养活100亿人口:在更少的土地上提供更多的食物

2 一分钟阅读

更新于: 2020年12月14日13:28:20 GMT

到2050年,我们的人口预计将达到97亿,我们将占用更多的土地,需要更多的粮食。然而,正如我们在上一章中看到的,为农业开垦土地对环境有重大影响 。为了可持续地养活我们不断增长的人口,我们需要在每单位土地上生产更多的粮食。这意味着增加农作物 产量

Image of 增加作物产量

增加作物产量

作物产量描述的是从给定的土地上收获的作物数量。如今,农作物产量通常只有它实际可以达成量的20-80%之间 。 这种产量差距在发展中国家尤为显着,这使它们成为我们努力提高全球作物产量的重要场所

在这一章中,我们将研究导致作物低产的因素 - 如天气、植物健康,和土壤质量,然后看看我们能做些什么来解决这些问题。

第一个问题:天气和气候

植物需要光和二氧化碳来制造食物(在一个叫做光合作用的过程中)。但对作物产量的最大限制来自于温度和水的可利用性

没有水,植物就难以制造食物和获取营养素。植物也利用水来保持自身的凉爽,所以在更高的温度下需要更多的水

Image of 植物为什么需要水

植物为什么需要水

气候变化预计会使许多地区的气温升高,减少水资源的供应,从而对农作物产量造成毁灭性的损失

第二个问题:病虫害,杂草,和疾病

在全球范围内,20-40%的农作物因病虫害,杂草,和疾病而损失。气候变化和许多农民使用的集约种植制度都可能增加这些损失

然而,这种单一栽培方式也更容易受到病虫害的侵袭:如果害虫进化出对单一植物防御能力的抵抗力,整个田地都可能被消灭

对作物产量最严重的生物威胁是杂草。如果没有保护作物,光是杂草就会导致32%的产量损失

Image of 杂草是农作物最大的生物威胁

杂草是农作物最大的生物威胁

杂草控制,如除草剂和耕作,可以防止超过三分之二的损失。然而,过度使用除草剂会促使杂草产生抗药性,而通过耕作对杂草进行清除会导致土壤退化

第三个问题:土壤退化

氮、磷和钾是支持植物生长的三种最重要的营养素。任何一种元素的短缺都会极大地限制农作物的产量

Image of 植物营养的重要元素

植物营养的重要元素

到目前为止,我们讨论了三个问题—土壤质量,害虫,和气候—会显著降低作物产量。那么,我们能做些什么来解决这些问题呢?

第一个解决方案:改善土壤质量

土壤中所有的生物物质,不管是活的还是死的,都叫做 有机物

增加土壤有机物是提高土壤质量的关键方案 。为何呢?

  1. 当土壤微生物分解死的生物体时,营养物质被释放到土壤中
  2. 土壤微生物与植物害虫竞争,也能提高植物抵御疾病的能力
  3. 增加的土壤有机质增加了土壤中可储存的碳量
  4. 土壤有机质将土壤结合在一起,提高土壤的保水能力,降低土壤侵蚀的风险
Image of 土壤有机物的好处

土壤有机物的好处

当土壤裸露时,会通过蒸发损失更多的水分,也更容易被风和雨冲走。裸露的土壤也更容易受到杂草的侵袭。快速生长的“覆盖作物”,如黑麦和荞麦,可以用来与杂草竞争,保护土壤

或者,可以添加有机覆盖物,如稻草,以保护土壤表面。这叫做覆盖

更有效的浇水将进一步减少土壤退化,并使得用更少的水生产更多的作物

第二个解决方案:农业生态学

在自然系统中,随着植物的生长和死亡,养分在植物和土壤之间循环。

Image of 自然营养循环

自然营养循环

当我们耕种土地时,这些循环就被打破了,因为植物在将养分返回土壤之前就被收割了。

Image of 农业系统中的养分流动

农业系统中的养分流动

农业生态学是一种试图模仿这些自然循环的农业策略。通过利用植物、动物及其环境之间的关系,农业生态系统最大限度地减少了对外部投入的需求,提高了它们的生产力和可持续性,同时减少了污染和浪费

不同的作物需要不同量度的养分。因此,在同一土壤上种植不同的作物,一起或轮作,可以有效地利用一切可用的养分,而不会耗尽它们

Image of 轮作与间作

轮作与间作

间作也能增加农业系统的多样性。更加多样化的系统更能应对自然和经济冲击

让我们看看这样一个系统的例子。在农林业中,作物(有时还有牲畜)与树木一起种植在同一块土地上

那么,这有什么了不起的呢

Image of 农林业

农林业

树木本身在木材和树根中储存了大量的碳。更重要的是,通过提高土壤质量,它们也提高了从大气中吸收二氧化碳的能力

当不同的作物在同一块土地上种植时,病虫害对作物的损害就越小

一些植物可以通过化学信号来保护作物免受害虫的侵害。这真的可以创造奇迹。在非洲东部和南部,茎瘤毛虫导致玉米减产高达80%

茎瘤成虫蛾会在玉米上产卵。不过,它们更喜欢把卵产在象草上。因此,如果沿着田地的边界种植象草,它们就会被“拉”离作物

Image of 拉

相比之下,一种名为银叶山蚂蝗的植物产生的化学物质可以赶走飞蛾。它还保护作物免受寄生杂草的侵害

Image of 推

当这些植物被一起使用时,它们能产生一种强大的“推拉”防御能力,既能抵御昆虫也能抵御杂草

Image of 推拉技术

推拉技术

除了保护农作物外,山蚂蝗属是一类能够向土壤中添加氮的植物。这些植物(也包括豌豆和豆类)与生活在它们根部的某种细菌有着特殊的关系。这些细菌从大气中捕获氮并将其提供给植物以换取食物 。 一部分氮最终进入周围的土壤。因此,轮作或与其他作物联合种植可恢复土壤中的氮并减少对肥料的需求

第三个解决方案:精准农业

Image of 精准农业

精准农业

在同一块土地上,土壤质量在空间上和季节上都有很大的变化. 精确农业涉及使用技术来测量这种变化并进行调整。 通过使用特定地点的感应和取样,可以优化水、肥料、和杀虫剂的使用,以最大限度地提高作物产量,同时尽量减少浪费

精准农业降低了农业的经济和环境成本。 如何做到呢?

  1. 它避免了不必要的一氧化二氮 排放和肥料使用效率低下而造成的营养污染 (看上一章)
  2. 如果只把水抽到干渴的植物身上,就需要更少的能量
  3. 它减少了过量杀虫剂 的积累,最大限度地降低了害虫产生抗性的风险,并限制了这些毒物向当地生态系统的泄漏

安装在拖拉机上的传感器和扫描仪可以监测植物的健康和营养状况,而无人机可以在田间上空飞行,查看有没有杂草和其他害虫

人工智能 和全球定位系统 可用于优化拖拉机路线,从而最大限度地减少土壤压实,并尽可能降低燃油消耗

事实上,拖拉机的使用完全可以避免!自主机器人 已经被开发出来,可以直接在需要的地方施用化肥和杀虫剂。使用这些机器人可以降低劳动力成本、土壤压实、和二氧化碳排放

机器人也可以用于非化学除草。例如,杂草可以用电除草,而不需要化学除草剂

Image of 非化学除草机器人

非化学除草机器人

机器人并不便宜,而且成本使得许多农民无法采用这些做法,特别是在发展中国家。如果我们要生产足够的粮食,就必须向这些地区转让新技术与旧技术 。这将需要大量投资以及不同国家之间的知识和资源共享

结论

显然,我们需要改变传统的耕作方式。为了提高作物产量,同时减少浪费和资源的利用,这将需要自然以及技术的解决方案。但是如果我们能自己改良庄稼呢?

下一章