Un passage de 12 % de l'élevage monogastrique à l'élevage de ruminants peut réduire les émissions et stimuler la production agricole pour 525 millions de personnes

Nature Food volume 3, pages 1040–1051 (2022)Citer cet article

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Les ruminants ont une efficacité d'utilisation des aliments inférieure à celle du bétail monogastrique et produisent des émissions d'azote réactif et de méthane plus élevées, mais peuvent utiliser la biomasse non comestible par l'homme par la recherche de nourriture et la paille. Ici, nous effectuons une analyse contrefactuelle, en remplaçant les ruminants par du bétail monogastrique pour quantifier les changements dans la perte d'azote et les émissions de gaz à effet de serre à l'échelle mondiale dans une perspective de cycle de vie complet. Le passage de 12 % de la production animale mondiale du bétail monogastrique au bétail ruminant pourrait réduire les émissions d'azote de 2 % et les émissions de gaz à effet de serre de 5 % en raison du changement d'utilisation des terres et de la baisse de la demande de terres cultivées pour l'alimentation des ruminants. La production des terres cultivées libérées pourrait nourrir jusqu'à 525 millions de personnes dans le monde. Plus de produits de ruminants, en plus d'une gestion optimisée, généreraient des avantages globaux évalués à 468 milliards de dollars américains en réduisant les impacts négatifs sur la santé humaine et des écosystèmes et en atténuant les impacts climatiques.

Le secteur mondial de l'élevage a émis 65 TgN an−1 en 2010, ce qui représente un tiers des émissions anthropiques totales d'azote réactif (Nr)1. L'ensemble de la chaîne de production animale a généré environ 15 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre (GES) anthropiques, les ruminants et le bétail monogastrique contribuant respectivement à 5,7 et 1,4 PgCO2e d'émissions de GES par an2. La production d'aliments pour le bétail utilise environ les deux tiers de la superficie totale mondiale des terres cultivées3 et l'augmentation de la demande de protéines d'origine animale pourrait accélérer la concurrence aliments-aliments4.

L'efficacité de l'utilisation des aliments est plus faible chez les ruminants que chez les animaux monogastriques1, ce qui entraîne des émissions de Nr et de GES relativement plus élevées par unité de production de protéines pour les ruminants. La réduction de la consommation de produits de ruminants peut contribuer à limiter les impacts environnementaux de la production de viande5, mais la satisfaction des besoins en protéines animales du bétail monogastrique, en particulier la volaille, s'accompagne de compromis. Les céréales représentent environ 95 % de l'alimentation des élevages intensifs de volailles, et les volailles consomment comparativement plus de céréales comestibles pour l'homme que les ruminants6. En revanche, environ 60 % de l'alimentation des ruminants est constituée de cellulose non comestible par l'homme, par exemple de l'herbe, des résidus de culture et des feuilles7. Ainsi, les ruminants peuvent contribuer à maximiser l'utilisation de la biomasse végétale autrement inutilisable, au bénéfice de la sécurité alimentaire et à la réduction de l'impact environnemental de l'agriculture8,9.

Nous soutenons que la maximisation de l'utilisation de la cellulose dans l'alimentation du bétail peut réduire la pression sur la production d'aliments céréaliers, qui est associée à des coûts environnementaux élevés et à des risques pour la sécurité alimentaire. Ici, nous effectuons une analyse contrefactuelle, en remplaçant les ruminants par du bétail monogastrique, pour quantifier les changements dans les émissions de Nr et de GES dans 166 pays, en adoptant une perspective de cycle de vie complet. Nous avons ensuite calculé les aspects d'efficacité de la production de quantités équivalentes de protéines et les émissions de Nr et de GES résultantes des ruminants et du bétail monogastrique dans différents pays, en tenant compte des contraintes locales. Sur la base de ces analyses globales, nous avons développé un scénario optimisé de production de protéines animales en maximisant la proportion de ruminants pour réduire les émissions de Nr et de GES, augmentant ainsi la disponibilité des terres cultivées pour la production d'aliments humains à base de céréales. La gestion des ruminants pour une production alimentaire à faibles émissions pourrait préserver la sécurité alimentaire, réduire les impacts environnementaux et atténuer le changement climatique.

Les ruminants se nourrissent principalement de cellulose non comestible par l'homme (Extended Data Fig. 1), bien qu'ils aient des besoins alimentaires plus importants (14,8 kgNfeed par kgNruminant) que le bétail monogastrique (6,3 kgNfeed par kgNmonogastrique). La production de bétail monogastrique nécessite environ quatre fois plus de terres cultivées que la production de ruminants pour produire un équivalent par unité de protéines (Fig. 1a,c et données étendues Figs. 2 et 3) (8,0 ha par t de protéines pour le bétail monogastrique contre 1,9 ha par t de protéines pour ruminants). Les ruminants mondiaux ont produit environ 7 Tg de protéine-N en 2019. Produire le même niveau de protéines uniquement par du bétail monogastrique entraînerait 15 % (7 Tg) de pertes d'azote supplémentaires dans l'environnement sur l'ensemble de la chaîne de production. Dans un tel scénario, les émissions d'ammoniac (NH3) dans l'air et de nitrate (NO3−) rejetées dans les masses d'eau augmenteraient respectivement de 13 % (3 Tg) et de 18 % (5 Tg), tandis que les émissions de N2O et de NOx diminueraient de 14 % (-0, 3 Tg) et 17% (-0, 04 Tg), respectivement (Fig. 2a, b). Les augmentations substantielles sont associées à la production d'aliments céréaliers pour le bétail monogastrique, qui nécessite plus de terres cultivées et d'engrais synthétiques.

a, Superficie de terres cultivées nécessaire pour produire par unité de protéines de ruminants. b, Ratio d'alimentation du bétail ruminant ; cette valeur représente le pourcentage de teneur en azote. L'alimentation des ruminants comprend de l'herbe (61 %), des résidus de culture (23 %) et des produits végétaux (16 %). c, Superficie de terres cultivées nécessaire pour produire par unité de protéines monogastriques. d, Ratio d'alimentation du bétail monogastrique. « Autres » représente les acides aminés synthétiques, la farine de poisson et le calcaire. Le bétail monogastrique se nourrit principalement de produits végétaux (81 %), suivi des eaux grasses (9 %) et d'autres aliments (9 %). La carte de base a été appliquée sans approbation en utilisant les données de la base de données des zones administratives mondiales (GADM ; https://gadm.org/).

Données source

a, Flux globaux d'azote chez le bétail monogastrique. Le « fumier pour les autres » représente le fumier appliqué sur les terres cultivées pour l'alimentation humaine ou l'alimentation des cultures pour d'autres animaux. b, Flux globaux d'azote chez les ruminants. Le « fumier pour autre » comprend ici deux parties : (1) le fumier déposé sur une autre prairie (12 Tg) ; (2) fumier appliqué sur les terres cultivées pour l'alimentation humaine ou l'alimentation d'autres animaux (37 Tg). c, Émissions mondiales de carbone du bétail monogastrique (comprenant les émissions de CO2 et de CH4). d, Émissions mondiales de carbone du bétail ruminant. Le flux vert foncé représente les intrants verts, tels que le recyclage de la paille, le retour du fumier au champ, la fixation naturelle de l'azote et l'utilisation des eaux grasses, etc. Tous les nombres sont en Tg an−1.

Le bétail monogastrique a une efficacité d'utilisation de l'azote (NUE) plus élevée au stade de l'élevage (16 %) par rapport aux ruminants (7 %). Cependant, le NUE de la production d'aliments pour le bétail monogastrique (33 %) est bien inférieur à celui des ruminants (69 %), ce qui conduit à un NUE global de la chaîne de production animale assez similaire pour le bétail monogastrique et les ruminants, à environ 6 %. globalement. De plus, au stade de l'élevage des ruminants, plus d'azote du fumier est produit en raison de la faible teneur en NUE, qui pourrait être utilisé pour la production de rations agricoles pour les humains. Davantage d'opportunités de recyclage et de processus naturels étaient disponibles dans la chaîne de production des ruminants (Fig. 2), tels que le recyclage de la paille et du fumier et la fixation biologique naturelle de l'azote dans les prairies, illustrant que les ruminants peuvent recycler davantage de nutriments dans la production alimentaire, réduisant ainsi les émissions globales de Nr. .

Les émissions seraient plus élevées d'environ 3 PgCO2e si les ruminants remplaçaient le bétail monogastrique au niveau mondial (Fig. 2c,d). L'augmentation des terres cultivées nécessaires à la production de céréales fourragères (270 Mha) a été modélisée pour être convertie à partir de la forêt, entraînant une augmentation de 5,4 PgCO2e d'émissions dues au changement d'affectation des terres, aux opérations sur le terrain, à la transformation et à la fabrication d'engrais. En revanche, une réduction des émissions d'environ 2,5 PgCO2e résulterait de la fermentation entérique du CH4 évitée et de la gestion du fumier.

L'intensité des émissions de Nr des ruminants (1,07 kgN par kg de protéines) a été calculée comme étant inférieure à celle du bétail monogastrique (1,24 kgN par kg de protéines) sur l'ensemble de la chaîne de production à l'échelle mondiale. La production d'aliments représente respectivement 81 % et 78 % des émissions totales du bétail monogastrique et des ruminants (Fig. 3a). Le remplacement des ruminants par du bétail monogastrique augmenterait d'environ un tiers les émissions de Nr provenant de la production d'aliments pour animaux. Parmi tous les animaux d'élevage, les poulets de basse-cour avaient l'intensité d'émission de Nr alimentaire la plus élevée en raison de leur faible taux de conversion alimentaire (1/4-1/2 de celui des poulets industriels)4, suivis des porcs industriels. En revanche, les petits ruminants non laitiers (ovins et caprins) avaient l'intensité d'émission de Nr alimentaire la plus faible, car leur alimentation contient généralement une grande proportion de résidus de culture (10 à 40 %) et seulement une petite proportion de céréales (0 à 7 %). 6. Il n'y avait pas de différence notable dans l'intensité des émissions de Nr de l'élevage entre les ruminants (0,23 kgN par kg de protéines) et le bétail monogastrique (0,24 kgN par kg de protéines) à l'échelle mondiale.

a, Intensité des émissions de Nr (comprend NH3-N, NOx-N, NO3−-N) de tous les systèmes d'élevage. Le vert (aliments pour l'herbe) et le jaune (aliments pour les cultures) représentent les émissions de Nr des aliments, et le bleu représente les émissions de Nr provenant de l'élevage. b, Intensité des émissions de GES (y compris CO2, CH4, N2O) de tous les systèmes d'élevage. Les barres rouges représentent les émissions de carbone des aliments pour animaux causées par les changements d'utilisation des terres, les barres jaunes sont les émissions totales de carbone provenant d'autres processus de production d'aliments pour animaux tels que les opérations sur le terrain, la transformation et le mélange, et les barres bleues représentent les émissions de GES provenant de l'élevage. Les lignes rouges et noires représentent l'émission unitaire moyenne pour les ruminants et le bétail monogastrique, respectivement. c, Changements totaux des émissions de Nr résultant du remplacement du bétail monogastrique par des ruminants, y compris NH3-N, NOx-N, NO3−-N provenant des chaînes d'approvisionnement du bétail. d, Proportion d'émissions de Nr modifiées calculée en divisant le total des chaînes d'approvisionnement modifiées de a par les émissions de Nr des ruminants. e, Modification totale des émissions de GES (y compris CO2, CH4, N2O) résultant du remplacement des ruminants par du bétail monogastrique. f, Proportion des émissions de GES modifiées résultant du remplacement des ruminants par du bétail monogastrique, calculée en divisant le total des émissions de GES modifiées de c par les émissions de GES des ruminants provenant de la production d'aliments pour animaux et de l'élevage. La carte de base a été appliquée sans approbation en utilisant les données de la base de données des zones administratives mondiales (GADM ; https://gadm.org/).

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L'intensité des émissions de GES des ruminants (93 kgCO2e par kg de protéines) est bien inférieure à celle du bétail monogastrique (159 kgCO2e par kg de protéines), mais les variations tendent à être importantes aux stades de la production d'aliments pour animaux et de l'élevage (Fig. 3b). . L'intensité des émissions de GES des aliments pour animaux des systèmes d'élevage monogastrique a été calculée comme étant bien plus élevée que pour les ruminants en raison des émissions substantielles dues au changement d'utilisation des terres. L'intensité des émissions de GES provenant des aliments pour animaux provenant de la transformation, du transport, du mélange, des opérations sur le terrain et de la fabrication d'engrais était également plus élevée pour le bétail monogastrique (36 kgCO2e par kg de protéines) que pour les ruminants (26 kgCO2e par kg de protéines). L'intensité des émissions de CH4 de la production laitière est inférieure à celle de la production de viande, en raison d'une efficacité de production de protéines plus élevée et d'une part plus élevée de contenu digestible dans l'alimentation. Par exemple, l'intensité des émissions de CH4 des bovins laitiers (22 kgCO2e par kg de protéines) est bien inférieure à celle des bovins de boucherie (173 kgCO2e par kg de protéines). Les poulets présentaient la plus faible intensité d'émissions de GES liées à l'élevage de bétail en raison de l'absence de fermentation entérique et des émissions globales de CH4 provenant du fumier.

L'intensité des émissions d'azote et de GES varie considérablement entre les ruminants et le bétail monogastrique et entre les pays en raison des différences de technologie, d'installations d'élevage, de connaissances et de pratiques des agriculteurs et des conditions climatiques (données étendues, figures 4 et 5). De plus, il existe des différences considérables dans le rapport de variation des émissions d'azote et de GES lors du remplacement des ruminants par du bétail monogastrique (Extended Data Fig. 6).

La plupart des pays et régions ont enregistré une augmentation des émissions de Nr lors du remplacement des ruminants par du bétail monogastrique, principalement ceux d'Asie de l'Est et du Sud, d'Afrique, d'Océanie et d'Amérique du Nord en raison de la production relativement faible de NUE dans la production de matières premières céréalières pour le bétail monogastrique (Fig. 3c, d). L'Inde est le pays qui a enregistré la plus forte augmentation des émissions de Nr, estimée à 2,5 Tg (+44 %). A l'échelle continentale, l'Afrique a le taux d'augmentation le plus important (+66%, 2,2 Tg), suivie de l'Asie du Sud (+50%, 4,3 Tg). Cependant, dans la plupart des pays d'Amérique du Sud et d'Europe, les émissions de Nr du bétail monogastrique étaient inférieures aux émissions des ruminants, en particulier au Brésil, qui a montré une réduction d'environ 2,7 TgN (−57 %) en remplaçant les ruminants par du bétail monogastrique. En effet, la production d'aliments céréaliers brésiliens a un NUE relativement élevé (69 %) car elle est basée sur la production de soja avec de faibles taux d'application d'engrais azotés synthétiques, ce qui se traduit par un taux d'émission global de Nr faible.

À l'exception de la plupart des pays d'Amérique du Sud et de plusieurs pays d'Afrique, tous les pays restants ont enregistré une augmentation des émissions de GES si aucune production de bétail de ruminants n'a été entreprise en raison de la demande importante de céréales fourragères et de la conversion résultante de l'utilisation des terres de la forêt en terres cultivées (Fig. 3e, f ). L'Inde, le Pakistan et la Chine ont enregistré l'augmentation la plus importante des émissions de GES avec respectivement 524 Tg (+99%), 289 Tg (+155%) et 273 Tg (+102%) CO2e. L'Océanie (+206 %, 329 Tg) a enregistré le taux d'augmentation le plus élevé en raison des faibles émissions de CH4 entérique des ruminants et des émissions élevées liées au changement d'affectation des terres. En revanche, dans le centre et l'est de l'Amérique du Sud, comme le Brésil, l'Argentine, le Paraguay et l'Uruguay, les émissions de GES ont diminué de 255 Tg (−45 %), 66 Tg (−60 %), 16 Tg (−61 %) et 13 Tg (−45 %) CO2e, respectivement. Le rendement élevé des cultures a réduit la superficie totale des terres cultivées nécessaires à l'alimentation du bétail monogastrique et l'apport énergétique brut élevé des ruminants a induit une émission élevée de CH4 entérique dans ces pays.

Quatre scénarios ont été conçus pour atténuer les émissions de Nr et de GES du bétail en optimisant les systèmes de production animale : un scénario BAU (business as usual) et trois scénarios d'atténuation (SYS, FED, ALL) (Fig. 4), avec des avantages connexes en matière de bien-être environnemental et de sécurité alimentaire. (Fig. 5). Le scénario SYS supposait une maximisation de la production de ruminants en tenant compte de la capacité de charge des prairies et de la quantité maximale de paille disponible pour les pays où les émissions de Nr des ruminants sont inférieures aux émissions de Nr du bétail monogastrique (Méthodes). Le scénario SYS2 (une variante extrême du scénario SYS) vise à maximiser la production de ruminants sur la base du potentiel de production totale maximale actuelle de cellulose, en supposant que la paille n'est pas retournée au champ et que les ruminants utilisent au maximum les pailles. Le scénario FED a été défini pour optimiser la gestion des aliments pour animaux et du fumier conformément à une intensité d'émission moyenne mondiale (diminution du niveau supérieur à l'intensité d'émission moyenne mondiale tout en maintenant l'intensité d'émission inférieure d'origine). Enfin, le scénario ALL intègre les scénarios SYS et FED.

a, Émissions totales de Nr des ruminants et du bétail monogastrique selon divers scénarios. Le scénario ALL représente une combinaison des scénarios SYS et FED et n'est pas lié à SYS2. b, Émissions totales de GES des ruminants et du bétail monogastrique. c, taux de réduction des émissions totales de Nr (NH3-N, NOx-N et NO3−-N). d, taux de réduction des émissions de GES (y compris CO2, CH4, N2O) dans le scénario SYS par rapport à BAU. Les zones blanches ne montrent aucun changement. e, taux de réduction des émissions de Nr. f, taux de réduction des émissions de GES dans le scénario FED par rapport à BAU. g, taux de réduction des émissions de Nr. h, taux de réduction des émissions de GES dans le scénario ALL par rapport à BAU. La carte de base a été appliquée sans approbation en utilisant les données de la base de données des zones administratives mondiales (GADM ; https://gadm.org/).

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Les avantages de la réduction des émissions de Nr et de GES sont superposés dans cette figure. Les avantages découlant de la réduction des émissions de GES sont inclus dans l'impact sur le climat.

Données source

Dans le scénario SYS, nous avons constaté qu'une augmentation de la production de ruminants de 24 % (Extended Data Fig. 7) pourrait maximiser l'utilisation de la cellulose et réduire de 2,3 TgN (3 %) les pertes dans l'environnement (Fig. 4c), réduisant ainsi la demande en céréales fourragères. de 2,9 TgN (Extended Data Fig. 8a) par rapport au scénario BAU à l'échelle mondiale. En conséquence, 39 Mha de terres cultivées pourraient être libérées, avec le potentiel de nourrir jusqu'à 525 millions de personnes (données étendues Fig. 8c, e) dans le monde ou de séquestrer les émissions de 862 TgCO2e grâce au reboisement. Au total, les émissions de 495 TgCO2e par an pourraient être réduites dans le scénario SYS. Étonnamment, 40 % de ruminants supplémentaires seraient produits sous SYS2, et il y aurait 4 émissions de TgN réduites et 73 Mha de terres cultivées libérées, ce qui signifie que 940 millions de personnes supplémentaires pourraient être nourries (Extended Data Fig. 8d,f). Cependant, la quantité de séquestration de carbone résultant du reboisement est estimée supérieure à la réduction totale des GES dans le scénario SYS, c'est-à-dire qu'il existe un compromis entre la réduction des émissions et le soutien d'un plus grand nombre de personnes. Cela se produit principalement parce que l'augmentation de la production de ruminants générerait de grandes quantités d'émissions de CH4, et donc la mise en œuvre simultanée de mesures de réduction ciblées est également essentielle.

Les émissions de Nr provenant de la production d'aliments pour animaux et de l'élevage devraient être réduites de 20 Tg et 3 Tg dans le scénario FED, respectivement (Fig. 4e), en conséquence de la réduction des émissions de l'élevage au niveau moyen mondial. Environ 10,5 TgN émis par l'application d'engrais et 9,8 TgN par le fumier recyclé seraient réduits, et les émissions de GES pourraient être réduites de 709 Tg grâce à une meilleure gestion des aliments pour animaux et de 936 Tg grâce à l'élevage. Cela indique que la gestion des aliments pour animaux et du fumier a encore un potentiel substantiel d'optimisation à l'échelle mondiale, en particulier dans les pays où les niveaux actuels d'émissions de Nr et de GES sont supérieurs aux niveaux moyens mondiaux. L'Océanie affiche la plus grande réduction d'émissions de Nr (47 %) grâce à l'optimisation de la production d'aliments pour animaux. La plus forte diminution des émissions de GES (40 %) se trouve en Afrique subsaharienne en raison de la réduction des émissions de CH4 provenant de la fermentation entérique (Extended Data Fig. 9).

Le scénario ALL a été conçu pour combiner des éléments d'optimisation du système et d'amélioration de l'alimentation, donnant un aperçu du potentiel de réponse aux pressions émergentes en matière de sécurité alimentaire, par exemple, à la suite de la pandémie de COVID-19. Ce scénario pourrait maximiser l'utilisation de la cellulose et préserver les terres cultivées pour la production de céréales destinées à la consommation humaine directe, tout en réduisant les émissions de Nr et de GES en améliorant les stratégies d'alimentation et la gestion du fumier. Grâce à l'intégration des scénarios SYS et FED, les avantages des deux scénarios pourraient être amplifiés et contribuer ainsi à une gestion de plus en plus efficace de la production animale à l'échelle mondiale. Le scénario ALL a un potentiel d'atténuation de 25 TgN et se traduit par une réduction de 87 % des émissions de Nr dans la production d'aliments pour animaux, ce qui présente des avantages pour la sécurité alimentaire et la protection de l'environnement en même temps. De plus, les émissions mondiales de GES seraient réduites de 2,2 PgCO2e par an si les terres cultivées économisées étaient toutes reboisées. Environ 1,3 PgCO2e d'émissions de GES seraient réduites si les terres cultivées n'étaient pas remises en forêt. Cependant, plusieurs pays pourraient connaître une augmentation des émissions de GES sans reboisement et un compromis entre la réduction des émissions et l'alimentation de plus de personnes peut se produire (Fig. 1 supplémentaire). Alternativement, les terres cultivées sauvées dans ces pays pourraient être en partie reboisées et en partie utilisées pour cultiver des aliments afin de parvenir à une situation gagnant-gagnant pour la réduction des émissions et la sécurité alimentaire.

Une analyse coûts-avantages a été entreprise pour évaluer la faisabilité de la mise en œuvre du scénario. La réduction des émissions de Nr et de GES a le potentiel de bénéficier à la santé humaine en réduisant l'exposition à la pollution de l'air comme les particules fines (PM2,5), ainsi qu'à améliorer la santé des écosystèmes, tout en atténuant le changement climatique. Cependant, il est important de prendre en compte les impacts socio-économiques, par exemple, illustrés par les coûts de mise en œuvre.

Les ruminants ont des coûts de production élevés en raison de la longue période d'alimentation et des intrants alimentaires continus nécessaires, ce qui se traduit par un faible rapport avantages-coûts dans le scénario SYS (2.4) (Fig. 5). Cependant, les terres cultivées sauvées dans le cadre de ce scénario pourraient contribuer à nourrir 525 millions d'humains supplémentaires et ainsi aider à atteindre l'objectif mondial Faim zéro. Dans le même temps, les émissions de GES des ruminants pourraient être réduites grâce à l'optimisation de la production d'aliments pour animaux et de la gestion du fumier, comme illustré par le scénario FED. Dans l'ensemble, des coûts inférieurs pourraient générer d'énormes avantages environnementaux (443 milliards de dollars) grâce à une application optimisée d'engrais synthétiques et de fumiers provenant des terres cultivées et des prairies (6 milliards de dollars) et des améliorations de l'élevage et de la gestion du fumier (5 milliards de dollars). La combinaison des scénarios SYS et FED pourrait générer les plus grands avantages environnementaux (468 milliards de dollars) et les avantages pour la sécurité alimentaire, comme documenté dans le scénario ALL, avec un rapport avantages-coûts de 13,5, principalement en optimisant les parts relatives des types de bétail. dans l'ensemble du système et en améliorant l'efficacité de la production.

En prenant une perspective de cycle de vie complet et en tenant compte de la production d'aliments pour animaux, nous avons constaté que les ruminants ont des émissions de Nr et de GES comparativement inférieures à celles du bétail monogastrique. Mettre l'accent sur les émissions élevées de Nr et de GES des ruminants pendant la phase d'élevage sans une analyse complète du cycle de vie a induit en erreur les recommandations politiques sur le développement optimal de l'élevage. Le changement d'affectation des terres et l'utilisation d'engrais azotés synthétiques pour la production d'aliments céréaliers pour le bétail monogastrique entraînent une augmentation des émissions relatives de Nr et de GES. Les ruminants sont capables de convertir la cellulose non comestible pour l'homme en protéines de haute qualité, économisant ainsi l'énergie et les nutriments autrement nécessaires à la production d'aliments pour animaux4,10, avec des avantages pour la sécurité alimentaire humaine, l'environnement et le climat8. Par conséquent, le déplacement de l'équilibre dans la production animale des ruminants vers le bétail monogastrique nécessite plus de céréales fourragères avec des implications substantielles sur le changement d'utilisation des terres et la conversion des forêts en terres cultivées. Cela conduirait à aggraver la perte de biodiversité et à menacer de précieux puits de carbone, ce qui aurait des impacts négatifs évidents sur une stratégie mondiale visant à atteindre le zéro carbone net. De plus, les ruminants déposeraient la plupart du fumier sur les prairies, qui sont directement utilisées comme nutriment pour la production de fourrage6. Ainsi, malgré le faible NUE de la production de viande, les ruminants ne contribuent globalement que faiblement à la pollution en Nr de l'environnement, puisque le fumier est recyclé dans les prairies. Cependant, les parcs d'engraissement ont encore un potentiel de réduction substantiel en ce qui concerne la pollution au Nr par les ruminants.

Nous avons déterminé la capacité de charge des prairies en utilisant les données sur la part de couverture des prairies pour ajuster l'utilisation raisonnable des prairies en raison du manque de données spécifiques au pays sur la dégradation des prairies (Méthodes). Le calcul des coûts de mise en œuvre dans le cadre du scénario SYS devrait utiliser les coûts de production de tout le bétail dans chaque pays, mais nous avons utilisé des données sur les prix à la production tirées de FAOSTAT, qui peuvent être légèrement supérieures aux coûts de mise en œuvre réels. En outre, l'augmentation de 12 % de la production de ruminants dans le scénario SYS peut potentiellement réduire et augmenter le prix de production des ruminants et du bétail monogastrique, respectivement, mais cela dépasse le cadre de cette étude et n'est donc pas pris en compte ici en raison de la complexité du contexte économique. principes impliqués. Le calcul du potentiel pour nourrir plus de personnes aurait idéalement été basé sur la demande en protéines par habitant, mais des données détaillées pour tous les pays manquent, nous avons donc utilisé des données bien documentées sur l'approvisionnement en protéines par habitant en 2019 fournies par FAOSTAT à la place. De plus, le coût de la réduction des émissions de Nr a été quantifié en détail, tandis que la mise en œuvre de mesures de réduction de Nr (NH3, NOx, NO3− et N2O) aura des co-bénéfices en raison des réductions d'émissions de carbone associées (CH4 et CO2). Cependant, ces co-bénéfices sont complexes à évaluer à l'échelle mondiale et sortent du cadre de cette étude.

L'augmentation de la production de ruminants pourrait s'accompagner d'un changement dans les types de cultures primaires pour augmenter l'efficacité globale. La production de soja a un rendement relativement faible et ne génère qu'une petite quantité de paille par rapport à la production de maïs, bien que le soja ait un NUE plus élevé que le maïs11. Par conséquent, le remplacement du soja par de l'ensilage de maïs entier peut être bénéfique pour la production de ruminants tout en augmentant le rendement et en réduisant la pollution. Néanmoins, des études plus quantitatives sont encore nécessaires pour évaluer les impacts d'un tel changement au niveau de l'exploitation. De plus, pour optimiser les parts des ruminants et du bétail monogastrique à l'échelle locale afin de maximiser l'utilisation des céréales et de la paille, il est important d'intégrer spatialement les terres cultivées avec des animaux à la fois pour l'alimentation et le recyclage du fumier.

Sans un changement fondamental des méthodes de production existantes, environ 24 % de ruminants supplémentaires pourraient être élevés avec les niveaux actuels de production d'herbe et de paille. Cependant, l'amélioration des pratiques de production dans les systèmes de terres cultivées, de prairies et d'élevage est une étape essentielle, à condition que l'efficacité de la production soit améliorée pendant la phase d'élevage. Par rapport au scénario SYS, l'optimisation des aliments pour animaux et du fumier dans le scénario FED a un plus grand potentiel de réduction des émissions de Nr et de GES pendant la production d'aliments pour animaux. Les mesures spécifiques de réduction des émissions pour les terres cultivées et les prairies comprennent l'amélioration des techniques d'application d'engrais azotés12,13 et de la culture en jachère14. Les options de réduction des émissions pour l'élevage se concentrent sur l'alimentation du bétail15 et la gestion du fumier16. Par rapport à l'optimisation du système, l'amélioration des pratiques d'alimentation a des coûts inférieurs et des avantages environnementaux comparativement plus importants. Il s'agit d'une approche facile à mettre en œuvre pour réduire rapidement les émissions afin d'atteindre les objectifs d'atténuation.

Le cycle d'élevage long a induit un coût de production élevé pour les ruminants, entraînant un prix élevé de la viande rouge et un faible niveau de consommation au niveau des ménages. Par conséquent, il est important de réduire le coût de production pour rendre possible l'augmentation de la proportion de ruminants à l'échelle mondiale. Les gouvernements devraient guider correctement l'élevage bovin et ovin : (1) augmenter les subventions à l'élevage bovin et ovin, telles que les subventions de risque, et les subventions aux sociétés d'élevage liées pour réduire les coûts d'élevage17 ; (2) prêter attention à la culture de nouvelles variétés d'animaux pour améliorer l'efficacité de l'utilisation des aliments et réduire la production de fumier ; et (3) guider le couplage de la plantation de cultures et de l'élevage, en particulier dans les régions dominées par l'agriculture à petite échelle, afin de réduire les coûts de transport des aliments pour animaux et du fumier18.

La consommation humaine de viande est le moteur fondamental de la production animale19. Nous avons montré que réduire la production de ruminants tout en augmentant la production de bétail monogastrique au stade actuel entraînerait des effets néfastes sur la sécurité alimentaire et la santé environnementale, tandis que la cellulose non comestible pour l'homme resterait inutilisée pour la production alimentaire grâce à la conversion via les ruminants. Cependant, la surconsommation de viande rouge est associée à plusieurs maladies chroniques, à l'obésité et à la mort prématurée20. Bien que cette association manque de preuves solides21, nous ne préconisons pas simplement de manger plus de viande comme le bœuf et le mouton, mais fournissons des preuves à l'appui pour parvenir à une alimentation saine et équilibrée, en passant aux protéines de ruminants dans la structure actuelle de la demande en protéines de viande et en ne dépassant pas la limite supérieure de recommandation pour la consommation de viande rouge. Équilibrer la structure alimentaire et déplacer une production accrue de produits de ruminants vers les pays où cela est nécessaire, en particulier dans les pays africains, pourraient aider à atteindre les objectifs de développement durable dans leur ensemble (tels que la faim zéro, la bonne santé et le bien-être). Nous préconisons une évaluation intégrée sur l'ensemble du cycle de vie et tous les déterminants humains et environnementaux lors de l'élaboration de recommandations pour l'efficacité de l'ensemble de la chaîne de production et la quantité de cellulose que nous utiliserions pour les ruminants. L'élaboration de politiques connexes devrait tenir compte d'une structure alimentaire plus équilibrée, comprenant à la fois les produits de l'élevage de ruminants et de monogastriques, sur la base d'une évaluation coûts-avantages de l'ensemble du système.

Bien que le remplacement des ruminants par du bétail monogastrique libère des prairies, les prairies naturelles et semi-naturelles (occupant la majeure partie de la superficie totale des prairies) ne peuvent pas être converties partout en terres cultivées ou en forêts en raison de facteurs climatiques22, de la fertilité des sols et topographiques23. Les prairies sont des puits de carbone plus stables que les forêts en raison de leur résilience inhérente à la sécheresse et aux incendies de forêt24. Les changements d'albédo causés par le boisement peuvent l'emporter sur les avantages de la capture du carbone, entraînant un effet de réchauffement net25. De plus, des prairies saines peuvent stocker une quantité de carbone organique comparable à celle des forêts, principalement en raison de leurs riches puits de carbone souterrains24. Les prairies sont également plus propices que les forêts à la réduction de l'érosion des sols et à la conservation de l'eau dans les écosystèmes semi-arides26, et à la formation d'habitats pour une gamme d'espèces sauvages27. Seule une petite partie des prairies artificielles peut être adaptée à la conversion, mais le manque d'informations détaillées disponibles sur la superficie des prairies artificielles convertibles, les changements potentiels de productivité après la remise en état des terres cultivées et le degré de séquestration du carbone après le boisement rendent difficile une projection précise. les avantages potentiels de la conversion des prairies. La conversion des prairies artificielles en terres cultivées libérerait une grande quantité d'émissions de GES28,29 et le boisement des prairies est complexe, et il n'est donc pas clair si la séquestration du carbone diminuerait30,31 ou augmenterait32. Par conséquent, cette étude ne peut que légèrement sous-estimer la sécurité alimentaire potentielle et les avantages climatiques du bétail monogastrique. De plus, l'objectif principal de cette étude n'est pas d'éliminer tous les ruminants, mais de fournir un cas extrême pour démontrer l'importance des ruminants dans le contexte d'une utilisation maximale des ressources cellulosiques. Notre objectif est de fournir des conseils aux décideurs politiques - sans critiquer ni même éliminer les ruminants - et de souligner que les ruminants peuvent utiliser de la cellulose non comestible pour l'homme, libérant ainsi de vastes zones de terres cultivées pour la conversion en forêt ou pour la production alimentaire humaine.

FAOSTAT (Crop and Livestock Products, https://www.fao.org/faostat/en/#data/QCL) fournit les chiffres (Animaux producteurs/abattus), la production (Quantité de production) et le rendement en poids abattu (Rendement) de chaque bétail3 . Nous avons utilisé la teneur en protéines des produits de l'élevage du Modèle mondial d'évaluation de l'environnement de l'élevage (GLEAM)6. La demande humaine en protéines pour tous les produits provenait de FAOSTAT (Balances alimentaires)3. Les informations sur les proportions pour des systèmes d'élevage spécifiques, tels que les systèmes de production porcine contenant des systèmes de basse-cour, intermédiaires et industriels, ont été obtenues auprès de GLW (Gridded Livestock of the World, https://dataverse.harvard.edu/dataverse/glw/).

Le rendement et la quantité de production des cultures fourragères ont été dérivés des données de FAOSTAT3. Pour le rendement en herbe, nous avons acquis les données de la littérature33. La teneur en azote de chaque culture et herbe provenait de GLEAM6. Nous avons estimé la consommation d'engrais synthétiques de chaque culture et herbe à partir de la FAO3 (https://www.fao.org/faostat/en/#data/RFB), de l'IFA34 et de la littérature35. Les taux de dépôt d'azote sur les terres cultivées et les prairies sont tirés de la littérature36,37,38. Les taux d'azote d'irrigation ont été obtenus auprès de Lesschen et al.39 et les données sur l'utilisation de l'eau d'irrigation provenaient d'AQUASTAT (https://www.fao.org/aquastat/en/). Pour la fixation biologique naturelle de l'herbe et de la fixation biologique de l'azote par les cultures, nous avons utilisé les données de Lassaletta et al.35 et Zhang et al.37. Les données sur la couverture terrestre mondiale et les données sur l'utilisation des terres provenaient de la base de données GLC-SHARE (https://data.apps.fao.org/catalog/dataset/global-land-cover-share-database) et des données FAOSTAT3.

Nous comparons les impacts environnementaux entre les ruminants et les monogastriques en estimant et en comparant les émissions de Nr et de GES des ruminants actuels et des monogastriques remplacés par les ruminants selon la norme d'égalité protéique. En utilisant cette approche, nous pouvons analyser les énormes risques de changement d'utilisation des terres pour la culture de cultures fourragères et évaluer la contribution des ruminants et du bétail monogastrique aux humains sous un nouvel angle. La répartition des porcs et des poulets parmi le bétail monogastrique est basée sur les besoins en protéines humaines des porcs, des poulets et des œufs (de FAOSTAT, Protein Supply Quantity)3.

Pour estimer les émissions de Nr de chaque chaîne d'approvisionnement du bétail, nous avons principalement utilisé GLEAM. Une description détaillée du modèle GLEAM peut être trouvée dans la littérature6. Pour la production d'aliments pour animaux, nous avons d'abord estimé la matière sèche des aliments par le taux de conversion des aliments (FCR)4 et la teneur en azote des cultures pour calculer l'azote alimentaire de l'herbe (Ngrass feed), des cultures (Ncrop feed) et des résidus de cultures (Ncrop résidus feed) respectivement, en suivant le pourcentage de la ration alimentaire du modèle GLEAM6, puis les émissions de Nr des terres cultivées et des prairies ont été calculées.

Nous avons calculé les émissions de Nr des terres cultivées provenant des engrais synthétiques, du fumier recyclé et des résidus de culture décomposés. Tout d'abord, nous avons utilisé le modèle CHANS40 pour calculer toutes les terres cultivées NUE (NEUcrop, sans différencier entre culture fourragère et ration) dans les pays du monde (équation (1)). Ensuite, nous avons utilisé le NUEcrop pour calculer l'apport d'azote de l'alimentation des cultures, en particulier l'apport d'engrais et d'azote du fumier qui a été utilisé pour estimer la perte d'azote. Nous avons calculé la quantité d'azote provenant des résidus de culture décomposés renvoyés au champ en suivant les équations du modèle GLEAM, et avons utilisé sa fraction retirée des résidus aériens des terres cultivées pour estimer la quantité d'alimentation en résidus de culture (Ncrop résidus d'alimentation). L'azote disponible du fumier recyclé sur les terres cultivées de chaque système d'élevage a été estimé selon Uwizeye et al.1 Enfin, les émissions de Nr provenant des engrais synthétiques, du fumier et des résidus de culture ont été calculées selon les équations du modèle GLEAM.

où les apports d'azote des terres cultivées consistent en la fixation biologique de l'azote par les cultures (NCBNF), l'azote des engrais (Nengrais), l'azote du fumier (Nfumier), l'azote d'irrigation (Nirrigation) et l'azote des dépôts (Ndéposition), et les sorties d'azote des terres cultivées sont des produits végétaux ( produits agricoles).

Nous avons calculé les émissions de Nr des prairies provenant des engrais synthétiques et du fumier déposés sur les pâturages. Le fumier déposé sur les pâturages par tout le bétail a été calculé sur la base de Uwizeye et al.1 La perte d'azote des prairies a été calculée dans le modèle GLEAM.

Les émissions de Nr provenant des systèmes de gestion du fumier ont été estimées en tant qu'émissions liées à l'élevage6. Nous avons calculé l'excrétion d'azote selon les méthodes du GIEC41,42 et l'azote ammoniacal total (TAN) d'Uwizeye et al.1, et avons utilisé la fraction du système de gestion du fumier (MSS) et l'EF (facteur d'émission) pour calculer les émissions de Nr au stade de l'élevage. .

Les apports d'azote des terres cultivées consistent en la fixation biologique de l'azote par les cultures (NCBNF), l'azote des engrais (Nfertilizer), l'azote du fumier (Nmanure), l'azote d'irrigation (Nirrigation) et l'azote des dépôts (Ndeposition), et les sorties d'azote des terres cultivées sont des cultures (Ncrop feed) et résidus de cultures (Ncrop résidus feed) comme aliments pour animaux, autres résidus de cultures (Autres résidus de cultures, pas comme aliments pour ce système d'élevage, comme aliments pour d'autres animaux ou pour d'autres usages) et les émissions de Nr (Nemission, y compris NH3-N, NOx- N, NO3--N, N2O-N). Le NUE dans un système de terres cultivées (NUEcropland) est calculé comme l'équation (2). Les apports d'azote des prairies contiennent la fixation biologique naturelle de l'azote (NNBNF), l'azote des engrais (Nfertilizer), l'azote du fumier déposé (Nmanure) et l'azote des dépôts (Ndeposition), et les sorties d'azote des prairies sont l'alimentation de l'herbe (Ngrass feed) et l'émission de Nr (Nemission ). Le NUE dans un système de prairie (NUEgrassland) est tiré de l'équation (3).

Récolte (Ncrop feed), résidus de culture (y compris Ncrop résidu feed et Nother crop résidu feed provenant de la production de rations humaines ou d'aliments de culture pour d'autres animaux d'élevage), fourrage à base d'herbe (Ngrass feed), eaux grasses (Nswill) et autres aliments (Nother feed, y compris les acides aminés synthétiques et la farine de poisson) sont les apports d'azote, et la production d'azote contient les produits de l'élevage (Nproduits de l'élevage, y compris la viande, les œufs et le lait), les émissions de Nr et le recyclage de l'azote du fumier vers les terres cultivées et les prairies. Le NUE dans le système d'élevage (NUElivestock) est dérivé sur la base de l'équation (4).

Nous avons défini NUEchaîne entière sur la base de la chaîne d'approvisionnement totale du bétail, y compris les étapes de production d'aliments pour animaux et d'élevage (équation (5)). Le NBNF contient le NCBNF des terres cultivées et le NNBNF des prairies. Un autre fumier est le recyclage de l'azote du fumier vers les terres cultivées par d'autres animaux d'élevage, par exemple, le bétail monogastrique qui a besoin de plus d'aliments pour les cultures ne peut pas produire suffisamment de fumier et a besoin d'azote du fumier d'autres animaux.

Les principales émissions de GES des systèmes d'élevage dans le modèle GLEAM sont : (1) les émissions de CH4 provenant de la fermentation entérique chez les ruminants et les porcs ; (2) Émissions de CH4 provenant de la gestion du fumier ; (3) Émissions de N2O issues de la gestion du fumier, prises en compte dans le calcul des émissions de Nr ; (4) Émissions de CH4 provenant de la production de riz ; (5) Émissions de CO2 provenant de la fabrication d'engrais ; (6) Émissions de CO2 provenant des opérations sur le terrain ; (7) Émissions de CO2 provenant du mélange, de la transformation et du transport des aliments pour animaux ; (8) Émissions de CO2 dues au changement d'affectation des sols. Les éléments (1) à (7) ont été calculés par les méthodes suivantes décrites dans le tableau supplémentaire 1 et l'élément (8) a été calculé en suivant les équations (6) et (7).

Nous avons calculé la superficie des terres cultivées par le bétail monogastrique plus que les ruminants et avons pris la superficie des terres cultivées comme le changement relatif d'utilisation des terres avec le bétail monogastrique, comme le montrent les équations (6) et (7).

où Landc est la superficie de l'aliment c, DMYGc est le rendement en matière sèche de l'aliment c, en kg ha−1, et est calculé sur la base du rendement de la culture selon la méthode GLEAM, FUEc est l'efficacité d'utilisation de l'aliment c, et MFAc et EFAc sont la fraction massique et la fraction économique, respectivement, et sont dérivés de GLEAM.

où Croplandruminant et Croplandmonogastric sont les superficies de terres cultivées nécessaires pour l'alimentation des ruminants et monogastriques, respectivement, et LUC est la valeur de changement d'affectation des terres43, représentant les émissions annuelles de GES rejetées de la forêt vers les terres cultivées, en tCO2 ha−1 an−1. La valeur du CAS prend en compte les effets à long terme et a été actualisée à une valeur moyenne pour chaque année43. Il y avait une grande incertitude dans le calcul des changements d'émissions de GES dus à la conversion des forêts en terres cultivées et au reboisement (analyse d'incertitude).

Le scénario de référence a été établi comme BAU, en supposant que la quantité totale de protéines de ruminants et de monogastriques produites en 2019 est maintenue à un niveau constant. Trois scénarios optimisés ont été conçus pour évaluer l'impact sur l'atténuation des émissions d'azote et de GES du bétail, y compris les scénarios SYS, FED et ALL.

Le scénario BAU suppose que la quantité de protéines produites par les ruminants et le bétail monogastrique est de 7,06 et 6,64 TgN-protéines en 2019, respectivement. Actuellement, il existe des zones de prairies partiellement sous-utilisées (Fig. 2 supplémentaire) et des ressources durables de résidus de cultures inutilisées.

Dans ce scénario, nous modélisons l'effet de la maximisation de la production de ruminants et de la réduction de la production monogastrique en conséquence tout en maintenant constante la production totale de protéines animales (13,7 protéines TgN, calculées à partir de FAOSTAT) en 2019. Le scénario SYS représente un changement de 12,3 % de la production animale mondiale. du monogastrique au ruminant. Les contraintes de ressources pour maximiser la production de protéines de ruminants sont la production maximale actuelle de cellulose totale tout en tenant compte de la capacité de charge de l'herbe et de la quantité totale de résidus de culture. Quant à la valeur maximale disponible de l'azote des graminées, nous prenons en compte les conditions de dégradation (taux d'ajustement de la dégradation des graminées (DAR))44 des prairies de pâturage pour ajuster l'efficacité d'utilisation (UE)6 des prairies. Pour le DAR, nous avons défini une dégradation légère à 80 %, une dégradation légèrement légère à 65 %, une dégradation modérée à 50 % et une dégradation sévère à 30 % (Extended Data Fig. 10). La part moyenne de la couverture herbeuse du pays a été calculée à partir de la base de données GLC-Share45 pour refléter l'étendue de la dégradation des prairies, et en utilisant la valeur 3/4, la valeur 1/2 et la valeur 1/4 quadrature en quatre intervalles, les facteurs d'ajustement ont été fixés à 80 %, 65 %, 50 % et 30 %, respectivement. De plus, la dégradation des prairies n'est pas prise en compte pour les prairies non pâturées. La valeur maximale disponible de l'azote des graminées (Nmaxgrass) est calculée comme indiqué dans l'équation (8).

où ProductiongrassN est la production totale d'azote de l'herbe et Rgrazing est le taux de pâturage des ruminants.

L'azote maximal des résidus de cultures retiré des terres cultivées a été calculé à partir de l'azote des cultures (ProductioncropN), du ratio résidus de cultures/culture (Rrésidu-culture)6 et de la proportion de résidus de cultures retirés (Rremoved)6, comme le montre l'équation (9).

La production maximale d'azote cellulosique a été obtenue à partir de la somme des résidus Nmaxgrass et Nmaxcrop, en divisant par la quantité actuelle de cellulose utilisée par les ruminants et en obtenant le multiplicateur de production maximale disponible pour les ruminants. Parallèlement, dans le contexte où l'intensité d'émission de Nr des ruminants est inférieure à celle du bétail monogastrique, on peut obtenir la proportion de ruminants qui maximise l'utilisation de la cellulose.

Ce scénario est une variante extrême du scénario SYS ; il suppose que les résidus de culture ne sont pas renvoyés sur les terres cultivées et que tous les résidus de culture retirés sont utilisés pour produire des aliments pour les ruminants, c'est-à-dire que Rremoved = 1. Dans SYS2, il est également nécessaire que l'intensité d'émission de Nr des ruminants soit inférieure à celle du bétail monogastrique. Le scénario SYS2 reflète un transfert de 20,7 % de la production animale mondiale du bétail monogastrique au bétail ruminant. Pour réaliser pleinement les avantages de ce scénario, il serait nécessaire de tenir compte du fait que les terres cultivées peuvent être privées d'éléments nutritifs provenant des résidus de culture recyclés ; cependant, le déficit pourrait être comblé par le fumier de ruminants. Ce scénario libérerait plus de terres cultivées et nourrirait plus de personnes que le scénario SYS.

Dans ce scénario, la production de ruminants et de bétail monogastrique restante est restée conforme au scénario BAU. Toutes les émissions de Nr (azote provenant de NH3, NOx et NO3−) provenant de la production d'aliments pour animaux et de l'élevage sont réduites à la moyenne mondiale, et les pays qui sont déjà en dessous de la moyenne mondiale restent inchangés. Le scénario FED a été conçu pour produire des réductions d'émissions substantielles et pourrait être réalisé grâce à des mesures de réduction ciblées sur les terres cultivées, les prairies et le système d'élevage (tableau supplémentaire 2), mais aucune terre cultivée supplémentaire ne serait libérée.

Le scénario ALL est une combinaison du scénario SYS et du scénario FED pour atteindre à la fois un ratio de production animale et des niveaux d'émission optimaux. Dans ce scénario, la maximisation de la production de ruminants (la production de protéines de ruminants est conforme au scénario SYS) et des mesures de réduction ciblées à toutes les étapes sont nécessaires. Le scénario ALL pourrait maximiser les avantages de la sécurité alimentaire, de la protection de l'environnement et de l'atténuation du changement climatique. C'est le scénario préconisé dans cette étude.

Le coût de mise en œuvre dans le scénario SYS est considéré comme étant égal au changement de la qualité des protéines de tout le bétail Pj (où j représente différents systèmes d'élevage) multiplié par leur coût unitaire de produit (PPricej, en US$ par kg de protéines), comme indiqué dans équation (10). Ici, PPricej est le prix régional à la production animale et est dérivé de la base de données FAOSTAT avec les prix régionaux à la production.

Pour le scénario FED, nous avons utilisé le modèle GAINS (Greenhouse Gas and Air Pollution Interactions and Synergies) (https://gains.iiasa.ac.at/models/index.html) pour calculer les coûts de réduction des terres cultivées (CostFED–cropland ,k), prairies (CostFED–prairie,k) et bétail (CostFED–bétail,k) pour chaque pays. Une description détaillée du modèle GAINS se trouve dans Klimont et al.46 Le coût de mise en œuvre dans le cadre du scénario FED est calculé dans les équations (11)–(13).

Où ∇EN–terres cultivées,k et ∇EN–prairies,k sont la réduction des émissions de Nr des terres cultivées et des prairies dans le pays k, respectivement, Ccultures,k, Cprairies,k et Cbétail,k sont le coût unitaire de réduction des mesures d'atténuation les plus appropriées (indiqués dans les tableaux supplémentaires 2 et 3) pour réduire les pertes d'azote des terres cultivées, d'azote des prairies et d'azote du bétail modifiées pour les pratiques agricoles spécifiques du pays k, respectivement ; Cgrassland,k est fixé à un cinquième de Ccropland,k. ARk est le taux d'abattement calculé pour le pays k.

Pour le scénario ALL, les coûts de réduction des terres cultivées et des prairies sont supposés être égaux à ceux du scénario FED, et les coûts de réduction du bétail sont la somme des scénarios FED et SYS.

Les avantages sociétaux de l'optimisation de la production mondiale de ruminants dans cette étude sont définis comme la somme des coûts des dommages évités pour la santé des écosystèmes (Ebenefit), la santé humaine (Hbenefit) et l'atténuation du changement climatique (Cbenefit), comme le montre l'équation (14).

L'Ebenefit est supposé être le bénéfice de l'atténuation du Nr sur l'écosystème, qui est également égal à la réduction des coûts des dommages évités. Nous supposons que le coût unitaire des dommages Nr en Europe et aux États-Unis s'applique également à d'autres pays après ajustement pour tenir compte des différences dans la disposition régionale à payer (CAP) et la parité de pouvoir d'achat (PPA) pour les services écosystémiques, comme le montre l'équation (15) .

où ∂EU est le coût unitaire estimé des dommages écosystémiques des émissions de Nr sur la base de la littérature45,47 ; la valeur de UEbenefit,Nr,k se trouve dans le tableau supplémentaire 4.

Ensuite, l'Ebenefit est additionné selon l'équation (16).

où $\examples E_{\mathrm{N}_2\mathrm{O}}$, $\examples E_{\mathrm{NH}_3}$ et $\examples E_{\mathrm{NO}_ {x}}$ sont la réduction calculée de N2O, NH3 et NOx, et ${\mathrm{UE}}_{\mathrm{benefit},\mathrm{N}_2\mathrm{O}}$, $\mathrm{UE}_{\mathrm{avantage},\mathrm{NH}_3}$ et $\mathrm{UE}_{{\mathrm{avantage}},{\mathrm{NO}}_x }$ représentent le bénéfice unitaire pour l'écosystème de la réduction des émissions de N2O, NH3 et NOx, respectivement, en US$ kgN−1 (les valeurs sont répertoriées dans le tableau supplémentaire 4).

Le bénéfice pour la santé humaine (Hbenefit) fait référence au bénéfice de la mortalité évitée dérivée de l'atténuation des PM2,5 causée par la réduction du Nr animal. Nous avons dérivé les coûts unitaires des dommages sanitaires des émissions de Nr spécifiques à chaque pays à partir de Gu et al.48, qui ont relié les coûts économiques de la mortalité par unité d'émission de Nr à la densité de population, au PIB par habitant, à l'urbanisation et à la part d'azote. Le calcul des avantages pour la santé dans cette étude est présenté dans l'équation (17).

où ∇ENr est la réduction des émissions de Nr dans des scénarios spécifiques et Hcost,Nr représente le bénéfice sanitaire unitaire de la réduction de Nr en US$ kgN−1.

Les avantages liés au climat de l'optimisation de la production de ruminants (Cbenefit) sont considérés comme étant la somme des avantages de l'atténuation des GES et de l'impact de l'atténuation du Nr (NH3 et NOx) sur le climat, comme le montre l'équation (18).

où ∇EGHG est la réduction des émissions de GES dans un scénario spécifique, en kgCO2e, et les GWP100 pour le CH4 et le N2O sont respectivement de 27,9 et 273 kgCO2e. UCbenefit,GHG représente le bénéfice climatique monétaire dû à l'atténuation des GES, qui est supposé être le prix du carbone, de 40 à 80 USD tCO2-1 (réf. 49). $C_{{\mathrm{benefit,NH}}_3}$ et $C_{{\mathrm{benefit,NO}}_x}$ représentent l'impact climatique monétaire dû à la modification des émissions de NH3 et de NOx, qui est associé à l'effet de refroidissement du NH3 et du NOx sur le climat mondial sur la base d'études antérieures.

Nous avons d'abord calculé la superficie des terres cultivées récupérées ou "sauvées" (Landsys et tous) dans les scénarios SYS et ALL (aucune terre cultivée n'est libérée dans le scénario FED). Ensuite, nous avons calculé le rendement en azote des cultures par unité de terre cultivée (YieldcropN) en divisant toute la production d'azote des cultures (ProductioncropN) par la superficie totale des terres cultivées (Croplandtotal, de FAOSTAT), qui est multipliée par Landsys et tous pour obtenir la valeur totale de la récolte économisée. production d'azote. Nous estimons le nombre supplémentaire de personnes qui pourraient être soutenues dans l'hypothèse d'un régime purement végétarien par une production alimentaire supplémentaire à partir de terres cultivées économisées (Populationsaved) en divisant la production totale d'azote des cultures économisées par les besoins nutritionnels unitaires en azote (Proteinunit/6.25, où 6.25 est le taux de conversion des protéines en azote et Proteinunit est le besoin en protéines par habitant, en kg de protéines par habitant et par an, calculé à partir de FAOSTAT). Le calcul est décrit dans les équations (19) et (20).

Dans cette étude, nous avons estimé les incertitudes des pertes d'azote, des émissions de GES, des coûts et des avantages pour chaque scénario dans 166 pays à l'aide de 10 000 simulations de Monte Carlo. Les intervalles de confiance à 95 % pour tous les résultats ont été calculés. Les coefficients de variation (CV, %) des données d'activité et des paramètres sont présentés dans les tableaux supplémentaires 5 et 6, et les incertitudes des résultats finaux de la simulation sont présentées dans les données supplémentaires.

De plus amples informations sur la conception de la recherche sont disponibles dans le résumé des rapports sur le portefeuille Nature lié à cet article.

Les données à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles dans l'article, un fichier de données source distinct et ses fichiers d'informations supplémentaires. Les données sources sont fournies avec ce document.

Aucun code n'est utilisé dans cette recherche. L'analyse spatiale est exécutée dans ArcGIS v.10.2.

Une correction à cet article a été publiée : https://doi.org/10.1038/s43016-023-00689-x

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Cette étude a été soutenue par la National Natural Science Foundation of China (42261144001 et 42061124001), le National Key Research and Development Project of China (2022YFD1700700) et le Pioneer and Leading Goose R&D Program of Zhejiang (2022C02008). Ce travail est une contribution de l'Activité 1.4 au projet « Vers le système international de gestion de l'azote » (INMS, http://www.inms.international/) financé par le Fonds pour l'environnement mondial (FEM) à travers le Programme des Nations Unies pour l'environnement (PNUE ).

Collège des sciences de l'environnement et des ressources, Université du Zhejiang, Hangzhou, Chine

Luxi Cheng, Xiuming Zhang, Jianming Xu et Baojing Gu

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Luxi Cheng, Chenchen Ren et Baojing Gu

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Xiuming Zhang

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Stefan Reis

École de médecine de l'Université d'Exeter, Knowledge Spa, Truro, Royaume-Uni

Stefan Reis

L'Université d'Édimbourg, École de chimie, Édimbourg, Royaume-Uni

Stefan Reis

Département de gestion des terres, Université du Zhejiang, Hangzhou, Chine

Chenchen Ren

Laboratoire clé de la province du Zhejiang sur les ressources agricoles et l'environnement, Université du Zhejiang, Hangzhou, Chine

Jianming Xu

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BG a conçu l'étude. LC a effectué la recherche. XZ a analysé des données liées à l'économie. LC a préparé les cartes de distribution. LC et BG ont rédigé l'article, SR, XZ et CR ont révisé l'article et tous les autres auteurs ont contribué à la discussion de l'article.

Correspondance avec Baojing Gu.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Nature Food remercie Xuejun Liu et les autres examinateurs anonymes pour leur contribution à l'examen par les pairs de ce travail.

Note de l'éditeur Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

La proportion de N des composants de la matière sèche dans les différents aliments du bétail.

La carte de base a été appliquée sans approbation en utilisant les données de la base de données des zones administratives mondiales (GADM ; https://gadm.org/).

a, le taux de variation des émissions de Nr au stade de la production d'aliments pour animaux. b, le taux d'évolution des émissions de Nr au stade de l'élevage. c, le taux de variation des émissions de GES au stade de la production d'aliments pour animaux. d, le taux d'évolution des émissions de GES au stade de l'élevage. La carte de base a été appliquée sans approbation en utilisant les données de la base de données des zones administratives mondiales (GADM ; https://gadm.org/).

a et b sont respectivement les protéines N des ruminants et des monogastriques dans le scénario BAU. c et d sont les protéines N des ruminants et des monogastriques dans le scénario SYS, respectivement. e et f sont le rapport d'augmentation des protéines de ruminants dans les scénarios SYS et SYS2, respectivement. La carte de base a été appliquée sans approbation en utilisant les données de la base de données des zones administratives mondiales (GADM ; https://gadm.org/).

Les scénarios SYS et ALL ont la même superficie de terres épargnées car il n'y avait pas de potentiels de terres cultivées épargnées dans le scénario FED. La carte de base a été appliquée sans approbation en utilisant les données de la base de données des zones administratives mondiales (GADM ; https://gadm.org/).

a, Taux régionaux de réduction des émissions d'azote selon différents scénarios supposés. b, Taux régionaux de réduction des émissions de GES selon le scénario supposé. La division des régions est basée sur le modèle GLEAM.

a est dérivé de la base de données GLC-SHARE Beta-Release 1.0-2014(https://data.apps.fao.org/map/catalog/srv/eng/catalog.search#/metadata/ba4526fd-cdbf-4028-a1bd- 5a559c4bff38). Il montre la part des prairies de chaque pays et sert de base à l'établissement du DAR (b). La carte de base a été appliquée sans approbation en utilisant les données de la base de données des zones administratives mondiales (GADM ; https://gadm.org/).

Texte complémentaire, discussion, fig. 1 et 2, tableaux 1 à 6 et références.

Données supplémentaires 1 et 2.

Données sources statistiques.

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Réimpressions et autorisations

Cheng, L., Zhang, X., Reis, S. et al. Un passage de 12 % de l'élevage monogastrique à l'élevage de ruminants peut réduire les émissions et stimuler la production agricole pour 525 millions de personnes. Nat Food 3, 1040–1051 (2022). https://doi.org/10.1038/s43016-022-00661-1

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Reçu : 01 juin 2022

Accepté : 04 novembre 2022

Publié: 15 décembre 2022

Date d'émission : décembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s43016-022-00661-1

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