Il Midwest americano alimenterà un mondo in surriscaldamento. Ma per quanto tempo?

L'aumento delle temperature metterà in pericolo la cintura del mais degli Stati Uniti, una fonte chiave di calorie per la crescente popolazione globale.

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• Adam Pio pagina di archivio

24 aprile 2019

Foto di piante di mais coltivate indoor Kathryn Gamble

È una fredda mattina di marzo ad Ames, Iowa, e i vasti campi di grano fuori città sono sepolti sotto un paio di centimetri di ghiaccio e neve. Ma fa caldo e umido all'interno delle camere di coltivazione costruite su misura nel campus della Iowa State University.

Luci accecanti colpiscono un trio di quadrati, ciascuno contenente quasi 7.000 libbre (3.175 chilogrammi) di terreno, affondato di cinque piedi (1,5 metri) nel pavimento. Il continuo sfornare dei ventilatori, assicurando la circolazione dell'aria e temperature uniformi in tutta la stanza, riecheggia sulle pareti. Ogni pochi centimetri, una serie di termometri a infrarossi e sensori di umidità traccia i microclimi che circondano le foglie delle piante.

Questa storia faceva parte del nostro numero di maggio 2019

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Dentro queste camere di crescita, c'è il futuro. E Jerry Hatfield, un affabile agronomo che dirige il National Laboratory for Agriculture and the Environment del Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti, non gli piace quello che vede.

O cambieremo le colture che produciamo o dovremo pensare a come manipoliamo geneticamente quella pianta per avere una maggiore tolleranza alle temperature più elevate.

Tre anni fa, Hatfield ha utilizzato le camere di crescita per scoprire come si sarebbero comportate le colture locali alle temperature previste per la regione nel 2100, che dovrebbero aumentare in media di circa 4 °C, o circa 7,2 °F. Ha simulato una stagione di crescita, dal 1 aprile al 30 ottobre, per tre diversi ceppi di mais utilizzati dagli agricoltori della zona. In una camera, Hatfield ha iniziato la temperatura a circa 10 °C (50 °F) per imitare le condizioni all'inizio di aprile, l'ha aumentata ben al di sopra dei 38 °C (100 °F) per simulare le calde giornate estive (fino a 114 °C). F nella camera con 2100 condizioni), e poi l'ha riabbassato per l'autunno. In una seconda camera, ha simulato le attuali norme climatiche più fresche della regione.

Le differenze tra le piante nelle due camere erano nette. Mentre le foglie sembravano uguali, l'impatto di quei 7,2 °F in più è stato di gran lunga peggiore di quanto previsto anche dalla letteratura scientifica più pessimista. Il numero di chicchi di mais per pianta è crollato, in alcuni casi dell'84%. Alcune piante non hanno prodotto alcun seme.

All'interno di camere di crescita come questa, le piante verranno coltivate in condizioni simulate. Kathryn Gamble

Era solo il primo di una serie di risultati allarmanti. Nei mesi successivi, Hatfield e i suoi colleghi hanno simulato l'aumento delle temperature e l'alterato andamento delle precipitazioni che dovrebbero colpire i campi di grano di Salina, Kansas, già nel 2050. Le rese sono diminuite fino al 30% con basse precipitazioni e fino al 70% con la combinazione di alte temperature e basse precipitazioni previste nei decenni a venire.

Ad oggi, è stato relativamente facile per gli agricoltori americani scrollarsi di dosso il cambiamento climatico. Dopotutto, secondo i modelli più ottimistici, si prevede che i rendimenti statunitensi per mais e soia, coltivati ​​sul 75% dei seminativi nel Midwest, aumenteranno effettivamente fino al 2050, grazie al clima più mite che andrà a beneficio della regione relativamente fresca del nord. climi. Ma dopo, se Hatfield ha ragione, i raccolti cadranno da un dirupo, devastando gli agricoltori e lasciando gran parte del mondo più affamato.

Entro il 2050, la popolazione mondiale dovrebbe crescere fino a 9,7 miliardi. Poiché anche il tenore di vita e le diete migliorano in tutto il mondo, la produzione alimentare dovrà aumentare del 50% in un momento in cui i cambiamenti climatici contribuiranno a rendere l'Africa subsahariana e l'Asia orientale incapaci di soddisfare i propri bisogni senza importazioni. Il mais e la soia statunitensi rappresentano già il 17% della produzione calorica mondiale. L'Organizzazione delle Nazioni Unite per l'alimentazione e l'agricoltura prevede che le esportazioni americane di mais debbano quasi triplicare entro il 2050 per far fronte al deficit, mentre le esportazioni statunitensi di soia dovrebbero aumentare di oltre il 50%. Tutto questo cibo extra deve essere coltivato senza utilizzare molta più terra. Ciò significa che sarà tutta una questione di resa, la produttività del raccolto.

Ed è questo che ha così preoccupato Hatfield. Un corpus crescente di letteratura scientifica suggerisce che è probabile che il cambiamento climatico decimi i raccolti a meno che non riusciamo a trovare nuovi modi per aiutare le piante a far fronte alla siccità, alle grandi fluttuazioni di temperatura e ad altre condizioni meteorologiche estreme che probabilmente diventeranno comuni nei prossimi decenni.

Se qualcosa non viene fatto, assisteremo a forti cali di produzione in vaste aree della cintura del mais e delle Grandi Pianure, afferma Hatfield. O cambieremo le colture che produciamo o dovremo pensare a come manipoliamo geneticamente quella pianta per avere una maggiore tolleranza alle temperature più elevate.

La fine di Riccioli d'oro

C'è, ovviamente, un suono familiare nelle terribili previsioni. I leader mondiali all'inizio degli anni '70 erano così preoccupati che l'aumento della popolazione, l'aumento dell'inquinamento e l'aumento dei prezzi dei generi alimentari avrebbero creato un'acuta crisi alimentare entro l'alba del 21° secolo che l'ONU ha convocato una conferenza a Roma. Il tempo stringe, dichiararono gli Stati membri dopo la conferenza, nel 1975. Un'azione urgente e sostenuta è vitale.

Negli anni che seguirono, tuttavia, le colture ad alto rendimento, un uso più ampio dell'irrigazione, la meccanizzazione agricola e l'introduzione di fertilizzanti e pesticidi sintetici portarono a una Rivoluzione Verde, aumentando drasticamente la produzione agricola in molti luoghi del mondo.

Ora il ritmo di crescita ha iniziato a rallentare. L'acqua è scarsa in molte aree, limitando l'ulteriore espansione dell'irrigazione. Ed è difficile immaginare di utilizzare ancora più fertilizzanti e pesticidi. È già una domanda aperta se saremo in grado di continuare a inventare queste nuove tecnologie e pratiche di gestione che consentono alla produttività di stare al passo con la domanda, afferma Marshall Burke, un economista di Stanford che si concentra sui cambiamenti climatici. Ma il clima sicuramente lo renderà molto più difficile.

Inoltre, il riscaldamento globale sta già facendo sentire i suoi effetti. Nel 2011, l'economista della Columbia University Wolfram Schlenker e l'ecologo di Stanford David Lobell hanno esaminato cosa è successo ai raccolti quando le temperature sono aumentate tra il 1980 e il 2008. Hanno scoperto che la produzione globale di mais (esclusi gli Stati Uniti) è diminuita del 3,8% e la produzione di grano è diminuita del 5,5% rispetto a cosa sarebbe stato altrimenti. L'aumento dei giorni e delle notti calde spiega circa la metà di tutte le variazioni nella resa del mais. Temperature più elevate aiutano fino a un certo punto, tra circa 50 ° F e 84 ° F, ma più calde di così e le rese precipitano.

Per avere un'idea di ciò che tutto questo potrebbe fare ai prezzi alimentari globali, Schlenker suggerisce di guardare cosa è successo nel 2012, l'ultima volta che il Midwest americano ha vissuto un'estate con temperature paragonabili a quelle che i climatologi prevedono che diventeranno la norma entro la fine del secolo . La produzione regionale di mais è diminuita del 25% e quella di soia del 10%. Ciò costituisce un calo dal 4% al 5% circa della produzione calorica globale totale, condizioni in cui possiamo aspettarci un aumento dei prezzi degli alimenti fino al 30%, afferma.

Le piante nella camera saranno monitorate da vicino da una serie di sensori. Gli scienziati dell'USDA misurano come si comporta ogni pianta nelle varie condizioni. Kathryn Gamble

Nonostante alcuni anni così brutti, tuttavia, gli agricoltori del Midwest hanno goduto di un aumento della produttività decennale, mascherando le preoccupazioni per il futuro. C'è una zona Goldilocks per temperatura, umidità e precipitazioni, e il cambiamento climatico, per la maggior parte, ha spinto ulteriormente il centro degli Stati Uniti, afferma Gene Takle, ex direttore di lunga data del programma di scienze del clima dello Stato dell'Iowa. Il più grande cambiamento in Iowa fino ad oggi è stato l'aumento delle precipitazioni in aprile, maggio e giugno: sono aumentate di quasi il 25% negli ultimi tre decenni. Questa pioggia extra, causata dall'interazione dei modelli del vento con il riscaldamento delle acque nel Golfo del Messico, ha costretto gli agricoltori a spendere più soldi per piastrelle di drenaggio e simili per adattarsi, e ha spostato la stagione della semina. Ma il risultato combinato dei progressi tecnologici e del clima più favorevole è che i rendimenti sono aumentati del 28% in tutto il Midwest. C'è un buon accordo sul fatto che il cambiamento climatico sia stato favorevole all'agricoltura fino a questo punto, dice Takle.

Tuttavia, queste tendenze si invertiranno; dove gli esperti non sono d'accordo è esattamente quando. Takle cita un modello che mostra che la tendenza positiva della produttività si invertirà entro il 2035, annullando tutti i guadagni visti dal 1981. E da lì i rendimenti continueranno a diminuire. Siamo al culmine in questo momento, dice.

Un giorno recente, ha spinto un pezzo di carta su un tavolo. Era pieno di grafici colorati e punti elenco, che descrivevano in dettaglio l'impatto del cambiamento climatico fino ad oggi sull'agricoltura locale, con gli aspetti positivi indicati in verde e quelli negativi in ​​rosso. Tra i punti rossi: più parassiti sopravvivevano all'inverno e il suolo impregnato d'acqua riduceva il numero di giorni in cui gli agricoltori potevano lavorare i campi. (Nel 2013, l'Iowa nord-occidentale aveva 700.000 acri - 283.000 ettari - che non potevano essere piantati per questo motivo.) Ma c'era anche molto verde.

Poi ha girato la pagina per mostrare come sarebbero state le cose nel 2050. Non c'era verde su questa pagina, solo una lunga lista di rossi. Le intense piogge primaverili renderanno più difficile il lavoro sul campo all'inizio della stagione, si aspetta Takle. Ci saranno più inondazioni; il giorno più caldo sarà di 7 °F più caldo. Ogni due anni vedrà almeno un periodo di cinque giorni in cui il caldo estremo causerà il fallimento dell'impollinazione di mais e soia e lo stallo della crescita vegetativa.

Abbiamo molti problemi a scendere dal luccio, dice.

Nuova genetica

Il compito di Hatfield, l'agronomo dell'USDA, è monitorare l'impatto delle condizioni ambientali sugli agricoltori del paese e identificare potenziali soluzioni. Seduto nel suo ufficio un giorno recente, ha spuntato una lunga lista di preoccupazioni. La cimice marrone marmorata è apparsa negli Stati Uniti alla fine degli anni '90 e, con l'aumento delle temperature nei prossimi 30 anni, il suo areale si espanderà fino al Canada, danneggiando una vasta gamma di colture. L'amaranto Palmer, un'erbaccia resistente agli erbicidi che vive in particolari microclimi e che finora ha minacciato principalmente i raccolti di soia e cotone nel sud, si diffonderà allo stesso modo verso nord e diventerà onnipresente.

Poi c'è la crescente salinità del suolo nel Nord e nel Sud Dakota, che potrebbe portare fuori rotazione significativi appezzamenti di terreno in meno di un decennio se le tendenze attuali continuano senza sosta. Il problema è che, grazie al cambiamento climatico e al cambiamento degli incentivi finanziari, gli agricoltori del Dakota che tradizionalmente coltivano a rotazione grano, barbabietola da zucchero, fieno e colza stanno passando sempre più spesso al mais e alla soia. Ma i nuovi raccolti sono poco adatti alle prime primavere umide del Dakota, permettendo alla falda freatica di alzarsi ed evaporare, lasciando dietro di sé sale che danneggia il suolo.

La preoccupazione più grande è cosa farà il cambiamento climatico sui raccolti nel granaio americano nei decenni a venire. Hatfield si è convinto che nessuna soluzione politica o cambiamento nelle pratiche di gestione da solo sarà sufficiente per superare i limiti naturali delle piante e le condizioni meteorologiche estreme in arrivo. Ecco perché ha deciso di rivolgersi alla genetica avanzata.

Nei prossimi mesi, Hatfield prevede di ripetere il suo esperimento simulando le future stagioni di crescita. Ma questa volta esaminerà con precisione come le condizioni influenzano i geni attivati ​​e disattivati ​​nel mais e nel grano. La speranza è di identificare modi per controllare questi interruttori a livello molecolare per aiutare le piante ad adattarsi alle condizioni che dovranno affrontare.

Sono i primi giorni per il lavoro su mais, grano e soia. Ma in altre colture, gli allevatori hanno identificato gli adattamenti e li hanno sfruttati per risolvere le sfide poste dal cambiamento climatico. Alcuni dei più riusciti sono stati visti nelle aree di coltivazione del riso del mondo.

Il riso può tollerare un certo grado di inondazione, può effettivamente trarne beneficio, perché l'inondazione può uccidere le erbacce. Finché gli steli di riso sono parzialmente al di sopra dell'acqua, le piante possono assorbire l'aria di cui hanno bisogno. Ma se le cime delle piante sono sommerse, possono soffocare.

Vuoi mangiare in futuro? Questa è la posta in gioco. Ma dovremo capirlo, perché non abbiamo altra scelta.

Nel 2006, i ricercatori hanno clonato un gene chiamato Sub1 in un ceppo di riso locale dell'Asia meridionale. Il gene conferisce tolleranza alla sommersione al riso. Quando la pianta è sott'acqua, il gene si accende e mette la pianta in animazione sospesa. Il gene si spegne non appena la parte superiore del germoglio di riso è di nuovo sopra l'acqua. A differenza di alcuni tratti che aumentano la tolleranza allo stress, il Sub1 Il gene non sembra ridurre significativamente i raccolti quando non ci sono inondazioni e, quando ci sono, la pianta riprende a crescere con ulteriore vigore in seguito, afferma Susan McCouch, professoressa di selezione vegetale e genetica alla Cornell University.

Nel 2009, l'International Rice Research Institute ha ingegnerizzato il tratto in otto varietà di riso e ha iniziato a distribuirle agli agricoltori. Attualmente è utilizzato da 10 milioni di agricoltori, su circa 10 milioni di ettari di terreno.

Kathryn Gamble

Voglio mangiare?

Sebbene per il mais non sia stato ancora trovato nulla di paragonabile alla resistenza all'acqua del riso, le aziende di sementi commerciali coltivano ceppi resistenti alla siccità da oltre un decennio. Robert Reiter, capo della ricerca e sviluppo per la divisione scienza delle colture di Bayer, spiega come l'azienda cerca razze resilienti. In primo luogo, digitalizza le informazioni sulla sequenza del DNA e cataloga i tratti noti per diversi milioni di linee di piante. Utilizzando i dati, addestra quindi algoritmi di apprendimento automatico per selezionare milioni di altri ceppi per tratti utili.

Ad esempio, la Bayer ha allevato tratti raccolti da ceppi resistenti al calore e alla siccità in Messico in ceppi ad alto rendimento adattati al mercato statunitense. Reiter afferma che durante una siccità del 2012 nel Midwest degli Stati Uniti, i raccolti sono stati più del doppio di quelli del 1988, l'ultima volta che si è verificata una siccità di gravità comparabile.

Ma l'approccio ha i suoi limiti. Le piante possono tollerare solo un certo livello di stress e il tempismo è un fattore importante, dice. Se hai temperature estremamente elevate durante il processo di fioritura, vedrai un certo impatto sulla resa... Quello che possiamo fare è solo cercare di ridurre al minimo l'impatto.

Hatfield spera di superare alcune di queste limitazioni simulando le condizioni di crescita future. Tali simulazioni, spera, potrebbero aiutare a identificare percorsi genetici sconosciuti che le piante potrebbero utilizzare per adattarsi ai futuri cambiamenti del tempo e delle condizioni di crescita.

È un puzzle complesso su cui abbiamo appena iniziato a lavorare. E Hatfield osserva che è difficile spiegare la combinazione di fattori che probabilmente gli agricoltori del Midwest dovranno affrontare, tra cui il cambiamento dei modelli delle precipitazioni, il caldo estremo, sbalzi meteorologici drammatici, tutta una serie di nuovi parassiti e forse sfide che non abbiamo ancora nemmeno previsto. Ma è chiaro sul perché lo sta facendo.

Vuoi mangiare in futuro? lui dice. Questa è la posta in gioco. Ma dovremo capirlo, perché non abbiamo altra scelta.

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