trvale udržitelné zemědělství

14. Trvale udržitelné (setrvalé) využívání agroekosystémů
14.1. Dnešní zemědělství a jeho problémy
Vznik a počátky zemědělství nebyly spojeny s žádnými podstatnými negativními environmentálními dopady, tj. problémy, které si navzájem působí prostředí a zemědělská činnost člověka. Zemědělství vznikalo v oblastech málo ekologicky citlivých, veškeré negativní dopady byly úzce lokální a svou podstatou (podobaly se přírodním narušením), intenzitou, dobou a periodicitou působení či podílem „postižených“ ploch nedokázaly překročit meze homeostáze ekosystémů.
Již prvotní zemědělské systémy však vykazovaly zárodky dnešních problémů. Pozměnění stávajících ekosystémů konverzí v zemědělský systém často zcela změnilo jeho původní uspořádání (např. došlo k odlesnění, změnily se edifikátory společenstev), vkládání lidské a zvířecí práce a export biomasy mimo systém znamenaly těžké a opakované narušování. Vzhledem k nezvládnutí technologií došlo občas až ke kolapsu mnohých zemědělských systémů minulosti se závažnými doprovodnými důsledky na prostředí, jako např. salinizace pozemků mnohých zavlažovaných systémů (např. v oblasti Mezopotámie), antropogenní dezertifikace mnohých oblastí světa apod.
Migrační vlny jistě souvisely s rozvojem zemědělství (jednak zemědělství zvyšovalo populační tlak a jednak kočovní pastevci byli často nuceni vyhledávat nové pastviny) a přinášely ve starověku a středověku rozsáhlá odlesnění. Podobně i vojenské výboje měly dopad na odlesňování krajiny, např. potřeba dřeva pro stavbu lodí odlesnila rozsáhlé oblasti Mediteránu s následky patrnými dodnes. Rozvoj zámořských plaveb po 15. století přinášel první problémy „biologického“ charakteru. Po objevu možností zámořských plaveb docházelo k rozsáhlým transportům zemědělských plodin a jejich masovému šíření na nových kontinentech, s nimi došlo k nechtěnému (ale i záměrnému) transportu škůdců (krysa, potkan, vrabec). V nových prostředích nastaly problémy s ferálními živočichy (králík, prase, koza - výrazné v Austrálii), s generováním invazních a agresivních druhů apod.
Zhruba od začátku 19. století lze pozorovat, že ekosystémy i celé krajiny v zemědělsky „vyspělých“ zemích ztrácejí schopnost homeostáze. Tato doba nápadně koreluje s počátky zavádění mechanizace a chemizace do zemědělské produkce. Proces je silně urychlen v posledních 40 - 60 letech s industrializací zemědělství. Tento proces vedl např.: ke scelování pozemků se závažnými dopady na krajinou matrici (např. insularizace), k využívání mechanizace (spojené s užíváním neobnovitelných zdrojů a vkládáním značné dodatkové energie na jednotku plochy), k chemizaci (s rozmanitými vlivy na půdu, vodu a organizmy), ke snižování rozmanitosti zemědělských systémů, ke snižování genetické diverzity produkčních organizmů, k integraci firem agrobyznysu (vedoucí k zániku mnoha farem se závažnými sociálními dopady) apod. Industriální zemědělství je vysoce produktivní a efektivní ve využití lidské práce, ale je spojeno v mnoha případech s environmentální degradací (eroze půdy, znečištění agrochemikáliemi), se společenskými problémy (zánik rodinných farem, vylidnění venkova), s koncentrací půdy, zdrojů a produkce, s nadvládou agrobyznysu nad farmářskou produkcí, se změnami v migraci obyvatel mezi městy a venkovem, s využíváním neobnovitelných zdrojů apod. Tyto problémy se ještě prohlubují zaváděním industriálních technologií do tropických zemí, čili „zelenou revolucí“. Industriální zemědělství totiž není vhodné do oblastí, které jsou chudé na kapitál a energetické zdroje ani do marginálních produkčních oblastí.
Environmentální problémy zemědělství lze zhruba rozdělit do 3 kategorií (viz obr. 1.1): vliv zemědělského systému na prostředí, na sebe sama (změny stanovišť) a působení prostředí na zemědělský systém.
14.1.1 Změny stanovišť
Asi nejzávažnějším a v dosavadních systémech zemědělství nevyhnutelným dopadem zemědělské činnosti je destrukce stávajících ekosystémů jejich konverzí na zemědělské systémy a to bez ohledu na jejich původní biologickou a jinou hodnotu (zpravidla vysokou), spojenou často s drastickými změnami půdních vlastností kultivací, změnami vodního režimu apod. a s tím vším spojenou lokální extinkcí původních druhů bioty (např. úplná výměna edifikátorů společenstev). Samozřejmě, ztráta hodnot je velmi odlišná a to v závislosti na hodnotě původního ekosystému i výsledného zemědělského systému. Např. je podstatný rozdíl mezi konverzí lesních ekosystémů v zemědělské systémy typu industriálního monokropingu (kde dochází k drastické redukci biodiverzity i biomasy a uvolněný C zvyšuje jeho koncentraci v atmosféře) a např. konverzí neproduktivních mokřadů (s malou biodiverzitou, produkujících do atmosféry metan anaerobní respirací a N2O denitrifikací) na systémy zvýšených polí (s vysokou biodiverzitou i biomasou).
Již od počátků zemědělství nahrazovaly zemědělské systémy přírodní ekosystémy, což mělo negativní vliv na biodiverzitu. I když i další lidské aktivity, jako těžba nerostů a urbanizace, měnily tvářnost krajiny, zemědělská produkce včetně produkčního lesnictví má největší plošný podíl na změnách v biosféře, které ohrožují systémy podpory života (life supporting systems). Lze odhadnout, že tento proces ovlivnil na každém hektaru asi 5 - 10 000 druhů živočichů ve střední Evropě a asi o jeden řád více v tropech. V posledních 120 letech bylo konvertováno asi 850 Mha přirozených ekosystémů na zemědělské využívání. Mezi roky 1970 a 1990 bylo zorněno každým rokem navíc oproti předchozímu stavu asi 3 Mha půdy, v posledních 10 letech je situace téměř vyrovnaná (konverze se plošně zhruba vyrovná reverzi). Konvertováno však bývá biologicky cenné území (např. hnízdiště vzácných vodních ptáků v severní Dakotě, tropická centra biodiverzity) nebo kvalitní zemědělská půda (urbanizací, např. v okolí městských center v Kalifornii) a revertovány jsou často marginální produkční oblasti (podhorské, s málo úrodnou půdou apod.). Lze se oprávněně domnívat, že lidská populace bude v dalších desetiletích nadále růst, a to převážně v oblastech, kde je soustředěno nejvíce světové biodiverzity, tj. v tropech a subtropech. Tak, jak zde bude růst životní úroveň, budou ještě více (nad populační růst), stoupat požadavky na zemědělskou produkci. Navíc, vzhledem k rostoucím cenám potravin a vstupů na světových trzích, budou tyto země rozšiřovat nadále extenzivním způsobem zemědělskou produkci a to na úkor lesů, mokřadů a savan, které slouží nyní jako refugia organizmů (Srivastava et al. 1996).
Drastická redukce biodiverzity je ve světle současných poznatků eticky zcela neúnosná. Lze se oprávněně domnívat, že lidé i ostatní organizmy mohou koexistovat vedle sebe a prosperovat ze společných zdrojů planety. Farmáři se však zejména v některých zemědělských systémech (intenzivní monokroping) snaží zcela odstranit veškerou epigeickou biotu (kromě produkčních organizmů) bez ohledu na její aktuální či potenciální přínos produkci a ostatním funkcím a cílům zemědělských systémů. Společná zpráva IUCN a americké organizace Future harvest (nezisková organizace zahrnující 16 výzkumných center podporující výzkum na poli vztahu zemědělství a prostředí s cílem zlepšení výživy a současně stavu prostředí a přenášení výsledků tohoto výzkumu do praxe) konstatuje, že asi polovina ze 17 000 nejvýznamnějších přírodních rezervací ve světě je využívána zemědělsky. Z 25 světových center biodiverzity jich nejméně 16 leží v oblastech, kde lidé trpí špatnou výživou, proto kácí lesy a rozšiřují zemědělské plochy: tento proces je hlavním likvidátorem biodiverzity.
Zejména velké technologické změny provázející adaptační proměny zemědělských systémů rozkolísají přechodně vytvořené rovnováhy v agrocenózách. Tak např. s nástupem industriálního zemědělství došlo ke scelování pozemků. V ČR bylo prováděno od asi 50. let 20. století v podobě tzv. HTÚ (hospodářskotechnické úpravy pozemků). Nerespektovaly se při tom mimoprodukční funkce krajiny (hydrické, ekostabilizační, refugia biodiverzity apod.) ani místní odlišnosti. Plošný úbytek trvalých travních porostů i nezemědělských zbytkových nebo regenerujících plošek a koridorů (mezí, remízků a další rozptýlené zeleně) vedl spolu s nevhodně prováděnými melioračními opatřeními k erozi, porušení hydrických funkcí krajiny a k narušení ekologických procesů v krajině. Meliorace byly chápány jen jako technický servis sloužící k získání a zornění nových ploch a k vyrovnání vláhových poměrů. Škodlivé bylo narovnávání a zatrubňování malých vodotečí, doorávání až k břehové linii toků i neuvážené odvodňování cenných mokřadů (Petr & Dlouhý 1992). Ve V. Británii došlo k likvidaci živých plotů (mezi r. 1945 a 1970 asi 1 % odstraněných živých plotů ročně - Tivy 1990). Tím vším se sice zlepší operační efektivita velké mechanizace, získá se dodatečná půda, sníží se množství refugií škůdců a chorob a ušetří se na údržbě krajinných prvků, ale ztráty jsou též značné: dochází ke snížení biodiverzity (což jest urychleno tím, že liniové krajinné prvky slouží jako biokoridory), zvyšuje se dopad eroze, ztrácí se možnosti úkrytů pro lovnou zvěř, dochází k úbytku refugií pro bioregulátory (a tím snížení ekostabilizační role krajiny), snižuje se estetická (a rekreační) hodnota krajiny a v neposlední řadě mizí dodatkové zdroje produkce (šípky, bezinky, palivové dříví apod.). Přírodní nebo přírodě blízké ekosystémy se redukují na nepatrné zbytky, které vyvolávají zájem ochrany přírody.
Změny hydrického režimu provázejí zemědělskou činnost velmi často, nejvýrazněji při zavlažování a odvodňování zamokřené půdy, často i cenných mokřadů. Závlahové systémy, hlavně povrchové, se mohou zejména v suchých oblastech stát líhništěm nepříjemných vexátorů, např. komárů nebo mezihostitelů motolic. Odběr vody z povrchových toků bývá regulován ve většině zemí zákonnými úpravami tak, aby nedošlo k poklesu průtoku pod určitou minimální hodnotu s následným dopadem jak na ekologii toků tak na kvalitu vod pro další využití. Tam, kde to není respektováno, dochází k problémům: Aralské jezero bylo prakticky vysušeno tím, že velké řeky, které jej zásobují, byly využity na závlahy a tak paradoxně místo revitalizace došlo k aridizaci celého území, které museli opustit desetitisíce lidí. Taktéž podzemní akvifery (Mexiko city, pobřeží Kalifornie, Ogallala) se mohou vyčerpat. Podíl zemědělství na celosvětovém odběru vody činí asi 2/3 a je hlavní příčinou nedostatku vody v mnohých oblastech světa. Přitom více než polovina závlahových vod není využita rostlinami, ale je buď vypařena z půdy nebo vytéká mimo zemědělský systém (často spolu s rezidui agrochemikálií). Řešením tohoto problému je opustit v ohrožených oblastech strategii maximalizace zisku a nahradit ji strategií konzervace vody (Gliessman 2000).
Antropogenní dezertifikace je rozšiřování aridních oblastí do oblastí dříve semiaridních nebo dokonce humidních. Je to složitý a mnohorozměrný problém, který se dotýká v současnosti asi 2 600 Mha plochy (Šimek 2004). Mnoho odborníků se domnívá, že jde o proces, který nesouvisí s činností člověka, ale je i mnoho důkazů o opaku. Antropogenní dezertifikace nepochybně souvisí se zemědělskou činností. Podle ekologického zákona „obrácené“ sukcese (rejuvenace) v zemědělských systémech dochází ke snižování množství zadržované vody (v půdě i biomase). Jako všechny ekologické zákony, i tento se realizuje v praxi různými způsoby v závislosti na konkrétním uspořádání zemědělského systému a to např. urychlováním odtoku vody z území (např. regulací toků), vysušováním mokřadů, odlesněním nebo i těžbou lesa a kultivací půdy. To jistě má vliv na regionální hydrický cyklus (méně vody = menší výpar = menší srážky). Vyjádřeno čísly: celosvětově zemědělství přesouvá asi 190 miliard m3 vody z kontinentálních zásobníků do oceánů (Sahagian et al. 1994 z Gliessman 2000). Samozřejmě, k jevu přispívají i drobné klimatické výkyvy: tak např. v USA bylo v prvních dvou dekádách 20. století počasí s mimořádně vysokými srážkami. To vedlo k rozšíření pěstování obilnin v oblasti Great Plains i do oblastí méně příznivých, jejichž vegetace byla místně adaptována, obilniny však nikoli. S příchodem suchých 30. let došlo ke kolapsu a zemědělské systémy klimatický stres neunesly. Podobně v oblasti Sahelu došlo ve vlhkých letech v první třetině 20. století ke zvýšení populačního tlaku, který podporovaly i vlády budováním obecních studní. Zvýšená potřeba palivového dříví vedla k rozsáhlému odlesnění, to spolu s přepasením vedlo k rozsáhlé erozi a tak příchod sušší periody i zde vedl k degradaci krajiny. Klimatický stres krajiny násobí klimatický stres půd: obnažený povrch půdy se přehřívá, je náchylný ke zhutnění, pulverizaci i rozbahnění, tyto jevy vedou ke snížení infiltračního poměru (= poměr vody vsáklé: povrchově odteklé), což násobí výše popsané změny regionálního hydrického režimu. Dezertifikace je tedy dynamický samozrychlující se proces, který je důsledkem pozitivních zpětných vazeb, které vytvářejí spirálu degradace krajiny.
Odlesnění (deforestace) a vystavení půdního povrchu přímo energii slunečního záření se dotýká dnes asi 500 Mha ploch (Šimek 2004). Deforestace se dnes týká hlavně tropických oblastí (nezapočítávají se plochy, které byly odlesněny ve středověku, u nichž již došlo k začlenění do krajiny v nové, metastabilní, rovnováze). Má nesmírný vliv na regionální i globální klima a na půdní prostředí. Plocha velikosti Prahy po odlesnění obdrží za rok energii srovnatelnou s celkovým výkonem všech našich elektráren, tj asi 10 000 MW. Pokud by tento povrch pokrývala trvale vegetace, pak by přinejmenším 2/3 této energie bylo spotřebováno ve formě latentního výparného tepla na výpar vody z rostlin a toto teplo by bylo uvolněno až ve vyšších vrstvách atmosféry (čili vegetace by působila jako dokonalý chladič). Bohužel, zemědělské systémy (zejména ty špatně organizované, industriální) jsou po značnou část roku ve stavu zcela bez vegetace a proto přispívají ke klimatickým změnám.
Vliv zemědělských systémů na půdní prostředí
Obecné vlivy zemědělství na půdní rostředí již byly popsány v kap. 9. Vliv zemědělské činnosti na půdní biotu spočívá zejména ve změně rostlinného krytu, v neustálém narušování půdního prostředí (zejména mechanickým zpracováním půdy) a významný je i nepřímý vliv daný podstatnými změnami půdních vlastností vlivem agrotechnických zásahů (včetně využití agrochemikálií). Půda je částečně nebo zcela zbavena rostlinného krytu a ten je úplně změněn co do botanického složení. Povrch půdy je tím po značnou část roku vystaven klimatickým stresům. Půdní prostředí je neustále narušováno kultivací a tím jsou biocenózy edafonu sukcesně omlazovány. Časté narušování půdy zvýhodňuje organizmy s krátkou generační dobou a je-li spojeno se zapravením rostlinných zbytků, zvýší se populace některých druhů bakterií a následně některých druhů jejich konzumentů, prvoků a bakteriofágních hlístic. Agrotechnika podstatně mění vlastnosti půd. To má samozřejmě nepřímé dopady na strukturu společenstev edafonu a to zejména na ty druhy a skupiny, které tyto změny nedokáží tolerovat. To bývá v různých skupinách asi 1/3 - 2/3 původních druhů a tím je biodiverzita edafonu silně ochuzena (pauperizována). Nepřekvapuje tedy, že závěr porovnávání edafonu původních společenstev a zemědělských systémů vyzní často tak, že biocenózy zemědělských systémů jsou jen degradačním stádiem původních biocenóz. Kladný vliv na půdní biotu mají půdoochranné postupy, zejména zanechávání reziduí na povrchu půdy (což např. zvyšuje populace žížal). Minimalizace zpracování půdy „posune“ půdní subsystém do vyšších sukcesních stádií s dominancí hub a fungivorních organizmů (např. hlístic). Utužení půdy mechanismy má negativní vliv na větší složky edafonu, menší vliv na menší druhy. Stimulační efekt na edafon mají organická hnojiva a většinou i mírné dávky anorganických hnojiv (podporují růst plodin a tím kvalitu a kvantitu rostlinných zbytků). Všeobecně devastující vliv na edafon mají pesticidy, jen výjimečně může u některých skupin dojít přechodně ke zvýšení jejich populačních hustot po aplikaci biocidů např. potlačením jejich predátorů. Zejména insekticidy a fungicidy (méně herbicidy) jsou toxické pro žížaly, fungicidy ničí i mykorhizy. Řada agrotechnických postupů omezuje populace fixátorů N (okyselování půd, zvýšení obsahu těžkých kovů např. aplikací čistírenských kalů atd.).
Vliv zemědělství na fyzikální půdní vlastnosti často úzce souvisí s vlivem na edafon (např. pokles množství žížal a vláknitých hub může snížit stabilitu půdních agregátů) i se změnou chemických vlastností půd (podstatné snížení obsahu SOM může poškodit mnoho fyzikálních vlastností půd). Fyzikální degradace půd se téměř vždy projeví změnami ve struktuře půdy. Půdní struktura je komplexní vlastností související se shlukováním texturních částic do agregátů, které mají rozmanitou velikost, tvar a stabilitu. Poškozování půdní struktury má původ jak v biologické tak chemické degradaci a souvisí i s mechanickým působením na půdu (např. orba v nevhodnou dobu). Utužení (ztužení, kompakce) půdy se projeví zvýšením objemové hmotnosti a snížením pórovitosti půdy a je často způsobené technogenními příčinami (mechanickým tlakem kol zemědělských a lesních strojů na půdu, ale na pastvinách také sešlapem zvířaty, v příměstských lesích zase sešlapem lidmi). Na orných půdách se často vytváří utužená vrstva půdy těsně pod orniční vrstvou (plow pan). Přilišné mechanické působení na půdu spolu s poklesem množství a kvality SOM často vede ke změnám agregátového stavu půd, např. na stav slitý (kdy jsou jednotlivé částice stmeleny v jedinou masu - na toto jsou náchylné zejména jílovité půdy) nebo na stav elementární (kdy jednotlivé částice nejsou spojeny v agregáty - na toto jsou náchylné zejména písčité půdy) a dále k vytváření prašné struktury (pulverizace) a k tvorbě povrchového škraloupu - krusty (Šimek 2004). Utužení půdy, pokles množství SOM a odbourání O horizontu spolu s klimatickým stresem půd jsou hlavními příčinami snížené infiltrační rychlosti, čehož výsledkem je zvýšení povrchového odtoku, což podporuje záplavy. Tento jev se bude zřejmě stupňovat neboť s očekávanou globální změnou klimatu zřejmě dojde v mírných klimatických pásmech k častějšímu výskytu přívalových dešťů. Zhoršení vodního a vzdušného režimu půd provází většinu mechanismů fyzikální degradace půd. Střídání plodin má také vliv na fyzikální vlastnosti půd: liší se totiž jak kvalita a množství posklizňových zbytků, tak agrotechnika.
Chemická degradace půd zahrnuje všechny mechanismy, poškozující některou z chemických vlastností půdy (jako např. pH, koncentrace solí, obsah a biologická přístupnost živinných iontů, obsah a vlastnosti SOM, sorpční komplex, obsah a biologická přístupnost znečišťujících a toxických látek apod.). Snížení množství živin je dáno jak přirozenými procesy (vyplavování iontů do spodních vrstev půdy), tak pěstováním rostlin. Zejména některé tropické půdy jsou náchylné na ztráty živin, což je způsobeno jejich dlouhodobým vývojem bez narušování a bohatými srážkami. Zvětrávající vrstvy horninového prostředí jsou tím velmi vzdáleny od kořenového horizontu a neustále s gravitací perkolující voda z bohatých srážek nedovolí vzlínání půdního roztoku a tím vzestup iontů živin do vyšších půdních horizontů. Odlesnění takové půdy a její zemědělské využití způsobí velké ztráty živin a půda může těžce degradovat. Ve většině půd lze úbytek živin daný zemědělskou činností (daný jak exportem živin se sk