Ilmaston rooli vesi–energia–ruoka-nexuksessa CO₂-päästöt huomioiden: näkökulmia puolikuivilta alueilta

Tässä väitöskirjatutkimuksessa tarkastellaan veden, energian, ruoantuotannon ja hiilidioksidipäästöjen välisiä yhteyksiä maataloudessa. Nämä neljä tekijää liittyvät tiiviisti toisiinsa. Ruoan tuottaminen vaatii vettä ja energiaa, ja samalla polttoaineiden, sähkön, lannoitteiden, koneiden ja kastelun käyttö aiheuttaa kasvihuonekaasupäästöjä. Näiden yhteyksien merkitys korostuu erityisesti kuivilla ja puolikuivilla alueilla, joilla vettä on rajallisesti ja maatalous on usein voimakkaasti riippuvainen kastelusta. Tutkimuksen päätavoitteena oli selvittää, miten maataloustuotantoa voidaan suunnitella niin, että ruoantuotanto, luonnonvarojen käyttö, taloudellinen tulos ja ympäristövaikutukset voidaan tasapainottaa keskenään.

Tutkimuksessa käytettiin kahta tapaustutkimusaluetta Iranissa. Ensimmäinen oli Luoteis-Iranissa sijaitseva Sahand Agro-Industry -maatila, josta oli saatavilla yksityiskohtaisia tilatason tietoja seitsemästä viljelykasvista: sinimailasesta, ohrasta, säilörehumaissista, perunasta, rapsista, sokerijuurikkaasta ja vehnästä. Toinen tapaustutkimusalue oli Keski-Iranissa sijaitseva Zayandeh-Rud-joen valuma-alue, jossa maatalous käyttää suuren osan käytettävissä olevista vesivaroista ja on myös merkittävä sähkönkuluttaja. Kahden eri tarkastelutason käyttäminen mahdollisti sekä yksityiskohtaisen tilatason arvioinnin että laajemman luonnonvarojen hallinnan tarkastelun.

Viljelykasveja vertailtiin useiden tekijöiden perusteella. Näihin kuuluivat vedenkulutus, energiankulutus, sadon määrä, taloudellinen tuotto ja CO₂-päästöt. Tutkimuksessa laskettiin erilaisia indikaattoreita, joiden avulla arvioitiin, kuinka tehokkaasti kukin kasvi käytti vettä ja energiaa sekä kuinka paljon tuotantoa tai taloudellista hyötyä näillä resursseilla saatiin aikaan. Tämän jälkeen indikaattorit yhdistettiin laajemmiksi Water-Energy-Food Nexus -indekseiksi. Tavoitteena oli muodostaa kokonaisvaltaisempi kuva kasvien suorituskyvystä sen sijaan, että tarkasteltaisiin vain yhtä tekijää kerrallaan. Osassa tutkimusta kasvihuonekaasupäästöt liitettiin mukaan Nexus-arviointiin, jolloin ympäristövaikutuksia voitiin tarkastella yhdessä veden, energian ja ruoantuotannon kanssa.

Yksi tutkimuksen keskeisistä osista oli maatalouden energiankäytön analysointi. Tarkastelussa huomioitiin erilaisia energiapanoksia, kuten dieselpolttoaine, sähkö, maatalouskoneet, lannoitteet, kastelu, siemenet ja muut tuotantopanokset. Tulokset osoittivat, että energiankulutus vaihteli huomattavasti viljelykasvien välillä. Perunalla oli suurin kokonaisenergiapanos, kun taas ohralla se oli pienin. Sokerijuurikas tuotti kuitenkin eniten energiaa ja sen energiankäytön tehokkuus oli tutkimuksen viljelykasveista korkein. Toinen tärkeä tulos oli maatalousjärjestelmän suuri riippuvuus uusiutumattomasta energiasta. Kasvista riippuen suurin osa kokonaisenergiapanoksesta oli peräisin uusiutumattomista lähteistä, erityisesti dieselpolttoaineesta, lannoitteista ja maatalouskoneista. Tämä osoittaa, että riippuvuuden vähentäminen fossiilisista energiapanoksista voisi parantaa maataloustuotannon kestävyyttä.

Tutkimus osoitti myös, että pieni resurssien kulutus ei automaattisesti tarkoita hyvää tehokkuutta. Esimerkiksi sinimailanen käytti eniten vettä ja ohra vähiten. Säilörehumaissilla oli kuitenkin korkein veden ja energian tuottavuus. Tämä tarkoittaa, että viljelykasvin suorituskyky ei riipu ainoastaan käytetyn veden tai energian määrästä, vaan myös siitä, kuinka paljon hyödyllistä tuotantoa näillä resursseilla saadaan aikaan. Rapsilla oli korkea veden taloudellinen tuottavuus, kun taas toiset kasvit menestyivät paremmin energiankäytön tai kokonaistuotannon näkökulmasta. Nämä erot osoittavat, ettei yksittäinen indikaattori riitä kuvaamaan viljelykasvin kestävyyttä kokonaisvaltaisesti.

Kun eri resurssi- ja tuottavuusindikaattorit yhdistettiin Water-Energy-Food Nexus Index -indeksiksi, viljelykasvien välillä havaittiin selviä eroja. Säilörehumaissilla oli yksi korkeimmista kokonaisarvoista, kun taas perunalla arvo oli alhaisin. Tämä oli tärkeä havainto, sillä peruna voi tuottaa suhteellisen suuren sadon, mutta se vaatii myös paljon vettä, energiaa ja muita tuotantopanoksia. Tulokset osoittavat siten, että korkea tuotantomäärä ei yksinään tarkoita hyvää kokonaiskestävyyttä. Kun kasvihuonekaasupäästöt lisättiin arviointiin WEFG-lähestymistavan avulla, indeksiarvot yleensä laskivat ja joidenkin viljelykasvien sijoitus muuttui. Tämä osoittaa, että päästöjen huomioon ottaminen voi muuttaa merkittävästi käsitystä maataloustuotannon suorituskyvystä.

CO₂-päästöjen arviointi oli toinen keskeinen osa tutkimusta. Päästöt arvioitiin tärkeimpien maatalouden tuotantopanosten perusteella. Näihin kuuluivat diesel, sähkö, maatalouskoneet, lannoitteet, torjunta-aineet, siemenet sekä kasteluun liittyvä energiankulutus. Tulokset osoittivat suuria eroja viljelykasvien välillä. Perunan kokonaispäästöt hehtaaria kohden olivat suurimmat, kun taas ohran päästöt olivat pienimmät. Dieselpolttoaine ja typpilannoitteet olivat merkittävimpiä päästölähteitä. Tämä osoittaa selkeän yhteyden energiaintensiivisten maatalouskäytäntöjen ja ruoantuotannon hiilijalanjäljen välillä.

Tutkimuksessa havaittiin kuitenkin myös, että pelkkä kokonaispäästö hehtaaria kohden ei anna täydellistä kuvaa ympäristövaikutuksista. Kun päästöt suhteutettiin tuotettuun satokiloon, viljelykasvien järjestys muuttui huomattavasti. Säilörehumaissilla oli korkean satotason ansiosta pienimmät CO₂-päästöt tuotettua kilogrammaa kohden, kun taas rapsilla päästöintensiteetti oli suurin. Analyysi osoitti myös, että sadon kasvu voi vähentää tuotettua kilogrammaa kohti laskettuja päästöjä, jos tuotantopanosten määrä pysyy suunnilleen samana. Laskelmien mukaan esimerkiksi 20 prosentin kasvu sadon määrässä voisi vähentää CO₂-päästöjä tuotettua kilogrammaa kohti noin 16,7 prosenttia. Tämä korostaa sitä, että ympäristösuorituskykyä arvioitaessa on tärkeää tarkastella sekä kokonaispäästöjä että tuotannon tehokkuutta.

Toinen merkittävä osa tutkimusta oli optimointimenetelmien käyttö erilaisten maatalousstrategioiden vertailussa. Optimoinnin tarkoituksena ei ollut ainoastaan löytää suurimman sadon tuottavaa tai vähiten päästöjä aiheuttavaa viljelykasvia, vaan ymmärtää, mitä tapahtuu, kun useita tavoitteita tarkastellaan samanaikaisesti. Yhdessä analyysissä verrattiin strategiaa, jossa maksimoitiin Water-Energy-Food Nexus -suorituskyky, ja strategiaa, jossa minimoitiin CO₂-päästöt. Näiden strategioiden tulokset erosivat selvästi toisistaan. WEF-suorituskyvyn maksimointi johti suurempaan ruoantuotantoon, mutta samalla veden- ja energiankulutus sekä päästöt kasvoivat. CO₂-päästöjen minimointi puolestaan vähensi resurssien käyttöä ja ympäristökuormitusta, mutta samalla ruoantuotanto pieneni huomattavasti.

Tämän vuoksi tutkimuksessa muodostettiin tasapainotettu ratkaisu, jonka tavoitteena oli löytää kompromissi tuotannon ja ympäristövaikutusten välillä. Tämä ratkaisu ei tuottanut suurinta mahdollista ruokamäärää eikä pienimpiä mahdollisia päästöjä, mutta sen tulos sijoittui näiden kahden ääripään väliin. Tulokset osoittivat, että yhteen tavoitteeseen perustuva päätöksenteko voi helposti aiheuttaa haitallisia vaikutuksia järjestelmän muissa osissa. Esimerkiksi päästöjen mahdollisimman suuri vähentäminen voi pienentää ruoantuotantoa, kun taas tuotannon maksimointi voi lisätä veden ja energian käyttöä sekä ympäristökuormitusta.

Tutkimusta laajennettiin edelleen usean tavoitteen Water-Energy-Food-Carbon-kehykseen. Siinä verrattiin viittä eri tavoitetta: vedenkulutuksen minimointia, energiankulutuksen minimointia, ruoantuotannon maksimointia, taloudellisen voiton maksimointia sekä CO₂-päästöjen minimointia. Tulokset osoittivat jälleen selviä ristiriitoja näiden tavoitteiden välillä. Veden, energian ja päästöjen vähentämiseen tähtäävät ratkaisut suosivat yleensä esimerkiksi ohraa, rapsia ja vehnää. Sen sijaan ruoantuotannon tai taloudellisen voiton maksimointi suosi enemmän sinimailasta, sokerijuurikasta ja perunaa, jotka vaativat enemmän resursseja ja voivat samalla aiheuttaa suurempia ympäristövaikutuksia.

Integroitu WEFC-optimointi tuotti tasapainoisemman viljelysuunnitelman. Optimaalisessa ratkaisussa suurimmat viljelyalat osoitettiin vehnälle, rapsille ja ohralle, kun taas sokerijuurikkaalle osoitettiin pienempi alue. Korkean tuotanto- tai voittopotentiaalin kasveja ei aina valittu, koska niiden veden- ja energiankulutus tai CO₂-päästöt olivat suhteellisen suuria. Tämä tulos kuvaa väitöskirjan keskeistä viestiä: yksikään viljelykasvi tai yksittäinen tavoite ei anna parasta tulosta kaikilla mittareilla. Kestävä maatalouden suunnittelu edellyttää useiden keskenään kilpailevien tavoitteiden tasapainottamista samanaikaisesti.

Tutkimuksen keskeinen tieteellinen kontribuutio on ihmisen aiheuttamien CO₂-päästöjen selkeä sisällyttäminen veden, energian ja ruoantuotannon välisten yhteyksien arviointiin erityisesti tilatasolla. Tämä mahdollistaa sen tarkastelun, miten resurssien käytössä tapahtuvat muutokset vaikuttavat samanaikaisesti tuottavuuteen, päästöihin ja taloudelliseen tulokseen. Tutkimus osoittaa myös, että integroidut Nexus-menetelmät voivat tuoda esiin kompromisseja ja mahdollisia yhteishyötyjä, joita ei välttämättä havaita, jos vettä, energiaa, ruokaa tai päästöjä tarkastellaan toisistaan erillään. Yksityiskohtainen energia-analyysi parantaa lisäksi ymmärrystä siitä, miten maatalouden resurssien käyttö vaikuttaa ympäristökuormitukseen.

Kokonaisuutena tulokset osoittavat, ettei maatalouden kestävyyttä voida saavuttaa maksimoimalla vain yhtä tavoitetta. Ruoantuotannon lisääminen, vedenkulutuksen vähentäminen, energiankulutuksen pienentäminen, taloudellisen tuloksen parantaminen ja CO₂-päästöjen vähentäminen ovat kaikki tärkeitä tavoitteita, mutta ne ovat usein ristiriidassa keskenään. Water-Energy-Food-CO₂ Nexus tarjoaa hyödyllisen viitekehyksen näiden yhteyksien ymmärtämiseen ja tasapainoisempien ratkaisujen löytämiseen. Tutkimuksen tuloksia voidaan käyttää tukemaan viljelijöiden, tutkijoiden ja päätöksentekijöiden työtä maankäytön suunnittelussa, resurssitehokkuuden parantamisessa ja ympäristövaikutusten vähentämisessä alueilla, joilla vesi-, energia- ja maatalousresurssit ovat rajallisia.

Tulevassa tutkimuksessa olisi tärkeää viedä nämä menetelmät entistä lähemmäksi käytännön maatalouden päätöksentekoa. Digitaalisen seurannan, täsmäviljelyn ja kaukokartoituksen avulla saatavat paremmat ja tarkemmat tiedot voisivat parantaa Nexus-arviointien luotettavuutta. Myös ilmastonmuutosskenaarioita tulisi sisällyttää analyyseihin nykyistä enemmän, jotta voidaan arvioida, miten tulevat ilmasto-olosuhteet vaikuttavat veden saatavuuteen, energiantarpeeseen, viljelykasvien tuottavuuteen ja maatalouden sopeutumiskykyyn. Uusiutuvan energian käytön lisääminen ja kehittyneemmät monitavoiteoptimointimallit voisivat edelleen vähentää ympäristövaikutuksia. Lisäksi tutkimuksen, politiikan ja paikallisten toimijoiden välistä yhteistyötä olisi vahvistettava, jotta Nexus-ajattelun ja käytännön maatalousratkaisujen välistä kuilua voidaan kaventaa.