Оценка влияния изменчивости климата на сельскохозяйственную производительность, обусловленную осадками

Введение: изменчивость климата и вызов для подтопленного сельского хозяйства

По всему миру сельскохозяйственные системы, зависящие от осадков, а не от орошения, сталкиваются с беспрецедентным стрессом. Для миллионов мелких фермеров в Африке, Южной Азии и Латинской Америке успех вегетационного периода полностью зависит от времени, интенсивности и продолжительности осадков. Тем не менее изменчивость климата - естественные колебания погоды от года к году и от десятилетия к десятилетию - становится все более выраженной и менее предсказуемой. Это создает прямую и растущую угрозу урожайности, продовольственной безопасности и средствам к существованию в сельских районах. Понимание того, как изменчивость осадков влияет на производительность сельского хозяйства, больше не является академическим упражнением; это критический шаг к разработке устойчивых продовольственных систем, которые могут противостоять потрясениям изменения климата.

В этой статье представлена всеобъемлющая оценка взаимосвязи между изменчивостью климата и продуктивностью сельского хозяйства, обусловленной осадками. Мы изучаем физические механизмы, различные воздействия на сельскохозяйственные культуры и регионы, а также портфель стратегий адаптации, которые в настоящее время развертываются или исследуются. Ставки высоки: на сельское хозяйство, основанное на дождевых кормах, приходится примерно 80% мировых пахотных земель и производится более 60% продовольствия в мире. Даже скромное снижение изменчивости урожайности может пульсировать через цепочки поставок, повышать цены на продовольствие и углублять голод в уязвимых общинах.

Понимание изменчивости климата против изменения климата

Прежде чем анализировать воздействия, важно различать изменчивость климата и изменение климата . Изменение климата относится к постоянным долгосрочным сдвигам в средних погодных условиях, таким как устойчивое повышение глобальной средней температуры или постоянное изменение режима осадков в регионе. Климатическая изменчивость, напротив, описывает естественные колебания вокруг этого среднего: влажные и сухие годы, раннее или позднее начало дождей, неожиданные волны тепла или холодные периоды, которые происходят от сезона к сезону или от одного десятилетия к следующему.

С практической точки зрения фермер в Сахеле, возможно, уже адаптируется к более долгосрочной тенденции к высыханию (изменение климата), но непосредственной проблемой часто является непредсказуемое время сезона дождей (вариабельность). В исследовании Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) AR6 Рабочая группа II (FLT: 1) отмечает, что даже при сценариях умеренных выбросов прогнозируется увеличение межгодовой изменчивости осадков во многих тропических и субтропических регионах, в которых уже сосредоточены самые высокие концентрации сельского хозяйства, основанного на дождевых осадках. Это означает, что фермеры должны справляться не только с изменением базового уровня, но и с большей неопределенностью от одного года к следующему.

Основные драйверы переменности осадков

К основным крупномасштабным факторам изменчивости осадков относятся:

Прямое влияние изменчивости осадков на производство сельскохозяйственных культур

Сельскохозяйственные системы, приводимые в действие осадками, по своей природе уязвимы к двум крайностям — слишком малому количеству воды и слишком большому количеству воды — а также к нерегулярному времени. Каждая из этих проблем имеет различные последствия для роста урожая и урожайности.

Засуха: стоимость неадекватных осадков

Засуха возникает, когда сезонные осадки падают значительно ниже типичного количества, необходимого для поддержания роста урожая на ключевых этапах развития. Для производства дождевых зерновых наиболее критическим периодом часто является фаза цветения и засыпки зерна. Неделя сильного водного стресса во время антеза (цветения) в кукурузе может снизить урожайность на 30-50% по сравнению с хорошо полившимися культурами, независимо от последующих дождей.

Помимо немедленных потерь урожая, последствия засухи распространяются через сельскохозяйственную систему:

Избыточные осадки и наводнения

На другом конце спектра чрезмерные и интенсивные осадки повреждают посевы как прямыми физическими механизмами, так и вторичными эффектами.

Нерегулярное время и распределение

Возможно, наиболее коварной формой изменчивости осадков является не общее количество, а временное распределение. Сезон может получить достаточное кумулятивное количество, но в модели, которая плохо согласуется с потребностями урожая. Это включает в себя:

Региональные тематические исследования: как изменчивость климата формирует результаты сельского хозяйства

Африка к югу от Сахары: зерно в Сахеле и Южной Африке

В Сахеле изменчивость осадков является единственным крупнейшим фактором ежегодных колебаний производства проса и сорго. В регионе наблюдается выраженная тенденция к высыханию с 1960-х по 1980-е годы, за которой следует частичное восстановление с высокой межгодовой изменчивостью. Эта история сделала фермерство с дождевыми кормами очень рискованным, что способствует хронической нехватке продовольствия в таких странах, как Нигер, Мали и Буркина-Фасо. Исследование Международного исследовательского института продовольственной политики (IFPRI) показало, что снижение годового количества осадков на 10% приводит к снижению урожайности сорго на всей территории Сахеля, и влияние усиливается на деградированные почвы.

В южной Африке сигнал ENSO особенно силен. События Эль-Ниньо последовательно приводят к осадкам ниже среднего уровня в Замбии, Зимбабве и треугольнике кукурузы Южной Африки. Эль-Ниньо 2015–2016 годов, один из самых интенсивных за всю историю наблюдений, вызвал засуху, которая сократила урожай кукурузы в Замбии на 40% и заставила страну импортировать зерно впервые за десятилетия. Фермеры с доступом к ирригации жили лучше, но только 5–10% пахотных земель в регионе орошаются, оставляя подавляющее большинство подвержено воздействию осадков.

Южная Азия: Индийский муссон и производство риса

Районы риса в Индии, особенно в восточных штатах Одиша, Бихар и Западная Бенгалия, остро чувствительны к изменчивости муссонов. Индийский летний муссон (июнь-сентябрь) составляет 70-80% годовых осадков, но его дата начала варьируется на три недели от климатической нормы. Поздний приход муссонов заставляет фермеров откладывать подготовку и пересадку яслей, что, в свою очередь, толкает фазу созревания в период с более низкими температурами и меньшим количеством солнечного излучения, снижая потенциал урожайности.

Исследования Индийского сельскохозяйственного исследовательского института показывают, что дефицит 10% в июне осадков снижает урожайность харифа (лета) риса в среднем на 3,5%, но воздействие более резкое в районах, где не хватает дополнительного орошения пробирки. И наоборот, чрезмерное количество осадков во время муссонов в 2020-2021 годах вызвало широкомасштабное наводнение в Ассаме и Бихаре, потопив 1,2 млн га риса. Результатом стало 20%-ное падение национального урожая риса по сравнению с предыдущим годом, что способствовало продовольственной инфляции и увеличению числа людей, сталкивающихся с острой нехваткой продовольствия.

Латинская Америка: кукуруза и бобы в сухом коридоре Центральной Америки

Центральноамериканский сухой коридор (протянувшийся от Гватемалы до северной Коста-Рики) - это регион, где мелкие фермеры выращивают кукурузу и бобы почти полностью в условиях подсолнечника. Вариабельность осадков здесь усугубляется циклом ENSO и горной местностью региона, что создает микроклиматы на коротких расстояниях. Длительный сухой период в течение первого вегетационного периода (май-август) является наиболее частым шоком, часто приводящим к полному неурожаю для фермеров, занимающихся натуральным хозяйством.

В ответ ФАО и национальные правительства продвигают засухоустойчивые сорта кукурузы и внедряют методы сохранения почв, такие как террацирование и покрытие посевов. Тем не менее, их внедрение остается низким, отчасти потому, что фермерам не хватает капитала для инвестиций в новые семена, а отчасти потому, что им нужны немедленные урожаи, чтобы выжить. Совокупное давление повторяющихся засушливых сезонов заставило десятки тысяч семей мигрировать из Гватемалы и Гондураса в Соединенные Штаты - яркая иллюстрация того, как изменчивость осадков может иметь далеко идущие последствия для человека за пределами сельскохозяйственных ворот.

Адаптация и смягчение последствий: повышение устойчивости в системах с подогревом

Вышеописанные проблемы огромны, но они не являются непреодолимыми. Растущий объем данных, полученных в результате агрономических исследований, полевых испытаний и адаптации под руководством фермеров, показывает, что производительность может быть стабилизирована — даже повышена — в условиях растущей изменчивости осадков. Ключом является принятие комплексного портфеля стратегий, которые одновременно решают несколько проблем уязвимости.

Технологические инновации

Засуха-толерантные и рано созревающие сорта культур

Программы разведения добились значительных успехов в разработке сортов, которые могут поддерживать урожайность при умеренном водном стрессе. Например, инициатива DTMA, координируемая Международным центром улучшения кукурузы и пшеницы (CIMMYT), выпустила более 200 сортов, которые производят на 20-30% больше зерна в условиях засухи, чем обычные сорта. Аналогичным образом, улучшенные сорта сорго и проса с более короткими циклами выращивания (90-110 дней, а не 120-150 дней) позволяют фермерам избежать поздней сезонной засухи и использовать окна для посадки более гибко.

Низкозатратная консервация почвенной влаги

Такие методы, как сбор дождевой воды с бороздкой, обрезка покрова и выращивание без дождевых осадков, могут значительно увеличить долю осадков, которые проникают и остаются в корневой зоне. На плато Лёсс в Китае крупномасштабное внедрение терракинга и комплексного управления водоразделами в течение двух десятилетий обратило вспять деградацию почвы и повысило производительность воды на 30-50%. Аналогичные подходы адаптируются для мелких фермеров в полузасушливой Африке, часто в сочетании с мульчированием для уменьшения испарения.

Управление водными ресурсами и дополнительная ирригация

Даже небольшое количество дополнительного орошения, применяемое на самых критических стадиях роста или во время засушливых периодов, может значительно снизить потери урожая. Малые системы сбора дождевой воды, такие как фермерские пруды и микро-плотины, захватывают стоки во время проливных дождей и хранят их для использования в засушливые периоды. В восточной Индии использование таких систем на нескольких миллионах гектаров, как было показано, снижает изменчивость урожайности вдвое и повышает годовой доход на 15-25%.

В более широком масштабе повышение эффективности существующей ирригационной инфраструктуры может снизить давление на водные ресурсы. Капельное орошение в сочетании с солнечными насосами и датчиками влажности почвы может сократить использование воды на 40-60% по сравнению с ирригацией при наводнении - освобождение большего количества воды для районов, где требуется время от времени резервное копирование. Проблема заключается в первоначальных затратах: субсидии, схемы микрокредитования и фермерские кооперативы часто необходимы для финансирования принятия.

Прогноз погоды и системы раннего предупреждения

Одна из наиболее экономически эффективных адаптаций заключается в предоставлении фермерам надежных прогнозов погоды и рекомендаций, ориентированных на конкретные места. Достижения в области спутникового дистанционного зондирования (например, набор данных о дождевых осадках CHIRPS от Группы по климатическим рискам) и сезонного прогнозирования (например, Североамериканский мультимодельный ансамбль) теперь позволяют выдавать сезонные прогнозы со сроком от одного до трех месяцев. В сочетании с распространением на основе мобильных телефонов такая информация позволяет фермерам принимать более разумные решения о том, когда выращивать растения, какой сорт использовать, применять ли удобрения и когда собирать урожай на ранней стадии.

Глобальная система информации и раннего предупреждения ФАО (GIEWS) является общедоступным ресурсом, который отслеживает условия урожая в режиме реального времени. Например, в 2022 году задержка начала муссона в Пакистане вызвала предупреждение GIEWS, которое побудило правительство предварительно разместить семена краткосрочных сортов риса в районах, подверженных засухе, что, вероятно, предотвратило гораздо больший дефицит производства.

Агроэкологические и системные подходы

Помимо отдельных технологий, более широкий переход к агроэкологическим принципам может повысить устойчивость на уровне системы. Такие практики, как посевы (например, кукуруза с голубиным горохом), севооборот и интеграция деревьев на сельскохозяйственных угодьях (агролесоводство), диверсифицируют источники дохода и улучшают здоровье почвы с течением времени. В Нигере и других странах Сахелии фермеры активно защищают и управляют деревьями, которые прорастают из живых корневых систем, восстановили миллионы гектаров деградированных сельскохозяйственных угодий. Деревья обеспечивают тень, обогащают почву органическим веществом и снижают скорость ветра, все из которых буферизируют культуры против крайностей изменчивости осадков.

Политика и институциональная поддержка: обеспечение адаптации в масштабе

Для достижения трансформации устойчивости правительства, международные организации и частный сектор должны создать благоприятную среду, которая устраняет барьеры и стимулирует инновации.

Инвестирование в сельскохозяйственные R&D

Государственные инвестиции в селекцию сельскохозяйственных культур, исследования в области управления водными ресурсами и климатически оптимизированное сельское хозяйство во много раз превышают дивиденды. По оценкам Консультативной группы по международным сельскохозяйственным исследованиям (CGIAR), каждый доллар, потраченный на сельскохозяйственные исследования в развивающихся странах, приносит в среднем 10 долларов в виде выгод в долгосрочной перспективе. Тем не менее, многие национальные системы сельскохозяйственных исследований остаются недостаточно финансируемыми, что приводит к созданию трубопровода улучшенных сортов, который медленнее, чем темпы, с которыми меняются модели осадков.

Сети социальной защиты и безопасности

Когда климатические потрясения неизбежно происходят, программы социальной защиты могут предотвратить обнищание домашних хозяйств. Страхование на основе индекса - где фермеры получают автоматические выплаты при пересечении заранее определенного порога осадков или урожайности - показало многообещающие результаты в таких странах, как Индия и Кения. Однако поглощение остается низким из-за высоких премий, базового риска (несоответствие между индексом и фактическими потерями на уровне ферм) и низкой финансовой грамотности. Сочетание страхования с консультационными услугами по погоде и программами по созданию активов может помочь укрепить доверие и повысить уровень усыновления.

Землевладение и управление ресурсами

Во многих районах Африки к югу от Сахары традиционные системы землепользования находятся под давлением роста населения и рыночных сил, что создает неопределенность в отношении того, кто может извлечь выгоду из таких инвестиций. Уточнение прав на землю, обеспечивая при этом равный доступ женщин (которые занимаются значительной долей дождевого земледелия), является основополагающим шагом для любой стратегии адаптации.

Вывод: устойчивое будущее для сельского хозяйства

Изменение климата не является новым явлением для фермеров, которые всегда жили с погодным риском. Новым является ускорение темпов изменений, усугубляющий эффект многочисленных экологических факторов (деградация почв, нехватка воды, тепловой стресс) и растущее число людей, которые зависят от сельского хозяйства, основанного на дождевом корме, для получения средств к существованию. Доказательства очевидны: без преднамеренных, постоянных усилий по оценке и адаптации к изменчивости осадков разрыв в производительности сельского хозяйства между системами дождевого и орошаемого питания будет расширяться, продовольственная безопасность будет углубляться, а сельская бедность будет сохраняться.

Однако возможности в равной степени реальны. Когда правильное сочетание улучшенных сортов, управления водными ресурсами, информационных услуг и поддерживающей политики развернуто, фермеры, живущие на дождевых кормах, могут не только пережить климатические потрясения, но и процветать. Задача сейчас состоит в том, чтобы привести эти решения в масштаб - не в пилотных проектах или изолированных демонстрационных фермах, а во всех ландшафтах и странах. Будущее продовольственной безопасности, особенно в Африке и Южной Азии, будет определяться нашей способностью превратить эти идеи в действия. Это задача, которая требует срочности, инвестиций и сотрудничества во всех секторах общества.