Урожай риса резко снижается, а содержание мышьяка растет в условиях будущего климата и почвы

Рис является крупнейшей в мире продовольственной культурой, его потребляет более половины населения планеты. Однако новые эксперименты Стэнфордского университета показывают, что в условиях изменения климата производство в основных рисоводческих регионах с эндемичным содержанием мышьяка в почве резко сократится, что поставит под угрозу критически важные продовольственные запасы.

Эксперименты, изучающие производство риса в будущих климатических условиях, показывают, что к 2100 году урожайность риса может упасть примерно на 40%, с потенциально разрушительными последствиями для регионов мира, зависящих от этой культуры как основного источника пищи. Более того, изменения почвенных процессов из-за повышения температуры приведут к тому, что рис будет содержать в два раза больше токсичного мышьяка, чем сегодня. Исследование опубликовано 1 ноября в журнале Nature Communications.

«По оценкам, к 2100 году население Земли составит примерно 10 миллиардов человек. Это означает, что 5 миллиардов будут зависеть от риса, и 2 миллиарда не получат доступа к калориям, которые им обычно необходимы», — отметил соавтор работы Скотт Фендорф, профессор наук о системе Земли в Школе наук о Земле, энергетики и окружающей среды Стэнфордского университета. — «Мы должны осознавать эти грядущие вызовы, чтобы быть готовыми адаптироваться».

Исследователи специально изучали рис, потому что он выращивается на затопленных полях, что способствует высвобождению мышьяка из почвы и делает культуру особенно чувствительной к его поглощению. Хотя многие продовольственные культуры сегодня содержат небольшое количество мышьяка, некоторые регионы выращивания более уязвимы, чем другие. Будущие изменения в почве из-за более высоких температур в сочетании с затопленными условиями приводят к повышенному поглощению мышьяка растениями риса. Эта проблема усугубляется при использовании для орошения воды с естественным высоким содержанием мышьяка. Хотя эти факторы не одинаково повлияют на все сельскохозяйственные культуры в мире, они распространяются и на другие культуры, выращиваемые в условиях затопления, такие как таро и лотос.

«Я просто не ожидал такого масштаба влияния на урожай риса, который мы наблюдали, — сказал Фендорф, который также является старшим научным сотрудником Стэнфордского института окружающей среды Вудса. — Я упустил из виду, насколько сильно биогеохимия почвы отреагирует на повышение температуры, как это усилит доступность мышьяка для растений и затем — в сочетании со стрессом от температуры — как это действительно повлияет на растение».

Мышьяк — это природный полуметаллический химический элемент, содержащийся в большинстве почв и отложений, но обычно в форме, недоступной для поглощения растениями. Хроническое воздействие мышьяка приводит к поражениям кожи, раку, обострению заболеваний легких и, в конечном счете, к смерти. Его присутствие в рисе вызывает особую озабоченность не только из-за глобальной значимости этой культуры, но и потому, что этот низкоаллергенный продукт часто вводят в рацион младенцев.

«Я думаю, эта проблема также крайне важна для людей с маленькими детьми в нашем обществе, — говорит ведущий автор исследования Э. Мари Мюэ, бывший постдокторант Стэнфорда, а ныне сотрудник Тюбингенского университета в Германии. — Поскольку младенцы намного меньше нас, если они едят рис, это означает, что они потребляют больше мышьяка относительно массы своего тела».

Климатическое моделирование

Исследователи воссоздали будущие климатические условия в теплицах на основе оценок Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC), согласно которым к 2100 году возможен рост температуры на 5 °C и удвоение концентрации атмосферного CO₂.

Хотя предыдущие исследования изучали влияние повышения температуры в контексте глобального продовольственного кризиса, данная работа впервые учитывала состояние почвы в сочетании с изменениями климата.

В ходе экспериментов группа выращивала среднезерный сорт риса в почве из рисоводческого региона Калифорнии. В теплицах контролировались температура, концентрации CO₂ и уровни мышьяка в почве, которые в будущем будут выше из-за его накопления в почвах при орошении культур водой, загрязненной мышьяком. Эта проблема усугубляется чрезмерной откачкой грунтовых вод.

«Мы не часто задумываемся об этом, но почва живая — она кишит бактериями и множеством различных микроорганизмов, — пояснил Фендорф. — Оказывается, эти микроорганизмы определяют, останется ли мышьяк связанным с минералами и недоступным для растений, или высвободится с минералов в водную фазу».

Исследователи обнаружили, что при повышении температуры микроорганизмы дестабилизировали больше природного мышьяка в почве, что привело к увеличению количества токсина в почвенной воде, доступной для поглощения рисом. Попав в растение, мышьяк ингибирует усвоение питательных веществ, снижает рост и развитие растений, что в совокупности привело к наблюдаемому учеными 40-процентному снижению урожайности.

Раннее предупреждение и планирование на будущее

Хотя резкое падение производства является серьезным поводом для беспокойства, ученые надеются, что это исследование поможет производителям найти потенциальные решения для обеспечения продовольствием населения мира.

«Хорошая новость заключается в том, что благодаря прошлым достижениям в области селекции сортов, способных адаптироваться к новым условиям, а также пересмотру методов управления почвами, я оптимистично настроен, что мы сможем обойти проблемы, наблюдаемые в нашем исследовании, — сказал Фендорф. — Я также надеюсь, что по мере того, как мы продолжаем проливать свет на угрозы, связанные с потеплением на 5 °C, общество примет меры, чтобы мы никогда не достигли такой степени потепления».

В качестве следующих шагов Фендорф, соавтор Тяньмэй Ван и Мюэ надеются оценить урожайность риса в глобальном масштабе, используя дистанционное зондирование для точного определения загрязненных рисовых полей с целью моделирования будущей урожайности и загрязнения мышьяком.

«Эта проблема, скорее всего, затронет регионы, где потребляют больше всего риса, поэтому мы думаем о Южной и Восточной Азии, — сказала Ван, кандидат наук в области наук о системе Земли. — Особенно для таких людей, как мой отец — он ест рис три раза в день и просто не может без него жить».