Рис является крупнейшей основной культурой в мире, потребляемой более чем половиной населения мира, но новые эксперименты Стэнфордского университета показывают, что с изменением климата производство в основных рисоводческих регионах с эндемичным почвенным мышьяком резко сократится. и поставить под угрозу запасы продовольствия.
Эти эксперименты по изучению производства риса в будущих климатических условиях показывают, что урожайность риса может упасть примерно на 40 процентов к 2100 году, что может иметь разрушительные последствия в тех частях мира, которые полагаются на урожай как на основной источник пищи. Более того, изменения в почвенных процессах из-за повышения температуры приведут к тому, что рис будет содержать в два раза больше токсичного мышьяка, чем рис, потребляемый сегодня. Исследование было опубликовано 1 ноября в Nature Communications..
К тому времени, когда мы доберемся до 2100 года, у нас, по оценкам, будет около 10 миллиардов человек, так что это будет означать, что у нас есть 5 миллиардов человек, зависящих от риса, и 2 миллиарда, у которых не будет доступа к калориям, которые они обычно требуется», - сказал соавтор Скотт Фендорф, профессор Терри Хаффингтона в области науки о системе Земли в Школе наук о Земле, энергии и окружающей среде Стэнфордского университета (Stanford Earth). «Мы должны знать об этих грядущих проблемах, чтобы быть готовыми адаптироваться».
Исследователи специально изучили рис, потому что он выращивается на затопленных полях, которые помогают высвободить мышьяк из почвы и сделать его особенно чувствительным к поглощению мышьяка. Хотя сегодня многие продовольственные культуры содержат небольшое количество мышьяка, некоторые регионы выращивания более восприимчивы к нему, чем другие. Будущие изменения в почве из-за более высоких температур в сочетании с условиями затопления приводят к тому, что мышьяк поглощается растениями риса в более высоких уровнях, а использование поливной воды с естественным высоким содержанием мышьяка усугубляет проблему. Хотя эти факторы не повлияют на все мировые товары одинаково, они распространяются и на другие выращиваемые в условиях наводнения культуры, такие как таро и лотос..
«Я просто не ожидал такого масштаба воздействия на урожай риса, который мы наблюдали», - сказал Фендорф, который также является старшим научным сотрудником Стэнфордского института окружающей среды. «Что я упустил, так это то, насколько биогеохимия почвы отреагирует на повышение температуры, как это усилит доступный для растений мышьяк, а затем - в сочетании с температурным стрессом - как это действительно повлияет на растение».
Встречающийся в природе полуметаллический химикат мышьяк содержится в большинстве почв и отложений, но, как правило, в форме, которая не поглощается растениями. Хроническое воздействие мышьяка приводит к поражению кожи, раку, обострению заболевания легких и, в конечном счете, к смерти. Это особенно касается риса не только из-за его глобального значения, но и потому, что низкоаллергенный продукт часто вводят младенцам в раннем возрасте.
«Я думаю, что эта проблема также имеет решающее значение для людей, у которых есть маленькие дети в нашем обществе», - сказала ведущий автор Э. Мари Мюэ, бывший доктор наук в Стэнфорде, а ныне в Университете Тюбингена, Германия. «Поскольку младенцы намного меньше нас, если они едят рис, это означает, что они поглощают больше мышьяка по отношению к массе своего тела».
Моделирование климата
Исследователи создали будущие климатические условия в теплицах на основе оценок возможного повышения температуры на 5 градусов по Цельсию и удвоения содержания углекислого газа в атмосфере к 2100 году, согласно прогнозам Межправительственной группы экспертов по изменению климата.
В то время как предыдущие исследования изучали влияние повышения температуры в контексте глобального продовольственного кризиса, это исследование было первым, в котором учитывались почвенные условия в сочетании со сдвигами климата.
Для экспериментов группа выращивала среднезернистый сорт риса в почве рисоводческого региона Калифорнии. В теплицах контролировались температура, концентрация углекислого газа и уровень мышьяка в почве, который в будущем будет выше из-за его накопления в почве в результате орошения сельскохозяйственных культур водой, загрязненной мышьяком, что усугубляется чрезмерной откачкой грунтовых вод.
«Мы нечасто задумываемся об этом, но почва живая - она кишит бактериями и множеством разных микроорганизмов», - сказал Фендорф. «Оказывается, эти микроорганизмы определяют, остается ли мышьяк разделенным на минералы и удаляется от растений, или он выходит из минералов в водную фазу».
Исследователи обнаружили, что при повышении температуры микроорганизмы дестабилизируют большее количество присущего почве мышьяка, что приводит к увеличению количества токсина в почвенной воде, доступной для поглощения рисом. При попадании в организм мышьяк препятствует усвоению питательных веществ и замедляет рост и развитие растений - факторы, которые, по наблюдениям ученых, способствовали 40-процентному снижению урожайности.
Раннее предупреждение, планирование на будущее
Несмотря на то, что серьезные потери в производстве являются серьезной причиной для беспокойства, ученые надеются, что это исследование поможет производителям найти потенциальные решения, чтобы накормить мир.
Хорошая новость заключается в том, что, учитывая прошлые успехи в плане способности мирового сообщества выводить сорта, которые могут адаптироваться к новым условиям, а также изменения в управлении почвой, я надеюсь, что мы сможем обойти проблемы, наблюдаемые в наше исследование», - сказал Фендорф. «Я также оптимистичен в том, что по мере того, как мы продолжаем проливать свет на угрозы, связанные с изменением температуры на 5 градусов по Цельсию, общество примет меры, чтобы гарантировать, что мы никогда не достигнем такой степени потепления».
В качестве следующих шагов Фендорф, соавтор Тяньмей Ван и Мюхе надеются оценить урожайность риса в глобальном масштабе, используя дистанционное зондирование для точного определения загрязненных рисовых полей, чтобы смоделировать будущие урожаи и загрязнение мышьяком.
«Это, скорее всего, будет проблемой там, где потребляется больше всего риса, поэтому мы думаем о Южной и Восточной Азии», - сказал Ван, кандидат наук в области наук о Земле. «Особенно для таких людей, как мой папа - он ест рис три раза в день и просто не может без него жить».
Fendorf также является членом Исследовательского института здоровья матери и ребенка (MCHRI). Исследователи из Байройтского центра экологии и экологических исследований Университета Байройта, Германия, являются соавторами исследования.
Исследование финансировалось стипендией Марии Склодовской Кюри Европейской комиссии, Министерством энергетики США, Национальным институтом здравоохранения, Национальным институтом общих медицинских наук.