Środkowy zachód Ameryki nakarmi ocieplający się świat. Ale na jak długo?

Rosnące temperatury zagrożą amerykańskiemu pasowi kukurydzy, kluczowemu źródłu kalorii dla rosnącej światowej populacji.

Za pomocą

• Adam Piore strona archiwum

24 kwietnia 2019 r.

Zdjęcie kukurydzy uprawianej w pomieszczeniach Kathryn Gamble

W Ames w stanie Iowa jest przejmująco zimny marcowy poranek, a rozległe pola kukurydzy poza miastem są przykryte kilkoma centymetrami lodu i śniegu. Ale w specjalnie zbudowanych komorach do uprawy na terenie kampusu Iowa State University jest gorąco i wilgotno.

Oślepiająco jasne światła padły na trzy kwadraty, z których każdy zawierał prawie 7000 funtów (3175 kilogramów) ziemi, zatopionej na półtora metra w podłodze. Równomierne wirowanie wentylatorów, zapewniające cyrkulację powietrza i równomierną temperaturę w całym pomieszczeniu, odbija się echem od ścian. Co kilka centymetrów zestaw termometrów na podczerwień i czujników wilgotności śledzi mikroklimat otaczający liście roślin.

Ta historia była częścią naszego wydania z maja 2019 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Wewnątrz tych komór wzrostu jest przyszłość. A Jerry Hatfield, uprzejmy agronom, który kieruje Narodowym Laboratorium Rolnictwa i Środowiska w Departamencie Rolnictwa USA, nie podoba się to, co widzi.

Albo zmienimy uprawy, które produkujemy, albo będziemy musieli pomyśleć o tym, jak genetycznie manipulujemy tą rośliną, aby miała wyższą tolerancję na wyższą temperaturę.

Trzy lata temu Hatfield wykorzystał komory wzrostowe, aby dowiedzieć się, jak lokalne uprawy będą radzić sobie w temperaturach przewidzianych dla regionu w 2100 r., które mają wzrosnąć średnio o około 4 °C, czyli o około 7,2 °F. Zasymulował sezon wegetacyjny, od 1 kwietnia do 30 października, dla trzech różnych odmian kukurydzy używanych przez rolników na tym obszarze. W jednej komorze Hatfield podniósł temperaturę na poziomie zaledwie około 10 °C, aby naśladować warunki na początku kwietnia, podniósł ją znacznie powyżej 100 °F (38 °C), aby symulować gorące letnie dni (do 114°C). F w komorze z 2100 warunkami), a następnie sprowadził ją z powrotem na jesień. W drugiej komorze symulował aktualne, chłodniejsze normy klimatyczne w regionie.

Różnice między roślinami w obu komorach były wyraźne. Chociaż liście wyglądały tak samo, wpływ tego dodatkowego 7,2 ° F był znacznie gorszy, niż przewidywała nawet najbardziej pesymistyczna literatura naukowa. Liczba ziaren kukurydzy na roślinę spadła, w niektórych przypadkach o 84%. Niektóre rośliny w ogóle nie produkowały ziaren.

Wewnątrz takich komór wzrostowych rośliny będą hodowane w symulowanych warunkach. Kathryn Gamble

To był dopiero pierwszy z serii niepokojących wyników. W następnych miesiącach Hatfield i jego koledzy przeprowadzili symulację wzrostu temperatury i zmiany wzorców opadów deszczu, które miały trafić na pola pszenicy w Salina w stanie Kansas już w 2050 roku. Plony spadły o 30% przy niskich opadach i aż o 70%. z połączeniem wysokich temperatur i niskich opadów spodziewanych w nadchodzących dziesięcioleciach.

Do tej pory amerykańskim rolnikom stosunkowo łatwo było zlekceważyć zmiany klimatyczne. W końcu, zgodnie z najbardziej optymistycznymi modelami, prognozowane plony kukurydzy i soi w USA – które są uprawiane na 75% gruntów ornych na Środkowym Zachodzie – mają w rzeczywistości wzrosnąć do 2050 r. dzięki cieplejszej pogodzie, która przyniesie korzyści stosunkowo chłodnej północy. klimaty. Ale potem, jeśli Hatfield ma rację, plony spadną z klifu, dewastując rolników i pozostawiając większość świata jeszcze bardziej głodnym.

Oczekuje się, że do 2050 r. populacja świata wzrośnie do 9,7 miliarda. Ponieważ standardy życia i diety również poprawiają się na całym świecie, produkcja żywności będzie musiała wzrosnąć o 50% w czasie, gdy zmiany klimatyczne sprawią, że zarówno Afryka Subsaharyjska, jak i Azja Wschodnia nie będą w stanie zaspokoić własnych potrzeb bez importu. Już teraz kukurydza i soja w USA stanowią 17% światowej produkcji kalorycznej. Organizacja Narodów Zjednoczonych ds. Wyżywienia i Rolnictwa przewiduje, że amerykański eksport kukurydzy musi się prawie potroić do 2050 r., aby uzupełnić niedobór, podczas gdy amerykański eksport soi musiałby wzrosnąć o ponad 50%. Cała ta dodatkowa żywność musi być uprawiana bez użycia znacznie większej ilości ziemi. Oznacza to, że wszystko będzie dotyczyło plonów — produktywności plonu.

I właśnie to tak bardzo martwi Hatfielda. Rosnąca literatura naukowa sugeruje, że zmiany klimatyczne prawdopodobnie zdziesiątkują plony, chyba że znajdziemy nowe sposoby, aby pomóc roślinom radzić sobie z suszami, ogromnymi wahaniami temperatury i innymi ekstremalnymi warunkami pogodowymi, które prawdopodobnie staną się powszechne w nadchodzących dziesięcioleciach.

Jeśli coś nie zostanie zrobione, zobaczymy znaczne spadki produkcji na dużych obszarach pasa kukurydzy i Wielkich Równin, mówi Hatfield. Albo zmienimy uprawy, które produkujemy, albo będziemy musieli pomyśleć o tym, jak genetycznie manipulujemy tą rośliną, aby miała wyższą tolerancję na wyższą temperaturę.

Koniec Złotowłosej

W tych strasznych przepowiedniach jest oczywiście znajomy dzwonek. Światowi przywódcy na początku lat 70. byli tak zaniepokojeni, że rosnąca populacja, rosnące zanieczyszczenie i gwałtownie rosnące ceny żywności spowodują ostry kryzys żywnościowy na początku XXI wieku, że ONZ zwołała konferencję w Rzymie. Czasu jest mało, oświadczyły państwa członkowskie po konferencji w 1975 r. Pilne i trwałe działanie jest niezbędne.

Jednak w następnych latach wysokowydajne uprawy, szersze zastosowanie nawadniania, mechanizacji gospodarstw oraz wprowadzenie nawozów syntetycznych i pestycydów doprowadziły do ​​zielonej rewolucji, dramatycznie zwiększając produkcję rolną w wielu miejscach na świecie.

Teraz tempo wzrostu zaczęło zwalniać. Na wielu obszarach brakuje wody, co ogranicza dalszą ekspansję nawadniania. I trudno sobie wyobrazić używanie jeszcze większej ilości nawozów i pestycydów. To już otwarte pytanie, czy będziemy w stanie dalej wymyślać te nowe technologie i praktyki zarządzania, które pozwolą produktywności na więcej niż nadążanie za popytem, ​​mówi Marshall Burke, ekonomista ze Stanford, który koncentruje się na zmianach klimatycznych. Ale klimat na pewno to utrudni.

Co więcej, globalne ocieplenie już odczuwa skutki. W 2011 r. ekonomista z Columbia University Wolfram Schlenker i ekolog ze Stanford David Lobell przyjrzeli się, co stało się z plonami, gdy temperatura wzrosła w latach 1980-2008. Odkryli, że globalna produkcja kukurydzy (z wyłączeniem USA) spadła o 3,8%, a produkcja pszenicy spadła o 5,5% w stosunku do co by było inaczej. Wzrost upalnych dni i nocy wyjaśnia około połowy wszystkich zmian plonów kukurydzy. Wyższe temperatury pomagają do pewnego punktu, między około 50 ° F a 84 ° F, ale są wyższe niż i plony spadają.

Aby zorientować się, jak to wszystko może wpłynąć na światowe ceny żywności, Schlenker sugeruje przyjrzenie się temu, co wydarzyło się w 2012 r., kiedy ostatni raz na amerykańskim Środkowym Zachodzie było lato z temperaturami porównywalnymi z tymi, które projekt klimatologów stanie się normą pod koniec stulecia . Produkcja kukurydzy w regionie spadła o 25%, a soi o 10%. Stanowi to około 4% do 5% spadek całkowitej światowej produkcji kalorii – warunki, w których możemy oczekiwać, że ceny żywności wzrosną nawet o 30%, mówi.

Rośliny w komorze będą ściśle monitorowane przez zestaw czujników. Naukowcy USDA mierzą, jak każda roślina radzi sobie w różnych warunkach. Kathryn Gamble

Jednak pomimo kilku tak złych lat, rolnicy ze Środkowego Zachodu od dziesięcioleci cieszą się wzrostem produktywności, maskując obawy o przyszłość. Istnieje strefa Złotowłosej, jeśli chodzi o temperaturę, wilgotność i opady, a zmiany klimatyczne w większości zepchnęły w nią środek Stanów Zjednoczonych, mówi Gene Takle, były wieloletni dyrektor programu klimatycznego w stanie Iowa. Największą jak dotąd zmianą w stanie Iowa były zwiększone opady w kwietniu, maju i czerwcu – w ciągu ostatnich trzech dekad wzrosły one o prawie 25%. Ten dodatkowy deszcz, spowodowany interakcją wiatrów z ocieplającymi się wodami w Zatoce Meksykańskiej, zmusił rolników do wydawania większych pieniędzy na płytki drenażowe i tym podobne, a także przesunął sezon sadzenia. Ale łączny wynik postępu technologicznego i bardziej sprzyjającego klimatu jest taki, że plony wzrosły o 28% na Środkowym Zachodzie. Takle mówi, że panuje całkiem dobra zgoda, że ​​zmiany klimatyczne były do ​​tej pory korzystne dla rolnictwa.

Jednak te trendy się odwrócą; gdzie eksperci nie zgadzają się dokładnie kiedy. Takle przytacza jeden model pokazujący, że pozytywny trend w produktywności odwróci się do 2035 r., cofając wszystkie wzrosty obserwowane od 1981 r. A plony będą dalej spadać. Jesteśmy teraz na krawędzi, mówi.

Ostatniego dnia przesunął przez stół kawałek papieru. Była pełna kolorowych wykresów i wypunktowań, szczegółowo przedstawiających wpływ dotychczasowych zmian klimatycznych na lokalne rolnictwo, z pozytywnymi zaznaczonymi na zielono, a negatywnymi na czerwono. Wśród czerwonych punktów: więcej szkodników przeżywało zimę, a podmokła gleba zmniejszała liczbę dni, przez które rolnicy mogli pracować na polach. (W 2013 r. północno-zachodnia Iowa miała 700 000 akrów — 283 000 hektarów — z tego powodu nie można było ich obsadzić). Ale było też dużo zieleni.

Potem odwrócił stronę, by pokazać, jak będzie wyglądało rok 2050. Na tej stronie nie było zieleni – tylko długa lista czerwieni. Intensywne wiosenne deszcze utrudnią prace polowe na początku sezonu, spodziewa się Takle. Będzie więcej powodzi; najcieplejszy dzień będzie o 7°C cieplejszy. Co drugi rok będzie co najmniej jeden pięciodniowy okres, w którym ekstremalne upały spowodują niepowodzenie zapylania kukurydzy i soi oraz zahamowanie wzrostu wegetatywnego.

„Mamy dużo problemów ze schodzeniem po szczupaku”, mówi.

Nowa genetyka

Zadaniem Hatfielda, agronoma USDA, jest monitorowanie wpływu warunków środowiskowych na rolników w kraju i identyfikacja potencjalnych rozwiązań. Siedząc w swoim gabinecie ostatniego dnia, odhaczył długą listę zmartwień. Brązowy marmoryzowany pluskwa śmierdząca pojawił się w Stanach Zjednoczonych pod koniec lat 90., a wraz ze wzrostem temperatur w ciągu następnych 30 lat, jego zasięg rozszerzy się aż do Kanady, niszcząc wiele upraw. Amarantus palmer, odporny na herbicydy chwast, który żyje w szczególnych mikroklimatach i jak dotąd zagrażał głównie uprawom soi i bawełny na południu, również rozprzestrzeni się na północ i stanie się wszechobecny.

Do tego dochodzi rosnące zasolenie gleby w Północnej i Południowej Dakocie, które może wyłączyć z rotacji znaczne połacie ziemi w mniej niż dekadę, jeśli obecne trendy utrzymają się. Problem polega na tym, że dzięki zmieniającemu się klimatowi i zmieniającym się zachętom finansowym, rolnicy w Dakocie, którzy tradycyjnie uprawiali pszenicę, buraki cukrowe, siano i rzepak, coraz częściej przestawiają się na kukurydzę i soję. Ale nowe uprawy są słabo przystosowane do wilgotnych wczesnej wiosny Dakot, co pozwala na podnoszenie się poziomu wody i parowanie, pozostawiając sól, która uszkadza glebę.

Największym zmartwieniem jest to, jak zmiana klimatu wpłynie na plony w spichlerzu Ameryki w nadchodzących dziesięcioleciach. Hatfield nabrał przekonania, że ​​samo rozwiązanie polityki lub zmiana praktyk zarządzania nie wystarczy do pokonania naturalnych ograniczeń roślin i nadchodzących ekstremalnych warunków pogodowych. Dlatego zdecydował się zwrócić w stronę zaawansowanej genetyki.

W nadchodzących miesiącach Hatfield planuje powtórzyć swój eksperyment symulujący przyszłe sezony wegetacyjne. Ale tym razem zbada dokładnie, jak warunki wpływają na włączanie i wyłączanie genów w kukurydzy i pszenicy. Istnieje nadzieja, że ​​uda się zidentyfikować sposoby kontrolowania tych przełączników na poziomie molekularnym, aby pomóc roślinom dostosować się do warunków, z jakimi będą się zmagać.

To wczesne dni w pracy z kukurydzą, pszenicą i soją. Jednak w przypadku innych upraw hodowcy zidentyfikowali adaptacje i wykorzystali je do rozwiązywania problemów związanych ze zmianą klimatu. Niektóre z najbardziej udanych zaobserwowano w obszarach uprawy ryżu na świecie.

Ryż może tolerować pewien stopień powodzi – może w rzeczywistości przynieść korzyści, ponieważ powódź może zabić chwasty. Dopóki łodygi ryżu znajdują się częściowo nad wodą, rośliny mogą wchłonąć potrzebne im powietrze. Ale jeśli wierzchołki roślin są zanurzone, mogą się udusić.

Chcesz jeść w przyszłości? O to chodzi. Ale będziemy musieli to rozgryźć, ponieważ nie mamy innego wyjścia.

W 2006 roku naukowcy sklonowali gen zwany Pod1 w lokalnym południowoazjatyckim szczepie ryżowym. Gen nadaje ryżowi tolerancję zanurzenia. Gdy roślina znajduje się pod wodą, gen zostaje włączony i wprawia ją w stan zawieszenia. Gen wyłącza się, gdy tylko wierzchołek pędu ryżu znajdzie się z powrotem nad wodą. W przeciwieństwie do niektórych cech, które zwiększają tolerancję na stres, Pod1 gen nie wydaje się znacząco zmniejszać plonów, gdy nie ma powodzi – a kiedy tak się dzieje, roślina wznawia wzrost z dodatkową siłą, mówi Susan McCouch, profesor hodowli roślin i genetyki na Cornell University.

W 2009 roku Międzynarodowy Instytut Badań nad Ryżem zaprojektował tę cechę w ośmiu odmianach ryżu i zaczął rozprowadzać je wśród rolników. Obecnie jest używany przez 10 milionów rolników na około 10 milionach hektarów ziemi.

Kathryn Gamble

Chce zjeść?

Chociaż nie znaleziono jeszcze nic porównywalnego z odpornością ryżu na wodę dla kukurydzy, komercyjne firmy produkujące nasiona hodują odmiany odporne na suszę od ponad dekady. Robert Reiter, szef działu badań i rozwoju w dziale nauk o uprawach firmy Bayer, wyjaśnia, w jaki sposób firma poszukuje odpornych ras. Po pierwsze, digitalizuje informacje o sekwencji DNA i kataloguje znane cechy kilku milionów linii roślin. Korzystając z danych, następnie szkoli algorytmy uczenia maszynowego, aby przeszukiwać miliony innych szczepów pod kątem przydatnych cech.

Na przykład firma Bayer wyhodowała cechy przeniesione z odmian odpornych na wysoką temperaturę i suszę w Meksyku na wysokowydajne odmiany przystosowane do rynku amerykańskiego. Reiter mówi, że podczas suszy w 2012 r. na Środkowym Zachodzie Stanów Zjednoczonych plony były ponad dwukrotnie wyższe niż w 1988 r., kiedy ostatni raz nawiedziła susza o porównywalnej sile.

Ale podejście ma swoje ograniczenia. Rośliny mogą tolerować tylko pewien poziom stresu, a czas jest ważnym czynnikiem, mówi. Jeśli podczas kwitnienia występują ekstremalnie wysokie temperatury, zauważysz pewien wpływ na plon… Możemy po prostu spróbować zminimalizować ten wpływ.

Hatfield ma nadzieję przezwyciężyć niektóre z tych ograniczeń, symulując przyszłe warunki wzrostu. Ma nadzieję, że takie symulacje mogą pomóc w identyfikacji nieznanych ścieżek genetycznych, które rośliny mogą wykorzystać do przystosowania się do przyszłych zmian pogody i warunków wzrostu.

To złożona łamigłówka, nad którą dopiero zaczęliśmy pracować. Hatfield zauważa, że ​​trudno jest wyjaśnić kombinację czynników, z którymi mogą się zmierzyć rolnicy ze Środkowego Zachodu, w tym zmieniające się wzorce opadów, ekstremalne upały, dramatyczne wahania pogody, całą masę nowych szkodników i być może wyzwania, których jeszcze nawet nie przewidzieliśmy. Ale jest jasne, dlaczego to robi.

Chcesz jeść w przyszłości? on mówi. O to chodzi. Ale będziemy musieli to rozgryźć, ponieważ nie mamy innego wyjścia.

ukryć