logo SPU
Slovenská poľnohospodárska univerzita, Nitra
Katedra fyziológie rastlín FAPZ
Tr. A. Hlinku 2
949 76 Nitra
e-mail: Marian.Brestic@uniag.sk
 
 


Klimatická zmena a rastlinná produkcia v 21. storočí

Klimatická zmena a jej globálny kontext - do akej miery sa prejaví v rastlinnej produkcii?

Klimatická zmena a rastlinná produkcia sú navzájom prepojené procesy uskutočňujúce sa v globálnom i regionálnom meradle. S klimatickou zmenou spojené otepľovanie, zvyšovanie koncentrácie CO2 a znižovanie úhrnu zrážok determinujú kapacitu biosféry pre produkciu rastlinnej biomasy. Jej výsledný efekt na úrovni poľnohospodárskych rastlín bude závisieť najmä od vyrovnanosti pôsobenia týchto faktorov v konkrétnych pestovateľských podmienkach.

V globálnom kontexte, podľa hodnotiacich správ Medzivládneho panelu o klimatickej zmene (IPCC)100-ročný lineárny trend (1906 - 2005) zvyšovania teploty o hodnote 0,74oC prekročil očakávania najmä vďaka jeho nárastu v posledných 50-tich rokoch (1956 - 2005). Stúpanie hladiny oceánov a ich termálna expanzia pokračuje rýchlosťou 1,8 mm za rok (priemer za posledných 10 rokov je 3,1 mm.rok-1). Nie je zatiaľ jasné, či ide o dekádnu odchýlku, alebo je to vec dlhodobého trendu. Naďalej sa stráca arktický morský ľad rýchlosťou 2,7% ročne a miznú aj arktické horské ľadovce ročne v priemere o 7%. Teplota permafrostu sa zvýšila za posledných 20 rokov o 3oC.

Sumarizovať predpokladaný scenár vývoja klímy pre celé 21. storočie a jeho dekády nie je jednoduché. Je však možné urobiť výpočet zmien, ktoré sa dostavia s veľmi vysokou pravdepodobnosťou. Keďže fosílne palivá zostanú prinajmenšom do roku 2030 dominujúcim zdrojom energie, a teda aj zdrojom CO2 ako hlavného skleníkotvorného plynu (do roku 2030 je predpoklad produkcie 9,7 - 36 Gt ročne), klimatické scenáre IPCC predpokladajú ďalší nárast teploty v priemere o 0,2oC za dekádu pri konštantnej úrovni skleníkových plynov v atmosfére v porovnaní s rokom 2000. Na dôveryhodnosti údajov IPCC o vývine teploty pridáva aj fakt, že projekcia teploty v správe IPCC za rok 2007 je porovnateľná so scenárom IPCC zverejneným v prvej správe IPCC v roku 1990. Veľmi pravdepodobný bude výskyt teplotných extrémov, vĺn horúčav či veľmi intenzívnych zrážok v rôznych častiach sveta. Bude vyššia pravdepodobnosť aj tropických cyklónov (tajfúnov, hurikánov). Adaptabilnosť prirodzených ekosystémov sa môže znižovať zvýšeným tlakom frekventovane opakovaných javov (suchá, záplavy, požiare, choroby, acidifikácia odlesnených území, ale aj intenzívne využívanie krajiny, jej znečistenie a pod.). Bude sa meniť štruktúra a funkcie ekosystémov v dôsledku zmeny ekologických interakcií, posunu vegetačných pásiem s negatívnym vplyvom na ich biodiverzitu a zdravotný stav. Sekvestrácia uhlíka do biomasy ekosystémov v dôsledku intenzívnejšej fotosyntézy má tendenciu mierneho rastu do polovice storočia, potom sa však predpokladá jej pokles, a tým ešte zvýraznenie efektu klimatickej zmeny. Predpokladá sa zvýšenie citlivosti 20-30% rastlinných a živočíšnych druhov, a tým aj potenciálu pre ich vyhynutie. Ich potenciálny zánik považujeme za irreverzibilnú zmenu bez možnosti ich návratu späť do biosféry Zeme.

Poľné plodiny sú človekom neustále modifikované tak, aby čo najväčší podiel z celkovej produkcie všetkej biomasy pripadal na orgány alebo látky predstavujúce vlastnú hospodársku úrodu. Aké sú riziká klimatických zmien? Pretrvávajú neistoty, ktorých upresňovanie bude prebiehať v nastávajúcom období. Dopad klimatických zmien na produkciu agroekosystémov sa hodnotí relatívne obtiažne. Sú v rôznom stupni životného cyklu, závisia od zmien agrochemických vlastností a agrotechnických opatrení. Preto sa ťažšie hľadajú korelácie medzi globálnymi zmenami prostredia a funkciou produkčných systémov. Inak je to u trvalých a lesných ekosystémov. Poľnohospodárske kultúry a zvlášť jednoročné rastliny sa musia vo veľmi krátkom čase vyrovnať so situáciami, ktoré prináša ich pestovateľské prostredie. V každom prípade by sme mali byť pripravení na budovanie výkonného poľnohospodárstva v meniacich sa podmienkach prostredia.

Rastlinná produkcia v 21. storočí

Rastliny sú logicky na začiatku potravinového reťazca, a preto bola produkcia rastlín od dávna spojená s výrobou potravín. Výživa a zdravie človeka sú jednoznačne závislé na rastlinných produktoch, v ktorých sa nachádzajú takmer všetky minerálne a organické látky nevyhnutné pre zdravý vývoj jedinca. Úspech či neúspech poľnohospodárstva je možné hodnotiť z viacerých pohľadov. Zdá sa, že najvýznamnejším kritériom je a zostane množstvo a kvalita poľnohospodárskych produktov, nakoľko sa vychádza zo skutočnosti, že populácia ľudí má stále narastajúcu tendenciu.

Prevažnú časť svetovej produkcie potravín však zabezpečuje len malý počet plodín (pšenica, ryža, kukurica, jačmeň, cukrová trstina a sója). Človek potrebuje v zásade 17 minerálnych látok, 13 vitamínov, ďalej sacharidy, bielkoviny a tuky, z ktorých môže väčšinu poskytnúť rastlinná strava. Okrem nich rastliny obsahujú aj množstvo najrozličnejších ďalších zlúčenín, ktoré sú pre človeka zdravotne prospešné.. Je logické, že poľnohospodári v uplynulom storočí usilovali predovšetkým o zvýšenie celkového množstva vyprodukovanej biomasy, teda úrody. Vzhľadom k nadprodukcii potravín vo vyspelých krajinách a s ohľadom na zvyšujúce sa znečistenie prostredia, posúva sa pozornosť producentov potravín ku kvalitatívnym hodnotám.

V 20. storočí bolo zlepšovanie ich úrod hlavným zdrojom vyššej produkcie a zdá sa, že tomu bude tak aj v nasledujúcich desaťročiach. Vyššia produkcia je kľúčom k riešeniu hladu vo svete, k rozvoju krajín tretieho sveta a vo vzťahu k uvedenému pravdepodobne aj previerkou invenčnosti a efektívnosti vedy a výskumu v tejto oblasti. Na druhej strane v rozvinutých krajinách umožnia rastúce úrody diverzifikovať spôsoby využívania krajiny, dosiahnuť stabilitu a kvalitu úrod, ale aj chrániť citlivé územia a ich biologickú diverzitu.

V 21. storočí početnosť suchých rokov v rôznych častiach sveta pokračuje tempom podobným koncu minulého storočia. Najextrémnejšie prejavy sucha boli už na prelome tisícročí (2000 - 2004). Napr. v Indii v roku 2002 sucho redukovalo produkciu o takmer 20% a negatívne ovplyvnilo 300 miliónov ľudí. V tom istom roku v Sub-saharskej Afrike (najmä v oblasti Sahelu) hladovalo kvôli suchu 40 miliónov ľudí. V rokoch 1980 - 2003 straty zo sucha a následných požiarov v Amerike prekročili 150 miliárd dolárov, čo činilo asi 40% celkových strát v dôsledku prírodných katastrof. Z tohto objemu len v roku 1987-89 si sucho v Amerike vyžiadalo 39 miliárd dolárov. Rovnako v Číne, v Thajsku a vo Vietname v roku 2004 bolo priamo zasiahných desiatky miliónov nedostatkom vody, redukciou poľnohospodárskej produkcie a zintenzívnením chudoby.

Adaptácia plodín na vysokú teplotu má obrovský význam v horúcich podmienkach často doprevádzaných nedostatkom vody.

Ekológia produkcie

Produkcia plodín by mohla v niektorých regiónoch narásť v prípade, že nárast teploty lokálne nepresiahne 1 - 3 oC. Bude sa to týkať najmä tých stredných a vyšších nadmorských výšok, kde budú priaznivé aj iné klimatické a pôdne faktory. V nižších nadmorských výškach, najmä v exponovaných oblastiach s nižším úhrnom zrážok (do 500 mm), bude náchylnosť na sucho a redukciu úrod vyššia už aj pri malej zmene teploty (o 1oC). Negatívne vplyvy klimatickej zmeny v poľnohospodárstve môžu byť do určitej miery kompenzované "hnojivým" účinkom zvýšenej koncentrácie CO2, bude to však závisieť od dostupnosti vody, minerálnych živín a schopnosti producentov prispôsobiť sa zmenami agrotechnických termínov, skladbou odrôd, novými technologickými postupmi, závlahami a pod. Pravdepodobne však zvýšenie produkcie čaká skôr vyspelé krajiny s rozvinutou infraštruktúrou a flexibilnejšou legislatívou a politickou vôľou (nárast o 5%) než rozvojové krajiny (pokles o 10%).

Potenciál prostredia pre produktivitu môže závisieť na ktoromkoľvek zdroji alebo podmienke, ktoré najviac obmedzujú ich rast. V závislosti na raste intenzity svetla, priemernej teplote a dĺžke vegetačnej sezóny, primárna produkcia všeobecne stúpa od pólu k tropickým oblastiam. V suchozemských prostrediach produkcia všeobecne klesá s rastúcou nadmorskou výškou, a to súbežne s klesajúcou teplotou a dĺžkou vegetačnej doby. Vo vodnom prostredí sa úmerne s poklesom teploty a intenzity svetla obyčajne s väčšou hĺbkou znižuje. Výrazné zníženie produktivity nastáva pri zvýšenej aridite prostredia, hlavne v suchých oblastiach, v ktorých nedostatok vody obmedzuje rast rastlín. Produktivita však takmer vždy stúpa s rastúcim množstvom dostupných základných živín.

Z uvedeného vyplýva, že úspešné pestovanie plodín v určitej lokalite závisí od dvoch základných faktorov:

  1. od vplyvu prevládajúceho prostredia (najmä fotoperiódy a teploty) na rast a vývin plodiny, kedy ontogenéza plodiny je prostrediu prispôsobená a vrámci nej fenológia plodiny (časovanie vývinových etáp) je správne nastavené. Správne časovanie vývinových etáp je základom rovnováhy medzi tvorbou zdroja asimilátov (listov a koreňov) a napĺňaním sinkov (zŕn a hľúz) asimilátmi. Sinky teda musia mať čas dozrieť.
  2. od odrody, ktorá sa hodí do daného prostredia, musí vedieť efektívne využívať zdroje, ktoré má v prostredí k dispozícii pre to, aby vytvorila úrodu.

Preto napr. obilnina, ktorá síce vytvorí veľkú biomasu, ale zostáva vo vegetatívnej fáze z dôvodu nevyhovujúcej fotoperiodickej reakcie, je pre poľnohospodárstvo neefektívna podobne ako odroda, ktorá zakvitne v správnom čase, avšak kvôli nedostatočnej adaptácii na extrémnu teplotu, zaplavenie koreňov či choroby nedokáže dobre využiť zdroje prostredia pre produkciu hospodárskej úrody. Základnými procesmi, ktoré sú vzájomne funkčne prepojené a v konečnom dôsledku vedú k formovaniu úrody plodiny, sú fenologický vývin, vývin porastu (fotosyntetickej listovej plochy ako zdroja asimilátov) a akumulácia biomasy a jej prerozdeľovanie.

Dosiahnutie potenciálnej rýchlosti týchto procesov závisí najmä od prístupnosti vody a minerálnych živín (najmä dusíka), čo je regulovateľné jednak pestovateľskými praktikami, ale aj genetickým potenciálom použitej odrody (Obr.). Faktory, ktoré sú vymenované pod prostredím, sú vo všeobecnosti len ťažko ovplyvniteľné pestovateľom s výnimkou regulácie teploty. Vývin plodiny a jej fenológia (časovanie jednotlivých vývinových etáp) majú výrazný vplyv na determinovanie úrodotvorných prvkov, najmä počtu a veľkosti úložných orgánov pre asimiláty (sinkov).

Obr. Environmentálne a pestovateľské faktory ovplyvňujúce procesy rastu a vývinu plodiny, ktoré vedú k formovaniu kvantity a kvality úrody.

Presné časovanie vegetatívnej a generatívnej fázy rastu a vývinu podmienené sezónnosťou klímy v stredných a severnejších zemepisných šírkach je výsledkom interakcií v reakciách rastlín na rôzne environmentálne faktory (najmä teplotu a fotoperiódu). V týchto oblastiach iniciácia tvorby listov (teda vegetatívnej rasti rastlín) závisí primárne od teploty, pričom iniciácia tvorby kvetov (generatívne štádium) od fotoperiodickej reakcie, špecificky pri oziminách od súhry termoperiodickej a fotoperiodickej reakcie. Rastový vegetačný vrchol je na začiatku vegetatívneho rastu tesne pod povrchom alebo nad povrchom pôdy, pričom produkuje listové primordiá v približne 50oC-dňových plastochrónoch až dovtedy, pokiaľ nie je zachytený a spracovaný fotoperiodický signál pre kvitnutie.

Základné mechanizmy, ktorými rastliny disponujú pri environmentálnych poruchách možno vysvetliť prostredníctvom výskumu v stresovej fyziológii rastlín. Reakcie rastlín na zmeny parametrov prostredia sú využité pre vyvíjanie prognostických modelov, ktoré môžu predpovedať dôsledky klimatických zmien na rastliny. Následne môže odhalenie stresom indukovaných fyziologických procesov viesť k novým technológiam v poľnohospodárstve a genetickom inžinierstve.

Budúce šľachtiteľské programy využívané na výber genotypov tolerantných na stresy nemôžu byť efektívne bez základného pochopenia fyziologických mechanizmov tolerancie na stresy.

Neriešenie otázok, ktoré nám signalizujú environmentálne stresy môže viesť k stúpajúcemu zvyšovaniu environmentálneho tlaku a nárastu negatívnych dôsledkov, znižovaniu možností adaptovať sa na zmenené prostredie s dôsledkami na vyšších úrovniach biologickej organizácie, ako aj urýchlovaniu poškodenia globálneho ekosystému. Historické skúsenosti ukazujú, že priame vplyvy environmentálnych stresov na rastliny môžu prerásť do väčšieho rozsahu. Poškodzovaním ekosystémov sa narúša cyklus vody, organických a minerálnych látok v pôde. Fyzikálne faktory prostredia spôsobujú priamo pôdnu degradáciu. Následne dochádza k zmenám využívania pôdy. V takýchto podmienkach poľnohospodárske pestovateľské technológie vyžadujú vyššie náklady, čo vedie k nárastu cien pestovaných produktov. V exponovaných regiónoch to môže viesť v dlhodobom časovom meradle k zníženiu zabezpečenosti potravinami, zvýšeniu migrácie populácie, vzniku konfliktov, potenciálnemu vzniku globálnej krízy.

Aké sú perspektívy pre rastlinnú produkciu?

Hoci sa zvyšovanie úrody poľnohospodárskych plodín v minulosti realizovalo zväčšovaním pestovateľských plôch, v súčasnosti a najmä v budúcnosti to nebude možné najmä vo vyspelých krajinách, kde je vo všeobecnosti veľký tlak na poľnohospodársku pôdu. Jednou z mála prijateľných možností je expanzia poľnohospodárskej výroby do marginálnych oblastí, kde bude pestovanie možné vďaka výsledkom šľachtenia prinášajúceho nové odrody tolerantné na nepriaznivejšie klimatické a pôdne faktory, ale aj vďaka novým pestovateľským technikám využívaným v rámci manažmentu plodín.

Toto storočie bude odkázané na intenzifikáciu produkcie, pretože možno vylúčiť rozširovanie poľnohospodárskej pôdy. S nárastom populácie je potrebné počítať aj so zvýšeným podielom rastlinných produktov, ktoré sa využívajú priamo na vegetariánsku výživu alebo spotrebovávaných ako krmivo. V každom prípade sa budú požiadavky zvyšovať. Klasické pestovateľské technológie sa budú neustále zlepšovať, vrátane obrábania pôdy, zefektívňovania využitia vody, slnečnej radiácie a minerálnych živín, zlepšenej ochrany rastlín voči chorobám, škodcom a burinám, a podobne. Treba počítať s aplikáciou poznatkov o nových rastových regulátorov, ako aj moderných odrôd konštituovaných na poznatkoch fyziológie rastlín a molekulárnej biológie. Ekologické poľnohospodárstvo bude súťažiť o silnejšie postavenie v štruktúre rastlinnej produkcie, a to hľadaním spôsobov ako dosahovať vyššiu hospodársku úrodu a kvalitu produkcie. Určite to bude vyžadovať zavedenie nových foriem získavania živín, predovšetkým zlepšením schopností pútať vzdušný dusík. Zatiaľ chýba experimentálne a vedecké zdôvodnenie pre odmietnutie minerálnych živín. V ochrane rastlín saukazuje cesta lepšieho uplatnenia poznatkov o alelopatických vzťahoch, čo môže mať pozitívny účinok aj na zastavenie poklesu biodiverzity v poľnohospodárskej krajine.

Po roku 2000 bol zaznamenaný pokles nárastu produkcie ryže, pšenice a kukurice, ktoré sa na svetovom kalorickom príjme podieľajú takmer 50 %. V 70-tych rokoch ročne narastali úrody takmer o 2,1%. Toto tempo sa spomalilo na 1,5% ročne. Podobná situácia je to aj u pšenice a kukurice. Otázne je, či sú dosahované biologické a fyziologické limity plodín, alebo pestovatelia produkujú hlbšie pod maximálne úrody, resp. je zodpovedná zvýšená frekvencia negatívnych klimatických javov. Treba však pripomenúť veľmi silný faktor, ktorý v súčasnosti hýbe globálnou produkciou, a to trhová cena produkcie.

V budúcom období klimatické podmienky a vlastnosti pôdy budú stále najdôležitejšími faktormi dosahovania produktivity plodín, a to napriek nesporným technologickým úspechom v tvorbe nových genotypov, geneticky modifikovaných rastlín či bezpôdnym pestovateľským technológiám. V posledných dvoch desaťročiach sa veľký pokrok v šľachtení na suchovzdornosť pri strategických plodinách (kukurica, pšenica, ryža), ale postupuje sa ďalej aj v šľachtení na suchovzdornosť zemiakov, ciroku, leguminóz, tráv a pod. Šľachtenie pre optimálne pestovateľské prostredie, kde je hlavným cieľom maximalizácia úrody, sa v poslednom období dopĺňa šľachtiteľskými programami, ktoré zlepšujú vlastnosti plodín v suchých podmienkach pri zachovaní ich maximálne možnej produkčnej schopnosti. Benefit zo zvýšenej koncentrácie CO2 dokážu rastliny zužitkovať len vtedy, ak budú vedieť v sťažených podmienkach získavať vodu a živiny a efektívne s nimi hospodáriť. Zníženie prístupnosti vody a urýchlenie obdobia rastu plodín vplyvom vyššej teploty môžu výrazne znížiť ich úrodový potenciál. Vo všeobecnosti sa predpokladá až 30% pokles produktivity plodín, silne závislý od lokálneho pestovateľského územia (najväčší, 30% pokles v Afrike a v Latinskej Amerike, 10% pokles v Južnej Ázii, v Európe vyrovnaný stav až mierny pokles avšak s veľkou priestorovou variabilitou). V prípade svetových strategických plodín (pšenica, kukurica, ryža a sója) pokles ich produktivity bude sprevádzaný aj redukciou ich výmery na obyvateľa v dôsledku neúmerného populačného rastu a degradáciou pestovateľskej pôdy. Vďaka týmto dvom aspektom, ako aj skutočnosti, že sme stále závislí od fosílnych druhov energie, môžeme konštatovať pretrvávajúcu nízku úroveň trvalej udržateľnosti svetovej poľnohospodárskej výroby s potenciálnymi problémami v zabezpečení dostatku potravín v blízkej budúcnosti.

Vplyv klimatickej zmeny na globálnu produkciu strategických plodín možno zhrnúť do nasledovných aspektov:

  • leguminózy budú pravdepodobne vo výhode oproti ostatným plodinám kvôli zvýšenej koncentrácii CO2, ktorá zvýši ich schopnosť pútať vzdušný dusík a umožní im lepšie sa vyrovnať s predpokladanými nižšími hladinami proteínov v pletivách,
  • koreňové, hľuznaté ale aj drevnaté druhy plodín majú samy o sebe veľkú kapacitu sinku pre CO2 vďaka ich schopnosti translokovať sacharidy do zásobných orgánov, resp. drevnatých pletív,
  • zvýšenie produkcie bude pre C3 rastliny výraznejšie ako pre C4 vďaka ich schopnosti redukovať fotorespiráciu,
  • CAM rastliny pravdepodobne rozšíria svoje zastúpenie v teplejšej klíme vďaka schopnosti efektívne hospodáriť s vodou, prijímať CO2 v noci a podľa podmienok efektívne "prepínať" medzi C3 a CAM metabolizmom,
  • trávne porasty budú pravdepodobne meniť svoju štruktúru a druhové zloženie, vzhľadom na zvyšovanie CO2 sa v nich predpokladá väčšie zastúpenie leguminóz,
  • predpokladá sa pokles kvality zrna obilnín v podmienkach zvýšenej koncentrácie CO2.

Vzájomná previazanosť života rastlín a života človeka bude pokračovať aj v 21. storočí a bude sa vyvíjať. Ani neodhadnuteľne rýchly rozvoj vedy a techniky nič nezmení na závislosti človeka na rastlinách. Rovnako tak expanzia počtu a nárokov ľudstva bude ovplyvňovať život rastlín, ich početnosť a geografické rozšírenie. Tím sa zmenia i výsledky ich vzájomnej interakcie.

Vystavené: 27.7.2010

Autor textu: prof. Ing. Marián Brestič, CSc.