От микроорганизмов до мегаполисов. Поиск компромисса между прогрессом и будущим планеты

Мировое производство риса превышает урожаи пшеницы (в рисе-сырце), но оно меньше, если сравнивать обработанное зерно (соотношение сырья и готового продукта составляет 85 % для пшеницы и всего 67 % для белого риса, объемные отходы обработки которого используются на корм, деликатесные изделия и различные промышленные продукты). Среднее потребление риса на душу населения снижается во всех развитых странах, где рис был традиционным продуктом (Япония, Южная Корея, Тайвань), а с недавнего времени и в Китае. Мировое производство по-прежнему растет за счет спроса в Юго-Восточной Азии и Африке. Долгосрочная траектория урожайности риса напоминает изменения в производстве пшеницы: века стагнации или незначительного роста и впечатляющий рост после 1960 года в связи с внедрением низкорослых высокоурожайных сортов.

Максимальный долгосрочный рост урожайности риса наблюдался в Японии (Miyamoto, 2004; Bassino, 2006). Средняя урожайность превышала 1 т/га еще в ранний период правления клана Токугава (1603–1867) и к концу XIX века возросла до приблизительно 2,25 т/га (после обработки, на 25 % в виде риса-сырца). Долгосрочный линейный рост в течение 300 лет с 1600 года, таким образом, составлял менее 0,4 % в год, аналогично современному темпу роста урожаев пшеницы. Но в Японии урожаи риса (как и урожаи пшеницы в Англии) были исключительными: даже в 1950-х годах типичная урожайность риса в Индии, Индонезии и Китае не превышала 1,5; 1,7 и 2 т/га соответственно (FAO, 2018).

Развитие сортов короткостебельного риса (полученного в результате скрещивания разновидности japonica и более высокой разновидности indica) было начато FAO в 1949 году в Индии, но основная работа проходила (параллельно с выведением высокоурожайных сортов пшеницы) в Международном институте исследований риса (IRRI), открытом в 1960 году в Лос-Баньосе на Филиппинах. Первым выпущенным институтом высокоурожайным полукарликовым сортом риса был IR8, показавший в полевых испытаниях 1966 года среднюю урожайность 9,4 т/га и, в отличие от других тестировавшихся сортов, реагировавший ростом на более высокие дозы азотных удобрений (IRRI, 1982; Hargrove and Coffman, 2006). Но IR8 также обладал нежелательными свойствами: его мучнистое зерно сильно повреждалось при обработке и из-за высокого содержания амилозы затвердевало после охлаждения.

Но этот сорт начал азиатскую «Зеленую революцию», и за ним последовали улучшенные полукарликовые сорта, также более устойчивые к основным вредителям и болезням. IR36 в 1976 году стал первым быстро зреющим сортом (всего 105 дней по сравнению с 130 днями для IR8), дающим популярное удлиненное зерно, а следом были выпущены другие сорта, разработанные в IRRI командами под руководством Гурдева Сингха Кхуша (IRRI, 1982). Новые сорта быстро распространились из Юго-Восточной Азии на остальной континент, а также Латинскую Америку и Африку (Dalrymple, 1986). Их продуктивность впечатляла: за период между 1965 и 2015 годами средняя урожайность риса выросла в 2,3 раза и достигла 6,8 т/га (рис. 2.10). Урожайность в Индии и Индонезии возросла в 2,8 раза (до 3,6 и 5,1 т/га соответственно), что означало темп линейного роста 2,7–3,7 %, в то время как средняя мировая урожайность увеличилась с 2 до 4,6 т/га (2,6 %/год).

Кукуруза, преобладающее кормовое зерно в развитых странах и важный продукт питания в Латинской Америке и Африке, была первой культурой, испытавшей на себе преимущества гибридизации. В 1908 году Джордж Харрисон Шалл стал первым селекционером, сообщившим об инбредной линии кукурузы, демонстрирующей ухудшение силы роста и урожайности, которые были полностью восстановлены в гибридах двух инбредных (гомозиготных) линий (Crow, 1998).

После долгих лет экспериментов американские селекционеры вывели сорта, дающие стабильно высокие урожаи, и, начиная с конца 1920-х годов, ввели их в экономическое обращение. Последующее распространение гибридной кукурузы в США было необычайно быстрым: если в 1935 году она составляла менее 10 % всех посадок, то всего через четыре года ее доля увеличилась до более 90 % (Hoegemeyer, 2014). Новые гибриды также давали больше единообразных растений (что облегчало их машинную уборку) и оказались гораздо более засухоустойчивыми – более важное свойство во время очень сильной засухи на Великих равнинах в 1930-х годах, чем высокая урожайность в оптимальных условиях.

Рис. 2.10. Рисовые террасы Луншэн в провинции Гуанси в Китае: даже такие маленькие поля теперь приносят высокие урожаи благодаря интенсивному удобрению. Фото доступно на wikimedia

Урожайность традиционных перекрестноопыляющихся сортов кукурузы, культивировавшихся до 1930-х годов, оставалась в основном в пределах от 1,3 до 1,8 т/га: в 1866 году (первый год ведения записей), среднее значение по США составило 1,5 т/га, в 1900 году – 1,8 т/га, а в 1930 году – всего 1,3 т/га, и, хотя ежегодные колебания в связи с погодой были ожидаемыми, траектория урожайности оставалась главным образом плоской (USDA, 2017a). В период между 1930 и 1960 годами распространение коммерческих двойных гибридов способствовало повышению среднего урожая с 1,3 т/га до примерно 3,4 т/га, что соответствует приросту в 70 кг/год и среднегодовому линейному росту на 5,4 %. Последующее внедрение простых гибридных сортов (ставших преобладающими к 1970 году) привело к еще большему приросту, около 130 кг/год, с 3,4 т/га в 1965 году до 8,6 т/га к 2000 году, что подразумевает средний линейный темп роста 3,8 %/год (Crow, 1998; рис. 2.11).

Рис. 2.11. Тенденции отчетливых этапов стагнации и роста средней урожайности кукурузы в США в период 1866–1997 годов. На основе (Crow, 1998)

Рост продолжился в начале XXI века, и в 2015 году урожаи побили новый рекорд в размере 10,6 т/га, а темп линейного роста достиг около 1,6 % за 15 лет. Но было бы неверным приписывать этот впечатляющий рост урожайности (прирост почти на порядок, с 1,3 т/га в 1930 году до 10,6 т/га в 2015 году) исключительно гибридным семенам. Высокая урожайность была бы невозможна без значительно расширившегося применения азотных удобрений, что позволило увеличить плотность посадок, широкого применения гербицидов и инсектицидов и полной автоматизации посадки и сбора урожая, что минимизировало время, необходимое для работы в поле, и сократило потери зерна (Crow, 1998). Полная траектория средней урожайности кукурузы в США (1866–2015) почти идеально соответствует логистической кривой, которая должна выйти на плато около 2050 года на уровне приблизительно 12 т/га (рис. 2.12). Это будет сложное, но не невозможное достижение, учитывая рекордный урожай 2016 года в Айове (штате с лучшими условиями для выращивания), составивший 12,7 т/га.

Более высокая плотность посадок стала возможной благодаря росту стрессоустойчивости за счет гибридизации, но повышенной урожайности было бы невозможно достичь без масштабного применения удобрений. В течение последних 30 лет средние нормы высева кукурузы увеличивались приблизительно на 750 семян/га ежегодно: в 2015 году они составили в среднем около 78 000 семян/га, и в тот год почти 10 % площади посевов кукурузы в США и Канаде было засеяно с плотностью более 89 000 семян/га (Pioneer, 2017).

Рис. 2.12. Траектория логистической кривой (точка перегиба в 1988 году, асимптота на уровне 194,1 бушеля/акр) средней урожайности кукурузы в США в период 1866–1997 годов. Данные из (USDA, 2017a)

Применение азота при выращивании кукурузы в США увеличилось почти в четыре раза за период между 1960 и 2015 годами, в то время как применение фосфатов почти удвоилось, а калия – увеличилось более чем вдвое.

Урожайность американской кукурузы сохраняется на исключительно высоком уровне и продолжает расти с более высокого базового уровня, более впечатляюще, чем мировые средние показатели. Через 60 лет после широкого внедрения гибридов американские фермеры стали первыми, кто начал производить трансгенную кукурузу. Первый генетически модифицированный сорт был выведен на рынок в 1996 году компанией Monsanto под названием Roundup Ready Corn: в него были включены гены Bacillus thuringiensis, обеспечившие устойчивость растений кукурузы к высокому уровню применения гербицидов (изначально глифосата, гербицида широкого спектра действия) (Gewin, 2003). Перенос гена Bacillus thuringiensis, экспрессирующего токсины, также можно использовать для борьбы с поражением насекомыми. Генетически модифицированные сорта должны были увеличить урожайность путем предотвращения потерь, которые вызывают насекомые и гербициды, а реальный прирост зависит от эффективности контроля над вредителями и сорняками до внедрения трансгенных растений.

Трансгенная кукуруза завоевала сельскохозяйственное производство США довольно быстро: начав с нуля в 1996 году, площадь, засеянная новыми сортами, возросла до 25 % в 2000 году, а в 2016 году 89 % всех посадок кукурузы было устойчиво к гербицидам, 79 % – к вредителям и 76 % были сортами, имеющими оба свойства (USDA, 2016b). Вскоре последовала генетически модифицированная соя, рапс (и хлопок), но внедрение трансгенных сельскохозяйственных культур столкнулось с активным сопротивлением со стороны потребителей и регулирующих органов (особенно в ЕС). В результате трансгенная пшеница и рис до сих пор не выращиваются в крупных масштабах. Но возражения не имеют под собой научных основ. Клюмпер и Кайм (Klümper and Qaim, 2014) изучили все основные факторы, влияющие на результаты выращивания генетически модифицированных сельскохозяйственных культур, и их метаанализ обеспечил убедительные доказательства преимуществ для производителей как в развитых странах, так и в странах с низкими доходами. В среднем благодаря распространению трансгенных сельскохозяйственных культур применение пестицидов сократилось на 37 %, урожайность увеличилась на 22 %, а прибыль – на 68 %, и прирост урожая оказался больше у культур, устойчивых к вредителям, чем у культур, устойчивых к гербицидам, и выше в странах с низким доходом.

Но наблюдается тревожная тенденция. Лобелл и др. (Lobell et al., 2014) проанализировали урожайность кукурузы в наиболее производительных штатах «Кукурузного пояса» (Айова, Иллинойс и Индиана) и обнаружили, что в период между 1995 и 2012 годами агрономические изменения привели к более высокой устойчивости растений к засухе, но урожаи кукурузы оставались чувствительными к дефициту давления водяного пара (ДДВП), переменной, которая не включалась в предыдущие анализы урожайности и изменений климата. Поскольку ожидается, что ДДВП возрастет с 2,2 кПа в 2014 году до 2,65 кПа к 2050 году, при неизменном годовом количестве осадков в изучаемой области (940 мм) средняя урожайность упадет примерно на 10 %, что сделает сельскохозяйственное производство более уязвимым перед даже умеренной засухой (Ort and Long, 2014).

Но ни короткостебельные сорта, ни генетически модифицированные растения не изменили фундаментальный характер траекторий урожайности сельскохозяйственных культур: линейный рост является преобладающим долгосрочным трендом в растущей средней мировой производительности основных зерновых с начала «Зеленой революции» 1960-х годов. Экспоненциальный рост урожайности сельскохозяйственных культур возможен в течение относительно коротких периодов (10–12 лет), но не в течение длительных, так как в конце концов должен достигнуть потенциального предела, определяемого биохимическими возможностями. Именно поэтому прогнозы будущего экспоненциального роста урожайности не подкреплены прошлым опытом (Grassini et al., 2013). Подобная модель роста потребует беспрецедентного отхода от преобладающих методов селекции и лучших агрономических процедур. И хотя нельзя полностью исключать удивительных успехов в разработке новых синтетических сельскохозяйственных культур, они принадлежат к области научной фантастики, и их нельзя рассматривать в качестве вероятного источника пропитания в ближайшие десятилетия.

Более того, важно повторить, что годовой прирост множества сельскохозяйственных культур начал отклоняться от линейного роста, длившегося десятилетиями. Отклонения включают в себя как спад годовых темпов роста урожайности (некоторые достаточно резкие, другие демонстрирующие постепенный переход к сокращенным темпам), так и установление явного плато. Грассини и др. (Grassini et al., 2013) продемонстрировали, что с начала «Зеленой революции» 1960-х первая модель, линейный фрагментарный рост с сокращающимся темпом роста, применима к таким сельскохозяйственным культурам, как рис в Индонезии и кукуруза в Китае, в то время как вторая модель (линейный рост с верхним плато) больше распространена для риса в Китае, Корее и Калифорнии, пшеницы на северо-западе Европы и Индии и кукурузы в Италии. Несмотря на то что эти замедления и плато охватывают не все страны и распространяются не на все крупные сельскохозяйственные культуры, некоторые из этих изменений вызывают тревогу, так как влияют на ключевые культуры в основных сельскохозяйственных регионах.

В будущем мир с более теплым климатом и более высоким уровнем атмосферного CO₂ будет оказывать на урожайность сельскохозяйственных культур комплексное воздействие. Чистые результаты будут зависеть от реакции конкретных видов и среды не только на более высокие средние температуры, но и на изменения вегетационного периода и температуры (и наличие воды) на критически важных этапах развития растений. Даже на одно из наименее противоречивых ожиданий – что С3-растениям больше пойдет на пользу рост концентрации атмосферного CO₂, чем С4-видам, преимущественно благодаря тому что будет способствовать закрытости устьиц и экономии воды (Bazzaz and Sombroek, 1996; Körner et al., 2007), – будет в значительной степени влиять наличие питательных веществ и повышенные температуры.

Влияние фактора, несколько некорректно называемого «питательный эффект CO₂», на рост валовой первичной продуктивности фотосинтеза в целом колеблется в пределах 20–60 %. Венцель и др. (Wenzel et al., 2016) ограничили эту неопределенность (рассмотрев годовую амплитуду сезонного цикла CO₂) до 37 ± 9 % для экосистем северных широт и 32 % для внетропических экосистем для удвоенной концентрации CO₂. Но эти результаты нельзя экстраполировать на конкретные сельскохозяйственные культуры, чистый прирост может оказаться значительно ниже, а некоторые культуры могут испытать спад урожайности. И что самое важное, оценка, основанная на 30 различных моделях урожайности пшеницы, показала, что потепление уже замедляет прирост урожайности в большинстве районов ее выращивания. С ростом температуры спад урожайности, вероятно, будет сильнее, чем ожидалось ранее (падая на 6 % на каждый градус роста температуры), и станет более изменчивым (Asseng et al., 2014).

Более того, даже неменяющаяся траектория или явная новая тенденция может сопровождаться большими колебаниями урожайности и ростом непредсказуемости урожаев. Анализ изменений неустойчивости урожайности основных сельскохозяйственных культур за последние два десятка лет XX века продемонстрировал, что на 33 % мировой уборочной площади кукурузы, на 21 % уборочной площади пшеницы и 19 % – риса наблюдался спад неустойчивости, но на 11, 22 и 16 % соответствующих площадей отмечался значительный ее рост (Iizumi and Ramankutty, 2016). Основные сельскохозяйственные регионы с более высокой волатильностью включают Индонезию и Южный Китай в случае риса и Австралию, Францию и Украину в случае пшеницы.

Более корректные оценки будущих урожаев сельскохозяйственных культур получаются при изучении потенциала урожайности и количественном выражении разрыва в урожайности в конкретных местах. Потенциал урожайности сельскохозяйственной культуры – это показатель, определяемый генетической характеристикой растения, усваиваемой солнечной радиацией, температурой во время вегетационного периода и концентрацией атмосферного CO₂. Нехватка питательных веществ и воды или воздействие вредителей и сорняков при этом не учитываются. Разрыв в урожайности – это разница между потенциалом урожайности (с различными значениями для полностью орошаемых, частично орошаемых и неорошаемых культур) и реальным урожаем. Рекордные показатели урожайности, которые достигались во время соревнований по наивысшей производительности, достигали 70–85 % потенциала; разница между 85 % потенциала урожайности и реальной преобладающей урожайностью называется эксплуатационным разрывом в урожайности (FAO, 2015c). Этот показатель является, пожалуй, самой значимой информацией о перспективах долгосрочного роста урожайности сельскохозяйственных культур и обеспечении продовольственной безопасности во всех регионах, где устойчивое продовольственное снабжение остается под вопросом.

Лучший способ определить потенциал урожайности – воспользоваться разнообразными моделями роста сельскохозяйственных культур с применением подходящих естественных параметров. В «Атласе разрыва урожайности и расхода воды» они используются для обеспечения так называемых достоверных оценок нереализованного потенциала продукции растениеводства на существующих сельскохозяйственных землях, основанных на текущих климатических условиях и имеющихся почвах и водных ресурсах (GYGA, 2017). В 2017 году данные атласа охватывали 60 % мирового производства риса, 58 % – кукурузы и 35 % – пшеницы, в нем указаны регионы с наивысшим потенциалом роста урожайности, содержится оценка вероятности самообеспечения продовольствием или масштаб будущего импорта.

Средние абсолютные национальные разрывы урожайности (все в т/га) в США составляют 2–3 для неорошаемой и орошаемой кукурузы и 3–4 для орошаемого риса (данные по пшенице пока недоступны), 1,6–2,4 для неорошаемой и 3,2–4 для орошаемой пшеницы в Индии и 2–3 для орошаемого риса в Китае. Как ожидается, абсолютные разрывы гораздо больше в странах Африки южнее Сахары, где недостаточное снабжение продовольствием и устаревшие агрономические методы удерживают урожайность на уровне ниже потенциальной. Например, потенциал урожайности кукурузы в условиях нехватки воды составляет 12–13 т/га в Эфиопии и 10–11 т/га в Нигерии, и, учитывая реальные урожаи в размере всего 2–3 и 1–2 т/га соответственно, получается гигантский разрыв в размере 9–11 т/га. Это означает, что даже небольшое увеличение урожайности с помощью агрономических методов в этом регионе может привести к более быстрому темпу роста в ближайшие десятилетия. Разрывы урожайности, выраженные количественно и изображенные в крупном масштабе, полезны для оценки уровня будущего роста урожайности сельскохозяйственных культур.

С другой стороны, мировые рекордные урожаи, полученные на небольших участках в оптимальных условиях, следует считать не индикаторами потенциального роста национальной или региональной урожайности, а демонстрацией того, насколько близко эти результаты подошли к достижимому максимуму фотосинтеза. Примечательно, что зафиксированная в США урожайность кукурузы выросла с 23,5 т/га в 1985 году до 33,3 т/га в 2015 году, то есть среднегодовой прирост в размере 327 кг/га был в три раза выше, чем соответствующее значение для национального среднего (средние значения 7,4 и 10,6 т/га, то есть годовой прирост урожайности в размере 107 кг/га в течение 30 лет). За три десятка лет до того как фермер из Виргинии установил рекорд урожая кукурузы в размере более 33 т/га, Толленаар (Tollenaar, 1985) рассчитал, что максимальная теоретическая урожайность существующих сортов должна составлять около 32 т/га, но вероятные будущие изменения в преобразовании энергии растениями и разделении первичного продукта фотосинтеза могут увеличить теоретический уровень до более 83 т/га.

В 2015 году были поставлены новые рекорды урожайности озимой пшеницы и риса. Собранный в Линкольншире на востоке Англии урожай пшеницы в 16,52 т/га почти вдвое превысил среднее национальное значение 8,8 т/га и впятеро – мировое среднее значение 3,3 т/га (AHDB, 2015; FAO, 2018). Рекордный урожай риса в размере 22,4 т/га, полученный фермером в районе Наланда индийского штата Бихар, почти в пять раз превысил мировое среднее значение 4,6 т/га и более чем в шесть раз – среднее значение для Индии в размере 3,5 т/га. Для сравнения потенциальная урожайность высокоурожайного безрассадного риса в умеренном климате южных штатов США и Калифорнии (где на сегодня собирают от 8,3 (длиннозерного) до 9,1 (среднезерного) т/га) определена на уровне 14,5 т/га, и реальные лучшие урожаи попадают в 85 % рассчитанного значения (Espe et al., 2016).

Наиболее полные долгосрочные данные для важных сельскохозяйственных неосновных культур отражают ту же общую модель очень длительной домодерной стагнации урожайности, за которой последовали десятилетия линейного роста, ставшего возможным благодаря улучшенным сортам, адекватному удобрению, применению пестицидов и гербицидов, механизированной уборке и, во многих случаях, дополнительному орошению. В 2015 году соя была лидирующей сельскохозяйственной культурой по посевным площадям в США (обычно она занимает второе место после кукурузы), но ее выращивание началось только в 1930-е годы. Урожайность выросла со всего 875 кг/га в 1930 году до 1,46 т/га к 1950 году, 2,56 т/га к 2000 году и 3,2 т/га в 2015 году (USDA, 2017a), что представляет собой линейный рост с увеличением приблизительно на 27 кг/га в год.

Оценки будущих мировых поставок продовольствия обычно сосредоточены на основных сельскохозяйственных культурах, и в них придается мало значения фруктам и овощам. Урожаям этих культур пошло на пользу сочетание улучшенных сортов, агрономических методов и усиленной защиты от болезней и вредителей. В течение 50 лет, прошедших с начала 1960-х до начала 2010-х годов, урожаи фруктов в США в среднем испытывали ежегодный линейный прирост около 150 кг/га (но яблоки демонстрировали гораздо более высокий результат на уровне 500 кг/га, и на сегодня их урожайность составляет около 40 т/га), и в течение того же периода среднегодовой прирост всех овощей (за исключением дынь) составил почти 400 кг/га (FAO, 2018).

Но прирост в странах с низким доходом был гораздо меньше: годовой прирост урожаев фруктов составил менее 100 кг/га. Это отставание имеет важное значение, так как низкое потребление фруктов и овощей является ведущим фактором риска возникновения хронических заболеваний, и Сигел и др. (Siegel et al., 2014) продемонстрировали, что в большинстве стран обеспечение ими находится на уровне ниже рекомендуемого. В 2009 году глобальная нехватка составила 22 %, и медианное соотношение обеспечения/потребности находится на уровне всего 0,42 в странах с низким доходом и 1,02 в развитых странах. Это несоответствие можно устранить только с помощью сочетания таких мер, как повышение урожайности и сокращение пищевых отходов, но повышение урожайности фруктов и овощей часто является ресурсоемким делом, так как многие из этих культур нуждаются в высоких дозах азотных удобрений и дополнительном орошении.