211service.com
Den amerikanske Midtvesten vil mate en oppvarmende verden. Men hvor lenge?
Økende temperaturer vil sette det amerikanske maisbeltet i fare, en nøkkelkilde til kalorier for den voksende globale befolkningen.
24. april 2019
Foto av innendørs dyrkede maisplanter Kathryn Gamble
Det er en bitter kald marsmorgen i Ames, Iowa, og de vidstrakte kornåkrene utenfor byen er begravet under et par centimeter med is og snø. Men det er varmt og fuktig inne i de spesialbygde voksekamrene på campus til Iowa State University.
Blindende skarpe lys slår ned på en trio av firkanter, som hver inneholder nærmere 7000 pund (3175 kg) jord, senket fem fot (1,5 meter) ned i gulvet. Den jevne kjernen av vifter, som sikrer luftsirkulasjon og jevne temperaturer i hele rommet, ekko fra veggene. Med noen få centimeters mellomrom sporer en pakke med infrarøde termometre og fuktighetssensorer mikroklimaet rundt bladene til plantene.
Denne historien var en del av mai 2019-utgaven vår
- Se resten av saken
- Abonnere
Inne i disse vekstkamrene er det fremtiden. Og Jerry Hatfield, en kjærlig agronom som leder US Department of Agricultures National Laboratory for Agriculture and Environment, liker ikke det han ser.
Enten skal vi endre avlingene vi produserer, eller vi må tenke på hvordan vi genetisk manipulerer den planten for å ha en høyere toleranse for høyere temperatur.
For tre år siden brukte Hatfield vekstkamrene for å finne ut hvordan lokale avlinger ville prestere under temperaturene som ble spådd for regionen i 2100, som forventes å stige omtrent 4 °C i gjennomsnitt, eller omtrent 7,2 °F. Han simulerte en vekstsesong, fra 1. april til 30. oktober, for tre forskjellige maisstammer brukt av bønder i området. I ett kammer startet Hatfield temperaturen på like rundt 10 °C for å etterligne forholdene tidlig i april, og hevet den godt over 38 °C for å simulere de varme sommerdagene (så høye som 114 °C). F i kammeret med 2100 betingelser), og førte den så ned igjen til høsten. I et andre kammer simulerte han regionens nåværende, kjøligere klimanormer.
Forskjellene mellom plantene i de to kamrene var store. Mens bladene så like ut, var virkningen av de ekstra 7,2 °F langt verre enn anslått av selv den mest pessimistiske vitenskapelige litteraturen. Antall maiskjerner per plante falt, i noen tilfeller med 84 %. Noen planter produserte ingen kjerner i det hele tatt.
Inne i vekstkamre som dette vil planter dyrkes under simulerte forhold. Kathryn Gamble
Det var bare det første i en serie med alarmerende resultater. I månedene som fulgte, simulerte Hatfield og kollegene de stigende temperaturene og endrede nedbørsmønstrene som forventes å ramme hveteåkrene i Salina, Kansas, så snart 2050. Avlingene falt så mye som 30 % med lite nedbør og så mye som 70 % med kombinasjonen av høye temperaturer og lite nedbør som forventes i tiårene fremover.
Til dags dato har det vært relativt enkelt for amerikanske bønder å trekke seg unna klimaendringene. Tross alt, under de mest optimistiske modellene, forventes faktisk anslåtte amerikanske avlinger for mais og soyabønner – som dyrkes på 75 % av dyrkbar jord i Midtvesten – å øke gjennom 2050, takket være varmere vær som vil være til fordel for den relativt kjølige nordlige delen av landet. himmelstrøk. Men etter det, hvis Hatfield har rett, vil avkastningen falle fra en klippe, ødelegge bønder og gjøre store deler av verden mer sulten.
Innen 2050 forventes verdens befolkning å vokse til 9,7 milliarder. Ettersom levestandarden og kostholdet også forbedres rundt om i verden, vil matproduksjonen måtte øke med 50 % i en tid da klimaendringer vil bidra til at både Afrika sør for Sahara og Øst-Asia ikke kan dekke sine egne behov uten import. Allerede står amerikansk mais og soyabønner for 17 % av verdens kaloriproduksjon. FNs mat- og landbruksorganisasjon anslår at amerikansk eksport av mais nesten må tredobles innen 2050 for å møte underskuddet, mens amerikansk soyaeksport må øke med mer enn 50 %. All denne ekstra maten må dyrkes uten å bruke vesentlig mer jord. Det betyr at alt kommer til å handle om utbytte - produktiviteten til avlingen.
Og det er det som Hatfield er så bekymret for. En voksende mengde vitenskapelig litteratur antyder at klimaendringer sannsynligvis vil desimere avlingene med mindre vi kan finne nye måter å hjelpe planter med å takle tørke, enorme temperatursvingninger og annet ekstremvær som sannsynligvis vil bli vanlig i tiårene fremover.
Hvis noe ikke blir gjort, vil vi se store fall i produksjonen over store områder av maisbeltet og Great Plains, sier Hatfield. Enten skal vi endre avlingene vi produserer, eller vi må tenke på hvordan vi genetisk manipulerer den planten for å ha en høyere toleranse for høyere temperatur.
Slutten på Goldilocks
Det er selvfølgelig en kjent ring til de alvorlige spådommene. Verdens ledere på begynnelsen av 1970-tallet var så bekymret for at økende befolkning, økende forurensning og høye matvarepriser ville skape en akutt matkrise ved begynnelsen av det 21. århundre at FN innkalte til en konferanse i Roma. Tiden er knapp, erklærte medlemslandene etter konferansen, i 1975. Haster og vedvarende handling er avgjørende.
I årene som fulgte førte imidlertid avlinger med høy avkastning, en bredere bruk av vanning, gårdsmekanisering og introduksjonen av syntetisk gjødsel og plantevernmidler til en grønn revolusjon, som dramatisk økte landbruksproduksjonen mange steder rundt om i verden.
Nå har veksttakten begynt å avta. Vannet er kort i mange områder, noe som begrenser ytterligere utvidelse av vanning. Og det er vanskelig å forestille seg å bruke enda mer gjødsel og sprøytemidler. Det er allerede et åpent spørsmål om vi vil være i stand til å fortsette å finne opp disse nye teknologiene og ledelsespraksisen som lar produktiviteten mer enn holde tritt med etterspørselen, sier Marshall Burke, en Stanford-økonom som fokuserer på klimaendringer. Men klimaet kommer garantert til å gjøre det mye vanskeligere.
I tillegg gjør global oppvarming allerede sine virkninger. I 2011 så Columbia University-økonomen Wolfram Schlenker og Stanford-økologen David Lobell på hva som skjedde med avlingsavlingene da temperaturen steg mellom 1980 og 2008. De fant at den globale maisproduksjonen (unntatt USA) falt 3,8 % og hveteproduksjonen falt 5,5 % i forhold til hva det ellers ville vært. Økningen i varme dager og netter forklarer omtrent halvparten av all variasjon i maisavling. Høyere temperaturer hjelper opp til et punkt, mellom omtrent 50 °F og 84 °F, men varmere enn det og gir stuper.
For å få en følelse av hva alt dette kan gjøre med globale matvarepriser, foreslår Schlenker å se på hva som skjedde i 2012, forrige gang det amerikanske Midtvesten opplevde en sommer med temperaturer som kan sammenlignes med det klimatologenes prosjekt vil bli normen ved slutten av århundret. . Regionens produksjon av mais falt med 25 % og soyabønner med 10 %. Det utgjør et fall på rundt 4 % til 5 % i den totale globale kaloriproduksjonen – forhold der vi kan forvente at matprisene vil stige med så mye som 30 %, sier han.
Planter i kammeret vil bli nøye overvåket av en rekke sensorer. USDA-forskerne måler hvordan hver plante gjør det under de varierte forholdene. Kathryn Gamble
Til tross for noen få slike dårlige år, har bønder i Midtvesten hatt en tiår lang økning i produktiviteten, noe som maskerer bekymringene for fremtiden. Det er en Goldilocks-sone for temperatur, fuktighet og nedbør, og klimaendringer har for det meste presset midten av USA lenger inn i den, sier Gene Takle, tidligere mangeårig direktør for Iowa State sitt klimavitenskapsprogram. Den største endringen i Iowa til dags dato har vært økt nedbør i april, mai og juni – det har økt med nesten 25 % i løpet av de siste tre tiårene. Dette ekstra regnet, forårsaket av samspillet mellom vindmønstre og oppvarmende vann i Mexicogulfen, har tvunget bøndene til å bruke mer penger på dreneringsfliser og lignende for å tilpasse seg, og det har forskjøvet plantesesongen. Men det kombinerte resultatet av teknologiske fremskritt og mer gunstig klima er at avkastningen har steget 28 % over Midtvesten. Det er ganske god enighet om at klimaendringene har vært gunstige for landbruket til dette punktet, sier Takle.
Disse trendene vil imidlertid snu; hvor ekspertene er uenige er om nøyaktig når. Takle siterer en modell som viser at den positive trenden i produktivitet vil snu innen 2035, og oppheve alle gevinstene som er sett siden 1981. Og avkastningen vil bare fortsette å falle derfra. Vi er på vippen akkurat nå, sier han.
Den siste dagen dyttet han et stykke papir over et bord. Den var full av fargerike diagrammer og kulepunkter, som beskriver virkningen av klimaendringene til dags dato på lokalt landbruk, med de positive punktene i grønt og de negative i rødt. Blant de røde punktene: flere skadedyr overlevde vinteren, og vannmettet jord reduserte antall dager bøndene kunne jobbe på åkrene. (I 2013 hadde nordvest Iowa 700 000 dekar – 283 000 hektar – som ikke kunne plantes av den grunn.) Men det var mye grønt også.
Så snudde han siden for å vise hvordan ting ville se ut i 2050. Det var ikke noe grønt på denne siden – bare en lang liste med rødt. Intense vårregn vil gjøre feltarbeid tidlig i sesongen vanskeligere, forventer Takle. Det blir mer flom; den varmeste dagen blir 7 °F varmere. Annenhvert år vil se minst én femdagers periode når ekstrem varme vil føre til at mais- og soyabønner pollinering svikter og vegetativ vekst stopper opp.
Vi har mange problemer med å komme ned gjedda, sier han.
Ny genetikk
Jobben til Hatfield, USDA-agronomen, er å overvåke virkningen av miljøforhold på landets bønder og identifisere potensielle løsninger. Han satt på kontoret sitt den siste dagen og krysset av for en lang liste med bekymringer. Den brune marmorerte stinkfeilen dukket opp i USA på slutten av 1990-tallet, og ettersom temperaturen stiger i løpet av de neste 30 årene, vil rekkevidden utvides helt opp til Canada, og skade et bredt utvalg av avlinger. Palmer-amaranth, et ugressbestandig ugress som lever i spesielle mikroklimaer og så langt har truet hovedsakelig soya- og bomullsavlinger i sør, vil likeledes spre seg nordover og bli allestedsnærværende.
Så er det den økende jordsaltinnholdet i Nord- og Sør-Dakota, som kan ta betydelige landområder ut av rotasjon på mindre enn et tiår hvis dagens trender fortsetter med uforminsket styrke. Problemet er at takket være det endrede klimaet og endrede økonomiske insentiver, bytter bønder i Dakotas som tradisjonelt har dyrket hvete, sukkerroer, høy og raps i rotasjon i økende grad til mais og soyabønner. Men de nye avlingene er dårlig egnet til de våte tidlige vårene i Dakotas, og lar grunnvannsnivået stige og fordampe, og etterlater salt som skader jorda.
Den største bekymringen er hva klimaendringene vil gjøre for avlingene i USAs brødkurv i tiårene fremover. Hatfield har blitt overbevist om at ingen policy-fix eller endring i forvaltningspraksis alene vil være nok til å overvinne de naturlige grensene til planter og de kommende værekstremitetene. Derfor har han bestemt seg for å vende seg til avansert genetikk.
I de kommende månedene planlegger Hatfield å gjenta eksperimentet sitt som simulerer fremtidige vekstsesonger. Men denne gangen skal han undersøke nøyaktig hvordan forholdene påvirker hvilke gener som slås av og på i mais og hvete. Håpet er å identifisere måter å kontrollere disse bryterne på molekylært nivå for å hjelpe plantene med å tilpasse seg forholdene de vil møte.
Det er tidlig for arbeidet med mais, hvete og soyabønner. Men i andre avlinger har oppdrettere identifisert tilpasninger og utnyttet dem for å løse utfordringer fra klimaendringene. Noen av de mest vellykkede har blitt sett i de risdyrkende områdene i verden.
Ris kan tolerere en viss grad av flom - kan faktisk ha nytte, fordi oversvømmelsen kan drepe ugress. Så lenge risstilkene er delvis over vann, kan plantene absorbere luften de trenger. Men hvis toppen av plantene er nedsenket, kan de kveles.
Vil du spise i fremtiden? Det er det som står på spill. Men vi må finne ut av det, for vi har ikke noe annet valg.
I 2006 klonet forskere et gen kalt Sub1 i en lokal sørasiatisk risstamme. Genet gir ris nedsenkningstoleranse. Når planten er under vann, slås genet på og setter planten i suspendert animasjon. Genet slår seg av så snart toppen av risskuddet er tilbake over vannet. I motsetning til enkelte egenskaper som øker stresstoleransen, Sub1 genet ser ikke ut til å redusere utbyttet nevneverdig når det ikke er flom – og når det er, fortsetter planten å vokse med ekstra kraft etterpå, sier Susan McCouch, professor i planteavl og genetikk ved Cornell University.
I 2009 konstruerte International Rice Research Institute egenskapen til åtte varianter av ris og begynte å distribuere dem til bønder. Den brukes nå av 10 millioner bønder, på rundt 10 millioner hektar land.
Kathryn Gamble
Vil spise?
Selv om det ennå ikke er funnet noe som kan sammenlignes med vannmotstanden i ris for mais, har kommersielle frøselskaper avlet tørkebestandige stammer i mer enn et tiår. Robert Reiter, leder for R&D for Bayers crop science divisjon, forklarer hvordan selskapet søker etter motstandsdyktige raser. Først digitaliserer den DNA-sekvensinformasjon og katalogiserer kjente egenskaper for flere millioner linjer med planter. Ved å bruke dataene trener den deretter maskinlæringsalgoritmer for å screene millioner av andre stammer for nyttige egenskaper.
For eksempel har Bayer avlet frem egenskaper plukket opp fra varmetolerante og tørkebestandige stammer i Mexico til høyytende stammer tilpasset det amerikanske markedet. Reiter sier at under en tørke i 2012 i det amerikanske Midtvesten, var utbyttet mer enn det dobbelte av det de var i 1988, forrige gang en tørke av tilsvarende alvorlighetsgrad inntraff.
Men tilnærmingen har sine grenser. Planter tåler bare et visst stressnivå, og timing er en stor faktor, sier han. Hvis du har ekstremt høye temperaturer under blomstringsprosessen, vil du se en viss innvirkning på utbyttet ... Det vi kan gjøre er bare å prøve å minimere effekten.
Hatfield håper å overvinne noen av disse begrensningene ved å simulere fremtidige vekstforhold. Slike simuleringer, håper han, kan bidra til å identifisere ukjente genetiske veier som planter kan bruke for å tilpasse seg fremtidige endringer i vær og vekstforhold.
Det er et komplekst puslespill som vi bare har begynt å jobbe med. Og Hatfield bemerker at det er vanskelig å redegjøre for kombinasjonen av faktorer som bønder i Midtvesten sannsynligvis vil møte, inkludert skiftende nedbørsmønstre, ekstrem varme, dramatiske værsvingninger, en hel rekke nye skadedyr, og kanskje utfordringer vi ennå ikke engang har forutsett. Men han er tydelig på hvorfor han gjør det.
Vil du spise i fremtiden? han sier. Det er det som står på spill. Men vi må finne ut av det, for vi har ikke noe annet valg.