OKOŁO 10 LAT TEMU, w ostrym upale lata w Kansas wiele szkodliwych chwastów kochia atakujących pola badawcze Phillipa Stahlmana po prostu nie drgnęłoby po opryskaniu mieszaniną dwóch powszechnie stosowanych herbicydów, glifosatu i dikamby. Zaledwie kilka miesięcy wcześniej, przy chłodniejszej wiosennej pogodzie, mieszanka herbicydów z łatwością spowodowała, że małe, cienkie liście chwastu zwijały się i brązowiły, sygnalizując upadek rośliny.
Teraz to silne ziele wprawiło Stahlmana w osłupienie. Stahlman, wówczas naukowiec zajmujący się chwastami na Kansas State University, nigdy wcześniej nie napotkał tego problemu z herbicydami. Początkowo zakładał, że źle zastosował agrochemikalia. Ale rok po roku działo się to samo. Stahlman wiedział, że coś jest nie tak. Uważnie obserwował chwasty na swoich polach. Rozmawiał także z lokalnymi rolnikami, którzy zgłaszali podobne problemy. „Kontrolka nie zapalała się przez jakiś czas, dopóki problem nie zaczął się powtarzać. To było jak układanie puzzli” — mówi Stahlman.
W końcu Stahlman, który od tego czasu przeszedł na emeryturę, zdecydował, że problemem była prawdopodobnie temperatura: Coś w opryskiwaniu w wysokiej temperaturze sprawiało, że herbicydy były mniej skuteczne.
Stahlman nie jest odosobniony w tej obserwacji. Obecnie coraz więcej dowodów sugeruje, że temperatury około 90 stopni Fahrenheita lub wyższe mogą sprawić, że niektóre chwasty odporne na herbicydy będą jeszcze bardziej odporne, a inne chwasty będą mniej wrażliwe na niektóre chemikalia.
Niektórzy rolnicy twierdzą, że wiedzą, że wysokie temperatury mogą zepsuć działanie niektórych herbicydów, więc starają się unikać opryskiwania w upalne dni. „Dobrą praktyczną zasadą jest to, że jeśli temperatura wynosi od 85 do 90 stopni Fahrenheita, po prostu nie opryskiwać” — mówi Curt Gottschalk, kierownik gospodarstwa w Hays w stanie Kansas.
Nie wszyscy eksperci zgadzają się, że ten wzorzec, w dużej mierze wykazany w eksperymentach laboratoryjnych, stanowi problem dla rolników. A niektóre herbicydy wydają się działać jeszcze lepiej w wysokich temperaturach. Ale jeśli ciepło zwiększa odporność wielu chwastów na główne herbicydy, implikacje mogą być znaczące. Pozostawione bez kontroli chwasty mogą zniszczyć zbiory i dochody – gdyby rolnicy nie podjęli wysiłków w celu kontrolowania chwastów, mogliby zniszczyć około połowy wszystkich plonów kukurydzy i soi w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie, według Weed Science Society of America, stowarzyszenie non-profit zrzeszające naukowców akademickich i przemysłowych. Strata może kosztować rolników około 43 miliardów dolarów rocznie.
Rolnicy już walczą z epidemiami chwastów, które rozwinęły genetyczną odporność na wiele herbicydów, w tym glifosat i dikambę. Stahlman i inni badacze chwastów twierdzą, że temperatura może być pomijanym drugim czynnikiem wzmacniającym obronę chwastów przed herbicydami. Chociaż większość rolników rozumie teraz, że temperatura wpływa na herbicydy, dla niewprawnego oka może to wyglądać jak odporność na herbicydy, mówi Stahlman.
Badacze ci obawiają się również, że problem może się pogorszyć w przyszłości, ponieważ zmiany klimatyczne podnoszą temperatury, a ekstremalne zjawiska pogodowe, w tym fale upałów, stają się częstsze.
„Wiemy już, że odporność na herbicydy jest najbardziej problematyczną kwestią w chemicznej kontroli chwastów” – napisał w e-mailu do Undark Maor Matzrafi, naukowiec zajmujący się chwastami w izraelskiej Narodowej Organizacji Badań Rolniczych. „Być może następna w kolejce jest zmniejszona wrażliwość spowodowana zmianami klimatycznymi”.
ROLNICY PRZYWRACAJĄ mniej polegać na herbicydach, zamiast tego zwalczać chwasty za pomocą pracochłonnych metod, takich jak uprawa roli i ręczne usuwanie. Jednak od połowy lat 1990. firmy biotechnologiczne zaczęły wprowadzać genetycznie modyfikowane rośliny uprawne, które były odporne na popularne, silne herbicydy. Nowe nasiona umożliwiły rolnikom swobodne opryskiwanie pól agrochemikaliami w celu zabicia chwastów, podczas gdy ich uprawy GM kwitły. Technologia sprawiła, że większość ręcznego pielenia stała się niepotrzebna, a użycie herbicydów wzrosło na całym świecie. Ale w odpowiedzi wyewoluowały chwasty i pojawiły się odmiany odporne na herbicydy. To rozpoczęło nową bitwę między rolnikami a chwastami, a rolnicy coraz częściej stosują kombinacje chemikaliów, a także dodatkowe dawki, aby spróbować pozbyć się chwastów.
Jednak po doświadczeniu Stahlmana z chwastami Kochia zaczął badać, czy temperatura może wpływać na działanie herbicydów bardziej niż powszechnie uznano. (Stahlman, podobnie jak wielu akademickich badaczy zajmujących się chwastami, w przeszłości otrzymywał fundusze na badania od firm agrochemicznych.)
Aby rozszyfrować, w jaki sposób ciepło pomaga chwastom odeprzeć herbicydy, Stahlman połączył siły z kolegami z KSU, Mithilą Jugulam, fizjologiem chwastów, i Junjun Ou, asystentem naukowym. Zespół wyhodował sadzonki z populacji kochia pochodzących z Kansas, w komorach utrzymywanych w temperaturach od 63.5 do 90.5 stopni Fahrenheita – co jest reprezentatywne dla stanu wiosennego i letniego upału w ciągu dnia. Temperatura w komorach spadała co 12 godzin, aby naśladować chłodniejsze noce. Kiedy sadzonki osiągnęły wysokość około 4 cali, naukowcy dodali niektórym glifosat, a innym dikambę. W odstępach tygodniowych zespół badał chwasty pod kątem oznak uszkodzeń. Po miesiącu ścięli chwasty, wysuszyli je i zważyli.
Zespół odkrył, że w wysokich temperaturach do zwalczania chwastów potrzebowali ponad dwukrotnie większej ilości glifosatu i dikamby. Oni opublikowany ich wyniki w 2016 r.
Aby zrozumieć, dlaczego ciepło zmniejsza wrażliwość, naukowcy prześledzili ścieżki herbicydów przez chwasty za pomocą łagodnie radioaktywnych wersji glifosatu i dikamby. Ten pierwszy był wcześniej produkowany przez Monsanto, a drugi przez BASF Corp. (BASF Corp. zapewnił Ou asystenturę studenta przy innym projekcie).
Zespół odkrył, że liście wchłaniały mniej glifosatu w wyższych temperaturach. Nie są pewni dlaczego, ale Jugulam uważa, że upał może zachęcać kochia do tworzenia grubszych skórek – warstwy ochronnej na powierzchni liści – co następnie wzmacnia obronę chwastów przed herbicydem. Zespół odkrył inny proces w pracy, gdy chwasty napotkały dikambę. Temperatura nie wpływała na ilość dikamby wchłanianej przez chwasty, ale utrudniała przemieszczanie się herbicydu przez roślinę, tak że mniej docierało do celu – tkanki rozwijającej się na końcach nowych pędów i liści.
W innym badaniu opublikowane w zeszłym roku, Jugulam zwróciła swoją uwagę na herbicyd 2,4-D, jeden ze składników środka pomarańczowego, niesławnego defoliantu używanego podczas wojny w Wietnamie. Obecnie jest to jeden z najczęściej stosowanych herbicydów. Jugulam przetestował, jak temperatura wpływa na zdolność herbicydu do zwalczania konopi wodnych, chwastów szerokolistnych występujących na polach kukurydzy i soi na Środkowym Zachodzie.
W testach Jugulam zbadał niektóre pospolite konopie wodne, które rozwinęły genetyczną odporność na 2,4-D, a niektóre nie. Odkryła, że potrzeba ponad trzy razy więcej herbicydu do zabicia odpornego chwastu w gorących, suchych warunkach niż w niższych temperaturach. Znalazła podobny, ale mniejszy efekt w podatnych chwastach.
Odporne na herbicydy konopie wodne przeżywają ekspozycję na 2,4-D, szybko rozkładając substancję chemiczną na nietoksyczne substancje, zanim dotrą do swoich celów na końcach korzeni, łodyg i liści. Jugulam odkrył, że gdy temperatura jest wysoka, konopie szybciej rozkładają te cząsteczki.
Jugulam zauważył również, że w wysokich temperaturach niektóre chwasty odporne na herbicydy wydają się być bardziej odporne, a niektóre chwasty podatne mogą wymagać większej ilości herbicydów do zwalczania.
Nie wszystkie chwasty i herbicydy reagują na temperaturę w ten sam sposób. Na przykład Jugulam odkrył również, że 2,4-D i glifosat działają lepszy w wyższych temperaturach przeciwko ambrozji pospolitej i ambrozji olbrzymiej, dwóm innym chwastom powszechnym na polach amerykańskich rolników. Jugulam mówi również, że nawet w przypadkach, gdy ciepło przeszkadza herbicydom, wpływ wydaje się ograniczać głównie do suchych warunków. Obszary o wysokiej wilgotności i opadach deszczu mogą nie mieć takich samych efektów.
Ale niektórzy eksperci twierdzą, że w przypadku różnych gatunków i agrochemikaliów rośnie liczba dowodów na to, że temperatura, aw niektórych przypadkach wysoki poziom dwutlenku węgla, wpływają na zwalczanie chwastów, przynajmniej w laboratorium.
w testach opublikowany w 2016 roku Matzrafi odkrył, że w wysokich temperaturach cztery różne gatunki chwastów trawiły znacznie lepiej niż diklofop metylowy, składnik herbicydu produkowanego przez firmę Bayer, niż w niższych temperaturach. Matzrafi odkrył również, że wysokie temperatury sprawiły, że inny herbicyd, pinoksaden, był mniej zdolny do ograniczenia wzrostu inwazyjnej stokłosy zwyczajnej. Co więcej, trawa rozwijała się nawet po zmianie warunków z chłodniejszych na cieplejsze do dwóch dni po zastosowaniu herbicydu. (Badania zostały częściowo sfinansowane przez ADAMA Agricultural Solutions, firmę agrochemiczną z siedzibą w Izraelu).
„Nasze odkrycia i wiele innych badań od lat 90. sugerują, że warunki środowiskowe po aplikacji mogą również wpływać na wrażliwość na herbicydy” – wyjaśnił Matzrafi w e-mailu. Nawet jeśli rolnicy opryskują rośliny w niższych temperaturach, może to nie wystarczyć, aby uniknąć skutków gorąca.Pomimo rosnących dawek diklofopu metylowego, ta życica wrażliwa na herbicydy dobrze rozwija się w cieplejszym klimacie. Na każdym zdjęciu herbicyd jest aplikowany w większych ilościach od lewej do prawej. Na skrajnie lewej roślinie nie stosuje się żadnego herbicydu. Na lewym zdjęciu życica rośnie w niższych temperaturach (50-61 stopni Fahrenheita), podczas gdy na prawym zdjęciu życica rośnie w wyższych temperaturach (82-93 stopni Fahrenheita). Wizualne: Dzięki uprzejmości Maora Matzrafiego
Eksperci obawiają się, że warunki te ulegną pogorszeniu wraz ze zmianami klimatycznymi. Już teraz wiele ważnych dla rolnictwa stanów USA, a także inne główne regiony produkujące żywność na całym świecie, regularnie doświadczają temperatur przekraczających 90 stopni Fahrenheita podczas sezonów wegetacyjnych. Niektórzy badacze twierdzą, że problemy z wysoką temperaturą i wydajnością herbicydów wysuwają się teraz na pierwszy plan, częściowo z powodu częstszych epizodów ekstremalnych upałów w ciągu ostatnich kilku dekad.
Jednak trudno jest przypisać obserwowane dzisiaj skutki ostatnich zmian klimatycznych, Lewis Ziska, fizjolog roślin z Columbia University w Nowym Jorku, napisał w e-mailu do Undark. Ale zauważając, że chwasty są „największym ograniczeniem w produkcji żywności”, Ziska ostrzega, że „będą one ogromnym wyzwaniem dla rolników w bardziej ekstremalnym środowisku”.
Na przykład na Środkowym Zachodzie temperatury mogą wzrosnąć średnio o 8.5 stopnia Fahrenheita do końca stulecia, z dłuższymi i częstszymi odcinkami ekstremalnych upałów. prognozy rządu federalnego. A w Azji Południowej, w tym w Indiach — regionie o znaczeniu globalnym dla produkcji ryżu, roślin strączkowych, orzechów i bawełny — Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu projektowanie że średnie roczne temperatury wzrosną o prawie 6 stopni Fahrenheita do 2100 roku.
W pierwszym tego rodzaju eksperymencie, którego wyniki były zgłoszone w zeszłym roku, Matzrafi zbadał łączny wpływ ciepła i podwyższonego poziomu dwutlenku węgla na dwa różne gatunki chwastów i stwierdził, że połączenie zwiększa obronę chwastów na herbicydy poza ten sam przez każdy czynnik.
Nie jest jasne, czy producenci herbicydów są przygotowani na nadchodzące wyzwania związane z ocieplającą się planetą. Wielu nie zaleca optymalnych temperatur oprysku, aby zapewnić skuteczność w wytycznych, które przekazują rolnikom.
W pisemnym oświadczeniu Clark Ouzts, rzecznik firmy Sygenta, producenta pinoksadenu, mówi, że firma nie badała potencjalnego wpływu zmian klimatu na działanie herbicydu, ale „badania terenowe i zastosowania komercyjne nie wykazały znaczącego wpływu temperatury na wpływ na działanie Pinoxaden”.
Charla Lord, rzeczniczka firmy Bayer, napisała w oświadczeniu, że herbicydy firmy są „szeroko testowane, aby spełnić wszystkie wymagania organów regulacyjnych” i „oznaczone, aby aplikatorzy wiedzieli, jak je stosować, aby uzyskać optymalną kontrolę i sukces”. Firma nie odpowiedziała na konkretne pytania dotyczące skuteczności swoich produktów w wysokich temperaturach, chociaż firma to zrobiła napisali o wyzwaniach związanych z natryskiem wysokotemperaturowym na swojej stronie internetowej. Corteva, która produkuje herbicydy zawierające 2,4-D, nie odpowiedziała na prośby o komentarz na temat wpływu wysokich temperatur na działanie herbicydu.
NIE KAŻDY JEST przekonany, że te odkrycia eksperymentalne oznaczają kłopoty dla rolników. Niektórzy badacze i eksperci od chwastów twierdzą, że warunki laboratoryjne różnią się radykalnie od warunków terenowych, przez co wyniki są mniej miarodajne. „Nie sądzę, abyśmy mogli z całą pewnością powiedzieć, że ma to wpływ na rzeczywistą skalę”, napisał Brad Hanson, ekspert od chwastów z University of California w Davis, w e-mailu do Undark. Hanson współpracował z Matzrafi nad badaniem opublikowanym w zeszłym roku.
Hanson, który pracuje z kalifornijskimi rolnikami jako badacz i specjalista ds. rozszerzenia, napisał również, że rolnicy zazwyczaj używają wystarczającej ilości herbicydów, aby przezwyciężyć wszelkie niewielkie zmiany we wrażliwości chwastów wywołane upałem.
Kassim Al-Khatib, fizjolog upraw na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis, który badał działanie herbicydów w wysokiej temperaturze i wilgotności, napisał w e-mailu do Undark, że badania są przeprowadzane w dokładnie kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, których rolnicy nigdy nie znaleźliby w swoim pola. „To, co dzieje się w kontrolowanych warunkach, generalnie nie potwierdza tego, co dzieje się w warunkach polowych” – napisał.
W swoich własnych badaniach Al-Khatib zbadał wpływ temperatury i wilgotności na niewielką liczbę typów herbicydów i gatunków chwastów. Mówi, że w przypadkach, które badał, skuteczność herbicydu generalnie poprawia się w wyższej temperaturze i wilgotności, chyba że temperatura przekracza 100 stopni Fahrenheita. Matzrafi i Jugulam zgadzają się, że laboratorium nie odzwierciedla bardziej złożonego środowiska rolniczego.
„Ale nie sądzę, żeby to umniejszało znaczenie wyników” — napisał Matzrafi. On, Stahlman i inni twierdzą, że sami widzieli efekt w terenie. „Myślę, że coś widzimy. Myślę, że w ciągu najbliższych 10 lat zobaczymy więcej. To będzie poważny problem” — mówi Chuck Otte, agent ds. badań i rozwoju w stanie K-State w hrabstwie Geary w stanie Kansas, który pracuje głównie z rolnikami.
Wyniki badań są próbą wiadomości dla rolników, którzy polegają na herbicydach, aby powstrzymać chwasty, które stają się coraz bardziej bronią. Na razie niektórzy rolnicy starają się powstrzymać niektóre skutki upałów, opryskując herbicydami w chłodniejszych porach dnia. W sercu lata Carie Moore mówi, że czasami wstaje przed świtem, aby spryskać swoją 650-hektarową farmę w Północnej Dakocie, zanim upał osiągnie zbyt wysoki poziom, czasami przekraczając 100 stopni Fahrenheita. Ale w miarę ocieplania się globu, rolnicy będą musieli stawić czoła węższym oknom, podczas których temperatury są wystarczająco niskie, aby można było opryskiwać, mówi Ziska. A badania Matzrafi sugerują, że opryskiwanie w okresach chłodniejszych nie gwarantuje, że na skuteczność herbicydu nie będą miały wpływu wybuchy ciepła, które pojawiają się później w ciągu dnia lub nawet następnego dnia.
A czasami rolnicy nie mogą uniknąć opryskiwania herbicydami w czasie upałów, szczególnie w ogromnych gospodarstwach o powierzchni kilku tysięcy akrów.
Otte mówi, że sceptycy mogą nie zdawać sobie sprawy, że ich herbicydy nie działają, ponieważ upał pomógł chwastom. Mogą najpierw założyć, że winnych jest szereg innych typowych czynników, takich jak odporność na herbicydy, brak opadów lub zbyt mała ilość herbicydów. „Jest tak wiele czynników zakłócających, że trudno je wszystkie uporządkować” – mówi.
Wielu ekspertów twierdzi, że w dłuższej perspektywie rolnicy będą musieli zmniejszyć zależność od herbicydów i zamiast tego stosować inne techniki, częściej stosowane obecnie w rolnictwie ekologicznym, aby powstrzymać chwasty. Na przykład sadzenie roślin okrywowych, takich jak owies jary lub koniczyna szkarłatna, pomaga powstrzymać chwasty przed zakorzenieniem się w gołej glebie, a uprawa różnych roślin w płodozmianie może niszczyć chwasty, pomagając w tłumieniu populacji. Moore już zmierza w tym kierunku. Zmienia soję z pszenicą, jęczmieniem i kilkoma innymi uprawami oraz sadzi różnorodne dodatkowe rośliny okrywowe, w tym żyto i groch.
Od czasu do czasu uprawia również glebę, aby stłumić wzrost chwastów. „Im mniej musimy opryskiwać środkami chemicznymi, tym lepiej” — mówi. Jednak aby utrzymać plony, rolnictwo nie może całkowicie zrezygnować ze stosowania herbicydów — mówi Ziska. Ponieważ w ofercie jest bardzo niewiele nowych chemikaliów, rolnicy będą musieli bardziej uważać na herbicydy, które mają teraz, aby zapewnić sobie kontynuację pracy w przyszłości. Producenci muszą zapewniać rolnikom lepsze porady dotyczące tego, kiedy i jak stosować herbicydy, dodaje Matzrafi.
„Rolnicy nie mogą już po prostu opryskiwać i modlić się” — mówi Otte.