Den amerikanska mellanvästern kommer att föda en värmande värld. Men hur länge?

Stigande temperaturer kommer att äventyra det amerikanska majsbältet, en nyckelkälla till kalorier för den växande globala befolkningen.

Förbi

• Adam Piore arkivsida

24 april 2019

Foto av inomhusodlade majsväxter Kathryn Gamble

Det är en bitter kall marsmorgon i Ames, Iowa, och de vidsträckta sädesfälten utanför staden ligger begravda under ett par centimeter av is och snö. Men det är varmt och fuktigt inne i de specialbyggda odlingskamrarna på campus vid Iowa State University.

Blindande starka ljus slår ner på en trio av rutor, som var och en innehåller nära 7 000 pund (3 175 kg) jord, sjunkit fem fot (1,5 meter) ner i golvet. Det konstanta gnället av fläktar, som säkerställer luftcirkulation och enhetliga temperaturer i hela rummet, ekar från väggarna. Med några centimeters mellanrum spårar en svit av infraröda termometrar och fuktsensorer mikroklimatet som omger växternas löv.

Den här historien var en del av vårt majnummer 2019

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Inuti dessa tillväxtkammare är det framtiden. Och Jerry Hatfield, en vänlig agronom som leder det amerikanska jordbruksdepartementets nationella laboratorium för jordbruk och miljö, gillar inte vad han ser.

Antingen kommer vi att ändra grödorna som vi producerar eller så måste vi tänka på hur vi genetiskt manipulerar den växten för att ha en högre tolerans mot högre temperatur.

För tre år sedan använde Hatfield tillväxtkamrarna för att ta reda på hur lokala grödor skulle prestera under de temperaturer som förutspåddes för regionen år 2100, som förväntas stiga med ungefär 4 °C i genomsnitt, eller cirka 7,2 °F. Han simulerade en växtsäsong, från 1 april till 30 oktober, för tre olika majsstammar som används av bönder i området. I en kammare startade Hatfield temperaturen på strax runt 50 °F (10 °C) för att efterlikna förhållanden i början av april, höjde den långt över 100 °F (38 °C) för att simulera de varma sommardagarna (så högt som 114 °C) F i kammaren med 2100 förhållanden), och förde sedan ner den igen till hösten. I en andra kammare simulerade han regionens nuvarande, kallare klimatnormer.

Skillnaderna mellan växterna i de två kamrarna var skarpa. Medan löven såg likadana ut, var effekten av de extra 7,2 °F mycket värre än vad som förväntas av även den mest pessimistiska vetenskapliga litteraturen. Antalet majskärnor per planta rasade, i vissa fall med 84%. Vissa växter producerade inga kärnor alls.

Inuti växtkammare som denna kommer växter att odlas under simulerade förhållanden. Kathryn Gamble

Det var bara det första i en rad alarmerande resultat. Under månaderna som följde simulerade Hatfield och hans kollegor de stigande temperaturerna och förändrade nederbördsmönster som förväntas träffa vetefälten i Salina, Kansas, så snart som 2050. Skördarna sjönk så mycket som 30 % med låg nederbörd och så mycket som 70 % med kombinationen av höga temperaturer och låg nederbörd som förväntas under de kommande decennierna.

Hittills har det varit relativt lätt för amerikanska bönder att undvika klimatförändringarna. När allt kommer omkring, enligt de mest optimistiska modellerna, förväntas den förväntade amerikanska skörden för majs och sojabönor – som odlas på 75 % av åkermarken i Mellanvästern – faktiskt öka fram till 2050, tack vare varmare väder som kommer att gynna den relativt svala norra delen av landet. klimat. Men efter det, om Hatfield har rätt, kommer avkastningen att falla från en klippa, förödande bönder och göra en stor del av världen hungrigare.

År 2050 förväntas jordens befolkning växa till 9,7 miljarder. Eftersom levnadsstandarden och dieten också förbättras runt om i världen kommer livsmedelsproduktionen att behöva öka med 50 % i en tid då klimatförändringarna kommer att bidra till att både Afrika söder om Sahara och Östasien inte kan tillgodose sina egna behov utan import. Redan amerikanska majs och sojabönor står för 17 % av världens kaloriproduktion. FN:s livsmedels- och jordbruksorganisation räknar med att den amerikanska exporten av majs nästan måste tredubblas till 2050 för att möta underskottet, medan den amerikanska sojaexporten skulle behöva öka med mer än 50 %. All denna extra mat måste odlas utan att använda betydligt mer mark. Det betyder att det kommer att handla om skörd - grödans produktivitet.

Och det är det som har Hatfield så orolig. En växande mängd vetenskaplig litteratur tyder på att klimatförändringarna sannolikt kommer att decimera avkastningen om vi inte kan hitta nya sätt att hjälpa växter att klara av torka, enorma temperaturfluktuationer och annat extremt väder som sannolikt kommer att bli vardagligt under de kommande decennierna.

Om något inte görs kommer vi att se stora nedgångar i produktionen över stora delar av majsbältet och Great Plains, säger Hatfield. Antingen kommer vi att ändra grödorna som vi producerar eller så måste vi tänka på hur vi genetiskt manipulerar den växten för att ha en högre tolerans mot högre temperatur.

Slutet på Goldilocks

Det finns naturligtvis en välbekant ring till de hemska förutsägelserna. Världens ledare i början av 1970-talet var så oroliga att ökande befolkningar, ökande föroreningar och stigande livsmedelspriser skulle skapa en akut livsmedelskris vid gryningen av 2000-talet att FN sammankallade en konferens i Rom. Tiden är knapp, förklarade medlemsländerna efter konferensen 1975. Brådskande och uthålliga åtgärder är avgörande.

Under åren som följde ledde dock högavkastande grödor, en bredare användning av bevattning, gårdsmekanisering och införandet av syntetiska gödningsmedel och bekämpningsmedel till en grön revolution, som dramatiskt ökade jordbruksproduktionen på många platser runt om i världen.

Nu har tillväxttakten börjat avta. Vatten är kort i många områden, vilket begränsar ytterligare utbyggnad av bevattning. Och det är svårt att föreställa sig att använda ännu mer gödningsmedel och bekämpningsmedel. Det är redan en öppen fråga om vi kommer att kunna fortsätta att uppfinna dessa nya teknologier och förvaltningsmetoder som gör att produktiviteten mer än kan hålla jämna steg med efterfrågan, säger Marshall Burke, en Stanford-ekonom som fokuserar på klimatförändringar. Men klimatet kommer säkert att göra det mycket svårare.

Dessutom gör den globala uppvärmningen redan sina effekter märkbara. 2011 tittade ekonomen Wolfram Schlenker från Columbia University och Stanford-ekologen David Lobell på vad som hände med skördarna när temperaturerna steg mellan 1980 och 2008. De fann att den globala majsproduktionen (exklusive USA) sjönk med 3,8 % och veteproduktionen sjönk med 5,5 % i förhållande till vad det annars skulle ha varit. Ökningen av varma dagar och nätter förklarar ungefär hälften av all variation i majsskörd. Högre temperaturer hjälper upp till en punkt, mellan ungefär 50 ° F och 84 ° F, men varmare än så och avkastningen sjunker.

För att få en känsla av vad allt detta kan göra med de globala livsmedelspriserna, föreslår Schlenker att titta på vad som hände 2012, förra gången den amerikanska mellanvästern upplevde en sommar med temperaturer jämförbara med vad klimatologernas projekt kommer att bli normen i slutet av seklet . Regionens produktion av majs minskade med 25 % och sojabönor med 10 %. Det utgör en minskning med cirka 4% till 5% av den totala globala kaloriproduktionen - förhållanden under vilka vi kan förvänta oss att livsmedelspriserna ska stiga med så mycket som 30%, säger han.

Växter i kammaren kommer att övervakas noggrant av en uppsättning sensorer. USDA-forskarna mäter hur varje växt klarar sig under de olika förhållandena. Kathryn Gamble

Trots några sådana dåliga år har bönder i Mellanvästern haft en decennier lång produktivitetsökning, vilket maskerar oron för framtiden. Det finns en Goldilocks-zon för temperatur, luftfuktighet och nederbörd, och klimatförändringarna har för det mesta drivit in mitten av USA längre in i det, säger Gene Takle, tidigare chef för Iowa State's klimatvetenskapsprogram. Den största förändringen i Iowa hittills har varit ökad nederbörd i april, maj och juni – den har ökat med nästan 25 % under de senaste tre decennierna. Detta extra regn, orsakat av samspelet mellan vindmönster och värmande vatten i Mexikanska golfen, har tvingat bönder att spendera mer pengar på dräneringsplattor och liknande för att anpassa sig, och det har förändrat planteringssäsongen. Men det kombinerade resultatet av tekniska framsteg och ett gynnsammare klimat är att avkastningen har ökat med 28 % i mellanvästern. Det finns ganska god enighet om att klimatförändringarna har varit gynnsamma för jordbruket hittills, säger Takle.

Dessa trender kommer dock att vända; där experterna är oense är om exakt när. Takle citerar en modell som visar att den positiva trenden i produktivitet kommer att vända till 2035, vilket gör att alla vinster som har setts sedan 1981 vänds. Och avkastningen kommer bara att fortsätta att falla därifrån. Vi är på vippen just nu, säger han.

En ny dag sköt han ett papper över ett bord. Den var full av färgglada diagram och punktpunkter, som beskriver klimatförändringarnas inverkan hittills på det lokala jordbruket, med de positiva i grönt och de negativa i rött. Bland de röda punkterna: fler skadedjur överlevde vintern, och vattensjuk jord minskade antalet dagar som bönder kunde arbeta på åkrarna. (2013 hade nordvästra Iowa 700 000 hektar – 283 000 hektar – som inte kunde planteras av den anledningen.) Men det fanns gott om grönt också.

Sedan vände han sidan för att visa hur saker och ting skulle se ut år 2050. Det fanns inget grönt på den här sidan – bara en lång lista med rött. Intensiva vårregn kommer att göra fältarbete tidigt på säsongen svårare, förväntar Takle. Det kommer att bli fler översvämningar; den varmaste dagen blir 7 °F varmare. Vartannat år kommer att se minst en femdagarsperiod då extrem värme kommer att göra att pollineringen av majs och sojabönor misslyckas och att den vegetativa tillväxten avstannar.

Vi har mycket problem att komma ner på gäddan, säger han.

Ny genetik

Hatfield, USDA-agronomens uppgift, är att övervaka miljöförhållandenas inverkan på landets bönder och identifiera potentiella lösningar. När han satt på sitt kontor en dag nyligen, bockade han av en lång lista med bekymmer. Den bruna marmorerade stinkbugen dök upp i USA i slutet av 1990-talet, och när temperaturerna stiger under de kommande 30 åren kommer dess sortiment att expandera ända upp till Kanada, vilket skadar ett brett utbud av grödor. Palmer amaranth, ett herbicidresistent ogräs som lever i särskilt mikroklimat och hittills har hotat främst sojabönor och bomullsgrödor i söder, kommer likaså att spridas norrut och bli allestädes närvarande.

Sedan finns det den ökande salthalten i marken i North och South Dakota, som skulle kunna ta betydande landområden ur rotation på mindre än ett decennium om nuvarande trender fortsätter med oförminskad styrka. Problemet är att tack vare det förändrade klimatet och förändrade ekonomiska incitament går bönder i Dakotas som traditionellt har odlat vete, sockerbetor, hö och raps i allt större omlopp till majs och sojabönor. Men de nya grödorna är dåligt lämpade för de våta tidiga vårarna i Dakotas, vilket gör att grundvattenytan kan stiga och avdunsta, vilket lämnar efter sig salt som skadar jorden.

Den största oron är vad klimatförändringarna kommer att göra för skördarna i Amerikas brödkorg under de kommande decennierna. Hatfield har blivit övertygad om att ingen policyfix eller förändring av förvaltningspraxis ensam kommer att räcka för att övervinna växternas naturliga gränser och de kommande extrema väderförhållandena. Det är därför han har bestämt sig för att vända sig till avancerad genetik.

Under de kommande månaderna planerar Hatfield att upprepa sitt experiment som simulerar framtida växtsäsonger. Men den här gången ska han undersöka exakt hur förhållandena påverkar vilka gener som slås på och av i majs och vete. Förhoppningen är att identifiera sätt att kontrollera dessa växlar på molekylär nivå för att hjälpa växterna att anpassa sig till de förhållanden de kommer att möta.

Det är tidiga dagar för arbetet med majs, vete och sojabönor. Men i andra grödor har uppfödare identifierat anpassningar och utnyttjat dem för att lösa utmaningar från klimatförändringarna. Några av de mest framgångsrika har setts i risodlingsområdena i världen.

Ris kan tolerera en viss grad av översvämning - kan faktiskt gynnas, eftersom översvämningen kan döda ogräs. Så länge risstjälkarna ligger delvis ovanför vattnet kan växterna ta upp den luft de behöver. Men om växternas toppar är nedsänkta kan de kvävas.

Vill du äta i framtiden? Det är det som står på spel. Men vi måste ta reda på det, för vi har inget annat val.

År 2006 klonade forskare en gen som heter Sub1 i en lokal sydasiatisk risstam. Genen ger ris nedsänkningstolerans. När växten är under vattnet slås genen på och sätter växten i svävande animation. Genen stängs av så fort toppen av risskottet är tillbaka över vattnet. Till skillnad från vissa egenskaper som ökar stresstoleransen Sub1 genen verkar inte avsevärt minska avkastningen när det inte finns några översvämningar – och när det finns, fortsätter växten att växa med extra kraft efteråt, säger Susan McCouch, professor i växtförädling och genetik vid Cornell University.

2009 konstruerade International Rice Research Institute egenskapen till åtta risvarianter och började distribuera dem till bönder. Den används nu av 10 miljoner bönder, på cirka 10 miljoner hektar mark.

Kathryn Gamble

Vill äta?

Även om inget som kan jämföras med vattenresistensen i ris ännu har hittats för majs, har kommersiella fröföretag avlat upp torkresistenta stammar i mer än ett decennium. Robert Reiter, chef för FoU för Bayers avdelning för gröda, förklarar hur företaget söker efter motståndskraftiga raser. Först digitaliserar den DNA-sekvensinformation och katalogiserar kända egenskaper för flera miljoner växtlinjer. Med hjälp av data tränar den sedan maskininlärningsalgoritmer för att screena miljontals andra stammar för användbara egenskaper.

Bayer har till exempel fött upp egenskaper som plockats upp från värmetoleranta och torkatåliga stammar i Mexiko till högavkastande stammar anpassade till den amerikanska marknaden. Reiter säger att under en torka 2012 i USA:s mellanvästern var avkastningen mer än dubbelt så stor som den var 1988, förra gången en torka av jämförbar svårighetsgrad inträffade.

Men tillvägagångssättet har sina gränser. Växter kan bara tolerera en viss nivå av stress, och timing är en stor faktor, säger han. Om du har extremt höga temperaturer under blomningsprocessen kommer du att se en viss påverkan på skörden ... Det vi kan göra är att bara försöka minimera påverkan.

Hatfield hoppas kunna övervinna några av dessa begränsningar genom att simulera framtida odlingsförhållanden. Sådana simuleringar, hoppas han, kan hjälpa till att identifiera okända genetiska vägar som växter kan använda för att anpassa sig till framtida förändringar i väder och växtförhållanden.

Det är ett komplext pussel som vi bara har börjat arbeta med. Och Hatfield noterar att det är svårt att redogöra för kombinationen av faktorer som bönder från Mellanvästern sannolikt kommer att möta, inklusive förändrade nederbördsmönster, extrem värme, dramatiska vädersvängningar, en hel mängd nya skadedjur och kanske utmaningar som vi ännu inte ens har förutsett. Men han är tydlig med varför han gör det.

Vill du äta i framtiden? han säger. Det är det som står på spel. Men vi måste ta reda på det, för vi har inget annat val.

Dölj