Агрохимия Растениеводство 14 сентября 2021

Можно ли сократить использование удобрений без ущерба для производства продовольствия?

Можно ли сократить использование удобрений без ущерба для производства продовольствия?

Одно из крупнейших и наиболее впечатляющих исследований в мире показывает, что простые вмешательства могут дать большие результаты. В ходе десятилетнего испытания исследователи работали с 21 миллионом мелких фермеров по всему Китаю, чтобы выяснить, могут ли они повысить урожайность сельхозкультур при одновременном снижении воздействия сельского хозяйства на окружающую среду. Результаты были успешными.

За десятилетие с 2005 по 2015 год средняя урожайность кукурузы, риса и пшеницы увеличилась примерно на 11%. В то же время использование азотных удобрений сократилось примерно на 17%. Благодаря выращиванию большего количества культур и уменьшению потребности в удобрениях, этот эксперимент обеспечил экономическую прибыль в размере 12,2 млрд долл. США. Это не было достигнуто за счет крупных технологических инноваций или изменений в политике: это предполагало обучение фермеров передовым методам управления.

Часто считается, что использование удобрений (наряду с загрязнением, которое они создают) и урожайность представляют собой неизбежный компромисс. Чтобы повысить урожайность, вам нужно все больше и больше удобрений. Это крупномасштабное исследование показывает, что этот компромисс не всегда столь радикален, как мы могли бы подумать.

Чтобы было ясно: удобрения жизненно важны для мирового производства продуктов питания. Немногие инновации изменили мир так же сильно, как синтетический азот.

Статья: Какие страны наносят ущерб окружающей среде из-за чрезмерного использования удобрений?

На протяжении большей части истории человечества производство продуктов питания ограничивалось количеством активных питательных веществ, доступных для сельскохозяйственных культур. Все изменилось с приходом Фрица Габера и Карла Боша Вместо того, чтобы полагаться на дефицитный азот, который естественным образом присутствует в почвах мира, мы могли бы производить свои собственные. Их инновация (процесс Габера-Боша) в начале 20 века «дала жизни» миллиардам людей.

Удобрения помогают нам добиваться более высоких урожаев. Это очевидный чистый позитив для людей: фермеры могут производить и зарабатывать больше, а в мире становится больше продуктов питания. Менее очевидно то, что это приносит большую пользу окружающей среде. Более высокие урожаи означают, что нам нужно использовать меньше земли для ведения сельского хозяйства. Это означает, что мы можем защитить леса и сохранить естественную среду обитания.

Но это правда, что помимо преимуществ для окружающей среды, есть и недостатки. Не весь азот, который мы используем, используется культурами. Остатки азота стекают с почвы в естественную среду, удобряя реки и озера, тем самым нарушая баланс экосистем и вызывая утрату биоразнообразия.

Мы можем предположить, что мы ничего не можем сделать: чтобы добиться более высоких урожаев, нам нужно больше ресурсов и, следовательно, обязательно вызвать большее загрязнение. В этой статье я показываю, что фермеры во многих странах могут сократить использование удобрений без ущерба для производства продуктов питания.

Существуют большие различия в использовании удобрений в разных странах мира

Культуры, как и любой организм, для роста нуждаются в питательных веществах. Когда определенных питательных веществ не хватает, они перестают работать или растут гораздо медленнее. Они называются «ограничивающими питательными веществами». Какие питательные вещества являются наиболее ограничивающими, во всем мире различаются: в одних почвах не хватает азота, а в других — фосфора или калия.

Если в почве не хватает питательных веществ, мы можем добавить свои собственные. Это могут быть синтетические удобрения или органические добавки, такие как навоз. Есть очень большие различия в том, сколько удобрений вносится в разных странах мира. Мы видим это на диаграммах ниже: во-первых, это карта среднего использования удобрений на гектар пахотных земель; и во-вторых, с разбивкой по питательным веществам на гистограмме.

Между странами есть 100-кратные различия. Во многих беднейших странах мира, особенно в странах Африки к югу от Сахары, фермеры вносят всего несколько килограммов удобрений на гектар. Для контекста, один гектар примерно в 1,5 раза больше футбольного поля. Сравните это с такими странами, как Китай, Бразилия, Великобритания или Египет, где фермеры применяют сотни килограммов в год. За несколько дней они вносят столько же, сколько некоторые фермеры за год.

Это привело к разделению мира:

    — Во многих более бедных странах нам нужно больше удобрений. Повышение урожайности было медленным, и большой разрыв в урожайности можно было бы ликвидировать за счет более широкого и более эффективного управления производственными ресурсами. Это хорошо не только для фермеров, но и для окружающей среды: по указанным выше причинам сокращение разницы в урожайности — один из лучших способов предотвратить потерю среды обитания в тропиках.

    — Вот почему для таких агентств, как Программа развития Организации Объединенных Наций, вредно постоянно продвигать идею о том, что чем меньше удобрений, тем лучше. Это вредно для людей или окружающей среды. Но, как мы увидим, многие страны используют избыточное количество азота. Они могли сократить их использование без отрицательного воздействия на урожайность.

    Эффективность использования азота: уравновешивание урожайности и потребности в питательных веществах

    Использование большого количества удобрений не обязательно было бы плохим, если бы все они использовались посевами. К сожалению, в большинстве случаев это не так.

    Чтобы уловить это, мы можем посмотреть на соотношение азота в собранных продуктах (наших культурах) по сравнению с нашими вводимыми ресурсами (удобрениями или навозом); это соотношение называется «эффективностью использования азота» (NUE, nitrogen use efficiency). NUE 60% означало бы, что количество азота в наших культурах составляло 60% азота, который был добавлен к ним в качестве исходных материалов. Остальные 40% азота посевами не использовались.

    Низкое значение NUE — это плохо, и означает, что очень мало добавляемого нами азота поглощается растениями. NUE 20% будет означать, что 80% внесенного азота стало загрязняющим веществом.

    Вскоре мы увидим, что в некоторых странах NUE очень высокий — более 100%. Вы можете подумать, что это хорошие новости. На самом деле часто бывает наоборот. Это означает, что они испытывают недостаток азота, но продолжают пытаться выращивать все больше и больше сельскохозяйственных культур. Вместо того, чтобы использовать легкодоступные питательные вещества, растения должны получать азот из почвы — процесс, называемый «добычей азота». Со временем это приводит к истощению питательных веществ в почве, что в долгосрочной перспективе будет плохо для растениеводства.

    В глобальном масштабе NUE остается на устойчиво низком уровне — от 40% до 50% с 1980 года. Это на удивление низкий уровень. Это означает, что на самом деле они поглощают менее половины азота, который мы вносим в наши культуры. Остальное — избыток, который просачивается в окружающую среду.


    Но, как показано на карте выше, в разных странах мира существуют очень большие различия в NUE. Некоторые страны достигают низкого NUE — менее 40%. И в Индии, и в Китае, например, эффективность составляет лишь одну треть. Однако в некоторых странах дела обстоят намного лучше. Франция, Ирландия, Великобритания и США имеют эффективность более двух третей.

    Как со временем менялась эффективность использования азота

    Мы также можем посмотреть на изменение NUE с течением времени, которое показывает нам некоторые интересные различия между странами.

    На диаграмме мы видим соотношение входов и выходов азота в виде связной диаграммы На оси ординат у нас есть выходы азота: количество азота, которое собирают в посевах. По оси абсцисс отложены поступления азота: добавленные в виде удобрений, навоза или естественного поглощения почвой.

    Серая линия указывает, где эффективность использования азота будет составлять 100%, что означает, что весь добавленный азот был поглощен растениями. На самом деле это, вероятно, плохие новости. Как мы обсуждали ранее, они, вероятно, недополучают азот. Вместо использования синтетических материалов сельскохозяйственные культуры должны получать азот из почвы, который со временем может истощить их почвы.

    В идеале нам нужно значение, которое становится выше по оси Y: больший урожай от наших культур, но не перемещается все дальше и дальше вправо (что указывало бы на то, что для достижения этого требуется все больше и больше ресурсов). Если страна все дальше удаляется от серой линии, она становится все более неэффективной. Мы хотим, чтобы страны двигались в этом направлении.

    Я выделила несколько интересных образцов страны. Мы видим, что такие страны, как Индия, Китай и Египет, становятся менее эффективными. Урожайность будет расти, но они нуждаются в увеличении количества азота для достижения этой цели. Это убывающая кривая доходности. Они удаляются от центральной серой линии. Франция дает нам интересный контрпример. В последние годы она начала двигаться назад по оси абсцисс, чтобы снизить поступление азота. В то же время Франция медленно увеличивала урожайность. Это увеличивает урожайность при одновременном сокращении количества используемых удобрений. NUE улучшается.

    В нижнем левом углу мы видим Нигерию. Многие страны Африки к югу от Сахары группируются близко к месту происхождения. Они получают низкие урожаи и вносят в посевы лишь небольшое количество азота. Для обеспечения продовольственной безопасности им нужно быстро перемещаться по оси Y.

    Мы можем уменьшить загрязнение азотом без снижения урожайности

    Таким образом, эффективность использования азота, а не просто использование удобрений, кажется нам лучшим показателем устойчивого развития для сравнения.

    Можно предположить, что все страны могут достичь одинакового высокого NUE. Но, может быть, все же несправедливо сравнивать страны мира подобным образом. Различия в климате, растительности и типах почв означают, что мы не можем везде добиться одинаковых урожаев при одинаковых затратах. В некоторых странах условия окружающей среды могут быть более благоприятными, чем в других.

    Как мы можем лучше понять, какие страны преуспевают в этом компромиссе между урожайностью и удобрениями?

    Интересный способ решить этот вопрос - взглянуть на неравномерность урожайности и загрязнение азотом на международных границах. Это подход, который Дэвид Вуппер и его коллеги использовали в недавнем исследовании, опубликованном в Nature. Изучая неоднородность урожайности, азотных балансов и вводимых ресурсов в разных странах, исследователи исследовали роль, которую играет сельскохозяйственная политика каждой страны. Это связано с тем, что условия окружающей среды, климат и качество почвы должны быть очень похожими по обе стороны границы. Технически они должны иметь возможность достичь аналогичного уровня NUE и доходности. Если есть большие различия в урожайности или загрязнении между одной страной и ее соседом, мы, следовательно, предполагаем, что здесь играют роль важные специфические для страны эффекты. Deggth имитирует «естественный эксперимент», в котором условия окружающей среды остаются постоянными, а политические решения являются изменяемой переменной.

    Контраст на границе между Казахстаном и Китаем; и Турция и Сирия являются хорошими примерами этого. Мы видим это на снимках с воздуха. Условия выращивания культур с обеих сторон должны быть похожими. Но Китай и Турция имеют гораздо больше растительности, чем их соседи, в результате поступления питательных веществ и того, как они управляют сельским хозяйством.

    nitrogen-pollution-discontinuity.png

    Используя спутниковые снимки и наборы геопространственных данных, эти исследователи могли измерить четыре ключевых показателя с высоким разрешением через межгосударственные границы: азотный баланс пахотных земель, загрязнение азотом, разница в урожайности (количество, на которое урожайность может быть увеличена за счет лучшего управления питательными веществами) и потенциал естественной растительности. Ученые обнаружили трансграничные различия в первых трех показателях, но не в потенциале естественной растительности. Это важно, потому что это означает, что наше предположение о том, что условия окружающей среды по обе стороны границы одинаковы, является верным.

    В этом большом глобальном наборе данных исследователи обнаружили, что неоднородность трансграничного загрязнения азотом была намного больше, чем неравномерность разрыва в урожайности. Их результаты показывают, что во всем мире существует огромный потенциал для снижения загрязнения азотом без ущерба для урожайности сельскохозяйственных культур.

    Они пришли к выводу, что загрязнение азотом можно было бы снизить примерно на 35%, если бы страны-загрязнители стали такими же эффективными, как их соседи. Это мало повлияет на урожайность - увеличение разницы в урожайности всего на 1%.

    Их результаты также позволяют понять, какие страны используют азот неэффективно. На карте показано, как страны сравнивают уровни загрязнения азотом и прирост урожайности по сравнению с их соседями. Положительные значения, показанные оранжевым и красным цветом, означают, что страна вызывает больше загрязнения, чем необходимо для получаемых урожаев. Отрицательные значения (показаны синим цветом) означают, что страна причиняет меньше вреда.

    Нам нужно помнить о нескольких важных моментах. Все эти значения измеряются относительно соседей страны. У страны может быть хороший результат, потому что ее сосед получает очень низкую урожайность: Южная Корея - хороший пример. Или страна имеет хорошие результаты, потому что ее сосед неэффективно использует азот: Монголия является хорошим примером.

    У Китая самый высокий балл — 170%. Это означает, что он вызывает на 170% больше азотного загрязнения, чем необходимо для достижения такого уровня урожайности. Бразилия, Мексика, Колумбия и Таиланд также создают большое загрязнение. Это страны, которые, вероятно, могли бы значительно сократить использование удобрений, не влияя на урожайность своих культур.

    Мы часто предполагаем, что дальнейшее загрязнение - это неизбежная плата за попытки закрыть пробелы в урожайности. Но этот компромисс существует не всегда.

    Как мы можем использовать азот более эффективно?

    Вы могли заметить, что большинство крупнейших загрязнителей— страны со средним уровнем дохода. В течение 1960-1970-х годов многие из сегодняшних стран со средним уровнем дохода начали свою «зеленую революцию» и добились значительного увеличения производства продуктов питания. Правительства предлагали фермерам субсидии на использование удобрений и других ресурсов. Это сделало удобрения дешевыми и уменьшило стимулы для фермеров к их эффективному использованию. Это дешевое удобрение — одна из причин того, что сегодня в этих странах наблюдается массовый избыток азота.

    Таким образом, один из способов, с помощью которого правительства могут снизить загрязнение азотом — скорректировать соотношение цен на удобрения и доходности сельскохозяйственной продукции. Они могут скорректировать субсидии, чтобы чрезмерное использование удобрений стало для фермеров дорогостоящим. Вместо этого они могли бы перераспределить эти финансовые ресурсы на методы, оказывающие положительное воздействие на окружающую среду.

    Другой вариант - изменить финансовые стимулы: вместо того, чтобы субсидировать удобрения, вы можете обложить их налогом.

    Возможно, мы захотим сделать удобрения более дорогими для стран, которые их злоупотребляют. Но на самом деле мы хотим сделать обратное для стран с большим разрывом в доходности. Как мы видели ранее, многие страны Африки к югу от Сахары практически не используют удобрения. В результате они дают очень низкие урожаи. Предоставление субсидий на удобрения и другие ресурсы принесет огромную пользу.

    Одна из проблем, связанных с внесением удобрений в посевы, заключается в том, что бывает трудно понять, где они нужны. В некоторых частях вашего поля может не хватать азота, в то время как в других его более чем достаточно. Часто самым простым и быстрым решением является применение его повсюду, особенно если удобрения сильно субсидируются и дешевы. Но с новыми технологиями мы можем добиться большего Благодаря информации с дронов или спутниковым снимкам мы можем внедрить «точное земледелие», которое позволяет нам точно видеть, где удобрения нужны больше всего. Технологии селекции растений также могут открыть новые возможности. Мы можем попытаться повысить эффективность использования азота, но есть возможность повысить эффективность его использования и растениями.

    Не будем забывать, что одно из самых многообещающих решений, которое мы часто упускаем из виду, является самым простым и старым из всех. Бобовые — такие культуры, как фасоль, горох и чечевица — творят чудеса, когда дело касается азота. Они обладают способностью улавливать азот из атмосферы и самостоятельно превращать его в реактивный азот. Это называется «биологическая фиксация». В отличие от большинства других культур, в которые нам нужно добавлять дополнительный азот, они создают его сами. Выращивание большего количества бобовых — отдельно или вместе с другими культурами — это один из самых простых способов внести в почву азот.

    Наконец, мы можем многое сделать, обучая фермеров применять методы устойчивого управления. Исследование, проведенное в Китае с участием 21 миллиона фермеров, ясно показывает это. Чтобы добиться больших результатов, часто требуются серьезные изменения в политике и технический прогресс, но мы не должны недооценивать влияние, которое может оказать образование.

    Многие рассматривают урожайность сельскохозяйственных культур и загрязнение окружающей среды как неизбежный компромисс. Так не должно быть. Мы можем значительно снизить загрязнение, не снижая урожайности сельскохозяйственных культур. Меньшее загрязнение окружающей среды, больше продуктов питания, более высокая прибыль фермеров и меньшее количество сельскохозяйственных угодий делают эту проблему многократной, если мы сможем реализовать правильные решения.

    Текст: Ханна Ричи

    Источник

    Публикуется под лицензией Creative Commons

Популярные статьи