Sustainable agriculture and resource use under climate change: a multi-scale and cross-sectoral approach with a focus on Andalusia (Spain)

La sostenibilidad de los sistemas agrarios y alimentarios se enfrenta a diferentes retos que necesitan ser abordados para asegurar la seguridad alimentaria y la preservación del medio ambiente en el futuro. La producción agraria es muy sensible a las condiciones climáticas y, por lo tanto, está extremadamente expuesta a los impactos del cambio climático en la productividad de los cultivos y en la disponibilidad de agua. Además, se espera que el desarrollo socio-económico futuro añada más presión sobre los recursos y genere conflictos entre los distintos sectores. Mientras tanto, las políticas que abordan estos desafíos a menudo se diseñan de forma aislada sin tener en cuenta los efectos intersectoriales, lo que conduce a la existencia de incoherencias entre políticas. Esto evidencia la necesidad de desarrollar políticas integradas y armonizadas que consideren los conflictos y las sinergias entre los sectores, lo que requiere la participación de las partes interesadas y también el intercambio de conocimientos entre los responsables de la toma de decisiones y la comunidad científica para diseñar políticas mejor informadas. En este contexto, esta investigación tiene como objetivo ampliar el conocimiento sobre las interrelaciones entre la agricultura y el medio ambiente para apoyar la toma de decisiones políticas que promuevan el desarrollo sostenible de la agricultura y el uso eficiente de recursos bajo condiciones de cambio climático. En este sentido, abordar los impactos del cambio climático a nivel global requiere implementar estrategias a menor escala que tengan en cuenta los efectos específicos en cada región y las interrelaciones entre los distintos sectores. Teniendo esto en cuenta, esta investigación analiza en primer lugar el impacto del cambio climático en los mercados agrarios a nivel mundial y en la Unión Europea. Posteriormente, el alcance del análisis se amplía para explorar el nexo agua-energía-alimentación (WEF), mientras que al mismo tiempo la escala de análisis se reduce a la región de Andalucía (España). El marco metodológico aplicado se basa en la combinación de enfoques bio-económicos, procesos participativos y técnicas de análisis de sensibilidad. El enfoque bio-económico se basa en la aplicación del modelo agro-económico (Common Agricultural Policy Regional Impact Analysis model [CAPRI]) para evaluar los impactos del cambio climático en los mercados agroalimentarios a nivel mundial y en la Unión Europea bajo distintos escenarios que consideran diferentes trayectorias de emisiones, proyecciones climáticas y efectos de la fertilización carbónica en el crecimiento de los cultivos. A través de un enfoque participativo basado en Fuzzy Cognitive Mapping (FCM), los grupos de interés en Andalucía participaron en la identificación de los principales retos en el nexo en la región. Además, la información obtenida en este proceso participativo proporcionó las bases para identificar los principales factores relacionados con el uso de agua en el desarrollo de la agricultura andaluza en el horizonte 2050, utilizando como base los resultados de CAPRI-Water y análisis sensibilidad con cambios finitos. Los resultados de esta investigación muestran que el cambio climático afectará significativamente los mercados agroalimentarios, aunque las estrategias de adaptación impulsadas por el mercado (e.g., intensificación de la producción, ajustes comerciales) pueden atenuar los impactos. Como consecuencia, los cambios de producción a nivel regional serán inferiores a los estimados en otros estudios centrados en los efectos en la oferta. En cuanto al proceso participativo con los grupos de interés, los resultados indican que el cambio climático y la disponibilidad de agua son factores clave en el nexo en Andalucía. Otras variables con vínculos significativos dentro del nexo WEF son la producción de alimentos, la agricultura de regadío, el coste de la energía, los factores socioeconómicos, el uso del agua de riego y la conservación del medio ambiente. El análisis de escenarios demuestra la existencia de interdependencias en el nexo y de efectos imprevistos, que deben considerarse para diseñar políticas integradas. El análisis de sensibilidad de los resultados de CAPRI-Water ilustra que los costes del regadío con el factor más determinante en la configuración del paisaje agrario andaluz, neutralizando el impacto del factor disponibilidad de agua. En cambio, el uso del agua para riego no solo está influenciado por los costes del regadío, sino también por la eficiencia en el uso de agua. Las conclusiones indican que la fertilización carbónica es un factor fundamental a tener en cuenta en los análisis del impacto del cambio climático en la agricultura y que el comercio internacional juega un papel importante para contrarrestar la irregularidad de los impactos a nivel mundial, lo que sugiere la necesidad de coherencia entre las políticas comerciales y climáticas. El enfoque participativo revela que el cambio climático y la disponibilidad de agua son factores clave en el nexo en Andalucía. El análisis de sensibilidad de los resultados de CAPRI-Water demuestra que los costes del regadío son el factor más determinante en desarrollo de la agricultura andaluza, y que la magnitud de la sensibilidad a este factor difiere considerablemente entre cultivos. Las políticas destinadas a la mejora de la eficiencia en el uso de los recursos pueden contribuir a incrementar la resiliencia y capacidad de adaptación de los sistemas agrarios al cambio climático, aunque deben considerar la sensibilidad de las producciones agrarias a los costes del regadío, así como posibles efectos rebote en el uso de los recursos. ----------ABSTRACT---------- The sustainability of agricultural and food systems is confronted with different challenges that need to be addressed to ensure future food security and environmental preservation. Crop production is very sensitive to climatic conditions and therefore is extremely exposed to climate change impacts on both crop productivity and water availability. In addition, expected future socioeconomic development is likely to add more pressure on resources and drive conflicts between the different sectors. Meanwhile, policies that tackle these challenges are often developed in isolation without regarding cross-sectoral effects, leading to policy incoherence. This demonstrates the need for integrated and harmonised policies that consider trade-offs and synergies across sectors, which requires involving stakeholders and knowledge sharing between decision-makers and the scientific community to frame better informed policies. In this context, this research aims to broaden knowledge on the interrelations between agriculture and the environment to support policy decision-making that promotes sustainable agricultural development and resource use under climate change. Addressing global climate change impacts requires the implementation of strategies at regional level to account for region-specific effects and cross-sectoral connections. In recognition of this, the investigation explores firstly climate change impact on agricultural markets at global and European Union (EU) levels. Then, the scope of the analysis is extended to explore the water-energy-food (WEF) nexus, while at the same time the scale is reduced to the region of Andalusia (Spain). The applied methodological framework draws on the combination of bio-economic modelling, participatory approaches and sensitivity analysis techniques. The bio-economic modelling approach builds on the agro-economic Common Agricultural Policy Regional Impact Analysis model (CAPRI) to assess climate change impacts on agri-food markets at global and EU levels under multiple scenarios that consider different emissions pathways, climate projections and carbon fertilisation effects on crop growth. Through a participatory approach based on Fuzzy Cognitive Mapping (FCM), regional stakeholders from Andalusia were engaged to identify main challenges in the WEF nexus. Additionally, information gathered from this stakeholder consultation process provided the foundation to disentangle key water-related drivers of agricultural development in Andalusia over the temporal horizon of 2050, based on CAPRI-Water outcomes and sensitivity analysis with finite changes. The modelling results show that climate change would considerably affect agri-food markets, although market-driven adaptation strategies (e.g., production intensification, trade adjustments) would soften the impact of yield shocks on supply and demand. As a result, regional changes in production would be lower than those foreseen by other studies focused on supply effects. The results from the participatory process with stakeholders indicate that climate change and water availability are key drivers in the WEF nexus in Andalusia. Other variables with important interlinkages within the WEF nexus are food production, irrigated agriculture, energy cost, socioeconomic factors, irrigation water use and environmental conservation. The scenario analysis reveals the interdependencies among nexus sectors and the existence of unanticipated effects when changing variables in the system, which need to be considered to design integrated policies. The sensitivity analysis of the CAPRI-Water results illustrates that irrigation costs are the most determinant factor in shaping agricultural land, offsetting the impact of the driver water availability. In contrast, irrigation water use is driven not only by irrigation costs but also by irrigation efficiency. The main findings indicate that carbon fertilisation effect is a key factor on the impact of climate change on agriculture and that international trade plays an important role to counterbalance uneven impacts across the world. This suggests that decision-makers must engage to guarantee the coherence between trade regulations and climate policies. The participatory approach reveals that climate change and water availability are the main drivers in the WEF nexus in Andalusia. The sensitivity analysis of the CAPRI-Water results demonstrate that irrigation costs are the most determining factor in shaping agricultural land, with the magnitude of the sensitivity to this driver differing across crops. Identifying the main drivers of future agricultural development provides meaningful information for developing policies that effectively enhance sustainable agriculture and water management in Andalusia. Policies aimed at improving resource use efficiency can contribute to strengthen the resilience and adaptation capacity of future agricultural systems to climate change. Nevertheless, they must consider crop sensitivity to irrigation costs and the potential rebound effect