Ловушки пресной воды и кислотных дождей

Как накормить 10 млрд человек, не разрушая окружающую среду?

Наука в XXI веке должна дать ответ на вопрос: «Как накормить 10 млрд человек, не разрушая окружающую среду?» О проблемах, с которыми столкнется сельское хозяйство до 2050 года, — нарушение круговорота воды и азота в природе, рост численности планеты и ограниченность ресурсов — рассказывает «Газета.Ru» совместно с Институтом мировых идей.

Сегодня сельское хозяйство занимает 38% поверхности свободной ото льда суши. Большую часть оставшейся поверхности суши занимают пустыни, горы, тундра, города, экологические резервы и другие земли, непригодные для сельского хозяйства. Мировое сельское хозяйство уже повлияло и изменило около 70% площади лугов, 50% площади саванн, 45% площади лиственных лесов, 27% тропических лесов и оказало огромное влияние на изменение климата. Между 1985 и 2005 гг. площадь сельскохозяйственных земель увеличилась на 154 млн гектар (3%). Этот, казалось бы, небольшой рост, включает в себя значительный рост площади в тропиках и небольшие изменения, включая сокращение площади сельскохозяйственных земель, в других регионах мира.

Сейчас сельское хозяйство увеличивает площади в основном в тропических лесах, где почти 80% новых площадей появляется за счет уничтожения лесов.

Общий объем урожаев с 1985 по 2005 гг. вырос на 47%. Глобальный урожай зерновых вырос за это же время всего на 28%. Основными причинами роста урожайности в последние десятилетия являются широкое распространение ирригации и применение колоссальных объемов химических удобрений.

Благодаря ирригации, удобрениям и научным прорывам последние полвека наблюдается значительный рост производства пищевых продуктов, что позволило, несмотря на увеличение в три раза общей численности населения, резко сократить долю голодных в населении мира.

Тем не менее сегодня более чем один из семи человек по-прежнему не имеет доступа к достаточному количеству белка и энергии в своем рационе, а еще большее количество страдают в той или иной форме от недоедания и недостатка других элементов питания.

Проблемы сельского хозяйства усиливаются в результате влияния человека на климат. Изменения климата, такие как изменения режима осадков, учащающиеся неблагоприятные погодные явления (засухи, наводнения), уже значительно влияют на международную продовольственную безопасность. К 2080 году UNDP (Программа развития ООН) прогнозирует появление еще 600 млн голодающих как прямой результат только изменения климата, в частности, за период с 2000 по 2020 года площадь пустынь и полупустынь в Африке южнее Сахары увеличится с 60 до 90 млн Га, а объем урожая в Южной Африке, получаемый при «дождевом» земледелии (земледелие, использующее для полива естественные осадки), за тот же период уменьшится на 50%.

Сельское хозяйство в первой половине XXI века столкнется с большим количеством проблем, во многом связанных с антропогенным влиянием на окружающую среду. Рост беспокойства относительно глобального потепления привел к появлению широко распространенного мнения, что основное антропогенное влияние заключается именно в изменении глобального цикла углерода. Не менее, а скорее даже более серьезной проблемой является антропогенное вмешательство в круговорот воды и глобальный цикл азота. Человек в гораздо большей степени вмешался в эти циклы, чем круговорот углерода, и конечные последствия этой перемены могут оказаться намного более трудноразрешимыми, чем вызванные чрезмерным ростом концентрации CO2.

Сельское хозяйство и цикл пресной воды

Пресная вода во многих агроэкосистемах мира является основным лимитирующим фактором производства пищи. Успехи сельского хозяйства в XX веке, особенно в засушливых странах, во многом связаны с широким распространением ирригации. Общая площадь земель под ирригацией изменилась с 48 млн Га в 1900 году до 90 млн Га в 1950-м. В 2000 году площадь земель под ирригацией составляла 250 млн Га, что составляет около 17% от общей мировой площади обрабатываемых земель. В то же время эти площади дают около 40% всего урожая. Забор воды на ирригацию составляет 65–70% от общего объема использования пресной воды цивилизацией сегодня.

По разным оценкам, человечество использует около 3500–4500 км3 пресной воды в год (суммарный годовой сток рек оценивается в 35000–45 000 км3). Соответственно, человечество использует около 8–10% от мирового стока, а сельское хозяйство же использует около 5–7% общего годового стока.

В книге Feeding the World профессор географии и окружающей среды в канадском Университете штата Манитоба Вацлав Смил (Vaclav Smil) дает оценку максимального объема заборов воды, который человечество может использовать, не нарушая глобальный цикл пресной воды – 12 000 км3 пресной воды в год. Сегодня мы используем одну треть этого возможного объема. Прогнозы, основанные преимущественно на экстраполяции, показывают увеличение заборов пресной воды от 5200 до 6000 км3 к 2025 году, что, в принципе, не вызывает опасений.

Если посмотреть на использование пресной воды с точки зрения изменения диет, то возникает совсем другая картина. Обеспечение человека преимущественно вегетарианской диетой (зерновые, рис, бобовые) энергетической ценностью 2500 ккал в день требует примерно 900–1300 м3 пресной воды на человека в год. Обеспечение человека диетой богатого мира (США, Европа) требует примерно 2000 м3 пресной воды на 1 человека в год. Если площадь земель под ирригацией не изменится, то обеспечение мира численностью 10 млрд человек преимущественно вегетарианской диетой потребует около 5000 км3 пресной воды (40% урожая). Если же 10 млрд населения будет питаться, как сегодня питается богатый мир, то необходимо 20 000 км3 пресной воды в целом для сельского хозяйства, а при неизменной доли ирригации потребуется 8 000 км3 для искусственного орошения полей (40% урожая).

Если учитывать соответствующий такому диетическому переходу рост забора пресной воды для производства, на растущие городские нужды, то становится очевидным, что все население мира не может питаться так, как сегодня питаются люди в богатых странах, так как это навсегда нарушит цикл пресной воды в природе.

Это еще один естественный предел, ограничивающий человечество, который мы не должны переступить, так как, переступив, мы попадем в совершенно другой мир, который с точки зрения условий жизнеобеспечения будет гораздо хуже сегодняшнего.

Но мир уже вступил в новую эру, которая будет характеризоваться глобальным дефицитом пресной воды. Считается, что страна испытывает водный стресс, если обеспеченность ресурсами пресной воды составляет менее 1700 м3 на 1 человека в год. При обеспеченности ниже 1000 м3 на 1 человека в год страна испытывает серьезную нехватку пресной воды. В 1950 году было всего несколько стран, преимущественно пустынных или островных, например, Бахрейн или Мальта, с обеспеченностью пресной водой ниже 1000 м3 на человека в год. К началу XXI века список вырос до 20 стран (добавились такие крупные страны, как Алжир, Кения, Саудовская Аравия). В краткосрочной перспективе в этих странах, особенно бедных, будет значительное ухудшение питания населения и увеличение зависимости от импорта продовольствия. В долгосрочной перспективе последствия могут быть как крайне катастрофичными (резкий рост смертности и значительные социальные волнения), так и относительно положительными (кардинальное изменение законодательства, изменение систем производства и распределения продовольствия с целью адаптации к сложившимся условиям).

По консервативной оценке, к 2050 г. по меньшей мере 60 стран, в которых проживает почти половина населения земного шара, войдут в категорию испытывающих трудности с водой и нуждающихся в ней.

Проблема особенно остро стоит в Азии, континенте, на котором проживает 60% населения мира, и который обладает лишь 27% запаса пресной воды Земли. Кроме этого, в Азии вода распределена неравномерно, как во времени (из-за сезона муссонов), так и в пространстве (пустыни Ближнего Востока и Центральной Азии и богатый водой юг и юго-восток). Ситуация в Африке также станет еще более серьезной. Сегодня 64% африканцев уже используют одновременно ограниченные и очень нестабильные источники воды, а почти 40% источников, используемых для орошения, ненадежны.

Дефицит пресной воды может ослабить только установка наиболее эффективных систем орошения, а также практически полная утилизация городских и промышленных вод, но даже при этих условиях возникнет новая необходимость — масштабное опреснение воды, а следовательно, существенное увеличение потребляемой энергии.

Сельское хозяйство и цикл азота

Человечество значительно влияет на геохимический цикл азота в природе. Выращивание бобовых культур (которое осуществляется в любом традиционном земледелии) стало первым крупным вмешательством человека в круговорот азота, и к настоящему времени таким способом фиксируется 30–40 млн тонн азота ежегодно. Второй и самый мощный источник азота – использование азотных удобрений. Третий по величине антропогенный источник активного азота — сжигание ископаемого топлива, в результате которого в атмосферу попадает почти 25 млн т азота в год в форме оксидов. Сегодня сельское хозяйство — это наиболее крупный источник антропогенного азота, так как содержание азота в почвах является главным лимитирующим фактором для сельского хозяйства.

В XIX веке Юстас фон Либих (Justus von Liebig) сформулировал знаменитый закон ограничивающего фактора (или закон бочки Либиха) — продуктивность культурных растений в первую очередь зависит от того питательного вещества, который представлен в почве наиболее слабо.

В 1909 году Фриц Габер (Fritz Haber) успешно синтезировал аммиак, а уже через 4 года Карл Бош (Carl Bosch) в лаборатории компании BASF создал коммерческий процесс синтеза аммиака. Широкое применение азотных удобрений началось после Второй мировой войны. В 1950 году общий объем выпуска азотных удобрений составлял 3,7 млн тонн, в 2000 – 85 млн тонн, в 2010 – 133 млн тонн, что составляет около 75% от всего объема произведенных удобрений.

Благодаря использованию азотных удобрений и селекции урожаи 2000 года были больше урожаев 1900 года в: 6 раз во Франции, 3 раза в США, 4 раза в Китае. Китай сегодня является самым крупным потребителем и производителем азотных удобрений. На 1 гектар обрабатываемой земли в Китае потребляется 468 кг удобрений, для сравнения, в России — всего 16 кг.

Без азотных удобрений ежегодного урожая хватило бы только на 45% населения планеты.



Производство зерновых и использование удобрений в Китае (уровень 1980 года принят за 100) // Презентация John Ingram «Food Systems and planetary Boundaries»

Производство зерновых и использование удобрений в Китае (уровень 1980 года принят за 100) // Презентация John Ingram «Food Systems and planetary Boundaries»

Увы, увеличение объемов использования удобрений уже не вызывает корреспондирующего роста урожайности (смотри рисунок).

Хотя экспериментально доказано, что растения могут поглощать до 90% внесенного азота, в реальности растения поглощают лишь 25–40% всех азотных удобрений, вносимых в почву. Остальная часть внесенных удобрений разрушается, превращается в щелочи, испаряется и подвергается денитрификации. Эффективность использования азота в растениеводстве развитых стран мира составляет примерно 40%. По подсчетам Вацлава Смила, общая эффективность использования азота в процессе производства продовольствия (растениеводство и животноводство) составляет около 10%.

В результате потери азота при использовании синтетических удобрений и отходов животноводства, увеличения количества азота за счет фиксации бобовыми культурами, а также выброса оксидов азота за счет сжигания ископаемого топлива в биосферу попадает примерно столько же химически активного азота, как и за счет природной нитрификации.

Столь высокий уровень вмешательства не имеет аналогов среди других глобальных циклов. Неудивительно, что столь крупная антропогенная фиксация азота приводит к ряду нежелательных последствий для биосферы. Эти последствия начинаются сразу после попадания активных соединений в окружающую среду.

Так как отсутствие азота ограничивает фотосинтез многих водных экосистем, попадание значительных объемов азота посредством речного и дождевого стока (преимущественно с сельскохозяйственных полей) приводит к избытку азота в воде (эвтрофикации), способствующему обильному росту водорослей и фитопланктона. Последующее разложение этой фитомассы приводит к значительному выводу свободного кислорода, что сокращает численность других водных видов, особенно живущих вблизи дна. Бескислородные зоны можно также обнаружить в лагуне Большого барьерного рифа, Балтийском, Черном, Средиземном и Северном морях.

Окисление NO и NO2 в атмосфере приводит к формированию нитратов, которые наряду с сульфатами вызывают кислотные дожди. В некоторых районах восточной части Северной Америки, северо-западной Европы и восточной Азии с дождями в почву попадает больше активного азота, чем с удобрениями.

Вмешательство человека в глобальный круговорот азота представляет собой более неразрешимую проблему, чем сокращение выбросов углерода в результате производства энергии. Вацлав Смил указывает, что хотя переход будет нелегким, но внедрение технологий получения энергии без выброса углерода в XXI веке неизбежно. Однако создать организмы, не потребляющие азот, невозможно, а рост численности и благосостояния населения в XXI веке потребует улучшения качества пищи, которое в значительной степени (с учетом распределения прироста населения) будет обеспечиваться за счет увеличения применения удобрений.

Новые «ловушки» сельского хозяйства

Безусловно, сельское хозяйство совершило грандиозный прорыв в XX веке и сегодня обеспечивает продовольствием 7 млрд человек. В XX веке большинство стран выбралось из так называемой «мальтузианской ловушки». Под «мальтузианской ловушкой» лектор «Газеты.Ru» Андрей Коротаев и соавторы в работе «Ловушка на выходе из ловушки?..» понимают «типичную для доиндустриальных обществ ситуацию, когда рост производства средств к существованию (в результате того, что он сопровождается обгоняющим демографическим ростом) не сопровождается в долгосрочной перспективе ростом производства на душу населения и улучшением условий существования подавляющего большинства населения, остающегося на уровне, близком к уровню голодного выживания». До XX века производство продовольствия было ограничено естественной площадью земли, и Мальтус совершенно небезосновательно в свое время утверждал, что рост населения рано или поздно обгонит рост производства продовольствия, что приведет к значительному снижению численности населения.

Тем не менее благодаря научно-техническому прогрессу мы смогли убежать.

Этот «побег из мальтузианской ловушки» произошел благодаря появлению новых технологий (реакция Габера-Боша, сельскохозяйственная техника, высокоурожайная пшеница с коротким стеблем, гербициды, пестициды и другие инновации) и значительному повышению уровня и качества управления в сельском хозяйстве. Без этих инноваций численность населения планеты не смогла бы вырасти до 7 млрд человек. Если бы человек не использовал удобрения (азотные, фосфорные и калийные), то сегодня потребовалась бы площадь земель такого же качества в 4 раза больше, чем в начале 20 века, чтобы прокормить население планеты.

Соответственно, если во времена Мальтуса ограничивающим фактором была площадь используемых земель, то, очевидно, сегодня ограничивающие факторы сместились в сторону технологий, иначе говоря, в сторону сырья и энергии. Сегодня сельское хозяйство зависит от ископаемого сырья на многих уровнях. Фосфорные удобрения производятся из апатитов и фосфоритов, азотные удобрения производятся из природного газа, пестициды производятся из нефти, сельскохозяйственная техника работает на нефтепродуктах, ирригация и переработка еды крайне сильно зависят от топлива, продовольствие транспортируется по суше и по воздуху с использованием топлива.

Таким образом, выбравшись из «мальтузианской ловушки», человечество загоняет себя в гораздо более сложные условия и усугубляет свою зависимость от ископаемого и исчерпаемого ресурса.

Вывод

Совместный эффект изменения климата, деградации почв, дефицита энергии и нехватки воды требует переосмысления и изменения мирового сельского хозяйства. Одновременно с решением проблемы голода должны быть решены проблемы влияния сельского хозяйства на окружающую среду. Для этого необходимо: сократить выбросы парниковых газов, снизить сокращение биоразнообразия и сокращение ареалов распространения живых существ; снизить заборы пресной воды, особенно в регионах с конкурирующим спросом на воду; остановить загрязнение пресной воды химикатами; понять, как уменьшить влияние на цикл азота.

Наука наряду с управлением будет играть ведущую роль в переходе стран мира на модели производства в сельском хозяйстве, которые не только дают высокие урожаи, но также более устойчивы.

Несмотря на все долгосрочные проблемы, пределы и ограничения, мы должны противостоять соблазну ради легкого увеличения производства еды вновь пожертвовать уже и так значительно нарушенным человеком биоразнообразием планеты. Прогрессирующее сокращение разнообразия видов, тенденция, которая в конечном итоге может иметь огромные последствия для поддержания незаменимых процессов в экосистемах. Это важно не только потому, что биоразнообразие ответственно за большинство «общественных благ», на которых основано существование человечества, но и потому, что мы не имеем права экономически и культурно обкрадывать будущие поколения.

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 и другие материалы.