我们的第一个结果是 SAM 本身,我们在这里描述 SAM 评估的范围及其指标,因为它们是文献调查和指标开发迭代过程的结果(见实验程序)。SAM 评估侧重于农业生产对环境和经济的直接影响,以及对整个社会的更广泛影响(见图 1),认识到农业与其他部门(例如工业)密切相关。具体而言,从环境的角度来看,可持续农业避免了水资源的低效使用,进一步减少了因将自然栖息地转变为农业用地而导致的生物多样性损失,不当使用化学化合物对当地和区域水质及空气质量产生负面影响,温室气体的排放破坏全球气候,以及土壤健康和肥力的损失。从经济的角度来看,可持续农业通过提高农业生产力和盈利能力、推动农业创新、为农民提供获取资源的机会,改善了农业部门的经济可行性。
为了在指标之间进行交叉比较并确定一个国家绩效改进的优先事项,我们为每个指标定义了红色和绿色阈值,这与人类活动的行星和社会边界框架相一致。红色阈值表示存在不良环境、经济或社会影响的高风险,而绿色阈值则表明可接受的可持续性目标(有关每个指标阈值设定的更多细节,请参见注释 S3S5)。这些在 SAM 中的环境和社会经济指标的阈值有助于提供农业生产“安全和公正空间”的初步轮廓。
calculated
following
Seekell et al. ^(33)| calculated |
| :--- |
| following |
| Seekell et al. ${ }^{33}$ |
48
22
计数
低收入人群的食品可负担性(食品可负担性)
Seekell 等人 ^(33){ }^{33}
100
30
%
健康与营养
营养不良的流行率(营养不良)
FAO^(27)\mathrm{FAO}^{27}
0
7.5
%
农民的福祉
农村贫困比例(农村贫困)
世界银行 ^(34){ }^{34}
2
13
%
平等
全球性别差距报告得分(性别差距)
世界经济论坛
0.8
0.7
分数
农民的权利
土地权利
地标 ^(35){ }^{35}
3
2
分数
Major aspect Indicators Data sources Green threshold Red threshold Units
Environmental dimension
Water availability sustainability of irrigation water consumption (water consumption) Rosa et al. ^(22,23) 1 2 km^(3) total annual irrigation water/km ^(3) sustainable annual water consumption
Pollution N surplus P surplus "Zhang et al. ^(24)
Zou et al. ^(25)" "52
3.5" "69
6.9" kg N/ha/year kg P/ha/year
Land use and loss of biodiversity the lost forested area due to agricultural activities (land-use change) Global Forest Watch, Curtis et al. ^(26) 0 0.0053 ha deforested/ha cropland area/year
Climate change total greenhouse gas emission from agriculture activities per harvested area (greenhouse gas) FAO^(27) 0.86 1.08 ton CO_(2)eq//ha
Soil health soil erosion Borrellie et al. ^(28) 1 5 ton/ha
Economic dimension
Agricultural labor productivity agricultural GDP per agricultural worker (labor productivity) "derived from
World Bank (WDI) ^(29)" 7,946 460 2011 US$ PPP
Credit availability access to finance for farmers (finance access) EIU^(30) 100 25 score
Farmer's risks crop price volatility (price volatility) Derived from FAO ^(27) 0.10 0.23 -
Agricultural support government agricultural expenditure per agricultural worker (government support) agricultural expenditure data, IFPRI ^(31) and FAO ^(27); agricultural worker, derived from WDI 2,405 25 2011 US$ PPP
Market access total agricultural export values as a percentage of agricultural GDP (trade openness) trade data, UN Comtrade; ^(32) agricultural GDP, World Bank WDI ^(29) 71 17 %
Food loss food loss percentage (food loss) EIU ^(30) 2.2 6.6 %
Social dimension
Resilience crop production diversity H index (crop diversity) "calculated
following
Seekell et al. ^(33)" 48 22 counts
food affordability by low-income population (food affordability) Seekell et al. ^(33) 100 30 %
Health and nutrition prevalence of under-nourishment (under-nourishment) FAO^(27) 0 7.5 %
Farmers' wellbeing rural poverty ratio (rural poverty) World Bank ^(34) 2 13 %
Equality global gender gap report score (gender gap) World Economic Forum ^(34) 0.8 0.7 score
Farmers' rights Land rights LandMark ^(35) 3 2 score| Major aspect | Indicators | Data sources | Green threshold | Red threshold | Units |
| :---: | :---: | :---: | :---: | :---: | :---: |
| Environmental dimension | | | | | |
| Water availability | sustainability of irrigation water consumption (water consumption) | Rosa et al. ${ }^{22,23}$ | 1 | 2 | $\mathrm{km}^{3}$ total annual irrigation water/km ${ }^{3}$ sustainable annual water consumption |
| Pollution | N surplus P surplus | Zhang et al. ${ }^{24}$ <br> Zou et al. ${ }^{25}$ | $\begin{gathered} 52 \\ 3.5 \end{gathered}$ | $\begin{gathered} 69 \\ 6.9 \end{gathered}$ | kg N/ha/year kg P/ha/year |
| Land use and loss of biodiversity | the lost forested area due to agricultural activities (land-use change) | Global Forest Watch, Curtis et al. ${ }^{26}$ | 0 | 0.0053 | ha deforested/ha cropland area/year |
| Climate change | total greenhouse gas emission from agriculture activities per harvested area (greenhouse gas) | $\mathrm{FAO}^{27}$ | 0.86 | 1.08 | ton $\mathrm{CO}_{2} \mathrm{eq} / \mathrm{ha}$ |
| Soil health | soil erosion | Borrellie et al. ${ }^{28}$ | 1 | 5 | ton/ha |
| Economic dimension | | | | | |
| Agricultural labor productivity | agricultural GDP per agricultural worker (labor productivity) | derived from <br> World Bank (WDI) ${ }^{29}$ | 7,946 | 460 | 2011 US$ PPP |
| Credit availability | access to finance for farmers (finance access) | $E I U^{30}$ | 100 | 25 | score |
| Farmer's risks | crop price volatility (price volatility) | Derived from FAO ${ }^{27}$ | 0.10 | 0.23 | - |
| Agricultural support | government agricultural expenditure per agricultural worker (government support) | agricultural expenditure data, IFPRI ${ }^{31}$ and FAO $^{27}$; agricultural worker, derived from WDI | 2,405 | 25 | 2011 US$ PPP |
| Market access | total agricultural export values as a percentage of agricultural GDP (trade openness) | trade data, UN Comtrade; ${ }^{32}$ agricultural GDP, World Bank WDI ${ }^{29}$ | 71 | 17 | % |
| Food loss | food loss percentage (food loss) | EIU ${ }^{30}$ | 2.2 | 6.6 | % |
| Social dimension | | | | | |
| Resilience | crop production diversity H index (crop diversity) | calculated <br> following <br> Seekell et al. ${ }^{33}$ | 48 | 22 | counts |
| | food affordability by low-income population (food affordability) | Seekell et al. ${ }^{33}$ | 100 | 30 | % |
| Health and nutrition | prevalence of under-nourishment (under-nourishment) | $\mathrm{FAO}^{27}$ | 0 | 7.5 | % |
| Farmers' wellbeing | rural poverty ratio (rural poverty) | World Bank ${ }^{34}$ | 2 | 13 | % |
| Equality | global gender gap report score (gender gap) | World Economic Forum ${ }^{34}$ | 0.8 | 0.7 | score |
| Farmers' rights | Land rights | LandMark ${ }^{35}$ | 3 | 2 | score |
这些关注点,除了土壤侵蚀外,均与提议的行星边界相对应,这些边界受到农业活动的重大影响,包括淡水使用(水消耗:灌溉水消耗的可持续性)、对 NN 和 PP 循环的人类干扰( NN 盈余和 PP 盈余)、土地系统变化、生物多样性丧失(土地利用变化:由于农业活动导致的森林砍伐)以及气候变化(温室气体:农业活动产生的温室气体排放)。因此,这些指标及其阈值的定义与行星边界文献相一致,但经过一些修改以允许国家级评估和跨国比较(注释 S3-S5)。尽管未包含在行星边界框架中,土壤侵蚀指标提供了土壤健康一个方面的初步国家级评估,尽管对此日益关注,但在国家层面上数据有限。虽然该指标并未反映土壤健康的所有关注点,但它是唯一具有全球覆盖、按国家和多个年份提供至少基本估算的指标。 诚然,农业生产还有其他环境影响,这些影响并未通过那六个指标直接衡量(例如,农药使用造成的环境损害以及由于作物组合变化或非森林砍伐的土地利用变化导致的生物多样性丧失),在 SAM 框架中评估这些影响需要未来在国家层面上开发新指标的概念、数据和阈值方面进行努力。
经济维度包括六个指标(表 1),用于衡量农民和农业企业的经济可行性,考虑到农业生产成本和收益。从成本的角度来看,经济维度衡量农民获得融资选择的能力(融资获取:融资获取指数)、政府的价格支持(政府支持:农业支出占农业国内生产总值 [GDP] 的百分比),这可能帮助农民和农业企业降低成本,提高创新能力以及减少供应链中的食品损失(食品损失:作为国内供应比例的收获后和消费者前食品损失的衡量)。从收益的角度来看,经济维度评估农民的劳动生产率(劳动生产率:农业 GDP 每农业工人)、农民的贸易开放程度(贸易开放:农业出口收入占农业 GDP 的比例,贸易开放指数的修订版)以及他们对作物价格波动的暴露程度(价格波动:作物价格的加权平均变异系数)。
可持续农业是食品系统韧性的基础;即食品系统适应外部干扰并提供稳定食品供应的能力。在这里,食品系统韧性通过两个指标进行衡量:考虑低收入家庭食品可负担性的社会经济韧性(即最低 20%收入分位数与平均食品支出之比),以及考虑作物生产多样性的食品生产韧性(即用于衡量提供每人一定数量卡路里的作物类型数量的 H 指数)。
将 SAM 指标的表现总结到三个维度,我们发现一个国家在 SAM 的经济和社会维度的表现通常与其收入水平(例如,以人均 GDP 衡量)呈正相关,而在环境维度的表现则在中上收入组中最差(见图 3)。为了总结这一高度多样化的指标集,我们将每个指标的原始值转换为 0-100 的尺度(指标得分),基于红色和绿色阈值计算维度得分和整体表现得分(详细描述见实验程序)。结果显示,高收入国家在经济维度上实现可持续目标(绿色区域)的比例大于其他收入组。
我们的第四个主要结果集中在揭示 SAM 指标之间的权衡和协同作用,以及它们在不同国家的变化。考虑到农业系统的复杂性和可持续性的多维关注,农业中的一次变化(例如,实施新技术或新政策)可能会在三个可持续性维度上引发多重连锁影响,因此,一些绩效指标可能会改善,而另一些则可能会下降。因此,理解指标之间的权衡和协同作用对于政策制定者制定可持续发展战略至关重要。 ^(51,52){ }^{51,52} 基于 SAM 指标的历史记录(图 4),
图 4. 1991-2016 年部分国家 SAM 指标的轨迹
在四个收入组(即高收入、中上收入、中下收入和低收入国家 ^(47){ }^{47} )中,展示了两个国家(一个位于热带气候区,另一个位于温带气候区)在 2010-2014 年平均总农业 GDP 最高的情况。每一行记录了一个 SAM 指标的表现,每年一列,每个单元格的颜色由分数决定,如实验程序中所述。空白单元格表示相应指标/年份对的数据不可用。
我们调查了各国指标之间的权衡和协同作用(图 5),在这里,成对指标时间序列之间的统计显著(斯皮尔曼相关系数 p < 0.05p<0.05 )正(或负)相关表明了协同作用(或权衡)。 ^(51){ }^{51} 尽管这些指标之间的统计关系并不意味着直接的因果联系,但它们提供了一个指示。
在具有复杂动态的多目标系统中,权衡和协同作用的分类可以帮助识别尚未得到充分认识的权衡。
SAM 指标的权衡与协同分析表明,不同可持续性问题之间存在复杂的关系,这些关系不一定是一致的
图 5. 112 个主要农业生产国的 SAM 指标之间的协同效应和权衡概述
(A)短指标名称位于图的对角线上,图的左下部分每个框总结了一对指标之间的关系。在每个框中,每个彩色条的高度由处于协同状态的国家比例决定(橙色:指标之间显著正相关, p < 0.05\mathrm{p}<0.05 ),权衡(蓝色:显著负相关)或无显著关系(黄色);框中剩余区域表示无数据(浅灰色)。有关详细方法,请参见实验程序。
并非所有社会指标都随着经济指标的增长而增加。令人惊讶的是,在许多国家,政府支持和贸易开放的增加并未伴随营养不良人口的减少(图 5);在研究期间,少数国家甚至显示出营养不良与劳动生产率指标之间的权衡关系。这种缺乏协同效应可能表明多种因素的结合。例如,人口增长可能超过农业生产率的提高;消费模式的变化和收入群体之间食品分配的不均也可能延迟或减弱农业生产率提高对减少营养不良人口的影响;更便宜的农业进口可能通过压低农村家庭的收入来增加营养不良;国内政策可能偏向于扩大出口作物,而牺牲小农户的生计,甚至整个居民的生计。 性别平等、韧性与 SAM 的经济表现之间的关系大多不显著,这表明农业生产的社会维度并不会随着经济表现的提高而自动改善。这些结果表明,需要对权衡和协同效应进行更多国家特定的研究,并且可持续发展的路径对于许多国家可能是特定于上下文的。
在将当前表现与历史表现进行比较时,几乎所有国家都可以在 25^("th ")25^{\text {th }} 百分位以上实现技术上的可行性。然而,我们认识到,由于自然资源禀赋和社会经济条件的差异,一些国家可能无法达到绿色标准。由于 SAM 指标跟踪一个国家的表现随时间的变化,它们展示了一个国家所取得的进展,并且与跨国比较相辅相成。
(2)以一致的方式展示农业的正面和负面影响为政府内不同机构和部门以及不同利益相关者(例如,农民、制造商、贸易商、消费者)之间进行建设性对话提供了独特的机会。实现可持续农业理想情况下要求所有指标朝着各自的可持续性目标发展。因此,这需要政府机构和利益相关者之间的合作。在 SAM 的开发过程中,我们通过由粮农组织北美联络办公室组织的政策圆桌会议和多次国际会议,与包括负责 SDG 2.4.1 开发的专家在内的广泛利益相关者分享了我们的进展,并利用 SAM 作为与各利益相关者进行开放讨论和共同学习的机会。这种共同开发不仅改善了 SAM 指标的设计和可视化,还促进了跨学科(涉及自然科学家、社会科学家和关键利益相关者)在分析和应用 SAM 以指导可持续农业追求方面的合作。
SAM 指标的发展揭示了可持续农业这一复杂概念与国家层面和全球覆盖范围内现有数据和指标之间的差距。为了得出第一组 SAM 指标,不得不对数据限制做出妥协。例如,土地权利指标仅有一年的数据,但它们被纳入 SAM,因为它们为可持续农业的一个关键方面提供了测量,而没有其他相关指标在空间和时间覆盖方面优于土地权利。虽然大多数指标覆盖了广泛的国家,但许多指标在时间覆盖上存在不足,这限制了对进展的跟踪。目前,仅有少数指标包含自 1961 年以来的数据(例如,氮盈余、磷盈余、温室气体和作物多样性),一些指标自 1990 年代以来有数据(例如,水消耗、土地利用变化、土壤侵蚀、劳动生产率和贸易开放),而其余指标仅有过去几年的数据。确保用于计算 SAM 指标的原始数据持续收集并向公众提供是至关重要的。
除了现有指标缺乏数据外,还需要开发指标以改善对可持续农业某些关键方面的测量,例如土壤健康。尽管在农场层面开发土壤健康指标的兴趣很大,但很少有土壤健康指标能够汇总到国家层面。例如,土壤有机质被认为赋予了许多有益的土壤健康特性,如改善的持水能力和有益生物的活性,但大多数测量是在局部地块尺度进行的,只有少数国家能够在汇总的国家层面评估土壤有机质的变化。人类健康和营养的指标应改进,以包括营养不良的所有方面,包括蛋白质和微量营养素的供应,从而反映营养敏感农业的指标。权利和平等的指标需要改进,以测量其他与农民或社区土地相关的基本权利和平等问题(例如,教育、性别平等)。本版本 SAM 中包含的每个指标的注意事项在附注 S5 中进一步讨论。
聚焦于国家层面的评估,目前的 SAM 指标在反映一个国家内部农业可持续性表现的异质性方面存在局限性。例如,由于其集约化的作物生产活动,美国玉米/大豆带的总氮 surplus 比其他美国地区更高,而中国东海岸地区相比于西部地区则更为发达且污染更严重。特征化
这种异质性表现对于评估农业可持续性至关重要。可以探索两个潜在方向:(1)在次国家层面实施 SAM 评估框架, ^(58){ }^{58} 和(2)开发能够反映国家内部空间异质性的量身定制的国家级统计数据。由于许多 SAM 指标是基于次国家统计数据或考虑可用资源的空间异质性(例如,水消耗指标),因此按照这两个潜在方向开发 SAM 是可行的,以更好地反映一个国家内部农业可持续性表现的异质性。
结论
我们开发了一个指标系统,SAM,用于系统地评估和可视化各国在可持续农业方面的表现,涵盖环境、社会和经济维度,跟踪朝向可持续发展目标的空间和时间变化,并识别多个可持续性目标之间的权衡和协同效应。正如预期的那样,没有任何一个国家在所有指标上都达到了可持续性目标,但 SAM 也揭示了各国在农业可持续性改善优先事项上的差异。通过突出每个国家改善农业可持续性的优先领域,SAM 评估可能为寻求改善农业可持续性的政策制定者和利益相关者提供必要的证据基础。 SAM 还展示了可持续发展目标之间在空间和时间上的变化互联性,揭示了农业生产中经济与环境绩效之间普遍存在的权衡,从而促进了影响广泛主题的政策制定者之间的潜在合作与协调,包括食品和农业政策、农村发展以及环境政策。各国评估的可视化也提供了识别有效政策和技术的机会,这些政策和技术在某些国家促进了农业环境、经济和社会维度之间的协同关系,因此可以为面临权衡挑战的其他国家的政策提供参考。尽管指标设计和数据可用性的持续改进是必要的,但 SAM 的广泛应用为朝着可持续农业采取更明智和协调的行动提供了机会。
" Score "=(33**(" Raw "_("adj ")-" Red "_(adj)))/(" Green "_("adj ")-" Red "_("adj "))+33\text { Score }=\frac{33 *\left(\text { Raw }_{\text {adj }}-\text { Red }_{a d j}\right)}{\text { Green }_{\text {adj }}-\text { Red }_{\text {adj }}}+33
Bodirsky, B.L., Popp, A., Lotze-Campen, H., Dietrich, J.P., Rolinski, S., Weindl, I., Schmitz, C., Müller, C., Bonsch, M., 和 Humpenöder, F. (2014). 2050 年满足全球需求的反应性氮需求及其减缓氮污染的潜力. 自然通讯, 5, 1-7.
Aktar, W., Sengupta, D., 和 Chowdhury, A. (2009). 农业中农药使用的影响:其益处与危害. 跨学科毒理学, 2, 1-12.
张, X., 戴维森, E., 邹, T., 拉萨莱塔, L., 全, Z., 李, T., 和张, W. (2020). 量化可持续营养管理的营养预算. 全球生物地球化学循环 34, e2018GB006060.
埃登霍费尔, O., 皮赫斯-马德鲁加, R., 索科纳, Y., 法拉哈尼, E., 卡德纳, S., 塞博斯, K., 阿德勒, A., 鲍姆, I., 布伦纳, S., 和艾克梅耶尔, P. (2014). 气候变化 2014:气候变化的缓解. 政府间气候变化专门委员会第三工作组对第五次评估报告的贡献. https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/ipcc_wg3_ar5_frontmatter.pdf.
Mbow, C., Rosenzweig, C., Barioni, L.G., Benton, T.G., Herrero, M., Krishnapillai, M., Liwenga, E., Pradhan, P., Rivera-Ferre, M.G., Sapkota, T., 等. (2019). 食品安全. 在《气候变化与土地:气候变化、沙漠化、土地退化、可持续土地管理、食品安全和陆地生态系统温室气体通量的 IPCC 特别报告》中.
Springmann, M., Clark, M., Mason-D’Croz, D., Wiebe, K., Bodirsky, B.L., Lassaletta, L., de Vries, W., Vermeulen, S.J., Herrero, M., 和 Carlson, K.M. (2018). 保持食品系统在环境限制内的选项. 自然 562, 519.
Tilman, D., Balzer, C., Hill, J., 和 Befort, B.L. (2011). 全球食品需求与农业的可持续集约化. 美国国家科学院院刊 108, 20260-20264.
罗克斯特伦, J., 斯特芬, W., 诺恩, K., 佩尔松, Å., 查平, F.S., 兰宾, E.F., 伦顿, T.M., 谢弗, M., 福尔克, C., 和 谢尔恩胡伯, H.J. (2009). 人类的安全操作空间. 自然 461, 472-475.
Steffen, W., Richardson, K., Rockström, J., Cornell, S.E., Fetzer, I., Bennett, E.M., Biggs, R., Carpenter, S.R., De Vries, W., 和 De Wit, C.A. (2015). 行星边界:在变化的星球上引导人类发展. 科学 347, 1259855.
Raworth, K. (2012). 人类的安全与公正空间:我们能否在甜甜圈内生活?(乐施会)。
Raworth, K. (2017). 人类世的甜甜圈:21 世纪人类的指南针。柳叶刀行星健康 1, e48-e49.