Сколько человек можно накормить на квадратный километр сельхозугодий?

Обычное сельское хозяйство

Согласно этому источнику, продуктом с самой высокой калорийностью является сладкий картофель, который обеспечивает 70 000 ккал/га/день. (картофель дает 54 000, что примерно соответствует подсчетам ArtOfCode.) Это связано с довольно интенсивным сельским хозяйством, поэтому нам нужно оставить землю под паром примерно на треть времени, что сократит наш долгосрочный средний показатель примерно до 47 000. ккал/га/день для нашей самой плотной продовольственной культуры (в пересчете на ккал.га/день). Это достижимо с помощью довольно примитивной технологии. Это соответствует 4 700 000 ккал/км ² /день, что может накормить 2350 человек при диете 2000 ккал/день из чистого сладкого картофеля.

Гидропоника

Теперь давайте посмотрим, как мы можем увеличить этот доход. Первое, что мы можем сделать, это использовать гидропонику. Согласно этому источнику, гидропоника увеличит выход сырья примерно на 280%. Кроме того, нам не придется оставлять наши поля под паром, поскольку у нас больше нет почвы, на которой мы выращиваем растения. Это увеличивает нашу базу с 70 000 ккал/га/день до 266 000 ккал/га/день, что будет кормить 13 300 человек на квадратный километр.

Аэропоника

В настоящее время люди изучают еще лучший способ выращивания сельскохозяйственных культур: аэропонику. На аэропонной ферме богатая питательными веществами вода испаряется, образуя туман, который затем распыляется на корни сельскохозяйственных культур. Этот источник обнаружил, что с правильными питательными растворами они смогли увеличить урожайность по сравнению с обычной гидропоникой на 50-270%. Предполагая, что при дальнейшем уточнении верхний предел этого может быть реализован, мы должны быть в состоянии увеличить наш сладкий картофель до 98 420 000 ккал/км ² /день, что может накормить в общей сложности 49 210 человек на диете 2000 ккал/день сладкая картошка.

Что еще мы могли бы сделать, чтобы увеличить это?

До сих пор все это сдерживалось солнечным светом: мы можем выращивать только один слой посевов, если наши посевы получают энергию от солнца. Конечно, если мы сможем запустить термоядерный генератор, чтобы осветить наши посевы искусственным светом, мы сможем складывать посевы слоями друг на друга. В этом случае лучшим показателем может быть ккал/км ³ /день. Сладкий картофель имеет около метра в высоту, поэтому мы можем вырастить 1000 его слоев в теплице площадью 1 км ³ , плотно упакованной на термоядерном топливе. Наш куб, использующий аэропонику, будет производить 98 420 000 000 ккал/км ³ /день и сможет накормить население в 49 210 000 человек. Генная инженерия могла бы увеличить это еще больше, но это примерно правильный порядок величины.

Вопрос слишком широк , поскольку существует множество культур, типов земель и уровней плодородия почв, климатических зон, технологических уровней, количества доступного труда и капитала. Это резко повлияет на то, что вы получаете от данной области. Более того, есть много способов превратить эти калории урожая в продукты питания. Например, вы едите злаки или скармливаете их скоту, а затем едите скот? Или, может быть, вы решите перегонять свои хлопья и делать бурбон... Это легко может занять целое эссе.

Пока же я ограничусь практиками современной эпохи , поскольку они варьируются от по существу средневековых технологий до самых современных методов , так что поперечное сечение в пространстве в некотором смысле также является сечением во времени в данном случае.

Урожайность сильно зависит от культуры и определяется двумя способами. Во-первых, это соотношение количества семян и урожая, например, 20:1 означает, что с каждого посаженного зерна вы получаете 20 зерен урожая.

Второе определение измеряет урожайность на площадь, и существует множество определений, но наиболее распространенным в наше время является урожайность в кг с гектара. Поскольку в одном кв. км 100 кв. гектометров, нужно просто умножить ответы на 100, чтобы получить окончательный ответ. Есть множество источников по этому поводу для современного мира. Возможно, самым простым является Всемирный банк. Я связал урожай зерновых. Очевидно, вы можете получить урожай грибов, урожай фруктов на гектар сада и т. д.

Когда вы просмотрите приведенную выше таблицу, вы увидите поразительное количество вариаций, которые частично связаны с вариациями климата, но в основном со степенью механизации и размером ферм (маленькие фермы, как правило, менее эффективны и менее эффективны). механизированный). Страны с низким уровнем развития в настоящее время имеют низкие урожаи, иногда значительно меньше тонны с гектара (чуть выше замены посевного зерна!), в то время как такие страны, как Франция, США и Бельгия, имеют урожайность в диапазоне 6-10 тонн с гектара.

И это только зерно. Картофель , с другой стороны, не только растет в холмистой и каменистой местности, где нельзя выращивать зерно, но при тщательном возделывании и борьбе с вредителями в настоящее время может давать около 80 тонн/га, в то время как первые сорта, которые были введены в Европе (это после нескольких тысяч лет андской селекции) дали всего 13 т/га.

Наконец, гидропоника может повысить урожайность самых разных растений от 6 до 30 раз. У Говарда Реша есть книга « Гидропонное производство продуктов питания» .

Идентичные растения огурцов производили 7000 фунтов на акр в почве, но 28000 фунтов на акр при выращивании на гидропонике, а урожайность помидоров варьировалась от 5 до 10 тонн на акр в почве, но от 60 до 300 тонн на акр гидропоники. Представленные результаты характерны практически для любого завода. Иными словами, для производства всего количества помидоров, ежегодно потребляемых в Канаде (400 миллионов фунтов), требуется 25 000 акров почвы. Для гидропоники потребуется всего 1300 акров.

Теперь один кг пшеницы составляет около 3400 калорий . Человеку требуется около миллиона калорий в год (2700 калорий в день в течение 365 дней), так что это будет 294 кг (игнорируя различные диетические потребности на секунду). Таким образом, один современный, скажем, бельгийский культурный (урожайность 9 т / га) гектар пшеницы может накормить 30 человек. Таким образом, один кв. км покрывает потребности в калориях около 3000 человек . Очевидно, вам понадобится мясо и другие фрукты и овощи, так что вы можете сократить это примерно до трети (пшеница --> мясо имеет относительно низкую эффективность), чтобы вы могли легко накормить 1000-1500 человек с кв. км. плодородных современно-технологичных обрабатываемых земель. С гидропоникой или другими технологиями в стиле теплиц, а также с собственным освещением, вы можете многого добиться.выше. Если бы вы покрыли Землю аркологиями и посвятили значительную часть теплицам с регулируемым климатом и светом, вы могли бы поддерживать триллионы людей на Земле.

Возможно, вас заинтересует мой ответ на этот вопрос , поскольку в нем подробно описаны минимальные требования. В нем я делаю некоторые расчеты, чтобы выяснить, что для того, чтобы прокормить одного среднего человека в течение года, вам нужно 5110 картофелин и 460 квадратных метров площади.

Это касается одного года, но если вы снова посадите картофель в следующем году, вам нужно будет посадить его в другом месте в следующем году. Это означает, что вам нужно 920 квадратных метров на человека в течение двух лет. Вы можете перемещаться между двумя разными местами с картофелем, так что это все, что вам нужно. Так:

Есть$1000^2 = 1,000,000$квадратных метров в одном квадратном километре.

Есть$\frac{1,000,000}{920} = 1086.9565$Участки по 920 квадратных метров на квадратном километре, так что вы примерно выжимаете 1087.

Таким образом, вы можете накормить максимум 1087 человек на квадратный километр (ппск), если все они будут питаться только картошкой. Вам, конечно, также потребуется жилое пространство для всех из них.

Это дает некоторую оценку того, что вы можете сделать. Давайте сравним это с населением и посмотрим, каково соотношение жилой площади к сельхозугодьям.

Приличного размера дом для одного человека занимает площадь около 50 квадратных метров. Если у вас 1087 человек и квадратный километр сельхозугодий, значит, вам понадобится:

квадратных метров жилой площади. Это 0,054 квадратных километра. Следовательно, соотношение:

Это довольно большое требование к пространству. Если у вас есть город радиусом 5 км, ему нужна сельскохозяйственная зона шириной 21 км вокруг него, чтобы полностью поддерживать всех его жителей. Это возможно, но неэффективно — вот почему большая часть нашей еды импортируется из других стран с меньшим населением и большими сельскохозяйственными угодьями.

С современными технологиями ведения сельского хозяйства, которые фактически практикуются в Соединенных Штатах, около 10 акров земли (40 000 квадратных метров) используются для производства продуктов питания для каждого среднестатистического человека.

Это само по себе свидетельствует о значительном повышении производительности сельского хозяйства за последние полвека или около того.

Между 1950 и 2000 годами, во время так называемой «второй сельскохозяйственной революции современности», производительность сельского хозяйства США быстро росла, особенно благодаря развитию новых технологий. Например, среднее количество молока, производимого на одну корову, увеличилось с 5 314 фунтов до 18 201 фунтов в год (+242%), средняя урожайность кукурузы выросла с 39 бушелей до 153 бушелей на акр (+292%), а каждый фермер в 2000 г. производил в среднем в 12 раз больше сельскохозяйственной продукции за час работы, чем фермер в 1950 г.

В глобальном масштабе мы используем примерно треть площади земли для производства того же количества продовольствия, что и пятьдесят лет назад, а продуктивность сельского хозяйства на единицу площади неуклонно растет из года в год.

Самые высокие урожаи зерновых с акра в мире в Кувейте и на некоторых Карибских островах (в обоих случаях, где пахотные земли в большом почете) примерно в три раза выше, чем в США.

Тем не менее, сельское хозяйство в США организовано для оптимизации производства продовольствия в долларах на доллар затрат на производство продовольствия, а не для оптимизации производства калорий на квадратный метр земли (как вы могли бы захотеть в космической колонии, космическом корабле или биосфере), потому что США имеет огромное количество пахотных земель.

Самый простой способ максимизировать калории на квадратный метр в год по сравнению со статусом-кво — это заменить много мяса большим количеством растений в рационе среднего человека.

Соевые бобы, например, используют примерно на 5% больше земли для производства того же количества белковых калорий, что и коровы.

Соевые бобы производят как минимум в два раза больше полезного белка на единицу площади, чем любые другие основные овощные или зерновые культуры, за исключением конопли, которая может давать до 33 г/м2 (290 фунтов/акр). Они производят в 5-10 раз больше белка на единицу площади, чем земли, отведенные для выпаса скота для производства молока, и до 15 раз больше белка на единицу площади, чем земли, отведенные для производства мяса.

И сколько мяса съедает средний американец?

По данным Министерства сельского хозяйства США, в 2012 году средний американец потреблял 71,2 фунта красного мяса (говядины, телятины, свинины и баранины) и 54,1 фунта птицы (курицы и индейки). Средняя сумма, вероятно, немного выше. Согласно опросам Gallup, Министерство сельского хозяйства США не принимает во внимание вегетарианцев, которые постоянно составляют около 5% населения.

А мясо, молочные продукты и жиры, которые обычно имеют животное происхождение, составляют почти ровно половину рациона среднего американца .

Теперь не все растения являются такими же эффективными источниками белка в частности или калорий в целом, как соевые бобы, и постоянное употребление в пищу соевых бобов устаревает (и не обеспечивает всех аминокислот, необходимых для жизни). Но будет справедливо сказать, что вы можете уменьшить воздействие пищи, которую потребляет среднестатистический человек, примерно на 45% (90% от половины продуктов животного происхождения), перейдя на почти полностью веганскую диету.

Это по-прежнему много сельхозугодий на человека, около 5,5 акров на человека (около 22 000 квадратных метров). И точно не ясно, сколько улучшений вы можете получить с помощью более высоких технологических подходов, таких как гидропоника, круглосуточное освещение для выращивания и т. д.

Предполагая, что закрытая среда может, по крайней мере, соответствовать пиковой продуктивности зерновых культур на единицу площади по сравнению с США, можно было бы уменьшить количество сельскохозяйственных угодий на человека, необходимое до чуть менее 2 акров на человека (около 8000 квадратных метров). , что составляет 125 человек на квадратный километр, если отвечать на вопрос заголовка).

Предположительно, гидропонное земледелие может значительно улучшить даже это 80-процентное сокращение производства продуктов питания на акр по сравнению со статусом-кво, как отмечается в сообщениях выше. Но оценки в 500-1000 квадратных метров на человека кажутся нереальными с учетом современных технологий.

Ответ TL;DR: 111 человек на квадратный километр.

Объяснение:

Простой способ взглянуть на этот вопрос — разделить общую площадь сельскохозяйственных земель во всем мире на население мира. В этом уравнении не учитываются отходы и голодающие люди, предполагается, что люди не едят рыбу из океанов, и предполагается, что методы ведения сельского хозяйства во всем мире одинаково эффективны (а это не так). Несмотря на это, этот ответ намного ближе к реальности, чем другие предоставленные ответы.

36 480 000 000 акров - Общая площадь суши Земли
13 497 600 000 акров - Земли, используемые для сельского хозяйства (37% в 2000 году)
6 082 966 429 - Население мира (2000 год)

Итак, если мы разделим 13 497 600 000 акров на 6 082 966 429 человек, мы можем сказать, что каждому человеку на планете требуется 2 218 акров земли, чтобы есть. Так как квадратный километр составляет примерно 247 акров, то столько земли может прокормить 111 человек.

Мой бывший садовник, и я прочитал статью , в которой говорилось, что вы можете накормить человека (только веган, без мяса) всего на 800 м ² в умеренном климате (Швеция в данном случае), не используя никаких высокотехнологичных методов, просто посадив рядом и получение нескольких урожаев за сезон. Используемые культуры: картофель, бобы, морковь, пастернак, капуста, лук и яблоки.

Имейте в виду, что любитель может сажать вещи гораздо плотнее, чем в промышленном сельском хозяйстве, поскольку последнее ориентировано на одну культуру и требует больше места для работы машин.

Независимо от того, как вы решаете проблему, вы будете связаны физическими ограничениями. Поэтому я ограничу свой ответ физическими аспектами проблемы:

Солнечное излучение

Какими бы эффективными ни были методы ведения сельского хозяйства, вы не можете произвести больше энергии с квадратного метра, чем количество, которое попадает в почву. Во-первых, согласно этой карте, солнечное излучение составляет примерно 1900 кВтч/м² на северо-востоке Бразилии. При условии, что регион плодороден и имеет доступ к воде, а он есть (это один из регионов Бразилии, где производится сахарный тростник, который впоследствии превращается в спирт и автомобильное топливо), ваш предел производительности будет примерно пропорциональна эффективности растений при фотосинтезе.

Эффективность фотосинтеза

Современный сахарный тростник является одним из наиболее эффективных растений по преобразованию солнечных лучей в сахар. КПД может достигать 8%. Это означает, что один квадратный метр сахарного тростника на указанной площади на поверхности земли будет производить

E = 5 kWh/Day * 0.08 = 400 Wh/day of sugar, or 1440 kJ of energy.

Глюкоза является основным сахаром, производимым сахарным тростником, который содержит 3000 кДж энергии на моль, около 700 ккал/моль. Это означает, что каждый день с каждого квадратного метра посевной площади будет производиться

M = 1440 kJ / 3000kJ/mol = 0.48 mol of Glucose

Что при переводе в граммы означает

W = 0.48 mol * 180 g/mol = 86 g of sugar per day.

Признавая, что ежедневное потребление пищи состоит не только из сахара, все другие растительные материалы являются продуктом последующего преобразования этого сахара в другие материалы, или энергия, обеспечиваемая этим сахаром, используется для запуска химических реакций, которые будут производят эти другие вещества. Если вещество не вырабатывается самим растением, оно будет вырабатываться с использованием этой энергии (белок, жир и т. д. вырабатываются за счет сахара самим растением или животными, которые поедают это растение, а затем поедаются людьми). Другими словами, никакая пища никогда не будет удерживать или тратить на производство больше энергии, чем это общее количество сахара, которое сахарный тростник производит на квадратный метр.

Нормальный взрослый мужчина должен потреблять 10500 кДж энергии в день.

A = 10500 kJ/day / 1440 kJ/day/M² = 7,29M²

что означает, что 7,29 квадратных метра земли должны быть обработаны, чтобы производить достаточно энергии для ее поддержания, используя наиболее эффективные из имеющихся растений и выражая их в чистых калориях (жир или сахар, но не витамины или другие регулирующие продукты). Это означает, что с чисто физической точки зрения, используя наиболее эффективное из доступных растений, наиболее эффективным доступным методом, вам потребуется не менее ~7 квадратных метров земли, чтобы произвести достаточно для одного взрослого самца. Реальные цифры будут выше из-за различных неэффективностей.

Производство и распределение продуктов питания — сложная деятельность, и для поддержания жизнедеятельности человека требуется больше, чем сахар, а это означает, что для производства всех необходимых питательных веществ необходимы менее эффективные растения. Мясо производится путем кормления скота растениями, полученными в результате того же процесса, что и сахарный тростник (фотосинтез), но каждое изменение трофического уровня влечет за собой определенную потерю энергии, поэтому мясо, произведенное на определенном участке земли, будет меньше, чем мясо, непосредственно потребляемое. как сахарный тростник. И так далее.

тл;др

С текущими типами культур вам потребуется не менее ~ 7 квадратных метров земли на одного взрослого самца, независимо от того, какой процесс выращивания, тип растения, мясо или овощи и т. Д. Это физический предел, подразумеваемый ограничениями фотосинтеза. Единственный выход — повысить эффективность фотосинтеза растений с помощью генетических манипуляций.

Вертикальные гидропонные фермы (выполнимые с использованием современных технологий):

Если вы построите 100-этажную гидропонную ферму-небоскреб рядом с огромным источником воды на 1 квадратном километре земли, вы сможете накормить целый город. Это было бы экономической катастрофой и было бы невыгодно, но технически это выполнимо.

Вертикальное земледелие — это не научная фантастика, и в некоторых городах, таких как Сингапур, уже проводятся эксперименты.

Это не очень выгодно с экономической точки зрения, поскольку традиционное земледелие по-прежнему супердешево, но для некоторых стран с ограниченными земельными ресурсами, таких как Сингапур, наличие вертикальной структуры с использованием некоторых передовых технологий гидропоники (почва не требуется) позволяет им размещать сельскохозяйственные угодья вертикально. Сингапур делает это, чтобы не слишком зависеть от импорта продовольствия (политические причины).

Если предположить, что энергия и стоимость строительства станут достаточно дешевыми или что пахотные земли станут достаточно редкими, это станет экономически жизнеспособным.

Я лично думаю, что это зависит от растения. У некоторых продуктов, таких как кукуруза, на стебле вырастает только один или два початка, в то время как растение помидора может вырастить 15 и более томатов за сезон. В любом случае, вам придется чередовать свои культуры каждые несколько лет, чтобы иметь возможность выращивать что- либо , поэтому вам нужно быть осторожным с тем, что вы выращиваете. Я думаю, что вы действительно хотели бы обратить внимание на: а) сколько пищи производит растение и б) насколько полезно растение для почвы и в) какие витамины люди получат от них.

По моему личному опыту, виноград, помидоры, стручковая фасоль, морковь и другие продукты, которые занимают минимум места, позволят в целом увеличить количество еды, поэтому я бы сказал, как минимум 10-25 акров, как минимум, больше, если у вас есть место. . Я не знаю, насколько это действительно было полезно, но я надеюсь, что это дало вам некоторое представление.

Я рисую вымышленные карты и делаю эти расчеты. Согласно моим расчетам и предположениям, с 1 м2 пшеничного поля можно получить 1 х 700 г (примерно 1 фунт 8 унций) буханки хлеба. Это предполагает среднюю урожайность около 5 тонн зерна с гектара. Травоядные съедают 2% своего веса в день, а корове требуется около 2/3 гектара в год (чтобы трава снова отросла). Мои исследования показывают, что мясное животное эффективно на 50%: только половина веса животного может быть преобразована в съедобное мясо.

В естественных условиях и при органическом земледелии без удобрений и искусственных химикатов или с использованием генетически модифицированных технологий вы не можете произвести более 500 кг зерна (например, с пшеницей), и этого достаточно, чтобы прокормить человека в год.

Учитывая овощи, специи и другие приправы, которые нужно приготовить, чтобы съесть их с хлебом, чапати или чем-то еще, что люди делают из муки, чтобы есть с овощами, нам нужно дополнительно около 3 гектаров земли. Это означает 4 га на человека в год в условиях естественного земледелия. Поскольку в 1 км ^ 2 100 гектаров, это количество земли может очень хорошо прокормить только около 25 человек с небольшим запасом для комфорта.