Klimatyczno-środowiskowe uwarunkowania wyżywienia

prof. dr hab. Krzysztof Błażejczyk | 2010-07-22

   Rolnictwo, jak żadna inna gałąź gospodarki, jest czułe na oddziaływanie klimatu. Wynika to z biologicznego charakteru procesów produkcyjnych w gospodarce rolnej. Globalna produkcja żywności zmienia się z roku na rok, przede wszystkim ze względu na zmienne warunki pogodowe. Należy także zdawać sobie sprawę z faktu, że obecna działalność ludzi i ich sposób życia będą miały wpływ bezpośrednio lub pośrednio na gospodarkę rolną, a co za tym idzie na możliwość wyżywienia stale wzrastającej liczby ludności. Wprawdzie współcześnie człowiek w coraz większym stopniu kształtuje klimat lub uniezależnia się od klimatu i jego zmian wprowadzając nowe, odporne na zmiany i lepiej plonujące rośliny. Tym niemniej w Polsce i w wielu regionach świata rolnictwo jest nadal bardzo wrażliwe na warunki pogodowe.

Główne czynniki klimatyczne kształtujące gospodarkę rolną

   Wśród głównych czynników klimatycznych determinujących rodzaj i efektywność produkcji rolnej są: dopływ promieniowania słonecznego (nazywany niekiedy nasłonecznieniem), temperatura, opady atmosferyczne oraz długość okresu wegetacyjnego.

   Główną funkcją rośliny jest przetwarzanie w procesie fotosyntezy energii promieniowania słonecznego na materię organiczną. O przebiegu fotosyntezy oraz wydajności poszczególnych roślin uprawnych decydują: dopływ energii słonecznej pod postacią promieniowania fotoaktywnego, temperatura powietrza i dostęp do odpowiedniej ilości wody.

   Nasłonecznienie ma bardzo duży wpływ na kształtowanie się warunków termicznych, a w konsekwencji na długość okresu wegetacyjnego roślin. Jego intensywność zależy od czystości powietrza oraz zachmurzenia. Dwiema  podstawowymi cechami nasłonecznienia, istotne dla procesów fotosyntezy, są: natężenie światła i długość nasłonecznienia. Zależność między natężeniem światła a fotosyntezą układa się w funkcję liniową do osiągnięcia pewnego optimum. Dalszy wzrost natężenia światła może spowodować nawet spadek intensywności procesu fotosyntezy (Odum 1982). W przypadku Polski czas usłonecznienia wynosi około 40% możliwego i rośnie z północy na południe.

   Dopływ promieniowania słonecznego jest zróżnicowany czasowo i regionalnie, a z jego natężeniem jest skorelowane natężenie światła. Ten element klimatu jest natomiast odpowiedzialny za efektywności fotosyntezy. Przy natężeniu światła rzędu 20000 luksów jest ona trzykrotnie większa niż w warunkach oświetlenia o sile 3000 lx (ryc. 1). Na wielkość fotosyntezy wpływa także temperatura powietrza. Dla tych samych gatunków roślin fotosynteza jest większa w wyższej, niż niższej temperaturze (ryc. 2). Zjawisko to pozwala mieć nadzieję, że obserwowane zmiany podstawowych parametrów klimatu wpłyną pozytywnie na wielkość produkcji roślinnej.



Ryc. 1. Efektywność fotosyntezy przy różnym natężeniu światła i stężeniu dwutlenku węgla (wg: Kożuchowski 1998)


Ryc. 2. Wpływ temperatury na fotosyntezę dla różnych gatunków roślin, przy tej samej ilości dopływającego światła (wg: Kożuchowski 1998)


    W agroklimatologii stosuje się także wskaźnik warunków termicznych, jakim jest suma dobowych wartości temperatury. Na obszarach gdzie suma średnich dobowych wartości temperatury w ciągu roku nie przekracza 1000°C, gospodarcza uprawa roślin jest niemożliwa (Falkowski, Kostrowicki 2001).

- Suma średnich dobowych wartości temperatury w zakresie 1000-1400°C wystarcza do uprawy wczesnych odmian ziemniaków, buraków pastewnych i rzepy pastewnej.

- Większość roślin uprawnych w naszych szerokościach geograficznych wymaga jednak wyższych sum temperatury mieszczących się w granicach 1400-2200°C. Należą do nich: pszenica, jęczmień, żyto, owies, ziemniaki i większość roślin pastewnych. Wyższe wymagania termiczne mają: buraki cukrowe, niektóre odmiany pszenicy, kukurydza na ziarno, słonecznik i soja. W ich przypadku suma średnich dobowych wartości temperatury w roku, powinna osiągać wartości od 2200°C do 2500°C.


- Najbardziej ciepłolubne rośliny – ryż, herbata, bawełna, owoce cytrusowe – wymagają sumy temperatur przekraczającej 4000°C.


   Zakresy temperatury, w których rośliny mogą się rozwijać i rosnąć są różne dla poszczególnych gatunków. Uzależnione jest to przede wszystkim od regionów, z których dana roślina pochodzi. Wiele gatunków roślin ma odmiany, które plonują w odmiennych warunkach termicznych.

Generalnie rośliny uprawne dzieli się ze względu na przebieg procesu fotosyntezy na cztery grupy przystosowania klimatycznego:
grupa 1 (fotosynteza C3) dostosowana do środowisk chłodnych i umiarkowanych

 Generalnie rośliny uprawne dzieli się ze względu na przebieg procesu fotosyntezy na cztery grupy przystosowania klimatycznego:

grupa 1 (fotosynteza C3) dostosowana do środowisk chłodnych i umiarkowanych (np. pszenica ozima i jara, fasola, ziemniaki) z optymalną temperaturą do maksymalnej fotosyntezy 15-20°C,

grupa 2 (fotosynteza C3) dostosowana do środowisk ciepłych (np. soja, bawełna, ryż, maniok) z temperaturą optymalną 25-30°C,

grupa 3 (fotosynteza C4) dostosowana do środowisk ciepłych (np. proso, sorgo, trzcina cukrowa) z temperaturą optymalną 30-35°C,

grupa 4 (fotosynteza C4) dostosowana do temperatur umiarkowanych (np. odmiany górskie sorga i kukurydzy) z temperaturą optymalną 20-20°C.


   Ważnym elementem warunków termicznych jest temperatura minimalna, poniżej której roślina zamiera. Dużo rzadziej krytyczną jest temperatura maksymalna. W naszej strefie klimatycznej roślinami uprawnymi najbardziej wrażliwymi na temperaturę są: pomidory, ogórki, fasola i niektóre odmiany tytoniu. Giną w temperaturze około 0°C. Z kolei do najbardziej odpornych należą rośliny wieloletnie i oziminy. W Polsce szczególnie niekorzystne są przymrozki występujące wiosną lub wczesną jesienią. Rośliny są w tym czasie w okresie kwitnienia lub wydawania owoców. Niekorzystna dla niektórych roślin jest również zbyt wysoka temperatura. Wprawdzie rzadko powoduje ona obumieranie roślin, często natomiast obniża ona plony (wysokiej temperaturze towarzyszy z reguły spadek wilgotności gleby i przez to następuje niższe plonowanie).

   Z temperaturą powietrza związany jest tzw. okres wegetacyjny, czyli czas w którym średnia dobowa temperatura przekracza 5°C. Okres wegetacyjny odnosi się szczególnie do strefy klimatów umiarkowanych i subpolarnych, które charakteryzuje wyraźna zmienność pór roku. Na przykład w Polsce różnice długość okresu wegetacyjnego zmienia się od 180 dni na Pojezierzu Suwalskim do 230 dni na Nizinie Śląskiej.

   Do prawidłowego wzrostu i rozwoju roślin potrzebny jest stan równowagi pomiędzy oddawaniem wody w procesie transpiracji, a jej czerpaniem z gleby. Wymagania roślin w zakresie warunków wilgotnościowych zmieniają się w okresie wegetacji. Na przykład największe potrzeby wodne zbóż przypadają na okres kwitnienia, ziemniaków – od tworzenia pąków do kwitnienia, kukurydzy – od początku tzw. wyrzucania wiechy do kwitnienia. Woda stanowi przeciętnie 75% masy żywej rośliny. O zasobach wodnych wymaganych do uprawy roślin decydują przede wszystkim opady atmosferyczne, których najwięcej powinno być w okresie letnim. W Polsce sumy roczne opadów wynoszą 500-700 mm i ich największe natężenie przypada na okres letni, tj. czas największej transpiracji roślin. Nadmierne lub gwałtowne opady atmosferyczne (np. w postaci gradu) mogą też niszczyć uprawy. Pozostałymi elementami kształtującymi reżim wodny są: skład gleby, rzeźba terenu, głębokość pierwszej warstwy wodonośnej.

   Cechą charakterystyczną współczesnych stosunków opadowych jest występowanie długotrwałych ciągów bezopadowych, połączonych najczęściej z wysoką temperaturą powietrza i dużym nasłonecznieniem. Powoduje to poważne zakłócenia wegetacji roślin oraz obniżenie plonów. Dzieje się tak na skutek znacznego obniżenia poziomu wód gruntowych, znacznie poniżej poziomu umożliwiającego podsiąkanie kapilarne. Proces ten prowadzi w wielu regionach świata do zjawiska pustynnienia. Zjawisko to jest obserwowane, choć z mniejszym natężeniem i bez utrzymywania się przez kolejne lata, także w Polsce środkowej. Na Kujawach, w latach o wyjątkowo niskich opadach (240-250 mm rocznie) oraz o długich okresach bezopadowych (sięgających nawet 38 kolejnych dni) poziom wody gruntowej na łąkach nadnoteckich spada nawet poniżej 100 cm (przy poziomie optymalnym wynoszącym 40 cm) (ryc. 3). Powoduje to przesuszenie wierzchniej warstwy gleby i znaczący spadek produkcji masy zielonej z łąk nadnoteckich.



Ryc. 3. Poziom wody gruntowej (Z) w odniesieniu do poziomu optymalnego (Z2) i poziomu zasięgu
podsiąkania kapilarnego (Z3) (Błażejczyk i in., 2005)


Rolnictwo a strefy klimatyczne – zróżnicowanie przestrzenne

Na silną zależność rolnictwa od klimatu wskazuje strefowe rozmieszczenie upraw roślinnych. Na kuli ziemskiej można wyróżnić kilka głównych stref klimatycznych (ryc. 4), w których uprawia się odmienne gatunki roślin i hoduje typowe dla tych stref gatunki zwierząt.



Ryc. 4. Strefy klimatyczne kuli ziemskiej (1 - równikowa, 2 – zwrotnikowa, 3 – podzwrotnikowa, 4 – umiarkowana, 5 – okołobiegunowa) (za Bański i Błażejczyk, 2005)

   W strefie klimatów okołobiegunowych prowadzenie działalności rolniczej w sposób naturalny jest niemożliwe. Tylko w warunkach sztucznych (pod szkłem) możliwa jest uprawa niektórych roślin. Jednakże obszarów, na których nie jest możliwa działalność rolnicza jest znacznie więcej i występują one we wszystkich strefach klimatycznych. Podstawowym czynnikiem wykluczającym gospodarkę rolną jest klimat (ryc. 5). Poza strefą polarną jest to najczęściej klimat wysokogórski lub pustynny.


Ryc. 5. Obszary (1), na których nie jest prowadzona działalność rolnicza (za Bański i Błażejczyk, 2005)

   Strefa klimatów umiarkowanych wykazuje największe zróżnicowanie warunków klimatycznych. Ze względu na sprzyjające warunki dla rolnictwa jest ona zagłębiem żywnościowym świata. Najważniejszą rolę w zakresie produkcji żywności odgrywają dawne obszary stepowe (np. prerie północnoamerykańskie). Występują tam bardzo dobre warunki glebowe i zdecydowanie mniej korzystne warunki wilgotnościowe. Sezonowość klimatu, a przede wszystkim nierównomierny rozkład opadów atmosferycznych, sprawia, że okresowo konieczne jest nawadnianie upraw. W strefie klimatów umiarkowanych morskich, z uwagi na korzystny rozkład temperatury i opadów atmosferycznych prowadzi się bardzo intensywną uprawę roślin oraz chów zwierząt gospodarskich. Dzięki stosunkowo łagodnym warunkom klimatycznym ryzyko niepowodzenia produkcyjnego wynikającego z przyczyn przyrodniczych jest niewielkie.

   W strefie klimatów podzwrotnikowych wyróżnia się, podobnie jak w przypadku klimatów umiarkowanych, grupę klimatów morskich i kontynentalnych. W klimacie morskim możliwa jest bardzo intensywna uprawa zbóż i innych roślin jadalnych, natomiast na obszarach wybitnie kontynentalnych występują pustynie i półpustynie z bardzo silnie zarysowanym sezonowym przebiegiem temperatury.

   Klimaty zwrotnikowe cechują się skrajnie różniącymi się grupami klimatu wilgotnego i kontynentalnego. Klimat wilgotny występujący w całej Azji Południowo-Wschodniej sprzyja gospodarce rolnej, toteż większą część tego obszaru zagospodarowano na potrzeby rolnictwa. Podstawowe znaczenia ma tam uprawa ryżu, zajmująca około 30% powierzchni użytków rolnych. Na obszarach mniej wilgotnych (np. środkowe Indie, wnętrze półwyspu Indochińskiego) uprawia się rośliny, które dobrze znoszą okres suchy tj. pszenicę, sorgo, kukurydzę i proso. Z kolei na terenach wyżynnych wprowadzono wielkie plantacje herbaty, które całkowicie zastąpiły pierwotną roślinność. Klimat skrajnie suchy jest podstawowym elementem kształtującym największe obszary pustynne na kuli ziemskiej (Sahara, Półwysep Arabski, Kalahari, pustynie Australii). Obszary te otrzymują największe wartości promieniowania słonecznego i przy sprzyjających innych warunkach agroklimatycznych niektóre obszary pustynne mogłyby stać się bardzo żyznymi terenami rolniczymi.

Wiele obszarów pustynnych charakteryzuje wysoki potencjał żyzności gleb, które nie zostały przemyte przez wody opadowe. Stosowanie sztucznych nawodnień umożliwia prowadzenie intensywnej gospodarki rolnej w oazach na trzech poziomach (wysokie palmy daktylowe osłaniają plantacje owoców cytrusowych i gajów oliwnych, a te z kolei osłaniają uprawy zbożowe i ogrody warzywne). Sztuczne nawadnianie może jednak w niektórych wypadkach doprowadzić do wyniesienia na powierzchnię gleby soli rozpuszczalnych i spowodować jej wyjałowienie (czego przykładem jest dolina Amu Darii).

   Poważnym problemem terenów pustynnych jest erozja wietrzna gleby, która może zniweczyć nawet uprawy roślin przystosowanych do klimatu suchego. Ponadto częstym zjawiskiem jest zasypywanie pól uprawnych pyłem i piaskiem (ryc. 6).


Ryc. 6. Obszary (1) zagrożone pustynnieniem (Bański, Błażejczyk 2005)

   Strefa klimatów równikowych, charakteryzuje się niewielką zmiennością pór roku, dużym nasłonecznieniem, wysoką i wyrównaną przez cały rok temperaturą powietrza oraz intensywnymi opadami atmosferycznymi. Obszary okołorównikowe są bardzo ważnym elementem oddziałującym na globalne środowisko przyrodnicze. Lasy równikowe stanowią „zielone płuca” Ziemi. Są one też rezerwuarem wody dla obszarów równikowych. Na obszarach równikowych zaznacza się silne oddziaływanie rolnictwa na klimat. Wypalanie lasów równikowych magazynujących olbrzymie ilości węgla powoduje jego uwolnienie pod postacią dwutlenku węgla. Zwiększenie ilości CO2 w atmosferze prowadzi w konsekwencji do wzrostu temperatury w skali całej planety.

   Oceniając uwarunkowania klimatyczne dla rolnictwa należy analizować je łącznie z innymi elementami środowiska przyrodniczego (gleba, rzeźba terenu). W bardzo dużym uogólnieniu można stwierdzić, że najkorzystniejsze warunki klimatyczne dla rolnictwa występują w strefie klimatów umiarkowanych oraz podzwrotnikowych. Natomiast najmniej korzystne dla rolnictwa, poza terenami arktycznymi i tundrą, są tereny pustynne (np. Sahara, pustynie Australii) oraz obszary wysokogórskie (ryc. 7).


Ryc. 7. Poziom korzystności uwarunkowań przyrodniczych dla rolnictwa (na podstawie - Falkowski, Kostrowicki 2001); 1 – wysoki, 2 – średni, 3 – niski, 4 - brak

Zmiany w rolnictwie pod wpływem zmian klimatycznych

   Zmiany globalne klimatu będą miały duży wpływ na warunki dla rolnictwa i produkcji żywności na całym świecie. W Europie środkowej i w Polsce na przestrzeni XXI wieku należy się spodziewać wzrostu temperatury o około 3-4°C, a jednocześnie tylko nieznacznego wzrostu opadów. Konsekwencją tego będzie wydłużenie okresu wegetacyjnego. W Polsce Zachodniej może on być nawet o 110-125 dni dłuższy niż obecnie. W Polsce Wschodniej spodziewane wydłużenie okresu wegetacyjnego może wynieść  50-65 dni (ryc. 8).


Ryc. 8. Przyrost okresu wegetacyjnego w XXI wieku przy scenariuszu A2 zmian klimatu (wg: Kędziora, 1999)


   Zmiany klimatu w poszczególnych regionach świata mają różny charakter i natężenie, a ich oddziaływanie na produkcję żywności może być rożnokierunkowe. Na obszarach ciepłych narażonych na długotrwałe susze (np. region Morza Śródziemnego) wzrost temperatury przyniesie obniżenie rolniczego potencjału produkcyjnego. Natomiast wzrost temperatury na obszarach Europy środkowej i Skandynawii, charakteryzujących się obecnie niedostatkami ciepła, można ocenić pozytywnie, ponieważ przesunie to na północ zasięgi upraw niektórych roślin (ryc. 9).



Ryc. 9. Północne granice zasięgu upraw niektórych roślin uprawnych w roku 1975 (a) i 2075 (b): A – ziemniaki, B – jęczmień jary, C – pszenica ozima, D – buraki cukrowe, E – kukurydza, F – winorośl, G – oliwki, J – bawełna (wg: Kędziora, 1999)


   Zmianom klimatu towarzyszyć będzie wzrost natężenia zjawisk ekstremalnych (silne przymrozki, upały, gwałtowne ulewy, wichry, susze), które w istotny sposób zwiększają ryzyko produkcyjne w rolnictwie. Spośród zarejestrowanych przez firmy ubezpieczeniowe różnorodnych przypadków losowych, powodujących straty materialne 75% związanych jest z wydarzeniami meteorologicznymi. Najwięcej jest zdarzeń związanych z występowaniem tornad i silnych wiatrów (39%), a część z nich przynosi także zniszczenie upraw rolnych. Na kolejnych miejscach znajdują się powodzie (26% zdarzeń losowych), fale upałów i susz (5%) oraz silne mrozy (3%). Straty ekonomiczne są proporcjonalne do częstości występujących zjawisk i wynoszą odpowiednio 35%, 27%, 8% i 2% wszystkich strat (Münich Re, 2005).

   Głównym motorem zmian klimatycznych jest wzrost zawartości dwutlenku węgla (CO2) w atmosferze nasilający tzw. efekt cieplarniany. Umożliwi to niektórym roślinom zbożowym (pszenica, ryż) intensywniejszą fotosyntezę, a w konsekwencji większe plony. W efekcie wzrastająca produkcja roślinna może ograniczyć widmo głodu, ale tylko w przypadku zorganizowanych działań międzynarodowych.

Eksperymenty laboratoryjne potwierdzają, że rośliny absorbujące więcej węgla rosną szybciej i są większe. Ponadto zwiększona koncentracja dwutlenku węgla wpływa na wzrost efektywności wykorzystania wody. Dotyczy to przede wszystkim roślin z tak zwanej grupy C3 (pszenica, ryż, soja), które wykazują w warunkach podwyższonej zawartości CO2 wzrost szybkości fotosyntezy i umiarkowany spadek transpiracji. Natomiast rośliny z grupy C4 (kukurydza, trzcina cukrowa, sorgo, proso) wykazują w tych warunkach stosunkowo wolniejszą fotosyntezę (czyli wolniejszy przyrost biomasy).

   Zdaniem L. Ryszkowskiego (1992) optymizm związany ze wzrostem produkcji roślinnej w wyniku wzrostu CO2 w atmosferze może być jednak przedwczesny. Badania wykazują bowiem bardzo duże zróżnicowanie plonów wynikających ze wzrostu zawartości dwutlenku węgla.

Na przykład wzrost CO2 z 330 do 660 ppm (parts per milion – cząstek gazu na milion cząstek powietrza w jednostce objętości) spowodował przy optymalnych warunkach wzrost plonów bawełny o 104%, ryżu – 9%, jęczmienia – 36%, koniczyny – 4%. W zależności od gatunku roślin wzrost stężenia dwutlenku węgla może skutkować większym wzrostem korzeni, łodyg lub innych części.

   Należy też pamiętać, że w warunkach naturalnych o plonowaniu decydują też inne elementy środowiska (warunki wilgotnościowe, zawartość mineralnych składników odżywczych, zmienność temperatury i inne). Mogą one niwelować wzrosty plonów wynikające z koncentracji dwutlenku węgla. Na przykład dla roślin zbożowych plon zależy przede wszystkim od długości dnia i poziomu temperatury w okresie kwitnienia, a w mniejszym stopniu od stężenia dwutlenku węgla.

Wybrane pozycje literatury:

Bański J., Błażejczyk K., 2005, Globalne zmiany klimatu i ich wpływ na światowe rolnictwo. [w:] G. Dybowski (red.), Wpływ procesu globalizacji na rozwój rolnictwa na świecie. Program wieloletni 2005-2009, 17, IERiGŻ PIB, Warszawa, 2005, s. 204-231.
Błażejczyk K., Kasperska-Wołowicz W., Łabędzki L., Kunert A., 2005, Multi-annual fluctuations in precipitation and their hydrological and ecological consequences in regional scale. [w:] Regional hydrological impacts of climatic change – Hydroclimatic variability, IAHS Publ. 296, 2005, s. 65-70.
Falkowski J., Kostrowicki J., 2001, Geografia rolnictwa świata. PWN, Warszawa.
Kędziora A., 1999, Podstawy agrometeorologii. PWRiL, Poznań
Kożuchowski K., 1998, Atmosfera klimat ekoklimat. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.
Odum E.P., 1982, Podstawy ekologii. PWRiL, Warszawa.
Ryszkowski L., 1992, Efekt cieplarniany a zmiany w rolnictwie. [w:] Globalne zmiany środowiska naturalnego wyzwaniem dla
ludzkości, Materiały konferencji, PAU Kraków, Komitet Narodowy Programu – Global Change, MOŚZNiL, PAN, Kraków, s. 83-90.