Environmental sustainability limits to vegetation expansion

Water is the essence of life on Earth since it is needed in every human activity (e.g., agriculture, industry, domestic use). Currently, the demand for water is ever increasing following different human pressures, therefore sparking competition among different water uses (e.g., food, cash crops, and energy production). Among these, the food system does not only overexploit the environment but also reflects food habits detrimental to human health. To date, to meet the demand for food and other commodities, humans have progressively encroached into ecosystems by both expanding agricultural production in wildlands and by intensifying current agricultural production. However, the extent to which it is possible to fulfill human needs while ensuring sustainability for both humans and the planet (e.g., water resources use) is still unclear. To close this literature gap, this doctoral dissertation explores the environmental limits to sustainable expansion of agriculture (and agroforestry) and to crop replacement strategies by using spatially distributed hydrological and land allocation models. In particular, this work first investigates whether enough water is available to allow expansion in wildlands for producing cash crops. The same procedure is used to assess whether it is environmentally sustainable to plant trees to store carbon dioxide as a climate change mitigation strategy. Then, this thesis investigates the feasibility of expanding food production to cope with trade shocks (e.g., food bans following the Russo-Ukrainian war), as predicted by economic models. This thesis finds that, in most cases, it is not possible to expand agriculture without inducing or exacerbating water scarcity either locally or downstream. In addition, competition for water among all uses would also be aggravated. However, in a particular case study, sustainable agricultural expansion would still be possible when selecting only those areas not inducing water scarcity exacerbation (i.e., in the case of coffee expansion in Kenya). Lastly, this thesis finds that dietary changes towards sustainable diets (i.e., healthy and less water intensive) could be achieved, to a certain extent, through crop replacement both at local and at global scale. Hence, while cropland expansion is at large unsustainable, crop replacement could help achieve water savings. Given the strong connections between environmental issues and other fields of study, this thesis also covers topics ranging from economic matters to public health targets, using a transdisciplinary approach which could be applied to numerous other case studies.

L'acqua costituisce l'essenza della vita sulla Terra, in quanto indispensabile per ogni attività umana (risulta essere assolutamente fondamentale, ad esempio, per l’agricoltura, per l’industria, per gli usi domestici, etc.). Attualmente, la domanda di risorse idriche è in continuo aumento a causa delle diverse pressioni antropiche che innescano un’elevata competizione tra diversi usi alternativi (ad esempio, cibo, colture da reddito, energia). Tra questi, la filiera agroalimentare non solo risulta generatrice di danni all’ambiente, ma riflette abitudini di consumo deleterie per la salute dell’uomo. Per soddisfare le sue diverse esigenze, l'uomo ha progressivamente compromesso gli ecosistemi naturali, sia espandendo la produzione agricola in aree precedentemente incolte, sia massimizzando i rendimenti dei terreni ricorrendo all’agricoltura intensiva. A tal riguardo, la letteratura scientifica non ha ad oggi ancora fornito una risposta esaustiva sul se sia possibile soddisfare le esigenze degli esseri umani garantendo, allo stesso tempo, un uso sostenibile delle risorse idriche. Per contribuire a colmare questa carenza nella letteratura, il presente lavoro di tesi di dottorato indaga i limiti ambientali di una espansione agricola sostenibile attraverso il supporto di diversi modelli idrologici spazialmente distribuiti e modelli di assegnazione dei terreni. In prima istanza, questo lavoro analizza se è disponibile abbastanza acqua da consentire un’espansione agricola per la produzione di colture da reddito in aree attualmente incolte. Lo stesso procedimento è adoperato per valutare se risulta sostenibile da un punto di vista ambientale piantare alberi per immagazzinare anidride carbonica come strategia di mitigazione e adattamento al cambiamento climatico. Tale lavoro di tesi, inoltre, indaga la fattibilità di una eventuale espansione della produzione di cibo mondiale per far fronte a choc commerciali (ad esempio le restrizioni al libero commercio conseguenti al conflitto russo-ucraino) prevista da modelli economici. I risultati di questo lavoro dimostrano che, nella maggioranza dei casi, è improbabile che tale espansione avvenga senza indurre o aggravare la scarsità idrica, sia a livello locale che a valle. La competizione per le risorse idriche tra i diversi usi alternativi, inoltre, verrebbe accentuata. Tuttavia, in alcuni specifici casi, un’espansione sostenibile delle aree coltivate sarebbe attuabile selezionando solo quelle aree che non inducono un peggioramento della scarsità idrica (ad esempio nel caso dell’espansione della produzione di caffè in Kenya). Infine, questo lavoro dimostra che un cambio delle abitudini di consumo verso diete sostenibili (sia salutari per l’uomo sia che richiedono un uso minore di risorse idriche) potrebbe essere attuabile, in parte, attraverso una sostituzione delle colture, sia su scala locale sia globale. Di conseguenza, mentre un’espansione delle aree coltivate non è sostenibile su larga scala, la sostituzione delle colture potrebbe portare ad un efficientamento delle risorse idriche. Considerando la stretta interconnessione tra problematiche ambientali ed altri campi di studio, questa tesi copre argomenti che spaziano da questioni economiche ad obiettivi in materia di salute pubblica, utilizzando un approccio transdisciplinare che potrebbe essere trasferito ed applicato a numerosi altri casi di studio.