MB130P68 Globální změny a trvalá udržitelnost. ZS 2012/2013 Globální změny klimatu, a trvale udržitelný rozvoj Jak získáváme potraviny? Lubomír Nátr, 2011 Lubomír Nátr
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
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
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
Věda Technika Zemědělství Lov zvířat a sběr rostlin Lubomír Nátr, 2009
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 0 20 40 60 80 100 120 140 Aplikovaná minerální hnojiva (10 6 rok -1 ) 0 125 150 175 200 225 250 275 Zavlažovaná plocha (10 6 ha) 0 10 15 20 25 30 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
Plocha zemědělské půdy Souhrnně (a zjednodušeně) Hospodářská zvířata Lubomír Nátr, 2009
populace produkce plocha výnos t/ha produkce na 1 obyv. Kukuřice + + rýže + + pšenice 350 300 1961 = 100% 250 200 150 100 1961 1986 2009 Rok Lubomír Nátr, 2011 Mírně zjednodušeno: nepoužity klouzavé průměry, nezohledněna plochy druhů ap.
7x10 9 Počet lidí na Zemi Světová populace 6x10 9 5x10 9 4x10 9 http://www.census.gov/ipc/www/idb/region.php 3x10 9 0 1960 1970 1980 1990 2000 2010 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 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Rok FAO data
600 500 400 300 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 200 100 0 Pšenice Kukuřice Rýže Brambory Cukrová řepa Production in 1996 (10 6 t)
900x10 6 750x10 6 600x10 6 450x10 6 300x10 6 150x10 6 0 1960 1970 1980 1990 2000 Světová roční produkce (t) Výnos (t ha -1 ) 120 100 80 60 40 20 0 900x10 6 750x10 6 600x10 6 450x10 6 300x10 6 150x10 6 0 Kukuřice 1960 1970 1980 1990 2000 6 5 4 3 2 1 0 Produkce na 1 obyvatele (kg) Světová roční produkce (t) Výnos (t ha -1 ) 120 100 80 60 40 20 0 900x10 6 750x10 6 600x10 6 450x10 6 300x10 6 150x10 6 0 Rýže 1960 1970 1980 1990 2000 6 5 4 3 2 1 0 Produkce na 1 obyvatele (kg) Světová roční produkce (t) Výnos (t ha -1 ) 120 100 80 60 40 20 0 Pšenice 6 5 4 3 2 1 0 Produkce na 1 obyvatele (kg)
3,0x10 9 2,0x10 9 1,0x10 9 0,0 1960 1970 1980 1990 2000 Roky Světová produkce (t) Produkce na 1 obyvatele (kg) Kukuřice+rýže+pšenice+ječmen 360 300 240 180 120 60 0
Produktivita Diverzita druhová Akumulace sušiny Závislost na vstupech Stabilita Koloběh živin Vysoce produktivní agroekosystémy Přírodní ekosystémy Lubomír Nátr, 2009
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
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
Norman Borlaug Born Died March 25, 1914(1914-03-25) Cresco, Iowa September 12, 2009 (aged 95) Dallas, Texas http://en.wikipedia.org/wiki/norman_borlaug Lubomír Nátr, 2011
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
Wheat yields in Mexico, India, and Pakistan, 1950 to 2004. kg/ha baseline 500 Borlaug was awarded the Nobel Peace Prize in 1970 Jak toho N. Borlaug dosáhl? Lubomír Nátr, 2011
Wheat yields in selected countries ftp://ftp.fao.org/docrep/fao/012/ak977e/ak977e00.pdf Lubomír Nátr, 2011
1.Dvě generace ročně 2.Zvýšení odolnosti proti chorobám víceliniovými odrůdami 3.Geny zakrslosti Lubomír Nátr, 2011
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
L. Nátr, 2010 Optimalizace struktury porostu 50. až 80. léta 20. století
This sp100170 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, 815-822 (October 2001) L. Nátr, 2010 NPT méně odnoží, robustní stéblo více obilek v latě
Shaping a better rice plant Nature Genetics 42, 475-476 (2010) L. Nátr, 2010
(2) Rýže C3 Rýže C4 L. Nátr, 2010
? 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
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
(1)Architektura porostu (2)Rychlost fotosyntézy listu L. Nátr, 2010
P N (µmol CO 2 m -2 s -1 ) 25 20 15 10 5 0 17,6x2= =35,2 13x4= =52 8x8= =64 20,7x1= =20,7-5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Ozářenost (µmol kvant m -2 s -1 )
Leaf: W m -2 174 10 o P N (µmol m -2 s -1 ) leaf ground 10.5 60.2 500 30 o 19.4 38.9 766 50 o 22.3 29.1 940 70 o 23.5 25.0 1000 90 o 23.8 23.8 Význam prostorové orientace listů na rychlost fotosyntézy vztaženou na jednotku plochy listů nebo plochy půdy
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
12 10 Leaf area index Index listové plochy 8 6 4 2 0 Teoretické optimum Theoretical optimum 2 1 Real canopy Reálný porost 0 2 4 6 8 10 12 14 Time (weeks) 3
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
A. Thaer J. Liebig 2011 Katedra fyziologie rostlin Přírodovědecké Lubomír fakultynátr, Univerzity Karlovy. Lubomír Nátr
Výnos NE! Minerální živiny
Výnos Sklizňový index Translocation Doba vegetace Biomasa porostu Plocha listů Rychlost fotosyntézy Minerální živiny
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
Vlivy na rychlost fotosyntézy Plocha listů Fotosyntéza Distribuce Výnos Dostupnost vody, transpirace Transport asimilátů Fyzika, chemie, biologie půdy Příjem kořeny Minerální živiny v půdě
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.)
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
A. Mitscherlich: Yield (y, t ha -1 ) 8 7 6 5 4 3 2 1 A (A-y) y a y=a-(a-a).e -k.x 0 0.00 0.10 0.20 0.30 Fertilizers (x, t ha -1 )
(Harvested/Input) energy Účinnost využití dodatkové energie 16 12 8 4 0 Use efficiency of the input energy Chceme 0 20 40 60 80 100 120 Input energy (GJ ha -1 year -1 ) Harvested energy (GJ ha -1 ) 120 100 80 60 40 20 0 Sklízená (sluneční) energie Harvested (solar) energy Musíme 0 5 10 15 20 25 Dodatková energie Input energy (GJ ha -1 )
Celosvětově ročně: Spotřeba N hnojiv: 60. 10 6 tun Produkce pšenice+rýže+kukuřice+ječmen: 2500. 10 6 tun V sušině obilek: 2% N Ročně se odčerpá 50. 10 6 tun jen v obilkách Lubomír Nátr, 2009
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
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
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
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
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