Но те же затопленные почвы, которые помогают процветать рису, также создают идеальные условия для микробов, выделяющих газы, вызывающие потепление климата.
У фермеров есть способы сократить выбросы от выращивания риса без снижения урожайности. Если бы каждый производитель использовал лучшие из имеющихся в настоящее время «климатически оптимизированных» вариантов, мы обнаружили, что глобальные выбросы риса можно было бы сократить примерно на 10% к середине столетия. Однако для замедления изменения климата необходимы более значительные сокращения, что потребует разработки дополнительных, более эффективных стратегий.
Выбросы риса возросли по двум причинам: расширение площадей выращивания риса и интенсификация методов управления.
Чуть более половины глобального прироста приходится на расширение площадей выращивания риса. В Африке, например, площадь выращивания риса увеличилась примерно вдвое с 1960-х годов, что способствовало двукратному увеличению выбросов метана в регионе.
В то же время фермеры, выращивающие рис, используют больше удобрений и органических удобрений, таких как солома и навоз, сажают более продуктивные сорта риса и выращивают растения ближе друг к другу. В результате получается больше риса, но и больше выбросов парниковых газов.
Мы обнаружили, что одна конкретная практика – оставлять стебли риса в поле после сбора урожая, а затем заделывать их в почву для улучшения плодородия почвы – стала причиной примерно 18% увеличения общих чистых выбросов риса с 1960-х годов. Причина: увеличивается содержание органических веществ в почве, которые затем разлагаются микробами, создавая больше выбросов метана.
Повышение глобальной температуры еще больше ускоряет микробную активность в почвах, что приводит к еще большему увеличению выбросов.
Удобрения являются еще одним крупным источником выбросов. Использование синтетического азота увеличилось примерно на 76% после 2000 года, что привело к увеличению выбросов закиси азота – еще одного мощного парникового газа.
Практика орошения также влияет на выбросы. В прошлом орошаемые рисовые поля оставались затопленными на протяжении всего вегетационного периода, что приводило к постоянным выбросам парниковых газов, вырабатываемых микробами, которые процветают во влажной среде. Однако за последние два десятилетия все больше фермеров использовали периодические наводнения, периодически осушая свои поля.
Это изменение привело к снижению выбросов метана по сравнению с постоянным затоплением полей. Тем не менее, мы обнаружили небольшое увеличение выбросов оксидов азота по мере того, как почвы чередуются между влажными и сухими, что побуждает микробы превращать азот в органических веществах в газообразные оксиды азота, особенно в закись азота.
Влияние производства риса на климат
Установить полную климатическую цену на производство риса сложнее, чем измерять по одному парниковому газу за раз.
Рисовые поля выделяют метан и закись азота из влажных или затопленных почв. Они также удаляют углекислый газ из атмосферы по мере роста риса и теряют углерод из почвы между сезонами сбора урожая.
Достоверная глобальная оценка требует последовательного учета различных газов и изменений содержания углерода в почве, а также неопределенности, связанной с отслеживанием данных в пространстве и времени.
Для этого мы объединили три подхода:
- Компьютерная модель экосистемы позволила нам смоделировать рост сельскохозяйственных культур, состояние воды и почвенные процессы, чтобы вместе оценить изменения в метане, закиси азота и углероде в почве.
- Модель машинного обучения на основе искусственного интеллекта улучшила оценки там, где измерения были редкими, и охватила все рисовые регионы мира.
- А метаанализ более чем 1200 участков полевых экспериментов предоставил прямые доказательства того, как такие методы, как ирригация, использование удобрений и управление пожнивными остатками, влияют на выбросы.
Вместе они позволили нам количественно оценить выбросы с 1961 по 2020 год, определить, что послужило причиной этих выбросов, и проверить потенциал методов смягчения последствий в будущих климатических условиях.
Что работает, а что нет для смягчения последствий изменения климата
Существуют способы сократить выбросы от производства риса без ущерба для урожайности.
Наше исследование показало, что сокращение использования удобрений и остатков, управление орошением с целью обеспечения засушливых периодов между затоплениями и сокращение обработки почвы могут в совокупности сократить глобальные выбросы парниковых газов от риса примерно на 10% к середине столетия.
Мы были удивлены, обнаружив, что замена химических удобрений более органическими продуктами не всегда лучше с точки зрения выбросов парниковых газов, хотя это ценится в органическом сельском хозяйстве.
Поддержание умеренного количества соломы и других растительных остатков на поле может помочь повысить плодородие почвы, но слишком большое количество может увеличить выбросы метана и ускорить потерю углерода из почвы. Другой вариант — преобразовать часть остатков в биоуголь — сжигать его в условиях низкого содержания кислорода перед смешиванием с затопленной почвой. Биоуголь может помочь стабилизировать углерод в почве и сократить выбросы метана.
Улучшение управления водными ресурсами может стать мощным инструментом сокращения выбросов. Периодическое осушение полей снижает выработку метана, хотя и может несколько увеличить выбросы закиси азота. Эта стратегия особенно эффективна в регионах с надежной ирригационной инфраструктурой, включая большую часть Азии.
Управление использованием удобрений также является эффективной стратегией смягчения последствий, особенно в системах с высоким содержанием удобрений, включая некоторые части Китая и Южной Азии. Избыток азота увеличивает выбросы закиси азота без явного увеличения урожайности сельскохозяйственных культур и увеличивает загрязнение воды. Сокращение чрезмерного применения азота снижает выбросы и загрязнение воды, а также экономит деньги фермеров.
Эффект от обработки почвы, то есть практики вспашки почвы между сельскохозяйственными сезонами, имеет большие региональные различия. Сокращение обработки почвы часто пропагандируется как благоприятное для климата, но мы обнаружили, что оно не всегда минимизирует чистые выбросы в затопленных системах. На рисовых полях в зонах с умеренным климатом, включая большую часть США и Китая, более прохладные условия могут ограничить выработку метана, в результате чего выгоды от сокращения количества углерода в почве перевешивают риск метана. Однако в более теплых, постоянно затопленных системах условия с низким содержанием кислорода могут повысить микробную активность, увеличивая выработку метана и ускоряя потерю углерода в почве.
В целом мы обнаружили, что ни одна практика не работает везде. Каждому региону необходимо будет оценить наиболее эффективные методы сокращения выбросов.
Климатический потолок для производства риса
Итог одновременно обнадеживает и отрезвляет: целевые комплексы оптимизированных методов могут обеспечить значительное сокращение выбросов без потери урожайности риса, но общее возможное глобальное сокращение является скромным.
Для дальнейшего сокращения выбросов потребуются более эффективные рекомендации, которые помогут фермерам определить наилучшие уровни органических удобрений, таких как солома или биоуголь, а также новые подходы, которые могут сократить выбросы, не подрывая производство риса.
Ханцин Тянь, директор и профессор Центра наук о системе Земли и глобальной устойчивости Бостонского колледжа; Цзинтин Чжан, научный сотрудник Центра наук о системе Земли и глобальной устойчивости Бостонского колледжа; Пеп Канаделл, главный научный сотрудник CSIRO Environment; Исполнительный директор Global Carbon Project, CSIRO, и Шуфен (Сьюзан) Пан, доцент кафедры экологических наук, Бостонский колледж
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.
