人類尋找喂飽世界的８種辦法

常　婕

全球人口繼續增長,可耕種土地卻越來越少。科學家預計,到2050年,糧食產量必須增長一倍才能滿足90億人口需要。面對沉重壓力,他們開始計劃第二次綠色革命,尋找喂飽世界的辦法。

沙漠農業

問題:農業耗用了世界70%的淡水。

辦法:靠近海岸建造溫室,無須建造成本高昂的脫鹽工廠,就能把豐富的海水變成可供灌溉的淡水。

好處:農民們可在沙漠中種植萵苣、西紅柿等經濟作物。

應用:三個實驗項目已經開工,研究者正在選址籌建更大項目。

英國照明設計師查理·帕頓因商務之故,常去摩洛哥旅行,對那里大海與沙漠并存的奇觀印象很深。于是他賣了自己的照明公司,投身新的事業——海水溫室計劃,要把大海和沙漠結合到一起,利用豐富的咸水資源在沙漠里種植食物。目前帕頓已經在西班牙加那利群島的特里納夫、阿聯酋的阿布扎比和阿曼建造了三個實驗性溫室,利用信風和簡單的蒸餾器把咸水變成淡水,并在此過程中營造出適合任何植物生長的濕潤環境。

建造海水溫室費用不多,每平方英尺只要5美元。它利用重力或者抽水機從海中引水,水流從溫室墻面上的蜂巢狀格子框架流下,蒸發為水汽,降低室內溫度,使環境變得濕潤。在溫室內流動過程中,這些水汽溫度升高,然后進入第二個蒸發器,經過脫鹽處理后立即進入一個冷凝器,變成淡水,進入地下儲水槽,供灌溉之用。

帕頓現在正為他的“撒哈拉森林計劃”選址,該計劃增加了利用太陽能的構思。這樣一來多余的淡水就可以用來發電(水加溫后產生蒸汽,驅動發電機)或清洗大面積的太陽能反光鏡。

精確種植

問題:美國農民每英畝土地用化肥300到500磅,每磅成本40到80美分。

辦法:在土壤中安裝感應器,隨時掌握施肥澆水的時機和數量。

好處:減少種植業耗用的資源。

應用:可能需五年才能商業化。

現在流行“精確農業”,配有全球定位系統的拖拉機為莊稼施肥澆水時可以精確到一英寸以下。為了進一步幫助農民們掌握施肥澆水的精確時機,美國艾奧瓦州大學農業和生物系統副教授斯圖亞特·比勒爾與電子和計算機工程教授拉特納什·庫馬爾合作,設計了一套可以長期安裝在地下的土壤感應系統。

這些感應器像iPod般大小,裝在地下一英尺處,彼此相距約80到160英尺。它們不斷收集土壤的濕度、溫度、營養數據,并通過低頻無線電信號,將信息傳輸到控制中心,幫助農民“對癥下藥”,避免盲目追肥。據估算,每英畝土地里安裝4到6個感應器,成本約為20到30美元,但可以節省資源成本150美元。

改造大米

問題:50%——全世界有一半人以大米為主食。

辦法:對大米進行遺傳改造,改變其光合作用方式,以實現增產。

好處:每年可讓大米增收50%,也可以為改造其他作物提供經驗。

應用:最快10年內可實現。

將約翰·謝赫正在做的研究稱為轉基因研究未免有點低估。謝赫在位于菲律賓馬尼拉的亞洲最大的非營利農業研究中心國際大米研究所工作,是光合作用實驗室負責人,正致力于改變大米最基本的屬性——利用陽光的方式,讓它更快生長。這就好比改造了人體消化系統,使其加工食物的效率提高了一倍一樣。

具體地說,謝赫及其領導的團隊正在打造一種超級大米,把它變成所謂的“C4作物”。大部分農作物,包括水稻,都是進行一種被稱為C3的光合作用。但是C4作物,包括玉米、高粱,采用不同的光合方式,產生同樣多的淀粉質耗用的二氧化碳較少,更適應溫暖和干旱的氣候條件。這可以減少植株葉子毛孔張開吸收二氧化碳的時間,減少其“體內”水分蒸發。

那么如何將C3作物轉變成C4作物?科學家知道植物的“C4能力”是通過多次進化獲得的,因此只要模擬自然的進化過程就好了。要做到這一點,謝赫及其伙伴必須找到相關控制基因。掌握這些基因后,他們就可以利用同樣的技術把其他莊稼改造成C4作物,比如制造出可以在非洲下撒哈拉地區種植的麥子。

微生物肥料

問題:全世界的溫室氣體中,有1.2%是生產化學肥料時排放的。

辦法:用微生物肥田,它們可以充分吸收空氣中的氮。

好處:在保持土壤健康的同時增加農作物產量。

應用:已開發出來,正進行實地試驗。

過去30年來,化肥的使用呈指數級增長。它可以提供氮、鉀、磷,對于農作物形成氨基酸和細胞壁至關重要。不過,再過不久,農民們就可以少花數百美元,享受到同樣的好處,方法是使用微生物肥料。美國密歇根州大學微生物學和分子遺傳學教授CA·泰迪仔細研究了300種自然產生的土壤微生物,搭配出一套組合,可以在減少氮肥和磷肥使用的同時,保護農作物免受病蟲侵害,使幾乎任何作物都實現增產。

實驗證明,與使用普通化肥的西紅柿相比,用微生物肥料的西紅柿結出的果子多出90%,種在溫室里的植株表現更好。他還在茄子、柳枝稷等作物上做了實驗。這種肥料取名“生物土壤增強劑”,以液體形態出售,播到地里后可以自行繁殖,不像傳統化肥,每年都需要重新施肥。目前泰迪正進行廣泛的實地試驗。

繪制農業地圖

問題:過去四十年來,非洲下撒哈拉地區人均糧食產量增長為0。

辦法:收集大量土地使用數據,以便應用新的農業技術。

好處:非洲人口到2050年估計會增長一倍,增產的作物至少可以喂飽當地人。

應用:2010年。

假設你正為志在減輕非洲下撒哈拉地區營養不良情況的某大型基金會工作。你希望自己的計劃能夠產生最大影響力。除了資助農田水利規劃、高產種子和抗病蟲害作物,還有沒有更好的選擇呢?

這就是美國的“比爾和梅琳達·蓋茨基金會”為什么出470萬美元資助Harvest Choice的原因。Harvest Choice是一個宏大、開放的項目,旨在搜集非洲各種數據——政府的人口和家庭調查、各地氣候信息、各國發展采用的理論模型等等,以便創建一個完整的非洲農業系統虛擬檔案館。隨著數據越來越多,Harvest Choice將出版附有各種農業信息的地圖,并給出可能的投資建議。

與此同時,美國宇航局與美國農業部合作,利用Aqua衛星監控全球土壤濕度。農作物的產量部分與當地土壤的蓄水能力有關,衛星根據土地發出的微波輻射搜集數據,科學家再將之與當地的植被和土壤溫度結合起來,分析有多少輻射來自土壤中的水分。美國農業部的駐外事務處利用這些數據為美國和發展中國家(在這些國家,土壤數據往往十分稀缺)進行更加精確的收成預測。2013年,由于土壤濕度主動和被動遙感衛星的加入,該項目將取得更大進展,它提供的信息要比Aqua精細得多。

使用機器人

問題:蘋果、葡萄、梨子和其他精致的特色作物產值550億美元,但現在主要依靠越來越稀缺的人工采摘。

辦法:用機械化工人監控、修枝、疏果,甚至是采摘。

好處:可以提供大量價廉物美國產水果和蔬菜。

應用:最快兩年。

當銀行業和汽車業陷入崩潰,水果和蔬菜種植者們也在應對他們的危機。由于移民法規收緊等因素的影響,采摘工人的勞力供應在減少,迫使價值數百萬美元的蔬果爛在地里,無法收獲。而美國農業部最近授予卡內基梅隆大學的桑吉夫·辛格和全美其他研究者2800萬美元獎金,部分就是因為他們發明了自動化農業機械,可以緩解勞動力短缺問題。

在美國匹茲堡郊外一小片土地上,辛格及其團隊正在對未來的農場“工人”進行實地測試。一部四輪機器在蘋果園中隆隆前進,使用傳感器掃描真菌,評估果實生長速度。地面上也裝有獨立的傳感器,用于監控土壤濕度和光照等。辛格說,“擁有成千上萬英畝土地的農場主一個人無法監控所有果樹的生長情況。”將來,農民們在中央監控室就可以微波管理每一棵植株,并派出機器人處理病蟲害或者土壤營養不良問題。

但是,機器人能夠卷起袖子,采摘水果嗎?美國圣地亞哥的Vision Robotics公司認為可以。他們制造的偵察機器人使用多個立體攝像機鎖定樹上水果的位置,判斷其大小,然后將信息傳給采摘機器人,它看上去就像個機械八爪魚,有著長長的手臂,可以溫柔地把水果摘下。目前機器工人的工作速度和精確度還落后于人類,成本也高出許多。這大大阻礙了它們的應用。“農民們上來就問,用它要多少錢?”辛格說:“如果機器工人比人力貴10倍或者慢10倍,那肯定不行。”

他認為比較實際的解決辦法是使用幫助人們提高效率的機器,比如可以輕松夠到樹梢的剪刀臂、自動化的修枝設備、會搬動箱子并把它們摞到一塊兒的“苦力機器人”,當然還需要讓一切可以和諧同步進行的傳感器網絡。不管怎樣,農民們也要擁抱21世紀了。

激活土壤

問題:全世界范圍內有25%的土地因為人類活動退化。

辦法:加入生物炭,可以為作物提供營養把碳鎖住。

好處:使大片退化的土地煥發生機,并防止數噸二氧化碳逸出。

應用:已經投入使用。

早在哥倫布發現新大陸之前,亞馬孫雨林里的部落就會砍下樹木,將之緩慢燃燒后制成木炭,摻入土中,創造出肥沃的黑土,人稱terrapreta。今天這種木炭被稱為生物炭(Biochar),用植物廢料,而非雨林里的樹木制成。生物炭可以吸引微生物,幫助植物利用土壤中的營養成分,提高土地的儲水能力,實現增產的同時讓農業更具持續性。更妙的是,它把碳鎖定在生物群內,而非讓它逃逸回空氣中。

制作生物炭的現代方法是在低氧環境下用高溫加熱植物垃圾,使其分解。對于土壤科學家來說,挑戰在于選定最佳原材料和最佳制作過程。不同的材料和制作方法會產生含有不同營養成分的生物炭,利用一些方法還可以制造出生物護膚油與合成氣等副產品,可以出售。

一些新興公司制造方便易用的木炭機,幫助村莊或工業化農莊自行生產生物炭。其中一家是美國科羅拉多州的Biochar Engineering公司,它的木炭機如集裝箱般大小,可以移動,這樣農民可就地加工生物炭,不用把原材料運到固定的處理站。制炭過程中產生的熱量可以支撐整個循環,非常環保;附帶的處理器還可以制造出甲醇等液體燃料。

打造神奇木薯

問題:非洲有三分之一人口營養不良。

辦法:把木薯改造成“完美作物”。

好處:改造后的木薯其營養是現有木薯的10倍。

應用:2015年。

木薯塊根十分廉價,在最惡劣的條件下也能生長。這就是為什么有2.5億人口以它為主食的原因,這也是為什么科學家要努力把它變成“神奇作物”的原因:他們希望木薯能滿足饑餓的非洲人身體的營養需要。這是一項浩大的工程。木薯的鐵、鋅、維生素A和維生素E的含量比較少,兩天內就會腐爛,因此農民只愿種一點自己吃,不愿多種,用來銷售。

位于美國圣路易的丹佛植物科學中心的木薯改造項目Bio Cassava Plus計劃耗資1200萬美元,開發出更加有營養、儲存期更長、極其抗病、根部不產生天然毒素氰甙的木薯。現在,科學家已經分別開發出了蛋白質含量提高3倍、維生素E含量提高9倍和鋅含量提高7倍的木薯。下一步是把這些優良基因集中于一個品種,目前率先考慮的是肯尼亞和尼日利亞農民們常種的品種。該項目不久前剛剛獲準在非洲進行實地試驗。