇：从美国粮食霸权到全球粮食危机
[8] 20220607-粤开证券-【粤开宏观】全球粮食危机：表现、 成因及影响
[9] 20220601-建银国际-全球策略图析：2022年粮食危机可能仅仅是预演
[10] Duarte, Carlos M., Annette Bruhn, and Dorte Krause-Jensen. "A seaweed aquaculture imperative to meet global sustainability targets." Nature Sustainability (2021): 1-9.
[11] https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo2364?cookieSet=1
[12] https://www.shihang.org/zh/news/feature/2021/09/22/needed-a-climate-smart-food-system-that-can-feed-10-billion
[13] https://news.cornell.edu/stories/2022/10/onshore-algae-farms-could-feed-world-sustainably
[14] https://www.nytimes.com/2011/10/27/business/energy-environment/farming-for-energy-starts-to-gain-ground.html
[15] https://www.jcu.edu.au/this-is-uni/science-and-technology/articles/can-algae-save-the-planet
[16] https://wallstreetcn.com/articles/3530617
本文封面图来源：Cyanotech Corporation
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