Det amerikanske midtvest vil brødføde en opvarmende verden. Men hvor længe?

Stigende temperaturer vil bringe det amerikanske majsbælte i fare, en nøglekilde til kalorier for den voksende globale befolkning.

Ved

• Adam Piore arkiv side

24. april 2019

Foto af indendørs dyrkede majsplanter Kathryn Gamble

Det er en bitter kold martsmorgen i Ames, Iowa, og de vidtstrakte kornmarker uden for byen er begravet under et par centimeter is og sne. Men det er varmt og fugtigt inde i de specialbyggede vækstkamre på campus ved Iowa State University.

Blindende skarpe lys slår ned på en trio af firkanter, der hver indeholder tæt på 7.000 pund (3.175 kg) jord, sunket fem fod (1,5 meter) ned i gulvet. Den konstante cirkulation af blæsere, der sikrer luftcirkulation og ensartede temperaturer i hele rummet, ekko fra væggene. Med få centimeters mellemrum sporer en række infrarøde termometre og fugtsensorer mikroklimaet omkring planternes blade.

Denne historie var en del af vores maj 2019-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Inde i disse vækstkamre er det fremtiden. Og Jerry Hatfield, en elskværdig agronom, der leder det amerikanske landbrugsministeriums nationale laboratorium for landbrug og miljø, kan ikke lide, hvad han ser.

Enten vil vi ændre de afgrøder, vi producerer, eller også bliver vi nødt til at tænke på, hvordan vi genetisk manipulerer den plante for at have en højere tolerance over for højere temperatur.

For tre år siden brugte Hatfield vækstkamrene til at finde ud af, hvordan lokale afgrøder ville klare sig under de temperaturer, der blev forudsagt for regionen i 2100, som forventes at stige omkring 4 °C i gennemsnit, eller omkring 7,2 °F. Han simulerede en vækstsæson, fra 1. april til 30. oktober, for tre forskellige majsstammer, der blev brugt af bønder i området. I et kammer startede Hatfield temperaturen ved lige omkring 50 °F (10 °C) for at efterligne forholdene i begyndelsen af ​​april, hævede den et godt stykke over 100 °F (38 °C) for at simulere de varme sommerdage (så højt som 114 °C) F i kammeret med 2100 betingelser), og bragte det så ned igen til efteråret. I et andet kammer simulerede han regionens nuværende, køligere klimanormer.

Forskellene mellem planterne i de to kamre var skarpe. Mens bladene så ens ud, var virkningen af ​​de ekstra 7,2 °F langt værre end forventet af selv den mest pessimistiske videnskabelige litteratur. Antallet af majskerner pr. plante styrtdykkede, i nogle tilfælde med 84%. Nogle planter producerede slet ingen kerner.

Inde i vækstkamre som dette vil planter blive dyrket under simulerede forhold. Kathryn Gamble

Det var blot det første i en række alarmerende resultater. I de efterfølgende måneder simulerede Hatfield og hans kolleger de stigende temperaturer og ændrede nedbørsmønstre, der forventes at ramme hvedemarkerne i Salina, Kansas, så snart 2050. Udbyttet faldt med så meget som 30 % med lav nedbør og så meget som 70 % med kombinationen af ​​høje temperaturer og lav nedbør, der forventes i de kommende årtier.

Hidtil har det været relativt nemt for amerikanske landmænd at trække sig fra klimaændringerne. Når alt kommer til alt, under de mest optimistiske modeller, forventes det forventede amerikanske udbytte for majs og sojabønner – som dyrkes på 75 % af agerjorden i Midtvesten – faktisk at stige gennem 2050 takket være varmere vejr, der vil gavne det relativt kølige nordlige område. himmelstrøg. Men derefter, hvis Hatfield har ret, vil udbyttet falde fra en klippe, ødelægge bønder og efterlade en stor del af verden mere sulten.

I 2050 forventes verdens befolkning at vokse til 9,7 milliarder. I takt med at levestandarden og kostvanerne også forbedres rundt om i verden, vil fødevareproduktionen skulle stige med 50 % på et tidspunkt, hvor klimaændringer vil være med til at gøre både Afrika syd for Sahara og Østasien ude af stand til at opfylde deres egne behov uden import. Allerede amerikanske majs og sojabønner tegner sig for 17% af verdens kalorieproduktion. FN's fødevare- og landbrugsorganisation regner med, at den amerikanske eksport af majs næsten skal tredobles i 2050 for at imødekomme underskuddet, mens den amerikanske sojaeksport vil skulle stige med mere end 50%. Al denne ekstra mad skal dyrkes uden at bruge væsentlig mere jord. Det betyder, at det kommer til at handle om udbytte - produktiviteten af ​​afgrøden.

Og det er det, der har Hatfield så bekymret. En voksende mængde videnskabelig litteratur tyder på, at klimaændringer sandsynligvis vil decimere udbyttet, medmindre vi kan finde nye måder at hjælpe planterne med at klare tørken, store temperaturudsving og andet ekstremt vejr, der sandsynligvis vil blive almindeligt i de kommende årtier.

Hvis noget ikke bliver gjort, vil vi se store fald i produktionen på tværs af store områder af majsbæltet og Great Plains, siger Hatfield. Enten vil vi ændre de afgrøder, vi producerer, eller også bliver vi nødt til at tænke på, hvordan vi genetisk manipulerer den plante for at have en højere tolerance over for højere temperatur.

Slutningen af ​​Guldlok

Der er selvfølgelig en velkendt klang til de dystre forudsigelser. Verdens ledere i begyndelsen af ​​1970'erne var så bekymrede for, at stigende befolkninger, stigende forurening og stigende fødevarepriser ville skabe en akut fødevarekrise ved begyndelsen af ​​det 21. århundrede, at FN indkaldte til en konference i Rom. Tiden er knap, erklærede medlemslandene efter konferencen i 1975. En hurtig og vedvarende indsats er afgørende.

I årene efter førte højudbytteafgrøder, en bredere brug af kunstvanding, landbrugsmekanisering og introduktionen af ​​syntetisk gødning og pesticider imidlertid til en grøn revolution, der dramatisk øgede landbrugsproduktionen mange steder rundt om i verden.

Nu er væksttempoet begyndt at aftage. Vand er kort i mange områder, hvilket begrænser yderligere udvidelse af kunstvanding. Og det er svært at forestille sig at bruge endnu mere gødning og pesticider. Det er allerede et åbent spørgsmål, om vi vil være i stand til at blive ved med at opfinde disse nye teknologier og ledelsespraksis, der tillader produktiviteten mere end at følge med efterspørgslen, siger Marshall Burke, en Stanford-økonom, der fokuserer på klimaændringer. Men klimaet vil helt sikkert gøre det meget sværere.

Hvad mere er, er den globale opvarmning allerede ved at mærke sine virkninger. I 2011 så Columbia University-økonomen Wolfram Schlenker og Stanford-økologen David Lobell på, hvad der skete med afgrødeudbyttet, da temperaturerne steg mellem 1980 og 2008. De fandt ud af, at den globale majsproduktion (ekskl. USA) faldt 3,8 %, og hvedeproduktionen faldt 5,5 % i forhold til hvad det ellers ville have været. Stigningen i varme dage og nætter forklarer omkring halvdelen af ​​al variation i majsudbytte. Højere temperaturer hjælper op til et punkt, mellem omkring 50 ° F og 84 ° F, men varmere end det og udbyttet falder.

For at få en fornemmelse af, hvad alt dette kan gøre ved de globale fødevarepriser, foreslår Schlenker at se på, hvad der skete i 2012, sidste gang det amerikanske midtvest oplevede en sommer med temperaturer, der kan sammenlignes med, hvad klimatologers projekt vil blive normen i slutningen af ​​århundredet. . Regionens produktion af majs faldt med 25% og sojabønner med 10%. Det udgør omkring et fald på 4% til 5% i den samlede globale kalorieproduktion - forhold, hvorunder vi kan forvente, at fødevarepriserne stiger med så meget som 30%, siger han.

Planter i kammeret vil blive nøje overvåget af en række sensorer. USDA-forskerne måler, hvordan hver plante klarer sig under de forskellige forhold. Kathryn Gamble

På trods af et par så dårlige år har landmænd i Midtvesten dog nydt en årtier lang stigning i produktiviteten, hvilket maskerer bekymringerne om fremtiden. Der er en Goldilocks-zone for temperatur, luftfugtighed og nedbør, og klimaændringer har for det meste skubbet midten af ​​USA længere ind i det, siger Gene Takle, tidligere mangeårig direktør for Iowa State's klimavidenskabsprogram. Den største ændring i Iowa til dato har været øget nedbør i april, maj og juni - det er steget med næsten 25 % i løbet af de sidste tre årtier. Denne ekstra regn, forårsaget af samspillet mellem vindmønstre og det varme vand i Den Mexicanske Golf, har tvunget landmændene til at bruge flere penge på drænfliser og lignende for at tilpasse sig, og det har flyttet plantesæsonen. Men det kombinerede resultat af teknologiske fremskridt og mere gunstigt klima er, at udbyttet er steget 28% i hele Midtvesten. Der er ret god enighed om, at klimaforandringerne har været gunstige for landbruget til dette punkt, siger Takle.

Disse tendenser vil dog vende; hvor eksperterne er uenige er præcis hvornår. Takle citerer en model, der viser, at den positive tendens i produktiviteten vil vende inden 2035, hvilket vil ophæve alle de gevinster, der er set siden 1981. Og udbyttet vil kun fortsætte med at falde derfra. Vi er på vippen lige nu, siger han.

På en nylig dag skubbede han et stykke papir hen over et bord. Den var fuld af farverige diagrammer og punktopstillinger, der detaljerede indvirkningen af ​​klimaændringer til dato på lokalt landbrug, med de positive angivet med grønt og de negative med rødt. Blandt de røde punkter: flere skadedyr overlevede vinteren, og vandfyldt jord reducerede antallet af dage, bønderne kunne arbejde på markerne. (I 2013 havde det nordvestlige Iowa 700.000 acres - 283.000 hektar - som ikke kunne plantes af den grund.) Men der var også masser af grønt.

Så vendte han siden for at vise, hvordan tingene ville se ud i 2050. Der var ikke noget grønt på denne side - kun en lang liste med rødt. Intens forårsregn vil gøre markarbejdet tidligt på sæsonen sværere, forventer Takle. Der vil være flere oversvømmelser; den varmeste dag bliver 7 °F varmere. Hvert andet år vil se mindst en fem-dages periode, hvor ekstrem varme vil få majs- og sojabønnebestøvning til at svigte, og vegetativ vækst går i stå.

Vi har mange problemer med at komme ned ad gedden, siger han.

Ny genetik

Hatfield, USDA-agronomens opgave, er at overvåge virkningen af ​​miljøforhold på landets landmænd og identificere potentielle løsninger. Da han sad på sit kontor en dag for nylig, afkrydsede han en lang liste af bekymringer. Den brune marmorerede stinkbug dukkede op i USA i slutningen af ​​1990'erne, og efterhånden som temperaturerne stiger i løbet af de næste 30 år, vil dens rækkevidde udvide sig helt op til Canada og ødelægge en bred vifte af afgrøder. Palmer amaranth, et herbicid-resistent ukrudt, der lever i særlige mikroklimaer og hidtil har truet hovedsageligt sojabønne- og bomuldsafgrøder i syd, vil ligeledes spredes nordpå og blive allestedsnærværende.

Så er der den stigende jordsaltholdighed i Nord- og South Dakota, som kan tage betydelige områder af jord ud af rotation på mindre end et årti, hvis de nuværende tendenser fortsætter uformindsket. Problemet er, at takket være det ændrede klima og ændrede økonomiske incitamenter skifter bønder i Dakotas, som traditionelt har dyrket hvede, sukkerroer, hø og raps i omdrift, i stigende grad til majs og sojabønner. Men de nye afgrøder er dårligt egnede til de våde tidlige forår i Dakotas, hvilket tillader grundvandsspejlet at stige og fordampe, hvilket efterlader salt, der skader jorden.

Den største bekymring er, hvad klimaændringer vil gøre for afgrødeudbyttet i Amerikas brødkurv i de kommende årtier. Hatfield er blevet overbevist om, at ingen politikløsning eller ændring i forvaltningspraksis alene vil være nok til at overvinde planternes naturlige grænser og de kommende ekstreme vejrforhold. Derfor har han besluttet at vende sig til avanceret genetik.

I de kommende måneder planlægger Hatfield at gentage sit eksperiment, der simulerer fremtidige vækstsæsoner. Men denne gang vil han undersøge præcist, hvordan forholdene påvirker, hvilke gener der tændes og slukkes i majs og hvede. Håbet er at identificere måder at kontrollere disse molekylære kontakter for at hjælpe planterne med at tilpasse sig de forhold, de vil møde.

Det er tidlige dage for arbejdet med majs, hvede og sojabønner. Men i andre afgrøder har opdrættere identificeret tilpasninger og udnyttet dem til at løse udfordringer fra klimaændringer. Nogle af de mest succesrige er blevet set i de risdyrkende områder i verden.

Ris kan tåle en vis grad af oversvømmelse - kan faktisk gavne, fordi oversvømmelsen kan dræbe ukrudt. Så længe risstilkene er delvist over vand, kan planterne optage den luft, de har brug for. Men hvis toppen af ​​planterne er nedsænket, kan de kvæles.

Vil du spise i fremtiden? Det er det, der er på spil. Men vi bliver nødt til at finde ud af det, for vi har ikke noget andet valg.

I 2006 klonede forskere et gen kaldet Sub1 i en lokal sydasiatisk risstamme. Genet giver ris nedsænkningstolerance. Når planten er under vandet, tændes genet og sætter planten i suspenderet animation. Genet slukker, så snart toppen af ​​risskuddet er tilbage over vandet. I modsætning til nogle egenskaber, der øger stresstolerance, er den Sub1 genet ser ikke ud til at reducere udbyttet markant, når der ikke er oversvømmelser - og når der er, genoptager planten væksten med ekstra kraft bagefter, siger Susan McCouch, professor i planteavl og genetik ved Cornell University.

I 2009 konstruerede International Rice Research Institute egenskaben til otte varianter af ris og begyndte at distribuere dem til landmænd. Det bruges nu af 10 millioner landmænd på omkring 10 millioner hektar jord.

Kathryn Gamble

Vil spise?

Selvom der endnu ikke er fundet noget, der kan sammenlignes med vandbestandigheden i ris for majs, har kommercielle frøfirmaer opdrættet tørkeresistente stammer i mere end et årti. Robert Reiter, leder af R&D for Bayers afdeling for afgrødevidenskab, forklarer, hvordan virksomheden søger efter modstandsdygtige racer. For det første digitaliserer den DNA-sekvensinformation og katalogiserer kendte egenskaber for flere millioner linjer af planter. Ved at bruge dataene træner den derefter maskinlæringsalgoritmer til at screene millioner af andre stammer for nyttige egenskaber.

For eksempel har Bayer avlet egenskaber opsamlet fra varme-tolerante og tørke-resistente stammer i Mexico til højtydende stammer tilpasset det amerikanske marked. Reiter siger, at under en tørke i 2012 i det amerikanske midtvest, var udbyttet mere end det dobbelte af, hvad de var i 1988, sidste gang en tørke af tilsvarende alvorlighed ramte.

Men tilgangen har sine begrænsninger. Planter kan kun tåle et vist niveau af stress, og timing er en stor faktor, siger han. Hvis du har ekstremt høje temperaturer under blomstringen, vil du se en vis indvirkning på udbyttet ... Det, vi kan gøre, er blot at prøve at minimere påvirkningen.

Hatfield håber at overvinde nogle af disse begrænsninger ved at simulere fremtidige vækstbetingelser. Sådanne simuleringer, håber han, kan hjælpe med at identificere ukendte genetiske veje, som planter kan bruge til at tilpasse sig fremtidige ændringer i vejr- og vækstbetingelser.

Det er et komplekst puslespil, som vi først er begyndt at arbejde på. Og Hatfield bemærker, at det er svært at redegøre for kombinationen af ​​faktorer, som landmænd i Midtvesten sandsynligvis vil stå over for, herunder skiftende nedbørsmønstre, ekstrem varme, dramatiske udsving i vejret, en lang række nye skadedyr og måske udfordringer, vi endnu ikke engang har forudset. Men han er klar over, hvorfor han gør det.

Vil du spise i fremtiden? han siger. Det er det, der er på spil. Men vi bliver nødt til at finde ud af det, for vi har ikke noget andet valg.

skjule