Ekologie agroekosystémů Vojtěch Jarošík
http://web.natur.cuni.cz/ekologie/jarosik/cze/index.html
Vymezení agroekologie
1. 2. 3. 4.
Úvod Pojem ekologie a ekosystém Definice a cíle agroekologie Vývoj agroekologického myšlení
Úvod
Ekologie se většinou soustřeďuje na přírodní ekosystémy bez větších lidských vlivů • zaujímají jen nepatrné procento plochy suchozemských (terestrických) ekosystémů • drtivá většina ploch nepokrytých trvale ledem či sněhem je však ovlivněna lidskou činností – s výjimkou ploch, které tomuto vlivu unikly např. pro svou nepřístupnost, svahovitost, neproduktivnost, nevhodné stanovištní podmínky apod.
• Tento kurs se zabývá ekosystémy ovlivněnými člověkem, a to převážně produkční složkou zemědělských a (méně) lesních ploch
Před asi 15 000 lety byl započat proces, který postupně vedl ke zničení stávajících ekosystémů na 2/3 povrchu souší a jejich nahrazení zemědělskými plochami a produkčním lesnictvím • V současné době je na Zemi asi 1 400 Mha (megahektar = milión hektarů) orné půdy, sadů, plantáží a vinic (včetně dočasných úhorů) a asi 3 500 Mha pastvin, což je asi 30 % veškerých souší nepokrytých sněhem a ledem • Dalších asi 25 % ploch zaujímá industrializovaná krajina (lidská sídla, průmysl, těžba nerostů apod.)
Pokrok zemědělství umožnil vypěstovat více produktů, než je zapotřebí pro samozásobení • vznik specializovaných povolání, soustřeďovaných do měst • zdokonalení sociální struktury (organizace, dopravy) • zemědělství je tedy příčinou sociálního, kulturního i industriálního vývoje lidstva
Industrializace zemědělství • permanentní a mechanizované kultivace – jeden pozemek se využívá po více sezón za sebou, a kromě lidské a zvířecí práce se k jeho obhospodařování využívá mechanizace, dnes převážně založené na neobnovitelné energii fosilních paliv
• intenzivní energomateriálové dodatky
Energomateriálové dodatky • nahrazují ztráty – jak „chtěné“ (se sklizní), tak i „nechtěné“ (ztráty živin, vody aj.)
• přebírají část funkcí ochuzených přírodních regulačních mechanismů – regulace plevelů, škůdců aj.
• doplňují oslabené mutualistické (vzájemně výhodné) vazby mezi organismy – mykorhizních asociace mezi symbiotickými houbami a kořeny rostlin aj.
• suplují minimalizaci recyklace živin – Hnojiva
• umožňují změny alokačních vzorů asimilované energie u produkčních organismů ve prospěch produkčních funkcí • slouží k zabránění postupu sukcese
Cíl přednášky • Přispět k poznání, že zdárné fungování ekosystémů je životně důležité pro přežití člověka na této planetě • Člověk čerpá z přírody drtivou většinu svých zdrojů, a také v ní uspokojuje řadu svých dalších, na prvý pohled méně zřejmých potřeb (emočních, estetických, rekreačních atd.) • Cílem je řídit ekosystémy setrvalým způsobem, tedy tak, aby mohly zachovat svoji strukturu a plnit své funkce i v budoucnosti, tj. v případě řízených ekosystémů tak, aby poskytovaly trvale udržitelné výnosy a byly bezpečným místem pro organismy, které je obývají
Co je agroekosystém • Soubor hospodářsky významných organismů spolu s jejich neživým prostředím • Je za účelem maximalizace skliditelného podílu produkce udržován v raném stádiu vývoje společenstva
Agroekosystém je za účelem maximalizace skliditelného podílu produkce udržován v raném stádiu vývoje společenstva • umožňuje odběr značné části biomasy bez změny vývojového stádia společenstva, ale současně to vede k problémům, vlastním všem mladým vývojovým stádiím ekosystémů: – ztráty živin a vody – nedostatečná vnitřní regulace – nedostatečná zásoba rezerv
Jak řeší problém raného stádia vývoje společenstva konvenční zemědělství • masivními vstupy materiálu a energie zvenčí – degradují oblasti svého původu: např. ložiska surovin, použitých jako energomateriálové vstupy (hnojiva, ropa atd.); oblasti výroby agrochemikálií, zemědělských strojů a zařízení
• další nežádoucí a dalekosáhlé vedlejší účinky, označované jako externí efekty
Externí efekty - příklady • ztráta části uhlíku, fixovaného v půdách a v biomase přirozených ekosystémů fotosyntézou, vede po proměně přirozených ekosystémů v agroekosystémy, kde je množství fixovaného uhlíku menší, k růstu množství uhlíku v atmosféře • ztráty živin v agroekosystémech se projeví problémy v hydrosféře a atmosféře • dochází k narušování globálních biogeochemických procesů
Externí efekty - shrnutí • „Existují přesvědčivé důkazy z různých částí světa, že moderní konvenční agroekosystémy nejsou trvale udržitelné. Jsou závislé na velkých vnějších vstupech, založených na neobnovitelných fosilních palivech, a zároveň nadužívají a degradují půdu, vodu a genetické zdroje, na nichž zemědělství bytostně závisí. A ačkoli tento úpadek základů zemědělství lze maskovat hnojivy, herbicidy, pesticidy, vysoce výnosnými odrůdami a vodními a fosilními zdroji, vypůjčenými od budoucích generací, nelze ho skrývat navždy - zejména ne ve světle rostoucí lidské populace, změn klimatu, destrukce biodiverzity a ztrát přírodních stanovišť.“ (Gliesmann 2001)
Jaké řešení problému raného stádia vývoje společenstva nabízí agroekologie • Posunout vývoj zemědělských společenstev do stádia, kde se ještě využije výhod raných stádií vývoje společenstva, ale kde již bude vyšší udržovací biomasa a vyšší biodiverzita – Vyšší biodiverzita vykoná řadu „ekosystémových služeb“, které nyní vykonávají industriální dodatky hmoty a energie
„Ekosystémové služby“ vyšší biodiverzity •
zvýšení množství fixovaného uhlíku – regulace složení atmosféry a tím klimatu na planetě
•
tvorba půd a zvyšování půdní úrodnosti – rozklad organické hmoty, recyklace živin, dočasné uskladnění (a tím imobilizování) živin v době, kdy je nemohou využít produkční organismy, a naopak jejich uvolnění v době jejich zvýšené potřeby
•
zvýšení množství vody zadržované v biomase a v půdě – čištění vod, zvyšování infiltrace a snížení povrchového odtoku vody
•
zlepšení detoxikačních schopností systému – odstraňování výkalů a mršin, recyklace
•
zvýšení schopnosti odolávat škůdcům – řízení početnosti nežádoucích organizmů, posilování nespecifické imunity a rezistence agroekosystémů
•
Vše bez nepříznivých externích efektů
Agroekosystém využívá vysokoprodukční kultivary plodin a plemen hospodářských zvířat • většina produkčně špičkových genotypů je produktem alokačního šlechtění, tj. selekce genotypů alokujících větší část energie do ekonomického produktu a jen menší části než tomu bylo u jejich předků do ostatních struktur a funkcí • takovéto genotypy vykazují nižší stupeň environmentální rezistence než jejich předkové • alokační ztráty jsou vyrovnávány agronomickou podporou, bez které je vysoká produktivita takových genotypů v praxi nemožná
Vysokoprodukční kultivary plodin a plemen hospodářských zvířat • přímé finanční náklady na agronomickou podporu mohou být nižší než cena, kterou zemědělec získá za zvýšenou produkci • do přímých finančních nákladů producentů ale není zahrnuta zápornou hodnota externích efektů – agronomická podpora je často postavena na neobnovitelných zdrojích, které jejich těžbou vlastně "krademe" svým potomkům, nebo vede k problémům v prostředí, které vyplývají z těžby a zpracování energií, z transportu, depozice sedimentů, eroze apod.
Vysokoprodukční kultivary plodin a plemen hospodářských zvířat – agroekologické řešení • studovat nejen přírodní, ale celé socioekonomickém prostředí, ve kterém se produkce odehrává, s důrazem na dlouhodobé efekty – kvalita životního prostředí, zachování zdrojů, potravinová bezpečnost, kvalita venkovského života, trvalá udržitelnost produkce
• konvenční agronomický výzkum se soustřeďuje spíše na maximalizaci produkce, tj. na principy, ovlivňující krátkodobou produkční a ekonomickou odpověď systému
Pojem ekologie a ekosystém
Termín ekologie
• Ernst Haeckel (1866): „oikos“ = místo k životu (domov) • věda o „místě, které obývají organismy“
Ekologie byla (v roce 1866) navržena jako čtvrté odvětví biologie • • • •
morfologie (tvary) fyziologie (vnitřní funkce) taxonomie (podobnosti a příbuznosti) ekologie: faktory prostředí, ovlivňující organismy
Ekologie se tradičně zabývá třemi úrovněmi biologické hierarchie • Jedinci (autoekologie) • Populacemi (demekologie) • Společenstvy (biocenózami) (synekologie)
Ekosystém (biogeocenóza) (Tansley, 1935) • ekotop (malá místí jednotka) • biom (základní typ suchozemského prostředí typu tropického deštného lesa, savany nebo tundry, pro nějž jsou charakteristické určité životní formy rostlin a určitý typ vegetačního pokryvu) • biosféra (ekosféra) (globální ekosystém planety) • předmětem našeho studia je specifický ekosystémem, který označujeme jako agroekosystém
Definice a cíle agroekologie
Definice agroekologie • Analogicky s definicí ekologie můžeme agroekologii definovat jako nauku o vzájemných interakcích mezi hospodářsky významnými organismy a jejich prostředím • Agroekologie tedy studuje zemědělství (včetně lesnictví) ze zorného úhlu ekologie – Zemědělství není chápáno pouze jako produkce, ale kritéria fungování zemědělských systémů zahrnují i trvalou udržitelnost, potravinovou bezpečnost, ekonomickou životaschopnost, zachování zdrojů a sociální přijatelnost
Agroekologie je mezioborová disciplína • mezi biologicko-ekologickými vědami a zemědělskými a lesnickými vědami • v oblasti zemědělských a lesnických věd se týká jak zoo-, tak fytotechnických oborů, ale zároveň i oborů ekonomických
Agroekologie vs. konvenční agronomie • Konvenční agronomie předpokládá, že produkce farmy může být pochopena objektivně, bez ohledu na farmáře, bez ohledu na společenský systém a bez ohledu na okolí agroekosystému. A zároveň, že tato produkce může být pochopena atomisticky, tedy nezávisle, po malých, oddělených částech – proto odlišuje disciplíny a subdisciplíny a studuje např. fyzikální vlastnosti půdy nezávisle na biologických vlastnostech, tedy odděleně od živých organizmů, které v půdě žijí – takto odděleně odvozené technologie mohou mít čas od času neočekávané efekty, zvláště ve vzájemných kombinacích, a kumulativní efekt konvenčních zemědělských technologií může mít čas od času devastující ekologické i ekonomické dopady
• Agroekologie má k vývoji zemědělství odlišný přístup
Cíle agroekologie • poskytnout znalosti a metodologii pro vývoj trvale udržitelných zemědělských systémů, které by racionalizovaly stávající zemědělské systémy a odstranily jejich nepříznivé rysy v oblasti ekonomické, ekologické a společenské • vyvinout agroekosystémy s minimální závislostí na chemických a energetických vstupech zvenčí, ve kterých bude maximalizována přirozená půdní úrodnost, produktivita a ochrana před škůdci a chorobami, a to díky ekologickým interakcím mezi složkami agroekosystému (Altieri & Rosset 1995) • na základě pochopení složitých procesů manipulovat agroekosystémem tak, aby bylo dosaženo zlepšení produkce a trvalé udržitelnosti, a to při menších negativních dopadech a při menší spotřebě vnějších vstupů než v konvenčním (industriálním) zemědělství (Reijntjes et al. 1992)
Vývoj agroekologického myšlení
1. Místní (krajové) zemědělské systémy • adaptace plodin i hospodářských zvířat k místnímu prostředí, včetně kulturních a politických vlivů • přetrvaly po staletí až tisíciletí a obvykle byly rozvráceny vnějším zásahem – Evropanů po objevu zámořských plaveb a jejich kolonizací objevených území • K narušení místních systémů přispěly i nemoci (např. zavlečení neštovic do Ameriky vyhubilo během 100 let asi 90 % indiánů), trh s otroky (za 200 let bylo do Ameriky importováno asi 20 miliónů otroků)
– misionářská činnost – celosvětová expanze industriálních zemědělských systémů
Závěry studia tradičních zemědělských systémů (70. a 80. léta 20. stol.) • produkční systémy je možno pochopit pouze v celkovém společensko-kulturním kontextu – Například výše výstupu na jednotku investované práce může být mnohem významnější veličinou než výše sklizně na jednotku plochy
Souvisí rozvrácení tradičních zemědělských systémů s šířením křesťanství? • kniha Genesis postavila člověka nad přírodu (Bůh stvořil člověka k obrazu svému a dal mu vládu nad světem) • uctívání přírody bylo považováno za pohanské a bylo potlačováno silou; tím člověk ztrácel morální odpovědnost k přírodě • výjimky, které vykládaly Písmo odlišně (František z Assisi apod.), byly ve své době považovány za kacířské • environmentálně přátelské technologie a metody řízení ekosystémů se proto vyvinuly a leckde přetrvaly dodnes zejména v zemích, jejichž společensko-kulturní vývoj byl postaven na náboženstvích, která považují člověka za součást přírody, nebo mu dokonce přikazují o přírodu pečovat a chránit ji.
2. Vliv ekologie • Celá ekologie agroekosystémů je založena na předpokladu, že přírodní ekosystémy jsou modely pro dlouhodobé řízení zemědělství • Pro agroekologii byly zejména významné objevy ekologie v oblasti toku energie a koloběhu živin, interakcí typu škůdce – rostlina a v oblasti výzkumu sukcese
Historie agroekologie 1. 2. 3. 4.
Období půdní ekologie Obdobím ekofyziologie plodin Období environmentalismu Obdobím trvalé udržitelnosti agroekosystémů
1. Období půdní ekologie • Darwin (1882): vliv edafonu (= půdních organismů) na půdní úrodnost a záporný vliv některých kultivačních postupů na vztahy mezi edafonem a půdní úrodností – ještě v prvních dvou desetiletích 20. století se agroekologický výzkum soustředil především na půdní prostředí (v té době již byly k dispozici více než padesátileté zkušenosti s využíváním umělých hnojiv)
• později ucelené technologické postupy tvořící základy tzv. alternativních zemědělských systémů: Steiner (1924) biodynamické zemědělství, Northburn (1940) organické zemědělství, Howard (1943) humusové hospodaření
2. Období ekofyziologie plodin (konec 20. a přelom 50. a 60. let 20. stol.)
• fyziologické a agronomické faktory, které ovlivňují rozšíření a adaptace zemědělských plodin – (obecná ekologie se v této době oddálila od zemědělství, protože se naplno věnovala přírodním systémům)
3. Období environmentalismu • 50. a zejména 60. léta minulého století znamenala ve vyspělých zemích vlnu extrémní industrializace • Díky relativně nízkým cenám vstupů, zejména ropy a agrochemikálií, byly „zapomenuty“ ideje humusového hospodaření i šetrné technologie (např. mechanické ničení plevelů) • zvyšovala se velikost farem a důraz byl kladen na kontinuální monokultury (monokroping) • ekonomické, politické, urbanizační a populační tlaky změnily agroekosystém z relativně harmonického na „industriální“, spojený, vedle rostoucí produkce, také s environmentální degradací • Zemědělský výzkum se soustředil na produkci a technologie a pro agroekologii nastala krátká „doba temna“ – (která v některých zemích s totalitními režimy trvala až do konce 80. let)
• Rostoucí vědomí následků, které takovéto hospodaření může přinést, vedlo ke vzniku ideologie environmentalismu
3. Období environmentalismu (zejména přelom 60. a 70.let) • byly použity maltuziánské vize nerovnováhy mezi exponenciálním populačním růstem a omezenými zdroji planety, vnímané jako důsledek nesprávných technologií a sílícího populačního tlaku (Ehrlich 1968, Hardin 1968, Meadows 1972) • otázky znečištění prostředí, včetně toxického vlivu agrochemikálií – Carsonová R. (1964) : „The silent spring“
• porovnávaly se „vyspělé“ produkční systémy, s velkými výstupy na jednotku plochy a velkou efektivitou lidské práce, s „tradičními“ systémy, vysoce efektivními na jednotku vložené energie – „překvapením“ bylo zjištění, že vysoké výnosy jsou v industriálních systémech dosahovány efektivní konverzí neobnovitelných zdrojů do produkce
3. Období environmentalismu Čtyři základní poznatky pro agroekologii 1.
Poznání malé energetické efektivity moderního zemědělství •
Řada zejména tropických zemědělských systémů je produktivní bez destruktivních vlivů na prostředí
2. •
3.
a je výborně adaptována jak k lokálním přírodním podmínkám tak společensko-ekonomickému prostředí
Vývoz industriálních zemědělských technologií do tropických zemí (tzv. "zelená revoluce") sice zvýší produkci, ale s mnoha negativními dopady •
4.
zvyšuje produkci na základě transformací masivních vstupů energomateriálových dodatků a nikoli zvýšením produkčního potenciálu agroekosystému samotného
jak na ekologicky zranitelné okolí, tak na široké skupiny obyvatelstva
Environmentální ideologie zásadním způsobem ovlivnila vývoj, zavádění a provozování ekologicky zaměřených, tzv. alternativních produkčních systémů
1. Poznání malé energetické efektivity moderního zemědělství • Pimentel (1973): americký produkční systém je sice vysoce produktivní, vyjádříme-li jeho efektivitu ve vyprodukované energii na jednotku plochy, ale velmi málo efektivní, počítáme-li jeho efektivitu vyprodukovanou energií na jednotku vložené energie • některé technologie používané v zemích "třetího světa" se jeví při takto postavených kritériích efektivnější než technologie moderního amerického zemědělství
2. Řada zejména tropických zemědělských systémů je produktivní bez destruktivních vlivů na prostředí • studium tradičních agroekosystémů, zejména tropických zemí, může značně obohatit poznání ekologicky založeného řízení agroekosystémů – systémy kočovného polaření (Richardsová 1939, Conklin 1956) – víceplodinové systémy a agrolesy
3. Vývoz industriálních zemědělských technologií do tropických zemí (tzv. "zelená revoluce") sice zvýší produkci, ale s mnoha negativními dopady • Janzen (1973) a Levins (1973): výzva zemědělským výzkumníkům, aby zvážili, zda se technologie, vyvinuté v mírných zeměpisných pásmech, skutečně hodí do tropických zemí
4. Environmentální ideologie zásadním způsobem ovlivnila vývoj, zavádění a provozování ekologicky zaměřených, tzv. alternativních produkčních systémů • INTECOL, 1976 (1. mezinárodní ekologický kongres): produkční paradigma, kde se zájem soustředil na maximalizaci produkce, a výzkum byl soustředěn na efektivitu, čili vztah výstupu ku vstupu, bylo vystřídáno ekosystémovým paradigmatem, v jehož rámci se posuzuje systém jako celek, se všemi vedlejšími dopady jednotlivých opatření
4. Obdobím trvalé udržitelnosti agroekosystémů (posledních 30 let) • summit Země schvaluje v r. 1992 na konferenci v Rio de Janeiru ideu trvale udržitelného rozvoje: trvale udržitelný je takový rozvoj, který se neděje na úkor rozvoje budoucího – v oblasti využívání agroekosystémů je nejvýznamnějším požadavkem nedegradování (tj. nesnižování kvality ani množství) zdrojů prostředí, (přírodních, lidských, kapitálových i produkčních)
• probíhá v období globalizace
