Эффект кондиционера

Хотя человечество с помощью технологий уже научилось получать высокие урожаи разных культур, но климатические изменения все настойчивее вносят свои коррективы в раскрытие потенциала их урожайности. Кукуруза – не исключение. В мире не без оснований обеспокоены тем, что дальше будет с урожаями. Так, опубликованные данные Межправительственной группы по вопросам изменения климата (орган ООН) и Национальной климатической оценки правительства США подтверждают, что засухи, перепады температур и рост активности насекомых-вредителей все больше будут наносить ущерб сельскому хозяйству во всем мире.

Впрочем, есть специалисты, которые надеются, что человечество сможет выдержать климатические изменения, адаптировавшись к ним, а фермеры преодолеть последствия климатических угроз, регулируя способ выращивания сельскохозяйственных культур. Во всяком случае, исследование американских ученых, основанное на анализе урожайности кукурузы в США за последние несколько десятилетий, о которых рассказывает Inside Science, подтверждает это мнение.

Технологическая система

Объектом своих исследований ученый Натан Мюллер из Калифорнийского университета и его коллеги избрали кукурузу – популярнейшую культуру в США. Они изучили температурные тенденции на Среднем Западе, проанализировали, как фермеры корректировали свои методы сева кукурузы в зависимости от погодных условий и в результате доказали, что за эти десятилетия американские фермеры вырастили больше кукурузы.

Натан Мюллер сравнивает кукурузное поле с очень настроенной технологической системой. Ведь в современное американское кукурузное поле было вложено миллиарды долларов на проведение исследований, что дало возможность людям контролировать весь процесс — от прорастания семян до созревания зерна, от содержания питательных веществ в почве до густоты растений и угла расположения листа по солнцу. Возможно, никакая другая культура не извлекла столько пользы от этой технологической интервенции, как кукуруза. Неудивительно, что некоторые эксперты считают, что среди всех культур кукуруза может быть скорее исключением, а не правилом, примером адаптации к новым климатическим условиям.

Об изменениях климата упорно говорят последние годы, но на самом деле они проходят давно. По сообщениям NASA, за последние четыре десятилетия средняя температура в мире выросла почти на один градус по Фаренгейту. Это одновременно и хорошо, и плохо для фермеров: с одной стороны, она обеспечивает более продолжительные сезоны вегетации, с другой — увеличивает вероятность наступления высоких температур, уничтожающих урожай, расширяет ареал некоторых вредителей и способствует более сильным засухам.

Однако не все регионы Земли претерпевают одинаковые изменения. Начавшиеся в начале 2000-х годов исследования показали, что в некоторых сельскохозяйственных регионах мира наблюдается более сдержанная тенденция к потеплению, в том числе и летом. Так, летний дневной максимум в значительной части кукурузного пояса в США, а это широкий массив сельской местности на Среднем Западе, пересекающий посредине штаты Огайо, Индиана и Иллинойс, охватывая части 12 штатов, на самом деле немного просел.

Эффект кондиционирования

Несколько лет назад Натан Мюллер работал в Гарвардском университете со своим коллегой Итаном Батлером. Они решили исследовать, каким образом, по их высказыванию, особенно приятная погода влияет на урожайность растений. Выяснилось, что это напрямую связано с физиологией растений. Известно, что в процессе транспирации растения извлекают воду из почвы и выделяют часть ее через устьица листьев. Таким образом транспирационные испарения из вегетирующих растений охлаждают земную поверхность. То есть поля (а также леса) фактически действуют как гигантские кондиционеры на улице.

Чем гуще посевы — тем больше площадь испарения. А мы знаем, что селекционеры создали немало гибридов кукурузы, выдерживающих загущенные посевы. В условиях американского среднего мероприятия, где, по данным метеорологов, весны стали более влажными, поэтому почвы также содержат больше воды, которую используют растения во время вегетации, больше растений на акр означает большее испарение, а затем и большее охлаждение посевов.

Мюллер и его коллеги проанализировали данные о температурных показателях и посевах кукурузы среднезападных штатов и в 2015 году сообщили, что из самых продуктивных кукурузных полей испарялось достаточное количество воды, которая за последние несколько десятилетий буквально изменила климат в регионе. Эффект испарения смягчил стресс от высоких температур в самые жаркие летние дни, чаще всего негативно влияющие на состояние растения или даже приводящие к их гибели.

Кстати, из-за этой благоприятной погоды, на которую влияют сами растения, среднезападные американские фермеры достаточно скептически относятся к антропогенным изменениям климата, которые способствуют глобальному потеплению, потому что температуры на Среднем Западе не выросли.

Чтобы понять, просто ли фермеры пассивно получали выгоду от благоприятных изменений климата или приспосабливались, чтобы максимально их использовать, Батлер и Мюллер вместе с гарвардским климатологом Питером Хайберсом создали компьютерную модель, которая разбивает вегетационный сезон на три периода. В первый период растения прорастают и начинают вегетацию, во время второго они опыляются, во время третьего формируется зерно. Исследователи использовали данные Министерства сельского хозяйства США о сроках развития и урожайности в штате и стране, а также данные метеостанций относительно температурного режима для количественной оценки уязвимости кукурузы в течение каждого периода вегетации с 1981 по 2017 год.

В результате они обнаружили, что весенние температуры стали выше, на что фермеры реагировали более ранними сроками сева кукурузы — на несколько недель. Это привело к тому, что растения лучше выдерживают период опыления, который является самым чувствительным к высоким температурам — прежде чем наступят самые жаркие дни. Это дало растениям больше времени в конце лета для формирования большого зерна. В целом урожайность кукурузы на Среднем Западе за период исследования выросла почти вдвое — с 2,7 до 4,9 т/акр.

Используя свою модель по разным сценариям, исследователи определили, что доля прироста урожая, который можно было бы отнести к более длительному вегетационному периоду в сочетании с эффектом кондиционирования, составила 28%. Остальные 72% были обусловлены технологическим и селекционным достижением, увеличением роста растений вследствие повышения уровня углерода и других факторов.

Батлер и Мюллер также смоделировали, какие урожаи кукурузы могли бы получать фермеры, если бы использовали более ранние сроки сева в течение первого десятилетия исследования с 1981 по 1990 год. Исследователи обнаружили, что в тех климатических условиях фермеры могли бы генерировать дополнительные 40 фунтов кукурузы на акр. По их мнению, результаты исследований, изложенных в материалах Национальной академии наук, свидетельствуют о том, что фермеры в определенной степени приспособились к благоприятным климатическим изменениям.

Правильность этих выводов подтверждает и фермерская практика. Так, фермер Рэй Гессер, обрабатывающий 5000 акров кукурузы и сои на юго-западе штата Айова, заявил, что исследование соответствует его опыту. Он приобрел семена гибридов и сортов, которые могут выдерживать холодную, влажную почву и оборудование, что позволяет ему быстро сеять много акров между весенними дождями. Как следствие, культуры Гессера созревают раньше недели, чем четыре десятилетия назад, когда он начал хозяйствовать, а урожайность кукурузы увеличилась на 80%.

В свою очередь селекционные компании также сыграли свою роль в увеличении урожайности, скрещивая высокопроизводительные американские разновидности кукурузы с более термостойкими мексиканскими. В сочетании с передовыми геномными методами, такая практика может поддерживать урожайность даже при дальнейшем ухудшении климата, считают в одной американской транснациональной компании.

Быть готовым к плохим временам 

Впрочем, после опубликования исследований Мюллера и Батлера у экспертов не становится меньше вопросов. Помогают ли подобные эффекты другим культурам и другим регионам? В исследовании 2017 года Мюллер нашел доказательства летнего охлаждения посевов в Канаде, Китае и Аргентине. Воспользуются ли фермеры этих стран более длительными вегетационными периодами? Это проверить будет труднее, ведь немногие, кроме США, публикуют такую ​​мелкую сельскохозяйственную статистику. О Китае, одном из важнейших в мире сельскохозяйственных регионов, речь даже не идет.

В то же время есть сомнения, что многие другие фермеры получают выгоду от изменения климата в такой же степени, потому что немногие культуры выигрывают от загущения, как кукуруза. Кроме того, другие фермеры не имеют достаточного капитала, чтобы позволить себе дорогостоящее оборудование, как американские фермеры Среднего Запада. Как и правительство, готовое поддержать рискованные решения с помощью субсидий на страхование урожая.

Однако смогут ли фермеры и дальше платить за такие меры, когда климатические проблемы станут серьезнее? Так, проанализировав в 2014 году урожайность пшеницы и кукурузы за пределами США, ученые выяснили, что она несколько снизилась из-за потепления. Влияние изменений климата на урожаи риса и сои было более неоднозначным.

В Америке ситуация тоже начинает беспокоить фермеров. К примеру, Рэй Гессер признал, что последствия изменения климата уже угрожают урожаю. В последние несколько лет на его полях дождливых бурь было гораздо больше. Он начал сеять больше покровных культур, чтобы помочь почвам содержать воду и питательные вещества. Кроме того, он планирует вырыть пруды, куда бы стекала вода после сильных дождей, и использовать ее во время засух. Вместе с тем он признает, что если климат изменится слишком быстро, даже этих шагов может быть недостаточно.

Итан Батлер разделяет такие опасения фермера из Айовы относительно будущего. На самом деле, его исследования и Мюллера, несмотря на его, казалось бы, положительный месседж, свидетельствуют о том, что не стоит сильно полагаться на адаптацию фермера к новым реалиям. Когда на Среднем Западе в 2012 году произошла засуха – первая в регионе крупная засуха с 1988 года, урожайность кукурузы упала на 26%. Батлер предполагает, что когда в грунте воды не было для испарительного охлаждения, загущенные посевы оказались еще более уязвимыми к тепловому стрессу. Иными словами, тот самый механизм, который помогал кукурузе в хорошее время, может навредить ей в плохих условиях. А с изменением климата прогнозируется, что плохие времена наступят быстрее.