LASEROWY STRACH NA WRÓBLE
Czy u progu katastrofy klimatycznej szklarnie będą niczym dyskoteki pełne diod, a rolnicy będą sterować uprawami ze smartfona?
Strachy na wróble wyposażone w lasery, skanery jakości i ilości zbiorów, ciągnik bez kierowcy, śledzenie upraw do centymetra, informacje o stanie zwierząt i roślin na smartfonie. Takie rozwiązania są powoli wdrażane i odmieniają obraz rolnictwa. Ok. 11,5 tys. lat temu na obszarze Żyznego Półksiężyca narodził się projekt, który odmienił historię ludzkości. „Niezdolność do zapewnienia utrzymania rosnącej populacji w połączeniu ze zmianami klimatycznymi ostatecznie skłoniła ludzkość do szukania innego sposobu na życie – rolnictwa”, stwierdza ekonomista Oded Galor w wydanej niedawno po polsku książce „Podróż ludzkości: o pochodzeniu bogactwa i nierówności”.
Wymuszone porzucenie społeczności łowiecko-zbierackich, mimo że pierwsi mieszkańcy byli niedożywieni i chorowali, w perspektywie długoterminowej okazało się pewniejszą i bezpieczniejszą strategią produkcji żywności. Rolnictwo rozprzestrzeniło się na całym globie.
Jednak sytuacja się zmieniła. O ile w przededniu rewolucji neolitycznej i założeniu pierwszych miast Ziemię zamieszkiwało około 2,4 miliona ludzi, rolnictwo sprawiło, że zbliżamy się do 8 miliardów mieszkańców. Wspominana przez Galora „niezdolność” to również powody, które sprawiają, że przeobrażeniom musi ulec XXI-wieczne rolnictwo.
Jak zauważa prof. Hazem M. Kalaji, fizjolog roślin z Instytutu Biologii Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, pierwsze rolnictwo pojawiło się dzięki dostępowi do wody. Jednak początki rolnictwa to również pierwsza katastrofa ekologiczna w historii – intensywne uprawy i nawadnianie doprowadziły do pobierania wody ze studni – nie znano irygacji – a ta, o dużym zasoleniu, przyczyniła się do katastrofy ekonomicznej Asyryjczyków i Babilończyków. Zasolenie zdegradowało glebę w strefie wzrostu roślin.
Obecnie aż połowę lądów nadających się do zamieszkania przez człowieka zajmują tereny rolnicze. Do tego rolnictwo odpowiada za ponad jedną trzecią całej antropogenicznej emisji gazów cieplarnianych.
TRZY WAŻNE PYTANIA
Jak rolnictwo może poradzić sobie z niepewną przyszłością?
W jakim stopniu lokalne ograniczenia i globalne dysproporcje odpowiadają za niepewną przyszłość?
W jaki sposób powinniśmy ustalić priorytety, aby zaadaptować się do zmian i przezwyciężyć przyszłe zagrożenia?
Pytali o to już dekadę temu na łamach „Nature” Ana Iglesias i współpracownicy. Rozwiązania pozostają niezwykle złożone, a ich pytania aktualne. Sytuacji nie ułatwia to, że odpowiedź różni się w zależności od regionu świata. Gdy w krajach zachodnich rolnictwo zapewnia pracę mniej niż 1 proc. mieszkańców, w Ugandzie współczynnik wynosi aż 72 proc. Szczególnie trudna przyszłość czeka rolnictwo w Afryce i Azji Południowo-Wschodniej. Zdaniem Iglesias i współpracowników systemy rolnicze w tych regionach wydają się szczególnie podatne na zagrożenia związane ze zmianami klimatu.
WIELKIE MARNOWANIE
Jeszcze w 1945 r. niedożywiona pozostawała połowa populacji świata. Mimo że współcześnie aż 13 proc. osób w krajach rozwijających się pozostaje niedożywionych, głód przestał być ponurą codziennością, ale to wyjątek w historii. Jak stwierdza Steven Pinker: „gdyby przez minione pięćdziesiąt lat wydajność rolnictwa pozostawała na tym samym poziomie, a świat produkowałby taką samą ilość, trzeba by wykarczować i zaorać obszar o powierzchni Stanów Zjednoczonych, Kanady i Chin”.
Najpierw, na początku XX w., Fritz Haber opracował metodę wytrącania z powietrza azotu za pomocą metanu i pary wodnej – olbrzymie ilości ptasich odchodów, które przywracały azot w wyjałowionych przez uprawy glebach, odeszły w niepamięć. Później, w latach 50. i 60., Norman Borlaug skrzyżował tysiące odmian pszenicy i wyhodował odporną na rdzę, dającą wielokrotnie większe plony. Dzięki temu Meksyk, Indie i Pakistan z krajów, którym groziły klęski głodu, zamieniły się w eksporterów zboża.
W 2022 r. rolnictwo wciąż zapewnia wystarczająco dużo żywności, aby wyżywić całą ludzkość, ale wiele wskazuje, że to nie utrzyma się długo. Jak wynika z wyliczeń amerykańskiej Food and Agriculture Organization, do 2050 r. rolnictwo musiałoby produkować od 60 proc. do 110 proc. więcej produktów niż w 2006 r.
Długotrwałe susze i powodzie doprowadziły już w niektórych regionach świata do problemów z dostępem do żywności, problem stanie się powszechny. Mimo że światowa produkcja rolna utrzyma się na obecnym poziomie do 2030 r., jej poziom w kolejnych dziesięcioleciach zacznie spadać. Chociaż powierzchnia upraw może być nieznacznie powiększana, nie zaspokoi to potrzeb rosnącej populacji. Między 1990 a 2010 wzrosła jedynie o 3 proc. Obecnie koszty pozyskiwania nowych gruntów pod uprawy są zbyt wysokie, aby zażegnać niedobory żywności.
Sytuacji nie ułatwia to, że na całym świecie marnujemy jedną trzecią żywności, czyli 30 proc. gruntów rolnych na świecie wytwarza rocznie żywność, która nie jest spożywana. To obszar wielkości Chin, Mongolii i Kazachstanu razem wziętych.
Potrzebujemy rewolucji w rolnictwie, a jej początek musi nastąpić na uniwersytetach. Niedoskonałości systemu edukacji przekładają się na sposób prowadzenia badań, co nie sprzyja innowacjom w rolnictwie.
ZIEMIA I WĘGIEL
Innowacje w rolnictwie nie trafiają na pierwsze strony gazet i nie budzą większego zainteresowania. Niesłusznie. Zdaniem Simona Appeltansa, doktoranta z belgijskiego Ghent University, „zachęcanie młodych ludzi do kariery w rolnictwie i w naukach o roślinach pozostaje absolutnie niezbędne dla osiągnięcia zrównoważonego rozwoju w przyszłości”.
W skrócie: musimy stawiać na bardziej zrównoważony rozwój, edukację i interdyscyplinarną współpracę. Obecną sytuację dobrze oddaje główne źródło energii stosowane w uprawach czy hodowli – rolnictwo w znacznym stopniu opiera się na paliwach kopalnych, a to sytuacja nie do utrzymania. Jak podkreśla Appeltans: „W przeszłości obserwowaliśmy, że gospodarka przypomina tankowiec – wolno zmienia swój kurs (co kończy się katastrofą, gdy ten się rozbija). Współcześnie stoimy przed wyzwaniem przejścia na gospodarkę o obiegu zamkniętym, w której odpady będą traktowane jako cenny wkład w inne procesy, a nie wyrzucane na składowiska czy spalane”.
Takie rozwiązania są powoli wdrażane. Doskonałym przykładem jest wykorzystanie odpadów z jabłoni do produkcji związków polifenolowych, które mogą być później używane jako antyoksydanty w kosmetykach.
Mateusz Tułecki, socjolog, który zajmuje się wpływem technologii na życie codzienne i rolnictwo, dodaje, że ważne jest ograniczenie przestrzeni pod uprawę roślin, mniejsze zużycie wody i ogólnie zasobów. Możliwie najszersze wykorzystanie „obiegu zamkniętego, cyrkularnego” w każdym możliwym aspekcie. To nie są zmiany, sporo rozwiązań już jest, potrzeba jednak czasu na ich wdrożenie.
ROLNICTWO 4.0
Tułecki dostrzega początki zmian. Po pierwsze, poszukuje się innych metod pozyskania pożywienia, jak np. syntetyzacja białek, co niektórzy określają mianem hodowli mięsa w probówkach. Szczególnie w krajach rozwiniętych obserwujemy znaczne zmniejszenie spożycia mięsa po
chodzenia zwierzęcego i zastępowanie go alternatywami. Po drugie, widzimy zdecydowaną automatyzację rolnictwa, na każdej płaszczyźnie. Po trzecie, zmiany będą zmierzać do jak najmniejszej szkodliwości dla środowiska.
Ale niezbędne wydają się również zmiany na poziomie systemowym.
Jak wskazuje prof. Hazem M. Kalaji, zmiany powinny być ukierunkowane na powrót do badań podstawowych, o których młodsza generacja naukowców zapomniała, oraz łączenia sił ekspertów z całego świata. Badacze, zamiast współpracować, by zapobiec katastrofie związanej z niedoborem żywności na świecie, konkurują, aby pokazać, kto jest lepszy, kto posiada więcej cytowań czy wyższe parametry oceny dorobku naukowego. To system stworzony przez polityków, a nie naukowców. Mamy więc do czynienia z systemem chorym, troszczącym się o punkty i wskaźniki cytowań, a nie jakość badań, które mogłyby rozwiązywać problemy i uratować ludzkość przed głodem.
Jeśli rolnictwo chce sprostać wyzwaniom przyszłości, musi zintegrować dorobek z wielu dziedzin nauki, jak big data, bioinformatyka czy genetyka. Rolnictwo 4.0, jak niektórzy to określają, nie będzie już polegało na równomiernym stosowaniu wody, nawozów i pestycydów na całym obszarze upraw. Rolnicy będą stosować minimalne ilości surowców i kierować je bezpośrednio do wskazanych obszarów. Rolnictwo 4.0 będzie korzystać z zaawansowanych technologii, takich jak roboty, czujniki temperatury i wilgotności, zdjęcia lotnicze czy GPS.
Prof. Kalaji: – Potrzebna nam nowa, prawdziwa rewolucja, która będzie bazowała na sztucznej inteligencji (AI), uczenia maszynowego i która będzie dokonana jednocześnie przez naukowców na całym świecie. Obecnie ponad 95 proc. naukowców zajmujących się badaniami nad roślinami poszło w złym kierunku, prowadzi bardzo wyrafinowane badania (genetyka, biotechnologia i biologia molekularna), ale nie łączy ich z innymi, praktycznymi tematami, jak plonowanie roślin czy powiększenie produkcji roślinnej poprzez fotosyntezę. Teoretycznie podwojenie wydajności fotosyntetycznej roślin powoduje podwojenie plonu.
PORZUĆMY ROMANTYZM
Jeśli cenimy rolnictwo i produkcję żywności na niewielką skalę, musimy być świadomi konsekwencji, jakie to za sobą pociąga w zakresie cen, dostępu do żywności czy jej bezpieczeństwa. Jak zauważa Louise O. Fresco z holenderskiego Wageningen University and Research Centre, małe, sielskie gospodarstwa rolne mogą być spełnieniem marzeń XIX-wiecznych romantyków i idealnym miejscem do tworzenia poematów czy odpoczynku, ale nie wykarmią 8-miliardowej populacji. Jak trafnie wskazuje Fresco, niecałe pięć pokoleń temu, zanim agrobiznes zdominował produkcję żywności, osiem na dziesięć osób cierpiało z powodu ubóstwa i niedoboru żywności. Według badań Giovanniego Federico w latach 1880-1938 rolnik w Europie i USA był w stanie wyżywić mniej niż 20 osób. Współcześnie liczba ta wzrosła dziesięciokrotnie.
Jak wylicza dr inż. Jacek Skudlarski z Instytutu Inżynierii Mechanicznej Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, w dobie zmian gospodarczych, społecznych i klimatycznych rolnictwo na świecie, w tym także w Polsce, wymaga szeroko zakrojonej transformacji w zakresie produkcji żywności. Jednym z wyzwań europejskiego rolnictwa jest sprostanie wymaganiom Europejskiego Zielonego Ładu, który nakłada na rolników konieczność redukcji zużycia pestycydów i nawozów mineralnych oraz emisji gazów cieplarnianych. Gospodarstwa rolne, które będą chciały produkować na rynek, będą musiały przejść cyfrową transformację, podobnie jak przedsiębiorstwa przemysłowe, by spełnić wymagania klimatyczne, a jednocześnie produkować coraz bardziej wydajnie bezpieczną żywność. Automatyzacja, robotyzacja i cyfryzacja to przyszłościowe kierunki produkcji rolnej. Rozwiązania techniczne i technologiczne z tego zakresu będą powszechne w towarowych gospodarstwach rolnych. Mniejsze gospodarstwa będą korzystać z nich w mniejszym stopniu.
BEZ KABLI
W przeszłości okablowanie było oznaką zaawansowania i postępu technologicznego. W 1955 r. łączna długość przewodów elektrycznych w samochodzie wynosiła około 45 metrów. W 2002 r. były to już 4 kilometry kabli. Pod tym względem przemysł samochodowy przypomina rolnictwo, które dopiero zaczyna stosować technologie bezprzewodowe.
Jak podkreślali Ning Wang z McGill University i współpracownicy we wpływowej, opublikowanej w 2006 r. pracy, oczywistą zaletą bezprzewodowej transmisji danych jest znaczne uproszczenie i niższe koszty. Eksperci szacują, że średni koszt okablowania w instalacjach przemysłowych wynosi 130-650 dolarów za metr. Zastosowanie technologii bezprzewodowej zmniejszyłoby koszty od 20 do 80 proc.
W przypadku rolnictwa nie chodzi jednak wyłącznie o wygodę i niższe koszty. Jedną z bardziej obiecujących perspektyw wydają się wyspecjalizowane roboty i autonomiczne systemy połączone w spójną całość. Np. inteligentne systemy nawadniające, które mogłyby błyskawicznie reagować na zmiany warunków pogodowych i kontrolować stan wzrostu upraw, tak aby automatycznie dostosowywać poziom nawadniania w sposób, który zmniejsza zużycie wody, ale nie powoduje utraty plonów. Przykładem z Polski jest opracowany przez prof. Kalajiego jako koordynatora grantu firmy White Hill z Białegostoku system TRIFID. To robot, który potrafi monitorować rośliny w szklarni oraz w polu. Innowacyjny system monitorowania stanu upraw ułatwia podejmowanie decyzji.
Jak wskazuje zespół brytyjskich ekspertów w raporcie „Robotyka rolnicza: przyszłość rolnictwa robotycznego” system odpowiednich czujników mógłby wykrywać potencjalne zagrożenia dla zbiorów i monitorować ich stan z dokładnością do centymetrów. Jeśli dodamy do tego zaawansowane systemy optyczne, np. czujniki oparte na sztucznej inteligencji, decyzje mogłyby być podejmowane z dokładnością i czasem reakcji niedostępnym dla ludzi – wskazywać, kiedy poszczególne rośliny są gotowe do zbiorów, a nawet alarmować o początku chorób.
Manuel Zude-Sasse, inżynier rolnictwa z Leibniz Institute for Agricultural w Poczdamie, przymocował do jabłek czujniki analizujące ich rozmiar oraz poziom pigmentów chlorofilu i antocyjanów. Zgromadzone w ten sposób dane w połączeniu z algorytmem analizującym stadium rozwoju owoców informowały o optymalnym czasie zbiorów. Hodowcy otrzymywali powiadomienia na smartfona.
Agribotix, firma zajmująca się analizą danych rolniczych z Boulder w Kolorado, dostarcza drony i oprogramowanie, które za pomocą generowanych w podczerwieni zdjęć tworzy mapy roślinności na dużych polach uprawnych. Zgromadzone w ten sposób informacje mogą ujawnić potencjalne przyczyny chorób roślin, takie jak szkodniki lub problemy z nawadnianiem.
To szczególnie potrzebne rozwiązania. Jak szacuje Organizacja Narodów Zjednoczonych, pomimo stosowania około 2 milionów ton pestycydów na skutek szkodników i chorób każdego roku tracimy od 20 do 40 proc. zbiorów.
W przypadku jednego z rozwiązań opracowywanego przez prof. Kalajiego uprawy ułatwi kamera do monitoringu z wbudowanym fluorymetrem – miernikiem stresu. Sygnalizuje zagrożenia na dwa-trzy tygodnie, nim skutki zaczną być widoczne gołym okiem. System będzie można wykorzystać nie tylko w szklarniach, ale również w lasach oraz na polach uprawnych. Dodatkowo wiązka laserowa umożliwia pomiary na odległość do ok. 300 km. Wystarczą odpowiednia lokalizacja lasera i wysoki maszt.
W kolejnym z projektów zainspirowanych badaniami prof. Hazema Kalajiego, prezentowanym obecnie na Triennale w Mediolanie „Greenhouse silent disco”, zwiedzający mogą oglądać artystyczną wizję szklarni przyszłości. To pomieszczenie wypełnione cyfrowymi sensorami, które zostały połączone z systemami komputerowymi po to, aby na bieżąco śledzić i rejestrować to, co „mówią” rośliny. Jak reagują na określone potrzeby, np. dotyk człowieka czy zmieniające się warunki atmosferyczne na zewnątrz. „Mowę” roślin można śledzić za pomocą zmieniających się kolorów świateł LED, a także dźwięków, na które przekładają je systemy komputerowe.
Innowacje to nie tylko większe zbiory, ale również oszczędność czasu. W Wielkiej Brytanii Richard Green z Harper Adams University opracował urządzenie do zbierania truskawek, które może zbierać owoce znacznie szybciej niż człowiek. Jak podkreśla Green, ludzie mogą zbierać od 15 do 20 owoców na minutę. Jego urządzenie zbiera truskawkę co dwie sekundy.
Rozwiązania nie ograniczają się oczywiście do roślin. Inteligentne obroże, przypominające znane nam wszystkim opaski do śledzenia stanu naszego zdrowia, są stosowane do monitorowania krów w Szkocji już od 2010 r. Opracowana przez start-up Silent Herdsman obroża monitoruje również płodność zwierząt. Wystarczy śledzenie aktywności – krowy poruszają się częściej w dniach, kiedy są płodne. Jeśli krowa spędza na jedzeniu i przeżuwaniu mniej czasu, urządzenie ostrzega hodowcę o ryzyku choroby. Zarówno informacje o dniach płodnych krów, jak i pogorszeniu stanu ich zdrowia wysyłane są bezpośrednio na smartfona.
Są już jabłka z czujnikami, które informują, że czas zacząć zbiory. Hodowcy dostają powiadomienia na smartfona
KONIEC STAREGO ROLNICTWA
Dlaczego tak niewielu z nas słyszało o podobnych rozwiązaniach i wciąż traktujemy je jako nowinki? Zdaniem części ekspertów podstawowy problem polega na tym, że rzadko przebijają się poza obszar akademickich dyskusji i niewielkich start-upów. Wiodący producenci nie inwestują w produkcję robotów czy nowoczesnych czujników, ponieważ jest to sprzeczne z aktualnym modelem biznesowym.
Zmiany są jednak nie do uniknięcia. Również w Polsce. Jak wskazuje dr inż. Jacek Skudlarski, przyszłością polskiego rolnictwa będą jeszcze bardziej zaawansowane technicznie ciągniki i maszyny oraz autonomiczne roboty pracujące na polach, w sadach czy w budynkach inwentarskich. Maszyny te podobnie jak stacje pogodowe i inteligentne sensory będą podpięte do Internetu Rzeczy (IoT), dzięki czemu rolnik będzie „miał swoje gospodarstwo w smartfonie”, z poziomu którego będzie nie tylko monitorował procesy produkcyjne, ale również nimi zdalnie sterował.
Jak podsumowuje prof. Hazem M. Kalaji, szybki wzrost populacji w połączeniu z coraz częstszymi katastrofami spowodowanymi zmianami klimatycznymi skutkuje tym, że tradycyjne rolnictwo przestaje spełniać swoją funkcję. Dowodem jest to, że zarówno na rynku lokalnym, jak i światowym obserwowany wzrost ceny produktów rolniczych w skali roku jest porównywalny, a nawet wyższy niż wzrost cen paliw czy złota.