RUNDT 10 ÅR GANG, i den voldsomme varmen i Kansas-sommeren ville mange av de skadelige kochia-ugresset som invaderer Phillip Stahlmans forskningsfelt, rett og slett ikke rykke ut når de sprayes med en blanding av to mye brukte herbicider, glyfosat og dicamba. Bare noen få måneder tidligere, i det kjøligere vårværet, hadde herbicidblandingen lett utløst ugressets små tynne blader til å krølle seg opp og bli brune, og signaliserte plantens død.
Nå hadde den stødige luken Stahlman stubbet. Stahlman, den gang en ugressforsker ved Kansas State University, hadde aldri opplevd dette problemet med ugressmidler før. Først antok han at han hadde brukt landbrukskjemikaliene feil. Men år etter år skjedde det samme. Stahlman visste at noe var oppe. Han fulgte nøye med ugresset i markene sine. Han konfererte også med lokale bønder som rapporterte at de hadde sett lignende problemer. “Lyset tente ikke på en stund før saken fortsatte å gjenta seg. Det var som å sette sammen et puslespill, sier Stahlman.
Til slutt bestemte Stahlman, som siden har pensjonert seg, at problemet var sannsynlig temperatur: Noe ved sprøyting i høy varme gjorde gjødselen mindre effektiv.
Stahlman er ikke alene om å gjøre denne observasjonen. I dag antyder stigende bevis at temperaturer på rundt 90 grader Fahrenheit eller høyere kan gjøre noe ugressmiddelresistent ugress enda mer motstandsdyktig, og føre til at annet ugress blir mindre følsomt for visse kjemikalier.
Noen bønder sier at de vet at høye temperaturer kan rote med noen herbicider, så de prøver å unngå sprøyting i varmen på dagen. "En god tommelfingerregel er at hvis det er 85 til 90 grader Fahrenheit, bare ikke spray," sier Curt Gottschalk, gårdsansvarlig i Hays, Kansas.
Ikke alle eksperter er enige om at dette mønsteret, i stor grad demonstrert i laboratorieforsøk, utgjør et problem for bønder. Og noen herbicider ser ut til å fungere enda bedre ved høye temperaturer. Men hvis varmen øker motstanden mot mange ugras mot store ugressmidler, kan implikasjonene være betydelige. Ukjent kan ugress ødelegge innhøsting og inntekt. Hvis bøndene ikke anstrengte seg for å bekjempe ugress, kunne de utslette rundt halvparten av all avling av mais og soyabønner over hele USA og Canada, ifølge Weed Science Society of America, et ideelt samfunn av akademiske forskere og industriforskere. Tapet kan koste bønder rundt 43 milliarder dollar årlig.
Bøndene kjemper allerede mot epidemier av ugress som har utviklet genetisk motstand mot flere herbicider, inkludert glyfosat og dikamba. Stahlman og andre ugressforskere hevder at temperatur kan være en oversett andre faktor som styrker ugressets forsvar mot ugressmidler. Selv om de fleste bønder nå forstår at temperaturen påvirker ugressmidler, kan det for det utrente øye se ut som motstand mot herbicider, sier Stahlman.
Disse forskerne frykter også at problemet kan forverres i fremtiden ettersom klimaendringene øker temperaturene og ekstreme værhendelser, inkludert hetebølger, blir hyppigere.
"Vi vet allerede at ugressmiddelresistens er det mest problematiske problemet med kjemisk ugressbekjempelse," skrev Maor Matzrafi, en ugressforsker ved Israels nasjonale landbruksforskningsorganisasjon, i en e-post til Undark. "Kanskje redusert følsomhet på grunn av klimaendringer er neste i køen."
BØNDER BRUKT TIL stole mindre på ugressmidler, i stedet for å kontrollere ugress ved hjelp av møysommelige metoder som foredling og manuell fjerning. Men fra midten av 1990-tallet begynte bioteknologiselskapene å debutere genetisk modifiserte avlinger som var resistente mot vanlige, kraftige herbicider. De nye frøene tillot bønder å sprøyte markene sine med landbrukskjemikalier for å drepe ugress mens GM-avlingen blomstret. Teknologien gjorde mest manuell lukking unødvendig, og bruk av herbicider økte globalt. Men ugress utviklet seg som respons, og herbicidresistente varianter dukket opp. Det har satt i gang en ny kamp mellom bønder og ugress, med bønder som i økende grad bruker kombinasjoner av kjemikalier, samt tilleggsdoser, for å prøve å slå av ugress.
Etter Stahlmans erfaring med kochia-ugress begynte han imidlertid å undersøke om temperaturen kan påvirke herbicidytelsen mer enn det som var allment anerkjent. (Stahlman, som mange akademiske ugrasforskere, har tidligere mottatt forskningsmidler fra landbrukskjemiske selskaper.)
For å tyde hvordan varme hjelper ugress med å avverge ugressmidler, gikk Stahlman sammen med KSU-kollegaer Mithila Jugulam, en ugressfysiolog, og Junjun Ou, en forskningsassistent. Teamet dyrket frøplanter fra kochia-populasjoner som stammer fra Kansas, i kamre holdt ved temperaturer fra 63.5 til 90.5 grader Fahrenheit - representant for statens vår- og sommervarme på dagtid. Temperaturen i kamrene falt hver 12. time for å etterligne kjøligere natt. Da plantene nådde rundt 4 inches høye, doserte forskerne noen med glyfosat og andre med dicamba. Med ukentlige intervaller undersøkte teamet ugresset for tegn på skade. Etter en måned kuttet de ugresset og tørket og veide dem.
Teamet fant at ved høye temperaturer trengte de mer enn dobbelt så mye mengde glyfosat og dikamba for å kontrollere ugress. De publisert resultatene i 2016.
For å forstå hvorfor varmen reduserte følsomheten, spores forskerne herbicidenes stier gjennom ugresset ved hjelp av mildt radioaktive versjoner av glyfosat og dicamba. Førstnevnte tidligere produsert av Monsanto, og sistnevnte produsert av BASF Corp. (BASF Corp. ga et doktorgradassistentskap til Ou for et annet prosjekt.)
Teamet fant at bladene absorberte mindre glyfosat ved høyere temperaturer. De er ikke sikre på hvorfor, men Jugulam tror varmen kan oppmuntre kochia til å utvikle tykkere neglebånd - et beskyttende lag på bladoverflaten - som deretter øker ugressets forsvar mot ugressmidlet. Teamet oppdaget en annen prosess på jobben da ugresset møtte dicamba. Temperaturen påvirket ikke mengden dicamba som ugresset absorberte, men det hindret herbicidets bevegelse gjennom planten slik at mindre nådde sitt mål - vevet utviklet seg på tuppen av nye skudd og blader.
I en annen studie, publisert i fjor, Vendte Jugulam oppmerksomheten mot herbicidet 2,4-D, en av ingrediensene i agent orange, en beryktet avfaltingsmiddel som ble brukt i Vietnam-krigen. I dag er det et av de mest brukte herbicidene. Jugulam testet hvordan temperaturen påvirket herbicidets evne til å kontrollere vanlig vannhamp, et bredbladet ugras som ble funnet i inngrep i mais og soyafelt fra Midtvesten.
I testene undersøkte Jugulam noe vanlig vannhamp som hadde utviklet genetisk motstand mot 2,4-D, og noen som ikke hadde gjort det. Hun fant ut at det tok mer enn tre ganger så mye herbicid å drepe resistent ugress under varme, tørre forhold enn ved kjøligere temperaturer. Hun fant en lignende, men mindre effekt i det følsomme ugresset.
Ugressmotstandsdyktig vannhamp overlever eksponering for 2,4-D ved raskt å bryte ned kjemikaliet i ikke-giftige stoffer før det kan nå sine mål på spissen av røtter, stilker og blader. Når temperaturen er høy, fant Jugulam, bryter vannhamp ned disse molekylene raskere.
Jugulam bemerket også at noen ugressmiddelresistente ugress ser ut til å bli mer motstandsdyktige under høye temperaturer, og noen følsomme ugress kan kreve mer ugressmiddel for å kontrollere dem.
Ikke alle ugress og ugressmidler reagerer på temperatur på samme måte. For eksempel har Jugulam også funnet at 2,4-D og glyfosat fungerer bedre ved høyere temperaturer mot vanlig og gigantisk ragweed, to andre ugress som er vanlige i amerikanske bønderfelt. Jugulam sier også at, selv i tilfeller der varme hindrer ugressmidler, ser effektene ut til å være begrenset til tørre forhold. Områder med høy luftfuktighet og nedbør ser kanskje ikke de samme effektene.
Men noen eksperter sier at beviset vokser i en rekke arter og landbrukskjemikalier om at temperatur, og i noen tilfeller høye karbondioksidnivåer, påvirker ugrasbekjempelse, i det minste i laboratoriet.
I tester publisert i 2016 fant Matzrafi at ved forskjellige temperaturer sto fire forskjellige arter av gressugress opp mot diklofopmetyl, en ingrediens i et herbicid produsert av Bayer, betydelig bedre enn de gjorde ved lavere temperaturer. Matzrafi fant også at høye temperaturer gjorde et annet herbicid, pinoxaden, mindre i stand til å dempe veksten av det invasive gresset falsk brom. Videre trivdes gresset selv når det ble byttet fra kjøligere forhold til et varmere miljø opptil to dager etter herbicidbehandlingen. (Forskningen ble delvis finansiert av ADAMA Agricultural Solutions, et agrokjemisk selskap med base i Israel.)
"Våre funn, og mange andre studier siden 90-tallet, antyder at miljøforhold etter påføring også kan påvirke herbicidfølsomhet," forklarte Matzrafi i en e-post. Selv om bønder sprayer under kjøligere temperaturer, er det kanskje ikke nok for å unngå effekten av varme.Til tross for økende doser diklofopmetyl, trives dette ugressmiddelfølsomme raigraset i et varmere klima. På hvert bilde påføres ugressmidlet i større mengder som går fra venstre til høyre. På planten helt til venstre påføres ikke noe herbicid. På det venstre bildet dyrkes raigraset under lavere temperaturer (50-61 grader Fahrenheit), mens på det høyre bildet dyrkes raigraset under høyere temperaturer (82-93 grader Fahrenheit). visuelle: Hilsen av Maor Matzrafi
Ekspertene frykter at disse forholdene vil forverres under klimaendringene. Allerede mange amerikanske stater som er viktige for landbruket, så vel som andre store matproduserende regioner over hele verden, opplever regelmessig temperaturer på 90 grader Fahrenheit i vekstsesongene. Noen forskere sier at problemer med varme- og herbicidytelse kommer til syne nå, delvis på grunn av hyppigere episoder med ekstrem varme de siste tiårene.
Imidlertid er det vanskelig å finne ut hvilke effekter som i dag er sett på nylige klimatiske endringer, skrev Lewis Ziska, en plantefysiolog ved Columbia University i New York, i en e-post til Undark. Men, og bemerker at ugress er "den største begrensningen for matproduksjon", advarer Ziska at "det vil være en formidabel utfordring for bønder i et mer ekstremt miljø."
I Midtvesten kan for eksempel temperaturene stige med et gjennomsnitt på 8.5 grader Fahrenheit ved slutten av århundret, med lengre og hyppigere strekninger av ekstrem varme, ifølge anslag for føderale myndigheter. Og i Sør-Asia, inkludert India - en verdensomspennende viktig region for produksjon av ris, pulser, nøtter og bomull - det mellomstatlige panelet for klimaendringer prosjekter at gjennomsnittlig årstemperatur vil stige med nesten 6 grader Fahrenheit innen 2100.
I det første eksperimentet i sitt slag, hvis resultater var rapportert i fjor, Matzrafi studerte felleseffekten av varme og økte karbondioksidnivået på to forskjellige ugressarter og fant at kombinasjonen øker ugressets ugressmiddelforsvar utover det av begge faktorene alene.
Det er ikke klart om herbicidprodusenter er forberedt på de kommende utfordringene til en oppvarmende planet. Mange anbefaler ikke optimale sprøytetemperaturer for å sikre effektiviteten i retningslinjene de distribuerer til bønder.
I en skriftlig uttalelse sier Clark Ouzts, en talsperson for Sygenta, produsenten av pinoxaden, at selskapet ikke har studert de potensielle effektene av klimaendringene på herbicidets aktivitet, men at ”feltforskning og kommersielle applikasjoner ikke har vist at temperaturen har en betydelig innvirkning på aktiviteten til Pinoxaden. ”
Charla Lord, en talsperson for Bayer, skrev i en uttalelse at selskapets herbicider er "grundig testet for å oppfylle alle myndigheters krav" og "merket slik at applikatorer vet hvordan de skal søke om dem for optimal kontroll og suksess." Selskapet svarte ikke på spesifikke spørsmål angående effekten av produktene deres under høye temperaturer, selv om selskapet har gjort det postet om utfordringene ved høy temperatur sprøyting på hjemmesiden sin. Corteva, som lager herbicider som inneholder 2,4-D, svarte ikke på forespørsler om kommentarer om hvordan høye temperaturer påvirker herbicidets ytelse.
IKKE ALLE ER overbevist om at disse eksperimentelle funnene staver problemer for bønder. Noen forskere og ugresseksperter sier at laboratorieforholdene adskiller seg radikalt fra feltet, noe som gjør resultatene mindre relevante. "Jeg tror ikke vi kan si med sikkerhet at dette har innvirkning på den virkelige skalaen," skrev Brad Hanson, en ugressekspert ved University of California, Davis, i en e-post til Undark. Hanson jobbet med Matzrafi på forskningen som ble publisert i fjor.
Hanson, som jobber med bønder i California som forsker og utvidelsesspesialist, skrev også at bønder vanligvis bruker nok herbicid for å overvinne små endringer i ugressfølsomhet forårsaket av varme.
Kassim Al-Khatib, en avlingsfysiolog ved University of California, Davis, som har undersøkt hvordan ugressmidler presterer under varme og fuktighet, skrev i en e-post til Undark at studiene utføres under nøye kontrollerte laboratorieforhold som bønder aldri ville finne i deres Enger. "Det som skjer under kontrollerte forhold, støtter generelt ikke det som skjer under feltforhold," skrev han.
I sin egen forskning har Al-Khatib studert effekten av temperatur og fuktighet på et lite antall herbicidtyper og ugressarter. I tilfellene han har studert, sier han, forbedrer herbicideffektiviteten generelt ved høyere temperatur og fuktighet, med mindre temperaturer overstiger 100 grader Fahrenheit. Matsrafi og Jugulam er enige om at laboratoriet ikke gjenspeiler det mer komplekse gårdsmiljøet.
"Men jeg tror ikke det reduserer viktigheten av resultatene," skrev Matzrafi. Han, Stahlman og andre sier at de har sett effekten i feltet for seg selv. ”Jeg tror vi ser noe. I løpet av de neste 10 årene tror jeg vi vil se mer. Det kommer til å være et stort problem, sier Chuck Otte, en agent for forskning og utvidelse i K-State i Geary County, Kansas, som primært jobber med bønder.
Forskningsresultatene prøver nyheter for bønder som er avhengige av ugressmidler for å holde stadig mer våpenformet ugress i sjakk. Foreløpig prøver noen bønder å avverge noen av effektene av varmen ved å spraye ugressmidler i kjøligere perioder på dagen. I hjertet av sommeren sier Carie Moore at hun noen ganger våkner før daggry for å sprøyte sin 650 hektar store gård i Nord-Dakota før varmen klatrer for høyt, av og til topper 100 grader Fahrenheit. Men når kloden varmes opp, vil bøndene møte smalere vinduer der temperaturene er kule nok til å sprayes, sier Ziska. Og Matzrafis forskning antyder at sprøyting i kjøligere perioder ikke garanterer at herbicideffektiviteten ikke påvirkes av varmeutbrudd som kommer senere på dagen eller til og med dagen etter.
Og noen ganger kan bønder ikke unngå å sprøyte herbicider i varmen, spesielt på store gårder med flere tusen dekar.
Otte sier at skeptikere kanskje ikke skjønner at herbicidene ikke fungerer fordi varme har gitt ugress en hjelpende hånd. De kan først anta at en rekke andre vanlige faktorer er feil, for eksempel motstand mot ugressmiddel, mangel på nedbør eller for lite ugressmiddel. "Det er så mange forvirrende faktorer at det er vanskelig å ordne alt," sier han.
På lang sikt vil bøndene trenge å redusere sin avhengighet av ugressmidler og i stedet bruke andre teknikker som ofte brukes i økologisk jordbruk i dag for å holde ugress unna, sier mange eksperter. For eksempel hjelper det å plante dekkavlinger som vårhavre eller karmosinrødskløver for å stoppe ugress som roter i bar jord, og å dyrke en rekke avlinger i rotasjon kan føre til at ugress med ulvfot hjelper til med å undertrykke populasjoner. Moore beveger seg allerede i denne retningen. Hun roterer soyabønner med hvete, bygg og et par andre avlinger og planter en rekke ekstra dekkavlinger, inkludert rug og erter.
Hun tilpasser også av og til jorda for å dempe veksten av ugress. "Jo mindre vi må sprøyte kjemikalier, jo bedre," sier hun. For å holde utbyttet, kan oppdrett ikke helt forlate ugressmidler, sier Ziska. Med veldig få nye kjemikalier som tilbys, vil bøndene måtte være mer forsiktige med herbicidene de har nå for å sikre at de fortsetter å jobbe i fremtiden. Produsenter må gi bøndene bedre råd om når og hvordan man bruker herbicider, legger Matzrafi til.
"Bønder kan ikke lenger bare spraye og be," sier Otte.