Пришло время для смены агропродовольственной парадигмы

• На сельское хозяйство и продовольствие приходится одна треть глобальных выбросов парниковых газов, что делает эти сектора критически важными в усилиях по преодолению нашего нынешнего превышения климатической планетарной границы. Они также оказывают глубокое воздействие на пресноводные ресурсы, биоразнообразие и биогеохимические циклы.
• Согласно недавнему исследованию, новые и появляющиеся технологии уже в ближайшие два десятилетия смогут проложить путь к сельскому хозяйству с нулевыми выбросами. Они предполагают использование робототехники, электромобилей, улучшенных сортов сельскохозяйственных культур и распределенного мониторинга. Точное земледелие может сократить выбросы на 71% и помочь создать запасы углерода в почве.
• Во втором исследовании сообщается, что выращивание микробного белка с помощью солнечных батарей может обеспечить до 10 раз более высокий урожай белка с единицы поверхности земли, чем у основных культивируемых культур, таких как соевые бобы, за счет сокращения выбросов парниковых газов в результате обработки земель и использования синтетических удобрений.
• Третий отчет показывает, что к 2050 году Европа могла бы прокормить прогнозируемое население в 600 миллионов человек только с помощью органического земледелия, сократив потребление продуктов животного происхождения примерно до 30% от нашего рациона, внедрив севообороты и воссоединив системы животноводства и земледелия с помощью навоза.

Согласно исследованию, опубликованному в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) в прошлом месяце, новые и появляющиеся технологии могут проложить путь к сельскому хозяйству с нулевыми выбросами углерода в ближайшие два десятилетия .

На горизонте маячит множество новых и появляющихся сельскохозяйственных технологий, которые могут революционизировать наши представления о производстве продуктов питания, но в отдельном отчете,  опубликованном в журнале One Earth, предполагается, что низкотехнологичные решения могут быть столь же эффективными.

На сельское хозяйство и производство продуктов питания приходится 34% глобальных выбросов парниковых газов , что делает эти сектора критически важными в усилиях по преодолению нашего нынешнего превышения климатической планетарной границы . Они также оказывают глубокое влияние на пресную воду, биоразнообразие и круговорот азота и фосфора. Если мы хотим сохранить на Земле условия, пригодные для жизни для будущих поколений, то должны не выходить за каждую из девяти  планетных границ: нарушение которых, может иметь фатальные для человечества последствия: изменение климата, потеря биоразнообразия, закисление океана, истощение озонового слоя, загрязнение атмосферы аэрозолями, использование пресной воды, биогеохимические потоки азота и фосфора, система суши. изменение и выпуск новых химикатов.

Аграрный и продовольственный сектора таят в себе громадные возможности для климатических решений. Это связано с тем, что продуктивность и, в конечном итоге, прибыльность агропродовольственных систем основаны на фотосинтезе, процессе, который удаляет CO ₂ из атмосферы. Наши сельскохозяйственные  земли обладают огромным потенциалом для того, чтобы стать чистым поглотителем углерода и внести положительный вклад в решение проблемы климатической чрезвычайной ситуации.

Ключевая роль новых технологий в сокращении выбросов углерода

В перспективной статье для PNAS Дэниел Нортруп и его коллеги сравнили прогнозируемые выбросы парниковых газов от различных агропродовольственных технологий с текущими выбросами при выращивании кукурузы.

Они обнаружили, что сочетание новых технологий, включая цифровое сельское хозяйство, генетику сельскохозяйственных культур и электромобили, реализованное в рамках трехэтапного перехода, может обеспечить сокращение выбросов парниковых газов от пропашного земледелия на 71% в следующие 15 лет. В то же время эти методы нацелены на создание запасов углерода в почве, которые могут проложить путь к чистым отрицательным выбросам в этом секторе.

На первом этапе будет оптимизирована текущая агропродовольственная технология за счет использования цифрового сельского хозяйства для уменьшения количества азотных удобрений, используемых для обработки сельскохозяйственных культур, за счет более точного внесения меньших количеств – метода, который может сократить выбросы на 23%.

Затем существующие технологии будут заменены эквивалентами с низким уровнем выбросов, включая зеленые методы синтеза удобрений и замену сельскохозяйственного оборудования, работающего на ископаемом топливе, на электрические эквиваленты, работающие на возобновляемых источниках энергии. Этот шаг может включать селективную селекцию или генную инженерию для определенных характеристик сельскохозяйственных культур, таких как улучшенное поглощение азота корнями растений.

Заключительный шаг в переходе к агротехнике будет включать в себя полную реконструкцию сельскохозяйственной системы с использованием набора  небольших сельскохозяйственных роботов для практики автоматизированного точного земледелия с высокоэффективными сортами сельскохозяйственных культур под управлением распределенных датчиков. Согласно исследованию, такая передовая сельскохозяйственная система может сократить выбросы углерода более чем на 1700 кг на гектар.

«В докладе основное внимание уделяется одной из наиболее распространенных систем земледелия на планете – интенсивном выращивании кукурузы и разработан путь к радикальной декарбонизации», – пояснил Нортруп.

Он утверждает, что высокотехнологичные решения могут ускорить переход человечества к более устойчивому выращиванию сельскохозяйственных культур, которое поддерживает жизненно важные экосистемные услуги, такие как связывание углерода и фильтрация воды. «Поскольку эти инструменты могут комфортно работать на текущих сельскохозяйственных рынках, они являются отличным местом для укрепления доверия и согласования устойчивых [сельскохозяйственных] решений», – сказал он.

Решения по декарбонизации животноводства

С зерновыми культурами связана только половина проблем и решений декарбонизации агросектора: 50% сельскохозяйственных выбросов приходится на животноводство, и здесь тоже могут помочь новые технологии.

В отдельном исследовании , также опубликованном в журнале PNAS, команда под руководством Аррена Бар-Эвена из Института молекулярной физиологии растений им. Макса Планка в Германии изучала, как микробный белок можно использовать для уменьшения воздействия производства мяса на окружающую среду и обеспечения здорового (веганского) питания.

Со времен Первой мировой войны микробы выращивались для производства протеина как для кормов, так и для пищевых продуктов. Недавнее возрождение в этой области привело к тому, что многие компании разработали микробные системы для производства «одноклеточного белка» (SCP) в качестве источника корма для животных, и рыб, а также производства коммерческих пищевых продуктов. Как правило, компании используют метан или сахар, произведенный в сельском хозяйстве, для выращивания бактерий, предназначенных для получения кормов и пищи. Однако производство обоих субстратов связано с сопутствующим воздействием на окружающую среду.

Новое исследование показало, что воздействий на среду можно избежать путем выращивания одноклеточных белков с питанием от солнечных батарей. Эта новая технология, получившая название фотоэлектрического одноклеточного белка (PV-SCP), может обеспечить до 10 раз более высокий урожай белка с единицы земли, чем у основных сельскохозяйственных культур, таких как соевые бобы, сокращая выбросы парниковых газов в результате обработки земель и использования синтетических удобрений.

«Инженерия и электрохимия очень хороши в одних вещах, а биология в других. Если мы возьмем лучшее отовсюду, то сможем открыть новые возможности, которые были недоступны раньше», – сказал ведущий автор исследования Дориан Леже, сейчас интерн в Европейском космическом агентстве.

Процесс работает следующим образом: Электроэнергия от солнечной фермы направляется в электрохимический блок, который использует CO _2, захваченный из атмосферы, для производства богатой энергией питательной среды для микробного белка, который затем может быть преобразован в корм для животных или съедобный белок, который можно использовать для приготовления различных продуктов питания человека. Полученный белок очень питателен и соответствует рекомендациям Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО) по здоровому аминокислотному составу, а также богат витаминами группы B.

Команда смоделировала энергоэффективность PV-SCP по сравнению с основными культурами и обнаружила, что этот метод может генерировать 1,2 кг белка на квадратный метр земли в год – в 10 раз больше, чем у альтернативы наиболее урожайной культуры, сои, которая в среднем дает 0,115 кг. белка на квадратный метр в год.

Быстрое внедрение этой технологии потенциально может означать спасение тропических лесов Амазонки и саванны Серрадо в Бразилии, где огромные площади местной растительности ежегодно превращаются в сою.

«Мягко говоря, фотосинтетические механизмы растений поразительно впечатляют, но я не удивлен, что созданные человеком системы могут превзойти их с точки зрения энергоэффективности», – сказал Леже.

Он пояснил, что микробы могут направлять большую часть своей энергии на производство белка, в то время как культурные растения, такие как соя, должны вкладывать дополнительную энергию в корневую систему, листья и другие несъедобные компоненты. SCP также обходит важный компромисс, с которым сталкиваются растения, между фотосинтезом и потерей воды, поскольку микробы можно выращивать в закрытых чанах, где почти не теряется вода из-за испарения. Таким образом, этот процесс защищает еще одну планетарную границу: наши пресноводные системы.

Новый акцент на старых, низкотехнологичных сельскохозяйственных технологиях

Несмотря на большой энтузиазм, исследования и инвестиции в новые агротехнологии, некоторые эксперты говорят, что той же конечной цели можно достичь с помощью существующих низкотехнологичных решений. Для этого необходимо: замкнуть цикл сельскохозяйственного азотного цикла.

Другое новое исследование , опубликованное в журнале One Earth , сообщает, что, реализовав три простых принципа, Европа могла бы накормить свое растущее население, избавиться от зависимости от импортных кормов и добиться значительного сокращения выбросов парниковых газов.

Три принципа: сокращение потребления продуктов животноводства людьми, внедрение систем органического севооборота и воссоединение систем животноводства и земледелия с помощью навоза.

«Сюрприз в том, что с органическим земледелием, без каких-либо синтетических удобрений, просто повторно подключив домашний скот и адаптируя нашу диету к стандартам здоровья, мы можем накормить всех», – сказал ведущий автор исследования Жиль Биллен, биогеохимик и заслуженный директор по исследованиям во Франции. Национальный центр научных исследований (CNRS по французской аббревиатуре) в Париже.

Исследователи подсчитали, что подходящие для региона системы севооборота, напрямую связывающие выращивание сельскохозяйственных культур с животноводством, могут удовлетворить потребности в белке 600 миллионов европейцев к 2050 году, когда ожидается пик численности населения.

«Используя бобовые – растения, способные связывать атмосферный азот в белки в своих корнях – в качестве главы севооборота, вы можете естественным образом внести много азота в почву», – сказал Биллен. Такие разнообразные севообороты также сокращают количество вредителей и болезней, которые процветают в однородных условиях сельскохозяйственных монокультур, тем самым уменьшая или устраняя потребность в пестицидах, тем самым охраняя другую планетарную границу, связанную с предотвращением выпуска новых химикатов и усилением загрязнения.

Все дело в азоте

Вместо того, чтобы полагаться на новые технологии, сценарий Биллена предполагает возврат к сельскохозяйственным принципам, которые были обычным явлением всего столетие назад, но которые теперь будут подкреплены современными агроэкологическими ноу-хау.

В то время в Европе доминировали смешанные зерновые и животноводческие фермы, перерабатывающие навоз домашнего скота для удобрения различных культур, включая азотфиксирующие бобовые, такие как клевер и люцерна. Эти старые способы были взорваны открытием химического процесса Габера-Боша в 1909 году, который использует высокие давления и температуры для извлечения азота из атмосферы – технология, которая произвела революцию в сельском хозяйстве, сделав дешевые синтетические удобрения легкодоступными.

К 2015 году процесс Хабера-Боша кормил примерно 44% населения мира . При этом на каждую тонну добытого азота использовалась тонну ископаемого топлива и выделялось 1,87 тонны CO ₂ . Только на этот производственный процесс приходится около 1,2% мировых выбросов парниковых газов.

Ирония заключается в том, что после того, как на переработку этого азота было затрачено столько энергии, большая его часть никогда не попадает в наши посевы.

«Граница раздела растений и почвы очень неэффективна с точки зрения того, как она взаимодействует с азотом; только 50% азота, который мы вносим в качестве удобрений, попадает в нашу пищу », – пояснил Леже.

Остальное становится загрязнением – смывается в водные пути, где может вызвать вредоносное цветение водорослей, или выбрасывается из почвы обратно в атмосферу. Здесь он действует как мощный парниковый газ, с потенциалом потепления климата в 265 раз больше, чем CO ₂ . Фактически, злоупотребление человечеством азотного цикла уже привело к одному из худших выходов за пределы планетарной границы.

«Хотя наше влияние на круговорот азота часто упускается из виду, оно намного больше, чем то, которое мы оказываем на круговорот углерода, и это во многом зависит от того, как мы производим пищу», – сказал Сильвио Матасса, научный сотрудник Неаполитанского университета в Италии. соавтор исследования PV-SCP.

«Одним из самых ужасных последствий повсеместного использования азотных синтетических удобрений Haber-Bosch является тот факт, что это позволило полностью исключить выращивание зерновых и животноводство», – сказал Биллен. По мере увеличения производства фермеры в наиболее плодородных регионах сосредоточились на выращивании высокопродуктивных зерновых культур, переместив животноводство в менее плодородные регионы и туда, где возникла необходимость в импорте кормов.

«Эта [сельскохозяйственная специализация] приводит к ужасным нарушениям [потому что] вы не можете замкнуть биогеохимические циклы», – пояснил он.

Тесно сочетая животноводство и выращивание сельскохозяйственных культур в сценарии модельного исследования 2050 года, Биллен и его коллеги смогли резко снизить зависимость от синтетических азотных удобрений в пользу навоза и бобовых, что привело к сокращению выбросов азота на 57%.

Другие источники отработанного азота также могут быть перенаправлены в сельское хозяйство. Например, по закону очистные сооружения сточных вод должны удалять азот, чтобы предотвратить его попадание в ручьи и реки; после извлечения он возвращается в атмосферу в виде азота и закиси азота, вызывающей парниковый эффект.

«Это, конечно, безумие, потому что это тот же азот; Вы можете повторно использовать его столько, сколько захотите, с помощью простых систем, и вам не понадобится эта энергия, и вы можете избежать связанных с этим выбросов парниковых газов », – сказал Биллен. «Вот почему для нас было совершенно очевидно интегрировать [переработку азота из сточных вод] в наш сценарий».

Повторное использование азота, отфильтрованного из бытовых сточных вод, обратно в промышленную сельскохозяйственную систему может быть беспроигрышным с точки зрения экологии и экономики, поскольку на каждую тонну рециркулируемого азота можно сэкономить примерно 2 тонны ископаемого топлива.

Изменение диеты, изменение мира

Эксперты, опрошенные для этой статьи, согласны с тем, что сокращение преобладания продуктов животного происхождения в западных диетах является необходимым изменением, если мы хотим накормить растущее население мира здоровой, устойчивой и справедливой диетой.

Доля животного белка в рационе европейцев увеличилась с 35% в 1961 году до 55% в 2013 году, но наука о питании предполагает, что изменение этой тенденции будет иметь значительные преимущества для здоровья. Например, Комиссия EAT – Lancet по здоровому питанию из устойчивых пищевых систем рекомендует эталонный рацион, содержащий 33% животного белка. В сценарии Биллена используется диета, состоящая на 30% из животного белка, а остальные потребности человека удовлетворяются за счет зерновых, фруктов и овощей и зерновых бобовых, таких как фасоль, нут и чечевица.

«Вы не можете надеяться [накормить] все население мира [в] 2050 году с помощью диеты, столь же богатой животными белками, как [сегодня] в Европе или Соединенных Штатах», – сказал Биллен. «От 30 до 40% [животного белка] – это максимально допустимая диета, которую я называю справедливой диетой – диета, которой могут пользоваться все народы мира», – пояснил он.

«Я не против животноводства и не думаю, что мы должны стремиться к ликвидации всего животноводства, но нам, вероятно, нужно найти более тонкий баланс, чем то, что мы сделали до сих пор на Западе», – согласился Леже.

В настоящее время «30-40% всей земли используется для сельского хозяйства, и тем не менее около 800 миллионов человек – каждый десятый человек – недоедают», – отметил он. «Хотя мы прогнозируем, что в будущем в продовольственной системе возникнут проблемы, очевидно, что уже есть ограничения на то, что мы можем достичь [сейчас], и, несмотря на эти ограничения, это уже несет огромную нагрузку на окружающую среду, поэтому нам необходимо сделай что-нибудь.”

Высокотехнологичные и низкотехнологичные решения часто рассматриваются отдельно, но интеграция этих подходов может стать самым быстрым путем к устойчивости сельского хозяйства и снижению выбросов углерода. Представьте себе сельскохозяйственную систему будущего, сочетающую цифровое сельское хозяйство (например, автоматический мониторинг посевов и роботизированное внесение удобрений) с методами регенерации (такими как севооборот на основе бобовых культур и смешанные системы растениеводства и животноводства), дополненные микробным белком, основанным на возобновляемых источниках энергии.

«Было бы здорово, если бы PV-SCP можно было интегрировать в сельхозугодья, чтобы он мог работать вместе с сельскохозяйственными культурами [и] с природой, чтобы он делил землю с насекомыми, животными и растениями», – сказал Леже.

Пришло время для смены агропродовольственной парадигмы

Переосмысление глобальной продовольственной системы имеет важное значение, если мы хотим достичь цели Парижского соглашения по ограничению глобальных средних температур до повышения на 1,5–2 ° по Цельсию (2,7–3,6 ° по Фаренгейту) по сравнению с доиндустриальными уровнями. Отрезвляющий факт: текущие тенденции выбросов парниковых газов, производимые нашей обычной глобальной агропродовольственной системой, достаточны, чтобы нанести удар по всему углеродному бюджету человечества до 2063 года.

За столетие инвестиций в нынешнюю промышленную сельскохозяйственную систему будет нелегко радикально изменить курс, но «есть моменты в истории, когда вы вынуждены менять парадигму, и это срочно сейчас из-за безотлагательности климата и утраты биоразнообразия. , – сказал Биллен. К счастью, он считает, что мнение начинает меняться, и он приходит к выводу: «Я оптимистичный парень».

Цитаты:

Нортрап, Д.Л., Бассо, Б., Ван, М.К., Морган, К.Л., и Бенфей, П.Н. (2021 г.). Новые технологии сокращения выбросов дополняют ресурсосберегающее сельское хозяйство для достижения отрицательных выбросов от производства пропашных культур. Труды Национальной академии наук ,  118 (28). DOI : 10.1073 / pnas.2022666118

Леже, Д., Матасса, С., Нур, Э., Шепон, А., Майло, Р., и Бар-Эвен, А. (2021). При производстве микробного белка с помощью фотоэлектрических элементов можно более эффективно использовать землю и солнечный свет, чем для традиционных культур. Труды Национальной академии наук ,  118 (26). DOI : 10.1073 / pnas.2015025118

Биллен, Г., Агилера, Э., Эйнарссон, Р., Гарнье, Дж., Гингрич, С., Гризетти, Б.,… и Санс-Кобена, А. (2021). Перестройка европейской агропродовольственной системы и завершение ее азотного цикла: потенциал сочетания диетических изменений, агроэкологии и замкнутости. Одна Земля ,  4 (6), 839-850. DOI : 10.1016 / j.oneear.2021.05.008

Изображение к заголовку: Пастух с пасущимися овцами. Изображение с сайта Pixabay (общественное достояние).