MB130P68 Globální změny a trvalá udržitelnost. ZS 2012/2013. Lubomír Nátr, Lubomír Nátr

Transkript

1 MB130P68 Globální změny a trvalá udržitelnost. ZS 2012/2013 Globální změny klimatu, a trvale udržitelný rozvoj Jak získáváme potraviny? Lubomír Nátr, 2011 Lubomír Nátr

2 9. Jak získáváme potraviny? Vznik zemědělství a jeho důsledky Význam šlechtění (G. Mendel) a minerální výživy rostlin (J. Liebig) Charakteristika současného intenzivního zemědělství. Ekologické zemědělství, geneticky modifikované rostliny. Lubomír Nátr, 2011

3 S b ě r a č i a l o v c i Džungle trhu: Intelekt a zkušenosti zemědělců Výkupní ceny u zemědělců Zkušenost, znalost, se věda, v konečné ceně obilí projevují minimálně Přímá směna Parní stroj Spalovací motory G. Mendel Šlechtění J. Liebig Výživa M e c h a n i s a c e Struktura porostu Tvorba výnosu C h e m i s a c e L. Nátr, 2010

4 Potraviny pro víc lidí Vlastnictví půdy, mocenské vztahy, společenská hierarchie, dědictví Vznik a rozvoj řemesel, vědy Zemědělství Lov zvířat a sběr rostlin Lubomír Nátr, 2009

5 Věda Technika Zemědělství Lov zvířat a sběr rostlin Lubomír Nátr, 2009

6 Produkce potravin (10 9 tun) Produkce potravin (10 9 tun) 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 0,0 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 0,0 Hnojiva Stroje Aplikovaná minerální hnojiva (10 6 rok -1 ) Zavlažovaná plocha (10 6 ha) Zemědělské stroje (10 6 ) Závlahy Plocha 0,00 3,50 3,75 4,00 4,25 4,50 4,75 Zemědělská půda (10 9 ha) Lubomír Nátr, 2009 Pretty J. 2007

7 Plocha zemědělské půdy Souhrnně (a zjednodušeně) Hospodářská zvířata Lubomír Nátr, 2009

8 populace produkce plocha výnos t/ha produkce na 1 obyv. Kukuřice + + rýže + + pšenice = 100% Rok Lubomír Nátr, 2011 Mírně zjednodušeno: nepoužity klouzavé průměry, nezohledněna plochy druhů ap.

9 7x10 9 Počet lidí na Zemi Světová populace 6x10 9 5x10 9 4x x Rok World population growth a kuku+ry+pše Prudukce na 1 obyvatele (t obyvatel -1 ) 0,34 0,32 0,30 0,28 0,26 0,24 0,22 0,20 (kukuřice + rýže + pšenice (t)) na obyvatele Země Rok FAO data

10 P Wheat Maize Rice Potato Sugar beet Cassava Barley Batate Soybean Oil plame Tomato Sorghum Orange Cabbage Coconut Bananas Bean Carrot Capsicum Lettuce Peas Lentil Pšenice Kukuřice Rýže Brambory Cukrová řepa Production in 1996 (10 6 t)

11 900x x x x x x Světová roční produkce (t) Výnos (t ha -1 ) x x x x x x Kukuřice Produkce na 1 obyvatele (kg) Světová roční produkce (t) Výnos (t ha -1 ) x x x x x x Rýže Produkce na 1 obyvatele (kg) Světová roční produkce (t) Výnos (t ha -1 ) Pšenice Produkce na 1 obyvatele (kg)

12 3,0x10 9 2,0x10 9 1,0x10 9 0, Roky Světová produkce (t) Produkce na 1 obyvatele (kg) Kukuřice+rýže+pšenice+ječmen

13 Produktivita Diverzita druhová Akumulace sušiny Závislost na vstupech Stabilita Koloběh živin Vysoce produktivní agroekosystémy Přírodní ekosystémy Lubomír Nátr, 2009

14 Znaky charakterizující zemědělství v rozvíjejících se a v průmyslově vyspělých zemích. (Hossner a Dibb, 1995). Znak Rozvíjející se země Vyspělé země Prodej produktů z farmy < 50 % > 50 % Nákup vstupů < 10 % > 30 % Pracovníků v zemědělství > 70 % < 10 % Výnosy plodin 1 až 2 t ha -1 > 4 t ha -1 Zdroje minerálních živin Zvířata, zbytky, odpad, bobovité Průmyslová hnojiva Kontrola plevelů a škůdců Rotace, úhor, meziplodiny, biologické formy Pesticidy Vstup pracovní síly Vysoký Nízký Míra specializace Nízká Vysoká Zdroje pohonu Lidé a zvířata Traktory a elektřina Nejvýznamnější vstupy Půda a práce Kapitál Lubomír Nátr, 2009

15 Faktory rozhodující o výši výnosů 1.Nové produktivní odrůdy (šlechtění G. Mendel) HI, C3-C4, Využití CO2, 2.Průmyslová hnojiva (minerální výživa J. Liebig) 3.Závlahy(vodní režim) 4.Ochrana(fytopatologie) 5. Zpracování půdy 6. Další, další, další

16 Norman Borlaug Born Died March 25, 1914( ) Cresco, Iowa September 12, 2009 (aged 95) Dallas, Texas Lubomír Nátr, 2011

17 CIMMYT, The International Maize and Wheat Improvement Center. Mexiko Nejen v Mexiku 1943_ import ½ spotřeby pšenice 1956 Plná soběstačnost pšenice 1964 Export 0,5 milionů tun pšenice The term "Green Revolution" was first used in 1968 by former USAID director William Gaud, who noted the spread of the new technologies and said, "These and other developments in the field of agriculture contain the makings of a new revolution. It is not a violent Red Revolution like that of the Soviets, nor is it a White Revolution like that of the Shah of Iran. I call it the Green Revolution." [ 4] Lubomír Nátr, 2011

18 Wheat yields in Mexico, India, and Pakistan, 1950 to kg/ha baseline 500 Borlaug was awarded the Nobel Peace Prize in 1970 Jak toho N. Borlaug dosáhl? Lubomír Nátr, 2011

19 Wheat yields in selected countries ftp://ftp.fao.org/docrep/fao/012/ak977e/ak977e00.pdf Lubomír Nátr, 2011

20 1.Dvě generace ročně 2.Zvýšení odolnosti proti chorobám víceliniovými odrůdami 3.Geny zakrslosti Lubomír Nátr, 2011

21 Zelená revoluce zavedla : 1- Aplikace minerálních živin, zejména N, a tedy - vysokou spotřebu fosilních paliv, - nitráty ve spodních vodách - eutrofizaci 2. Aplikace závlah 3. Aplikace pesticidů 4. Závislost na komerčních odrůdách (osivech) 5. Rozšíření monokultur a pokles biodiverzity (Vyšší výnosy ušetřily přeměnu dalších ploch přírodních ekosystémů?!) 6. Zvýšila sociální nerovnost na venkově Lubomír Nátr, 2011

22 L. Nátr, 2010 Optimalizace struktury porostu 50. až 80. léta 20. století

23 This sp subject ujo ujournal phrase all 25 0date_desc journals_n journals_p g o New plant type, super-rice, Od 90. let 20. století dodnes Konvenční Výnosnější, silně odnožující Green revolution: the way forward Gurdev S. Khush Nature Reviews Genetics 2, (October 2001) L. Nátr, 2010 NPT méně odnoží, robustní stéblo více obilek v latě

24 Shaping a better rice plant Nature Genetics 42, (2010) L. Nátr, 2010

25 (2) Rýže C3 Rýže C4 L. Nátr, 2010

26 ? V podmínkách optimalizace -Minerální výživy, -Dostatku vody -Ochrany proti plevelům, chorobám a škůdcům Zvýšení rychlosti fotosyntézy = = hospodářského výnosu = = produkce biomasy = = poutání energie slunečního záření = = poutání atmosférického CO 2 JAK? L. Nátr, 2010

27 Rozhodující faktory Sluneční záření Absorbované sluneční záření Účinnost využití záření Pohlcené záření Fotosyntetická účinnost Biomasa porostu Distribuce asimilátů Transport a distribuce Hospodářský výnos Katedra fyziologie rostlin Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy. Lubomír Nátr

28 (1)Architektura porostu (2)Rychlost fotosyntézy listu L. Nátr, 2010

29 P N (µmol CO 2 m -2 s -1 ) ,6x2= =35,2 13x4= =52 8x8= =64 20,7x1= =20, Ozářenost (µmol kvant m -2 s -1 )

30 Leaf: W m o P N (µmol m -2 s -1 ) leaf ground o o o o Význam prostorové orientace listů na rychlost fotosyntézy vztaženou na jednotku plochy listů nebo plochy půdy

31 Vegetation period Doba vegetace X Pokryvnost Leaf area listoví (LAI) X Rychlost fotosyntézy Rate of photosynth. = = Hmotnost Dry mass sušiny - - Respiration porostu - dýchání X Sklizňový Harvest index = = Economic Hospodářský yield výnos

32 12 10 Leaf area index Index listové plochy Teoretické optimum Theoretical optimum 2 1 Real canopy Reálný porost Time (weeks) 3

33 Faktory rozhodující o výši výnosů 1.Nové produktivní odrůdy (šlechtění G. Mendel) HI, C3-C4, Využití CO2, 2.Průmyslová hnojiva (minerální výživa J. Liebig) 3.Závlahy(vodní režim) 4.Ochrana(fytopatologie) 5. Zpracování půdy 6. Další, další, další

34 A. Thaer J. Liebig 2011 Katedra fyziologie rostlin Přírodovědecké Lubomír fakultynátr, Univerzity Karlovy. Lubomír Nátr

35 Výnos NE! Minerální živiny

36 Výnos Sklizňový index Translocation Doba vegetace Biomasa porostu Plocha listů Rychlost fotosyntézy Minerální živiny

37 Rychlost fotosyntézy Rychlost fotorespirace Rychlost dýchání otevření průduchů vliv teploty Biomasa porostu Výnos Vztahy mezi zdroji a sinky Exudáty Aktivita mokrobů Půdní organická hmota Fotosyntéza CO 2 Růst kořenů

38 Vlivy na rychlost fotosyntézy Plocha listů Fotosyntéza Distribuce Výnos Dostupnost vody, transpirace Transport asimilátů Fyzika, chemie, biologie půdy Příjem kořeny Minerální živiny v půdě

39 Minerální živiny MINERAL NUTRIENTS Vegetation Doba vegetace period Leaf LAI area Rate of photosynthesis PN Distribuce asimilátů Assimilate partitioning PLANT DRY MATTER Biomasa porostu Harvest index HI E C O N O M I C Y I E L D Hospodářský výnos (kernels, tubers, fruits, etc.)

40 ECONOMIC YIELD Dry matter partitioning Formation of reserve organ s (sin k) Dry matter produ ction Lo ngevity of leaves Size and structure of leaves Rate of p hotosyn thesis Rate of respiration Sourc e Nutrient partitio ning into individual organs S ource A cumulation and assim ilation of nutrients into the roots Root grow th Transp ort into the shoot Nutrient uptake by the roots (Fertilizer application) Change of the nutrient co ntent in the soil Exudates Physical, chem ical and biolo gical prop erties of the soil Processes occuring in the soil and plant roots

41 A. Mitscherlich: Yield (y, t ha -1 ) A (A-y) y a y=a-(a-a).e -k.x Fertilizers (x, t ha -1 )

42 (Harvested/Input) energy Účinnost využití dodatkové energie Use efficiency of the input energy Chceme Input energy (GJ ha -1 year -1 ) Harvested energy (GJ ha -1 ) Sklízená (sluneční) energie Harvested (solar) energy Musíme Dodatková energie Input energy (GJ ha -1 )

43 Celosvětově ročně: Spotřeba N hnojiv: tun Produkce pšenice+rýže+kukuřice+ječmen: tun V sušině obilek: 2% N Ročně se odčerpá tun jen v obilkách Lubomír Nátr, 2009

44 Millar et al., Mitig Adapt Strateg Glob Change (2010) 15:185 2 Vliv N hnojení závisí na (1)Dávce (kg N / ha) (2)Době aplikace (3)Formě (složení) hnojiva (4)Způsobu zapravení N 2 O-N rate

45 Některé nedostatky konvenčního zemědělství: - Jednotvárnost krajiny (městské aglomerace, dálnice, továrny ) - Pokles biodiverzity, druhová pestrost (globalizace produktů, služeb, norem ) - Únik aplikovaných hnojiv do spodních vod (dluh biologů, úniky ropných produktů ) - Zamořování pesticidy (produkty spalování motorů ) - Úmrtí (?) z nekvalitních potravin (azbest, elektřina, dopravní nehody ) Lubomír Nátr, 2009

46 Využití zvyšující se koncentrace CO 2 1. Ve vztahu ZDROJ SINK zvyšovat sink (Šlechtění i technologie pěstování) 2. Zvýšit dostupnost minerálních živin (Zejména N rubisco) 3. Cíleně šlechtit na citlivost k CO 2 (Existují nejen druhové, ale i odrůdové rozdíly) L. Nátr, 2010

47 Konvenční zemědělství: -Vědecké poznatky -Nové technologie -Zkušenosti a um zemědělců -Vysoká produktivita (malý podíl přímých pracovníků, hodně navazu Blízká budoucnost: -Precisní zemědělství -Agrolesnictví -Správa krajiny Lubomír Nátr, 2009

48 Perspektivy dalšího zvyšování výnosů (a) Šlechtění na nový typ rostliny (b) Zvýšení účinnosti minerálních hnojiv (c) Nové technologie (precisní zemědělství, agrolesnictví) (d) Geneticky modifikované rostliny (kvalita, stresy) (e) Využití zvyšující se koncentrace CO 2 (f) Převod genů z rostlin C4 do obilnin (g) Rozvoj kultivace tradičních plodin v rozvoj. zemích Obecné perspektivy: osobní pesimismus