Diverzita v agroekosystémech a její význam
Význam biodiverzity v agroekosystémech (z hlediska produktivity a stability) • zvýšení biodiverzity celých trofických sítí • zvýšení výskytu mutualistických a bioregulačních interakcí • koexistence herbivorů s jejich bioregulátory • přednostní obsazení nik autochtonními a žádoucími druhy, spíše než agresivními škůdci a pleveli • maskování výkyvů produkce v marginálních podmínkách při výkyvech v dostatku zdrojů • zvýšení biodiverzity okolních ekosystémů • pozitivní ovlivnění biogeochemických procesů
Diverzita = rozmanitost, rozrůzněnost • Diverzita abiotických (neživých) složek – půdní vlastnosti, reliéf, mikroklima, ...
• Diverzita biotických (živých) složek = biodiverzita = biological diversity = variabilita živých organismů: – různé zdroje variability – různé projevy variability – na různých úrovních
Diverzita agroekosystémů • diverzita abiotických složek – přírodní poměry (horniny, půda, členitost zemského povrchu - reliéfu, působení atmosférických činitelů)
– způsoby (systémy) hospodaření
• diverzita biotických složek (celková biodiverzita) – diverzita produkčních organismů (tzv. plánovaná) – diverzita asociovaných organismů
Význam rozmanitosti neživého prostředí - geodiverzity • Geodiverzita - celá šíře zemských rysů zahrnující geologické, geomorfologické, paleontologické, půdní, hydrologické a atmosférické prvky, systémy a procesy • Vysoký stupeň geodiverzity dává předpoklad i vysokému stupni biodiverzity
Diverzita Úrovně diverzity přirozených ekologických formací: – diverzita krajiny, oblasti Definice krajiny: Krajina je dlouhodobě stabilizovaný soubor přírodních a antropogenních charakteristik vázaný na určitý reliéf a mající nějaký společný historický základ. Krajina je však víc - zcela reálný základ našich životů i po generace dotýkaný a proměňovaný kus země, který pro nás - její obyvatele - byl vždy předmětem zvláštní péče, úcty a obdivu. Cílek, 2005 Neoddělitelnost živých a neživých prvků Různými faktory podmíněný vývoj
Diverzita Úrovně diverzity přirozených ekologických formací: – diverzita krajiny, oblasti • diverzita společenstev, způsobů využití,...
Zdroj: Chytrý, 2004
Biodiverzita • Přirozené ekosystémy – cíl: vysoká efektivita využití zdrojů, obsazení nik • výsledek koevoluční dynamiky – vzájemného přizpůsobování druhů v určitém prostředí
Biodiverzita Agroekosystémy – cíl: vysoká produktivita v juvenilní fázi sukcese • omezování vlivu přirozených podmínek prostředí • selekční tlak agrotechnických postupů
Úrovně diverzity ekologických formací: – diverzita společenstev • druhové složení (dominující druhy z hlediska koloběhu hmoty a toku energie, edifikátory – podle dominantní formy organismů (travní, lesní, ..., různé polní plodiny) • vertikální, horizontální a prostorová struktura • rozmanitost interakcí a vazeb
Složky biodiverzity • Bohatost (richness) – počet rozlišitelných úrovní sledovaného parametru
• Vyrovnanost (equitability, eveness) – frekvence jednotlivých úrovní parametru
Vyjádření bohatosti a vyrovnanosti
Snímek 1 z 50
Zdroj: Chytrý, 2004
Indexy vyjádřující diverzitu
Vysvětlivka: S – druhy N, ni - jedinci
Indexy diverzity • zahrnují jak druhovou bohatost, tak vyrovnanost • není zřejmé, zda výsledná hodnota odráží více bohatost nebo ekvitabilitu • stejná hodnota indexu diverzity může být dosažena pro společenstvo s málo druhy a vysokou vyrovnaností i pro společenstvo s hodně druhy a nízkou vyrovnaností
Vyjádření diverzity z prostorového hlediska
Temporální změny diverzity Krátkodobé – diurnální, cirkadiánní (denní režim) – sezónní (roční sled aspektů)
Střednědobé – fluktuační (střídáním klimatu) – cyklické (obnova populací)
Dlouhodobé – fluktuační (dlouhodobými vlivy)
Diverzita – vnitrodruhová diverzita (morfologická, fyziologická, genetická, ...) – mezi populacemi – uvnitř populací
– význam – adaptace na změny prostředí a disturbance – kulturní druhy - zdroj variability pro šlechtění
Kulturní formy rodu Beta • Beta vulgaris ssp. vulgaris var. altissima Doll. řepa cukrová
Kulturní formy rodu Beta • Beta vulgaris ssp. vulgaris var. rapacea (Koch) Aellen - syn. var. crassa Alef., Beta burgundica Kerner – krmná řepa
Kulturní formy rodu Beta • Beta vulgaris ssp. vulgaris var. vulgaris Lain et DC. syn. (var. conditiva Alef., var. rubra DC.)
– červená salátová řepa
Kulturní formy rodu Beta • Beta vulgaris ssp. cicla (L.) Schübler et Martens – syn. (Beta vulgaris ssp. vulgaris var. flavescens)
mangold
Diverzita Úrovně diverzity: – diverzita mezi populacemi • odlišnosti mezi populacemi (morfol., fyziol.,...)
Diverzita Úrovně diverzity: – diverzita v rámci populace (mezi jedinci) • morfologická variabilita
Diverzita Úrovně diverzity: – diverzita v rámci populace (mezi jedinci) • genetická variabilita
dendrogram gentických vzdáleností mezi jedinci v populaci
Další rozměry biodiverzity • Strukturální – rozrůzněnost prvků, trofických úrovní
• Funkční – početnost a intenzita vazeb
• Temporální (časová)
Procesy ohrožující druhovou diverzitu agrocenóz
• Výkonnost kulturních odrůd
– ústup druhů nesnášejících zastínění
• Používání minerálních hnojiv – vyšší využití kulturními rostlinami
• Používání pesticidů – ústup citlivých druhů rostlin – snížení počtu asociovaných organismů – vyhubení kořisti pro predátory (a predátorů) – poškození necílových organismů
• Unifikace technologií – snížení β- a γ- diverzity
počátek 20. století – V ČR asi 350 druhů plevelů
Období po 2. světové válce - pokles počtu plevelných druhů v agrofytocenózách Evropy Země
Autor
Období
Změna
SRN
Bachthaler, 1966
1948-65 pokles o 16 – 42 % druhů
SRN
Meisel, 1979
1946-79 pokles z 33 na 7 druhů v plodině
Maďar Gyorfy, Kádár, 1995 sko
1971-88 pokles o 25 – 75 % druhů
Finsko Salonen, Hyvonen, 1990
1960-99 pokles z 304 na 153 druhů v agrofytocenózách
ČR
Skalický, 1981
1981
100 druhů na ústupu
ČR
Kropáč,1986
23 let
pokles z 30-35 na 7-10 druhů v plodině
ČR
Tyšer, 2002
2002
14 (8-23) druhů / plodina
Seznamy vyhynulých a ohrožených druhů Předchozí verze (Holub et al., 1979): 61 druhů Aktuální verze (Procházka ed., 2001): 98 druhů 1979 2000
Rozdíl
A1 (vyhynulé)
4
9
+125%
A2 (nezvěstné)
3
9
+200%
C1 (krit. ohrož.)
13
29
+123%
C2 (silně ohrož.) 12
18
+50%
C3 (ohrožené)
22
19
-14%
7
14
+100%
C4 (méně ohrož.) C4
A1
C2
C3
Procesy ohrožující genetickou diverzitu • Genetická eroze (genetical erosion) – narušení diverzity planě rostoucích populací – snižování počtu pěstovaných druhů – zánik krajových odrůd – nízká genetická diverzita odrůd (plodin) – globalizace obchodu s osivy
Procesy ohrožující biodiverzitu • Biologické invaze (biological invasions) • • • •
potlačení autochtonních druhů chybějící přirození nepřátelé neadaptované doprovodné organismy obtížně předvídatelné chování v ekosystémech
Současný stav Počet rostlinných druhů v ČR - 4112 původní - 2734 nepůvodní (cizí) 1378 tj. 33,4 %, resp. 34,6 % vč. kříženců Pyšek, 2002
Rychlý nárůst počtu zavlečených druhů Dostál, 1950 – 490 neofytů Pyšek, 1989 – 924 neofytů tj. nárůst na dvojnásobek za 50 let !
Invaze Bromus tectorum (sveřep střešní) v Americe
Původ: středomoří, Asie ve střední Evropě naturalizovaný, neškodný druh zavlečen r. 1890 do Ameriky (Central Valley, Kalifornie) do r. 1930 rozšířen na 200 000 km2 Prérie ! Zdroj: http://tncweeds.ucdavis.edu/esadocs/bromtect.html
Procesy ohrožující genetickou diverzitu Genetické znečištění (genetical pollution) • introgrese „kulturních“ genů do planě rostoucích populací a ovlivnění jejich fitness a chování ve společenstvu • genetická homogenizace křížením autochtonních a adventivních druhů
Gene-flow v tzv. Beta-komplexu planě rostoucí – kulturní – plevelná řepa
Upraveno dle: Van Dijk, 2004
Genetická homogenizace v důsledku hybridizace mezi autochtonními a adventivními druhy
Rorippa sylvestris
X
Rorippa austriaca
Možnosti zvyšování biodiverzity • Přímé – zvyšování počtu kulturních a doprovodných organismů ?
• Nepřímé (sukcesní obnova) – změna postupů hospodaření ovlivňujících biodiverzitu (hnojení, metody a prostředky ochrany proti škodlivým organismům)
Možnosti konzervace biodiverzity • zachování tradičních forem hospodaření • budování speciálních refugií • uložení semen v genové bance • výsevy v botanických zahradách • pěstování ve skanzenech, vzdělávacích zařízeních
muzeích,
Legislativní prostředky Convention on Biological Diversity Summit Země, Rio de Janeiro r. 1992 ČR převzala jako Sdělení MZV č. 134/1999 Sb. Preambule: • Základní produkty a služby, které poskytuje naše planeta, jsou závislé na rozmanitosti a variabilitě genů, druhů, populací a ekosystémů. • Cílem je zlepšit uchovávání biodiverzity a udržitelné využívání biologických zdrojů a podpořit úmluvu o biodiverzitě
Konstatování výchozího stavu • současné snižování biodiverzity je z velké části výsledkem lidské činnosti • představuje vážnou hrozbu pro rozvoj lidstva • přes nemalé úsilí vynaložené v průběhu posledních 20 let ztráty biodiverzity na celém světě pokračují • podílí se na nich zejména destrukce přirozeného prostředí, dosahování nadměrných výnosů, znečišťování a nevhodné zavádění cizích plodin a zvířat
Hlavní cíle: • vytvořit národní strategie uchovávání biodiverzity a udržitelného využívání biologických zdrojů • integrovat je do národních strategií a plánů • vypracovat na úrovni jednotlivých zemí vhodné studie, týkající se uchovávání biodiverzity a udržitelného využívání biologických zdrojů • analyzovat relevantní náklady a přínosy, se zvláštním ohledem na socio-ekonomické aspekty • zdokonalovat, vytvářet, rozvíjet a udržitelným způsobem využívat biotechnologie a uskutečňovat jejich bezpečný transfer • podporovat širší mezinárodní a regionální spolupráci při rozvoji vědeckého a ekonomického poznání významu biodiverzity a jejího fungování v ekosystémech
Význam rozvoje lidských zdrojů • zvýšit počet školeného personálu v oblasti vědy a technologií relevantních pro uchování biodiverzity a pro udržitelné využívání biologických zdrojů anebo jej efektivněji využívat • udržovat nebo vytvořit programy pro vědecké a technické vzdělávání manažerů a odborníků • podporovat a podněcovat porozumění významu opatření potřebných pro uchování biodiverzity a udržitelné využívání biologických zdrojů na všech úrovních tvorby politiky a rozhodování, v rámci vlád, obchodních podniků a věřitelských institucí
Mezinárodní smlouva o rostlinných genetických zdrojích pro výživu a zemědělství Řím, 2001 Implementace v ČR Zákonu 148/2003 Sb.
Deklarace zvláštního postavení genetických zdrojů a jejich diverzity
Mezinárodní závazky: • provádět průzkum a inventarizaci rostlinných genetických zdrojů pro výživu a zemědělství, s ohledem na stav a stupeň variability existujících populací; • podporovat sběr rostlinných genetických zdrojů pro výživu a zemědělství a relevantních informací vztahujících se k rostlinným genetickým zdrojům; • propagovat, popřípadě podporovat snahy zemědělců a místních společenství na svých pozemcích hospodářsky využívat a uchovávat rostlinné genetické zdroje • podporovat uchování in situ planých druhů příbuzných se zemědělskými plodinami a planě rostoucích rostlin pro produkci potravin; • spolupracovat při podpoře rozvoje účinného a trvale udržitelného systému uchování ex situ; • sledovat udržování životaschopnosti, stupně variability a genetickou integritu sbírek rostlinných genetických zdrojů pro výživu a zemědělství.
Naplnění programu v ČR • zřízení „Národního programu konzervace a využívání genetických zdrojů rostlin a mikroorganismů významných pro výživu a zemědělství“ • řízením pověřen VÚRV Ruzyně • v ČR 11 účastníků • kolekce materiálů čítá 51 tisíc položek
Domestikace Vznik a šíření zemědělství
Ekologie domestikace Adaptace organismů k prostředí ovlivněnému člověkem (synantropie): • domestikáti (aktivní role člověka, cílené přetváření – kulturní rostliny, zvířata) • komenzalisté (vyhledávání společnosti člověka i proti jeho vůli – potkani, plevele, ...)
Domestikace organismů (zdomácnění) • postupné cílevědomé přetváření/převádění planých (divokých) forem na formy kulturní - planě rostoucí rostliny na plodiny - divoce žijící zvířata na zvířata domácí • průběžný, člověkem řízený evoluční proces změny genotypu, který započal se záměrným pěstováním (chovem), či těsně před ním • nové organismy jsou zřetelně odlišné od kmenových předků a jsou adaptované na zdroje a další podmínky agroekosystémů
+ „domestikace prostředí“ – vznik „domestikované krajiny“ • Umělé narušování prostředí (vypalování, zaplavování, zpracování půdy...) a navozování juvenilní fáze sukcese • Umělé kompenzování populační hustoty výsevem propagulí domestikovaných druhů • Odstraňování nežádoucích rostlin a živočichů
Organismy v agroekosystémech zplanělé, ferální
kulturní, domácí
planě rostoucí / divoce žijící
plevelné
příklad komplexu crop/wild/weed
Organismy využívané v zemědělství
Procesy v průběhu domestikace • • • • •
výběr vhodných genetických zdrojů hybridizace selekce upevňující dědičné vlastnosti disperze a reprodukce žádoucích forem opakovaná hybridizace a selekce – rozšiřování a zužování genetické variability
Preadaptační vlastnosti rostlin • • • •
dříve známé a využívané rostliny rostliny snášející narušování produkty snášející skladování schopnost přizpůsobit se novým selekčním tlakům
Postupné domestikační změny u rostlin Morfologické a anatomické změny: • ztráta disperzních mechanizmů • zvětšení skliditelných částí (často polyploidie) • snížení množství obalů semen a plodů • tvarové změny a různé variety druhů
Postupné domestikační změny u rostlin Fyziologické změny: • slabá (žádná) dormance • změna délky vegetační doby • zkrácení období kvetení a dozrávání • samosprašnost • změny množství obsahových látek • alokace asimilátů do reprodukčních orgánů • snížení množství toxických a antinutričních látek • ztráta obranných mechanismů
Preadaptační vlastnosti živočichů • • • • • •
zvířata ze kterých měl člověk dříve užitek schopnost žít v zajetí a uzavřeném prostoru specializace na určitý druh potravy rozmnožování v zajetí schopnost žít ve stádech submisivní chování vůči člověku
Domestikační změny u živočichů Morfologické a anatomické změny: • změny tělesné velikosti • zvýšení podílu a kvality využitelných částí
Domestikační změny u živočichů Behaviorální a etologické změny: • hypersexualita • psychosociální tolerance • environmentální tolerance (zhoršení smyslových vlastností) • ztráta migračního pudu
Geografie domestikace • De
Candolle, 80. léta 19. st. – první ucelenější práce
• Vavilov, 20.-30. léta 20. st. – 8 center původu dle bohatosti forem dané plodiny (ne vždy souhlasí) • Harlan, 60.-70. léta 20. st. – 3 centra a 3 non-centra dle archeologických dokladů a výskytu planých forem • Centra – vzájemně nezávislá (Střední východ, Střední Amerika, Severní Čína) • Non-centra – sousední z nich mohla mít vzájemné kontakty (Afrika, jihovýchodní Asie, Jižní Amerika)
Geografie domestikace genetická centra podle Vavilova
Čína Bl. východ stř. Amer.
Indie
Mediterán
J. Amer.
Stř. Asie
v. Afrika
Genetická centra plodin
Geografie domestikace podle Harlana
Historie domestikace Před 12 000 – 8 000 lety: Blízký východ – ječmen, pšenice, čočka, cizrna, hrách, len Čína – rýže, proso Jižní Amerika – fazol, chilli paprika, batáty Střední Amerika – dýně
Historie domestikace Před 8 000 – 4 000 lety: Blízký východ – datlovník, bob, fíkovník, olivovník, vinná réva Čína – mohár, čajovník, sója, broskvoň, hrušeň, konopí Jižní Amerika – bavlník, brambory, podzemnice, merlík quinoa Střední Amerika – kukuřice, avokádo, laskavec Jihovýchodní Asie – cukrová třtina, palma kokosová Povodí Indu – okurka, sezam, bavlník Střední Asie – jabloň Středomoří – salát, cibule, ředkev Evropa – žito, řepka Afrika – čirok, meloun
Historie domestikace Před 4 000 lety a méně: Jižní Amerika – ananasovník Střední Amerika – kakaovník, tabák, rajče Severní Amerika - slunečnice Jihovýchodní Asie – banánovník, citrusy Střední Asie – pistácie Středomoří – brukev zelná, celer, řepa, tuřín Evropa – oves Afrika – kávovník, palma olejná
Centra domestikace • primární – místa původu • sekundární – po přemístění a vzniku nových forem – „brazilská“ káva z Afriky – „africké“ kakao ze střední Ameriky – „indický“ čaj z Číny – „evropské“ odrůdy brambor z J. Ameriky
Domestikace zvířat Vhodné vlastnosti pro domestikaci: • Poslušnost, povolnost (možná selekce na tyto vlastnosti) • Absence výrazné teritoriality • Hierarchická struktura (člověk přebírá roli vůdce) • Snadné rozmnožování • Rychlý růst
Domestikace zvířat Všechna hlavní domestikovaná zvířata pocházejí z Eurasie: • Ovce – 9 000 – 8 000 let • Koza - 9 000 – 8 000 let • Skot – 8 000 – 7 000 let • Prase – 9 000 – 8 000 let • Kůň – 6 000 – 5 000 let
Tur domácí • původ z pratura divokého • počátek domestikace před 10-8 tis. lety v Eurasii • zmenšování tělesného rámce z cca 2 m výšky • chov rohatých i bezrohých forem
Ovce domácí • původ z ovce kruhorohé, podobně jako muflon • počátek domestikace před 10-8 tis. lety v Eurasii • rozšíření do Evropy, sever Asie, blízký Východ
Koza domácí • • • •
Předkem koza bezoárová z hor malé Asie nejstarší nálezy 9800 let spolu se psem a ovcí nejstarší domestikát nenáročná na podmínky pastvy
Kůň domácí • předkem kůň divoký • hojný na celé severní polokouli včetně Ameriky • divoké a ferální formy v Evropě vyhynuly v 19. století • z počátku jako masné zvíře, později jako dopravní prostředek
Prase domácí • Kmenovou formou je prase divoké • první dommestikované formy v Turecku před 11 tis. lety • možno rovněž v JV Asii (Sumatra, Indonésie)
Počátky vzniku zemědělství • Důvody? – málo známé – růst populací a snížení dostupnosti potravních zdrojů (pozdní pleistocén – cca 15000 let) – vznik sídel – zvýšení závislosti na lokálních zdrojích – vznik nové strategie obstarávání potravy – zemědělská činnost – uvolnění času pro další činnosti
• Počátky domestikace – před cca 6500 – 8000 lety – oblast mezi řekami Eufrat a Tigris (hraniční oblast států Irán, Irák, Sýrie a Turecko) – domestikace prvních velkých zvířat
K přechodu k zemědělství nedošlo: • zpravidla v primitivních kulturách a kmenech • v oblastech s dostatkem potravních zdrojů • v nevhodných přírodních podmínkách • kde neexistuje účelnější využití ušetřeného času
Hypotéza vzniku zemědělství • Hypotéza kulturního pokroku – zemědělství je pokrokovějším způsobem zajištění životních potřeb než sběr a lov (pohodlnější, spolehlivější, produktivnější,...)
• Hypotéza změny prostředí – změny klima na konci pleistocénu vedly ke koncentraci lidí a zvířat do úrodných oblastí, kde započala domestikace
• Hypotéza populačního tlaku – růst populační hustoty lidí a nedostatek zdrojů vyvolal přechod k zemědělství
Hypotézy vzniku zemědělství • Hypotéza koevoluce – zemědělství vzniklo koevolucí – vzájemným přizpůsobováním lidí, rostlin a zvířat v narušeném prostředí – vysvětluje spíše domestikaci
• Hypotéza optimálního potravního výběru – postupná orientace od sběru na vydatnější potravní zdroje, které pokytovali protodomestikáti, kteří se stali závislí na lidské činnosti
Hypotézy šíření zemědělství • Hypotéza vlny pokroku – postupné difuzní šíření zemědělství jako pokrokovějšího způsobu než sběr a lov a následné šíření s rostoucí populací
• Hypotéza pionýrské kolonizace – pionýrská kolonizace území zemědělci – např. Amerika
• Hypotéza příležitosti – koexistence a uchopení se zemědělské činnosti v kontaktních zónách mezi zemědělci a sběrači
Hypotézy šíření zemědělství 1. vlna pokroku
2. pionýrská kolonizace
3. model příležitosti
