Víz, éghajlat, energia, élelmiszer: elválaszthatatlan és nélkülözhetetlen

A vízzel kapcsolatos kérdések ritkán egyszerűek. Globális szinten a víz áll egy sokoldalú kihívás középpontjában. A fogyasztási és a nem fogyasztási igények növekszenek, miközben az éghajlatváltozás ugyanakkor egyes helyeken csökkenti a rendelkezésre állást, másutt pedig fokozza a heves csapadék kockázatát. A természeti folyamatokkal kölcsönhatásba lépő különféle mechanizmusok révén az emberi tevékenységek nemcsak a rendelkezésre álló víz mennyiségét, hanem annak minőségét is befolyásolják. Itt feltárjuk a víz, az éghajlat, az energia és az élelmiszer közötti többutas kölcsönhatásokat számos esettanulmány révén, amelyek szemléltetik a versengő hajtók, igények és kompromisszumok összekapcsolt hálóját, amelyek keretbe foglalják az emberiség vízhasználattal kapcsolatos döntéseit. A mozgatórugók és folyamatok ezen összetett kombinációjának nettó eredménye, hogy a vízzel kapcsolatos problémákat rendszerszemlélettel kell megoldani. Míg egy rendszer kialakítása ijesztő lehet, az integrált megközelítések alapvetőek a fenntartható megoldások lehetőségeinek azonosításában és értékelésében.

Christopher B. Field, az Amerikai Akadémia munkatársa 2010 óta, a Carnegie Tudományos Intézet globális ökológiai tanszékének alapító igazgatója, valamint a Stanford Egyetem Melvin és Joan Lane interdiszciplináris környezettudományi professzora. Emellett az éghajlatváltozással foglalkozó kormányközi testület II. Munkacsoportjának társelnöke. Cikkei olyan folyóiratokban jelentek meg, mint a Environmental Science & Technology, a Renewable and Sustainable Energy Reviews, a The National Proceedings of the National Academy of Sciences és a Environmental Research Letters.

Anna M. Michalak a Carnegie Tudományos Intézet Globális Ökológia Tanszékének oktatója és jóvoltából egyetemi docens a Stanfordi Egyetem Földrendszertudományi Tanszékén. Leopold vezetői ösztöndíjas, és az elnöki korai karrier-díj kitüntetettje a tudomány és a technika területén. Cikkei olyan folyóiratokban jelentek meg, mint The Proceedings of the National Academy of Sciences, Global Biogeochemical Cycles, Environmental Science & Technology és Journal of Geophysical Research.

A víz szerves része a földi életnek. Alapvető fontosságú az emberek, szervezetek és gazdaságok túlélése szempontjából. De a vízkészletekkel és a gazdálkodással kapcsolatos kérdések nem abban a kérdésben gyökereznek, hogy van-e elegendő víz bolygónkon; hanem a rendelkezésünkre álló víz állapota vezérli őket. Sós vagy friss a víz? Fagyott vagy folyékony? Tiszta vagy szennyezett? Itt vagy máshol van? Akkor kapható, amikor szükség van rá, vagy akkor érkezik, amikor káros? A víz elérhetőségével, minőségével és változékonyságával foglalkozó stratégiák hatékonysága meghatározó meghatározó tényezője a fajok fennmaradásának, az ökoszisztémák funkcióinak, a társadalmak vibráltságának és a gazdaságok erősségének.

Hogyan írhatjuk le a világ vizét? A víz a Földön öt fő medencére osztható, összesen 1,38 milliárd köbkilométerre. A légköri vízgőz a legkisebb medence, amely a teljes mennyiség kevesebb, mint 0,001 százalékát teszi ki. 1 A tavak, folyók és patakok a Föld vizének körülbelül 0,013 százalékát tartják, amelynek közel fele sós tavak formájában van. A felszín alatti vizek a teljes víz 1,7 százalékát teszik ki, de a felszín alatti vizek több mint fele sós. A jégsapkák és az állandó hó - beleértve az Antarktisz és Grönland hatalmas kontinentális jégtakaróit, az alpesi gleccsereket és az idényjellegű hó - a teljes mennyiség további 1,7 százalékát alkotják. Az ötödik és legnagyobb medence a sós víz óceánjait tartalmazza, amely a Föld teljes mennyiségének 96,5 százalékát teszi ki. Másképp fogalmazva: a világ vizének csak körülbelül 2,5 százaléka friss; a maradék sós. Körülbelül félmillió köbkilométer víz, vagyis a víz 0,036 százaléka párolog el és esik csapadékként minden évben. Ennek körülbelül 21 százaléka esik a szárazföldre - amelynek több mint a fele elpárolog közvetlenül a légkörbe -, míg a fennmaradó rész az óceánokba esik.

Összességében az emberi hatás a Föld vizére kezdetben meglehetősen kicsi lehet. Például a szárazföldi jégben lévő összes víz évente mintegy háromszáz köbkilométerrel csökken a melegedő hőmérséklet és a változó csapadékminták eredményeként, 2 és a világ száraz és félidős területeit kiszolgáló talajvíz körülbelül százzal csökken. évente ötven köbkilométer az emberi kitermelés eredményeként. 3 Az emberi tevékenységek teljes vízlábnyoma (a növények, a gyártás és a háztartási célokra felhasznált víz összege) évente hétezer-ötszáz köbkilométer nagyságrendű. 4

De amint látni fogjuk, vízhasználatunk hatása hatalmas. A víz megértésének és kezelésének nagy kihívása abból adódik, hogy ez sok tevékenység központi eleme. Ennek következtében a vízzel kapcsolatos döntések gyakran többet mondanak el prioritásainkról, mint a rendelkezésre álló víz teljes mennyiségéről. A víz elosztása során számos kompromisszum három nagy vízfelhasználót érint: élelmiszer, energia és környezetvédelem. Az egyre növekvő emberi népességű, növekvő energiaigényű, változó étkezési preferenciákkal és gyorsan változó globális éghajlattal rendelkező világ azt jelenti, hogy a vízegyenlet minden dinamikus. Ennek eredményeként az összekapcsolások bonyolult hálója potenciálisan váratlan kockázatokkal jár, ugyanakkor sok pontot tartalmaz az intelligens beavatkozáshoz.

A medencék közötti vízeloszlás megváltoztatása, hatalmas mennyiségű víz tárolása vagy a víz nagy távolságok mozgatása olyan léptékben valósítható meg, amely a globális összesítésekhez képest szerény, de lokálisan döntő. A megszorítások fizikai (mint a sótalanításhoz szükséges nagy energiafelhasználás esetén), földrajzi (a tározók logikai helyeinek sok helyét már használták), pénzügyi (a víz kezeléséhez szükséges infrastruktúra kiépítése és fenntartása költséges), politikai (senki sem kompenzáció nélkül akar lemondani a szűkös vízhez való jogáról, és etikus (milyen felhasználási módokat érdemes kiemelni, és hogyan viszonyulnak a környezet igényeihez?).

A kompromisszumok és a ciklusok fogalma alapvető fontosságú a víz, az éghajlat, az élelmiszer és a tágabb környezet közötti összefüggések megértésében. Sokféle vízhasználat esetében az egy felhasználáshoz való hozzárendelés lényegében kevesebb vizet jelent más felhasználásokhoz. A mezőgazdaságban, az iparban vagy a városokban történő fogyasztás szinte mindig kompromisszumokkal jár, csakúgy, mint az ökoszisztémák vagy a halászat védelmét szolgáló áramlási áramlások. De még a fogyasztási célú felhasználás is változatlanul hagyja a globális vízmennyiséget; az igazi kérdés az, hogy a fogyasztás a vizet a hidrológiai körforgás egy másik részébe tereli: például folyadéktól gőzig, tisztától szennyezettig vagy frisstől sósig. A víz kompromisszumainak kezelése a hidrológián és a közgazdaságtanon túlmutat. Ezek értékeket, etikát és prioritásokat tartalmaznak, amelyek évezredek alatt alakultak ki és ágyazódtak be a társadalmakba. A hidrológia, a közgazdaságtan és az értékek egymás melletti elhelyezkedése a víz-éghajlat-élelmiszer-energia-természet kapcsolat középpontjában áll.

A víz és az éghajlat elválaszthatatlanul összefügg. Az éghajlat meghatározza a csapadék mennyiségét, változékonyságát és típusát; a párolgás sebessége; és a víz átalakulása annak különböző fázisaiba (hó, jég, folyadék, gőz). Az éghajlat azt is befolyásolja, hogy a víz hogyan mozog a szárazföldön és a víztesteken, és hogyan változik az út során. Az éghajlatváltozás megváltoztatja ezeket a folyamatokat.

Egyes folyamatok esetében a közelmúltbeli és a jövőbeni klímaváltozások hatásai egyértelműek. Mások számára az éghajlati rendszer bonyolultsága és a jövőbeni emberi cselekedetek bizonytalansága mind a múltbeli változások észlelését, mind a jövőbeli minták előrejelzését ördögi módon megnehezíti. A skála egyszerű végén a felmelegedő éghajlat a párolgás globális növekedéséhez vezet, ami viszont a globális csapadék növekedéséhez vezet. A skála másik végén sokkal nehezebb megérteni, hogy a hőmérsékletváltozások, a felhőzet, az extrém meteorológiai események előfordulása és intenzitása, valamint a változó éghajlat egyéb aspektusai miként befolyásolják képességünket arra, hogy stabil, bőséges, és biztonságos vízellátás a növekvő globális népesség összefüggésében. Két példa segítségével szemléltetjük az éghajlat és a víz rendelkezésre állásának bonyolult és sokoldalú kölcsönhatásait: a vízmennyiség és a szélsőségek szerepe; és a vízminőség, valamint az eutrofizációval való összefüggések.

A csapadék térbeli mintázata és intenzitása korántsem egyenletes, és a klímaváltozás csak növeli ezt a változékonyságot. Az általános mintázat szerint a nedves területeken általában nagyobb a csapadékmennyiség, míg a száraz területeken egyre inkább szárazabbá válik, ami mind a nedves (áradás), mind a száraz (szárazság) szélsőségek fokozott kockázatához vezet. 5 A világ számos részén már megnőtt a csapadék töredékének növekedése, amely a legsúlyosabb időjárási eseményekbe esik (amelyek nagyobb valószínűséggel áradásokhoz vezetnek). A melegebb légkör több nedvességet képes megtartani, növelve annak valószínűségét, hogy rövid idő alatt hatalmas mennyiségű csapadék szabadul fel. Ennek következtében az árvízkockázat még akkor is nőhet, ha a fokozott párolgás kihívást jelent a vízellátás számára. Az Egyesült Államok keleti és középnyugati részén, amelyek az elmúlt ötven évben több mint 30 százalékos növekedést tapasztaltak a záporesőkben, egyértelmű a motiváció a heves esőzések fokozott kockázatának felismerésére és az arra való felkészülésre. 7 Egy nemrégiben készült tanulmány arra a következtetésre jutott, hogy a mérsékelt csapadékos szélsőségek 18 százaléka a szárazföldön (a mérsékelt meleg szélsőségek 75 százaléka mellett) a már bekövetkezett globális felmelegedés eredménye. 8.

Ezzel szemben a száradás tendenciáját a felmelegedés okozta fokozott párolgás erősíti, amely nemcsak a tározók gyorsabb nedvességveszteségét tükrözi, hanem a növények és a természetes ökoszisztémák iránti megnövekedett vízigényt is. A felmelegedés hatására sok területen fokozottabb vízhiány-kockázat fenyeget, még akkor is, ha az átlagos csapadékmennyiség nem változik.

A csapadék mellett a klímaváltozás megváltoztatja a víz fizikai állapotának globális mintáit is. A legtöbb régióban az éghajlatváltozás a hó és a jég csökkenéséhez vezet. Azokon a területeken, ahol a téli hőmérséklet nem túl fagypont alatt van, még a szerény felmelegedés is drámai csökkenést eredményezhet a havazásnak számító csapadékmennyiségben. Például, bár Kaliforniában a 2015 tavaszán elért rekordszintű alacsony hótáska részben az alacsony csapadékmennyiség tükrözi, ez a melegebb viharok következménye is, amelyek hó helyett esőt hoznak, csökkentve a hegyvidéki régiók vízszárító képességét a szárítói évszakokra. Az alpesi gleccserek megolvadása tovább veszélyezteti a vízellátást, különösen Ázsia és Dél-Amerika egyes részein, ahol az olvadás kezdetben a folyók áramlásának növekedéséhez, végül az éves pufferelés elvesztéséhez vezet.

Világszerte az olvadás mértéke meghaladja az új jégképződés sebességét. Az elmúlt két évtizedben az olvadás meghaladta a jégfelhalmozódást, ami Grönlandon, az Antarktiszon és az alpesi gleccserekben a jégtömeg nettó veszteségéhez vezetett. 2005 és 2009 között a veszteség mértéke körülbelül háromszáz köbkilométer volt évente, ami valamivel kevesebb, mint évi egy milliméteres globális tengerszint-emelkedéshez vezetett. 9 A kontinentális jég olvadása nagy mennyiségű tengerszint-emelkedést okozhat: például Grönlandon a jégmennyiség elegendő ahhoz, hogy a globális tengerszintet több mint hét méterrel megemelje; az Antarktiszon a jég körülbelül hetven méter potenciális tengerszint-növekedést jelent. És bár az Antarktisz nagy része túl hideg ahhoz, hogy komolyan fennálljon az olvadás veszélye, a Nyugat-Antarktisz-félsziget, amely közel öt méteres lehetséges tengerszint-emelkedést jelent, nem. Az olvadó kontinentális és tengeri jég szintén felerősíti a felmelegedést azáltal, hogy egy fehér, fényvisszaverő felületet sötét felületre cserél, amely elnyeli a beérkező napfény nagy részét. Ugyanez az elv magyarázza, miért maradsz hűvösebb egy forró napon, ha inkább fehér, mint fekete inget viselsz. A számok elrettentőek: 2012-ben az északi-sarki tengeri jég éves minimuma körülbelül három millió négyzetkilométerrel volt kevesebb, mint az 1981–2010-es átlag. 10.

Bár a víz rendelkezésre állását klasszikusan mennyiségi szempontból gondolják, a víz csak akkor hasznos (használható), ha a rendeltetésének megfelelő minőségű. És a víz minősége kritikus a felhasználásától függetlenül, függetlenül attól, hogy az emberek közvetlenül fogyasztásra, kikapcsolódásra, a halászat fenntartására és öntözésre használják-e, vagy a tágabb ökoszisztéma például a vízi élővilág támogatására. A víz elérhetőségének és a vízminőségnek ez a tágabb összefüggése közvetlenül kapcsolódik az éghajlatváltozáshoz a meteorológiai viszonyokra gyakorolt hatások révén, amint arra fentebb utaltunk.

A globális energiarendszer nagymértékben támaszkodik a vízre, akár közvetlen energiaforrásként (vízenergia), akár hűtésre (villamosenergia-termelés), öntözésre (bioüzemanyagok) vagy kitermelésre (hidraulikus repesztés). Az Egyesült Államokban az édesvízkivételek több mint egyharmadát termoelektromos generátorok hűtésére használják. A víz előkészítése és felhasználása az energiatermelés támogatására - amely folyamat magában foglalja az összegyűjtést, tisztítást, szállítást, tárolást és ártalmatlanítást - maga is hatalmas mennyiségű energiát tartalmaz. Ezt az egymásrautaltságot időnként víz-energia kapcsolatnak nevezik. A víz és az energia közötti kapcsolat mindig számos vitát indít a víz alternatív felhasználásáról, valamint a víz rendelkezésre állására (mennyiség és minőség) gyakorolt hatásokról. Két esettanulmány segítségével példázzuk ezeket a kihívásokat: alternatív energiaforrások és hagyományos energiatermelés. 13.

Amint a globális energiaigény folyamatosan növekszik, és mivel a fosszilis üzemanyag-alapú energiaforrások éghajlati hatásai tarthatatlanná válnak, egyre nagyobb hangsúlyt fektetnek a megújuló energiaforrásokra. Ezeket az energiaforrásokat joggal tartják fenntarthatóbbnak, mint a nem megújuló energiaforrásokra támaszkodó energiákat. Az egyes technológiák fenntarthatóságát azonban a vízkészletekre való támaszkodásuk és hatásuk összefüggésében kell értékelni.

Az alternatív energiatermelés vízre gyakorolt következményeinek felmérésének szükségessége talán mégsem annyira megrendítő, mint a bioüzemanyagok esetében. Megszoktuk, hogy járműveink energiaigényére gondoljunk az üzemanyag-hatékonyság mértékének mérésére gallonként mérföldenként. Az egység, amelyhez viszonyítva mérjük a hatékonyságot, természetesen egy liter benzin. De mi lenne, ha egy liter víz lenne? A kukorica vagy szójabab alapú bioüzemanyagok vízigénye kevesebb, mint 0,1 mérföld per gallon víz üzemanyag-hatékonysági értékét eredményezi! E víz túlnyomó részét növények termesztésére használják, nem pedig bioüzemanyaggá történő átalakításra. Jelenleg az Egyesült Államok kukoricatermésének mintegy 40 százalékát etanolgyártásra használják. 14 Amikor kukoricaszemekből állítanak elő etanolt, a vízlábnyom körülbelül kétszáz gallon víz/gallon etanol, nagyobb, mint az egy főre eső napi vízhúsz százhúsz liter vízfogyasztás. 15 Esővel táplált termelés esetén a víz költségei viszonylag csekély következményekkel járnak; de öntözött termelés esetén a nehéz vízigény elkerülhetetlenül más felhasználások rovására megy.

A magas vízigény, az éghajlatváltozás miatti jövőbeni vízellátás körüli bizonytalansággal együtt azt jelzi, hogy alaposan meg kell fontolni az alternatív energia-választások vízzel kapcsolatos következményeit. Például a szél- és napenergia-termelés vízigénye drasztikusan alacsonyabb, mint a bioüzemanyagoké, és még néhány „hagyományos” energiaforrásnál is alacsonyabb.

A bioüzemanyagok esetében a víz szerepe egyértelmű és intuitív: a növények növekedéséhez vízre van szükség. A vízerőműveknél a víz szerepe is magától értetődő. Más energiaforrások vízköltsége azonban kevésbé nyilvánvaló.

A növények úgy nőnek, hogy a napfényből származó energiát felhasználják a légkör szén-dioxidjának szénhidrátokká és végül több növényzé történő átalakítására. De a szárazföldi növények nem képesek felszívni a szén-dioxidot anélkül, hogy vizet vesztenének. A szén-dioxid be- és kilépési útja megegyezik a víz elpárolgásának útjával. A vízveszteség és a szén-dioxid-felvétel aránya a szén-dioxid-koncentrációtól és a légköri páratartalomtól, valamint a növényfajoktól függően változik. A legtöbb élőhelyen a növények ötven-százötven gallon vizet veszítenek párolgással - ezt az eljárást transzpirációnak nevezzük, amikor a víz levelekből származik -, hogy egyetlen font új növényt hozzanak létre. Ez a mechanizmus támasztja alá az élelmiszerek hatalmas vízlábnyomát, amelynek mérete nemcsak a növénynövekedési egységre jutó vízmennyiségtől, hanem az élelmiszerként elfogyasztott növény töredékétől vagy az egyes fogyóeszköz-egységek előállításához szükséges növények mennyiségétől is függ. állati termék.

A különféle élelmiszerek vízlábnyoma (1. táblázat) bármely helyen korlátozza a mezőgazdasági vállalkozás méretét és fenntarthatóságát. Az esővel táplált mezőgazdaság régióiban a vízbevitel és a növénykibocsátás közötti összefüggésnek világos felső határa van, amelyet az átvitt vízegységre jutó növénynövekedés mennyisége határoz meg. Számos folyamat csökkentheti a hozamokat e határ alatt: lefolyás és mély vízelvezetés; folyamatok, amelyek elmozdítják a vizet a növényi gyökerek számára hozzáférhető zónából; és a túl sok víz, a rossz talaj, a kedvezőtlen hőmérséklet, a kártevők vagy más kezelési kihívások korlátai. Az esővel táplált mezőgazdaság történetének nagy része felfogható erőfeszítésként, hogy a vízhozam által meghatározott felső határig következetesen elérjük a hozamokat.

Az öntözés jelentősen növelheti a hozamokat és az évről-évre kiszámíthatóságot. A világ növényeinek mintegy 33 százaléka a világszerte öntözött termőföldek mintegy 25 százalékából származik. 18 Olyan területeken, amelyek néha elég nedvesek az esővel táplált mezőgazdasághoz, az öntözés száraz időszakokon keresztül javíthatja a víz rendelkezésre állását. Az öntözés lehetővé teheti a mezőgazdaság kiterjesztését az egyébként túl száraz területekre is. De az öntözés csak akkor életképes, ha felesleges víz van csapolva. Helyileg ez azt jelenti, hogy a nedves időszakokban feltöltődik a felszín alatti víz; regionális értelemben jelenthet hócsomagot, folyókat, patakokat, tavakat és víztározókat.

Az élelmiszer-termelés vízlábnyoma megérett a javításra. Az öntözési gyakorlatok vagy technológia javítása erőteljes és költséghatékony lehet. A terméshozamok (a magasabb hozamok alacsonyabb vízlábnyomokhoz vezetnek) és az éghajlat szintén nagy szerepet játszik a vízlábnyom regionális különbségében. Az élelmiszer-termelés vízlábnyomának csökkentése a termésválasztás vagy a tenyésztés révén szintén nyereségre ad lehetőséget. Például egyes növényekben - nevezetesen a kukoricában és a cukornádban - van egy szén-dioxid-koncentráló mechanizmus, az úgynevezett C4 fotoszintézis, amely lehetővé teszi számukra, hogy kevesebb vizet használjanak, mint a legtöbb más növény. A C4 fotoszintézis termesztése olyan növényekbe, mint a rizs és a búza, ezáltal növelve azok vízhatékonyságát, az egyik olyan stratégia, amely aktív kutatás tárgyát képezi. A hús (különösen a marhahús), a tojás és a tejtermék vízlábnyoma többször nagyobb, mint a növényeké, lényegében azért, mert az állatok nem túl hatékonyan képesek a növényi kalóriákat állati biomasszává átalakítani. Globálisan a húsban gazdag étrend fokozódó preferenciái jelentik a megnövekedett vízigény egyik legnagyobb hajtóerejét.

Asztal 1

Átlagos vízfogyasztás élelmiszeripari termékek előállításához

Élelmiszer-termék

Vízfogyasztás (gal/lb)