Некоторым странам требуется больше удобрений для повышения урожайности. Но некоторые могут сократить расходы, не жертвуя производством продуктов питания.
Удобрения могут повысить урожайность. Это не только дает важные преимущества для доходов фермеров и продовольственной безопасности, но также дает экологические преимущества за счет сокращения наших потребностей в сельскохозяйственных угодьях. Многие страны выиграют от использования большего количества удобрений.
При чрезмерном применении они также могут стать загрязнителем окружающей среды. Мы могли бы предположить, что мы ничего не можем сделать: что для достижения более высоких урожаев нам нужно больше ресурсов и, следовательно, неизбежно больше загрязнения. Но исследования показывают, что это не обязательно так. Фермеры во многих странах могут сократить использование удобрений без ущерба для производства продуктов питания.
Одно из крупнейших и наиболее впечатляющих исследований в мире показывает нам, что простые вмешательства могут дать большие результаты. В ходе десятилетнего испытания исследователи работали с 21 миллионом мелких фермеров по всему Китаю, чтобы выяснить, смогут ли они повысить урожайность, одновременно снизив воздействие сельского хозяйства на окружающую среду.1 Они добились успеха.
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 одну шестую. Этот эксперимент обеспечил экономическую отдачу в размере 12,2 миллиарда долларов США за счет увеличения урожая и уменьшения потребности в удобрениях. Это не было достигнуто за счет крупных технологических инноваций или изменений в политике: оно включало обучение фермеров передовым методам управления.
Часто предполагается, что использование удобрений — наряду с создаваемым ими загрязнением — и урожайностью представляет собой неизбежный компромисс. Чтобы повысить урожайность, нужно все больше и больше удобрений. Это крупномасштабное исследование предполагает, что этот компромисс не всегда так экстремальны, как мы могли бы подумать.
Чтобы было ясно: удобрения жизненно важны для глобального производства продуктов питания. Немногие инновации изменили мир так сильно, как синтетический азот.
На протяжении большей части истории человечества производство продуктов питания ограничивалось количеством реактивных питательных веществ, доступных для сельскохозяйственных культур. Все изменилось с появлением Фрица Габера и Карла Боша. Вместо того, чтобы полагаться на дефицитный азот, который естественным образом присутствует в почвах мира, мы могли бы производить его самостоятельно. Их нововведение (процесс Габера-Боша) в начале 20-го века обеспечило жизнь миллиардам людей. Оценки показывают, что каждый второй человек, читающий это, должен благодарить их за то, что они живы сегодня.
Удобрения помогают нам добиваться более высоких урожаев сельскохозяйственных культур. Это очевидный плюс для людей: фермеры могут производить и зарабатывать больше, а в мире больше еды. Что менее очевидно, так это то, что это имеет большое экологическое преимущество. Более высокие урожаи означают, что нам нужно использовать меньше земли для ведения сельского хозяйства3. Это означает, что мы можем защитить леса и сохранить естественную среду обитания.
Но это правда, что наряду с экологическими преимуществами есть и некоторые недостатки. Не весь азот, который мы используем, используется культурами. Остальные стекают с почвы в природную среду, удобряя реки и озера и тем самым нарушая баланс экосистем и вызывая утрату биоразнообразия.
Мы могли бы предположить, что мы ничего не можем сделать: что для достижения более высоких урожаев нам нужно больше ресурсов и, следовательно, неизбежно больше загрязнения. 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 по всему миру.
Культурам, как и любому организму, для роста необходимы питательные вещества. Когда определенных питательных веществ не хватает, они перестают расти или растут гораздо медленнее. Это называется «ограничение питательных веществ». Какое питательное вещество является наиболее ограничивающим, варьируется в зависимости от мира: в одних почвах не хватает азота, а в других — фосфора или калия.
Если почве не хватает питательных веществ, естественно, мы можем добавить свои собственные. Это могут быть синтетические удобрения или органические добавки, такие как навоз. Существуют очень большие различия в том, сколько удобрений вносится по всему миру. Мы видим это на диаграммах ниже: сначала как карта среднего использования удобрений на гектар пахотных земель; и во-вторых, с разбивкой по питательным веществам на гистограмме.
Между странами разница в 100 раз. Во многих беднейших странах мира, особенно в странах Африки к югу от Сахары, фермеры вносят всего несколько килограммов удобрений на гектар. Для сравнения: один гектар примерно в 1,5 раза больше футбольного поля.4 Сравните это с такими странами, как Китай, Бразилия, Великобритания или Египет, где фермеры вносят сотни килограммов в год. Они вносят за несколько дней столько же, сколько некоторые фермеры делают за целый год.
Это привело к разделению мира:
- Во многих более бедных странах нам нужно больше удобрений. Повышение урожайности было медленным, и большие пробелы в урожайности можно закрыть за счет большего и лучшего управления вводимыми ресурсами5. Это хорошо не только для фермеров, но и для окружающей среды: по вышеуказанным причинам устранение пробелов в урожайности является одной из лучшие способы предотвратить потерю среды обитания в тропиках.
Вот почему организациям, таким как Программа развития ООН, вредно постоянно продвигать идею о том, что чем меньше удобрений, тем лучше. Это нехорошо ни для человека, ни для окружающей среды.
- Но, как мы увидим, многие страны чрезмерно применяют азот. Они могли бы сократить без негативного влияния на их урожайность.
Эффективность использования азота: баланс урожайности и потребности в питательных веществах
Использование большого количества удобрений не обязательно было бы плохо, если бы все они использовались культурами. К сожалению, большей части нет.
Чтобы зафиксировать это, мы можем посмотреть на соотношение азота в собранных продуктах (наши культуры) по сравнению с нашими входами (удобрениями или навозом); это соотношение называется «эффективностью использования азота» (ЭИА). ЭИА 60% будет означать, что количество азота в наших культурах составляет 60% азота, который был добавлен к ним в качестве ресурсов. Остальные 40% азота не использовались культурами.
Низкий NUE — это плохо. Это означает, что очень мало азота, который мы добавляем, поглощается растениями. ЭИА 20% будет означать, что 80% применяемого азота стало загрязняющим веществом.
Вскоре мы увидим, что некоторые страны имеют очень высокий ЭИА — более 100%. Вы можете предположить, что это хорошая новость. На самом деле часто бывает наоборот. Это означает, что им не хватает азота, но они продолжают пытаться выращивать все больше и больше сельскохозяйственных культур. Вместо того, чтобы использовать легкодоступные питательные вещества, сельскохозяйственные культуры должны брать азот из почвы — процесс, называемый «добычей азота». Со временем это истощает питательные вещества почвы, что в долгосрочной перспективе будет плохо для растениеводства.
В глобальном масштабе ЭИА упорно остается низким, от 40% до 50% с 1980 г.6 Это удивительно низкий показатель. Это означает, что менее половины азота, который мы вносим в наши культуры, фактически поглощается ими. Остальное — избыток, просачивающийся в природную среду.
Но есть очень большие различия в ЭИА по всему миру, как показано на карте. Некоторые страны достигают низкого ЭИА – менее 40%. И Индия, и Китай, например, имеют КПД всего в одну треть. Однако в некоторых странах дела обстоят намного лучше. Франция, Ирландия, Великобритания и США имеют эффективность более двух третей.
Как эффективность использования азота изменилась с течением времени
Мы также можем посмотреть на изменение ЭИА с течением времени, что показывает нам некоторые интересные различия между странами.
На графике мы видим соотношение поступления и выхода азота в виде связной диаграммы рассеивания. По оси ординат мы откладываем выходы азота: количество азота, получаемого культурами. По оси абсцисс отложены поступления азота: добавленные в виде удобрений, навоза или естественного поглощения почвой.
Серая линия показывает, где эффективность использования азота будет равна 100%, что означает, что весь добавленный азот был поглощен культурой. На самом деле, это, вероятно, плохие новости. Как мы обсуждали ранее, они, вероятно, недополучают азот. Вместо того, чтобы использовать синтетические ресурсы, сельскохозяйственные культуры должны брать азот из почвы, что со временем может истощить их почвы.
В идеале нам нужно значение, которое становится выше по оси Y: больший урожай от наших культур, но не смещается все дальше и дальше вправо (что указывает на то, что для достижения этого требуется все больше и больше входных данных). Если страна удаляется от серой линии, она становится все более неэффективной. Мы хотим, чтобы страны двигались к этому.
Я выделил некоторые интересные образцы страны. Мы видим, что такие страны, как Индия, Китай и Египет, становятся менее эффективными. Урожайность растет, но для этого им требуется все больше азота. Это убывающая кривая доходности. Они удаляются от центральной серой линии. Франция дает нам интересный контрпример. В последние годы он начал двигаться назад по оси абсцисс, чтобы снизить поступление азота. В то же время он медленно увеличивал урожайность. Это увеличивает урожайность при одновременном снижении количества используемых удобрений. НУЭ улучшается.
В левом нижнем углу мы видим Нигерию. Многие страны Африки к югу от Сахары сгруппированы близко к месту происхождения. Они получают низкие урожаи и вносят лишь небольшое количество азота в свои культуры. Для продовольственной безопасности им нужно быстро двигаться вверх по оси Y.
Мы можем уменьшить загрязнение азотом без снижения урожайности
Таким образом, эффективность использования азота, а не просто использование удобрений, кажется нам более устойчивым показателем для оценки.
Можно предположить, что все страны могут достичь одинаково высокого ЭИА. Но, может быть, все же несправедливо сравнивать страны по всему миру таким образом. Различия в климате, растительности и типах почвы означают, что мы не можем везде получать одинаковые урожаи с одинаковыми затратами. Некоторые страны могут иметь более благоприятные экологические условия, чем другие.
Как мы можем лучше понять, какие страны преуспевают в этих компромиссах между урожайностью и удобрениями?
Интересным способом решения этого вопроса является рассмотрение разрывов урожайности и загрязнения азотом на международных границах. Именно такой подход был использован Дэвидом Вуэппером и его коллегами в недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature.7 Изучая неоднородность урожайности, баланса азота и поступлений через границы, 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 сразу за границей. Технически они должны быть в состоянии достичь аналогичного уровня ЭИА и аналогичной доходности. Если существуют большие различия в урожайности или загрязнении между одной страной и соседней страной, мы, следовательно, предположим, что важную роль играют эффекты, характерные для конкретной страны. Он имитирует «естественный эксперимент», в котором условия окружающей среды остаются постоянными, а политические решения являются изменчивой переменной.
Контраст на границе между Казахстаном и Китаем; и Турция и Сирия являются хорошими примерами этого. Это мы можем увидеть на аэрофотоснимках. Условия выращивания культур с обеих сторон должны быть одинаковыми. Но в Китае и Турции гораздо больше растительности, чем у их соседей, из-за поступления питательных веществ и того, как они управляют сельским хозяйством.
Используя спутниковые снимки и наборы геопространственных данных, эти исследователи смогли измерить четыре ключевых показателя с высоким разрешением на сотнях тысяч границ между странами: балансы азота пахотных земель, загрязнение азотом, дефицит урожая (урожайность может быть увеличена за счет лучшего управления питательными веществами). и потенциал естественной растительности. Они 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 верным9.
В этом большом глобальном наборе данных исследователи обнаружили, что разрыв в загрязнении азотом между границами был намного больше, чем разрыв в урожайности. Их результаты показывают, что во всем мире существует огромный потенциал для снижения загрязнения азотом без ущерба для урожайности.
Они пришли к выводу, что загрязнение азотом можно было бы уменьшить примерно на 35%, если бы загрязняющие страны стали такими же эффективными, как их соседи. Это мало повлияет на урожайность – разница в урожайности увеличится всего на 1%.
Их результаты также позволяют понять, какие страны неэффективно используют азот. На приведенной здесь карте показано, как страны сравнивают уровень загрязнения азотом с приростом урожайности по сравнению со своими соседями. Положительные значения, показанные оранжевым и красным цветом, означают, что страна загрязняет больше, чем необходимо для получения урожая. Отрицательные значения, показанные синим цветом, означают, что страна причиняет меньше вреда.
Есть пара важных моментов, о которых нам нужно помнить. Все эти значения измеряются по отношению к соседям страны. У страны может быть хороший результат, потому что у ее соседа очень низкая урожайность: хороший пример — Южная Корея. Или страна получает высокие баллы, потому что ее сосед неэффективно использует азот: хороший пример — Монголия.
Китай имеет самый высокий балл 170%. Это означает, что он вызывает на 170% больше загрязнения азотом, чем необходимо для достижения такого уровня урожайности. Бразилия, Мексика, Колумбия и Таиланд также сильно загрязняют окружающую среду. Это страны, которые вносят больше всего азота: они, вероятно, могли бы значительно сократить использование удобрений, не влияя на урожайность сельскохозяйственных культур.
Мы часто предполагаем, что большее загрязнение — неизбежная плата за попытки сократить разрывы 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 1960-х и 1970-х годах многие современные страны 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 является одной из причин того, что сегодня эти страны чрезмерно применяют азот.
Таким образом, одним из способов, которым правительства могут уменьшить загрязнение азотом, является корректировка отношения цен на удобрения к доходам от сельскохозяйственной продукции. Они могут регулировать субсидии, чтобы фермерам было дорого чрезмерное использование удобрений. Вместо этого они могли бы перераспределить эти финансовые ресурсы на методы, оказывающие положительное воздействие на окружающую среду.
Другой вариант — инвертировать финансовые стимулы: вместо того, чтобы субсидировать удобрения, вы можете обложить их налогом.
Мы могли бы сделать удобрения более дорогими для стран, которые злоупотребляют ими. Но на самом деле мы хотим сделать обратное для стран с большим разрывом в доходности. Как мы видели ранее, во многих странах Африки к югу от Сахары практически не используются удобрения. В результате они получают очень плохие урожаи. Предоставление субсидий на удобрения и другие ресурсы принесло бы огромную пользу.
Одна из проблем внесения удобрений в ваши посевы заключается в том, что бывает трудно понять, где они нужны. В некоторых частях вашего поля может не хватать азота, а в других его более чем достаточно. Часто самое простое и быстрое решение — применять его повсеместно, 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 видеть, где именно удобрения нужны больше всего. Технологии селекции растений также могут открыть новые возможности. Мы можем попытаться повысить свою эффективность. при использовании азота, но есть возможность повысить эффективность его использования растениями.
Не будем забывать, что одно из самых многообещающих решений, которое мы часто упускаем из виду, — самое простое и самое старое из всех. Бобовые – такие культуры, как фасоль, горох и чечевица – творят чудеса, когда дело доходит до азота. Они способны улавливать азот из атмосферы и самостоятельно превращать его в реактивный азот. Это называется «биологической фиксацией». В отличие от большинства других культур, которым мы должны добавить дополнительный азот, они создают его сами. Выращивание большего количества бобовых – либо отдельно, либо вместе с другими культурами – это один из самых простых способов внесения азота в почву.
Наконец, мы можем многое сделать, обучая фермеров внедрению методов устойчивого управления. Исследование миллиона фермеров в Китае ясно показывает это. Чтобы добиться больших результатов, часто необходимы крупные изменения в политике и технологические достижения, но мы не должны недооценивать влияние, которое может оказать образование.
Многие рассматривают урожайность и загрязнение окружающей среды как неизбежный компромисс. Этого не должно быть. Мы можем значительно уменьшить загрязнение без снижения урожайности. Меньше загрязнения, больше еды, более высокая прибыль фермеров и меньше сельскохозяйственных угодий делают эту проблему многократным выигрышем, если мы сможем реализовать правильные решения.