معلومة

الزراعة المثلى: أقصى إنتاجية مع الحد الأدنى من التأثير البيئي


قرأت المزيد والمزيد من الأشياء حول الطريقة البديلة للزراعة مثل الزراعة المستدامة. Howerver ، أنا لست عالم بيئة أو عالم أحياء لذلك لا أعرف أين أبحث عن مقالات / ورقة جيدة وجادة حقًا حول هذا الموضوع. أنا مهتم حقًا بطرق إنتاج الغذاء التي قد تكون فعالة ومحترمة لكل من البيئة والصحة.

السؤال الذي يثير اهتمامي أكثر هو مسألة غلة المحاصيل والبيئة. أتساءل عما إذا كانت هناك دراسات تقارن إنتاجية المحاصيل من طرق الإنتاج المختلفة وما إذا كانت هناك أبحاث علمية حول تحسين إنتاج الغذاء في ظل قيود الموارد.

هل لديك أي اقتراح قراءة؟ أنا مهتم في الغالب بالأوراق العلمية ولكني منفتح على أي شيء قد يكون مثيرًا للاهتمام.


أعتقد أنك تبحث عن معلومات عن "الزراعة المستدامة". هناك العديد من جوانب الإنتاج في الزراعة مثل: التسميد والري والمبيدات و (عدم) الحرث. يمكن للمرء أن يحاول حساب البصمة الكربونية للغذاء (احذر من الحسابات ، فقد تكون مضللة).

يعد تناوب المحاصيل مفيدًا في الزراعة المستدامة ولكنه ليس متاحًا دائمًا ، مما يجعل الزراعة التقليدية (الصناعية) الخيار الوحيد القابل للتطبيق. الجانب الاقتصادي مهم أيضا. تحتاج الزراعة إلى زراعة الغذاء ولن يقوموا بزراعته إلا إذا كسبوا المال منه. تحصل المنتجات الزراعية العضوية والمستدامة على علاوة على زراعتها بهذه الطريقة ، ولكن هذه المزايا تنخفض مع استخدام المزيد من المزارعين لها.

سؤال "كيف يتأثر المحصول بالطريقة الزراعية" هو سؤال واسع يجذب الاهتمام بالبحث. نحن بحاجة إلى تقسيمها إلى: ما هو العائد (الكتلة الحيوية؟ المنتج القابل للتسويق؟) وما هي الطريقة الزراعية.

تقارن دراسة كبيرة أجريت في أونتاريو ، كندا بواسطة Stonehouse et al ، 1996 بين العلاجات بمبيدات الأعشاب في 3 أنواع من المزارع: التقليدية ، والمدخلات المخفضة والعضوية والمحصول والاستثمار والأرباح لثلاثة محاصيل: حبوب الذرة والفاصوليا وحبوب الحبوب. تأتي البيانات من البيانات المبلغ عنها ذاتيا من قبل المزارع. هذه ليست تجربة عشوائية بالكامل وهناك اختلافات كثيرة بين المزارع (الحجم ، الاستثمار ، الأرض) ولكن تم اتخاذ الاحتياطات لتقليلها. تقليل المدخلات يستخدم المزارعون مبيدات أعشاب أقل من تلك التقليدية.
هذا هو الجدول من المقال تم الإبلاغ عن مزيد من المعلومات على أنها ربحية ولكن نظرًا لأن هذه الدراسة تعود إلى 25 عامًا ، أعتقد أنها لم تعد ذات صلة.

هذه الدراسة هي واحدة فقط توضح مدى تعقيد الموضوع وإحدى المنهجيات المستخدمة. يمكن للمرء أن يكتب كتبًا مختلفة حول هذا الموضوع ، لذا آمل أن يمنحك هذا المنشور الاتجاه الذي تحتاجه


منشورات منظمة الأغذية والزراعة http://www.fao.org/documents/card/en/c/ca9692en من الأمم المتحدة ستكون مكانًا جيدًا للبدء حيث يمكن الوصول إليها مجانًا. هناك الكثير من المقالات التي تبحث في إنتاجية المحاصيل من طرق الإنتاج المختلفة وتقنيات الإدارة المختلفة. قد تفكر في الاشتراك في مجلة ، مثل الهندسة الزراعية https://www.agronomy-journal.org/ ، أو ملخصات CAB https://www.cabi.org/publishing-products/cab-abstracts/ لأن هذه تحتوي على معظم مادة الموضوع الذي تبحث عنه. وستحتوي هذه أيضًا على معلومات حول تحسين إنتاج الغذاء في ظل قيود الموارد. بحث سعيد!


أقصى عائد مستدام

21.2 أنظمة الاستزراع المائي وسلامة الغذاء ونظام تحليل المخاطر ونقاط التحكم الحرجة

ووفقًا للإحصاءات ، فإن مصايد الأسماك الطبيعية في أقصى إنتاج مستدام ومن غير المرجح حدوث زيادات في المستقبل. لا يمكن لمصايد الأسماك البرية التجارية أن تستمر في تلبية الطلب العالمي المتزايد على منتجات مصايد الأسماك عالية الجودة / الآمنة (FAO، 2004 Martin، 2002). من ناحية أخرى ، ستساعد تربية الأحياء المائية على تلبية متطلبات العالم من البروتين في المستقبل (Martin، 2002). يعتبر إنتاج الاستزراع المائي بمعدل نمو سنوي قدره 8.8٪ منذ عام 1970 هو أسرع قطاع الإمدادات الغذائية نموًا (الشكل 21.1). على الرغم من المؤشرات الحديثة التي تشير إلى انخفاض الإنتاج (منظمة الأغذية والزراعة ، 2006) ، تقدر منظمة الأغذية والزراعة (الفاو) أن سمكة واحدة من كل ثلاثة أسماك يتم تناولها هي تربية الأحياء المائية مع إنتاج ما يقرب من 90 ٪ من جميع منتجات تربية الأحياء المائية في آسيا (منظمة الأغذية والزراعة ، 2004) ). في عام 2004 ، تمت تربية 59.9 مليون طن من منتجات المصايد السمكية بما في ذلك النباتات المائية بقيمة 70.3 مليار دولار أمريكي (منظمة الأغذية والزراعة ، 2006).

الشكل 21.1. اتجاه إنتاج تربية الأحياء المائية في العالم حسب مجموعات الأنواع الرئيسية (منظمة الأغذية والزراعة ، 2006).

تتصدر الصين العالم في إنتاج الاستزراع المائي حيث تمثل 69.6٪ من إجمالي الكمية المنتجة وأكثر من نصف القيمة العالمية (الشكل 21.2) (منظمة الأغذية والزراعة ، 2006). معظم الإنتاج في الصين وفي البلدان النامية مخصص للاستهلاك المحلي ، ولكن يجري جمع كميات متزايدة للتصدير إلى الولايات المتحدة الأمريكية وأوروبا واليابان.

الشكل 21.2. إنتاج تربية الأحياء المائية: البلدان المنتجة الرئيسية 2004 (منظمة الأغذية والزراعة ، 2006).

زادت قيمة التجارة الدولية في المنتجات السمكية من 15.4 مليار دولار أمريكي في عام 1980 إلى 71.5 مليار دولار أمريكي في عام 2004 (منظمة الأغذية والزراعة ، 2006). في ثمانية من أصل أحد عشر بلدًا تمت دراستها ، كان للتجارة الدولية تأثير إيجابي على الأمن الغذائي في هذه البلدان (منظمة الأغذية والزراعة ، 2006). تعتبر التجارة الدولية في منتجات المأكولات البحرية قضية معقدة ، وتتوقع البلدان ومواطنيها أن منتجات المصايد آمنة وذات جودة عالية. وفي هذا الصدد ، يتخذ المزيد والمزيد من البلدان والمنظمات الجمركية الإقليمية خطوات للسيطرة على مخاطر سلامة الأغذية إلى مستوى مقبول من الحماية (غاريت ، 2002). نفذت العديد من البلدان أنظمة إدارة مراقبة الأغذية مثل تحليل المخاطر ونقطة التحكم الحرجة (HACCP) لضمان سلامة الأغذية (Garrett ، 2002). تحليل المخاطر Critical Control Point هو نظام لإدارة سلامة الأغذية قائم على العلم طورته شركة Pillsbury Food Company USA في أواخر الستينيات لضمان سلامة الغذاء لرواد الفضاء خلال برنامج Apollo Moon التابع لناسا بالولايات المتحدة الأمريكية. منذ ذلك الوقت ، تم قبولها من قبل البلدان في جميع أنحاء العالم كأداة علمية لإدارة المخاطر للمساعدة في ضمان سلامة الأغذية من الإنتاج إلى الاستهلاك (Lima dos Santos ، 2002). وقد تم توسيع استخدامه مؤخرًا ليشمل السيطرة على المخاطر البشرية والحيوانية والبيئية المحتملة المرتبطة بالاستزراع المائي (Jahncke and Schwarz، 2002 Lima dos Santos، 2002).

تقوم الدول حول العالم باحتجاز وترفض المنتجات السمكية الملوثة بمسببات الأمراض مثل السالمونيلا spp. ، أو تحتوي على مواد كيميائية مثل بقايا المضادات الحيوية (Anonymous، 2005b، 2006، 2007 Garrett وآخرون. ، 1997 ، 2000). وضعت العديد من البلدان المصدرة للمنتجات السمكية منتجاتها السمكية قيد الاحتجاز دون فحص جسدي (DWPE) من قبل الولايات المتحدة الأمريكية ودول أخرى بناءً على التاريخ السابق لمشاكل مسببات الأمراض والتلوث الكيميائي. واستجابة لذلك ، تقوم دول مثل فيتنام وتايلاند والصين وغيرها ، بتنفيذ بروتوكولات اختبار صارمة لمنتجاتها السمكية للمساعدة في ضمان قدرتها على تصدير منتجاتها إلى دول مثل الولايات المتحدة الأمريكية ، واليابان ، وأوروبا ، وروسيا ، وما إلى ذلك (مجهول ، 2005 ب ، 2006 ، 2007).

أظهر مسح أجرته إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (USFDA) في عام 1998 أن 6.4 ٪ من المأكولات البحرية المستزرعة التي تم استيرادها تحتوي على السالمونيلا ، في حين أن أقل من 1٪ من منتجات المصايد البرية كانت ملوثة السالمونيلا (كونسي ، 2008). بين عامي 2000 و 2003 ، قامت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية بتحليل 1744 عينة من الجمبري الخام المستورد ، بشكل أساسي من عمليات الاستزراع المائي. ما يقرب من 10 ٪ من هذه العينات كانت إيجابية ل السالمونيلا وتم اعتقالهم (كونسي ، 2008). تعتبر بقايا المضادات الحيوية الموجودة في العديد من منتجات المصايد السمكية سببًا رئيسيًا للاحتجاز والرفض من قبل الدول المستوردة (Anonymous ، 2005a). تفشي الأمراض في عمليات الاستزراع المائي أمر شائع. لسوء الحظ ، يلجأ العديد من مزارعي تربية الأحياء المائية إلى الاستخدام العشوائي وغير المناسب للمضادات الحيوية لمعالجة قضايا الأمراض في مزارع تربية الأحياء المائية الخاصة بهم. على سبيل المثال ، استخدام المضادات الحيوية لعلاج الأمراض الفيروسية في الجمبري غير مناسب ، حيث لا يمكن علاج الفيروسات بنجاح بالمضادات الحيوية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن معظم البلدان لديها لوائح تتعلق بالاستخدام المعتمد لمضادات حيوية معينة ، ومستويات الاستخدام المناسبة ، وأوقات الانسحاب التي يمكن استخدامها تحت إشراف طبيب بيطري أو ما يعادله من المهنيين ، لعلاج أمراض وأنواع معينة (FDA، 2005 JSA، 1997، 2004 ). يجب على الدول المصدرة أن تعرف وتفهم المتطلبات التنظيمية للدول المستوردة فيما يتعلق بالاستخدام الصحيح والمقبول للمواد الكيميائية والمعالجات الكيميائية لأنواع تربية الأحياء المائية المعالجة ، أو سيتم احتجاز منتجاتها ورفضها من قبل الدولة المستوردة. المفتاح لتقليل استخدام المضادات الحيوية في تربية الأحياء المائية هو دمج الاستخدام السليم لتطبيقات العقاقير مع الممارسات الجيدة في تربية الأحياء المائية (GAqPs) (جنسن وغرينليس ، 1997). يمكن أيضًا استخدام تطبيق مبادئ HACCP للتحكم في مسببات الأمراض والمواد الكيميائية في منتجات تربية الأحياء المائية (JIFSAN، 2007 Jahncke and Schwarz، 2002).

لقد لعبت منظمة الأغذية والزراعة دورًا أساسيًا في توفير برامج التدريب على استخدام مبادئ نظام تحليل المخاطر ونقاط التحكم الحرجة في تربية الأحياء المائية في البلدان حول العالم. أدخلت العديد من مزارع الأحياء المائية في البرازيل ، بتشجيع من الحكومة ، مبادئ HACCP للتحكم في الملوثات الكيميائية ، والمضافات الغذائية ، والأدوية البيطرية ، والمبيدات الحشرية ، والمعادن الثقيلة ، والبكتيريا المسببة للأمراض (Lima dos Santos ، 2002). وضعت الحكومة في تشيلي إرشادات بشأن التحكم في مخلفات الأدوية البيطرية في منتجات الاستزراع المائي (SERNAPESCA ، 2000). تطبق العديد من البلدان في جنوب شرق آسيا مبادئ HACCP وأفضل ممارسات الإدارة (BMPs) للتحكم في استخدام العقاقير والمواد الكيميائية ولحماية البيئة (Suwanrangsi، 1997 Tookwinas and Suwanrangsi، 1997 Lima dos Santos، 2002 Koonse، 2006). كما تم استخدامه من قبل منظمة الأغذية والزراعة في لاوس وفيتنام وكمبوديا للسيطرة الناجحة على تفشي مبروك المياه العذبة المستزرع (بونتيوس جونيوتوس) الأسماك بواسطة الطفيلي Opisthorchis viverrini (خامبونروانغ وآخرون. ، 1997 ليما دوس سانتوس ، 1994).

كما تم تطبيق المبادئ السبعة لنظام تحليل المخاطر ونقاط التحكم الحرجة في عمليات استزراع الجمبري من أجل السيطرة على فيروسات الجمبري المسببة للأمراض مثل فيروس متلازمة تاورا (TSV) (Picornaviridae) ومرض فيروس الرأس الأصفر (YHV) (Baculorviridae) ومتلازمة البقعة البيضاء المركب الفيروسي (WSSV) (جانكي وآخرون. ، 2002). قام معهد USFDA المشترك لسلامة الأغذية والتغذية التطبيقية (JIFSAN) مؤخرًا بتطوير دورة تدريب المدربين حول الممارسات الجيدة في تربية الأحياء المائية (GAqPs) للمساعدة في تقليل استخدام المواد الكيميائية والمضادات الحيوية في تربية الأحياء المائية. تم تحديد استخدام مبادئ HACCP كأداة لإدارة المخاطر للتحكم في استخدام المضادات الحيوية في تربية الأحياء المائية في ورشة العمل التدريبية كطريقة فعالة للتحكم في استخدام العلاج الكيميائي في تربية الأحياء المائية (JIFSAN ، 2007). كما يتم تقديم التدريب من قبل منحة بنسلفانيا البحرية وخدمة الأسماك والحياة البرية بالولايات المتحدة الأمريكية على استخدام المبادئ العامة لنظام تحليل المخاطر ونقاط التحكم الحرجة للتحكم في انتشار الأنواع المائية الغازية في البيئة (فولدز ، 2007).


الزراعة المستدامة: ضمان الغلة مع تقليل غازات الاحتباس الحراري

ماريو كوروشانو مونسالف. الائتمان: UPV / EHU

قامت مجموعة NUMAPS التابعة لـ UPV / EHU بتحليل فوائد إضافة مثبطات النترجة إلى الأسمدة القائمة على الأمونيوم. أجريت الدراسة على محصول قمح وقارنت نظام إدارة الحرث التقليدي بآخر يتضمن الحد الأدنى من الحرث. للقيام بذلك ، تم قياس معايير مثل محصول الحبوب وجودتها ، والكفاءة في استخدام النيتروجين وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري ، من بين أمور أخرى.

إن نمو المحاصيل محدود بسبب توافر النيتروجين في التربة ، وهو أحد العناصر الأساسية للنباتات ، ويؤدي نقصه إلى انخفاض في المحصول الزراعي. لذلك يجب إضافة النيتروجين إلى التربة على شكل أسمدة نيتروجينية. ومع ذلك ، قد لا يتم استخدام هذا النيتروجين المطبق بكفاءة بواسطة المحصول. هذه الحقيقة لا تؤدي فقط إلى خسائر اقتصادية كبيرة لقطاع الزراعة ، بل إنها تسبب مشاكل بيئية ، مثل التخثث في المياه بسبب ترشيح النترات ، وتطاير الأمونيا ، وإنتاج أكسيد النيتروجين (أكسيد النيتريك وأكسيد النيتروز) الذي تنتجه الكائنات الحية الدقيقة في التربة. . انبعاث أكسيد النيتروز (N2O) مهم للغاية ، لأنه من غازات الدفيئة ذات إمكانية الاحترار العالمي أعلى 265 مرة من ثاني أكسيد الكربون2.

من أجل التخفيف من خسائر النيتروجين في الزراعة ، "يجب أن تركز البحوث الزراعية على تحسين استخدام الأسمدة النيتروجينية من خلال تطوير ممارسات زراعية أفضل لن تساعد فقط في منع الارتشاح والخسائر الغازية ، ولكن أيضًا في الحصول على أقصى إنتاجية وجودة للمحاصيل ، "يقول دكتوراه. الطالب ماريو كوروشانو مونسالف ، أحد الباحثين في مجموعة NUMAPS (إدارة التغذية في النبات والتربة) التابعة لـ UPV / EHU.

في هذا الصدد ، أجرى الباحثون دراسة تركز على استخدام مثبطات النترجة. تعمل مثبطات هذا النوع على إبطاء نشاط بعض البكتيريا التي تعيش في التربة الزراعية والتي تستخدم النيتروجين الأمونيا الذي توفره الأسمدة لنموها ، وبالتالي تنافس المحصول النباتي على ذلك. وأوضح الباحث أن "استخدام المثبطات يمكّن النبات من الحصول على مزيد من الوقت لامتصاص النيتروجين من التربة واستيعابها في شكل أحماض أمينية وبروتينات ، وبالتالي تقليل فقده على شكل نترات أو غازات نيتروجين".

نحو زراعة كفؤة

أجرت المجموعة تجربة ميدانية "لمعرفة تأثير استخدام السماد النشادر مع نوع من مثبطات النترجة (3،4-ثنائي ميثيل بيرازول-حمض السكسينيك DMPSA) على نظامين لإدارة المحاصيل: الحراثة التقليدية (الأخاديد العميقة مع لوحة التشكيل) والحد الأدنى الحرث (الحد الأدنى من الحرث ، زرع البذور في حفر صغيرة) ، "بحسب كوروتشانو مونسالف.

تم مراقبة المؤامرات بشكل شامل. يقول Corrochano-Monsalve ، "في كل قطعة ، قمنا بقياس محصول القمح وجودته كدقيق الخبز والتطور في محتوى التربة من النيتروجين وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري (GHG) (CO2، ن2O و CH4) من التربة المزروعة ، تم أيضًا تحليل المؤشرات الجينية لاختلاف مجموعات البكتيريا في التربة المسؤولة عن أكسدة / تقليل النيتروجين ، وبالتالي تم تحليل انبعاثاتها كغازات دفيئة ".

الاستنتاج الرئيسي للدراسة هو أن "استخدام مثبط النترجة بالاقتران مع الحد الأدنى من الحرث أدى إلى تحسين كفاءة المحاصيل ، وخفض انبعاثات غازات الدفيئة دون التأثير على المحصول" ، كما يوضح Corrochano-Monsalve. "يتمثل الجانب الأكثر حداثة في العمل في التأكيد على أن استخدام مثبطات النترجة على المحاصيل ذات نظام الحراثة الأدنى يشجع على نمو مجموعات بكتيرية معينة تقلل من نسبة النيتروجين.2O للنيتروجين الجزيئي (N2) ، وهو الشكل الأكثر وفرة والذي لا يتفاعل مع النيتروجين في الغلاف الجوي. وبهذه الطريقة لن يكون فقدان النيتروجين على شكل غاز ضارًا ".

في ظروف مناخ البحر الأبيض المتوسط ​​الرطب ، مثل مناخ الألافا ، حيث أجريت الدراسة ، "في العديد من مراحل دورة المحاصيل ، نجد مستويات عالية من رطوبة التربة التي قد تزيد من فقد النيتروجين من خلال الترشيح. ومع ذلك فإن درجة الرطوبة العالية تولد أيضًا بيئة شديدة اللاهوائية تشجع على تقليل أكسيد النيتروجين إلى N2يقول: "يمكن توقع أن يؤدي استخدام مثبطات النترجة إلى استخدام كمية أقل من الأسمدة ، مما يؤدي ، إلى جانب تقليل الأثر البيئي ، إلى تحقيق وفورات اقتصادية للمزارعين.

ويخلص إلى أن "الزراعة ، مثلها مثل العديد من القطاعات الأخرى ، يجب أن تكون أكثر فاعلية. إنها تتعلق بتحقيق الزراعة المستدامة التي تجمع بين الأمن الغذائي (الغذاء للجميع) مع الحد الأدنى من التأثير البيئي". حتى الآن ، تم وضع توصيات عامة لكل منطقة جغرافية (كمية السماد ، التركيبة الكيميائية ، متى وكيف يتم تطبيقها ، نوع منتجات وقاية النبات ، إلخ). ومع ذلك ، فإن الشيء المثالي ، وهو اتجاه متزايد ، هو تخصيص التوصيات أكثر من ذلك بكثير. بمعنى آخر ، حتى كل قطعة أرض في منطقة جغرافية واحدة لها سماتها الفريدة ، والشيء المثالي سيكون قبل بداية موسم النمو لكل قطعة أرض يتم تحليلها مسبقًا لتحديد احتياجاتها بالضبط وبالتالي منع إهدارها. مصادر."


تكييف مقايسة نشاط اختزال النترات لفحص الإنتاجية العالية للمحاصيل

  • جي آي كارلوف
  • ، دي واي ليتفينوف
  • ، ب. ن. خارتشينكو
  • ، P. Yu. كروبين
  • ، S. Yu. شيرنين
  • ، أ. جي تشيرنوك
  • ، L. А. نزاروفا
  • & أمبير م.ج.ديفاشوك

سيبيريا هيرالد للعلوم الزراعية (2020)

Marandu Palisadegrass التغذية المعدنية والإنتاج المتعلق بإمدادات النيتروجين والبوتاسيوم

مجلة تغذية النبات (2015)

تأثير النفايات الصناعية السائلة للكتلة الحيوية على الكربوهيدرات والأحماض الأمينية والنتريت وأنشطة إنزيم النتريت في Arachis hypogaea L.

  • PC Nagajyoti
  • ، N Dinakar
  • ، سوريش
  • ، واي أودايكيران
  • ، سي سوريش
  • ، TNVKV براساد
  • & أمبير تي دامودارام

العلوم الزراعية في الصين (2009)

تأثير التركيب الجيني وتطبيقات المغذيات الدقيقة على نشاط اختزال النترات لأوراق الشاي

مجلة علوم الأغذية والزراعة (2005)

العوامل المؤثرة على نشاط اختزال النترات في بعض الأنواع أحادية النواة وديكوت

مجلة بيولوجيا النبات (2003)


الاعتماد على الأسمدة

يعتمد غلة الحبوب على العديد من العوامل - التربة ، والري ، وعلم الوراثة ، والمناخ ، والممارسات الثقافية ، ومكافحة الآفات والأمراض ، واستخدام الأسمدة. المحاصيل التي تم تطويرها خلال الثورة الخضراء هي أصناف عالية الغلة - نباتات مستأنسة يتم تربيتها خصيصًا للاستجابة للأسمدة لإنتاج كمية متزايدة من الحبوب لكل فدان مزروع. في الواقع ، لا يمكن لهذه الأصناف عالية الإنتاجية أن تنمو بنجاح دون مساعدة الأسمدة.

في الواقع ، تظهر الأبحاث أن الأسمدة يمكن أن تمثل 30٪ إلى 70٪ من المحصول. تفسر هذه المساهمة المهمة للغاية سبب اعتقاد العديد من المزارعين أنهم إذا استخدموا المزيد من الأسمدة ، فسوف يحصلون على غلات أعلى. ومع ذلك ، هناك حد لفعالية الأسمدة.

يتم وصف العلاقة بين معدلات استخدام الأسمدة والعائد المحتمل بشكل تخطيطي في الرسم البياني التالي:

بناءً على التجارب الميدانية الوفيرة وما تبعها من تحليل للبيانات ، يوضح المنحنى استجابة المحصول لاستخدام الأسمدة. يمكننا تعلم بعض الأشياء من خلال النظر إلى الرسم البياني.

عندما لا يتم استخدام الأسمدة ، يصل المحصول إلى حد أدنى من الإمكانات. ثم يزداد المحصول مع زيادة معدل استخدام الأسمدة.

في النهاية ، يصل العائد إلى أقصى حد ممكن. والجدير بالذكر أننا نرى أن النبات لا يمكنه قبول المزيد من العناصر الغذائية أكثر مما يحتاج ، وبعد ذلك لا تؤدي إضافة الأسمدة إلى زيادة المحصول.

في الواقع ، عندما تصبح معدلات استخدام الأسمدة عالية جدًا ، تعاني النباتات من تلف الملوحة وسمية مغذيات معينة ، مما يؤدي إلى انخفاض الغلة.

علاوة على ذلك ، وجدنا أنه نظرًا لأن الظروف المحلية قد تختلف اختلافًا كبيرًا بين الحقول ، فإن منحنى إنتاجية الأسمدة الذي تم إنشاؤه لحقل ما لن يكون صالحًا لحقل آخر ، حتى في نفس المزرعة.

بالإضافة إلى ذلك ، قد يتطلب نفس المحصول معدلات استخدام مختلفة للأسمدة في أوقات مختلفة خلال العام وفي أماكن مختلفة. على سبيل المثال ، قد يتغير الحد الأقصى المحتمل لإنتاج القمح في هذه المزرعة من سنة إلى أخرى بسبب تقلبات الطقس.

بعبارة أخرى ، فإن محاولة تطبيق توصية عامة للأسمدة في جميع المجالات ليست أفضل بكثير من التخمين الجامح.

للحصول على أفضل النتائج ، يجب أن تخطط لبرنامج سماد خاص بمجال عملك في موسم معين. نظرًا لأن كل حقل له تركيبة غذائية خاصة به ، فإن النهج الدقيق سيكون استخدام تحليل التربة والنبات والمياه ، وتكييف برنامج الأسمدة وفقًا للظروف المحددة.

يوضح منحنى استجابة الغلة الذي قدمناه أعلاه كيف تؤثر معدلات استخدام الأسمدة على غلة المحاصيل. ولكن ، في الواقع ، ليس فقط معدل استخدام الأسمدة الإجمالي هو العامل هنا ، بل هو أيضًا معدل تطبيق كل عنصر غذائي فردي.

وفقًا لقانون الحد الأدنى Leibig & # 8217s ، يتم تحديد إنتاجية المحاصيل من خلال العامل الأكثر تحديدًا في الحقل. وهذا يعني أنه إذا كان هناك نقص في أحد العناصر الغذائية ، فإن المحصول سيكون دون المستوى الأمثل ، حتى لو كانت جميع العناصر الغذائية الأخرى متوفرة بكميات كافية.


نتائج

مدى الحدود الزراعية التي يحركها المناخ

تغطي الحدود الزراعية التي يحركها المناخ على النحو المحدد هنا ما بين 10.3 - 24.1 مليون كيلومتر مربع من سطح الكوكب ، بمتوسط ​​قيمة 15.1 مليون كيلومتر مربع بموجب RCP 8.5 بحلول 2060-2080 (الشكل 1 ، الشكل S2). تظهر المحاصيل التي تشكل الحدود في التين التكميلي S3 و S4 وهي في الأساس محاصيل معتدلة أكثر مقاومة للبرودة مثل البطاطس والقمح والذرة وفول الصويا. لوضع حجم هذه الحدود الزراعية في منظورها الصحيح ، فإن متوسط ​​مساحة المجموعة للحدود الزراعية في أواخر القرن الحالي ، سيناريو RCP 8.5 يعادل 59٪ من مساحة الأراضي النباتية المزروعة والمدارة حاليًا على مستوى العالم ، في حين أن المساحة القصوى للمجموعة تعادل 93 ٪ من الزراعة الحالية. في إطار سيناريو RCP 4.5 ، مع التأثير الإشعاعي الخافت ، وجد أن الحدود الزراعية تغطي 8.1-20.0 مليون كيلومتر مربع من سطح الأرض (ما يعادل 31-77٪ من المساحة المزروعة حاليًا (انظر الشكل S2)). ومع ذلك ، ستكون جودة التربة والتضاريس والبنية التحتية من المحددات الرئيسية لأي من هذه الحدود سيتم زراعتها بالفعل ، وعلى هذا النحو ، فإن النتائج المقدمة هنا تمثل تقدير الحد الأعلى للمكان المتوقع لتوسيع الأراضي الزراعية.

يتم عرض المناطق التي تنتقل من عدم الملاءمة الحالية للمحاصيل السلعية الرئيسية إلى الملاءمة لمحصول واحد أو أكثر باللون الأزرق ، بينما تظهر المناطق غير المزروعة حاليًا والتي تنتقل إلى الملاءمة للعديد من المحاصيل السلعية الرئيسية باللون الأحمر. تشير شدة اللون إلى مستوى التوافق بين عمليات المحاكاة التي تحركها نماذج الدوران العام المختلفة لمسار التركيز الإشعاعي RCP 8.5. المناطق الأرضية باللون الأبيض إما مناسبة حاليًا لمحصول واحد على الأقل منمذجة أو غير مناسبة لأي محاصيل منمذجة في الظروف المناخية المتوقعة. يتم تعريف الملاءمة في ظل المناخات الحالية والمتوقعة على أنها اتفاق عالمي لطرق الملاءمة (EcoCrop ، Maxent ، تواتر درجات الحرارة القصوى).

التوزيع الجغرافي للحدود الزراعية التي يحركها المناخ

من المتوقع أن تكون الحدود أكثر اتساعًا في المناطق الشمالية من نصف الكرة الشمالي وفي المناطق الجبلية في جميع أنحاء العالم ، نظرًا لأن المناطق المناسبة لإنتاج السلع تتوسع عمومًا منحدرًا نحو القطبين استجابة لارتفاع درجات الحرارة. تقدم البطاطس والقمح والذرة أكبر مساهمة في سطح الأرض الحدودي (S4 الشكل). كندا (4.2 مليون كم 2) وروسيا (4.3 مليون كم 2) تؤوي أكبر مساحة من الحدود الزراعية (RCP 8.5 ، متوسط ​​المجموعة). من بين المناطق الجبلية ، تمتلك جبال آسيا الوسطى وجبال روكي في الولايات المتحدة الأمريكية وكندا أكبر منطقة حدودية (0.1 و 0.9 مليون كيلومتر مربع ، على التوالي). الحدود على أطراف الصحاري الأسترالية والأفريقية هي نتيجة الزيادات المتوقعة في هطول الأمطار ، والتي يوجد بشأنها اتفاق منخفض نسبيًا حول نموذج الدوران العالمي ، بما في ذلك الاتجاهات المتباينة في إشارة إلى تغير هطول الأمطار بين نماذج الدوران العام. وهذا يجعل الاستنتاجات حول إمكانية التوسع الزراعي في هذه المناطق غير مؤكدة إلى حد كبير. في المقابل ، ستكون هناك خسارة صغيرة في مساحة المحاصيل الحالية. قدرنا أن حوالي 0.2٪ من مساحة المحاصيل الحالية ستصبح غير مناسبة لجميع المحاصيل المنمذجة بدون ري أو مدخلات مكثفة أخرى لسيناريو RCP 8.5 2060-2080.

الآثار البيئية للحدود الزراعية التي يحركها المناخ

تشمل الآثار البيئية الناجمة عن تغير استخدام الأراضي الزراعية المرتبط بالمناخ التأثيرات على الخدمات المناخية (مثل الحد من تخزين الكربون) ، وتأثيرات التلوث الزراعي على مناطق المصب ، وتدهور الموائل الطبيعية مع ما يصاحب ذلك من فقدان للتنوع البيولوجي [47-52]. يتمثل التأثير الأكثر أهمية على الأرجح في تقليص الخدمات المناخية التي يوفرها تخزين الكربون في التربة الحدودية ، لا سيما في حدود خطوط العرض العالية.

تأثير الخدمات المناخية

إجمالي كمية الكربون الموجودة في أعلى متر واحد من التربة تحت الحدود الزراعية لها قيمة وسطية تبلغ 632 جيجا طن من الكربون (جيغا طن من الكربون) (RCP 8.5 ، المجموعة) و 539 جيجا طن من الكربون (RCP 4.5 ، المجموعة) ، مع حد أدنى من RCP 8.5 قيمة المجموعة 400 وقيمة قصوى تبلغ 991 جيجا طن من الكربون (الجدول 2). هذا يعادل 47-116٪ من كل الكربون الموجود حاليًا في الغلاف الجوي للأرض (الشكل 2). إن إطلاق الكربون من تربة خطوط العرض العالية بسبب الاحترار هو بالفعل مصدر قلق كبير ولكنه قد يكون صغيرًا بالنسبة لكميات الكربون التي قد تنطلق إذا تم زراعة هذه المناطق [53].

يتم عرض المناطق التي تحتوي على & gt50٪ حدود سلع اتفاقية GCM. يتم تمثيل الغطاء الأرضي الزراعي الحالي و 10٪ من كل بكسل باللون البني الفاتح.

تطبق الصفوف ذات التظليل الرمادي قيود GAEZ العامة لملاءمة التربة ومتطلبات التربة لكل محصول في المناطق الحدودية المناسبة مناخيًا.

يُعتقد أن إطلاق الكربون بعد الحرث من التربة غير المحروثة سابقًا يحدث بسرعة وتشير التقديرات إلى أن 25-40 ٪ من إجمالي كربون التربة يتم إطلاقه في غضون خمس سنوات من الحرث [54]. لذلك ، سيكون تقدير الحد الأعلى للكمية الإجمالية للكربون التي يمكن إطلاقها من زراعة الحدود التي يحركها المناخ في حدود 177 جيجا طن من الكربون ، وهو ما يعادل 119 عامًا من ثاني أكسيد الكربون الحالي.2 انبعاثات الولايات المتحدة [55]. ستكون المساحة الفعلية المتأثرة أصغر من الحدود بسبب العوامل الاقتصادية والفيزيائية ، ولكن قد تكون الانبعاثات أكبر لأن العديد من التربة التي يحتمل أن تتأثر هي من الخث ، والتي قد تتحلل عند الاضطراب ، مما يؤدي إلى إطلاق المزيد من الكربون وأعمقه. في كلتا الحالتين ، يشير حجم الإطلاق المحتمل إلى أن السياسات الموجهة لتقييد تنمية هذه المجالات ذات أهمية حيوية. من منظور عالمي ، 177 GtC هو أكثر من ثلثي 263 GtC حيث يجب تقييد إجمالي الانبعاثات المستقبلية للحد من زيادة متوسط ​​درجة الحرارة العالمية إلى هدف اتفاق باريس المتفق عليه دوليًا وهو 2 درجة مئوية زيادة متوسط ​​درجة الحرارة العالمية فوق ما قبل الصناعة المستويات [56].

تتمثل إحدى طرق مواجهة التحدي الذي تشكله زراعة الحدود في تعزيز ممارسات الإدارة الزراعية التي تحافظ على الكربون المرتبط بالتربة. على وجه الخصوص ، يمكن للسياسات التي تحفز على ترك تربة الخث سليمة وتعزيز حراثة الحفظ أن تقلل بشكل كبير من كمية الكربون المنطلق وتبطئ من سرعة إطلاقه [57-58]. وبالتالي ، في حين أن التقديرات المحددة للسرعة أو المدى الذي قد تؤثر به مصادر الكربون هذه على الغلاف الجوي هي خارج نطاق هذه الدراسة ، فمن المحتمل جدًا أن يكون لتطوير مثل هذه المناطق للزراعة تأثيرات كبيرة على انبعاثات غازات الاحتباس الحراري التي يجب أن تكون متوازنة مع فوائد زيادة الإمدادات الغذائية ومقيدة بالسياسات البيئية السليمة.

تأثيرات التنوع البيولوجي

تحدث تأثيرات التنوع البيولوجي للحدود التي يحركها المناخ حيث تتقاطع الحدود مع النظم البيئية والموائل الهامة (الجدول 3). من بين الأولويات العالمية لحفظ التنوع البيولوجي ، تتقاطع 56٪ من النقاط الساخنة للتنوع البيولوجي العالمي ، و 22٪ من مناطق الطيور المستوطنة (EBAs) و 13٪ من مناطق التنوع البيولوجي الرئيسية (KBAs) مع الحدود الزراعية التي يحركها المناخ (متوسط ​​المجموعة RCP8.5 2060-2080 انظر الجدول 3). النقاط الساخنة للتنوع البيولوجي التي لها أكبر تقاطع مع الحدود هي جبال الأنديز الاستوائية وجبال آسيا الوسطى والقرن الأفريقي ومطر الشتاء التشيلي وغابات فالديفيان.

مناطق موارد التنوع البيولوجي الهامة التي تم تقييمها هي مناطق التنوع البيولوجي المتوطنة (EBA) مناطق التنوع البيولوجي الرئيسية (KBA). الأرقام المقدمة لموارد التنوع البيولوجي هي متوسط ​​[النطاق] عدد المناطق التي تتقاطع مع الحدود عبر جميع نماذج الدوران العام. يتم عرض التأثيرات المحتملة على أنواع الطيور ذات النطاق المحدود كمتوسط ​​[النطاق] لعدد الأنواع مع تقاطع نطاق نموذجي مع الحدود في الإسقاطات المناخية الحالية 2060-80. يتم تقييم النطاقات المستقبلية المصممة على أساس افتراض عدم التشتت ومعدل التشتت 10 كم / عقد.

قد تتحرك نطاقات الأنواع استجابة لتغير المناخ ، مما يتسبب في تغييرات في أنماط التنوع البيولوجي ، في نفس الوقت الذي تفتح فيه الحدود. لاختبار تأثير الحدود على أنماط التنوع البيولوجي المستقبلية ، وكذلك الحالية ، تم تصميم نطاقات جميع الطيور ذات النطاق المحدود العالمي ، ومجموعة من الأنواع ذات الأولوية العالية للحفظ الموجودة في النقاط الساخنة ، و KBAs و EBAs ، [59]. تظهر هذه النتائج أن عدد الطيور ذات النطاق المحدود المتأثرة بالحدود تزداد في المستقبل من 409 نوعًا إلى 491 نوعًا بموجب RCP8.5 تمثل 20٪ من 2451 نوعًا عالميًا من الطيور ذات النطاق المحدود و 409 إلى 362 في إطار RCP4.5 (الجدول 3) . وبالتالي ، فإن تحولات النطاق بسبب تغير المناخ تبرز تقاطع الحدود مع المناخ المناسب للأنواع النادرة ، حيث أن كل من ملاءمة المحاصيل والمناخ المناسب للأنواع تتحرك صعودًا. ومع ذلك ، يعتمد هذا التأثير على قدرة الأنواع على احتلال مناطق مناسبة حديثًا. الأنواع التي يحتمل تأثرها بالحدود هي الأكثر عددًا في أمريكا الوسطى وجبال الأنديز الشمالية ، مع تركيزات ثانوية في جبال الهيمالايا ومرتفعات غينيا الجديدة.

تأثيرات جودة المياه

قد يؤثر التأثير المحتمل للحدود الزراعية التي يحركها المناخ على جودة المياه عند المصب على أعداد كبيرة من الناس والبنية التحتية للمياه الخاصة بهم. تشمل البصمة الحدودية لجودة المياه الزراعية (AWQ) منازل ما بين 0.4-1.0 مليار شخص (RCP 4.5 ، المجموعة الدنيا والحد الأقصى) و 1.2-1.8 مليار شخص (RCP 8.5 ، مجموعة الحد الأدنى والحد الأقصى) ، منهم 900 مليون- يعيش 1.6 مليار (RCP 8.5 ، المجموعة الدنيا والأقصى) في مناطق يتوقع أن يتأثر فيها أكثر من نصف إمدادات المياه (الجدول 4). قد تؤثر التغيرات في جودة المياه في هذه المناطق الواقعة في اتجاه مجرى النهر من الجريان السطحي للأسمدة والمبيدات الحيوية على صحة الإنسان وصحة النظام الإيكولوجي وإنتاج مصايد الأسماك وتكلفة معالجة المياه.

AWQ المرتفع هو & gt50٪ من إمدادات المياه مع تأثيرات AWQ.

يوضح الجدول 4 أن الحدود الزراعية تزيد من مساحة الأرض التي يحتمل أن تتأثر بالتغيرات في AWQ 9٪ إلى 16٪ (الوسيط 12٪) مقارنة بالتأثير الحالي (RCP 8.5 ، المجموعة الدنيا والحد الأقصى). بالنظر إلى أن بعض هذه الأراضي الزراعية الجديدة (في الأراضي الجافة) لن تولد جريانًا كبيرًا ، بموجب RCP 8.5 ، تختلف مساحة الأرض التي تحتوي على AWQ من حد أقصى إضافي 7-12٪ (متوسط ​​9٪) مع الحد الأقصى لعدد السكان العالميين المتأثرين الذي يتراوح من 9 إلى 10٪ (متوسط ​​9٪). المستويات المرتفعة من AWQ (& gt50٪) ، تؤثر على 3-6٪ من سطح الأرض الإضافي (متوسط ​​4٪) ، مما يؤثر على 2–3٪ إضافية (متوسط ​​2٪) من سكان العالم الحاليين. يختلف AWQ الإضافي لكل وحدة مساحة أرض للأراضي الزراعية الجديدة بين أعضاء المجموعة ويعكس توزيع الأراضي الزراعية في مناطق توليد الجريان السطحي مقابل عدم ، بالإضافة إلى الاختلاط التفاضلي المصب للجريان السطحي من الأراضي الزراعية وغير الزراعية في ظل نتائج مكانية مختلفة.

Hydrologic infrastructure, including the global estate of reservoirs created by dams that are essential for urban water supply, irrigation and hydropower are also potentially affected by the AWQ footprint of agricultural frontiers. 6.4–8% (median 7.3%, RCP8.5) or 5.5–6.9% (median 6.3% RCP4.5) of global reservoirs would experience increased AWQ impacts as a result of agricultural frontiers and 2.0–3.8% (median 2.9%, RCP 8.5) or 1.7–3.1% (median 2.4% RCP4.5) of reservoirs would be exposed to elevated impacts (AWQ >50%). These are in addition to the 63.3% of reservoirs already with AWQ>0 under the current distribution of crop suitability (50.2% at >50% AWQ) (Table 4).

ريبة

To account for the uncertainty of future climate projections, all impacts of climate driven agricultural frontiers were assessed on an individual GCM/RCP/time period basis and results are presented as ensembles across all climate projections. The choice of binary threshold is a possible source of uncertainty, but in this analysis that uncertainty is constrained by choosing a threshold that is conservative from the perspective of frontiers. For instance, in EcoCrop a threshold of 20 (“very marginal to marginal”) includes areas that are possible but not optimal for cultivation [22–23]. The total area of frontiers is largely insensitive to adjustments to the choice of threshold across all methods used, because under a more permissive threshold the currently suitable area will expand, but there will be an accompanying expansion of frontiers poleward—and vice versa for a less permissive threshold. Uncertainty is more difficult to constrain in precipitation-driven frontiers where there is high disagreement on sign of change in GCMs. This makes Sahelian and Australian precipitation-driven frontiers much more uncertain than other frontiers, as noted above. The greatest uncertainty is in actual cultivation of frontiers, as discussed below. Comparison of the modeled crop distributions for both current and future climates including the possible reduction of frontier areas due to soil constraints as defined by the union of GAEZ soil resource classifications are shown in S5–S8 Figs.


Advantages of Soilless Agriculture

  • Soilless agriculture does not require the use of toxic chemicals. Unlike soil-based agriculture, where farmers have to use fertilizers to increase crop yield and spray pesticides to keep weeds and pests away, crops are somewhat protected from pests and weeds.
  • Soilless agriculture is ideal in urban areas where space is too limited for soil-based gardens.
  • Nutrient and growing media loss is significantly reduced with soilless cultivation because the nutrient requirements for crops are determined in advance.
  • Soilless cultivation is believed to cause less pollution.
  • Compared to soil cultivation, the yields from soilless cultivation are significantly higher as a result of intensive practices and the possibilities of continuous, year-round production.

Optimal agriculture: maximum yield with minimum environmental impact - Biology

يتم توفير جميع المقالات المنشورة بواسطة MDPI على الفور في جميع أنحاء العالم بموجب ترخيص وصول مفتوح. لا يلزم الحصول على إذن خاص لإعادة استخدام كل أو جزء من المقالة المنشورة بواسطة MDPI ، بما في ذلك الأشكال والجداول. بالنسبة للمقالات المنشورة بموجب ترخيص Creative Common CC BY ذي الوصول المفتوح ، يمكن إعادة استخدام أي جزء من المقالة دون إذن بشرط الاستشهاد بالمقال الأصلي بوضوح.

تمثل الأوراق الرئيسية أكثر الأبحاث تقدمًا مع إمكانات كبيرة للتأثير الكبير في هذا المجال. يتم تقديم الأوراق الرئيسية بناءً على دعوة فردية أو توصية من المحررين العلميين وتخضع لمراجعة الأقران قبل النشر.

يمكن أن تكون ورقة الميزات إما مقالة بحثية أصلية ، أو دراسة بحثية جديدة جوهرية غالبًا ما تتضمن العديد من التقنيات أو المناهج ، أو ورقة مراجعة شاملة مع تحديثات موجزة ودقيقة عن آخر التقدم في المجال الذي يراجع بشكل منهجي التطورات الأكثر إثارة في العلم. المؤلفات. يوفر هذا النوع من الأوراق نظرة عامة على الاتجاهات المستقبلية للبحث أو التطبيقات الممكنة.

تستند مقالات اختيار المحرر على توصيات المحررين العلميين لمجلات MDPI من جميع أنحاء العالم. يختار المحررون عددًا صغيرًا من المقالات المنشورة مؤخرًا في المجلة ويعتقدون أنها ستكون مثيرة للاهتمام بشكل خاص للمؤلفين أو مهمة في هذا المجال. الهدف هو تقديم لمحة سريعة عن بعض الأعمال الأكثر إثارة المنشورة في مجالات البحث المختلفة بالمجلة.


المواد والأساليب

Data used for this study is obtained from the Global Agro-ecological Zones (GAEZv3.0), the detailed methodology of which is presented in the GAEZv3.0 model documentation [26]. In short, based on principles of land evaluation, GAEZv3.0 estimates crop production potential described as the agronomically possible upper limit of crop yields for individual crops under given agro-climatic, soil, and terrain conditions for a specific level of agricultural inputs and management conditions. For crop production potential, GAEZv3.0 defines three generic input levels (low, intermediate, and high input levels). Under a low-input level, the farming system is considered largely subsistence and labor intensive based on traditional management, using local crop varieties. Under an intermediate-input level, the farming system is considered partly market oriented with a mixture of subsistence based and commercial scale production. Under a high-input level, the farming system is assumed to be mainly commercial agriculture with mechanized management, using adequate nutrients, agro-chemicals, and high yielding crop varieties. Additionally, to supplement potential yield information, GAEZv3.0 also provides downscaled crop yields and area harvested for the year 2000.

Production Gaps and Calorie Deficits

We defined crop production gaps as a ratio between the potential and the current crop calorie production. To estimate the calorie productions, we used data on current and potential crop yields, and area harvested in 2000 for 19 crop types from GAEZv3.0 [26] and nutritive factors for converting crop mass into calories from FAO [27] (S1 Table). GAEZv3.0 provides in a global raster grid of 5 arc minutes resolution information on both current and potential crop yields for two types of water supply (irrigated and rain-fed), and potential crop yields for the three input levels. We estimated the potential crop calorie production using crop yield data under high-input levels (S1 Text).

We analyzed crop calorie deficits based on the demand and supply of crop calories. The demand side consists of human vegetal product consumption and crop-based feed provided to livestock, which were calculated from gridded feed data [28], countrywide per capita vegetal product intake [29], and gridded population data [30] for the year 2000. The supply side includes crop calorie production that was derived from GAEZv3.0 [26] (S1 Text). Since agricultural production constraints and management vary with agro-climatic conditions, crop calorie deficits and production gap analysis was conducted in sub-national moisture regime units [26]. The seven moisture regime categories used here are: hyper-arid, arid, dry semi-arid, moist semi-arid, sub-humid, humid, and per-humid. We identified regions with crop calorie deficits considering the current and the potential crop calorie production (S1 Text). Afterwards, we classified these regions into six groups based on prevalence and depth of crop production gaps and crop calorie deficits (S1 Text). By doing so, we located regions where closing production gaps results in FSS or significantly reduces calorie deficit status in a single global map.

Scenario analysis for two scenarios (scenario A and B) were used to identify regions where closing the production gaps matters and ensures future FSS by 2050 applying the above described method. Scenario A in which population changes but dietary patterns remain constant at in the year 2000 level, is a baseline scenario. Scenario B accounts for country specific changes in dietary patterns in addition to the population growth maintaining a minimum calorie intake of 2,535 kcal/cap/day, representing the average for high calorie diets [3]. In this way, we accounted for changes in population [31] and dietary patterns [3] that drive future food and feed demand [1, 2, 28], and progress on closing crop yield gaps that influence future food and feed supply [10, 12] (S1 Text).

Yield Gap Factors

We observed substantially larger yield gaps for rain-fed farming than for irrigated farming (S1 Fig). Globally, rain-fed farming covers 74% of cultivated land. So far it produces only 44% of the potential calorie production while irrigated farming has attained 60% of the potential calorie production. Hence, we focus this analysis on rain-fed cultivated land as it has a larger potential of additional crop production by closing yield gaps than irrigated land.

A number of biophysical and socioeconomic factors puts constraints on crop yields [32, 33], resulting in yield gaps that can be tackled with adequate agricultural input and management (Fig 1). Initially, we analyzed the biophysical factors that can be overcome by shifting farming practices from traditional low-input to high-input advanced management. We started the analysis looking at agro-climatic constraints related to yield losses due to pests, diseases, weeds, and workability. The first three of the constraints can be reduced by improved pest management. However, the workability constraint related to weather conditions affecting the efficiency of farming operation (e.g., excessive wetness causing problems in harvesting and handling of crop products) is hard to tackle.

The light green boxes represent the input data obtained from GAEZv3.0 [26]. The applied procedures are symbolized by the light orange diamonds, which are explained in S2 Text. The light red box shows the obtained result.

We obtained data on crop specific agro-climatic constraints for low and high input levels at a 5′ resolution from GAEZv3.0. The constraints are characterized through the attainable percentage of the crop yields. Crop yields are determined by radiation and temperature regimes and water availability for a specific input level. The attainable percentage of crop yields is higher for high-input level, closing crop yield gaps, compare to that for low-input level. This is because improved pest management can reduce agro-climatic constraints related to yield losses due to pests, diseases, and weeds. We estimated the difference between the agro-climatic constraints for low and high input levels. The differences were calculated for crops in the two major crop groups (cereals and roots-tubers) and averaged with weights based on harvested area. In the year 2000, these two crop groups combined contributed around 80% of the total crop calorie production. By this, we identified regions where agro-climatic constraints could be attenuated by shifting from low to high input farming based on the weighted difference between agro-climatic constraints larger than 5% (Fig 1 and S2 Text).

As the second factor, we identified regions where crop production is hampered by soil quality constraints. GAEZv3.0 differentiates seven soil qualities and classifies them into four spatially explicit categories: no or slight, moderate, severe, and very severe constraints. Among them, constraints related to three soil qualities (rooting conditions, excess salt, and toxicity) are difficult to overcome using high inputs. Moreover, nutrient availability is an essential soil quality to attain high yields and is assessed separately as described in the next section. Hence, we identified regions where constraints related to one or more of the remaining three soil qualities (nutrient retention capacity, soil drainage, and soil workability) are moderate to very severe. These are the regions where crop yields can be increased by soil and land management that improves the soil qualities.

Next, we attempted to capture socioeconomic factors playing important roles in closing yield gaps based on two indicators: yield variability and travel time to the nearest market. The yield variability due to weather conditions may make farmers reluctant to take risks in terms of input applications without which crop yield increments are difficult [34]. GAEZv3.0 provides data on the coefficient of variation of agro-climatically attainable yields for the baseline period of 1961–1990 [26]. We used this data for crops in two crop groups (cereals and roots-tubers) to estimate the weighted yield variations based on irrigated and rain-fed harvested area, and identified regions with overall year-to-year yield variations larger than 20% (S2 Text).

Travel time to the nearest market is an important factor in enhancing agricultural productivity as it determines farmers’ accessibility to inputs and influences market approachability for selling agricultural products. Consequently, we used spatially explicit accessibility data presenting travel time to the nearest market with a population of around 50,000 [26] to identify regions with a connecting time longer than 6 hours to markets. We used the traveling time of 6 hours as threshold because the numbers of smaller cities and towns decreases subsequently with increase in the travel time beyond 6 hours [35].

We integrated the information from the four constraints (agro-climate constraints, soil quantity constraints, weather induced yield variability, and market accessibility) by identifying regions with similar dominant constraints. For each combination of dominant constraints, we identified management strategies needed to tackle the prevailing single or multiple constraints (Fig 1 and S2 Text). These management strategies are a novel approach to overcome and reduce yield gaps considering the biophysical and socioeconomic factors that have an impact on crop yields. For attaining high-input yields, implementation of these strategies is needed in addition to application of adequate nutrients and use of high yielding crop varieties. Moreover, we estimated additional crop calories that can be produced by implementing these strategies based on the differences between the current and the high-input potential crop calorie production.

Required Nutrients

Nutrient management plays a crucial role in closing yield gaps [10]. To obtain crop yields constantly above the low-input levels, fertilizer application is needed in addition to natural nutrient regeneration. Hence, we quantified the amount of fertilizers required to attain high-input potential crop yields considering differences in crop production under low and high input levels. As nutrients absorbed by crops are stored in crop products (e.g., grain) and residues (e.g., straw), we considered differences between yields and residues of the 16 crop types from GAEZv3.0 for high and low input levels, also accounting for fallow period requirements. GAEZv3.0 provides crop specific fallow period requirements for high and low input levels by crop group, by soil type and by climatic condition. A low-input farming system requires a longer fallow period for natural nutrient regeneration that is substituted by fertilizer application in high-input agriculture, shortening the fallow period requirement. We calculated residue for a crop type based on its yield and harvest index [26]. Afterwards, we estimated the amount of additional crop nutrient uptake in crop yields and residues while attaining high-input potential yields. For this, we multiplied the crop harvested area by the differences in crop yields and residues between low and high input levels, and by the crop specific nutrients uptake in yield and in residue, respectively (S1 Table). We assumed that both crop products and residues are removed from the fields. Hence, nutrient removal that has to be replenished by fertilizers (organic or chemical), is equal to the total nutrient uptake in yields and residues. Since fertilizers applied to crops may get lost due to leaching and volatilization, the total fertilizers required also varies depending on fertilizer application efficiencies. By this, we estimated the quantities of three macro-nutrients required (N, P2ا5, and K2O) to achieve the potential high-input yields (see S3 Text) assuming that micro nutrient constraints are tackled in fertilizer specific nutrient compositions.


5 CONCLUSION

Here, we showed that climate patterns, specifically spring precipitation and average summer and winter temperatures, were key drivers of interannual and spatial variation in abundance of wild bees in temperate ecosystems. In the Northeast USA, past trends and future predictions show a changing climate with warmer winters, more intense precipitation in winter and spring, and longer growing seasons with higher maximum temperatures (Easterling et al., 2017 Lynch et al., 2016 Thibeault & Seth, 2014 ). In almost all our analyses, these conditions were associated with lower abundance of wild bees. Wild-bee richness results were more mixed, including neutral and positive relationships with temperature and precipitation patterns predicted to increase in the future. In the Northeast USA, combined with continued urbanization, changing climate imposes a significant threat to wild-bee communities.

The relationship between climate conditions and wild-bee abundance and richness deserves more research attention. We especially recommend research to elucidate the mechanisms underlying these variable relationships and implications for fluctuating wild-bee abundance for pollination service provisioning. A more mechanistic understanding of direct and indirect effects of temperature and precipitation on wild bees, and how these interact with land use, is crucial to inform climate-resilient conservation of bee populations. By including climate variables, landscape pollination models and decision-support tools would likely more accurately predict interannual variation in wild-bee abundance and effects on pollination services for crops and wild-plant communities.


شاهد الفيديو: التطور الزراعي في أستراليا الزراعة الحديثة الفلاحة الحديثة (كانون الثاني 2022).