人类寻找喂饱世界的８种办法

常　婕

全球人口继续增长,可耕种土地却越来越少。科学家预计,到2050年,粮食产量必须增长一倍才能满足90亿人口需要。面对沉重压力,他们开始计划第二次绿色革命,寻找喂饱世界的办法。

沙漠农业

问题:农业耗用了世界70%的淡水。

办法:靠近海岸建造温室,无须建造成本高昂的脱盐工厂,就能把丰富的海水变成可供灌溉的淡水。

好处:农民们可在沙漠中种植莴苣、西红柿等经济作物。

应用:三个实验项目已经开工,研究者正在选址筹建更大项目。

英国照明设计师查理·帕顿因商务之故,常去摩洛哥旅行,对那里大海与沙漠并存的奇观印象很深。于是他卖了自己的照明公司,投身新的事业——海水温室计划,要把大海和沙漠结合到一起,利用丰富的咸水资源在沙漠里种植食物。目前帕顿已经在西班牙加那利群岛的特里纳夫、阿联酋的阿布扎比和阿曼建造了三个实验性温室,利用信风和简单的蒸馏器把咸水变成淡水,并在此过程中营造出适合任何植物生长的湿润环境。

建造海水温室费用不多,每平方英尺只要5美元。它利用重力或者抽水机从海中引水,水流从温室墙面上的蜂巢状格子框架流下,蒸发为水汽,降低室内温度,使环境变得湿润。在温室内流动过程中,这些水汽温度升高,然后进入第二个蒸发器,经过脱盐处理后立即进入一个冷凝器,变成淡水,进入地下储水槽,供灌溉之用。

帕顿现在正为他的“撒哈拉森林计划”选址,该计划增加了利用太阳能的构思。这样一来多余的淡水就可以用来发电(水加温后产生蒸汽,驱动发电机)或清洗大面积的太阳能反光镜。

精确种植

问题:美国农民每英亩土地用化肥300到500磅,每磅成本40到80美分。

办法:在土壤中安装感应器,随时掌握施肥浇水的时机和数量。

好处:减少种植业耗用的资源。

应用:可能需五年才能商业化。

现在流行“精确农业”,配有全球定位系统的拖拉机为庄稼施肥浇水时可以精确到一英寸以下。为了进一步帮助农民们掌握施肥浇水的精确时机,美国艾奥瓦州大学农业和生物系统副教授斯图亚特·比勒尔与电子和计算机工程教授拉特纳什·库马尔合作,设计了一套可以长期安装在地下的土壤感应系统。

这些感应器像iPod般大小,装在地下一英尺处,彼此相距约80到160英尺。它们不断收集土壤的湿度、温度、营养数据,并通过低频无线电信号,将信息传输到控制中心,帮助农民“对症下药”,避免盲目追肥。据估算,每英亩土地里安装4到6个感应器,成本约为20到30美元,但可以节省资源成本150美元。

改造大米

问题:50%——全世界有一半人以大米为主食。

办法:对大米进行遗传改造,改变其光合作用方式,以实现增产。

好处:每年可让大米增收50%,也可以为改造其他作物提供经验。

应用:最快10年内可实现。

将约翰·谢赫正在做的研究称为转基因研究未免有点低估。谢赫在位于菲律宾马尼拉的亚洲最大的非营利农业研究中心国际大米研究所工作,是光合作用实验室负责人,正致力于改变大米最基本的属性——利用阳光的方式,让它更快生长。这就好比改造了人体消化系统,使其加工食物的效率提高了一倍一样。

具体地说,谢赫及其领导的团队正在打造一种超级大米,把它变成所谓的“C4作物”。大部分农作物,包括水稻,都是进行一种被称为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,产生同样多的淀粉质耗用的二氧化碳较少,更适应温暖和干旱的气候条件。这可以减少植株叶子毛孔张开吸收二氧化碳的时间,减少其“体内”水分蒸发。

那么如何将C3作物转变成C4作物?科学家知道植物的“C4能力”是通过多次进化获得的,因此只要模拟自然的进化过程就好了。要做到这一点,谢赫及其伙伴必须找到相关控制基因。掌握这些基因后,他们就可以利用同样的技术把其他庄稼改造成C4作物,比如制造出可以在非洲下撒哈拉地区种植的麦子。

微生物肥料

问题:全世界的温室气体中,有1.2%是生产化学肥料时排放的。

办法:用微生物肥田,它们可以充分吸收空气中的氮。

好处:在保持土壤健康的同时增加农作物产量。

应用:已开发出来,正进行实地试验。

过去30年来,化肥的使用呈指数级增长。它可以提供氮、钾、磷,对于农作物形成氨基酸和细胞壁至关重要。不过,再过不久,农民们就可以少花数百美元,享受到同样的好处,方法是使用微生物肥料。美国密歇根州大学微生物学和分子遗传学教授CA·泰迪仔细研究了300种自然产生的土壤微生物,搭配出一套组合,可以在减少氮肥和磷肥使用的同时,保护农作物免受病虫侵害,使几乎任何作物都实现增产。

实验证明,与使用普通化肥的西红柿相比,用微生物肥料的西红柿结出的果子多出90%,种在温室里的植株表现更好。他还在茄子、柳枝稷等作物上做了实验。这种肥料取名“生物土壤增强剂”,以液体形态出售,播到地里后可以自行繁殖,不像传统化肥,每年都需要重新施肥。目前泰迪正进行广泛的实地试验。

绘制农业地图

问题:过去四十年来,非洲下撒哈拉地区人均粮食产量增长为0。

办法:收集大量土地使用数据,以便应用新的农业技术。

好处:非洲人口到2050年估计会增长一倍,增产的作物至少可以喂饱当地人。

应用:2010年。

假设你正为志在减轻非洲下撒哈拉地区营养不良情况的某大型基金会工作。你希望自己的计划能够产生最大影响力。除了资助农田水利规划、高产种子和抗病虫害作物,还有没有更好的选择呢?

这就是美国的“比尔和梅琳达·盖茨基金会”为什么出470万美元资助Harvest Choice的原因。Harvest Choice是一个宏大、开放的项目,旨在搜集非洲各种数据——政府的人口和家庭调查、各地气候信息、各国发展采用的理论模型等等,以便创建一个完整的非洲农业系统虚拟档案馆。随着数据越来越多,Harvest Choice将出版附有各种农业信息的地图,并给出可能的投资建议。

与此同时,美国宇航局与美国农业部合作,利用Aqua卫星监控全球土壤湿度。农作物的产量部分与当地土壤的蓄水能力有关,卫星根据土地发出的微波辐射搜集数据,科学家再将之与当地的植被和土壤温度结合起来,分析有多少辐射来自土壤中的水分。美国农业部的驻外事务处利用这些数据为美国和发展中国家(在这些国家,土壤数据往往十分稀缺)进行更加精确的收成预测。2013年,由于土壤湿度主动和被动遥感卫星的加入,该项目将取得更大进展,它提供的信息要比Aqua精细得多。

使用机器人

问题:苹果、葡萄、梨子和其他精致的特色作物产值550亿美元,但现在主要依靠越来越稀缺的人工采摘。

办法:用机械化工人监控、修枝、疏果,甚至是采摘。

好处:可以提供大量价廉物美国产水果和蔬菜。

应用:最快两年。

当银行业和汽车业陷入崩溃,水果和蔬菜种植者们也在应对他们的危机。由于移民法规收紧等因素的影响,采摘工人的劳力供应在减少,迫使价值数百万美元的蔬果烂在地里,无法收获。而美国农业部最近授予卡内基梅隆大学的桑吉夫·辛格和全美其他研究者2800万美元奖金,部分就是因为他们发明了自动化农业机械,可以缓解劳动力短缺问题。

在美国匹兹堡郊外一小片土地上,辛格及其团队正在对未来的农场“工人”进行实地测试。一部四轮机器在苹果园中隆隆前进,使用传感器扫描真菌,评估果实生长速度。地面上也装有独立的传感器,用于监控土壤湿度和光照等。辛格说,“拥有成千上万英亩土地的农场主一个人无法监控所有果树的生长情况。”将来,农民们在中央监控室就可以微波管理每一棵植株,并派出机器人处理病虫害或者土壤营养不良问题。

但是,机器人能够卷起袖子,采摘水果吗?美国圣地亚哥的Vision Robotics公司认为可以。他们制造的侦察机器人使用多个立体摄像机锁定树上水果的位置,判断其大小,然后将信息传给采摘机器人,它看上去就像个机械八爪鱼,有着长长的手臂,可以温柔地把水果摘下。目前机器工人的工作速度和精确度还落后于人类,成本也高出许多。这大大阻碍了它们的应用。“农民们上来就问,用它要多少钱?”辛格说:“如果机器工人比人力贵10倍或者慢10倍,那肯定不行。”

他认为比较实际的解决办法是使用帮助人们提高效率的机器,比如可以轻松够到树梢的剪刀臂、自动化的修枝设备、会搬动箱子并把它们摞到一块儿的“苦力机器人”,当然还需要让一切可以和谐同步进行的传感器网络。不管怎样,农民们也要拥抱21世纪了。

激活土壤

问题:全世界范围内有25%的土地因为人类活动退化。

办法:加入生物炭,可以为作物提供营养把碳锁住。

好处:使大片退化的土地焕发生机,并防止数吨二氧化碳逸出。

应用:已经投入使用。

早在哥伦布发现新大陆之前,亚马孙雨林里的部落就会砍下树木,将之缓慢燃烧后制成木炭,掺入土中,创造出肥沃的黑土,人称terrapreta。今天这种木炭被称为生物炭(Biochar),用植物废料,而非雨林里的树木制成。生物炭可以吸引微生物,帮助植物利用土壤中的营养成分,提高土地的储水能力,实现增产的同时让农业更具持续性。更妙的是,它把碳锁定在生物群内,而非让它逃逸回空气中。

制作生物炭的现代方法是在低氧环境下用高温加热植物垃圾,使其分解。对于土壤科学家来说,挑战在于选定最佳原材料和最佳制作过程。不同的材料和制作方法会产生含有不同营养成分的生物炭,利用一些方法还可以制造出生物护肤油与合成气等副产品,可以出售。

一些新兴公司制造方便易用的木炭机,帮助村庄或工业化农庄自行生产生物炭。其中一家是美国科罗拉多州的Biochar Engineering公司,它的木炭机如集装箱般大小,可以移动,这样农民可就地加工生物炭,不用把原材料运到固定的处理站。制炭过程中产生的热量可以支撑整个循环,非常环保;附带的处理器还可以制造出甲醇等液体燃料。

打造神奇木薯

问题:非洲有三分之一人口营养不良。

办法:把木薯改造成“完美作物”。

好处:改造后的木薯其营养是现有木薯的10倍。

应用:2015年。

木薯块根十分廉价,在最恶劣的条件下也能生长。这就是为什么有2.5亿人口以它为主食的原因,这也是为什么科学家要努力把它变成“神奇作物”的原因:他们希望木薯能满足饥饿的非洲人身体的营养需要。这是一项浩大的工程。木薯的铁、锌、维生素A和维生素E的含量比较少,两天内就会腐烂,因此农民只愿种一点自己吃,不愿多种,用来销售。

位于美国圣路易的丹佛植物科学中心的木薯改造项目Bio Cassava Plus计划耗资1200万美元,开发出更加有营养、储存期更长、极其抗病、根部不产生天然毒素氰甙的木薯。现在,科学家已经分别开发出了蛋白质含量提高3倍、维生素E含量提高9倍和锌含量提高7倍的木薯。下一步是把这些优良基因集中于一个品种,目前率先考虑的是肯尼亚和尼日利亚农民们常种的品种。该项目不久前刚刚获准在非洲进行实地试验。