От микроорганизмов до мегаполисов. Поиск компромисса между прогрессом и будущим планеты

С другой стороны, анализ всех основных типов лесных биомов (на 47 участках от бореальных до тропических) показал, что, хотя после 1960-х годов рост концентрации CO₂ более чем на 50 ppm (частей на миллион) привел к повышению эффективности использования внутренней воды на 20,5 % (без значительных отличий между биомами), рост зрелых деревьев не возрос, как ожидалось, и участки равномерно распределились между положительными и отрицательными тенденциями и не демонстрировали значительной тенденции внутри или среди биомов (Peñuelas et al., 2011). Очевидно, другие факторы (скорее всего периоды засухи, нехватки питания и сложностей акклиматизации) свели на нет значительное положительное воздействие. Кроме того, некоторые исследования предполагают (хотя и с невысокой долей уверенности), что во многих регионах это стимулирующее действие, возможно, уже достигло пика (Silva and Anand, 2013).

Многие леса адаптируются к более высоким температурам путем миграции на север или на возвышенности, но темп этих перемещений будет сильно зависеть от вида, региона и участка. Чистые оценки изменений будущей продуктивности остаются крайне неопределенными даже для хорошо изученных лесов Европы и Северной Америки, так как ускоренный рост может быть в значительной степени или полностью сведен на нет более частыми пожарами, циклонами и нашествиями вредителей (Shugart et al., 2003; Greenpeace Canada, 2008). Европейские управляемые леса внесли свой вклад в глобальное потепление за последние два века не только за счет выбросов углерода, хранившегося в мусоре, мертвой древесине и почве, но и потому, что превращение широколиственных лесов в более ценные с экономической точки зрения хвойные повысило их отражательную способность и, следовательно, эвапотрансперацию (испарение воды в атмосферу), что способствовало потеплению (Naudts et al., 2016).

Сельскохозяйственные культуры

В предыдущем разделе я объяснял отношения между валовой и чистой продуктивностью растения и автотрофным и гетеротрофным дыханием. Если описать сельское хозяйство – выращивание культурных растений на пищу, корм скоту и сырье – через эти переменные, то получится, что это ряд мероприятий по максимизации ЧПЭ, что достигается путем максимизации ВПП при одновременной минимизации Д_А и особенно сокращении Д_Г. Максимизация фотосинтетической переработки и минимизация автотрофного дыхания достигаются в значительной степени с помощью селекции, обеспечения растений адекватным питанием и при необходимости водой, минимизации конкуренции из-за роста сорняков путем применения гербицидов, ограничения гетеротрофного дыхания сельскохозяйственных культур с помощью разнообразных защитных мер, среди которых самое заметное место занимают инсектициды и фунгициды, и своевременной уборки урожая и его хранения с сокращением отходов.

Для питания или медицинских целей выращиваются несколько видов грибов, пресноводных и морских водорослей, однако большинство сельскохозяйственных культур являются культурными видами однолетних и многолетних растений, чья структура, питательная ценность и размер урожая были значительно модифицированы в результате длительной селекции, а с недавнего времени также путем выведения трансгенных форм. Сотни растений, большинство которых относится к фруктам и овощам, культивируются для обеспечения человечества питанием, кормом, топливом, сырьем, лекарствами и цветами. Некоторые культуры включают многочисленные сорта, а чемпионом среди них является Brassica oleracea (капуста огородная), среди разновидностей которой – различные сорта кочанной капусты, листовой капусты, кормовой капусты, брокколи, цветная, брюссельская капуста и кольраби.

Но ассортимент основных продуктов питания всегда был меньше, а в современном массовом сельском хозяйстве он продолжает сокращаться. Всего несколько сортов обеспечивают большую часть питания, идет ли речь об энергии в целом или об источниках трех макронутриентов. В этой маленькой группе основных продуктов питания преобладают злаки. Наибольшая доля в общем объеме мирового урожая в 2015 году принадлежала кукурузе (хотя в развитых странах она используется преимущественно как корм для скота), за которой шли пшеница и рис. На эти три сельскохозяйственные культуры приходится более 85 % мирового урожая злаков (немногим больше 2,5 Гт в 2015 году), остальную часть делят между собой в основном кормовые зерновые (просо, сорго), ячмень, овес и рожь.

К другим незаменимым категориям основных сельскохозяйственных культур относятся клубнеплоды (обычный и сладкий картофель, батат, маниок – все они почти полностью состоят из углеводов и почти не содержат белка), бобовые (среди которых сегодня преобладает соя и которые включают различную фасоль, горох и чечевицу и имеют высокое содержание белка), масличные культуры (служащие основным источником растительных жиров и включающие крошечные семена рапса и более крупные семена подсолнечника, но основная доля сегодня приходится на сою и масличную пальму) и два крупнейших источника сахара: сахарный тростник и свекла (в США основным источником является сироп с высоким содержанием фруктозы, получаемый из кукурузы). Овощи и фрукты, богатые витаминами и минералами, потребляются в основном ради этих микронутриентов, в то время как орехи сочетают в себе высокое содержание белка и жира. Основные непродовольственные сельскохозяйственные культуры включают натуральные волокна (среди которых хлопок значительно опережает джут, лен, коноплю и сизаль) и разнообразные кормовые культуры (животных также кормят почти всеми видами зерновых, а жвачным еще требуются пищевые волокна, в том числе люцерна, а также сено и солома).

История использования культурных растений составляет едва одну десятую истории эволюции человека (первые отчетливые признаки Homo sapiens обнаруживаются примерно 200 000 лет назад). Самыми ранние свидетельства выращивания сельскохозяйственных культур относятся к периоду 11 500–10 000 лет назад для пшеницы двузернянки (Triticum dicoccum), пшеницы однозернянки (Triticum monococcum) и ячменя (Hordeum vulgare) на Ближнем Востоке, прежде всего в верховьях рек Тигр и Евфрат (Zeder, 2008); до 10 000 лет назад для могара (Setaria italica) в Китае и тыквенных (виды Cucurbita) в Мексике; до 9000 лет назад для кукурузы (Zea mays) в Центральной Америке; до 7000 лет назад для риса^[20] (Oryza sativa) в Китае и картофеля (Solanum tuberosum) в Андах (Price and Bar-Yosef, 2011).

Отследить рост основных сельскохозяйственных культур можно несколькими способами. Засаживаемые ими площади расширялись или сокращались по мере того, как вводились новые культуры, а старые выходили из употребления, и новые вкусы и предпочтения заменяли старые модели питания. Наиболее заметным примером, относящимся к первой категории, является распространение кукурузы, картофеля, томатов и перца. Эти сельскохозяйственные культуры, неизвестные за пределами Центральной и Южной Америки до 1492 года, в конце концов стали наиболее предпочтительными и приобрели огромную экономическую и питательную важность. Наиболее распространенным примером второй категории является сокращение потребления бобовых и рост потребления обработанных злаков. С ростом благосостояния современного общества употребление в пищу бобовых культур (питательных, но часто плохо перевариваемых) сокращается (в качестве источника высококачественного белка теперь используется ставшее более доступным мясо), в то время как потребление белого риса и муки (все чаще в форме полуфабрикатов, в том числе выпечки и лапши) достигло новых высот.

Две переменные обуславливают рост совокупного урожая сельскохозяйственных культур: растущее население, которому требуются более крупные урожаи для употребления в пищу, и изменения в питании, приведшие к росту потребления продуктов животного происхождения (мяса, молочных продуктов, яиц), производство которых требует увеличения посевов кормовых культур. В результате в развитых странах сельскохозяйственные культуры предназначены в первую очередь не для прямого потребления (пшеничная мука, цельное зерно, картофель, овощи, фрукты) или переработки на сахар и алкогольные напитки, а на корм мясным и молочным млекопитающим и птице мясных пород и несушкам (в США около 40 % кукурузы теперь перерабатывается в автомобильный этанол).

Но ни один индикатор роста сельскохозяйственных культур не является таким наглядным, как рост средней урожайности. Учитывая конечное количество качественных сельскохозяйственных угодий, современное общество не смогло бы обеспечить достаточное питание значительно выросшему населению без увеличения урожаев. В свою очередь возросшие урожаи стали возможны благодаря развитию и улучшению сортов, возросшему применению материалов и энергии, в частности более широкому распространению ирригации, масштабному удобрению синтетическими и неорганическими веществами и теперь почти универсальной механизации полевых работ, связанной с ростом потребления жидкого топлива и электричества.

Урожайность сельскохозяйственных культур

Урожаи всех сельскохозяйственных культур имеют пределы, обусловленные эффективностью фотосинтеза. Максимальный предел превращения энергии света в химическую энергию в новой фитомассе находится на уровне почти 27 %, но поскольку всего 43 % поступающей радиации фотосинтетически активно (синяя и красная части спектра), этот уровень сокращается до примерно 12 %. Отражение света и его прохождение через листья вносят незначительное изменение, снижая общий уровень до приблизительно 11 %. Это означает, что идеальная сельскохозяйственная культура, листья которой расположены под углом 90° к прямому солнечному свету, будет ежедневно фиксировать 1,7 т/га новой фитомассы, или 620 т/га, если рост будет продолжаться круглогодично.

Но высокие темпы фотосинтеза неизбежно сопровождаются крупными потерями. Ферменты растительного происхождения не успевают за поступающей радиацией, и поскольку хлорофилл не может хранить этот поток, поступающая энергия частично излучается обратно, снижая производительность приблизительно до 8–9 %. Автотрофное дыхание (обычно на уровне 40–59 % от ЧПП) снижает лучшую достижимую эффективность роста растения до приблизительно 5 % – и самые высокие зафиксированные краткосрочные темпы чистого фотосинтеза при оптимальных условиях действительно имеют такой уровень. Но большинство сельскохозяйственных культур не способны демонстрировать таких хороших результатов в течение всего вегетационного периода, поскольку их возможности ограничены различными факторами окружающей среды.

Кроме того, существуют важные межвидовые различия. Путь фотосинтеза, используемый большинством растений, представляющий собой многоступенчатый процесс обмена O₂ и CO₂, энергию для которого обеспечивают красная и синяя части спектра, был впервые обнаружен Мелвином Кальвином и Эндрю Бенсоном в начале 1950-х (Bassham and Calvin, 1957; Calvin, 1989). Поскольку первой стабильной составляющей, полученной в результате этого процесса, является фосфоглицериновая кислота, содержащая три углерода, растения, применяющие последовательности карбоксилирования, восстановления и регенерации, известны как C3-растения, и к ним относится большинство основных злаков, бобовых и картофель, а также все распространенные овощи и фрукты. Их основным недостатком является фотодыхание (поглощение кислорода в дневное время), на которое расходуется часть произведенного первичного продукта фотосинтеза.

Некоторые растения избегают этих потерь, производя четырехуглеродные кислоты (Hatch, 1992). Большинство С4-растений также структурно отличаются от С3-видов, поскольку их сосудистая проводящая ткань окружена обкладкой сосудистых пучков крупных клеток, заполненных хлоропластами. Кукуруза, сахарный тростник, сорго и просо являются наиболее важными С4-сельскохозяйственными культурами. К сожалению, некоторые из наиболее живучих сорняков, включая росичку (Digitaria sanguinalis), ежовник обыкновенный (Echinochloa crus-galli) и амарант запрокинутый (Amaranthus retroflexus), также относятся к типу С4 и являются нежелательными конкурентами С3-сельскохозяйственных культур. Последовательность С4 требует больше энергии, чем цикл Кальвина – Бенсона, однако отсутствие фотодыхания с лихвой компенсирует ее, и С4-виды лучше конвертируют солнечный свет в фитомассу. При сравнении максимальной дневной скорости роста различия составляют около 40 %, но дневной максимум, интегрированный и рассчитанный в среднем за весь вегетационный период, получается выше на 70 %.

Более того, фотосинтез в С4-видах протекает без насыщения светом, в то время как С3-растения достигают пика при интенсивности излучения около 300 Вт/м². И если С3-культуры демонстрируют лучшие результаты при температуре от 15 до 25 °C, оптимальная температура для фотосинтеза для С4-культур составляет 30–45 °C, что позволяет им лучше адаптироваться к солнечному, жаркому и засушливому климату. При прочих равных условиях типичный урожай кукурузы и сахарного тростника значительно выше средних урожаев пшеницы и сахарной свеклы, двух распространенных С3-видов, имеющих аналогичный пищевой состав. Пиковые дневные темпы роста, измеряемые на полях, составляют более 50 г/м² для кукурузы, но менее 20 г/м² для пшеницы. Средние значения за весь вегетационный период, очевидно, являются более низкими: в 2015 году очень хороший урожай кукурузы в размере 10 т/га соответствовал (если предположить, что общий вегетационный период составляет 150 дней) среднему дневному росту менее 10 г/м².

Достоверно определить размеры урожая в доисторический период невозможно, имеются только отдельные приблизительные расчеты, позволяющие подсчитать размер урожаев в древние времена, и даже реконструкции средневековых траекторий урожая остаются расплывчатыми. Но если бы эти данные были доступны, они не преподнесли бы сюрпризов, так как косвенные свидетельства об агрономии и населении подтверждают низкие, едва меняющиеся (и одновременно сильно колеблющиеся)^[21] урожаи основных зерновых культур. И история английских пшеничных полей – редкий пример отчетности, оценок и даже реальных измерений почти за тысячу лет, позволяющих нам реконструировать траекторию роста, – иллюстрирует, насколько ненадежны наши выводы даже в отношении раннего этапа раннего Нового времени.

Существует две основные причины, по которым выводы будут ненадежны. В Европе размер урожая традиционно выражался в относительных величинах, таких как объем сжатого зерна в отношении к посаженному, и плохие урожаи едва давали достаточно семян для посадки на следующий год. При небольшом недороде на семена приходилось оставлять до 30 % всего урожая, и только с ростом урожайности в раннем Новом времени эта доля к середине XVIII века постепенно сократилась до менее 10 %. Кроме того, оригинальные средневековые единицы измерения (бушели) были скорее единицами объема, чем массы, и поскольку в те времена семена были мельче, чем у современных высокоурожайных сортов, точно перевести объем в массу не представляется возможным. Даже в самых лучших (обычно монастырских) записях имеется множество пробелов, кроме того, размер урожая значительно варьировался в связи со сложными погодными условиями, эпидемиями и войнами, что затрудняет интерпретацию даже точных данных за один или два года.

Ранние исследования английских пшеничных полей исходят из того, что в XIII веке собранный урожай превышал объем затраченного семенного фонда в три-четыре раза. Это очень низкая урожайность – всего немногим больше 500 кг/га, а известный максимум приближается к 1 т/га (Bennett, 1935; Stanhill, 1976; Clark, 1991). Данные об урожаях, собранные Амтором (Amthor, 1998) из записей, которые велись в поместьях-манорах, церковных приходах и графствах, демонстрируют значения в пределах от 280 до 570 кг/га для периода с XIII по XV век (с исключительным максимумом 830–1130 кг/га) и 550–950 кг/га для двух следующих веков. На удвоение низких урожаев пшеницы периода Средневековья понадобилось около 500 лет, и ощутимый подъем начался только после 1600 года. Но надежными нельзя назвать данные даже за XVIII век: в зависимости от используемых источников урожаи пшеницы или не росли совсем, или удвоились к 1800 году (Overton, 1984).

Более свежие оценки демонстрируют другую траекторию. Кэмпбелл (Campbell, 2000) получил среднее значение урожая пшеницы за 1300 год – 0,78 т/га – из оценок урожаев поместных земель и предположил, что норма высева семян составляла 0,2 т/га. Но в начале XIV века на земли поместий приходилось всего 25 % сельскохозяйственных угодий, так что в этом случае можно говорить лишь о средней урожайности крестьянских полей. Для обоснования как более высокой – так и более низкой – урожайности нужны дополнительные аргументы (или альтернативная гипотеза о равных урожаях). Аллен (Allen, 2005) скорректировал предложенную усредненную оценку для 1300 года до 0,72 т/га и повысил значение урожайности на 1500 год примерно на треть – до 0,94 т/га. К 1700 году урожайность, очевидно, еще выросла – до 1,3 т/га, но, согласно Бранту (Brunt, 2015), в 1690-х годах урожаи пшеницы в Англии снизились из-за необычайно плохой погоды, а в конце 1850-х, наоборот, исключительно хорошие погодные условия принесли невероятно высокие урожаи, и эта комбинация привела к завышенной оценке роста урожая за данный период почти на 50 %.

После паузы в течение XVIII века к 1850 году урожаи выросли до примерно 1,9 т/га, главным образом, благодаря внедрению регулярной ротации с бобовыми и улучшению селекции семян. По данным Аллена (Allen, 2005), средний урожай пшеницы в Англии с 1300 по 1850 год вырос почти втрое. Последующий рост урожайности Чорли (Chorley, 1981) связывает в первую очередь с повсеместным распространением ротации, включавшей бобовые запашные культуры. Типичный пример такого четырехлетнего цикла, практиковавшегося в Норфолке, подразумевал ротацию пшеницы, репы, ячменя и клевера. Эти методы по меньшей мере утроили темпы симбиотической фиксации азота (Campbell and Overton, 1993), и Чорли (Chorley, 1981) пришел к выводу, что важность этой инновации, на которую прежде исследователи не обращали внимяния, сопоставима с эффектом одновременно происходившей индустриализации.

Другие меры, способствовавшие росту урожаев пшеницы в Англии, включали активное дренирование земельных участков, более активное удобрение навозом и улучшение сортов. К 1850 году во многих графствах собирали 2 т/га (Stanhill, 1976), а в 1900 году средний британский урожай пшеницы превысил 2 т/га. В Голландии урожаи достигли тех же темпов повышения, но во Франции к 1900 году средний урожай не превышал 1,3 т/га. Даже в реконструкции Аллена (Allen, 2005), где демонстрируется почти трехкратный рост урожаев в период между 1300 и 1850 годами, средний годовой линейный рост составил бы всего 0,3 %, а средний темп во второй половине XIX века был бы немногим выше 0,2 % в год.

Долгосрочная траектория урожаев пшеницы в Англии – первый пример очень распространенной траектории роста, к которой я буду много раз обращаться в следующих главах этой книги, говоря о техническом прогрессе. Века и даже тысячелетия отсутствия или едва заметного прогресса предшествовали взлету, за которым следовал период впечатляющих успехов, которые в нескольких случаях начались уже в XVIII веке, но чаще в течение XIX и XX веков. В то время как некоторые из этих экспоненциальных траекторий продолжают развиваться (хотя часто в сниженном темпе), за последние десятилетия мы наблюдали, как многие из этих феноменов роста приблизились к однозначным плато и некоторые даже вступили в период (временного или долгосрочного) спада.

Урожайность пшеницы представляет один из тех относительно редких феноменов, где США не только не возглавили мировой рост, но оказались в роли догоняющих. Это связано с экстенсивным характером выращивания пшеницы в США, обусловленным обширной площадью Великих равнин, климат которых гораздо суровее, чем на Атлантическом побережье Европы. Регулярная скудость осадков мешает применению сильных удобрений, а низкие температуры ограничивают выращивание озимой пшеницы и сокращают средний урожай. Записи, сделанные в Канзасе, сердце пшеничного региона Великих равнин, свидетельствуют о почти веке стагнации (и значительных колебаниях) урожаев. Средний размер урожая (рассчитываемый как среднее значение за пять лет) в 1870 году составлял 1 т/га в 1870, 1900 и 1950 годах (если быть точным, то 1,04, 0,98 и 1,06) и вырос до более 2 т/га только к 1970 году (USDA, 2016a). Во второй половине XIX века урожаи пшеницы по всей стране выросли лишь незначительно, с 0,74 т/га в 1866 году до 0,82 т/га в 1900 году и к 1950 году составили всего 1,11 т/га.

В первой половине XX века селекционеры поставили перед собой цель вывести новые сорта, которые будут более устойчивыми к болезням пшеницы и чьи более короткие и жесткие стебли будут меньше полегать под зреющими колосьями, что приведет к меньшим потерям урожая. Традиционные сорта зерновых имели очень низкий индекс урожайности, выражаемый как отношение массы урожая к полной надземной фитомассе растений, включая несъедобную солому (стебли и листья). Этот коэффициент, часто называемый соотношением зерна и соломы, находился на уровне 0,2–0,3 для пшеницы (растения давали в три-пять раз больше соломы, чем зерна) и не выше 0,36 для риса (Donald and Hamblin, 1976; Smil, 1999).

Сорта пшеницы с коротким стеблем, возможно, появились в Корее в III–IV веках. К XVI веку они достигли Японии, и к началу XX века японский сорт Akakomugi был завезен в Италию для скрещивания. В 1917 году Daruma, еще один японский короткостебельный сорт, был скрещен с американским сортом Fultz; в 1924 году этот сорт скрестили с Turkey Red; в 1935 году Гондзиро Иназука выпустил финальный сорт, полученный в результате этого скрещивания, под названием Norin 10, высотой всего 55 см (Reitz and Salmon, 1968; Lumpkin, 2015). Два ключевых гена дали полукарликовые растения и позволили им более эффективно поглощать кислород и иметь более тяжелые, но не перевешивающие колосья и не полегать. После Второй мировой войны американский селекционер, посетивший Японию, привез в США образцы Norin 10, и Орвилл Вогел использовал этот сорт для получения сорта Gaines, первой полукарликовой озимой пшеницы, пригодной для коммерческого разведения, выпущенный в 1961 году (Vogel, 1977). Вогел также предоставил образцы Norin 10 Норману Борлаугу, возглавлявшему мексиканскую программу по выведению неполегающих, высокоурожайных сортов, которая с 1966 года работает под названием CIMMYT, Международный центр по улучшению кукурузы и пшеницы.

CIMMYT выпустил первые две высокоурожайные полукарликовые коммерческие производные от Norin 10 (Pitic 62 и Penjamo) в 1962 году (Lumpkin, 2015). Эти сорта и последовавшие за ними сделали возможным резкий рост урожайности, ставший известным под названием «Зеленая революция», и принесли Норманну Борлаугу Нобелевскую премию (Borlaug, 1970). Их индекс урожайности находился на уровне приблизительно 0,5 – пшеница этого сорта дает столько же съедобного зерна, сколько несъедобной соломы, и ее распространение по миру изменило перспективы получения урожаев. Бери и др. (Berry et al., 2015) более подробно рассмотрели долгосрочное воздействие короткостебельной пшеницы, проанализировав высоту британской озимой пшеницы с помощью данных о национальных испытаниях сортов за период между 1977 и 2013 годами. В целом средняя высота сократилась на 22 см (со 110 до 88 см), а годовой урожай в период между 1948 и 1981 годами вырос на 61 кг/га, а в период с 1982 по 2007 год – на 74 кг/га, что соответствует генетическому увеличению урожайности приблизительно на 3 т/га в период между 1970 и 2007 годами.

До 1960-х годов ведущей мировой зерновой культурой была пшеница, но рост населения в Азии и высокий спрос на мясо вывел вперед рис и кукурузу. Кукуруза стала самой важной зерновой культурой (ежегодный мировой урожай которой немного превышает 1 Гт), за ней следует рис и с небольшим отставанием пшеница. Китай, Индия, США, Россия и Франция являются крупнейшими в мире производителями пшеницы, Канада, США, Австралия, Франция и Россия – ее ведущими экспортерами. Мировая урожайность пшеницы (прежде относительно невысокая из-за того, что пшеницу выращивали в полузасушливых условиях без надлежащей ирригации и удобрения) выросла с 1,2 т/га в 1965 году до 1,85 т/га в 1980 году, то есть почти на 55 % всего за 15 лет, и в следующие 15 лет – еще на 35 %. В наиболее эффективном сельском хозяйстве европейских стран реакция была не менее впечатляющей: если в начале 1960-х годов предельная урожайность традиционных сортов, выращиваемых в почти оптимальных условиях с большим количеством удобрений, достигла размере 3–4 т/га, то к началу 1990-х в Западной Европе она выросла более чем вдвое – до 6,5 т/га (FAO, 2018).

После начала роста урожайности в 1960-х годах прогресс оставался линейным, но средние темпы роста были значительно выше (в некоторых местах на порядок), чем в течение предыдущих десятилетий незначительных прибавок. Мировая урожайность пшеницы возросла с 1,17 т/га (среднее значение за период 1961–1965 годов) до 3,15 т/га (среднее значение за период 2010–2014 годов), то есть росла на 3,2 % в год, или около 40 кг/год с гектара (FAO, 2018). В тот же период урожаи в Британии росли на 1,7 % в год, во Франции – на 3,2 %, а в Индии и Китае темпы роста достигли 5 и 7 % соответственно. Траектории роста урожайности других стран, являющихся крупными производителями пшеницы, демонстрируют десятки лет застоя и низкой продуктивности в период до 1960 года, на смену которым пришло более полувека линейного роста, в том числе в Мексике (где наблюдался довольно резкий рост), России и Испании (Calderini and Slafer, 1998).

Национальные ежегодные средние значения урожайности пшеницы в США доступны с 1866 года (USDA, 2017a), и их траектория близко совпадает с логистической кривой, на которой с 1980-х годов наблюдается очевидное плато, а перспективы на 2050 год не превышают рекордных урожаев начала 2010-х годов (рис. 2.9). Будет ли стагнация продолжаться весь этот период? Появление современных сортов способствовало увеличению средней национальной урожайности с 1,76 т/га в 1960 году до 2,93 т/га в 2015 году, то есть темп роста составил 1,2 % в год. Более пристальный взгляд позволит увидеть, что происходит значительное ежегодное отклонение от долгосрочных тенденций, так как урожаи озимой пшеницы колеблются более чем на 10 % в обе стороны от среднего, а для западной канадской яровой пшеницы имеются еще большие отклонения (до примерно 40 %) (Graf, 2013).

Рис. 2.9. Логистический рост (точка перегиба в 1970 году, асимптота на уровне 46,5 бушелей/акр) средней урожайности пшеницы в США, 1866–2015. Данные из (USDA, 2017a)

Прослеживаются и явные региональные отличия. Урожай в восточных (более дождливых) штатах зреет немного быстрее, чем в центральных (более засушливых), и урожайность в западных штатах к началу 1990-х годов выросла с немногим более 2 т/га до почти 4,5 т/га (среднегодовой темп роста составил почти 4 %), прежде чем линейный рост в 1993 году достиг явного плато. К сожалению, Запад США не единственный регион, вышедший на плато траектории роста урожайности пшеницы. Статистическая проверка, проведенная Лин и Хайберсом (Lin and Huybers, 2012), подтвердила, что средняя урожайность пшеницы выровнялась не только в урожайных странах Европейского союза – в Италии (с 1995 года), Франции (с 1996 года), Великобритании (с 1997 года), – но также в Турции (с 2000 года), Индии (с 2001 года), Египте (с 2004 года), Пакистане (с 2007 года) и, что особенно важно, в Китае (с 2009 года). В целом почти половина из проверенных ими 47 регионов находилась в процессе перехода от линейного роста к горизонтальным траекториям. Большинство плато характерно для развитых стран, имеющих значительные излишки продовольствия, В этих странах политика в области сельского хозяйства не поощряет дальнейший рост урожайности.

Бриссона и др. (Brissona et al., 2010) более подробно рассмотрели спад и стагнацию роста урожайности пшеницы во Франции, где она стала очевидной в большинстве регионов с 1996–1998 годов. Они пришли к выводу, что это не связано с генетическими причинами, но на прогрессе селекции отрицательно сказывается изменение климата, главным образом в виде теплового стресса во время налива зерна и засухи во время выхода в трубку. Агрономические изменения, введенные по экономическим соображениям (уменьшение бобовых в ротации зерновых, расширение культивирования рапса, сокращение азотных удобрений), также внесли вклад в новую тенденцию, возникшую с 2000 года. В любом случае даже длительное плато урожайности не окажет влияния на внутреннее снабжение и лишь незначительно скажется на экспорте, но присутствие Китая (с почти стабилизировавшимся населением, но растущим спросом на мясо), Индии и Пакистана (с их по-прежнему растущим населением) среди стран, где наблюдается стагнация урожайности пшеницы, вызывает тревогу.

Стагнация урожайности сельскохозяйственных культур в Китае не ограничивается пшеницей. В период между 1980 и 2005 годамм, когда урожайность пшеницы возросла примерно на 58 % обрабатываемых земель, но перестала расти примерно на 16 % земель, стагнация урожайности риса и кукурузы наблюдалась на 50 и 54 % сельхозугодий соответственно (Li et al., 2016). Регионы, особенно склонные к стагнации, включали те, где культивировался затопляемый рис, неорошаемое интенсивное субтропическое возделывание пшеницы и выращивание кукурузы по смешанной системе в условиях умеренного климата. Степень стагнации урожайности достаточно высока, чтобы возникали вопросы о долгосрочной продовольственной безопасности страны: в отличие от Японии и Южной Кореи, Китай – слишком большая страна, чтобы обеспечить свою потребность в зерне за счет импорта.

Но плоская траектория урожайности, за которой следует рост (или рост и выравнивание), характерна не для всех крупных стран-производителей пшеницы демонстрируют в качестве преобладающей плоскую траекторию. Опыт Австралии является, пожалуй, самым уникальным (Angus, 2011). Из-за истощения почв урожайность там упала с приблизительно 1 т/га в 1860 году до менее 0,5 т/га к 1900 году, и, хотя ее удалось восстановить с помощью удобрения суперфосфатами, внедрения новых сортов и нахождения почвы под паром, до начала 1940-х годов урожаи оставались на уровне ниже 1 т/га. Ротация с бобовыми после 1950 года позволила поднять урожайность выше 1 т/га, но период быстрого роста, вызванный применением полукарликовых сортов после 1980 года, был относительно коротким, так как засуха тысячелетия^[22] вызвала значительные колебания и снижение урожайности в новом веке.