MB130P68 Globální změny a trvalá udržitelnost. ZS 2012/2013
Globální změny klimatu, a trvale udržitelný rozvoj Jak získáváme potraviny? Lubomír Nátr © Lubomír Nátr, 2011
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
Sběrači a lovci Džungle trhu: „Výkupní ceny Intelekt a zkušenosti zemědělců u zemědělců Přímá v konečné Zkušenost, znalost,sevěda , směna ceně obilí projevují Parní Struktura G. Mendel stroj porostu Šlechtěníminimálně“ Spalovací Tvorba motory
J. Liebig Výživa
výnosu
M e c h a n i s a c e
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
9 Produkce potravin (10 tun)
4,0 3,5
Hnojiva
Stroje
3,0 2,5 2,0 0,0 0
20
40
60
80
100 120 140 6
0 10
15
-1
20
25
30 6
Aplikovaná minerální hnojiva (10 rok )
Zemědělské stroje (10 )
9 Produkce potravin (10 tun)
4,0 3,5
Závlahy
3,0
Plocha
2,5 2,0 0,0 0 125
150
175
200
225
250
275 0,00 3,50
6
Zavlažovaná plocha (10 ha)
Lubomír Nátr, 2009
3,75
4,00
4,25
4,50
4,75
9
Zemědělská půda (10 ha)
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
1961 = 100%
300 250 200 150 100 1961
1986 Rok
2009 Mírně zjednodušeno: nepoužity klouzavé průměry, nezohledněna plochy druhů ap.
Lubomír Nátr, 2011
Světová populace
7x109
Počet lidí na Zemi
6x109
5x109
4x109
http://www.census.gov/ipc/www/idb/region.php 3x109 0 1960
1970
1980
1990
2000
2010
Rok
-1
Prudukce na 1 obyvatele (t obyvatel )
World population growth a kuku+ry+pše 0,34
(kukuřice + rýže + pšenice (t)) na obyvatele Země 0,32
0,30
0,28
0,26
0,24
0,22
0,20
1960
1970
1980
1990 Rok
2000
2010
FAO data
500
300
W P h M eat ai ze R S u P ic g a o ta e C r b to as ee s t Baava rl SoBat ey a O y b te il e a p n T o la m So m e r g a to O hu C ra n m ab g C ba e o Ba co ge na nut n Be as C C a an ap r s ro Le icumt ttu Pece Le as nt il
Production in 1996 (106 t) 600
Pšenice Kukuřice Rýže
400
Brambory Cukrová řepa
200
100
0
20 0
60 40 20
Světová roční produkce (t)
80
0
80 60 40 20 0
3
300x10 6
2
150x10 6
1
0
0 1960
750x10 6
1970
1980
1990
2000
Rýže
6 5
600x10 6
4
450x10 6
3
300x10 6
2
150x10 6
1
900x10 6 750x10 6
-1
450x10 6
0
120 100
4
900x10 6
120 100
600x10 6
Výnos (t ha )
40
5
Výnos (t ha-1)
60
Kukuřice
750x10 6
0 1960
1970
1980
1990
2000
Pšenice
6 5
600x10 6
4
450x10 6
3
300x10 6
2
150x10 6
1
0
0 1960
1970
1980
1990
2000
-1
80
6
Výnos (t ha )
Světová roční produkce (t)
100
Světová roční produkce (t)
Produkce na 1 obyvatele (kg) Produkce na 1 obyvatele (kg) Produkce na 1 obyvatele (kg)
900x10 6
120
360 300
2,0x10 9
240 180
1,0x10 9
120 60
Kukuřice+rýže+pšenice+ječmen 0,0 1960
0 1970
1980
Roky
1990
2000
Produkce na 1 obyvatele (kg)
Světová produkce (t)
3,0x10 9
Produktivita
Diverzita druhová
Akumulace sušiny
Stabilita Závislost na vstupech
Vysoce produktivní agroekosystémy Přírodní ekosystémy Lubomír Nátr, 2009
Koloběh živin
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 %
1 až 2 t ha-1
> 4 t ha-1
Výnosy plodin 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 Mendel) HI, C3-C4, Využití CO2,…
2.Průmyslová hnojiva (minerální výživa – J. Liebig Liebig) 3. Závlahy (vodní režim) 4. Ochrana (fytopatologie) 5. Zpracování půdy 6. Další, další, další
Norman Borlaug
Born Died
http://en.wikipedia.org/wiki/Norman_Borlaug
March 25, 1914(1914-03-25) Cresco, Iowa September 12, 2009 (aged 95) Dallas, Texas
Lubomír Nátr, 2011
CIMMYT, The International Maize and Wheat Improvement Center.
Nejen v Mexiku Mexiko 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. Lubomír Borlaug dosáhl? 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
Optimalizace struktury porostu 50. až 80. léta 20. století
L. Nátr, 2010
This phrase ujournal subject|ujo sp100170 d 0 25 all journals_p journals_n gate_desc ojournal
„New plant type“, „super-rice“,… Od 90. let 20. století dodnes
Konvenční
Výnosnější, silně odnožující
Green revolution: the way forward Gurdev S. Khush L. Nátr, 2010 Nature Reviews Genetics 2, 815-822 (October 2001)
NPT méně odnoží, robustní stéblo více obilek v latě
Shaping a better rice plant Nature Genetics 42, 475 - 476 (2010) L. Nátr, 2010
Rýže C4
(2) Rýže C3
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 CO2
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
PN (µmol CO2 m-2 s-1)
25 20
17,6x2= =35,2 13x4= =52 8x8= =64
15 10 5 0
20,7x1= =20,7
-5 0
200
400
600
800
1000 1200 1400 1600
Ozářenost (µ µmol kvant m-2 s-1)
PN (µ µmol m s ) leaf ground -2
-2
Wm
10.5 60.2
30 o
174
10 o
Leaf:
500
19.4 38.9 o
766
50
940
70
1000
90
22.3 29.1
o
23.5 25.0
o
23.8 23.8
Význam prostorové orientace listů na rychlost fotosyntézy vztaženou na jednotku plochy listů nebo plochy půdy
-1
Vegetation Doba vegetace period
=
X
Pokryvnost Leaf listoví area (LAI)
Hmotnost sušiny Dry mass porostu – - Respiration - dýchání
=
X
X
Economic Hospodářský yield výnos
Rychlost Rate of fotosyntézy photosynth.
=
Sklizňový Harvest index index
=
Teoretické optimum
12 Leaf area index Index listové plochy
Theoretical optimum
10
2
8 6
1
4
3
Real canopy
2
Reálný porost
0 0
2
4
6
8
Time (weeks)
10
12
14
Faktory rozhodující o výši výnosů 1.Nové produktivní odrůdy (šlechtění – G. Mendel Mendel) HI, C3-C4, Využití CO2,…
2.Průmyslová hnojiva (minerální výživa – J. Liebig 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 Translocation
Sklizňový index
Biomasa porostu Doba vegetace
Plocha listů
Rychlost fotosyntézy
Minerální živiny
Rychlost fotosyntézy Rychlost fotorespirace Rychlost dýchání otevření průduchů vliv teploty
CO2 Fotosyntéza
Biomasa porostu Výnos Vztahy mezi zdroji a sinky Exudáty Aktivita mokrobů Půdní organická hmota
Růst kořenů
Vlivy na rychlost fotosyntézy
Dostupnost vody, transpirace
Plocha listů Fotosyntéza Distribuce
Transport asimilátů
Výnos Fyzika, chemie, biologie půdy
Příjem kořeny
Minerální živiny v půdě
MINERAL Minerální NUTRIENTS živiny
Vegetation Doba period vegetace
Leaf LAI area
Rate of
PN photosynthesis
Assimilate Distribuce partitioning asimilátů
PLANT DRY MATTER
Biomasa porostu Harvest HI index
ECONOMIC Hospodářský výnos YIELD (kernels, tubers, fruits, etc.)
ECO NO M IC YIEL D F orm ation o f reserve organ s (sin k)
Dry m atter partitioning
Dry m atter produ ction
Lo ngevity of leaves
S ize an d structure o f leaves
Rate of p hotosyn thesis
Rate o f respiration
Sourc e
S ource Nutrient partitio ning into individual organs Transp ort in to the shoo t E xud ates
A cu m ulatio n and assim ilation o f nu trients in to the roots
Nu trient u ptake by the roo ts
Roo t grow th
P hysical, chem ical and biolo gical prop erties of the soil
(Fertilizer application)
Chan ge of the nutrient co ntent in the so il P rocesse s occuring in the soil a nd pla nt roots
A. Mitscherlich:
8
-1
Yield (y, t ha )
7
A (A-y)
6 5 4
y
3 2 1 0
y=A-(A-a).e
a 0.00
0.10
0.20
-1
Fertilizers (x, t ha )
-k.x
0.30
Sklízená (sluneční) energie
-1
Harvested energy (GJ ha )
(Harvested/Input) energy
Účinnost využití dodatkové energie
Use efficiency of the input energy
16 12 8 4 0 0
20 40 60 80 100 120
Chceme
-1
-1
Input energy (GJ ha year )
120
Harvested (solar) energy
100 80 60 40 20
Musíme
0 0
5
10
15
20
25 -1
Input energy (GJ ha )
Dodatková energie
Celosvětově ročně: Spotřeba N hnojiv: 60 . 106 tun Produkce pšenice+rýže+kukuřice+ječmen: 2500 . 106 tun V sušině obilek: 2% N Ročně se odčerpá 50 . 106 tun jen v obilkách Lubomír Nátr, 2009
Millar et al., Mitig Adapt Strateg Glob Change (2010) 15:185–204
Vliv N hnojení závisí na (1)Dávce (kg N / ha) (2)Době aplikace (3)Formě (složení) hnojiva (4)Způsobu zapravení
N2O-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 CO2 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 CO2“ (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 navazujících
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 CO2 (f) Převod genů z rostlin C4 do obilnin (g) Rozvoj kultivace tradičních plodin v rozvoj. zemích
Obecné perspektivy: osobní pesimismus
