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全球人口繼續(xù)增長,可耕種土地卻越來越少?？茖W家預計,到2050年,糧食產(chǎn)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(nóng)業(yè)

問題:農(nóng)業(yè)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(nóng)民們可在沙漠中種植萵苣、西紅柿等經(jīng)濟作物。

應用:三個實驗項目已經(jīng)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(yè)——海水溫室計劃,要把大海和沙漠結(jié)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(jīng)在西班牙加那利群島的特里納夫、阿聯(lián)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(huán)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(fā)為水汽,降低室內(nèi)溫度,使環(huán)境變得濕潤。在溫室內(nèi)流動過程中,這些水汽溫度升高,然后進入第二個蒸發(fā)器,經(jīng)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(xiàn)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(gòu)思。這樣一來多余的淡水就可以用來發(fā)電(水加溫后產(chǎn)生蒸汽,驅(qū)動發(fā)電機)或清洗大面積的太陽能反光鏡。

精確種植

問題:美國農(nóng)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(shù)量。

好處:減少種植業(yè)耗用的資源。

應用:可能需五年才能商業(yè)化。

現(xiàn)在流行“精確農(nóng)業(yè)”,配有全球定位系統(tǒng)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(nóng)民們掌握施肥澆水的精確時機,美國艾奧瓦州大學農(nóng)業(yè)和生物系統(tǒng)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(tǒng)。

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(yǎng)數(shù)據(jù),并通過低頻無線電信號,將信息傳輸?shù)娇刂浦行?幫助農(nóng)民“對癥下藥”,避免盲目追肥。據(jù)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(jié)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(xiàn)增產(chǎn)。

好處:每年可讓大米增收50%,也可以為改造其他作物提供經(jīng)驗。

應用:最快10年內(nèi)可實現(xiàn)。

將約翰·謝赫正在做的研究稱為轉(zhuǎn)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(nóng)業(yè)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(tǒng),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(nóng)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(chǎn)生同樣多的淀粉質(zhì)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(nèi)”水分蒸發(fā)。

那么如何將C3作物轉(zhuǎn)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(qū)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(chǎn)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(nóng)作物產(chǎn)量。

應用:已開發(fā)出來,正進行實地試驗。

過去30年來,化肥的使用呈指數(shù)級增長。它可以提供氮、鉀、磷,對于農(nóng)作物形成氨基酸和細胞壁至關重要。不過,再過不久,農(nóng)民們就可以少花數(shù)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(chǎn)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(nóng)作物免受病蟲侵害,使幾乎任何作物都實現(xiàn)增產(chǎn)。

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(jié)出的果子多出90%,種在溫室里的植株表現(xiàn)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(tài)出售,播到地里后可以自行繁殖,不像傳統(tǒng)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(nóng)業(yè)地圖

問題:過去四十年來,非洲下撒哈拉地區(qū)人均糧食產(chǎn)量增長為0。

辦法:收集大量土地使用數(shù)據(jù),以便應用新的農(nóng)業(yè)技術。

好處:非洲人口到2050年估計會增長一倍,增產(chǎn)的作物至少可以喂飽當?shù)厝恕?/p>

應用:2010年。

假設你正為志在減輕非洲下撒哈拉地區(qū)營養(yǎng)不良情況的某大型基金會工作。你希望自己的計劃能夠產(chǎn)生最大影響力。除了資助農(nóng)田水利規(guī)劃、高產(chǎn)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(shù)據(jù)——政府的人口和家庭調(diào)查、各地氣候信息、各國發(fā)展采用的理論模型等等,以便創(chuàng)建一個完整的非洲農(nóng)業(yè)系統(tǒng)虛擬檔案館。隨著數(shù)據(jù)越來越多,Harvest Choice將出版附有各種農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)部合作,利用Aqua衛(wèi)星監(jiān)控全球土壤濕度。農(nóng)作物的產(chǎn)量部分與當?shù)赝寥赖男钏芰τ嘘P,衛(wèi)星根據(jù)土地發(fā)出的微波輻射搜集數(shù)據(jù),科學家再將之與當?shù)氐闹脖缓屯寥罍囟冉Y(jié)合起來,分析有多少輻射來自土壤中的水分。美國農(nóng)業(yè)部的駐外事務處利用這些數(shù)據(jù)為美國和發(fā)展中國家(在這些國家,土壤數(shù)據(jù)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(wèi)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(chǎn)值550億美元,但現(xiàn)在主要依靠越來越稀缺的人工采摘。

辦法:用機械化工人監(jiān)控、修枝、疏果,甚至是采摘。

好處:可以提供大量價廉物美國產(chǎn)水果和蔬菜。

應用:最快兩年。

當銀行業(yè)和汽車業(yè)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(guī)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(shù)百萬美元的蔬果爛在地里,無法收獲。而美國農(nóng)業(yè)部最近授予卡內(nèi)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(fā)明了自動化農(nóng)業(yè)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(nóng)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(jiān)控土壤濕度和光照等。辛格說,“擁有成千上萬英畝土地的農(nóng)場主一個人無法監(jiān)控所有果樹的生長情況。”將來,農(nóng)民們在中央監(jiān)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(yǎng)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?！稗r(nóng)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?！?/p>

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(wǎng)絡。不管怎樣,農(nóng)民們也要擁抱21世紀了。

激活土壤

問題:全世界范圍內(nèi)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(yǎng)把碳鎖住。

好處:使大片退化的土地煥發(fā)生機,并防止數(shù)噸二氧化碳逸出。

應用:已經(jīng)投入使用。

早在哥倫布發(fā)現(xiàn)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(chuàng)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(yǎng)成分,提高土地的儲水能力,實現(xiàn)增產(chǎn)的同時讓農(nóng)業(yè)更具持續(xù)性。更妙的是,它把碳鎖定在生物群內(nèi),而非讓它逃逸回空氣中。

制作生物炭的現(xiàn)代方法是在低氧環(huán)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(zhàn)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(chǎn)生含有不同營養(yǎng)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(chǎn)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(yè)化農(nóng)莊自行生產(chǎn)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(nóng)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(chǎn)生的熱量可以支撐整個循環(huán),非常環(huán)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(yǎng)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(yǎng)是現(xiàn)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(yǎng)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(nèi)就會腐爛,因此農(nóng)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(fā)出更加有營養(yǎng)、儲存期更長、極其抗病、根部不產(chǎn)生天然毒素氰甙的木薯。現(xiàn)在,科學家已經(jīng)分別開發(fā)出了蛋白質(zhì)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(yōu)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(nóng)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。