Ris är den största globala basgrödan, konsumeras av mer än hälften av världens befolkning – men nya experiment från Stanford University tyder på att klimatförändringar, produktionen i stora risodlingsregioner med endemisk jordarsenik kommer att genomgå en dramatisk nedgång och äventyra kritiska livsmedelsförsörjningar.

Dessa experiment som utforskar risproduktion under framtida klimatförhållanden visar att risavkastningen kan sjunka med cirka 40 procent till år 2100 – med potentiellt förödande konsekvenser i delar av världen som är beroende av grödan som en grundläggande livsmedelskälla. Vad mer, förändringar i markprocesser på grund av ökade temperaturer gör att ris innehåller dubbelt så mycket giftig arsenik än det ris som konsumeras idag. Forskningen publicerades 1 november i Naturkommunikation .

"När vi kommer till 2100, vi beräknas ha cirka 10 miljarder människor, så det skulle betyda att vi har 5 miljarder människor som är beroende av ris, och 2 miljarder som inte skulle ha tillgång till de kalorier de normalt skulle behöva, " sa medförfattaren Scott Fendorf, Terry Huffington professor i jordsystemvetenskap vid Stanford Universitys School of Earth, Energi- och miljövetenskap (Stanford Earth). "Vi måste vara medvetna om dessa utmaningar som kommer så att vi kan vara redo att anpassa oss."

Forskarna tittade specifikt på ris eftersom det odlas i översvämmade risfält som hjälper till att lossa arseniken från jorden och gör den extra känslig för arsenikupptag. Medan många livsmedelsgrödor idag innehåller små mängder arsenik, vissa växande regioner är mer mottagliga än andra. Framtida förändringar i marken på grund av högre temperaturer i kombination med översvämmade förhållanden gör att arsenik tas upp av risplantor på högre nivåer – och användning av bevattningsvatten med naturligt förekommande hög arsenik förvärrar problemet. Även om dessa faktorer inte kommer att påverka alla globala råvaror på samma sätt, de sträcker sig till andra översvämningsodlade grödor, som taro och lotus.

"Jag förväntade mig helt enkelt inte hur stor påverkan vi såg på risavkastningen, sa Fendorf, som också är senior fellow vid Stanford Woods Institute for the Environment. "Vad jag saknade var hur mycket markens biogeokemi skulle svara på ökad temperatur, hur det skulle förstärka växttillgänglig arsenik, och sedan - tillsammans med temperaturstressen - hur det verkligen skulle påverka växten. "

En naturligt förekommande, halvmetallisk kemikalie, arsenik finns i de flesta jordar och sediment, men är i allmänhet i en form som inte tas upp av växter. Kronisk exponering för arsenik leder till hudskador, cancer, förvärring av lungsjukdom och i sista hand, död. Det gäller särskilt ris inte bara på grund av dess globala betydelse, men också för att den lågallergena maten ofta introduceras tidigt till spädbarn.

"Jag tror att det här problemet också är avgörande för människor som har små barn i vårt samhälle, " sa huvudförfattaren E. Marie Muehe, en tidigare postdoktor vid Stanford och nu vid universitetet i Tübingen, Tyskland. "Eftersom spädbarn är mycket mindre än vi är, om de äter ris, det betyder att de tar upp mer arsenik i förhållande till sin kroppsvikt."

Klimatsimuleringar

Forskarna skapade framtida klimatförhållanden i växthus baserat på uppskattningar av en möjlig temperaturökning på 5 grader Celsius och dubbelt så mycket koldioxid i atmosfären år 2100, som projekteras av mellanstatliga panelen för klimatförändringar.

Medan tidigare forskning undersökte effekterna av ökad temperatur i samband med den globala livsmedelskrisen, denna studie var den första som redogjorde för markförhållanden i kombination med klimatförändringar.

För experimenten, gruppen odlade en medelkornig risvariant i jord från den risodlande regionen Kalifornien. Växthusen kontrollerades för temperatur, koldioxidkoncentrationer och arseniknivåer i marken, som kommer att bli högre i framtiden på grund av dess uppbyggnad i jord från bevattning av grödor med arsenikförorenat vatten, ett problem som förvärras av överpumpning av grundvatten.

"Vi tänker inte ofta på det här, men jorden är levande – den kryllar av bakterier och många olika mikroorganismer, "Fendorf sa. "Det visar sig att dessa mikroorganismer avgör om arseniken förblir uppdelad på mineralerna och bort från växterna eller kommer från mineralerna till vattenfasen."

Forskarna fann att med ökade temperaturer, mikroorganismer destabiliserade mer av markens inneboende arsenik, leder till större mängder av toxinet i markvattnet som är tillgängligt för upptag av riset. När väl tagits upp, arsenik hämmar näringsupptaget och minskar växternas tillväxt och utveckling, faktorer som bidrog till den 40-procentiga minskningen i avkastning som forskarna observerade.

Tidig varning, framtida planering

Även om den dramatiska produktionsbortfallet är en stor anledning till oro, forskarna hoppas att denna forskning kommer att hjälpa producenter att hitta potentiella lösningar för att föda världen.

"De goda nyheterna är att med tanke på tidigare framsteg när det gäller det globala samfundets förmåga att föda upp sorter som kan anpassa sig till nya förhållanden, tillsammans med revideringar av markhantering, Jag är optimistisk att vi kan komma runt problemen som observerats i vår studie, ", sa Fendorf. "Jag är också optimistisk att när vi fortsätter att belysa hoten till följd av en förändring på 5 grader Celsius, samhället kommer att anta praxis för att säkerställa att vi aldrig når den graden av uppvärmning. "

Som nästa steg, Fendorf, medförfattaren Tianmei Wang och Muehe hoppas kunna bedöma risavkastningen i global skala genom att använda fjärranalys för att lokalisera kontaminerade risfält för att modellera framtida skördar och arsenikkontamination.

"Detta är troligen ett problem där det mesta riset konsumeras, så vi tänker på Syd- och Östasien, "sa Wang, en Ph.D. kandidat i jordvetenskap. "Särskilt för människor som min pappa - han konsumerar ris tre gånger om dagen och han kan helt enkelt inte leva utan det."