Exploring alternative futures of the World Water System.   

Building a second generation of World Water Scenarios  

Driving force: Agriculture  

 

 

 

 

 

Hayato Kobayashi 

2010 

 

 

 

 

Prepared for the United Nations World Water Assessment Programme 

UN WWAP   

 

 

 

1

Table of Contents 

1.  Brief current assessment/conditions of the driver and how it affects water resources and their 

use  2 

1‐1  Rainfed agriculture...................................................................................................................3 

1‐2  Irrigation ..................................................................................................................................4 

1‐3  Water productivity ...................................................................................................................6 

1‐4  Fertilizer use and its impact on water......................................................................................7 

1‐5  Subsidies...................................................................................................................................8 

1‐6  Waste water and urban agriculture ........................................................................................8 

1‐7  Crops damage, loss and waste in production and logistics .....................................................9 

1‐8  Precision farming ...................................................................................................................10 

1‐9  Aquaculture............................................................................................................................11 

1‐10  Deforestation .........................................................................................................................12 

1‐11  Food security ..........................................................................................................................13 

1‐12  International trade.................................................................................................................14 

1‐13  Increase in trade‐offs between agriculture, key industrial activities, and large and growing 

urban centres....................................................................................................................................14 

2.  List the possible developments that may have a major influence on the driver to 2050.15 

2‐1  Climate Change ......................................................................................................................15 

2‐2  Biofuels...................................................................................................................................17 

2‐3  Livestock and potential of in‐vitro meat ................................................................................17 

2‐4  Vertical farming in urban cities..............................................................................................18 

2‐5  Organic farming .....................................................................................................................19 

2‐6  Biotechnology.........................................................................................................................20 

2‐7  Engineering photosynthesis process ......................................................................................21 

2‐8  Seawater/ Saltwater agriculture ...........................................................................................22 

2‐9  Brief discussion on wildcards .................................................................................................23 

3.  Matrix of Possible Developments .....................................................................................24 

3‐1  Note on causal links with other drivers .................................................................................29 

References ................................................................................................................................30 

 

 

 

2

1. Brief current assessment/conditions of the driver and how it affects water resources and 

their use 

Improvements  in agriculture over  the  last century have  led  to substantial  improvements  in global 

food  security  through  higher  and more  stable  food  production.  Agriculture  has  become  a main 

contributor  to global environmental  change, particularly  changes  in  the global hydrological  cycle. 

Through changes  in  land use,  land cover and  irrigation, agriculture has  substantially modified  the 

global  hydrological  cycle  in  terms  of  both  water  quality  and  water  quantity.  Extensive  use  of 

fertilizer  also  led  to  severe  pollution,  causing  health  and  environmental  hazard.  Today,  the 

production  of  food  and  other  agricultural  products  takes  some  70  percent1  of  the  freshwater 

withdrawals  from  rivers  and  ground  water.  Population  growth  and  increasing  per  capita 

consumption suggest  that demand  for water will keep  increasing  to produce more  food  including 

water‐intensive products such as meat. At the same time, competition for water from other sectors 

including  water  for  serving  urban  population  and  maintaining  environmental  flows  intensifies, 

making water increasingly scarce resource.     

 

Figure  1:  Aggregated  global  gap  between  existing  accessible,  reliable  supply  and  2030  water 

withdrawals, assuming no efficiency gains 

 Source: 2030 Water Resource Group (2009) 

 

A study by 2030 Water Resource Group (2009) suggests that  in a business as usual scenario, water 

withdrawals  for agriculture will  increase  from 3,100 billion m3  today  to 4,500 billion m3  in 2030, 

assuming  no  productivity  gains  during  the  period  (Figure  1).  The  total  demand  including 

non‐agricultural uses  in 2030  is 40 percent greater  than  the supply of existing, accessible  reliable 

1 some estimates are as high as 85 percent (Hanasaki et al., 2008)

3

and  sustainable water  supply2.  The  study  also  suggests  that  increases  in water  productivity  and 

supply can address only fill 40 percent of the gap3. In other words, 60 percent of the projected gap 

(1680 billion m3) will have  to be addressed by non‐business as usual solutions, which  include,  for 

example, using saltwater for agriculture (and biofuels), replacing livestock with in‐vitro meat, and a 

drastic change in dietary pattern.     

 

1-1 Rainfed agriculture 

Rainfed  farming  covers  roughly  80  percent  of  the  agricultural  land worldwide  (Rockström  et  al. 

2007). Although  rainfed agriculture  is associated with generally  low yield and high on‐farm water 

losses,  rainfed croplands meet about 60 percent of  the  food and nutritional needs of  the World’s 

population  (ibid: 315) and  is  the backbone of  the marginal or subsistence  farmers4. The relatively 

low productivity of  rainfed agriculture and  the  large gaps between actual and attainable yields  in 

many parts of  the world suggest a  large untapped potential  for production  increase  (Figure 1).  In 

order  to  unlock  the  potential  in  rainfed  agriculture,  however,  rainfall‐related  risks  need  to  be 

reduced (Rockström et al. 2007: 316). 

 

Figure 1: Yield gaps from major grains in rainfed agriculture for selected countries 

 Source: Rockström et al. (2010) 

 

There is still a large surface area available for further expansion of agricultural croplands, especially 

in Latin America and Africa (see Table 1). However, the productivity of a  large proportion of these 

lands  is  limited  due  to  poor  soil  fertility,  soil  depth,  and  access  to water.  Rainfed  agriculture  is 

generally known  to be  far better  sustainable  than  irrigated agriculture which  is, often, associated 

with water  logging  and  soil  salinisation,  but  uncontrolled  expansion  of  rainfed  farming  and  land 

conversions  from  forests,  rangelands,  protected  areas  will  be  environmentally  costly  and  2 Climate change could negatively affect the supply of existing water, especially in Africa. 3 Increase in water productivity is based on the historical improvements; Increase in supply is based on total increased capture of raw water through infrastructure buildout, excluding unsustainable extraction. 4 According to FAO, some 93% of farmed land is rainfed in Sub-Saharan Africa, 87% in Latin America, 67% in the Near East and North Africa, 65% in East Asia, and 58 percent in South Asia (FAO, 2002)

4

ecologically  unacceptable  (Richards,  1990).  Increasing  yield  through  enhanced  productivity  and 

intensification of rainfed croplands should thus be a priority.   

 

Table 1: Comparison of actual and potential available arable land for rainfed agriculture5 

 

Net potential 

arable land* 

(1000 ha) 

Actual arable 

land in 1994 

(1000 ha) 

% of potential   

arable land   

actually in use 

Sub‐Sahara Africa  1,050,083 157,608 15 

North Africa and Near East  44,815 71,580* 160 

North Asia, east Urals  275,902 175,540 64 

Asia and the Pacific  742,672 477,706 64 

South and Central America  979,946 143,352 15 

North America  431,488 233,276 54 

Europe  323,903 204,322 63 

World  3,848,809 1,463,384 38 *    North Africa and the Near East shows actual cultivation in excess of potential, because irrigated 

cultivation is not included the potential arable land. Source: FAO (2003b), World Soil Resources Report   

 

The  key  challenge  is  to  reduce water‐related  risks  posed  by  high  rainfall  variability  rather  than 

coping with an absolute  lack of water. There  is generally enough rainfall to double and often even 

quadruple  yields  in  rainfed  farming  systems,  even  in water‐constrained  regions  (Rockström  et  al. 

2007). But it is available at the wrong time, causing dry spells and rendering much of it being lost. To 

maximise  the potential of  rainfed agriculture,  investments  in  infrastructure  for water  transfer and 

storage will be critical. Nevertheless, relying on rainfed agriculture as a main source of food carries 

risks. While measures  to  improve  rainfed  agriculture  such  as  better water harvesting  techniques 

help bridge short dry spells, longer dry spells can lead to total crop failure (de Fraiture et al. 2010: 

507). With climate change leading to greater uncertainties in rainfed agriculture and reduced glacial 

runoff, investment in water storage will be increasingly critical. [See 2‐1: Climate Change]   

 

1-2 Irrigation 

Irrigation has ensured an adequate global food supply and raised millions out of poverty, especially 

in Asia in the last decades. In addition to its direct benefit of increased productivity, irrigation offers 

5 Estimates of the actual arable land vary greatly across different studies( ranging from 1.11 billion ha to 3.82 billion ha for the year 2000 (which include irrigated area). Global digital maps tend to overestimate agricultural areas as a result of the full pixel based area calculations. (A pixel when classified as agriculture is automatically taken to have 100% croplands in digital global maps although in reality, only a certain percentage of a pixel is cultivated and that percentage can vary significantly. In this table, Net potential arable land is calculated by subtracting land used for non-agricultural purposes (protected land for nature, etc. and land for human settlement) from gross potential arable land.

5

a number secondary benefit such as  increased productivity of rural  labour and promotion of  local 

agro‐enterprises. The overall multiplier effect of  irrigation on  the economy has been estimated at 

2.5–4  (Faurès  et  al.,  2007:  360)  with  the  largest  positive  impacts  on  poverty  and  livelihoods. 

Bhattarai and Narayanamoorthy  (2003) noted  that  irrigation and  farmer’s education  level are  the 

two main factors in improving agricultural productivity and alleviating rural poverty in India.   

 

Irrigation is particularly crucial in sustaining agriculture across the “dry belt” that extends from the 

Middle East through Northern China to Central America and parts of the United States. China and 

India mostly  depend  on  irrigation,  often  double  cropping,  to  feed  their  2.6  billion  populations 

(Thenkabail et al., 2008). The FAO (2003a) predicts a slower average increase of 0.6 percent a year 

between 1997/99 and 2030 in developing countries, compared with 1.6 percent a year from 1960 to 

1990, but irrigation will remain critical in supplying cheap, high‐quality food. Its share of world food 

production  is projected to rise to more than 45 percent by 2030,  from 40 percent today as yields 

continue  to  increase  and  cropping  patterns  shift  to  higher  value  crops  (ibid).  This means  12–17 

percent more water withdrawn  for  irrigation with potentially  significant negative  impacts on  the 

water  resources.  In  OECD  countries,  water  use  for  agriculture  grew  2  percent  over  the  period 

1990/92 to 2001/03 mainly driven by a 8 percent expansion in the total irrigated area6  (OECD, 2008: 

28).   

 

Many of  irrigation’s negative environmental effects arise  from withdrawal,  storage, and diversion 

from natural  aquatic  ecosystems  and  the  resultant  changes  to  the natural pattern  and  timing  of 

hydrological  flows  (Falkenmark et al., 2007). Rivers have  in many  instances become disconnected 

from their floodplains and from downstream estuaries and wetlands—with, in some instances, total 

and  irreversible wetland  loss. The Millennium Ecosystem Assessment warned  that wetland water 

quality has deteriorated especially  in areas under high  intensity  irrigation  (MEA 2005). The water 

transfer and storage  induced by  irrigation also  led to the  introduction and proliferation of  invasive 

species, such as aquatic weeds, in both water management systems and natural wetlands. 

 

The extent to which  irrigation  induces water‐logging and salinisation  is estimated at 10 percent of 

the  total  irrigated area worldwide  (Faurès et al., 2007). The problem  is more severe  in  large  river 

basins in arid regions with salinity buildups in drainage water and the consequent salinisation of the 

land  and  rivers  (Smedema  and  Shiati  2002).  Salinisation  causes  the  loss  of  natural  vegetation, 

reduces crop yields, and  leaves drinking water unfit for human and animal consumption. Adapting 

farming  systems  through  the  use  of  salt‐tolerant  varieties  may  provide  short‐term  respite  for 

producers but the impact of salinisation on the ecosystem services will pose a longer‐term problem. 

[See 2‐8: Seawater/ saltwater agriculture]     

 

6 On the other hand, the average water application rate per hectare irrigated declined by 9% in the same period.

6

The underperformance of  large‐scale  irrigation reduced donor  interest  in  irrigation  in recent years 

(Merrey,  1997).  Concerns  over  negative  social  and  environmental  impacts,  particularly  the 

dislocation  of  residents  in  affected  communities  and  the  calls  for  increased  in‐stream  flows  for 

environmental purposes have  received heavy publicity  and discouraged  lenders  from  investing  in 

irrigation. For irrigation to continue to serve its critical role in supplying food for the world billions, it 

will need to adapt to the new requirements.  In fact,  irrigation can also create or enhance wetland 

ecosystems, generating habitats to support biodiversity conservation and ecosystem services. This is 

particularly so where  irrigation‐based agroecosystems have developed over centuries and function 

as wetlands (Falkenmark et al., 2007).   

 

1-3 Water productivity 

Water productivity  is the ratio of the net benefits  from crop,  forestry,  fishery,  livestock and mixed 

agricultural systems to the amount of water used to produce those benefits (Molden et al. 2010). 

Higher water productivity reduces the need for additional land and water resources and thus critical 

in the face of growing water scarcity. With no gain in water productivity, Molden et al. (2007: 282) 

estimates  that  evapotranspiration  could  double  in  the  next  50  years  with  an  increase  in  food 

demand, but  it could be held  to 20‐30 percent  increase with adequate  investments and practices 

aimed at improving water productivity.   

 

There  is  substantial  variability  in  water  productivity  for  a  given  agricultural  product  including 

livestock because of differences  in harvest  index  (the  ratio of marketable grain yield  to  total crop 

biomass), climate conditions, cultivars, water stress, pest and diseases, nutritional and soil status, 

and other management and agronomic practices. The China Agricultural University recently reports 

that China produces 1–1.5 kilograms of wheat and corn per cubic metre of water, compared with 

Ethiopia's  0.1–0.2  kilograms,  India's  0.2–0.7  and  Kazakhstan's  0.2–0.37.  There  appears  to  be 

considerable  scope  for  raising  the  amount  of  yield.  The  harvest  index  for wheat  and maize,  for 

example, rose from about 0.35 before the 1960s to 0.5 in the 1980s (Sayre et al., 1997). The rate of 

increase  in  the harvest  index have  slowed down  and  some  argue  that much of  the potential  for 

increasing the harvest  index for common grains such as wheat, maize and rice was met during the 

green revolution (for example, Richards et al., 1993). Others, however, see some scope, especially in 

crops  that have not  received  so much  intensive  research  in  the past, such as  sorghum and millet 

(Bindraban, 1997; Bennett, 2003). Improvement  in plant genetics may also offer a breakthrough  in 

improving water productivity. [See 2‐6: Biotechnology] 

 

 

7 China's clever water use boosts food yields. (January 29, 2010). http://www.scidev.net/en/news/china-s-clever-water-use-boosts-food-yields.html

7

1-4 Fertilizer use and its impact on water 

Fertilisers and pesticides have played an important role in enhancing agricultural productivity. China 

is now the biggest user of fertilisers and pesticides and  its use of fertilizer accounted for about 35 

percent of  total global consumption8. The use of  fertilizer helped China  to  feed 22 percent of  the 

global population with only 7 percent of the world's land, but intensive and improper use has had a 

grave impact on the environment. Agriculture is now China’s biggest source of pollution. According 

to the recent census (Qiu, 2010), agriculture is responsible for 43.7 percent of the nation's chemical 

oxygen demand (the main measure of organic compounds in water), 67 percent of phosphorus and 

57 percent of nitrogen discharges in China9. In the UK, the cost of water pollution from agriculture is 

estimated  to  be  around  €345  million  in  2003/4  (OECD,  2008).  Nutrient  loading  from  fertilizers 

(nitrogen  and  phosphorus)  applied  to  irrigated  and  rainfed  areas  is  one  of  the most  important 

drivers of ecosystem change, resulting in eutrophication, hypoxia, and algal blooms.   

 

The present use of fertilizers in Sub‐Saharan Africa is only about 9 kg/ha of arable land, compared to 

a  world  average  of  101  kg/ha  (Camara  and  Heinemaan,  2006).  Increasing  the  use  of  mineral 

fertilizers could significantly raise crop production in Africa, and the Africa Fertilizer Summit 200610 

concluded  that  the use of  fertilizers  should be  increased  to a  level of at  least 50 kg/ha by 2015. 

However, a more recent study suggests that organic  farming could  lead to greater yield as well as 

better  environmental  outcome  than  fertilizer‐based  farming  practice  (UNEP/UNCTAD,  2008). 

Increasing  concerns  of  and  interests  in  food  safety  and  organic  products  could  help  accelerate 

uptake of organic farming [See 2‐5: Organic farming]. The fact that nitrogen fertilizer production  is 

tied  directly  to  natural  gas  is  another  reason  that  encourages  organic  farming  in  developing 

countries. Higher energy price means higher fertilizer prices, and therefore, agriculture dependent 

on fertilizer is vulnerable to fluctuation in energy prices.   

 

Nitrogen dependence also  raises  security  concerns  similar  to oil. The United States,  for example, 

consumes about 12 percent of the global synthetic nitrogen fertilizer, but as natural gas prices began 

rising, the domestic nitrogen fertilizer production went down and most of the fertilizer are imported. 

Using gasified coal as the energy source for nitrogen fertilizer  is  increasingly economically feasible, 

especially at high natural gas prices (Huang, 2009), but the nitrogen runoff comes from the synthetic 

fertilizer applied to farm fields, as well as the manure generated from the intensive livestock farming 

severely  damaged  river  and  marine  ecosystem,  leading  to  algal  blooms,  fish  kills,  habitat 

degradation, and bacteria proliferations that endanger human health11. Carefully controlling timing 

8 In 2007 alone, China used more than 50 million tonnes of chemical fertilisers, yet crops can only absorb about 25 percent to 35 percent of this, according to Greenpeace China. http://www.greenpeace.org/china/en/campaigns/food-and-agriculture 9 Negative environmental impacts go far beyond waterways. Approximately 100 million tons of coal are used annually to produce nitrogen fertilizer in China, and the amount is increasing by about 10 percent each year. 10 Africa Fertilizer Summit official website: http://www.ifad.org/events/fertilizer/index.htm 11 In addition, fertilizer runoff contributes to the expansion of a “dead zone” in the Ocean. In the US alone,

8

of  the application of  fertiliser will help mitigate  the negative  impacts without reducing  the yields. 

Precision  farming will  help  optimize  the  use  of  fertilizer  as  it  allows  farmers  to  vary  the  rate  of 

fertilizer across the  field according to the need. Also, seeds engineered  for nitrogen‐use efficiency 

could  significantly  reduce  the  fertilizer  needs,  contributing  to  lower  food  price  and  better 

environmental outcome. [See 2‐6‐1: GM food] 

 

1-5 Subsidies   

Agricultural  subsidies  in  developed  and  developing  countries  alike,  can  take many  forms,  but  a 

common  feature  is an economic transfer, often  in direct cash form,  from governments to farmers. 

These  transfers may  aim  to  reduce  the  costs  of  production  in  the  form  of  an  input  subsidy,  for 

example,  for  inorganic  fertilizers or pesticides, or  to make up  the  difference  between  the  actual 

market price  for  farm output and a higher guaranteed price. Subsidies  shield  sectors or products 

from  international  competition,  but  by  artificially  reducing  the  costs  of  production,  agricultural 

subsidies encourage wasteful use of resources including water and also encourage over‐production. 

Subsidies to irrigation water, in the form of less than full‐cost recovery pricing, encourage overuse of 

scarce water, and hence, accelerating water logging and soil salinisation.   

 

Similarly, energy subsidies in many developing countries help farmers to pump groundwater at very 

low cost. Because energy subsidies hide the true cost of water, farmers face little direct incentive to 

conserve water,  and hence,  leading  to  its overuse.  Subsidies are often  linked  to  a  low uptake of 

more efficient technologies and poor maintenance of irrigation infrastructure. Such subsidies often 

pose  significant  fiscal  burden  to  Governments  and  removing  or  reducing  them  would  lead  to 

decreases  in water use as well as economic cost saving. However, such decisions must be weighed 

against  the  reduced  output  in  crops  and  the  corresponding  reduction  in  economic  activity.  For 

example, Bhatia (2007) estimates that if some regions of India were to remove energy subsidies, the 

demand  for  water  would  decrease  by  almost  a  third,  but  it  would  also  reduce  the  total  crop 

production by 15 percent and thus will have significant impacts on farmer’s income and India’s food 

security.   

 

1-6 Waste water and urban agriculture   

Using waste water for agriculture can also reduce freshwater requirement for agriculture. Farmers in 

urban and peri‐urban areas of many developing countries actually have no other choice than using 

wastewater (Qadir et al., 2010)12. In some cases, they even use undiluted wastewater as  it provide 

nutrients  or  is  more  reliable  and/or  cheaper  than  other  water  sources,  but  such  a  practice  Environmental Working Group (2006) found that more than 7.8 million pounds of fertilizer nitrate flow down the Mississippi River to the Gulf of Mexico every day when spring runoff pollution is at its highest. http://www.ewg.org/reports/deadzone 12 Worldwide, more than 800 million farmers are engaged in urban agriculture.

9

significantly harm human health and  the environment.  In particular,  in countries where  industrial 

effluent enters domestic waste water and natural streams, chemical contamination can be of great 

concern. The transfer of metallic iron from waste water to cow’s milk has been reported in the Musi 

River in India (Minhas and Samra, 2004).     

 

Proximity to urban markets is an important advantage in hot climates of many developing countries 

where refrigerated transport and storage are limited. Urban agriculture will have an important role 

in meeting urban populations’ growing demand  for  food, but  for  this  to occur without significant 

health  and  environmental  consequences,  improvement  in  wastewater  management  is  critical. 

Restricting productions of crops that are exposed to high contamination risk seems to help reduce 

the health risks of waste water agriculture.  In the Aleppo region of Syria, for example,  less than 7 

percent of the area under wastewater  irrigation  is cultivated with vegetables because government 

officials uproot  vegetables  found  to be growing  there  (Qadir et al., 2007: 440).  [See 2‐4: Vertical 

farming in urban cities] 

 

1-7 Crops damage, loss and waste in production and logistics     

Food  losses  in the  field between planting and harvesting could be as high as 20‐40 percent of the 

potential harvest  in developing countries due  to  factors  such as pests, pathogens and  the  lack of 

adequate  infrastructure.  First  of  all,  pre‐harvest  production  practices  may  seriously  affect 

post‐harvest returns in quality and quantity and result in the rejection or downgrading of products 

at the time of sale (FAO, 1989). In addition to common pre‐harvest factors such as water supply, soil 

fertility and cultivation practices, the US National Research Council (1978) suggests that introduction 

of new plant  varieties  selected  for high  yields has  resulted  in greater post‐harvest  losses.13  Also, 

pre‐harvest sprouting (PHS), or precocious germination of grains, leads to a reduction in grain yield 

and viability of seed, resulting into significant economic losses (Fang and Chu, 2008). Li et al. (2009) 

have created an improved variety of wheat by discovering how to prevent this phenomenon which 

is estimated to destroy about 20 percent of all wheat in China annually14.   

 

Besides,  significant  losses  and  wastage  occur  in  food  processing,  whole  sale,  retail  and  in 

households and other parts of society (see Figure 2). Up to 50 percent of food produced in the US is 

wasted, while  a  third  of  food  purchased  in  the UK  is  never  eaten.  Lundqvist  et  al  (2008:  24‐25) 

estimate that food worth $48.3 billion is thrown away each year in the United States alone.   

13 Traditional grain varieties, having survived storage for use in subsequent planting, might be well adapted to both the growing environment and post-harvest handling. Thus their characteristics may include lower moisture content in ripe grain which means they would dry more readily, and thicker seed coat would be harder for rodents and insects to penetrate. In contrast, new varieties are not as well adapted to the post-harvest conditions as traditional varieties. The US National Research Council (1978) said this issue should be a consideration both in selecting high-yielding varieties and in providing for their post-harvest treatment. 14 Engineered wheat thwarts pre-harvest sprouting (May 12, 2009). http://nature.berkeley.edu/blogs/news/2009/05/preharvest_sprouting.php

10

 

Figure  2:  Estimates  of  the  amount  of  food  produced  globally  at  field  level  and  estimates  of  the 

losses, conversions and wastage in the food chain   

 Source: Lundqvist et al., 2008 

 

Reducing waste enhances food security as well as helps protect the environment. Some 30 million 

tonnes of  fish are currently discarded at  sea every year. This could alone  sustain more  than a 50 

percent increase in fish farming and aquaculture production, which is needed to maintain per capita 

fish  consumption  at  current  levels  by  2050 without  increasing  pressure  on  an  already  stressed 

marine environment (UNEP 2009). By reducing the amount of food that is wasted will boost water 

supply and land available for agriculture and other use. [See 2‐1: Climate Change] 

 

1-8 Precision farming 

Precision farming refers to the use of information technology to monitor crops and field conditions 

and guide  the application of seeds and agricultural chemicals. Using  real‐time kinematic GPS,  the 

tractor can drive  itself with an accuracy of 2cm – better  than  the most skilled human operator – 

avoiding  overlapping  applications  of  seeds  as  well  as  saving  fuel.  Or,  by  using  satellite  data  to 

determine soil conditions and plant development, precision farming can lower the production cost 

by fine‐tuning seeding, fertilizer, chemical and water use, and potentially increasing production and 

lower costs. UK precision  farming company SOYL15,  for example, uses GPS  technologies  to obtain 

detailed soil nutrient information, which in turn, help farmers to make better‐informed decisions in 

terms of the amount of fertilisers and the timing to apply.. A recent study by the UK Agriculture and 

Horticulture  Development  Board  estimated  that  the  net  benefit  over  cost16  of  investing  in  a 

precision  farming system on a  typical arable  farm was about £6 a hectare on a 300‐hectare  farm, 

15 SOYL Precision Farming, http://www.soyl.co.uk/index.htm 16 Precision farming equipment is not expensive compared with top-line agricultural machinery – adding somewhat $20,000, or 10%, to the cost of a fully equipped new tractor.

11

£10 a hectare on a 500‐hectare farm and £19 a hectare on a 750‐hectare farm (Knight, 2009).   

 

A different approach of precision  farming  includes  improving crop productivity  through chemicals 

that enable crops to make more efficient use of nutrients and reduce the stress on the plants and 

pollution. Plant  Impact17, another UK company  in this  field, uses nitrogen as an amine  (a nitrogen 

compound) so that waste and pollution through leaching into the soil will be reduced. In the US and 

UK,  precision  farming  is  already  used  on  up  to  half  of  large  arable  farms. Adoption  of  precision 

farming  in developing countries  is still  in  infancy, but studies suggest the benefits both for farmers 

and the environment.   

 

1-9 Aquaculture 

China dominates  the market of aquaculture with 90 percent of  fish  food production coming  from 

aquaculture in 2006 (FAO, 2008: 17). Aquaculture accounted for 47 percent of the world’s fish food 

supply (both animals and plants) in 2006, but the figure excluding China was 24 percent (see Figure 

3).  The maximum  wild  capture  fisheries  potential  from  the  world’s  oceans  has  probably  been 

reached  (ibid, 7).  In addition,  the UNEP  (2010a) warns  that 30% of  fish  stocks have already been 

collapsed (i.e. less than 10% of their former potential yield) and virtually all fisheries risk running out 

of commercially viable by 205018. With an annual growth rate of 6.9 percent from 1970 to 200619, 

aquaculture continues to be the fastest growing animal food‐producing sector, and its importance as 

a means of sustaining global food security  is  likely to  increase  in the face of continued population 

growth and the imminent collapse of the global fish stocks.   

 

However,  effluent  from  fish  pens  including  antibiotics  will  pollute  the  surrounding  waters,  and 

escaped  fish  can  transmit  diseases  to  wild  stocks  and  disturb  local  marine  and  freshwater 

ecosystems.  Also,  the  use  of  wild  fish  such  as  Peruvian  anchoveta  to  feed  more  marketable 

carnivorous  fish  indicates  that  aquaculture  could  actually  negatively  affect  the wild  fish  stocks20. 

Improved technology and practices lower the environmental footprint of aquaculture, and in some 

cases, it is reported that aquaculture could have positive impacts on the environment. 

 

17 Plant Impact, http://www.plantimpact.net/ 18 The UNEP (2010b) also warned that overexploitation, pollution, and rising temperatures threaten 63% of the world’s assessed fisheries stocks. 19 During the same period, per capita supply from aquaculture increases from 0.7 kg to 7.8 kg (FAO, 2008). 20 According to WWF Swiss (2008), each pound of farmed salmon require up to 6 pounds of wild fish. Ozeane in Gefahr – Faktenblatt zum Thema Überfischung, http://assets.wwf.ch/downloads/2008_05_28_faktenblatt_fisch_d.pdf

12

Figure 3: Aquaculture production by region in 2006 

 Source: FAO (2008) 

 

 

Any increase and/or decrease of the temperature of the habitats would have a significant impact on 

the  rate  of  growth  and  thus  total  production,  reproduction,  seasonality  and  even  possibly 

reproductive  efficacy  (FAO,  2009:  169).  Therefore,  greater  temperature  variations  induced  by 

climate change will have an impact on spatial distribution of species specific aquaculture activities. 

At the same time, aquaculture may provide adaptation possibilities for other sectors, for example, 

where coastal agriculture becomes non‐viable due to sea level rise.   

 

1-10 Deforestation 

The worldwide pace of deforestation has slowed down for the first time on record (FAO, 2010a). On 

a  total  forest area of  four billion hectares, 13 million hectares of  forests were converted  to other 

uses or lost through natural causes per year between 2000 and 2010, down from around 16 million 

in the 1990‐2000 period21. However, the rate of deforestation is still very high in many countries and 

the area of primary forest continues to decrease. The highest annual losses over 2000‐2010 period 

tool  place  in  South  America, which  lost  four million  hectares,  and Africa, which  lost  3.4 million 

hectares. In these regions, conversion of forests to agricultural land and pastures is a major cause of 

deforestation and land degradation22. In addition, tendencies to focus on a few types of cash crops 

such  as  soybeans,  coffee  and  cacao  have  several  problems  besides  the  loss  of  forest.  First, 

monoculture  makes  the  crop  highly  vulnerable  to  disease  and  pests.  Second,  the  planting  of 

monocultures  can  be  economically  risky with  the  price  fluctuations  so  common  in  international 

commodities markets. Additionally, a single cold spell or drought can devastate a tremendous part 

21 The net loss of forest area (after reforestation is taken into account) was reduced to 5.2 million hectares per year between 2000 and 2010, down from 8.3 million hectares annually in the 1990s. 22 Once nutrients locked up in vegetation and plants (released by slash and burn technique) dry up, copious amounts of fertilizer are required to keep agriculture viable or the area is reverted to cattle pasture.

13

of  the agricultural economy. Nevertheless,  such practices appear  to  continue particularly  in  Latin 

America. Soybeans have become one of the Brazil's most important crops in the Amazon, as well as 

in  the  nearby  cerrado  grassland  ecosystem.  Since  1998,  Brazil  has  added  30  million  acres  of 

soybeans  and  it  will  likely  soon  supplant  the  United  States  as  the  world's  leading  exporter  of 

soybeans, at the expense of the forests and savannas of the Amazon basin. 

 

Deforestation  and  forest  degradation  are major  causes  of  greenhouse  gas  emissions23.  Reducing 

Emissions from Deforestation and Forest Degradation (REDD) is an effort to create a financial value 

for the carbon stored in forests, creating greater incentives to reduce emissions from forested lands. 

It  is predicted that  financial  flows associated with REDD could reach up to US$30 billion a year.  In 

addition,  maintaining  forest  ecosystems  can  provide  a  number  of  benefits  beyond  emission 

reductions  (REDD  plus) which  contribute  to  poverty  reduction  improvements  in  local  livelihood 

through improved ecosystem services.   

 

1-11 Food security 

FAO  announced  that  the  number  of world  hungry  is  projected  to  reach  a  historic  high  of  1,020 

million  people  in  200924  and  that  33  countries  are  currently  in  emergency  situation  requiring 

external assistance25. By far the most important driver in water use during the coming decades will 

be the increase and changes in global food demand due to population growth and changes in diet. 

Population growth to 8.3 billion by 2030 will  increase food and energy demand by 50 percent and 

fresh water by 30 percent26. Feeding another 2.3 billion people by 2050 and at the same time limit 

the environmental  impact of the farm sector  is a huge challenge27  and how this need will be met 

will have huge  implications on  the  future of water. The World  Summit on  Food  Security  in 2009 

adopted  a  declaration  to  renew  efforts  to  halve  hunger  by  2015  and  improve  international 

coordination  and  governance  for  food  security.28  The  challenge  is  that  it  has  to  be  done while 

climate  change  and  other  environmental  degradation  undermine  agricultural  productivity  and 

potentially negate the progress that has been made to date. UNEP (2009) warns that 25 percent of 

the world’s  food  production might  be  lost  by  2050  due  to  environmental  breakdown.  [See  2‐1: 

Climate Change]    23 The IPCC, using 1980s and 1990s-era forest surveys and satellite data, previously estimated emissions from deforestation and forest degradation at around 17% of total anthropogenic carbon dioxide. The new study, based on updated forest cover data puts the figure at 12%, although the authors, led by Guido van der Werf of Vrije Universiteit in Amsterdam, note that the percentage is highly variable on a year-to-year basis. 24 http://www.fao.org/news/story/en/item/20568/icode/ 25 Of those 33, 21 are in Africa. FAO Crop Prospects and Food Situation No.1 (February 2010) 26 Statement of John Beddington, chair of UK Cabinet Office task force to address food security, at the Sustainable Development UK 09 conference. http://www.wessex.ac.uk/09-conferences/sustainable-development-2009.html 27 The experts’ views seem to be mixed. In a straw poll of the experts on whether the world will be able to feed its population in 40 years, 73 said yes, 49 said no and 15 abstained. Experts Worry as Population and Hunger Grow (October 21, 2009). http://www.nytimes.com/2009/10/22/world/22food.html?_r=3 28 Declaration of the World Summit on Food Security (November 2009) http://www.fao.org/fileadmin/templates/wsfs/Summit/Docs/Final_Declaration/WSFS09_Declaration.pdf

14

 

Several  food‐importing  countries  including  China,  South  Korea,  Saudi  Arabia,  and  the UAE,  have 

started buying or leasing land in developing countries, particularly in Sub‐saharan Africa to improve 

their  food security. Some 2.5 million hectares  (about 20 percent of all EU  farmland)  in developing 

countries  have  been  subject  to  transactions  or  talks  involving  foreigners  since  2004,  in  deals 

estimated to worth $20 billion‐$30 billion (Braun and Meinzen‐Dick, 2009). Some of these countries 

are  recipients  of  food  aid,  and  the  so‐called  ‘land  grab’  is  provoking  a  debate  on  ethical  issues 

relating to food and water security.   

 

1-12 International trade 

Productivity  in  terms of  economic  value per drop  can be enhanced by  switching  to higher  value 

crops  (but  could  undermine  food  security).  In  countries  stretching  over  many  climatic  zones, 

switching  crop production  from  regions with  lower water productivity  to  regions most  suited  for 

agriculture could  reduce  the demand  for water. Given a major geographical difference within  the 

country, for example, China may benefit by concentrating multi‐cropping in the water‐rich southern 

region.   

 

In addition, global gains  in water productivity  can be achieved by growing  crops  in places where 

climate and management practices enable high water productivity and trading them to places with 

lower water productivity. This  is commonly referred to as virtual water trade. In 1995, global trade 

from  high water  productivity  areas  to  low  water  productivity  areas  resulted  in  an  estimated  7 

percent  less evapotranspiration and 15 percent  less depletion of  irrigation water than would have 

been required to grow the same amount of crops without trade (de Fraiture et al., 2004). Increasing 

concerns of climate change and energy consumption during the transport may hamper the growth 

of virtual water trade. Similarly, food exporting countries, particularly  in developing countries, may 

become more reluctant to export crops if domestic food security deteriorates29.   

 

1-13 Increase in trade‐offs between agriculture, key industrial activities, and large and growing 

urban centres 

Lands available for food production may be swallowed up by urban sprawl, biofuels, cotton and land 

degradation by 8‐20 per cent by 2050, and yields may become depressed by 5‐25 percent due  to 

pests, water  scarcity and  land degradation  (UNEP, 2009). An  increasing number of  countries now 

have targets to  increase production and consumption of biofuels such as the EU target of sourcing 

10 percent of  its transport fuel from renewable sources30. However, ActionAid (2010) warns that if 

29 For example, India and Indonesia blocked rice exports to guarantee domestic supplies remain affordable during the food crisis in 2008. 30 The EU's Renewable Energies Directive mandates a 10% share of renewable energies (including solar and wind) in

15

all global biofuels targets are met, food prices could rise by an additional 76 percent by 2020 and 

force an extra 600 million people  into hunger. Development of second generation biofuels that do 

not  compete with  food production  is  key  to  avoid  the  zero‐sum  competition  for  land  and water 

between food and biofuels. Similarly, using waste water or salt water could increase the amount of 

water available for other uses. [see 2‐2: Biofuels and 2‐8: Seawater/ saltwater agriculture] 

 

Integrated Water  Resources Management  (IWRM)  is  “the  process  of  promoting  the  coordinated 

development  and management  of water,  land  and  related  resources,  in  order  to maximize  the 

resultant  economic  and  social  welfare  in  an  equitable  manner  without  compromising  the 

sustainability of vital ecosystems31.”  IWRM has been advocated as a modern and holistic approach 

that will help balance  competing demands  for water  and ensure  long‐term  sustainability. Only 6 

countries claim to have fully implemented national IWRM plans32, but interests are growing both in 

developed  and developing  countries.  In  addition,  transboundary  application of  IWRM  could help 

optimise  the  water  use  beyond  national  borders  with  significant  environmental  benefits.  For 

example,  the  German‐Vietnamese  joint  R&D  project,  “Integrated Water  Resources Management 

Vietnam” is developing a Planning and Decision Support System (DSS) on a regional scale (Mekong 

Delta)33. The DSS includes methods for the aggregated evaluation of water demand and use, water 

resources and contamination potential. These components are evaluated and aggregated into maps 

and  reports.  Creating  financial  value  to  environmental  services,  such  as  biodiversity  and  the 

maintenance and control of water flows, will also help improve the quality of water management in 

agriculture34.  Last  year,  EU  farm  ministers  first  debated  the  concept  of  making  public  goods 

(including environmental public goods) the main focus of agricultural payments after 201335. Also, a 

recent  EC‐commission  report  (Cooper,  Hart  and  Baldock,  2010)  called  for  budget  increases  and 

stricter  compliance measures  for  the  EU's  Common  Agricultural  Policy  (CAP)  which  would  help 

farmers to deliver "green public goods and services." 

 

2. List the possible developments that may have a major influence on the driver to 2050 

2-1 Climate Change 

Changes will cause yield and productivity decline for the most important crops. In addition to direct 

impacts on water availability, higher temperatures  increase the water requirements of crops while  transport fuels by 2020. Unless ectric cars and second-generation biofuels produced from waste and non-food crops will be widely available by 2020, a large chunk of the requirements will need to be met by conventional biofuels. 31 Definition by Global Water Partnership, http://www.gwpforum.org 32 2008 Survey by UN Water. A further 10 countries claim to have plans in place and partially implemented. Status report on Integrated Water Resources Management and Water Efficiency Plans (2008) 33 Design and Implementation of IWRM in Vietnam Examples of Climate and Land Use Changes, http://www.glowa.org/de/konferenz_potsdam/dokumente/poster_elbe/rub_Stolpe.pdf 34 The ‘Economics of Ecosystems and Biodiversity’ (TEEB) study estimates the losses caused by the decimation of fauna and flora at up to five billion euros per year. 35 Ministers mull farm policies as 'public good' (June 3, 2009) http://www.euractiv.com/en/cap/ministers-mull-farm-policies-public-good/article-182787

16

encouraging weed and pest proliferation. Climate change will have varying effects across  regions, 

but  South  Asia  will  be  particularly  hard  hit36.  Climate  change  will  result  in  price  increases  for 

important agricultural crops. Also, higher feed prices will result  in higher meat prices, reducing the 

growth  in meat  consumption  slightly and  causing a more  substantial  fall  in  cereals  consumption. 

IFPRI (2009: 10) projects that calorie availability in 2050 under climate change will not only be lower 

than  in  the  no–climate‐change  scenario,  but  it  will  actually  decline  relative  to  2000  levels 

throughout  the developing world,  and  as  a  result,  child malnutrition will  increase by 20 percent 

relative to a world with no climate change which eliminates much of the improvements that would 

occur  without  climate  change.  The  same  study  (ibid:  16)  estimates  that  aggressive  agricultural 

productivity  investments of US$7.1–7.3 billion are needed to raise calorie consumption enough to 

offset the negative impacts of climate change on the health and well‐being of children.   

 

Up  to  25  per  cent  of  the  worlds  food  production  may  become  lost  due  to  'environmental 

breakdowns'  by  2050  unless  action  is  taken  (UNEP,  2009).  Speaking  at  the High  Level  Forum  on 

“How to Feed the World 205037”, FAO Director‐General Jacques Diouf noted the varying impacts of 

climate change could lead to a 30 percent reduction in agricultural output in Africa and a 21 percent 

reduction  in  Asia.  Colin  Chartres,  Director  General  of  the  Consultative  Group  on  International 

Agricultural Research  (CIGAR) warned  that  countries depending on  snowmelt  could expect water 

levels  to  drop  by  up  to  30  percent  and  US$270  billion  investment  in  drinking  and  irrigation 

infrastructure in Sub‐Saharan Africa and India will be needed38.   

 

Given  that  rising sea  levels due  to climate change are/will  increasingly  inundate coastal acquifers 

with  seawater,  seawater/saltwater  agriculture  should  merit  serious  attention  (See  2‐8 

Seawatewr/saltwater agriculture). Studies suggest potential of seawater/saltwater agriculture as a 

means  of  climate  change mitigation  and  adaptation  (for  example, Glenn  et  al.,  1992).  An  initial 

experiment that utilizes seawater agriculture as a means of climate change mitigation  is underway 

in Eritrea on the horn of Africa  (Sato et al  , 1998)39. However, there are some  indications that,  for 

North Africa, greatly  increased vegetation cover could affect continent‐scale atmospheric motions. 

Therefore,  serious predictive  computations  and model  studies  should be undertaken previous  to 

any  large  irrigation efforts  in the region to ensure that this form of “Terra Forming” will not cause 

adverse unintended consequences. 

 

36 Cline (2007) notes that there might be some initial overall benefit to warming for a decade or two because productivity may increase in a minority of mostly northern countries. The global impact of climate change on agriculture, however, will be negative by the second half of this century. 37 "How to Feed the World in 2050" High Level Experts Forum (12-13 November 2009) http://www.fao.org/wsfs/forum2050/wsfs-forum/en/ 38 Press Conference on Key Issues Relating to Climate Change, Sustainable Development (November 6 2009), http://www.un.org/News/briefings/docs/2009/091106_Climate_Change.doc.htm 39 The Manzanar Project (Sato et al, 1998) combines seawater aquaculture and direct seawater irrigation of Mangrove trees for timber and animal fodder.

17

2-2   Biofuels 

An ethanol boom  in Brazil would double  the demand  for water  for agriculture  in São Paulo state, 

and  increase  the  size  of  the  state’s  supply‐demand  gap  from  2.6  to  6.7  billion m3  (2030 World 

Resources Group, 2009: 17). The sustainability of many first‐generation biofuels that are produced 

primarily  from  food  crops  such  as  grains,  sugar  cane  and  vegetable  oils  has  been  increasingly 

questioned. More  efficient  second‐generation  biofuels  could  also  become  unsustainable  if  they 

compete with  food  crops  for  available  land.  Therefore, promotion  of  second  generation biofuels 

based on  residues/wastes or grown  in saltwater appears  to be most promising. Assuming  that 25 

percent    of    global    forestry and agricultural residues    are converted    to    either    LC‐Ethanol,   

BTL‐diesel    or    Bio‐SNG,  the  International  Energy  Agency  estimates  that  second‐generation 

biofuels can meet up to 14.8 percent of the projected transport fuel demand in 2030 (IEA, 2010: 10). 

Exxon Mobil Corp. announced that  it will  invest $600 million  in algae‐based biofuels. Collaborating 

with a biotech company Synthetic Genomics Inc., Exxon is to research and develop next‐generation 

biofuels produced  from sunlight, water and waste CO2 by photosynthetic pond scum. Algae‐based 

biofuels, according to Exxon, could yield more than 2,000 gallons of fuel per acre of production each 

year, compared with 650 gallons for palm trees and 450 gallons for sugar canes40. Algal fuel does not 

compete with  food. Algae  farm can go vertical and  since algae can grow  in  salt water  (as well as 

freshwater), it could save land and freshwater for other uses. 

 

2-3 Livestock and potential of in‐vitro meat 

Global meat production is projected to more than double from 229 million tonnes in 1999/01 to 465 

million tonnes in 2050 with the bulk of growth occuring in developing countries (FAO, 2006). Today, 

grazing occupies 26 percent of  the Earth’s  ice‐free  terrestrial  surface, while  feed  crop production 

requires about a third of all arable land. In total, livestock production accounts for 70 percent of all 

agricultural  land and 30 percent of  the  land  surface of  the planet with  significant environmental 

impacts.  In terms of water consumption, the  livestock sector accounts for over 8 percent of global 

human  water  use, mostly  for  the  irrigation  of  feed  crops.  Satisfying  the  growing  demand with 

conventional livestock production is clearly unsustainable. 

 

One potential solution is to exploit modern biotechnology and process technology to produce meat 

from normal muscle progenitor cells in bioreactors at an industrial scale. This so‐called in‐vitro meat 

could free up huge areas of land for other purposes while at the same time offers economic, ethical, 

environmental and health benefits. Water pollution due to livestock, ranging from animal wastes to 

40 Exxon to Invest Millions to Make Fuel From Algae (July 13, 2009), http://www.nytimes.com/2009/07/14/business/energy-environment/14fuel.html. Another biotech company, Joule Biotech, is developing even more efficient engineered bugs that that can produce fuels 15,000 gallons of diesel per acre annually, at costs as low as $30 per barrel equivalent. Its pilot plant operations will begin with ethanol in 2010, with commercial development to start in 2012. http://www.jouleunlimited.com/about/overview

18

hormones and chemicals to  fertilizers  for  feed crops, contributes to eutrophication, dead zones  in 

coastal areas, degradation of coral reefs. Livestock production is a major cause of deforestation. The 

world’s  1.5 billion  livestock  are  responsible  for  about  20 percent of  greenhouse  gas  emissions41. 

Since  in‐vitro meat will  be  100  percent muscle,  it  could  also  be  an  efficient  solution  to  address 

starvation  and  kwashiorkor.  It  also  reduces  the  risk  of  animal  induced  diseases.  A  number  of 

vegetarian groups support the development of  in‐vitro meat42. People for the Ethical Treatment of 

Animals  (PETA),  an  animal  rights  group,  offer  USD1 million  prize  to  anyone  who  can market  a 

competitive in‐vitro meat by 201243. Jason Matheny of New Harvest said in‐vitro meat might be on 

the market within the next few years, while Mark Post, a biologist at Maastricht University involved 

in the In‐vitro Meat Consortium, said it could take about a decade. 

 

2-4   Vertical farming in urban cities     

With the growing concerns of food miles (the distance food has to travel from source to consumer), 

urban  agriculture  could  flourish  in  both  developed  and  developing  countries44  (while  negatively 

affect  the  global  food  trade).  Also,  possibility  of  suspension  or  rationing  of  food  export  due  to 

domestic food shortage would provide strong incentive for food importing countries to expand local 

food production45.  In many urban cities, food and biofuels production can go vertical and dirt‐free 

by building multi‐level greenhouses  that utilizes hydroponics. Because  there  is no  soil  involved  in 

hydroponics, there are very few potential contaminants to the crops. Pest problems (and the need 

of  pesticide)  are  reduced  and  so  are  all  soil  borne  diseases.  Plants  are  therefore  healthier  and, 

because their roots are visible and their environment is easy to control, they can always be studied 

so that these growing methods can be improved. Hydroponic techniques have already been used to 

produce food in some of the most inhospitable parts of the planet46, but vertical hydroponic farms 

would  not  only  revolutionize  and  improve  urban  life  but  revitalize  land  that  was  damaged  by 

traditional farming. For every indoor acre farmed, some 10 to 20 outdoor acres of farmland could be 

allowed to return to their original ecological state or to be used for other purposes47. Vertical farms 

would  bring  a  great  concentration  of  plants  into  cities.  As many  cities  try  to  go  green,  vertical 

41 Various studies suggest livestock contributes to between 15% and 24% of total current greenhouse gas emissions, although Goodland and Anhang (2009) reports that the figure is as high as 51%. 42 Groups include VEBU (Vegetarian Federation of Germany), EVA (Ethical Vegetarian Alternative of Belgium, and the Duch Vegetarian Society). 43 A study by the In Vitro Meat Consortium (2008) noted that it should be possible to produce in vitro meat in large quantities for less than Euro 3300-3500 per tonne. This compares with the unsubsidised production of chicken meat at around Euro 1800 per tonne. 44 Local production is not always more energy-efficient compared with imported food. A 2005 report by UK DEFRA indicated that tomatoes imported from Spain by lorry than is more energy efficient than tomatoes grown in a heated greenhouse in the UK. Lettuce grown out of season in the UK also compared unfavourably with Spanish salad when total carbon emissions were measured. 45 Many countries falling in this category have few options but explore production in urban areas. 46 Hydroponic fed the US military personnel stationed in Wake Island in the Pacific during the Second World War. More recently, it feeds hundreds of scientists and researchers at the McMurdo station in Antarctica. 47 A Farm on Every Floor (August 23, 2009), http://www.nytimes.com/2009/08/24/opinion/24Despommier.html?_r=2

19

farming may  become  “fashionable.”  In  2008,  Las  Vegas  announced  it will  build  the world's  first 

vertical farm with the capacity to feed 72,000 people for a year48. A combination of vertical farms 

and  in‐vitro meat  factories may  help  feed  increasing  urban  population while  at  the  same  time 

lowering energy requirement for transporting foods.   

 

2-5   Organic farming 

Organic farming refers to an attempt to create a viable agricultural system that relies to the greatest 

extent  on  i)  local  or  on‐farm  renewable  resources  and  ii)  the  management  of  ecological  and 

biological processes. As of 2008, 35 million ha of agricultural land are managed organically by more 

than 1.4 million producers, including smallholders and the area is increasingly rapidly (IFOAM 2010). 

The organic  land area  increased by almost 1.5 million ha compared to the data  from 2006. About 

one  third  of  the  world’s  organically managed  land  –  almost  12 million  hectares  ‐  is  located  in 

developing  countries,  and  almost  half  of  the  world’s  organic  producers  are  in  Africa.  Adopting 

organic practices help protecting soils and enhance  their  fertility,  improving  long‐term viability of 

agriculture. And studies suggest that the organic and  low‐input systems have yields comparable to 

the conventional systems  49. Also, new plant varieties and better knowledge on how to manipulate 

biological processes within agricultural systems help  improve productivity of organic farming (FAO, 

1998). 

 

While organic  food accounts  for only 1–2 percent of  total  food sales worldwide,  the organic  food 

market is growing rapidly in both developed and developing nations. The world organic market has 

been  growing  by  20  percent  a  year  since  the  early  1990s.  The  global  sales  jumped  from US$23 

billion  in  2002  to  $52  billion  in  200850.  Removing  subsidies  on  inputs  such  as  fertilizers  and 

pesticides will increase financial incentive of adopting organic practices. Providing financial incentive 

to farming practices that preserves water flows and other ecosystem services through, for example, 

Payment for Ecosystem Services (PES) could boost more environmentally friendly farming practice51. 

Strong domestic demand for organic food is likely to support the growth of organic farming in OECD 

countries.  In  developing  countries,  reducing  the  costs  of  becoming  a  certified  organic  producer 

(which  is essential  for exports of organic products to developed countries) will help the uptake of 

organic practice among small‐scale farmers.           

48 The project is estimated to cost $200. Once operational, the farm could potentially make up to $25 million a year, plus $15 million in potential tourist revenue. Operating costs are projected to be $5 million. 49 A UNCTAD/UNEP study (2008) found that organic practices outperformed traditional methods and chemical-intensive conventional farming and also found strong environmental benefits such as improved soil fertility, better retention of water and resistance to drought. Werf (1993) found that the median yields over two years were higher on organic farms for 4 out of the 5 crops. Some of these were considerably higher (such as 54% for paddy rice), while the median for finger millet, the only crop with lower yields, was 7% lower on organic farms. 50 Datamonitor (2009). Food: Global Industry Guide, http://www.researchandmarkets.com/research/18f9c2/food_global_indus 51 For example, see Proposals for the future CAP (January 2010) by Birdlife International and European Landowners’ Organisation. http://www.cla.org.uk/policy_docs/ELO_Birdlife_Joint_Paper.pdf

20

 

2-6 Biotechnology 

2-6-1   GM food 

Since Monsanto  launched  the world's  first Genetically Modified  (GM) crop  in 1996, more  than 25 

countries have taken to growing biotech crops,  including soybean, maize, tomato, squash, papaya, 

and  sugar  beet.  According  to  the  International  Service  for  the  Acquisition  of  Agri‐biotech 

Applications  (ISAAA),  an  industry  lobby  group,  14 million  farmers  grew  134 million  hectares  of 

'transgenic' produce  in 2009, a 7 percent  rise  from 2008. However,  the use of GM  ingredients  in 

food  products  remains  highly  controversial.  Consumer  attitudes  toward  GM  food  products  are 

largely  negative  in  many  of  the  developed  countries  in  the  European  Union  as  well  as  Japan. 

Consumer  skepticism  in  these  countries  is usually  attributed  to  the unknown  environmental  and 

health consequences, such as tendencies to provoke allergic reaction, gene transfer and outcrossing. 

Studies  in  Europe  and  Japan  provide  strong  evidence  that  consumers  are willing  to  take  on  the 

unknown  risks  of  consuming  genetically  modified  foods  only  if  these  products  are  offered  at 

significant  cost  savings over non‐GM  foods. On  the other hand,  studies  in  the United  States  find 

consumers to be more accepting of genetically modified foods52.   

 

While the US accounts for nearly half of GM acreage, China, India, Argentina and Brazil are catching 

up. Brazil is now the second biggest GM farmer, with a focus on soy and corn. Of the 14 million or so 

farmers  using  the  technology,  some  90  percent  live  in  developing  countries.  In November  2009, 

China approved a locally‐developed strain of GM rice, paving the way for large‐scale production in 2 

to 3 years53. Transgenic rice, developed by Huazhong Agricultural University, would help reduce the 

use of pesticide by 80 percent while raising yields by as much as 8 percent, said Huang Jikun, the 

chief  scientist with  the Chinese Academy of  Sciences. Given  that China  is  the world's  largest  rice 

producer and consumer, it could have significant impacts on the circulation of GM food in the global 

market54. Advocates of GM crops argue that the technology will help feed the world in the face of 

looming water and  food  shortage55  while critics argue  that  the benefits are overemphasised and 

52 One study conducted in Norway concluded that consumers in Norway were willing, on average, to purchase bread made with GM wheat only if it were offered at a 49.5% discount over non-GM bread (Grimsrud et al.,2003). Another study of consumer attitudes toward genetically modified foods in the United Kingdom, concluded that male shoppers were willing to pay an extra 26% to avoid animal and plant GM technology, whereas female shoppers were willing to pay an extra 49.3% (Burton, et al., 2001). McCluskey et al. (2003) found that Japanese consumers in their sample, on average, required a discount of greater than 50% for noodles made with GM ingredients relative to GM-free noodles. On the other hand, studies in the United States find consumers to be more accepting of GM foods. For example, a study by Lusk et al. (2001) found that 70% of their respondents were not willing to pay a premium for non-GM corn chips. A Canadian study found that consumers were willing to purchase genetically modified potatoes if offered at equal or slightly discounted prices (International Centre for Agricultural Science and Technology, 1995). 53 China makes 'landmark' GM food crop approval (December 17, 2009), http://www.scidev.net/en/news/china-makes-landmark-gm-food-crop-approval.html 54 GM rice has been produced in China before the official endorsement. In 2006 and 2007, European officials discovered an unauthorized variety of GM rice made in China in processed food exported to EU countries. 55 The ISAAA claims that about 224,000 tons of pesticide was saved during the decade from 1996 to 2006, thanks to the

21

the  risks  remain  unaddressed.  The  debate  about  GM’s  potential  contribution  to  food  security 

revolve around issues of access and control, especially the roles played by public and private sectors, 

and the effects of intellectual property rights (IPRs), in shaping the types of biotechnologies that are 

developed and how they are made available. Removing obstacles to the free flow of knowledge and 

technology, which are imposed by restrictive IPRs, may facilitate the efforts of scientists working to 

develop “pro‐poor” biotechnologies for farmers in the developing world. The Royal Society (2009) is 

calling  for  a  £2  billion  "Grand  Challenge"  research  programme  on  global  food  security  including 

investment  in genetically modified crops which  the Society says  the world needs both  to  increase 

food yields and minimize the environmental impact of farming. 

 

Other  non‐GM  innovations  in  agriculture  include  the  introduction  of  germplasm  from 

higher‐producing breeds through artificial insemination and crossbreeding to raise dairy cattle milk 

yields in Bangladesh (FAO, 2010b) and the use of DNA‐based methods to detect shrimp diseases in 

India  (FAO,  2010c).  Noting  that  overemphasis  on  GM  technologies  overshadows  other 

biotechnologies,  FAO  called  for  a  new  approach  to  agricultural  research  and  development 

supporting  the  wider  and  wiser  use  of  agricultural  biodiversity  to  promote  development  and 

improve food security56. 

 

2-7   Engineering photosynthesis process 

Plants  can  be  divided  into  three  categories,  C3,  C4  and  CAM  (Crassulacean  Acid Metabolism), 

depending on the way photosynthesis takes place (Edwards and Walker, 1983). C3 photosynthesis is 

the typical photosynthesis that most plants use. C4 and CAM photosynthesis are adaptations to arid 

conditions and both result in better water use efficiency. In addition, CAM plants can remain "idle" 

and save energy and water during harsh times. C4 plants can photosynthesize faster under the high 

heat and  light conditions  than C3 plants such as  rice57. Rice, with an annual harvest of 0.6 billion 

metric  tonnes,  is and will  continue  to be  the most  important  cereal  crop  for  feeding  the world's 

population  (IRRI,  2002).  Dr  Robert  Zeigler,  Director‐General  of  the  International  Rice  Research 

Institute estimates that a 50 percent increase in rice yield is needed by 2050 to keep pace with the 

world's population growth58. Conventional breeding programs will only be able to deliver only small 

increments  in  yield,  and  thus,  redesigning  rice  photosynthesis must  be  part  of  the  solution.  By 

expansion of GM crops. 56 Biotechnologies should benefit poor farmers in poor countries (March 1, 2010), http://www.fao.org/news/story/en/item/40390/icode/ 57 C4 plants, such as maize, are capable of concentrating CO2 at the Rubisco active site, and thus have many desirable agronomic traits, including high photosynthetic capacity and high mineral-use efficiency, especially under high light, high temperature, and drought conditions. The C3 plants such as rice, on the other hand, have lower photosynthetic efficiencies because of the O2 inhibition of photosynthesis and the associated photorespiration. 58. “Global demand for rice to increase 50% by 2050, says Zeigler” (June 25, 2005), http://www.financialexpress.com/news/Global%20demand%20for%20rice%20to%20increase%2050percent%20by%202050,%20says%20Zeigler%20/143891/

22

introducing the photosynthesis genes of maize into rice, researchers demonstrated that the new rice 

strains could boost photosynthesis and grain yield by up to 35 percent59. 

 

Research in this field, particularly a possibility of replicating the natural process of photosynthesis or 

“artificial photosynthesis” may help produce carbon‐neutral fuel as well as mitigate climate change. 

Artificial photosynthesis does not  require  arable  land  and  thus  does not  compete with  the  food 

production. The possibility of sequestrating CO2 directly from the air also offers an opportunity for 

net reduction of CO2. A team of researchers at MIT recently demonstrated a new way for artificial 

photosynthesis,  breaking water  down  into  hydrogen  and  oxygen,  by  using  a  virus  to  serve  as  a 

scaffold that attracts molecules of the catalyst  iridium oxide and a biological pigment  (Nam et al., 

2010). 

 

2-8 Seawater/ Saltwater agriculture   

In several parts of the world, people have utilized a class of plants termed “Halophytes” (salt‐plants) 

and brackish/saline water  for both  food and  fodder and  to  “reclaim”/“desalinate”  land  (Bushnell, 

2006). Using seawater for agriculture means that 97 percent of water on the planet is available for 

agriculture and precious fresh water can be used for other purposes. In addition, seawater contains 

a wide  variety  of  important minerals  and order of  80 percent  of  the  nutrients needed  for  plant 

growth. There are some 10,000 “natural” Halophyte Plants of which some 250 are potential “staple” 

crops,  and  genomic  and  biotechnology  research  is  ongoing  worldwide  to  enhance  the  overall 

productivity of Halophytes (idid). Over 100 halophyte plants are now in different stages of trials for 

commercial applications with nearly 20 countries are  involved60.  In particular, China has  reported 

Genomic versions of Tomatoes, Eggplant, pepper, wheat, rice and rapeseed grown on beaches using 

seawater (Bushnell, 2006).   

 

In  addition  to  salt‐tolerant  crops,  various  livestock  can  thrive on halophytes or  a  combination of 

halophytes and conventional  feed. Comparison of sheep  fed with halophyte  forage and sheep  fed 

Bermuda  grass  indicates  that  the  halophyte  diet  appears  to  have  contained  balanced  nutrients 

(Swingle, Glenn and  Squires, 1996). Cattle  fed a halophytic  grass  gained weight equally  to maize 

fodder fed controls (Khan and Ansari, 2008)61 

 

 

59 "Scientists achieve major breakthrough in rice; data to be shared with Worldwide research community", ISB News Report, May 2000 60 Much of this effort is assessable via the website for the International Center for Biosaline Agriculture in Dubai, UAE, at: www.biosaline.org. Other sources include Seawater Foundation (http://www.seawaterfoundation.org) and Seawater Greenhosue (http://www.seawatergreenhouse.com). 61 The most salt tolerant farm animal is the camel, followed by sheep, then cattle, followed by horses, and the least tolerant are pigs and chickens. Camels appear to be a promising source of meat in areas where halophytes irrigated with sea water can pasture large camel herds.

23

2-9 Brief discussion on wildcards 

Global pandemic  induced by  livestock – Pandemic  induced by  livestock  (e.g. mad  cow,  avian  and 

swine  flu)  kills millions  in  the world  and  forces  the world  to  replace  conventional  livestock with 

in‐vitro  meat.  “Real”  meat  becomes  luxury  goods  and  short‐term  economic  impacts  would  be 

negative, but in the long‐term, rapid uptake of in‐vitro meat may improve the water situation in the 

world. On the other hand, abuses of the technology (e.g. attempt to produce and eat human) may 

trigger serious public opposition, leading to international ban of the technology.   

Increases  in  food  prices  and  food  shortage  halt  global  food  trade  –  This  could  have  significant 

economic  and  security  consequences. Many  countries  not  suitable  for  agriculture may  have  to 

engage in food production, leading to lower water productivity. On the other hand, it will accelerate 

the adoption of urban/seawater agriculture in countries where conventional agriculture is not viable.   

Collapse of agriculture due to pest/ environmental breakdown – Over‐dependence on few selected 

crops  results  in  catastrophic  collapse  of  agricultural  output,  or  abrupt  climate  change  and  other 

environmental hazards significantly reduce yields/productivity. As a result, malnutrition and hunger 

significantly. Land owned/leased by foreign countries becomes a source of international conflict.   

3. Matrix of Possible Developments 

Possible developments 

What  might  make  this happen? 

When might  it happen? 

What determines when  it  will happen? 

What  would  be the  positive and/or  negative impacts  on  water resources  and their use? 

 

Who were  the principal sources of  information  with  regard  to this  development  (institution, individual and contact) 

The  causal  links between  the driver being  researched and  the  other  nine drivers,  classifying them  as  strongly important, somewhat important  or  not relevant” 

Climate Change  25% of global food production lost 

Per capita calorie availability  goes down  compared with 2000 

Child malnutrition increased by 20% 

 

  No  serious  efforts  in mitigation/adaptation 

Lack  of  funding  for adaptation in developing countries 

Impacts  of  climate change  greater  than expected 

 2050 

  Level  of international commitment to  address climate change

Amount  and speed  of funding  flow to  developing countries 

Speed/degree of  climate change  

  Increase  in drought/flood; less  water available  for agriculture   

Increase  in ground  water withdrawal  to compensate  the loss  of  surface water 

A  few  countries may experience productivity increase  due  to warmer climate 

 

  IPCC: www.ipcc.ch/    FAO: www.fao.org    IFPRI: www.ifpri.org/   (Gerald  Nelson: g.nelson@cgiar.org) 

 

 Strongly  important: Water  resources and  ecosystem; Technology; Economy  and Security; Infrastructure Somewhat important: Governance; Politics; Demography; Ethics,  society  and culture Not relevant: 

Biofuels   Biofuels production increasingly in 

  Policy favouring conventional  biofuels such as corn‐based 

 2020 

  Oil  and  gas prices 

National, 

  More  severe trade‐off between  food, 

  IEA: www.iea.org/    Dennis  Bushnell,  Chief Scientist,  NASA  Langley 

Strongly  important: Climate  change; Technology; Economy  and 

25

competition  with food 

ethanol continues  fuel  and  other uses   

Second generation biofuel successfully de‐couple  biofuel and land/freshwater 

 

Greater R&D incentive for next generation biofuels 

Life‐cycle  assessment for biofuel production and use 

2030 

sub‐national targets  of biofuels 

Subsidies  and other economic incentive to different  types of biofuels 

R&D   

Freshwater  can be  free  up  for other purposes 

Research Center dennis.m.bushnell@nasa.gov   

Lester Brown, President, The Earth Policy Institute +1(202) 496‐9290  

Security; Infrastructure Somewhat important:  Politics; Water  resources and  ecosystem; Ethics,  society  and culture Not  relevant: Demography; Governance ;   

Livestock  /in‐vitro meat 

Global  meat production  more than double 

  Continued  growth  in the South   

 2050 

  Rate  of economic growth 

Potential changes in dietary preference 

  More water/land consumed  for meat production, undermining food  security  of the poor 

Commercialisation of in‐vitro meat 

Significant  cost reduction  and  public acceptance   

2050  Quality  and safety  of  the products   

R&D 

Free  up  water for other uses 

  The In Vitro Meat Consortium: www.invitromeat.org/     

Jason Matheny New  Harvest  (in‐vitro meat)  / Future  of  Humanity  Institute, Oxford University jmatheny@jhsph.edu         

Strongly  important: Water  resources and  ecosystem; Economy  and Security;  Ethics, society and culture; Technology; Demography Somewhat important:  Climate change;; Politics   Not  relevant: Governance; Infrastructure   

Vertical farming in cities 

Local  production of  food/fuel  in urban cities 

 

Increased  concerns  of food miles, and food security,  (esp.  in  food importing countries)   

Preference to “greener” cities 

2030  Productivity  Costs  (Other revenue possibility  e.g. farm  as  a tourist attraction may 

Less  water pollution because  of  the limited  use  of pesticide     

Water  recycled over  time, 

Dickson Despommier Columbia University ddd1@columbia.edu       

Las  Vegas  City  (announced  a $200 project to build one )     

Strongly  important: Climate  change; Ethics,  society  and culture; Infrastructure Somewhat important:  Politics; 

26

help  the uptake  of  this option) 

 

leading  to greater efficiency  

 

Technology;   Water  resources and  ecosystem; Economic  and security; Demography Not  relevant: Governance 

Organic farming  Organic  farming more  productive than chemical‐based farming  

   

Greater  incentive  for environmentally friendly practices 

Fertilizer prices continue going up 

Expansion of the market of certified food  

2030  Concerns  for food safety 

Development of  more productive crop  varieties that  do  not require  much chemical inputs 

Public  willing to  pay premium  for organic products 

 

Less  water pollution because  of  the limited  use  of chemical input 

Enhanced ecosystem services 

Greater resilience to pest and weed   

FAO: www.fao.org    UNEP: www.unep.org/    UNCTAD: www.unctad.org/    The Organic Center:   www.organic‐center.org/   

Strongly  important: Water  resources and  ecosystem; Ethics,  society  and culture Somewhat important:  Climate change; Governance; Technology; Economy  and Security Not  relevant: Infrastructure; Demography; Politics 

GM/ Biotechnology   

GM  accepted globally  and improves  food security   

 

  Conventional crop varieties cannot keep up with growing demand 

GM safety verified   

 2050 

  The  level  of global  hunger/ malnutrition 

R&D  and changes  in public perception 

  Improved  water productivity  by using  more efficient engineered seeds 

 

  FAO: www.fao.org                WHO: www.who.int/    FDA: www.fda.gov/    The Royal Society: www.royalsociety.org/      

 

Strongly  important: Politics; Governance; Technology;  Ethics, society and culture Somewhat important:  Climate change;  Water 

27

towards  GM and biotechnology 

Backrush  against GM 

Evidence  showing GM’s toxicity found 

Control  of  seeds  by few  companies  with monopoly power 

 

2020‐2030    

resources  and ecosystem; Economy  and Security; Demography Not  relevant: Infrastructure;     

Photosynthesis    50% yield increase in some crops as a result  of enhanced photosynthesis 

Producing  food by artificial photosynthesis 

 

  R&D    Rapid  increases  in  the demand for liquid fuel  

 2050  

  R&D    

  Increase  in agricultural water productivity 

Potential net‐reduction  of CO2  (which protects hydrological cycle  and ecosystem)   

  FAO: www.fao.org    IFPRI: www.ifpri.org/    Angela Belcher, MIT   belcher@mit.edu 

 

Strongly  important: Climate  change; Technology Somewhat important:  Water resources  and ecosystem; Economy  and Security; Infrastructure; Demography Not  relevant: Governance;; Ethics,  society  and culture; Politics   

Seawater/ Saltwater   

Varieties  of Halophytes producing  food and  fuel  along coastlines  and/or using saline water   

  R&D  Limit/ban/moratorium on  biofuel  production that  competes  with food 

 2020‐30 

  Cost  and productivity  of halophytes plants 

Oil  and  gas prices  (higher prices  would 

  Freshwater  can be  used  for other purposes 

Large‐scale changes in vegetation  along coastline/   

  Dennis  Bushnell,  Chief Scientist,  NASA  Langley Research Center dennis.m.bushnell@nasa.gov   

The Seawater Foundation:   www.seawaterfoundation.org/

USDA: www.usda.gov/   

Strongly  important: Climate  change; Technology; Economy  and Security;  Water resources  and ecosystem Somewhat 

28

Halophytes  used to feed livestock 

  

accelerate  the use of   halophytes based fuels 

desert may have unintended consequences on  the hydrological   cycle   

important: Infrastructure; Politics;  Ethics, society and culture; Demography Not  relevant: Governance 

3-1 Note on causal links with other drivers 

Other drivers  Relevance  Brief description on causal links 

Water resources   

and ecosystem 

strongly 

important 

Irrigation and intensive use of fertilizer severely damage 

water resources and ecosystem; Adoption of more 

environmentally sound practice helps ensure 

sustainablity of the driver 

Climate change strongly 

important 

Climate change could significantly affect 

productivity/yields 

Governance   somewhat 

important 

Lack of sound governance (e.g. corruption, inconsistante 

enforcement of laws) tends to bias rural, subsistence 

farmers. 

Technology strongly 

important 

Biotechnology has significant potential to increase yield; 

ICT, remote sensing and other technology help improve 

efficiency. 

Economy and 

Security 

somewhat 

important 

GDP growth is associated with more meat consumption 

and more water‐intensive lifestyle, intensifying 

trade‐offs. 

Infrastructure strongly 

important 

Improvement in water storage critical for irrigation; 

better infrastructure will reduce food loss/waste during 

the transport.   

Demography strongly 

important Population increase means greater demand for food.   

Ethics, society   

and culture 

somewhat 

important 

Consumers' acceptance of GM food; preferences 

(organic, fair trade, vegetarian) affect water 

requirements for agriculture 

Politics somewhat 

important 

International aid to support agriculture in developing 

countries will be critical for reducing hunger/ improve 

water productivity 

 

 

30

References 

2030 Water  Resource Group.  2009.  Charting Our Water  Future  Economic  frameworks  to  inform 

decision‐making. 2030 Water Resources Group. 

ActionAid. 2010. Meals per gallon:  the  impact of  industrial biofuels on people and global hunger. 

Brussels: ActionAid. 

Bennett,  J.  2003. Opportunities  for  Increasing Water  Productivity  of  CGIAR  Crops  through  Plant 

Breeding  and  Molecular  Biology  In  J.W.  Kijne,  R.  Barker,  and  D.  Molden  (eds),  Water 

Productivity  in  Agriculture:  Limits  and  Opportunities  for  Improvement. Wallingford,  UK,  and 

Colombo: CABI Publishing and International Water Management Institute.   

Braun,  V.  J.  and  Meinzen‐Dick,  R.  2009.  “Land  Grabbing”  by  Foreign  Investors  in  Developing 

Countries:  Risks  and Opportunities.  IFPRI  Policy  Brief  13. Washington, DC:  The  International 

Food Policy Research Institute. 

Bhatia, R. 2007. Water and Energy Interactions, Handbook of Water Resources in India. Washignton, 

DC: The World Bank. 

Bhattarai, M.  and Narayanamoorthy, A.  2003.  Impact  of  Irrigation  on Rural  Poverty  in  India: An 

Aggregate Panel‐Data Analysis. Water Policy 5 (5–6): 443–58. 

Bindraban, P.S. 1997. Bridging the Gap between Plant Physiology and Breeding: Identifying Traits to 

Increase  Wheat  Yield  Potential  Using  Systems  Approaches.  Ph.D.  thesis.  Wageningen 

Agricultural University, The Netherlands.   

Biradar et al. 2009. A global map of rainfed cropland areas (GMRCA) at the end of last millennium 

using remote sensing. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation. 

11 (2): 114‐129. 

Burton, M.,  Rigby,  D.,  Young,  T., &  James,  S.  2001.  Consumer  attitudes  to  genetically modified 

organisms in food in the UK. European Review of Agricultural Economics. 28: 479–498. 

Bushnell, D. 2006. Seawater/Saline Agriculture for Energy, Water, Land, Food and Warming. Paper 

presented at conference in Cairo, Egypt.   

Camara,  O.  and  Heinemaan,  E.  2006.  Overview  of  the  Fertilizer  Situation  in  Africa.  Background 

paper for African Fertilizer Summit, Abuja, Nigeria, June 9–13. 

Cline, W. 2007. Global Warming and Agriculture:  Impact Estimates by Country. Washington, DC: 

Peterson Institute 

Cooper, T. Hart, K. and Baldock, D. 2009. The Provision of Public Goods Through. Agriculture in the 

European  Union.  Report  Prepared  for  DG  Agriculture  and  Rural  Development,  Contract  No 

31

30‐CE‐0233091/00‐28, Institute for European Environmental Policy. 

Datamonitor, 2009. Food: Global Industry Guide. Dublin: Research and Markets   

de Fraiture, C. et al. 2004.  In Does  International Cereal Trade Save Water? The  Impact of Virtual 

Water Trade on Global Water Use. IWMI, Colombo, Sri Lanka 32. 

de Fraiture, C. et al. 2007. Looking ahead to 2050: scenarios of alternative investment approaches. 

In David, M. (ed.), Comprehensive Assessment (CA) of Water Management in Agriculture, Water 

for Food and Water for Life: A Comprehensive Assessment of Water Management in Agriculture. 

International Water Management Institute, London: Earthscan and Colombo: 91–145. 

de Fraiture et al. 2010. Investing in water for food, ecosystems, and livelihoods: An overview of the 

comprehensive  assessment  of  water  management  in  agriculture.  Agricultural  Water 

Management 97: 495–501 

Edwards, G. and Walker, D. 1983. C3,C4: Mechanisms, and Cellular and Enviromental Regulation, of 

Photosynthesis. Berkeley, CA: University of California Press 

Engelhaupt, E. 2008. Do food miles matter? Environmental Science & Technology 42 (10): 3482 

Environmental Working Group. 2006. Dead  in the Water. Reforming Wasteful Farm Subsidies Can 

Restore Gulf Fisheries. 

Falkenmark, M. et al. 2007. Agriculture, water, and ecosystems: avoiding the costs of going too far.   

in David, M. (ed.), Comprehensive Assessment (CA) of Water Management in Agriculture, Water 

for Food and Water for Life: A Comprehensive Assessment of Water Management in Agriculture. 

International Water Management Institute, London: Earthscan and Colombo: 233‐276. 

Falkenmark, M. and Lannerstad, M. 2005. Consumptive water use to feed humanity – curing a blind 

spot. Hydrology and Earth System Sciences. 9 (1/2), 15–28. 

Fang,  J.  and Chu, C.  2008. Abscisic  acid  and  the pre‐harvest  sprouting  in  cereals.  Plant  Signal & 

Behavior 3(12): 1046‐1048. 

FAO.  1989.  Prevention  of  post‐harvest  food  losses:  Fruits,  vegetables  and  root  crops. A  training 

manual. Rome: FAO. 

FAO. 1998. Evaluation the potential contribution of organic agriculture to sustainability goals. FAO's 

technical  contribution  to  IFOAM's  Scientific  Conference,  Mar  del  Plata,  Argentina,  16‐19 

November. Rome: FAO. 

FAO.  2002.  Value  of  virtual  water  in  food:  principles  and  virtues.  Paper  presented  at  the 

UNESCO‐IHE Workshop on Virtual Water Trade, 12‐13 December 2002, Delft, the Netherlands. 

32

FAO. 2003a. World Agriculture towards 2015/2030: An FAO Perspective. Rome: FAO. 

FAO.  2003b. World  Soil  Resources Report.  In Data  Sets,  Indicators  and Methods  to Assess  Land 

Degradation in Drylands, FAO: Rome.   

FAO. 2006. Livestock's Long Shadow ‐ environmental issues and options. Rome: FAO. 

FAO. 2008. The State of World Fisheries and Aquaculture. Rome: FAO.   

FAO. 2009. Climate change implications for fisheries and aquaculture. Rome: FAO. 

FAO. 2010a. Global Forest Resources Assessment 2010. Rome: FAO.   

FAO.  2010b.  Current  Status  and  Options  for  Livestock  Biotechnologies  in  Developing  Countries 

(ABDC‐10/5.1). Background paper for the Agricultural Biotechnologies in Developing Countries 

Conference, Mexico, 1‐4 March 2010. 

FAO.  2010c.  Current  status  and  options  for  biotechnologies  in  fisheries  and  aquaculture  in 

developing countries  (ABDC‐10/6.1). Background paper  for the Agricultural Biotechnologies  in 

Developing Countries Conference, Mexico, 1‐4 March 2010. 

Faurès, J. M. et al. 2007. Reinventing irrigation. In David, M. (ed.), Comprehensive Assessment (CA) 

of Water Management  in Agriculture, Water  for  Food  and Water  for  Life: A  Comprehensive 

Assessment of Water Management  in Agriculture.  International Water Management  Institute, 

London: Earthscan and Colombo: 353‐394. 

Glenn, et al. 1992. Growing Halophytes to Remove Carbon From the Atmosphere Environment 34 

(3): 40‐43. 

Goodland,  R.  and  Anhang,  J.  2009.  Livestock  and  Climate  Change.  World  Watch  Magazine. 

Washignton, DC : WorldWatch Institute. 

Grimsrud, K. et al., 2003. Consumer attitudes toward genetically modified food in Norway. IMPACT 

Center technical working paper. Pullman, WA: International Marketing Program for Agricultural 

Commodities &rade. 

Hanasaki et al. 2008. An integrated model for the assessment of global water resources Part 1 and 2. 

Hydrology and Earth System Sciences 12 (4): 1007‐1037.   

Huang, Wen‐yuan.  2009.  Factors  Contributing  to  the  Recent  Increase  in U.S.  Fertilizer  Prices. US 

Department of Agriculture AR‐33. Washington, DC: USDA. 

IEA.  2010.  Sustainable  Production  of  Second‐Generation  Biofuels  ‐  Potential  and  perspectives  in 

major economies and developing countries. Paris: OECD/International Energy Agency. 

International Federation of Organic Agriculture Movements  (IFOAM). 2010. The World of Organic 

33

Agriculture: Statistics and Emerging Trends 2010. Bonn: IFOAM. 

International  Food Policy Research  Institute  (IFPRI).  2009. Climate Change  Impact on Agriculture 

and Costs of Adaptation. Washington, DC: The International Food Policy Research Institute. 

International  Centre  for  Agricultural  Science  and  Technology.  1995.  Consumer  acceptance  of 

potatoes  that  have  been  genetically  modified  through  biotechnology.  Saskatoon,  SK: 

International Centre for Agricultural Science and Technology. 

In Vitro Meat Consortium. 2008. Preliminary Economics Study Project 29071.   

IRRI. 2002. Rice almanac: source book for the most important economic activity on earth. Oxon, UK: 

CABI Publishing. 

Khan, M. and Ansari R. 2008. Potential use of halophytes with emphasis on  fodder production  in 

coastal  areas  of  Pakistan.  In  C.  Abdelly  et  al.  (eds).  Biosaline  Agriculture  and  High  Salinity 

Tolerance. Birkhäuser Verlag: Switzerland. 

Knight, S., et al. 2009. RR71 An up‐to‐date cost/benefit analysis of precision farming techniques to 

guide growers of cereals and oilseeds. Agriculture and Horticulture Development Board (HGCA) 

Project No: 3484. 

Lai,  L.  et  al.  2006.  Generation  of  cloned  transgenic  pigs  rich  in  omega‐3  fatty  acids.  Nature 

Biotechnology 24 (4): 435–436.   

Li, Y. C. et al., 2009. The Level of Expression of Thioredoxin is Linked to Fundamental Properties and 

Applications of Wheat Seeds. Molecular Plant 2(3):430–441. 

Lundqvist, J. et al. 2008. Saving Water: From Field to Fork – Curbing Losses and Wastage in the Food 

Chain. SIWI Policy Brief. SIWI. 

Lusk,  J.L.  et  al.,  2001.  Alternative  calibration  and  auction  institutions  for  predicting  consumer 

willingness to pay for nongenetically modified corn chips. Journal of Agriculture and Resource 

Economics. 26(1): 40–57. 

McCluskey,  J.J. et al.,  (2003). Consumer  response  to genetically modified  food products  in  Japan. 

Agricultural and Resource Economics Review. 32(2): 222–231. 

Merrey, D.J. 1997. Expanding the Frontiers of Irrigation Management Research: Results of Research 

and Development at  the  International  Irrigation Management  Institute 1984–1995. Colombo: 

International Water Management Institute. 

Millennium Ecosystem Assessment (MEA). 2005. Ecosystem and Human Well‐being: Wetlands and 

Water Synthesis. Washington, DC: World Resources Institute. 

34

Minhas,  P.S.  and  Samra,  J.  S.,  2004.  Wastewater  Use  in  Peri‐urban  Agriculture:  Impacts  and 

Opportunities. Karnal, India: Central Soil Salinity Research Institute.   

Molden, D. et al., 2007. Pathways for  increasing agricultural water productivity. In David, M. (ed.), 

Comprehensive  Assessment  (CA)  of Water Management  in  Agriculture, Water  for  Food  and 

Water  for  Life:  A  Comprehensive  Assessment  of  Water  Management  in  Agriculture. 

International Water Management Institute, London: Earthscan and Colombo: 278‐310. 

Molden  et  al.  2010.  Improving  agricultural water  productivity:  Between  optimism  and  caution. 

Agricultural Water Management 97: 528‐535. 

Nam  Y.  S.  et  al.  2010.  Biologically  templated  photocatalytic  nanostructures  for  sustained 

light‐driven water oxidation. Nature Nanotechnology 5:340‐344.   

National  Research  Council,  Commission  on  International  Relations,  Board  on  Science  and 

Technology  for  International  Development.  1978.  Post‐harvest  Food  Loss  in  Developing 

Countries. Washington, D.C.: National Research Council/National Academy of Sciences. 

OECD. 2008. Environmental Performance of Agriculture at a Glance. Paris: OECD. 

Qadir,  et  al.,  2007. Agricultural  use of marginal‐quality water  –  opportunities  and  challenges.  In 

David, M.  (ed.), Comprehensive Assessment  (CA) of Water Management  in Agriculture, Water 

for Food and Water for Life: A Comprehensive Assessment of Water Management in Agriculture. 

International Water Management Institute, London: Earthscan and Colombo: 425–457. 

Qadir  et  al.,  2010.  The  challenges  of wastewater  irrigation  in  developing  countries.  Agricultural 

Water Management 97: 561–568. 

Qiu,  J.  2010.  China  takes  stock  of  environment.  Nature  (doi:10.1038/news.2010.68).  Published 

online on 12 February, 2010.   

Richards, J.F., 1990. Land Transformation in B. L. Turner, (ed.) The Earth as Transformed by Human 

Action. New York, NY: Cambridge with Clark University.   

Richards, R.A. et al., 1993.  Improving the efficiency of water use by plant breeding and molecular 

biology. Irrigation Science 14 (2), 93–104. 

Rockström et al. 2007. Managing water  in  rainfed agriculture.  in David, M.  (ed.), Comprehensive 

Assessment  (CA) of Water Management  in Agriculture, Water  for Food and Water  for Life: A 

Comprehensive  Assessment  of  Water  Management  in  Agriculture.  International  Water 

Management Institute, London: Earthscan and Colombo: 315‐352. 

Rockström  et  al.  2010. Managing  water  in  rainfed  agriculture—The  need  for  a  paradigm  shift 

Agricultural Water Management 97: 543–550 

35

The Royal Society. 2009. Reaping the benefits: Science and the sustainable intensification of global 

agriculture. London: the Royal Society. 

Sahota, A. 2009. The Global Market  for Organic Food and Drink.  In Willer H. and Kilcher L.  (eds.), 

The World  of Organic Agriculture.  Statistics  and  Emerging  Trends  2009.  IFOAM,  Bonn;  FiBL, 

Frick; ITC, Geneva. 

Sato,  et  al  ,  1998.  The Manazar  Project:  Towards  a  Solution  to  Poverty, Hunger,  Environmental 

Pollution and Global Warming  through Sea Water Aquaculture and Silviculture  in Deserts.  In 

Vitro Cellular & Developmental Biology – Animal. 34(7): 509‐511 

Sayre, K.D. et al. 1997. Yield potential progress  in short bread wheats  in Northwest Mexico. Crop 

Science 37 (1), 36–42. 

Smedema,  L.K.,  and  K.  Shiati.  2002.  Irrigation  and  Salinity:  A  Perspective  Review  of  the  Salinity 

Hazards of  Irrigation Development  in  the Arid  Zone.  Irrigation  and Drainage  Systems 16  (2): 

161–74. 

Swingle  R.S.,  Glenn  E.P.  and  Squires  V.  1996.  Growth  performance  of  lambs  fed  mixed  diets 

containing  halophyte  ingredients.  Animal  Feed  Science  and  Technology,  Volume  63  (1), 

137‐148. 

Thenkabail,  et  al.  2008.  A  Global  Irrigated  Area Map  at  the  End  of  the  Last Millennium  using 

Multi‐sensor,  Time‐series  Satellite  Sensor  Data.  Colombo:  International Water Management 

Institute. 

UNCTAD  and  UNEP,  2008.  Organic  Agriculture  and  Food  Security  in  Africa  (UNCTAD/ 

DITC/TED/2007/15), New York: United Nations Publications. 

UNEP. 2009. Green Revolution with a Capital G is Needed to Feed the World. Nairobi: UNEP. 

UNEP. 2010a. Green Economy Report: A Preview. New York, NY: UNEP 

UNEP. 2010b. Yearbook 2010. New York, NY: UNEP 

Werf, E. v. d. 1993. Agronomic and economic potential of  sustainable agriculture  in South  India. 

American Journal of Alternative Agriculture, 8(4): 185–191.