Het Amerikaanse middenwesten zal een opwarmende wereld voeden. Maar voor hoe lang?

Stijgende temperaturen zullen de Amerikaanse maïsgordel in gevaar brengen, een belangrijke bron van calorieën voor de groeiende wereldbevolking.

Door

• Adam Piore archiefpagina

24 april 2019

Foto van binnen gekweekte maïsplanten Kathryn Gamble

Het is een bitter koude maartochtend in Ames, Iowa, en de uitgestrekte korenvelden buiten de stad liggen begraven onder een paar centimeter ijs en sneeuw. Maar het is heet en vochtig in de speciaal gebouwde kweekkamers op de campus van de Iowa State University.

Verblindend felle lichten sloegen neer op een drietal vierkanten, elk met bijna 7.000 pond (3.175 kilogram) grond, verzonken vijf voet (1,5 meter) in de vloer. Het gestage kolken van ventilatoren, die zorgen voor luchtcirculatie en uniforme temperaturen in de kamer, weerkaatst tegen de muren. Om de paar centimeter volgt een reeks infraroodthermometers en vochtsensoren de microklimaten rond de bladeren van de planten.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van mei 2019

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Binnen deze groeikamers is het de toekomst. En Jerry Hatfield, een sympathieke agronoom die aan het hoofd staat van het National Laboratory for Agriculture and the Environment van het Amerikaanse ministerie van landbouw, houdt niet van wat hij ziet.

Of we gaan de gewassen die we produceren veranderen, of we moeten nadenken over hoe we die plant genetisch manipuleren om een ​​hogere tolerantie voor hogere temperaturen te krijgen.

Drie jaar geleden gebruikte Hatfield de groeikamers om erachter te komen hoe lokale gewassen zouden presteren onder de voorspelde temperaturen voor de regio in 2100, die naar verwachting gemiddeld ongeveer 4 ° C zullen stijgen, of ongeveer 7,2 ° F. Hij simuleerde een groeiseizoen, van 1 april tot 30 oktober, voor drie verschillende soorten maïs die door boeren in het gebied worden gebruikt. In één kamer startte Hatfield de temperatuur op ongeveer 10 °C om de omstandigheden begin april na te bootsen, verhoogde het ruim boven 100 °F (38 °C) om de hete zomerdagen te simuleren (tot wel 114 °C). F in de kamer met 2100 omstandigheden), en bracht het vervolgens weer naar beneden voor de herfst. In een tweede kamer simuleerde hij de huidige, koelere klimaatnormen in de regio.

De verschillen tussen de planten in de twee kamers waren groot. Hoewel de bladeren er hetzelfde uitzagen, was de impact van die extra 7,2 ° F veel erger dan zelfs de meest pessimistische wetenschappelijke literatuur voorspelde. Het aantal maiskorrels per plant kelderde, in sommige gevallen met 84%. Sommige planten produceerden helemaal geen pitten.

In groeikamers zoals deze worden planten gekweekt onder gesimuleerde omstandigheden. Kathryn Gamble

Het was slechts de eerste in een reeks alarmerende resultaten. In de maanden die volgden, simuleerden Hatfield en zijn collega's de stijgende temperaturen en veranderde regenpatronen die naar verwachting de tarwevelden van Salina, Kansas, al in 2050 zullen treffen. De opbrengsten daalden met maar liefst 30% bij weinig neerslag en maar liefst 70% met de combinatie van hoge temperaturen en weinig neerslag voor de komende decennia.

Tot op heden is het voor Amerikaanse boeren relatief eenvoudig geweest om klimaatverandering van zich af te schudden. Immers, volgens de meest optimistische modellen, wordt verwacht dat de verwachte Amerikaanse opbrengsten voor maïs en sojabonen - die op 75% van het bouwland in het middenwesten worden verbouwd - tot 2050 zullen stijgen, dankzij het warmere weer waarvan het relatief koele noorden ten goede zal komen. klimaten. Maar daarna, als Hatfield gelijk heeft, zullen de opbrengsten van een klif vallen, boeren verwoesten en een groot deel van de wereld hongeriger achterlaten.

In 2050 zal de wereldbevolking naar verwachting groeien tot 9,7 miljard. Aangezien de levensstandaard en het voedingspatroon ook over de hele wereld verbeteren, zal de voedselproductie met 50% moeten toenemen in een tijd waarin klimaatverandering zowel Afrika bezuiden de Sahara als Oost-Azië niet in staat zal stellen in hun eigen behoeften te voorzien zonder invoer. Amerikaanse maïs en sojabonen zijn al goed voor 17% van de wereldcalorische output. De Voedsel- en Landbouworganisatie van de VN verwacht dat de Amerikaanse export van maïs tegen 2050 bijna verdrievoudigd moet zijn om het tekort op te vangen, terwijl de Amerikaanse soja-export met meer dan 50% zou moeten stijgen. Al dit extra voedsel moet worden verbouwd zonder noemenswaardig meer land te gebruiken. Dat betekent dat het allemaal om de opbrengst gaat: de productiviteit van het gewas.

En dat is wat Hatfield zo bezorgd maakt. Een groeiend aantal wetenschappelijke literatuur suggereert dat klimaatverandering de opbrengsten waarschijnlijk zal decimeren, tenzij we nieuwe manieren kunnen vinden om planten te helpen omgaan met de droogte, enorme temperatuurschommelingen en ander extreem weer dat de komende decennia waarschijnlijk gemeengoed zal worden.

Als er niets wordt gedaan, zullen we grote productiedalingen zien in grote delen van de maïsgordel en Great Plains, zegt Hatfield. Of we gaan de gewassen die we produceren veranderen, of we moeten nadenken over hoe we die plant genetisch manipuleren om een ​​hogere tolerantie voor hogere temperaturen te krijgen.

Het einde van Goudlokje

Er is natuurlijk een bekende klank in de sombere voorspellingen. Wereldleiders in het begin van de jaren zeventig waren zo bezorgd dat de stijgende bevolking, toenemende vervuiling en stijgende voedselprijzen aan het begin van de 21e eeuw een acute voedselcrisis zouden veroorzaken, dat de VN een conferentie in Rome belegde. De tijd dringt, verklaarden de lidstaten na de conferentie in 1975. Dringende en volgehouden actie is van essentieel belang.

In de jaren die volgden, leidden echter gewassen met een hoge opbrengst, een breder gebruik van irrigatie, landbouwmechanisatie en de introductie van synthetische meststoffen en pesticiden tot een Groene Revolutie, waardoor de landbouwproductie op veel plaatsen in de wereld drastisch toenam.

Nu begint het groeitempo te vertragen. In veel gebieden is er een tekort aan water, waardoor verdere uitbreiding van irrigatie wordt beperkt. En het is moeilijk voor te stellen dat u nog meer meststoffen en pesticiden gebruikt. Het is nu al een open vraag of we in staat zullen blijven om deze nieuwe technologieën en managementpraktijken uit te vinden die ervoor zorgen dat de productiviteit de vraag ruimschoots kan bijhouden, zegt Marshall Burke, een Stanford-econoom die zich richt op klimaatverandering. Maar het klimaat zal dat zeker een stuk moeilijker maken.

Bovendien is de opwarming van de aarde nu al voelbaar. In 2011 keken de econoom Wolfram Schlenker van Columbia University en David Lobell, ecoloog aan Stanford, naar wat er gebeurde met de oogstopbrengsten toen de temperatuur tussen 1980 en 2008 steeg. Ze ontdekten dat de wereldwijde maïsproductie (exclusief de VS) met 3,8% daalde en de tarweproductie met 5,5% daalde in vergelijking met wat het anders zou zijn geweest. De toename van warme dagen en nachten verklaart ongeveer de helft van alle variatie in maïsopbrengst. Hogere temperaturen helpen tot op zekere hoogte, tussen ongeveer 50 ° F en 84 ° F, maar heter dan dat en de opbrengsten kelderen.

Om een ​​idee te krijgen van wat dit allemaal zou kunnen doen met de wereldwijde voedselprijzen, stelt Schlenker voor om te kijken naar wat er gebeurde in 2012, de laatste keer dat het Amerikaanse middenwesten een zomer beleefde met temperaturen die vergelijkbaar zijn met het project van klimatologen dat tegen het einde van de eeuw de norm zal worden . De productie van maïs in de regio daalde met 25% en sojabonen met 10%. Dat komt neer op een daling van ongeveer 4% tot 5% van de totale wereldwijde calorieproductie - omstandigheden waaronder we kunnen verwachten dat de voedselprijzen met maar liefst 30% zullen stijgen, zegt hij.

Planten in de kamer worden nauwlettend gevolgd door een reeks sensoren. De USDA-wetenschappers meten hoe elke plant het doet onder de verschillende omstandigheden. Kathryn Gamble

Ondanks een paar van zulke slechte jaren hebben de boeren in het Midwesten echter een decennialange productiviteitsstijging doorgemaakt, waardoor de zorgen over de toekomst werden gemaskeerd. Er is een Goudlokje-zone voor temperatuur, vochtigheid en regenval, en klimaatverandering heeft het midden van de Verenigde Staten er voor het grootste deel verder in geduwd, zegt Gene Takle, voormalig directeur van het klimaatwetenschapsprogramma van de staat Iowa. De grootste verandering in Iowa tot nu toe is de toegenomen regenval in april, mei en juni - het is de afgelopen drie decennia met bijna 25% gestegen. Deze extra regen, veroorzaakt door de interactie van windpatronen met opwarmend water in de Golf van Mexico, heeft boeren gedwongen meer geld uit te geven aan drainagetegels en dergelijke om zich aan te passen, en het heeft het plantseizoen verschoven. Maar het gecombineerde resultaat van technologische vooruitgang en een gunstiger klimaat is dat de opbrengsten in het Midwesten met 28% zijn gestegen. Er is redelijk goede overeenstemming dat klimaatverandering tot nu toe gunstig is geweest voor de landbouw, zegt Takle.

Deze trends zullen echter omkeren; waar de experts het niet mee eens zijn, is precies wanneer. Takle haalt één model aan dat aantoont dat de positieve trend in productiviteit tegen 2035 zal keren en alle winsten sinds 1981 teniet zal doen. En vanaf dat moment zullen de opbrengsten alleen maar verder dalen. We staan ​​nu aan de vooravond, zegt hij.

Op een recente dag duwde hij een stuk papier over een tafel. Het stond vol met kleurrijke grafieken en opsommingstekens, waarin de impact van de klimaatverandering tot nu toe op de lokale landbouw werd beschreven, met de positieve punten in het groen en de negatieven in het rood. Onder de rode punten: meer ongedierte overleefde de winter, en drassige grond verminderde het aantal dagen dat boeren op het land konden werken. (In 2013 had het noordwesten van Iowa 700.000 acres - 283.000 hectare - die om die reden niet konden worden geplant.) Maar er was ook veel groen.

Daarna sloeg hij de pagina om om te laten zien hoe de zaken er in 2050 uit zouden zien. Er stond geen groen op deze pagina, alleen een lange lijst met rood. Intense lenteregens zullen het veldwerk vroeg in het seizoen moeilijker maken, verwacht Takle. Er zullen meer overstromingen zijn; de warmste dag wordt 7 °F heter. Om de twee jaar zal er ten minste één periode van vijf dagen zijn waarin extreme hitte ervoor zorgt dat de bestuiving van maïs en sojabonen mislukt en de vegetatieve groei stopt.

We hebben veel problemen om van de snoek af te komen, zegt hij.

Nieuwe genetica

Het is de taak van Hatfield, de agronoom van de USDA, om de impact van de omgevingsomstandigheden op de boeren in het land te monitoren en mogelijke oplossingen te identificeren. Op een recente dag zat hij in zijn kantoor en vinkte een lange lijst met zorgen af. De bruine marmorated stinkwants verscheen eind jaren negentig in de VS en naarmate de temperatuur de komende 30 jaar stijgt, zal zijn verspreidingsgebied zich helemaal tot Canada uitbreiden en een breed scala aan gewassen beschadigen. De Palmer-amarant, een herbicide-resistent onkruid dat in bepaalde microklimaten leeft en tot dusver voornamelijk sojabonen- en katoengewassen in het zuiden heeft bedreigd, zal zich eveneens naar het noorden verspreiden en alomtegenwoordig worden.

Dan is er het toenemende zoutgehalte van de bodem in Noord- en Zuid-Dakota, die in minder dan tien jaar aanzienlijke stukken land uit de rotatie zou kunnen halen als de huidige trends onverminderd doorgaan. Het probleem is dat dankzij het veranderende klimaat en veranderende financiële prikkels, boeren in de Dakota's die traditioneel tarwe, suikerbieten, hooi en canola hebben verbouwd, steeds meer overschakelen op maïs en sojabonen. Maar de nieuwe gewassen zijn slecht geschikt voor de natte vroege bronnen van de Dakota's, waardoor de grondwaterspiegel kan stijgen en verdampen, waardoor zout achterblijft dat de bodem beschadigt.

De grootste zorg is wat klimaatverandering de komende decennia zal doen met de gewasopbrengsten in de graanschuur van Amerika. Hatfield is ervan overtuigd geraakt dat geen enkele beleidsfix of verandering in managementpraktijken alleen voldoende zal zijn om de natuurlijke grenzen van planten en de komende extreme weersomstandigheden te overwinnen. Daarom heeft hij besloten zich tot geavanceerde genetica te wenden.

In de komende maanden is Hatfield van plan zijn experiment te herhalen en toekomstige groeiseizoenen te simuleren. Maar deze keer zal hij precies onderzoeken hoe de omstandigheden van invloed zijn op welke genen in maïs en tarwe worden aan- en uitgeschakeld. De hoop is om manieren te vinden om deze schakelaars op moleculair niveau te controleren om de planten te helpen zich aan te passen aan de omstandigheden waarmee ze te maken zullen krijgen.

Het is nog vroeg voor het werk aan maïs, tarwe en sojabonen. Maar in andere gewassen hebben veredelaars aanpassingen geïdentificeerd en deze gebruikt om de uitdagingen van klimaatverandering op te lossen. Enkele van de meest succesvolle zijn gezien in de rijstgebieden van de wereld.

Rijst kan een zekere mate van overstromingen verdragen - kan er zelfs van profiteren, omdat de overstroming onkruid kan doden. Zolang de rijststengels deels boven water staan, kunnen de planten de lucht opnemen die ze nodig hebben. Maar als de toppen van de planten onder water staan, kunnen ze stikken.

Wil je in de toekomst eten? Dat is wat er op het spel staat. Maar we zullen het moeten uitzoeken, want we hebben geen andere keuze.

In 2006 klonen onderzoekers een gen genaamd Sub1 in een lokale Zuid-Aziatische rijstsoort. Het gen verleent rijst tolerantie voor onderdompeling. Wanneer de plant onder water is, wordt het gen ingeschakeld en wordt de plant in schijndood gebracht. Het gen wordt uitgeschakeld zodra de bovenkant van de rijstscheut weer boven water komt. In tegenstelling tot sommige eigenschappen die de stresstolerantie verhogen, Sub1 gen lijkt de opbrengst niet significant te verminderen als er geen overstromingen zijn - en als die er zijn, hervat de plant daarna met extra kracht door te groeien, zegt Susan McCouch, een professor in plantenveredeling en genetica aan de Cornell University.

In 2009 ontwikkelde het International Rice Research Institute de eigenschap in acht rijstvariëteiten en begon ze deze aan boeren te distribueren. Het wordt nu gebruikt door 10 miljoen boeren, op ongeveer 10 miljoen hectare land.

Kathryn Gamble

Wil eten?

Hoewel er nog niets is gevonden dat vergelijkbaar is met de waterbestendigheid in rijst voor maïs, kweken commerciële zaadbedrijven al meer dan tien jaar droogteresistente soorten. Robert Reiter, hoofd R&D van Bayer's crop science-divisie, legt uit hoe het bedrijf zoekt naar veerkrachtige rassen. Ten eerste digitaliseert het DNA-sequentie-informatie en catalogiseert het bekende eigenschappen voor enkele miljoenen plantenlijnen. Met behulp van de gegevens traint het vervolgens machine learning-algoritmen om miljoenen andere soorten te screenen op bruikbare eigenschappen.

Bayer heeft bijvoorbeeld eigenschappen veredeld die zijn opgepikt van hitte- en droogteresistente soorten in Mexico tot hoogproductieve soorten die zijn aangepast aan de Amerikaanse markt. Reiter zegt dat tijdens een droogte in 2012 in het middenwesten van de VS, de opbrengsten meer dan het dubbele waren van die in 1988, de laatste keer dat een droogte van vergelijkbare ernst toesloeg.

Maar de aanpak heeft zijn grenzen. Planten kunnen maar een bepaald niveau van stress verdragen, en timing is een grote factor, zegt hij. Als je tijdens het bloeiproces extreem hoge temperaturen hebt, zul je enige impact op de opbrengst zien ... Wat we kunnen doen is gewoon proberen de impact te minimaliseren.

Hatfield hoopt een aantal van deze beperkingen te overwinnen door toekomstige groeiomstandigheden te simuleren. Hij hoopt dat dergelijke simulaties kunnen helpen bij het identificeren van onbekende genetische routes die planten zouden kunnen gebruiken om zich aan te passen aan toekomstige veranderingen in weer en groeiomstandigheden.

Het is een complexe puzzel waar we nog maar aan begonnen zijn. En Hatfield merkt op dat het moeilijk is om rekening te houden met de combinatie van factoren waarmee boeren in het Midwesten waarschijnlijk te maken zullen krijgen, waaronder veranderende neerslagpatronen, extreme hitte, dramatische weersschommelingen, een hele reeks nieuwe plagen en misschien uitdagingen die we nog niet eens hebben voorzien. Maar hij is duidelijk over waarom hij het doet.

Wil je in de toekomst eten? hij zegt. Dat is wat er op het spel staat. Maar we zullen het moeten uitzoeken, want we hebben geen andere keuze.

zich verstoppen