Рис кормит более половины населения мира. От террасных рисовых полей в Юго-Восточной Азии до орошаемых полей в Китае и Индии, он является основой ежедневного питания миллиардов людей. Но те же самые затопленные почвы, которые способствуют росту риса, создают идеальные условия для микроорганизмов, выделяющих парниковые газы.
В новом исследовании группа ученых, специализирующихся на экологии и сельском хозяйстве, обнаружила, что выбросы парниковых газов с рисовых полей в мире с 1960-х годов увеличились почти вдвое, достигнув в среднем около 1,1 миллиарда тонн эквивалента углекислого газа в год в 2010-х годах. Это примерно равно годовым выбросам 239 миллионов автомобилей.
Таким образом, выращивание риса является крупнейшим источником выбросов в сельском хозяйстве после животноводства, и ожидается, что спрос на рис продолжит расти.
У фермеров есть способы сократить выбросы парниковых газов от выращивания риса без снижения урожайности. Мы обнаружили, что если бы каждый производитель использовал лучшие из доступных в настоящее время «климатически устойчивых» вариантов, глобальные выбросы от выращивания риса можно было бы сократить примерно на 10% к середине века. Однако для замедления изменения климата необходимы более значительные сокращения, что потребует разработки дополнительных, более эффективных стратегий.
Почему увеличились выбросы парниковых газов при выращивании риса?
Выбросы парниковых газов, связанные с выращиванием риса, возросли по двум причинам: расширение площадей под рисоводство и интенсификация методов ведения сельского хозяйства.
Чуть более половины глобального увеличения приходится на расширение площадей под рисоводство. В Африке, например, площадь рисоводческих угодий удвоилась с 1960-х годов, что способствовало двукратному увеличению выбросов метана в регионе.
В то же время рисоводы используют больше удобрений и органических добавок, таких как солома и навоз, высаживают более продуктивные сорта риса и сажают растения ближе друг к другу. Результатом является увеличение урожая риса, но также и увеличение выбросов парниковых газов.
Мы обнаружили, что одна конкретная практика — оставление рисовых стеблей на поле после сбора урожая и последующая их вспашка для повышения плодородия почвы — ответственна примерно за 18% увеличения общих чистых выбросов от выращивания риса с 1960-х годов. Причина - это увеличивает содержание органических веществ в почве, которые затем разлагаются микроорганизмами, что приводит к увеличению выбросов метана.
Повышение глобальных температур еще больше ускоряет микробную активность в почве, что означает еще больший объем выбросов.
Удобрения — один важный источник выбросов. Использование синтетического азота увеличилось примерно на 76% после 2000 года, что привело к росту выбросов закиси азота — еще одного мощного парникового газа. На их долю приходится около 9% увеличения общего объема чистых глобальных выбросов от деятельности человека.
Практики орошения также влияют на выбросы. В прошлом орошаемые рисовые поля постоянно затапливались в течение всего вегетационного периода, что приводило к постоянным выбросам парниковых газов, производимых микроорганизмами, которые процветают во влажной среде. Однако за последние два десятилетия все больше фермеров стали использовать затопление, периодически осушая свои поля.
Это изменение привело к снижению выбросов метана по сравнению с ситуацией, когда рисовые поля постоянно затапливались. Однако мы обнаружили небольшое увеличение выбросов оксидов азота по мере чередования влажного и сухого состояния почвы, что побуждает микроорганизмы преобразовывать азот в органическом веществе в оксиды азота, в частности, в закись азота.
Влияние производства риса на климат
Определить полную климатическую стоимость производства риса сложнее, чем измерить выбросы парниковых газов по отдельности.
Рисовые поля выделяют метан и закись азота из влажной или затопленной почвы. Кроме того, они поглощают углекислый газ из атмосферы по мере роста риса и теряют углерод из почвы в промежутках между вегетационными сезонами.
Для получения достоверной глобальной оценки необходимо последовательно учитывать изменения концентрации различных газов и углерода в почве, а также неопределенность, связанную с отслеживанием данных в пространстве и времени.
Для этого мы объединили три подхода:
- Компьютерная модель экосистемы позволила нам смоделировать рост сельскохозяйственных культур, водные условия и почвенные процессы, чтобы оценить изменения содержания метана, закиси азота и углерода в почве в совокупности.
- Модель машинного обучения на основе искусственного интеллекта позволила улучшить оценки в условиях нехватки данных, охватив все рисоводческие регионы мира.
- Метаанализ данных более чем 1200 экспериментальных участков предоставил прямые доказательства того, как такие методы, как орошение, использование удобрений и управление растительными остатками, влияют на выбросы.
Вместе они позволили количественно оценить выбросы с 1961 по 2020 год, определить причины этих выбросов и проверить потенциал методов смягчения последствий изменения климата в будущем.
Что работает, а что нет в сфере смягчения последствий изменения климата
Существуют способы сократить выбросы от производства риса без ущерба для урожайности.
Наше исследование показало, что сокращение использования удобрений и внесения растительных остатков, регулирование орошения таким образом, чтобы между периодами засухи были перерывы, и сокращение обработки почвы могут в совокупности снизить глобальные выбросы парниковых газов от выращивания риса примерно на 10% к середине века.
Мы с удивлением обнаружили, что замена химических удобрений на более органические не всегда лучше с точки зрения выбросов парниковых газов, хотя это и ценится в органическом земледелии.
Поддержание умеренного количества соломы и других растительных остатков на поле может способствовать повышению плодородия почвы, но их избыток увеличивает выбросы метана и ускоряет потерю углерода из почвы. Другой вариант — переработка части остатков в биоуголь путем сжигания его в условиях низкого содержания кислорода перед добавлением в затопленную почву. Биоуголь может помочь стабилизировать углерод в почве и снизить выбросы метана.
Улучшение управления водными ресурсами может стать мощным инструментом для сокращения выбросов. Периодическое осушение полей снижает производство метана, хотя и может незначительно увеличить выбросы закиси азота. Эта стратегия особенно эффективна в регионах с надежной ирригационной инфраструктурой, включая значительную часть Азии.
Регулирование использования удобрений также является эффективной стратегией смягчения последствий, особенно в системах с высоким уровнем внесения удобрений, в том числе в некоторых регионах Китая и Южной Азии. Избыток азота увеличивает выбросы закиси азота без явного увеличения урожайности и усиливает загрязнение воды. Сокращение чрезмерного внесения азота снижает выбросы и загрязнение воды, а также экономит деньги фермеров.
Влияние вспашки, практики обработки почвы между вегетационными сезонами сильно различаются в зависимости от региона. Сокращение вспашки часто рекламируется как экологически безопасное, но мы обнаружили, что оно не всегда минимизирует чистые выбросы в затопленных системах. На рисовых полях в умеренных зонах, включая большую часть США и Китая, более прохладные условия могут ограничивать производство метана. Поэтому преимущества сокращения вспашки с точки зрения содержания углерода в почве перевешивают риск образования метана. Однако в более теплых, постоянно затопленных системах низкое содержание кислорода может усиливать микробную активность, увеличивая производство метана и ускоряя потерю углерода в почве.
Климатический потолок
В итоге, результаты одновременно вселяют надежду и отрезвляют: целенаправленные комплексы оптимизированных методов могут обеспечить существенное сокращение выбросов без снижения урожайности риса, но общее возможное сокращение выбросов в глобальном масштабе будет незначительным.
Для дальнейшего сокращения выбросов потребуется более четкая инструкция, которая поможет фермерам определить оптимальные уровни органических удобрений, таких как солома или биоуголь, а также новые подходы, позволяющие снизить выбросы без ущерба для производства риса.