«Новые технологии в сельском хозяйстве могут оказаться тупиком»

Обзор тенденций и некоторых путей решения проблем обеспечения питанием населения Земли

Станислав Вавилов (Институт Мировых Идей) 28.04.2012, 14:21
До 2050 года мировое сельское хозяйство столкнется с рядом ограничений ИТАР-ТАСС
До 2050 года мировое сельское хозяйство столкнется с рядом ограничений

Как в XXI веке накормить десять миллиардов человек? Обзор тенденций и некоторых путей решения проблем обеспечения растущего населения Земли продуктами питания представляет «Газета.Ru» совместно с Институтом Мировых Идей.

Число людей в мире растет примерно на 70–80 млн человек в год. Никогда на планете еще не жило одновременно такое количество людей. Если смотреть на сельское хозяйство и обеспечение продуктами питания, каждый человек стремится к росту потребления, — соответственно, одновременно с абсолютным потреблением за счет роста численности населения растет и относительное потребление.

Возникает вопрос: «А хватит ли еды для удовлетворения растущих аппетитов растущего населения, учитывая, что около 1 млрд человек уже голодает?»

Поэтому с точки зрения продовольствия перед миром в XXI веке стоит тройная проблема: а) обеспечить едой растущий спрос на пищу со стороны растущего и богатеющего населения; б) сделать это устойчиво с точки зрения окружающей среды; в) справиться с проблемой голода.

Сельское хозяйство мира столкнется в ближайшие 50 лет со следующими ограничениями на глобальном уровне.
1. Отсутствие доступных новых земель.
2. Изменение климатических условий в традиционных зонах выращивания сельскохозяйственных культур. Изменение температурного режима и режима осадков.
3. Деградация почв.
4. Растущий региональный дефицит пресной воды.
5. Снижение темпов роста урожайности даже при увеличении объема удобрений.
6. Увеличение зависимости от ископаемого топлива (логистика, сырье).
7. Отсутствие новых рыбных ресурсов.
8. Рост численности населения.
9. Диетический переход в связи с ростом благосостояния.

В прошлом основными способами борьбы с нехваткой продовольствия было сельскохозяйственное освоение новых земель и использование новых рыбных запасов.

Однако за последние пять десятилетий, в то время как производство зерна увеличилось более чем вдвое, количество земли, отведенной для пахотного земледелия во всем мире, увеличилось лишь на несколько процентов.

Конечно, некоторые новые земли могут быть привлечены в обработку, но конкуренция за землю со стороны других видов деятельности человека делает это все менее вероятным и дорогостоящим решением, особенно при большем внимании к сохранению биоразнообразия. В последние десятилетия определенные сельскохозяйственные площади, которые ранее были продуктивными, оказались утраченными из-за урбанизации и других видов деятельности человека, а также в связи с опустыниванием, засолением, эрозией почв и другими последствиями неустойчивого землепользования. Вероятны и дальнейшие потери, которые могут быть усугублены изменением климата. Производство биотоплива первого поколения на качественных сельскохозяйственных землях также оказывает конкурентное давление на производство продовольствия. Дефицит пресной воды уже вызывает значительные проблемы в Китае и Индии. Влияние человека на азотный и на фосфатный цикл нарушило естественные системы утилизации этих элементов — это влияние не будет ослабевать, так как удобрения ответственны за половину урожая, а использование удобрений будет только расти. Впрочем, более подробно о пределах сельского хозяйства в XXI веке, с акцентом на пресную воду, питательные вещества и углеводороды, «Газета.Ru» рассказывала в материале «Ловушки пресной воды и кислотных дождей».

Соответственно, на глобальном уровне в XXI веке большее количество пищи нужно будет произвести на таком же количестве земли (или даже на меньшей площади). Последние исследования будущего спроса показывают, что миру потребуется на 70–100% больше продовольствия к 2050 году.

Очевидно, что человечество в ближайшие десятилетия будет активно решать эти проблемы. Для разных стран будут характерны разные трудности. Например, в Китае основной проблемой сельского хозяйства будет стремительный диетический переход в связи с ростом доходов: переход с преимущественно вегетарианской диеты на диету, содержащую большую долю мясных продуктов, требует увеличения в несколько раз использования питательных веществ, пресной воды, почв и прочего, что значительно увеличит нагрузку на сельское хозяйство и окажет негативное влияние на окружающую среду. Для африканских стран характерны другие проблемы — низкая урожайность и негативное влияние расширения посевных площадей на окружающую среду (вырубка лесов и опустынивание).

В России проблемы совсем другого характера. Мы зависим от импорта продовольствия, страна не обеспечивает себя мясной продукцией – соответственно, Россия зависима от международных рынков мясных продуктов, что является неустойчивой долгосрочной стратегией.

В каждом регионе можно выделить свои проблемы, но если рассматривать сельское хозяйство как единую мировую отрасль на долгосрочном промежутке времени, то перечисленные в начале данной статьи пределы и тенденции будут играть важнейшую роль, хотя глобальные проблемы сельского хозяйства будут решаться локально.

Ниже дан обзор тенденций и некоторых путей решения вставших проблем обеспечения растущего населения продуктами питания. Эти решения — научный и практический мейнстрим. Но далеко не факт, что эти решения, даже реализованные, смогут улучшить ситуацию, а не загнать в еще больший тупик.

Способ 1. Увеличение урожайности с помощью традиционных практик

Существуют значительные различия в продуктивности сельскохозяйственных культур и скота даже в регионах со схожим климатом. Разница между фактической продуктивностью и наилучшей продуктивностью, которая может быть достигнута с использованием современного генетического материала, имеющихся технологий и управления, называется «разрыв в урожайности». Достижение наилучшей локальной урожайности зависит от способности фермеров/крестьян получить доступ и использовать семена, воду, питательные вещества, почву, средства борьбы с вредителями почв, преимущества биоразнообразия, а также зависит от доступа к передовым знаниям и системам управления.

Преодоление разрывов в урожайности может резко увеличить поставки продовольствия, но одновременно и усилить негативные последствия для окружающей среды, такие как выбросы парниковых газов (особенно метана и закиси азота, которые имеют больший парниковый эффект чем СО2 и которые в значительной степени производятся именно сельским хозяйством), эрозия почв, истощение горизонтов пресной воды, усиление эвтрофикации, уничтожение биоразнообразия из-за перевода земель в сельскохозяйственные.

Способ 2. Увеличение производства продовольствия с помощью генной модификации

Сегодня скорость и затраты на секвенирование и ресеквенирование геномов таковы, что усовершенствованные методы селекции и генетической модификации могут быть легко применены к разработке сортов сельскохозяйственных культур, которые позволяют получать высокие урожаи даже в сложных условиях. Это в первую очередь относится к таким культурам, как сорго, просо, маниок, банан, которые являются основными продуктами питания для многих беднейших общин мира.

Сегодня генную модификацию используют в основном в производстве сои (70% от всей площади под культурой), хлопка (49%), кукурузы (26%), рапса/канола (21%). Площадь под ГМ-культурами составляет 9% от мировой площади под сельскохозяйственными культурами, в основном это США, Бразилия, Аргентина, Индия, Канада и Китай. По данным компании Sygenta, около 90% фермеров, выращивающих ГМ-семена, — это фермеры в развивающихся странах, в основном хлопководы.

В настоящее время основные коммерческие генетически модифицированные культуры созданы относительно простыми манипуляциями, такими как внедрение гена сопротивления гербицидам или гена для вырабатывания токсина против насекомых-вредителей. В следующем десятилетии, скорее всего, получат развитие комбинации желательных качеств и внедрение новых черт, например толерантности к засухе. К середине столетия могут оказаться возможными гораздо более радикальные варианты.

Скорее всего, преследуя цель увеличения урожайности на ограниченной площади одновременно с устойчивостью к изменениям климата, человечество будет активно использовать генетическое преобразование растений.

К примеру, Билл Гейтс уже инвестирует в Monsanto (эта компания, основанная в 1901 году как чисто химическая, к настоящему времени эволюционировала в концерн, специализирующийся на высоких технологиях в области сельского хозяйства; основная продукция в настоящее время – это генетически модифицированные семена кукурузы, сои, хлопка и самый распространенный в мире гербицид «Раундап»). Гейтс считает, что генетически модифицированные растения спасут мир от голода.

Хотя существует много аргументов и против широкого использования ГМ-продуктов. Поскольку генетические модификации включают в себя изменения зародышевой линии организма и его введение в окружающую среду и пищевую цепь, проблема с ГМ-технологией состоит в том, что неизвестно долгосрочное влияние генетически модифицированных культур на организм человека, окружающую среду, биоразнообразие. Именно поэтому в мире существует значительное и абсолютно понятное сопротивление генетически модифицированным продуктам, особенно в таких странах, как Индия, в которых огромная численность населения и растущий спрос со стороны богатеющего среднего класса заставляет искать в том числе такие радикальные пути, как ГМ-технологии, для обеспечения населения продовольствием. Суман Сахай (Suman Sahai), профессор генетики, лауреат премии Нормана Борлауга за выдающиеся достижения в сельском хозяйстве и защите окружающей среды, в статье «Why is there distrust of GM foods» отмечает, что производство ГМ-семян контролируется всего шестью компаниями в мире, что

вызывает значительный дефицит открытой информации и соответствующее отсутствие доверия со стороны потребителей, контролирующих и некоммерческих организаций.

Способ 3. Снижение отходов

На вопрос «что необходимо сделать, чтобы обеспечить 10 млрд человек продуктами питания» Ида Кубишзевски (Ida Kubiszewski), профессор университета Портленда, выпускающий редактор журнала The Solutions, аргументировано отвечает, что сегодня в мире производится абсолютно достаточное количество продовольствия, но примерно от 30% до 50% пищевых продуктов как в развитых, так и в развивающихся странах теряется впустую, хотя и по очень разным причинам.

В развивающихся странах потери в основном связаны с отсутствием инфраструктуры в производственной цепочке, например технологий хранения произведенных продуктов питания на фермах, при транспортировке, при хранении до продажи. Огромные потери на этапе хранения характерны для развивающихся стран, например в Индии, где 35–40% свежих продуктов теряется, потому что ни оптовая торговля, ни розничные пункты не оснащены холодильным оборудованием.

В Юго-Восточной Азии есть существенные потери даже риса, который может храниться без особого оборудования. В итоге после сбора урожая из-за вредителей и порчи теряется до трети урожая.

Структура отходов сельского хозяйства в развитых и развивающихся странах
Структура отходов сельского хозяйства в развитых и развивающихся странах

В развитых странах потери до розничного этапа намного ниже, зато потери, возникающие на этапах розничной торговли, общественного питания и индивидуального потребления значительны. Например, потребители привыкли к покупке продуктов, косметически хорошо выглядящих, — следовательно, розничные торговцы выбрасывают множество съедобных, но незначительно поврежденных продуктов. Также для потребителей в развитых странах продукты питания относительно дешевы, что снижает стимулы для уменьшения отходов.

Соответственно, одной из основных стратегий для достаточного обеспечения человечества продовольствием будет снижение потерь во всей производственной и потребительской цепочке. Одновременно пищевые отходы будут шире использоваться в сельском хозяйстве для откорма скота, так как необходимо снижать нагрузку животноводства на пашни, а также как удобрения, так как такое использование не требует прямого использования неисчерпаемых ресурсов и дополнительных значительных затрат энергии (кроме транспортировки).

Способ 4. Изменение диеты

Эффективность преобразования энергии растений в энергию животного составляет около 10%, поэтому большее количество людей смогут кормиться на том же количестве земли, если станут вегетарианцами. В настоящее время около одной трети мирового производства зерновых используется на корм скоту, а одним из основных драйверов увеличения нагрузки на продовольственную систему является быстро растущий спрос на мясо и молочные продукты. Спрос растет в результате общего развития, которое сопровождается ростом доходов населения.

Удивительна следующая обратная связь: мировое население продолжит расти вплоть до вероятного плато в 9–10 миллиардов человек, которое будет достигнуто к 2050 году.

Основным фактором замедления темпов роста населения, а соответственно, и средством борьбы с голодом является ликвидация неграмотности. Она же приводит к повышению благосостояния и росту доходов, а с более высокой покупательной способностью приходит более высокий уровень потребления, а также повышение спроса на переработанные продукты питания, мясо, молочные продукты и рыбу. В итоге такая тенденция борьбы с голодом в долгосрочной перспективе только добавляет нагрузку на систему снабжения продовольствием. Рост спроса привел в течение последних 50 лет к полуторакратному увеличению поголовья крупного рогатого скота, овец и коз в мире, а также к увеличению в 2,5 и 4,5 раза поголовья свиней и кур соответственно. Новый виток этого роста в ближайшие десятилетия будет спровоцирован повышением благосостояния и численности среднего класса в таких странах, как Китай и Индия.

Сокращение потребления мяса дает также и другие преимущества, кроме возможности накормить больше людей.

Хорошо сбалансированные диеты, богатые зерном и другими продуктами растительного происхождения, считаются более здоровыми, чем те, которые содержат высокую долю мяса и молочных продуктов. Но слом текущих тенденций и переход на растительные диеты в среднесрочном этапе невозможен. Командные и централизованные способы, которые можно использовать для изменения диет, даже если сработают в отдельных странах, не могут быть реализованы в мировом масштабе. Только с помощью долгосрочных культурных преобразований возможно осуществить «обратный диетический переход» от более высококалорийного питания с преобладанием животной пищи к растительным диетам. Совершенно понятно, что процесс такого перехода займет не одно поколение (если не учитывать непредсказуемые события, которые могут значительно ускорить переход, например возможные эпидемии таких заболеваний скота, как бешенство).

Способ 5. Расширение аквакультуры

Рыба, моллюски и ракообразные играют важную роль в продовольственной системе, обеспечивая человечество примерно 15% потребляемого животного белка. Питер Друкер, один из основателей менеджмента как науки, в книге «Эпоха разрыва» предположил, что отрасли, связанные с мировым океаном, в частности рыболовство, будут основой человеческой деятельности в XXI веке.

Уже сегодня можно сказать, что по крайней мере с рыболовством Друкер ошибся.

После 1990 года примерно четверть диких рыбных ресурсов подверглась серьезному перелову, запасы некоторых видов рыбы были полностью истощены. Характерный пример: в прошлом году туша голубого тунца была продана в Японии с аукциона за 730 000 долларов США — стоимость одного ролла из этой рыбины оказалась выше 100 долларов. Безусловно, отдельные люди могут сказать, что это «очень статусно» — есть такие дорогие продукты. Мы же можем сказать, что стоимость одной рыбины стала такой, так как голубого тунца больше не осталось в океане.

Именно из-за перелова и истощения диких рыбных ресурсов мир в будущем будет переходить на аквакультуру. Аквакультура сегодня стремительно развивается в Юго-Восточной Азии, где дешевый труд и благоприятный климат способствуют таким темпам роста. Распространение этого опыта в такие регионы, как Африка, возможно, принесет большую пользу в решении задачи голода.

В будущем в аквакультуре можно будет достичь еще большей продуктивности за счет улучшенного отбора выращиваемой продукции, крупных масштабов производства, разведения аквакультуры в открытых водах и крупных внутренних водоемах, а также культивирования более широкого ассортимента видов.

Более широкий выбор условий для производства (переносимость колебаний температуры и солености, устойчивость к болезням) и удешевление кормов (например, растительных материалов с повышенной питательностью) могут стать доступными с использованием ГМ-технологий, но необходимо будет решить проблемы, связанные с долгосрочным влияние ГМ-технологий на организм рыбы, человека и в целом на окружающую среду. Аквакультура может причинить вред окружающей среде, во-первых, из-за попадания в водоемы органических стоков или лекарственных химикатов, во-вторых, как источник заболеваний или генетического загрязнения диких видов.

Новые технологии могут оказаться тупиком

Несмотря на широкий спектр технологических возможностей, новые технологии с точки зрения энергетических затрат, скорее всего, окажутся тупиковой ветвью развития сельского хозяйства. Если системно рассмотреть процесс создания, развития, внедрения и использования новых технологий с точки зрения затрат, то сегодня на производство продовольствия тратится гораздо больше энергии, чем мы получаем взамен. Так было не всегда, и очевидно, что «традиционное» сельское хозяйство с этой точки зрения значительно выигрышней.

Диаграмма из презентации Ашока Хосла (Ashok Khosla) «Будущее бизнеса и бизнес будущего»
Диаграмма из презентации Ашока Хосла (Ashok Khosla) «Будущее бизнеса и бизнес будущего»

Проще раскрыть это утверждение на примере добычи нефти. В начале XX века необходимо было затратить 1 баррель нефти, чтобы добыть 100 баррелей нефти. Коэффициент EROI (Energy Return on Investments) составлял 1:100. Сегодня он составляет около 1:15, а технологии добычи сланцевого газа снизят его до 1:2–3. Аналогичные тенденции развиваются и в сельском хозяйстве. Если традиционное сельское хозяйство затрачивало 1 килокалорию энергии, чтобы произвести от 5 до 10 килокалорий энергии, заключенной в продукте питания, то сегодня затрачивается 10 и более (до 500) килокалорий энергии, чтобы произвести 1 килокалорию продовольствия (см. диаграмму).

Про невозобновляемые ресурсы понятно, что. при исчерпании легкодоступного ресурса, затраты на добычу менее доступного ресурса увеличиваются, а коэффициент EROI, в свою очередь, уменьшается. В случае сельского хозяйства, при растущем населении и растущем спросе, любой уход от естественных, а значит, и «бесплатных» ресурсов (естественное обеспечение пресной водой, продуктивностью почвы, биоразнообразием) значительно снижает EROI и подобные коэффициенты.

Возьмем, например, аквакультуру. В случае естественного морского промысла диких видов основные затраты направлены на вылов рыбы — нет затрат на питание рыбы, так как питается рыба в открытом океане. Сегодня аквакультуру необходимо и выращивать, и кормить, и лечить. Для этого необходима рабочая сила, территория, оборудование и многое-многое другое. Это соответственно увеличивает ресурсные затраты, а выращенная рыба в принципе обладает меньшей энергетической ценностью.

Теперь возьмем новейшие проекты строительства суперэффективных вертикальных ферм в мегаполисах. Очевидно, что эти проекты имеют запредельные коэффициенты ресурсо- и энергоотдачи, примерно на получение одной килокалории в этих проектах тратится более 500 килокалорий.

Отдельно стоит отметить важное экономическое последствие развития подобных тенденций. В традиционной экономике никогда в стоимость продукта не включалась «стоимость ресурса». Такого понятия, как «стоимость ресурса», вообще не существует. Например, стоимость барреля нефти определяется только затратами на добычу, труд, транспортировку, аренду офисов, цистерн и другими подобными затратами. Сам же объем нефти, содержащийся в породе, всегда считался и считается бесплатным. Но сегодня, когда нам уже не хватает традиционных ресурсов, появляется «цена замещения ресурса». Появление цены замещения делает новые технологии при сравнении с традиционными технологиями, основанными на бесплатном ресурсе, экономически нерентабельными.

Соответственно, человечество переходит на более затратные и менее эффективные способы получения энергии и продовольствия.

Причина понятна: для разработки и тиражирования новых технологий необходимо затратить огромное количество усилий, времени, энергии. Расходы на персонал, новое строительство и прочие действия существенно повышают энергозатраты. Соответственно, риски снижающихся и отрицательных коэффициентов, аналогичных EROI, должен кто-то финансировать. В случае сельского хозяйства их финансируют государства, субсидирующие отрасль, и международные организации, оказывающие финансовую помощь нуждающимся. Это приводит к ситуации, когда человечество тратит и будет тратить средства на поддержание абсолютно неэффективной системы производства, сельского хозяйства в частности.

Именно поэтому при исчерпании невозобновляемых ресурсов и использовании возобновляемых ресурсов за пределами естественных балансов мир вступает на «опасную территорию», которая вначале будет как минимум характеризоваться ростом цены на все виды ресурсов, а в итоге может привести к катастрофическим ситуациям.

Для устойчивого производства продовольствия в стратегической перспективе сельское хозяйство, как отрасль, работающая на естественных возобновляемых ресурсах и геохимических циклах (почва, азот, пресная вода, углерод, фосфор), должно будет вернуться к использованию ресурсов на уровне не большем, чем возможно в естественном цикле. Иначе мы будем иметь (а на самом деле уже имеем) абсолютно неэффективное с точки зрения затрат ресурсов и энергии производство, так как мы тратим больше, чем получаем. В долгосрочной перспективе такая стратегия не работает.

Вывод

К сожалению, не существует простых решений по проблеме устойчивого обеспечения продуктами питания 9 млрд людей, особенно с общим ростом благосостояния и переходом значительной части населения к способу потребления, характерному для богатых стран. Рост объемов производства продовольствия будет действительно важен, но он как никогда будет ограничен конечными ресурсами суши, океанов и атмосферы, также необходимо будет учитывать изменения климата, растущее загрязнение, растущее население, изменение диеты и влияние продукции на здоровье человека.

Очевидно, что изменения в сельском хозяйстве XXI века будут не менее – скорее более радикальны, чем изменения, произошедшие в ходе «зеленой революции» в XX веке.

Постановка целей и разработка этих изменений будет одной из основных задач науки в XXI веке. Но надежды на будущие научные и технологические инновации в обеспечении продовольствием не могут служить оправданием для откладывания сложных и необходимых уже сегодня решений, а любой оптимизм должен быть смягчен, ввиду огромного масштаба проблем.

Имея в мире миллиард голодных людей, необходимо мыслить нестандартно.

При подготовке статьи использовались материалы из Science, The Solutions, книги и статьи Вацлава Смила (Vaclav Smil), «Пределы Роста. 30 лет спустя», отчеты FAO, The International Fertilizer Industry Association (IFA), Water Resource Group, UN Water.