大规模农业已成为美国首要的生态公敌，这是其应得的声誉。但如果这个行业可以变得更具可持续性呢？难以置信？事实证明，适应我们的地球是美国农业的全部历史。以下将介绍工业农业如何在20世纪30年代的环境灾难面前发生转变，以及它如何能够为适应地球不确定的未来而改变。
回顾农业的过去……
特德·格诺韦斯（Ted Genoways）的文章
在我祖先留下的装满褪色照片和泛黄剪报的阁楼箱子里，有一件物品格外显眼。这是一篇刊登在《威奇托周刊鹰报》（The Wichita Weekly Eagle）上的短文，醒目标题是：“萨姆·格诺威的拖拉机”。萨姆，我的远房表亲，显然很高兴在报纸上看到自己的名字，以至于他没有在意作者是否拼对了名字。但故事其实并非关于他。正如标题所示，重点是萨姆的拖拉机。他的妻子凯莉·梅（Carrie Mae）告诉记者：“人们发现了他能做的各种工作，他们从很远的地方赶来。”
那是1917年5月。美国向德国宣战，伍德罗·威尔逊总统将萨姆种植的小麦列为“战争物资”。农业部将粮食生产列为国家优先事项，亨利·福特宣布他将在收获季前大规模生产拖拉机。那个季节，萨姆和他的卡特彼勒45（Caterpillar 45）犁了数百英亩的土地。“我预计这不会持续太久，”凯莉·梅说，“因为雇佣他的人很快就决定他们需要自己的拖拉机了。”
她完全说对了。美国农场上的拖拉机数量从1917年初的约5万辆激增到20年代末的近100万辆。有了额外的马力和节省下来的人力，数千万块崎岖的土地变成了肥沃的农田。农民们砍伐树木和灌木，拔除巨石，挖掘灌溉渠道，并修建了数英里长的新道路。最重要的是，拖拉机打破了密实的表层土，形成了宽阔的犁沟和疏松的播种床。美国农业蓬勃发展。
然而，当欧洲的粮食生产商重新进入全球市场时，美国农业发现自己处于危险的过剩生产状态。农作物价格跌至历史低点，购买了拖拉机和设备的农民们在偿还债务利息方面举步维艰。就在20世纪30年代的干旱来临之际，农民们放弃或休耕了3300万英亩新开垦的土地。这些土地未受保护且未种植作物，表层土变得干裂并被吹走，形成了“黑色风暴”。从德克萨斯州狭长地带到南内布拉斯加州，从科罗拉多落基山脉的麓地到堪萨斯州花园镇附近的起伏草原（萨姆就住在这里），数万个家庭在被称为“沙尘暴”（Dust Bowl）的事件中失去了他们的农场。
1933年，富兰克林·罗斯福就任总统，他任命亨利·A·华莱士（Henry A. Wallace）为农业部长，以解决这一问题。历史学家们经常认为，先锋高产玉米公司（Pioneer Hi-Bred Corn Company）的创始人华莱士通过培育抗旱玉米使农场摆脱了沙尘暴的困境。但罗斯福总统做得远不止这些。为了减少沙尘暴和水土流失，他支付森林巡逻员在田地周围种植了超过2亿棵树。他签署了《土壤保护法案》，为土地所有者提供了恢复本土植物的补贴。真正拯救农业的是保护资源的政策，以及奖励那些纠正浪费行为的人。
关于萨姆拖拉机的这篇剪报提醒我们，美国的创新精神解决了无数危机，但也创造了许多危机。我们的历史，就像沙尘暴部分是由于技术超越了管理能力而形成的，应该指导我们的决策。大规模的传统农业，或者我们常说的“大型农业”，可以进行大规模的研发投资，以提高产量并减少对地球资源的负面影响。如今的农民获得的和以往任何一代相比，都拥有更多的数据、更多的研究和更多的支持。但如果忽视了规模扩大和产量增加所带来的意外后果，我们就会面临创造下一代问题的风险。
这方面的例子远远不止沙尘暴。新的灌溉系统帮助农民度过了20世纪50年代的下一次干旱，但也耗尽了地下含水层。转基因种子使得在更少的土地上种植更多作物成为可能，但也导致土壤健康状况下降以及食物的营养价值降低。集约化养殖场和巨大的猪牛鸡舍，常被称为“集约化动物养殖场”，加快了肉类生产并释放了农田，但它们也导致了抗生素耐药细菌的兴起，并污染了社区的饮用水。现在，随着工程师们朝着自动触发灌溉、自动驾驶联合收割机和带自动喂食系统的动物养殖场发展，这既是一个提高利润的绝佳机会——但也存在生产再次对宝贵自然资源造成不可预见的威胁的风险。
在联邦政策的支持下，萨姆度过了十年的艰苦和贫困。他的故事提醒我们，美国人可以在未来艰难的时期开辟一条更好的道路，但前提是我们必须从过去的错误中吸取教训。大型农业是一股强大的力量。我们必须确保它能发挥积极作用，造福农民和我们星球不确定的未来。
……以修复其未来。
尼克·斯托克顿（Nick Stockton）撰写的关于工业农业最大问题的实用解决方案。
水
过度消费、污染、气候变化以及日益增长的人口需求，正导致加利福尼亚、地中海和中美洲等关键农业地区日益干旱。
问题：频繁的干旱
解决方案：早熟植物
自20世纪40年代以来，从德克萨斯州到南达科他州的农民在零星的干旱时期都依赖奥加拉拉含水层。现在，该储水层的部分地区已严重枯竭。农业巨头孟山都（Monsanto）、先正达（Syngenta）和杜邦（DuPont）已经培育出能够克服干旱的植物，但这些种子价格更高，而且农民并不总能获得足以证明价格合理的产量。问题在于，这些干旱时期的幸存者一旦天气变化，往往无法足够快地关闭它们的干旱模式。作物开放叶子上的孔（这些孔在干旱时会关闭以防止宝贵水分蒸发）所需的时间越长，它们利用促进生长的水分的可能性就越小。但有些植物，例如埃默里大学（Emory University）生物学家罗杰·迪尔（Roger Deal）研究的一种苜蓿近亲，拥有遗传物质，可以在降雨后仅数小时内就恢复完全功能。未来经过这种“超能力”改造的植物可能不会很快出现在餐桌上，但这并不意味着它们有一天不会出现在您的盘子里。对帮助植物“记住”何时进入和退出干旱生存模式的基因组物质的研究，可以帮助工程师设计能够更快转换的种子，从而提高产量，让农民做出更明智的购买。
问题：H₂O 过度使用
解决方案：探针测试水量
你无法询问蔬菜或谷物它们是否口渴，但你也许能够判断你的土壤提供了多少饮用水。自2013年起，一群堪萨斯州农民接受了一项为期五年的挑战，将地下水消耗量减少20%。通过将电子探针插入他们总共170块田地中，这些实验性种植者能够监测土壤的湿度含量，并仅在土地真正过于干燥以至于无法维持作物生长时才开启洒水器。最终，这种“替身饮水法”带来了回报：节水者种植的玉米产量达到了邻居的98%，但使用的水量却减少了23%。这对我们的水资源和农民来说都是好消息：减少抽水帮助探针使用者在季节结束时多赚了4%的现金。
土壤
联合国估计，集约化农业已严重退化了地球三分之一的生产性土地，并且每年继续破坏约240亿吨土壤。通过创新的土壤改良剂，我们的粮食系统可以更轻盈地前行。
问题：化肥污染
解决方案：大地玄武岩
工业化肥帮助我们为人类和牲畜生产大量食物。加州大学伯克利分校2015年的一项研究表明，传统耕作的产量平均比有机耕作高20%。然而，依赖这些化学助剂会降低土壤质量和食物的营养成分。有机肥效果更好，但作用缓慢。也许还有第三种方法：岩石。玄武岩含有植物所需的钙、铁和镁等物质。将破碎的火山石添加到土壤中还可以吸收碳并帮助保持水分。听起来像骗人的把戏？加州战略增长委员会（Strategic Growth Council），一个负责将拨款用于可持续性项目的委员会，并不这么认为。2018年，它花费了470万美元在全州范围内的土地上测试玄武岩施肥。最大的挑战之一是将材料研磨到合适的尺寸：大块的石头分解速度不够快，而小颗粒的成本太高。
问题：CO₂ 排放
解决方案：陆地上的珊瑚礁
农业排放约占世界年温室气体排放量的15%；即使是耕作土壤也会释放大量的CO₂。“减少排放很好，但仅靠减少化石燃料使用已经太晚了，”爱荷华州立大学可持续农业利奥波德中心（Leopold Center for Sustainable Agriculture）主任马克·拉斯穆森（Mark Rasmussen）说。拉斯穆森的提议是珊瑚礁式的碳捕获，本质上是在地下种植“珊瑚礁”。在海洋中，这些生态系统由微小海洋生物的外骨骼组成，它们从海水中捕获二氧化碳来建造它们的壳。拉斯穆森的团队希望利用土壤中天然存在的微生物，它们可以以同样的方式处理二氧化碳。研究人员会将这些微生物播种到土壤中，在那里它们会将排放物转化为钙。这些仿造的珊瑚礁甚至可以放置在不可耕地上，吸收大气中的CO₂，而不会损坏任何农用设备。
问题：有毒径流
解决方案：有益的微生物
墨西哥湾存在一个玉米问题：美国中部地区的玉米种植者用大量的合成氮肥给作物施肥。径流流入密西西比河，最终流入数百英里外的墨西哥湾。在那里，贪婪氮的藻类会大量繁殖，形成巨大的“死亡区”，窒息其他海洋生物。墨西哥可能有一个玉米解决方案：加州大学戴维斯分校和威斯康星大学麦迪逊分校的植物生物学家发现了一些野生墨西哥玉米品系，它们可以自己产生氮。这些植物形成地上根，分泌一种含有共生细菌的凝胶。这些微生物将大气中的氮转化为必需的营养物质。科学家们已经在威斯康星州和加利福尼亚州培育出这种自养品种，观察到类似的结果。他们目前正在研究是否可以培育出具有类似才能的高产商业玉米，从而减少美国为第一大农产品施肥的需求。
动物
美国近三分之二的蛋白质来自肉类、牛奶和鸡蛋，但饲养数十亿动物会带来一系列令人不快的问题。代数和藻类将在此提供帮助。
问题：粪便泻湖
解决方案：另一种棕色能源
牲畜农民通常会将动物粪便倾倒在露天“泻湖”中，当暴雨使这些水池满溢时，这种做法尤其危险，会将粪便带入洪水。例如，在2018年的佛罗伦萨飓风期间，北卡罗来纳州数十个养猪场的粪便从这些蓄粪池中溢出。即使没有自然灾害的帮助，泻湖也可能渗漏或溢出到当地水源中。幸运的是，粪便池并非我们唯一的选择。大型的、充满细菌的罐子，称为厌氧消化器，可以将废物转化为甲烷气体。然后，农民可以将这些气体转化为电力，他们既可以将电力卖回电网，也可以用来为自己的农场供电。2018年，美国环保局（EPA）的AgStar金融服务公司通过向小型农场提供更便宜的微型消化器，减少了超过400万吨温室气体排放。这只是248个消化器项目的成果，而全国有200多万个农场。
问题：破坏的土壤
解决方案：母牛的数学
许多牛场将尽可能多的牛聚集在一块土地上。这是一种失败的策略。牛群的啃食速度太快，以至于牧场无法重新长出最好的草。这使得裸露的土壤暴露在元素之下，导致土壤失去养分和体积。过度放牧的区域也挤占了其他植物和动物的生存空间，从而加剧了景观的整体生态恶化。答案可能很简单，就是确定一块土地上可以放牧多少头牛而不造成损害。德克萨斯农工大学（Texas A&M University）研究员蒙特·鲁凯特（Monte Rouquette）在实验地块上饲养牛，计算降雨量、土壤成分和其他因素如何影响土地养育牲畜的能力。他还记录了生物多样性以及牛群数量对肉类质量和数量的影响。虽然他的模型仅适用于东德克萨斯州（他的家乡，也是数百万头牛的家乡），但他的代数方法可以在其他地方奏效，并且他与美国农业部（USDA）分享了他的模型。
问题：牛的温室气体
解决方案：海带的帮助
牛吃东西的时候会打嗝。很多。事实上，尽管人们经常谈论牛放屁，但牛打嗝造成的甲烷排放占牛总甲烷排放量的约70%。更重要的是，地球上十亿头牛的总打嗝量约占全球每年温室气体排放量的14.5%。加州大学戴维斯分校的动物科学家埃米亚斯·凯布里亚布（Ermias Kebreab）和他的团队发现，在奶牛饲料中添加红海藻可以使甲烷含量高的……排放量下降60%。这种脱水海藻的添加似乎抑制了哺乳动物四个胃中的第一个胃产生的酶，而其中至少一种酶似乎在甲烷的形成中起着关键作用。起初，反刍动物吃的这种带有鱼腥味的饲料比它们平常的晚餐略少，但加入少许糖蜜来掩盖不熟悉的气味，有助于它们适应新的“更好的打嗝”饮食。
问题：无敌的虫子
解决方案：让超级害虫分开
几十年前的农民可能会因为某些昆虫，如根虫、粉虱和蚜虫而损失一季的作物，但早期的解决方案也带来了自己的问题，例如杀虫剂导致我们的蜜蜂数量锐减。研究人员已经探索了其他选择，包括改造作物使其能够帮助杀死害虫，但这也适得其反。这些经过基因改造的植物从未能消灭所有目标，因为一些入侵者对害虫有天生的抗性。一旦转基因作物消灭了其余的虫群，那些未被毒死的幸存者就只能与同类繁殖。结果就是：新一代更强、更坏的害虫。亚利桑那大学（University of Arizona）的研究人员通过在转基因田地里种植未经改造的种子来解决这个问题，这使得一些非抗性昆虫得以生存，并将其易感基因与更强的同类混合。然而，这种方法工作量很大，所以亚利桑那州的团队与一些中国科学家合作进行交叉育种。他们将转基因棉花与未经改造的版本进行杂交，培育出一种产生75%抗性和25%非抗性植物的品种。
问题：化学肥料
解决方案：活三叶草
土壤本身含有大量的氮，但它缺乏一些能让植物将其转化为营养物质的分子。许多牛场向牧场喷洒污染水源的化学肥料，以确保他们的牛群在整个季节都有充足的高大、茂盛的草可吃。这对牛很好，但对我们的土壤和海洋生物有害。三叶草可以提供一种喷雾替代品。这种覆盖作物的根部寄生着共生细菌，它们将氮转化为植物可以使用的“固定”形式。德克萨斯农工大学的研究人员找到了一种方法，可以利用三叶草为牧草提供养分：他们在秋末，也就是草长出来之前，在田地里播种了这种豆科植物。然后，牛会啃食三叶草，并排出固氮的粪便，帮助下一季的牧草茁壮成长。这种方法不仅减少了对合成肥料的需求，还延长了放牧季节，因为动物们可以啃食美味的新绿。
本文最初发表于《大众科学》2019 年夏季“持久耐用”特刊。
