BIOSYST-MeBioS
www.biw.kuleuven.be
BIOSYST-MeBioS
Hulpbronnen - Gebruiker Een systeembenadering
Herman Ramon
BIOSYST-MeBioS
Inleiding •
Interactie hulpbron – gebruiker
•
Literatuuroverzicht
•
Problematiek van de primaire voedselproductie
Dynamiek van een populatie Malthusiaanse groei Robert Malthus (1766-1834) Brits demograaf, econoom en predikant Misantroop, dystopische kijk op de wereld
Twee postulaten in zijn essay (1798): 1.
BIOSYST-MeBioS
2.
Food is necessary to the existence of man (toegankelijkheid en beschikbaarheid van hulpbronnen) The passion between the sexes is necessary and will remain nearly in its present state (een species streeft naar maximale populatiegroei)
Malthusiaanse catastrofe Bestaansminimum (subsistence level)
The New York times (augustus 2007) De industriële revolutie maakte het mogelijk het Malthusiaanse model te doorbreken
Basisidee van Malthus met exponentiële toename van de populatiegrootte
Dynamiek van een populatie Vergelijking van Malthus Fenomenologisch model met één parameter: de natuurlijke voortplantingssnelheid r
BIOSYST-MeBioS
Effect van de r-parameter in het Malthusiaanse groeimodel
Aantal of biomassa x Onstabiel systeem met 1 reële pool r
Verhulstiaanse groei Pierre François Verhulst (1804-1845) Gentenaar, wiskundige (getallenleer), sociale statistiek en demografie (o.i. v. Adolphe Quételet) Publiceerde in 1838: Notice sur la loi que la population poursuit dans son accroissement, Correspondance mathématique et physique, 10, 113-121.
Dynamiek van een populatie Skeleton coast
BIOSYST-MeBioS
Namib woestijn Zeeleeuwenkolonie: 100.000 Jakhalzen
Vergelijking van Verhulst (logistische groeiwet van Verhulst) (herontdekt door Pearl)
De natuurlijke voortplantingssnelheid r De draagkracht van de omgeving K Zelfregulerend systeem Dichtheidsafhankelijke groei Groeiversnelling – groeivertraging Intraspecifieke competitie
Dynamiek van een populatie
BIOSYST-MeBioS
R-strategen vs K-strategen
r-strategen vs K-strategen
Reproductiestrategieën van r-strategen en K-strategen r-strategen Omgeving Omvang Levensduur Leeftijd op eerste voortplanting Nakomelingen Ouderzorg Stabiliteit van de populatie Voorbeelden
Voordeel bij minder stabiele omgeving * Kleiner Korter Jonger Meer Beperkt of geen Wilde flucuaties De meeste insecten (treksprinkhaan, …), bacteriën, …
k-strategen Voordeel bij een meer stabiele omgeving Groter Langer Ouder Minder Lang en toegewijd Meer stabiel De meeste grote zoogdieren (olifanten, leeuwen, …)
*Voorbeeld van een minder stabiele omgeving: grote monoculturen in de landbouw
Dynamiek van een populatie
BIOSYST-MeBioS
Kan een species zichzelf een groeistop opleggen vóór K is bereikt? Interspecifieke en intraspecifieke competitie om hulpbronnen, i.e. het voortbestaan
Situatie van de mens
Groei van de populatie in de Verenigde staten tussen
Voorspellende kracht van deze modellen? Metaforen (Henri Poinaré, Frans wiskundige en wetenschapsfilosoof, grondlegger kwalitatieve analyse van systemen
Dynamiek van een populatie Groei en verwachte evolutie van de omvang van de wereldbevolking (miljard) Wereldbevolking
Jaartal
Wereldbevolking
1 1000 1500 1750 1804 1927 1960
0.2 0.275 0.450 0.700 1 2 3
1975 1987 1999 2011 2024 2047 2050
4 5 6 7 8 9 9.2
BIOSYST-MeBioS
Jaartal
Jaarlijkse groei van de wereldbevolking
Evolutie van de wereldbevolking
BIOSYST-MeBioS
Dynamiek van een populatie
Verwachte populatiegrootte en groeiscenario’s van de wereldbevolking
1. 2.
The New York Times (Augustus 2007): De industriële revolutie maakte het mogelijk om het Malthusiaanse model te doorbreken The wall street Journal (Maart 2008-: Cruciale niet hernieuwbare hulpbronnen zullen weldra een eind maken aan de populatiegroei
1.
Grote K: door technologische ontwikkelingen verhoogt de mens de toegankelijkheid van bestaande natuurlijke hulpbronnen en kan nieuwe hulpbronnen aanboren
2.
Grote r: door toename van de verwachte levensduur, inperking van kindersterfte en epidemieën
3.
De voedselproductie en de hiermee gerelateerde technologische ontwikkelingen is de meest cruciale ‘nernieuwbare’ hulpbron
Het Lotka-Volterra predator-prooi model Het kat en muis spel Pakkans : 90% (tijger: 30%) Prooidichtheid-contactfrequentie
Lotka-Volterra model
BIOSYST-MeBioS
Bioloog d’Ancona WOI visbestanden in de Adriatische zee
k = natuurlijke voortplantingssnelheid h = gemiddelde succesfrequentie van de predator Fenomenologisch model Oscillerend systeem Lineariseren: 2 imaginaire polen Neutraal stabiel systeem
Lynx-sneeuwhaas Alaska, Hudson Bay Company
Recipiëntcontrole - donorcontrole Lotka-Volterra met Verhulstiaanse groei van de prooi
Lineariseren: twee polen met negatief reëel deel Stabiel systeem
BIOSYST-MeBioS
Gedachte-experiment met 2 populaties habitat, hernieuwbare hulpbronnen uitgedrukt in energie recipiënt (gebruiker van de bron), donor (bron)
Populatie 1 Rijke habitat: de energiebehoefte van ieder lid van de populatie wordt gedekt door een vaste hoeveelheid
Recipiëntcontrole: inherent instabiel Vrije toegang tot de bron Volledige exploitatie door voldoende technologische hulpmiddelen Leidt steeds tot plundering van de hulpbron “Tragedy of the commons”
Recipiëntcontrole - donorcontrole De mens als jager-verzamelaar
BIOSYST-MeBioS
nomadenbastaan leegplunderen van zijn habitat hevige confrontaties met andere stammen (40 % van de mannen) draagkracht van de planeet: 20 miljoen individuen 60.000 VC flessenhals van 2.000 individuen
Paaseiland kolonisatie door de Polynesiërs rond 900 na Chr (natuurlijke) hulpbronnen: palmbossen, visvangst, landbouw (gewassen, veeteelt), landvogels bouw van hutten, kano’s, lijkverbranding het verslepen van moai (stenen beelden >100), ahu (stenen terrassen >300) concurrerende clans in 12 territoria ontbossing hoogtepunt in 1400 na Chr en was voltooid tussen 1400 en 1600 na Chr implosie van de maatschappij in ongeveer 1 generatie 1774: Kapitein Cook
Recipiëntcontrole - donorcontrole De huidige mens? Haïti:
eilanden zijn kwetsbaar
door politieke instabiliteit zwaar geërodeerd maatschappelijk weefsel slecht beheer van schaarse hulpbronnen
BIOSYST-MeBioS
zonder internationale hulp volledige implosie
Recipiëntcontrole - donorcontrole Populatie 2
BIOSYST-MeBioS
verschraalde habitat: de energiebehoefte van slechts een deel van de populatie wordt gedekt door een vaste hoeveelheid de totale energieconsumptie is evenredig met de totale grootte van de hulpbronnen (“haves and have nots”) en wordt bepaald door het regeneratievermogen van de hulpbronnen (k klein genoeg)
donorcontrole: inherent stabiel regulering op de bron rekening houdend rekening houdend met het regeneratievermogen van de bron
Japanse makaken
BIOSYST-MeBioS
Recipiëntcontrole - donorcontrole
1.
De groei en de grootte van een populatie wordt volledig gedirigeerd door de beschikbaarheid van natuurlijke hulpbronnen
2.
Bij vrije toegang tot haar hulpbronnen zal een populatie groeien tot de draagkracht van de omgeving is bereikt
3.
Vrij toegankelijke hulpbronnen, ook de hernieuwbare, worden steeds leeggeroofd
4.
Zowel inter- als intraspecifieke competitie voor hulpbronnen is een natuurlijk gegeven
5.
Het systeemdenken geeft ons een gestrucureerd inzicht in de interactie tussen populatiehulpbron
Literatuur *Terra Incognita, Globalisering, ecologie en rechtvaardige duurzaamheid Peter Tom Jones, Roger Jacobs *De klimaatoorlogen, waarom in de 21ste eeuw gevochten wordt Harald Welzer *Ondergang Jared Diamond
BIOSYST-MeBioS
De geplunderde planeet, het verzoenen van welvaart en natuur Paul Collier
**A practical guide to ecological modeling Karline Soetaert, Peter **A biologist’s guide to mathematical modeling in ecology and evolution Sarah Otto, Troy Day **An illustrated guide to theoretical ecology Ted Case **Mathematical ecology of populations and ecosystems John Pastor ***Elements of mathematical ecology Mark Kot
Literatuur **Consumer-Resource dynamics William Murdoch, Cheryl Briggs, Roger Nisbet ***Resource competition James Grover ***Self-organisation in complex ecosystems Richard Solé, Jordi Bascompte
BIOSYST-MeBioS
***Matrix population models, construction, analysis and interpretation Hal Caswell ****Analysis and control of age-dependent population dynamics Sebastian Anita
***Stability and oscillations in delay differential equations of population dynamics Gopalsamy, K
****Spatial ecology via reaction-diffusion equations Robert Cantrell, Chris Cosner
**Stochastic population dynamics in ecology and conservation Russell Lande, Steinar Engen, Bernt-Erik Saether **Stochastic population models, a compartmental perspective James Matis, Thomas Kiffe
Literatuur **Systems science and modeling for ecological economics Alexey Voinov **Natural resource and environmental economics Roger Perman, Yue Ma, James McGilvray, Michael Common **Economic dynamics, Phase diagrams and their economic application Ronald Shone
BIOSYST-MeBioS
***Mathematical bioeconomics, Optimal management of renewable resources Colin Clark
****Quantitative sociodynamics, stochastic methods and models of social interaction processes Dirk Helbing ****Modeling Complex living systems, a kinetic theory and stochastic game approach Nicola Bellomo ****Mathematical Modeling of complex biological systems, a kinetic theory approach Abdelghani Bellouquid, Marcello Delitala ****Brownian agents and active particles, collective dynamics in the natural and social sciences Frank Schweizer
*=eenvoudig leesbaar, niet kwantitatief **=goed leesbaar, kwantitatief ***=leesbaar maar gevorderd, kwantitatief ****=gevorderd, vraagt een stevige wiskundige achtergrond of interesse (de laatste 4 boeken zij gebaseerd op de statistische fysica)
Primaire voedselproductie Wijziging in voedingspatroon m.b.t. dierlijke producten Consumptie per caput (g/dag) Ontwikkelde landen
Vlees Melk
Ontwikkelingslanden
1997
2020
1997
2020
205 532
238 575
68 118
99 170
BIOSYST-MeBioS
Energie-input over één energie-equivalent eiwit-output Landbouwproduct
Energieverhouding
Kippenvlees Varkensvlees Rundsvlees Schapenvlees Melk Eieren Graan
4:1 26:1 54:1 50:1 17:1 26:1 3.3:1
1.
In 2050: verdubbeling van de totale voedselproductie t.o.v. 2010
2.
Dagelijkse behoefte vlees voor een volwassene: 30-50g/dag
3.
Wat is de bijdrage van de technologische ontwikkelingen in de primaire productie?
Primaire voedselproductie Eerste tekenen van landbouw Rond 10.000 VC gestart in het Neolithicum door veranderende klimatologische omstandigheden (?) Rond 9.500 VC oudste sporen in Mesopotamië (tarwe, gerst, lijnzaad, erwten, linzen) Rond 7.000 VC oudste sporen in Egypte Rond 3.000 VC bereikten de Sumeriërs een hoogtepunt in de landbouw: monoculturen, irrigatie, gespecialiseerde arbeidskrachten
BIOSYST-MeBioS
Zwerflandbouw Hergebruik grond met rustperiode van 10 tot 20 jaar Plantstok Vrouwenarbeid
Hakcultuur Conflicten tussen rondtrekkende groepen
Prehistorische hak van hertengewei (Coevorden Nederland , 5.000-7.000 VC)
Primaire voedselproductie Vrouwenarbeid Drie belangrijke bewerkingen: 1. 2. 3.
Voorbereiden van het zaaibed en inzaaien Gewasverzorging Oogsten
BIOSYST-MeBioS
Oud-Egyptische hak (2375-1800 VC) en hak uit de bronstijd
Ploegcultuur Evolutie van verticale tand naar schuin naar voor gerichte tand naar kerend rister Vereist veel trekkracht, mannenarbeid
Ethiopische Maresha ploeg (oudste vondsten vóór 2.000 VC)
Primaire voedselproductie
BIOSYST-MeBioS
Inzaaien
Chinese zaaimachine uit de 17e eeuw
Oogst: sikkel en zeis
Zaaien in het Europa van de Late Middeleeuwen
Primaire voedselproductie Aanzet 1. De moderne stoommachine door James Watt (1736-1819)
BIOSYST-MeBioS
Schots ingenieur patent in 1781 op het eerste copieerapparaat patent 1784 op de stoomlocomotief
2. Minerale meststoffen en kunstmeststoffen door Justus von Liebich (1803-1873) Duits chemicus Opname van N-houdende meststoffen door planten
3. De basis van de genetica werd gelegd door Gregor Mendel (1822-1884) Oostenrijkse Augustijn Wetten van Mendel (overerving van eigenschappen van erwten bij kruisen) Basis gelegd voor de systematische ontwikkeling van nieuwe cultivars
Primaire voedselproductie 4. Bereiding van ammoniak uit gasvormig stikstof door Fritz Haber (1868-1934)
BIOSYST-MeBioS
Duits chemicus van Joodse afkomst Procédé ligt aan de basis voor de productie van kunstmest N-meststoffen: voorheen guano (Chilisalpeter) grootste bijdrage tot de explosieve bevolkingsgroei (K-parameter) 50% van het voedsel van de wereldbevolking is afhankelijk van N-kunstmeststoffen Yara, grootste producent
5. De eerste succesvolle stationaire dorsmachine door Andrew Meikle in 1788 Aangedreven door waterkracht of paardekracht 6. De eerste commerciële maaimachine (reaper) door Cyrus Hall McCormick ((1809-1884)
Primaire voedselproductie Definitieve doorbraak met de industriële revolutie (eind 19e eeuw)
BIOSYST-MeBioS
1. Tractoren: van stoomtractoren naar tractoren met verbrandingsmotor
Primaire voedselproductie
BIOSYST-MeBioS
2. Grondbewerking
3. Gewasverzorging: meststofstrooiers
Primaire voedselproductie
BIOSYST-MeBioS
4. Gewasverzorging: spuitmachines
5. Oogstmachines: pikbinder, stationaire dorsmachine
Primaire voedselproductie
BIOSYST-MeBioS
6. Oogstmachines: de maaidorser
1. In een periode van 100 jaar een dramatische ontwikkeling in de landbouwtechniek 2. Technologische ontwikkeling is een cruciale schakel in de landbouwproductie 3. Hier kunnen we terecht spreken van een technologische revolutie in de landbouw (akkerbouw)
Primaire voedselproductie Evolutie actieve beroepsbevolking in de primaire productie voor België Jaartal
Aandeel beroepsbevolking (%)
1830 1890 2000
75 30 1.5 (incl. werklozen)
BIOSYST-MeBioS
Aandeel van de primaire productie in het BNP voor België In 1830: 75% In 2000: <1.2% Ter vergelijking: voedselverwerkende nijverheid: 17%
Evolutie opbrengsten in ton per ha of l/koe voor België
Tarwe Aardappelen Melk
1880
1895
1929
2010
1.5 12.2 1.4
2.4 16.2 1.9
2.4 22.8 2.5
10 60 7.5
Primaire voedselproductie Gemiddelde opbrengst per teelt in ton/ha voor België
BIOSYST-MeBioS
Wintertarwe Rogge Wintergerst Maïs Suikerbieten Late aardappelen
1959
1970
1980
1986
2009
4.1 3.0 4.1 4.3 23.1 18.7
4.5 3.1 4.3 5.2 43.1 31.3
4.8 3.8 5.7 6.3 45.4 33.2
7.0 4.3 6.5 7.9 50.0 38.8
9.3 3.0 8.4 12.1 59.0 30.0
Oorzaken: Betere cultivars, meststoffen, gewasbeschermingsmiddelen, mechanisatie
Spreekwoorden (bread of dreams, alkaloïden in moederkoren)
Problematiek van de primaire productie Gewasbescherming Bestrijdingsmiddelengebruik in Vlaanderen (2007) Actieve stof (ton)
BIOSYST-MeBioS
Fungiciden Herbiciden Insecticiden Overige Totaal
1.570 967 333 392 3.263
-80% van het spuitmiddelengebruik komt niet op het gewas terecht (lucht, bodem, water) -Overschrijding van de MRL (Maximum Residue Level) voor groenten, fruit en graan in de Belgische winkelrekken: 2004 (4.8%¨), 2005 (7.7 %), 2006 (8.8 %) (voor Belgische producten: 5.2%, voor buitenlandse: 13.6 %) -Teruggevonden residu’s in producten: 2004 (12.1%), 2005 (16.8 %), 2006 (36.1%)
Wiedsters
Problematiek van de primaire productie Energie-input over één energie-equivalent eiwit-output Energieverhouding output-input
BIOSYST-MeBioS
Kippenvlees Varkensvlees Rundsvlees Schapenvlees Melk Eieren Graan
4:1 26:1 54:1 50:1 17:1 26:1 3.3:1
Voor graan levert dit voor 1 kJ input, 2 kJ output. Gebruik van graan voor de De productie van bio-ethanol levert voor 1 kJ input 1.5 kJ output (precedent in Finland).
Behoefte aan zuiver water in l per kg landbouwproduct Waterverbruik (l) Rundsvlees Kippenvlees Soja Rijst Tarwe aardappelen
10.000-100.000 3.500 2.000 1.900 900 500
Problematiek van de primaire productie
BIOSYST-MeBioS
Grote monoculturen
Desertificatie Uitputting grondstoffen (P: reserves voor 100 jaar, USA, Marokko, China, Zuid Afrika) Uitputting micronutriënten Mn, Zn, Cu, Mo (typische gebreksverschijnselen) Eutrofiëring (algenbloei) Bodem- en grondwaterverontreiniging Broeikasgassen (17%) Resistentie schimmels, onkruiden, insecten Verzilting Verlies van 20.000 ha/dag cultuurland door erosie en andere bestemming
Problematiek van de primaire productie Fosfaatmeststoffen
BIOSYST-MeBioS
P vormt een essentiële bouwsteen voor ieder levend organisme (DNA, ATP) De mens heeft 650g P, vnl opgeslagen in het botweefsel Recyclage van P in de natuur: gem. 45x door landorganismen vooraleer het afspoelt en/of uitspoelt gem. 800x door mariene organismen vooraleer het bezinkt Deze cyclus wordt doorbroken door landbouwactiviteiten (afvoer van landbouwgewassen, afspoelen en uitspoelen)
Problematiek van de primaire productie N-P-K meststoffen: N (Haber-Bosch procédé uit gasvormig N), P en K (minerale meststoffen, ontginning) Totale fosfaathoudende rotsreserves voor >1000 jaar maar slechts exploiteerbaar deel <100 jaar 85% van de reserves in Marocco (40%), USA, China en Zuid-Afrika In de meeste Europese bodems opgeslagen P-reserves voor 10-15 jaar
BIOSYST-MeBioS
RECYCLEREN!!!
Algemeen besluit
Wij hebben onze natuurlijke hulpbronnen in bruikleen ontvangen van onze toekomstige generaties
BIOSYST-MeBioS
Vandaar hebben wij de morele plicht deze te beheren als goede rentmeesters
Derde technologische revolutie in de landbouw
BIOSYST-MeBioS
Hartelijk dank voor uw Aandacht!
