Zemědělské systémy

škůdců, živin apod. Sukcesní přístup: příroda sama ví, co následuje po čem. To je možné vysledovat a napodobit. Časté je zkoušení (pokus-omyl). Pokud to nevede k cíli, je možné využít temporální DPCs. Tento pojem je založen na tom, že každá plodina vyžaduje určitou kombinaci podmínek a zdrojů (pre-DPCs) a jinou po sobě zanechá (post-DPCs). Seřazením na sebe navazujících pre- a post- DPCs sestavíme rotační posloupnost (a její každý nedostatek korigujeme dodatky). Jak pre- a post- DPCs musí zahrnovat celou škálu faktorů: živiny, vlhkost, biomasu zadržující vlhkost, omezování škůdců, užitky pro edafon apod. Posloupnost agrotechnogií: po monokultuře může opět následovat monokultura nebo např. sezónní interkrop. Zejména ty posloupnosti, které obsahují stromy, mohou v každém období vytvářet zřetelné prostorové agrotechnologie. Např. u taungya systému po fázi připomínající agrolesní interkrop následuje alejový systém a poté navazuje systém lehkého zastínění. S tím, jak se v čase mění vlastnosti takového komplexního systému, se mění podrostní plodiny, ale také se může měnit složení stromů (časté je postupné snižování jejich hustoty).
Další možnosti managementu: rozšíření o další prvky managementu otevírá řadu dalších možností. Tak např. přesné časování agrotechnických lhůt nebo metody zpracování půdy mají odezvu i v dalších sezónách. Je to dost komplikované. Orba např. usnadní průnik kořenů, urychlí mineralizaci, má vliv i na plevele, ale zase vystaví půdu vlivu klimatu (eroze), u některých plodin je dlouhá fáze holé půdy (okopaniny). To lze řešit větrolamy, pásy nebo krycími plodinami (ty nejen sníží erozi, ale mají vliv na plevele). Překonání fáze holé půdy je možné mnoha způsoby, nejjednodušší jsou krycí plodiny (v mírných pásmech např. ozimé žito), je možné využít dále bezorebné technologie (zde je půda kryta rezidui předchozí plodiny): to řeší mnoho problémů eroze, ale nastupují plevele. Tento problém lze řešit zase krycími plodinami nebo mulčováním (např. sekáním a nafoukáním ze sousedních pásů), využít oheň či domácí drůbež. Dalším problémem je řízení toků živin a živočišných škůdců (jak, to bylo naznačeno v kap. 5). Úhory jsou temporální variantou pomocných (auxiliárních) systémů. Napomáhají produkčnímu výstupu následných plodin, ale obvykle samy nebývají sklízeny. Trvají od jedné sezóny po 50 i více let. U víceletých úhorů bývá časté, že aspoň v prvních letech se něco sklízí. Vynechány zde jsou vylepšené úhory (nezarůstají spontánně, ale vysévá se směs rostlin s výhodnými DPCs, zejména fixujících N – také se tím brání nástupu stromů u víceletých úhorů, které by bránily pozdější orbě). Kočovné polaření (slashing): koncem víceletých úhorů lze vegetaci po skácení a posekání buď využít jako mulč (slash and mulch) nebo spálit (slash and burn). U mulče se obvykle odstraní kmeny a větve (ty jsou nejen chudé živinami, ale v procesu rozkladu živiny ještě váží). Pálení rychle uvolní živiny (za cenu velkých ztrát) ale má vliv i na škůdce (vč. plevelů). Nezávislé sekvence: (single or discrete rotations) jsou nejjednodušší, uvažují každou ploduinu/rok za nezávislou jednotku bez ohledu na předchozí historii ani následné plány; všechny problémy (se škůdci včetně plevelů, vyčerpáním živin apod.) jsou řešeny dodatky (pesticidy, hnojiva); ekonomické výhody: okamžitě reagovat na trh – to se váží s nevýhodami, kterými jsou obvyklé nižší náklady při dobře plánované rotaci dané zisky z vhodnmé ekodynamiky systému. Sériové rotace: (series rotations) jsou sekvence plánované dle temporálních DPCs – viz dříve; plodiny následují za sebou nebo po přerušení (obdobím sucha či zimy); ekonomická výhoda jsou vyšší výnosy za nižších nákladů díky příhodné ekodynamice; časté je zařazování úhorů. Překrývající cykly: (overlapping cycles) jsou takové, kdy se částečně časově překrývají vegetační doby plodin (salát se zasadí, do něj pak rajčata a po sklizni salátu zůstanou rajčata); v případě vytrvalých plodin (stromů, keřů) je více možností překrývání. Taungya systémy: (taungyas) jsou takové, kde se plodiny využívají v období zakládání lesních či zemědělských plantáží stromů (tedy strom je hlavní plodinou – to je rozdíl oproti překrývajícím cyklům se stromy); plodiny musí vyjít vstříc ekodynamice rostoucích plantáží (kde se podmínky, jako profil zdrojů, vlhkost, osvětlení, mění rok od roku); s výhodou je využívána možnost sázení již vzrostlých stromů (až 4 m vysokých – lepší kvalita kmene – pokud na dřevo, dřívější sklizeň plodů – pokud ovocné stromy či nepoškozování větví zvířaty – pokud půjde o pastorální systém); 4 základní typy taungya systémů: 1) jednoduché taungya s. (prakticky jakékoli krátkosezónní plodiny jsou 1-3 roky pěstovány pod mladými stromky, ekologicky vlastně nahradí plevele, když stromy již kompetují s podrostem, pěstování se zastaví a převede na normální lesní či zem. plantáž), 2) rozšířené taungya s. (začínají stejně jako jednoduché, ale pěstování podrostních plodin pokračuje hluboko do kompetitivní fáze se stromy a někdy ž do konce jejich života a to buď jednou plodinou nebo plánovanou sekvencí podrostních plodin, často končí silvopastorálním systémem, kde pod stromy jsou stínomilné trávy), 3) taungya s. s více stádii (multistage taungyas – zuačínají jako jednoduché, ale časem dojde k výměně primárního druhu stromu, čili v této fázi jde vlastně o překrývající cykly se stromy), 4) taungya s. s koncovou fází (na konci pěstebního cyklu dojde k probírce stromů, ale ne naráz, ale postupně a tak se uvolňuje prostor pro opětovné pěstování plodiny či pastvu: např. v jižních USA popsán systém, kde borový les se kácí v pruzích a mezi stromy se pěstuje hnojená tráva pro zvířata). Kontinua: zahrnují systémy, kde se neustále mění plodiny, ale systém jako celek nikdy nekončí ani nevykazuje cykly; příkladem mohou být domovní zahrádky).
Pomocné (auxiliární) systémy
představují jakékoli krajinné prvky, které neslouží přímo produkci, ale hlavní je jejich facilitativní funkce (produkční, pokud vůbec existuje, je sekundární). Často bývají situovány poblíž produkčních systémů nebo přímo v nich. Auxiliární systémy chrání produkční před nepříznivými environmentálními vlivy (škůdců, plevelů, větru, eroze, mrazu, suchu) včetně dodávání nedostatkových (nebo odnímání přebytečných) zdrojů (živin, vody, opylovačů, bioregulátorů, půdotvorců). V podstatě jde o rozšíření SIZ facilitativních systémů do produkčních. Posílení SIZ je možné např. zavedením vegetačních koridorů do porostů (a jimi se sem přivedou predátoři) – jako na obr. 12.1 nebo vytvořením menších pomocných systémů uvnitř agroekosystémů. Ne všechny auxiliární agrotechnologie nabízí kompletní balík facilitativních zisků, obvykle je 1 a více hlavních a další vedlejší (např. větrolam – hlavní=zábrana větru, vedlejší=hostí predátory). Auxiliární agrotechnologie mají dlouhou historii. Již lovci a sběrači modifikovali prostředí ke zvýšení užitku krajiny. Běžné je překrývání funkcí: velký problém je např. vidět větrolam, ale ne koridor (který také představuje). Stanoviště (refugia, rezervoáry): jsou plochy ponechané bez produkčního využití jako stanoviště hmyzu, ptáků, netopýrů a dalších organizmů skutečně či potenciálně užitečných pro produkční funkce blízkých agroekosystémů např. jako bioregulátorů škůdců; účinnost se zvýší propojením podobných stanovišť koridory, doplněním o vhodné podpůrné struktury (ptačí budky, hnízdní stromy) nebo kombinací s podobnými agroekosystémy (agrolesy, sady apod.). Koridory: pokud jsou tvořené vytrvalou produkčně nevyužívanou vegetací, pak plní řadu významných fcí: umožní pohyb predatornímu hmyzu, poskytují stanoviště flóře, opylovačům, zvířatům, posiluje funkci větrolamů, usnadní kolonizaci stanovišť, může bránit erozi, zvyšovat infiltraci, omezovat pohyb škůdců, poskytuje útočiště fauně; plnění fcí záleží na typu koridoru, jeho frekvenci v krajině, reliéfu apod. Ochrana proti větru: je zajišťována větrolamy (windbreaks) a jejich rozlehlejšími variantami (shelterbelts); hlavní fce obou je mírnit vítr (nebezpečí větru jsou mnohočetná: vysušuje půdu, mechanicky poškozuje plodiny, opískuje rostlinné orgány, působí kácení a poléhání, snižuje efektivitu opylování, zvyšuje nebezpečí kontaminace vlivy přenášenými větrem, zvyšuje fluktuaci teplot, u zvířat způsobuje snížení přírůstků, vyšší mortalitu a nižší plodnost); další výhody: krajina protkaná větrolamy vykazuje vyšší vlhkost (a tím zvýšenou efektivitu využití vody plodinami), vhodně umístěné větrolamy mohou odvádět od plodin mrazivý vzduch stékající do údolí; SIZ sahá do dálky 30-50 jeho výšek, záleží na struktuře: vhodný je méně propustný dole a více nahoře (buď volbou dřevin hustších u země nebo kombinací s keři); větrolamy jsou 1-3 řadé a shelterbelts více než 3 řady široké (proto výhodou mají i produkční fce: dřevo, ovocné stromy apod.). Doprovodná vegetace vod: (riparian buffer) chrání vodní toky (i stojaté vody) před průnikem znečištění i stíní apod.; dobré je vyplnit vegetací i boční (běžně na suchu) kolmá údolíčka a vůbec všechna místa, kam může sahat vysoká voda; kombinace mnoha druhů zajistí efektivní záchyt většiny živin (i v mimosezónním období); selektivní prořezávka stromů (aby se neporušila kontinuita porostu) zajistí odvoz živin (s výhodou se dají využít stále těžené agrolesy). Vodolamy: (waterbreaks) jsou úzké pruhy vegetace (stromy, keře, např. vrby) které jsou umístěny kolmo k vodnímu toku po celé zaplavované nivě v pravidelných vzdálenostech (třeba každých 100 m): za povodňových stavů zachycují sediment, brání odnosu půdy a přijímají živiny (které by byly ztraceny a znečistily tok). Proti požární zábrany: (firebreaks) jsou obvykle pruhy holé půdy (ale ty je drahé udržovat, jsou náchylné na erozi a nemají ani produktivní ani facilitativní roli), proto, je-li to možné, se mohou použít: 1) pruhy vegetace, která roste v období malého rizika požárů (období dešťů) a sklidí se před rizikovým obdobím (např. okopaniny, které zcela uvolní půdu jsou vhodné), 2) pruhy vegetace, která je málo hořlavá (v tropech některé kaktusy) či 3) pruhy málo náchylné vegetace, které svádí oheň – např. pasené trávy a oddělují na požáry náchylné plodiny (obiloviny) od náchylných stromů (borovic). Nárazníkové zóny: oddělují dva ekosystémy v konfliktu a na rozdíl od nárazníkových druhů (viz kap. 2) nejsou součástí agroekosystému; blokují např. vyčerpání živin sousedním ekosystémem, průnik háďátek apod. Vegetační ohrazení: (life fencing) běžné ohrazení ploty a dráty neplní žádné ekologické fce; příznivé DPCs pro vegetační ohrazení jsou: husté a propletené větvení, trny, repelentní vlastnosti, nešíření vegetačními výhony, kompatibilita s plodinami, doplňková hodnota (krmivo, mulč), odolnost k požárům, dobrá odolnost ke škůdcům vč. plevelů. Zdroje biomasy: (cut and carry) poskytují auxiliární systémy pro účely poskytnutí mulče (který omezuje plevele, chrání povrch půdy, odpuzuje škůdce, poskytuje živiny) nebo se biomasa seřezává pro zabránění kompetice s plodinami; transportní náklady často veliké, proto mechanizace (pruhy biomasy se nafoukají na sousední pruhy plodin) nebo se využití další fce biomasy. Záchytné plochy pro vodu: svádějí vodu do agroekos., jasné u holých ploch, ale méně zřejmé u vegetačních (kvalita vody. lesy apod.).
Agrotechnologie měnící krajinu
jsou takové, kdy se přemísťuje půda, horniny nebo staví stavby. Všechny problémy totiž nejdou řešit pouze vhodným rozmístěním produktivních a auxiliárních vegetativních struktur. Obvykle slouží agrotechnologie měnící krajinu (land-modification agrotechnologies) k zlepšení nevhodného prostředí (např. co do vláhových či teplotních poměrů) a doplňují se auxiliárními vegetativními systémy. Přestože jsou agrotechnologie měnící krajinu nákladné, nalézáme jich ve světě obrovské množství. Zde jen obecný přehled, celá řada dalších řeší spíše místně specifické problémy a jsou často kuriozní (např. plavoucí zahrádky v Indonésii). Zvýšené struktury (hrůbky, zvýšená pole): (mounds, raised beds) řeší řadu problémů, např. zvyšují teplotu (malým rozdílem výšky, vodou v okolí či rozkladem organické hmoty), řeší produktivitu bažinatých oblastí, na vrcholu hrůbků je sušší půda (lepší pro některé kořenové choroby). Kameny: hromady nebo kruhy kamenů kolem plodin mírní teplotní extrémy, vítr, zachytávají deflatovaný materiál, odpuzují některá zvířata apod. (ale tuto agrotechnologii nacházíme jen vzácně). Absorpční zóny: jsou malé dolíky, někdy vyplněné biomasou, které udrží vodu pro malou skupinu plodin (např. stromů) a budují se těsně nad nimi ve svahu. Mikrozáchytné struktury: (microcatchments) jsou rýhy (často ve tvaru V) vykopané od kmene stromu do svahu; tyto kanálky směrují vodu přímo k jednotlivým stromům. Infiltrační struktury: jsou vrstevnicové rýhy (často doprovázené vegetací), které zachycují vodu a zasakují ji do půdy; na rozdíl od mikrozáchytných struktur je lze užít i pro plodiny pěstované na větších plochách (např. obiloviny); jejich rozpětí a hloubka musí být takové, aby zachytily většá než průměrný déšť; pokud je obtížná jejich nivelace, segmentují se příčnými přehrádkami (aby v nich netekla voda). Terasy: jsou drahé a řeší problém kultivace na tak příkrých svazích, kde ostatní technologie určené pro takováto prostředí (např. pásové či vrstevnicové systémy) selhávají kvůli erozi; jsou nejrůznějších konstrukcí, od zdí přes kamenné (výhoda: v noci vydávají teplot nahromaděné přes den – viz kameny výše) až po půdní svahy (zpevněné trávou, křovinami či stromy); někdy postačí ponechat vrstevnicový pás trav (v tropech vetiver či napier systémy) či křovin (zastřihované) a půda sama vytvoří za řadu let terasu. Rýžoviště: (paddies) jsou plochá území zaplavená vodou pro zvláštní plodiny. Malé vodní nádrže: jsou výrazně multifunkční (zásoba vody pro domácnost, závlahy i zvířata, zdroj živin, chov ryb, stanoviště mnoha druhů organizmů, protipovodňové role, atd.). Kanály: slouží k tokům vody mezi různými segmenty zemědělské krajiny; v zásadě mohou být betonové (ale ty neplní řadu ekologických rolí), nebo vegetační (zásada: stromy jen na jednom břehu, do svahu, protože z druhého břehu se kanály čistí; další facilitativní role vegetativních kanálů: větrolamy, břehový koridor jako migrační pro organizmy či stanoviště; řada kanálů a mezi nimi kultivované platformy = chinampa systémy.
11.5 Intenzivní (HEIA) a extenzivní (LEIA) agroekosystémy
Celá řada teorií udržitelného rozvoje zemědělských systémů se opírá o snížení celkových energomateriálových vstupů (dodatků). Jistě, obecná ekologická teorie nás učí, že stabilita systému je nepřímo úměrná množství dodatků energie na jednotku plochy. Situace ale není tak jednoduchá, protože značná část těchto dodatků směřuje na udržení systému proti silám sukcese v juvenilním stavu (který umožňuje vysokou celkovou produkci společenstva a současně vysokou rezilienci, což způsobí, že daný systém není degradován, ale jen sukcesně omlazen o dobu odpovídající pěstebnímu cyklu) a nekonvertuje do cílové produkce. Velikost těchto sil je přímo úměrná "vzdálenosti" od klimaxu (ve stejných půdně-klimatických podmínkách). "Udržovací" energie je tedy vysoká, když v oblasti lesních biomů udržujeme "stepní" zemědělské systémy (např. monokultury obilnin) nebo naopak, když v oblasti travních biomů uměle udržujeme zemědělské systémy, jejichž edifikátory jsou stromy (tj. plantáže, ovocné sady, domovní zahrádky). Snížení energomateriálových vstupů tedy může představovat významný krok směrem k udržitelnému využívání zemědělských systémů, ale neměl by to být krok jediný. Protože intenzivní zemědělské systémy mohou (vzhledem k výše uvedeným argumentům) působit negativní externí efekty, jejichž dopady nese celá společnost, mohou přímé dotace za extenzifikaci (jako jeden z nástrojů společné zemědělské politiky EU - CAP) vlastně celospolečenské náklady šetřit.
Populační růst spojený s urbanizací si leckde vynucuje zavedení systémů s mohutnými (vnějšími) industriálními dodatky energie ve srovnání s vlastní produkcí zemědělského systému (HEIA - high external inputs agricultural systems). Intenzifikace (= zvětšení podílu sdílených zdrojů prostředí zemědělskými produkčními systémy oproti neřízeným ekosystémům) je dosahována mnoha způsoby, které jsou často kombinovány: zmenšení počtu druhů / kultivarů, zvyšování hustoty produkčních organizmů v čase a prostoru, snižování až eliminace ploch ležících ladem, intenzivní management, agrochemikálie, v industrializovaných zemích i mechanizace, koncentrovaná krmiva, šlechtění (zejména alokační šlechtění na vysoký sklizňový index a na vysoké produkční odpovědi na dodatky) apod. Extenzivní nebo intenzivní způsoby managementu nenalézáme jen u zemědělských produkčních systémů v úzkém slova smyslu, ale i u akvakultur, silvikultur apod.
Klasifikace systémů na extenzivní a intenzivní je pouze relativní. Kvantifikace by byla možná za pomoci celkového součtu všech vnějších vstupů dodaných do systému převedených na energetické jednotky a vyjádřených na jednotku plochy za jednotku času. Toho je možné dosáhnout za pomoci převodních koeficientů podaných v nejrůznějších tabulkách. Příklad podobného hodnocení nalezneme v Tab. 2.3.1.
Farma
vzor využívání krajiny
plocha (%)
výše dodatků (MJ plocha-1 rok -1)
1
přírodě blízká ploška
10
0

pastvina
20
100
stáj
1
800
pole
69
500
2
pole
70
600
pastvina
30
200
Tab. 2.3.1. Průměrná intenzita farmy 1 = 0.1 x 0 + 0,2 x 100 + 0,01 x 800 + 0,69 x 500 = 0 + 20 + 8 + 345 = 373 MJ plocha-1 rok -1 a u farmy 2 = 0,7 x 600 + 0,3 x 200 = 420 + 60 = 480 MJ plocha-1 rok -1, tj. farma 2 je intenzivnější než farma 1.
Mnohem snazší je vyjádřit stupeň extenzity/intenzity jako podíl energie obsažený ve výstupu (tj. "sklízeném" produktu). Problémem takovéhoto postupu je fakt, že celá řada energomateriálových vstupů (dodatků) nemusí konvertovat do cílové produkce. Mohou být "ztraceny" ve formě nechtěných ztrát, můžeme je neproduktivně "promarnit" na zábranu sukcese nebo jimi degradujeme zemědělský systém. Energie obsažená v jeho výstupních produktech tedy může být nízká, přestože v součtu vstupních energií může být vysoce intenzivní. Naopak, jiné typy zemědělských systémů mohou vykazovat malé vstupy dodatků, ale na základě pečlivého řízení vykazovat relativně vysoký energetický obsah ve výstupním produktu (přepočtený na jednotku plochy). Z tohoto důvodu budeme jako intenzivní označovat zemědělské systémy s relativně vysokým celkovým energetickým obsahem všech vstupů industriálních dodatků a naopak, jako extenzivní zase zemědělské systémy s relativně nízkým energetickým obsahem těchto dodatků.
HEIA technologie vykazují četné rysy pozorovatelné na krajinné úrovni i na úrovních menších geografických měřítek. Jde o potlačení přirozené vegetace na nepatrné agronomicky nevyužitelné plochy, vytvářejí se ostré ekotony, velká část ploch je věnována technologickým zařízením (stáje, drůbežárny, sklady, úložiště, skleníky, vodní nádrže, provozní budovy), půdní prostředí je neustále narušováno (to se projeví erozí, juvenilizací edafických společenstev, ztrátou SOM apod.), zemědělský systém je v maximálním možném raném sukcesním stádiu, což umožní odběr velké části produkce, ale zároveň je neschopný autoregulace a autoreprodukce. HEIA systém je často zcela neadaptován k biofyzikálnímu prostředí. Za cenu vysokých a drahých nakupovaných vnějších vstupů (industriálních dodatků) člověk přizpůsobuje prostředí neadaptovaným kultivarům / plemenům a to manipulací mikroklimatem, přípravou půdy, omezováním antagonistů (hlavně za pomoci biocidů), optimalizací výživového stavu a vodního režimu apod. Problémy se škůd