Ugrás a tartalomhoz

Az agroökológia modellezéstechnikája

Huzsvai László (2005)

Debreceni Egyetem Agrártudományi Centrum

2. fejezet - Az agroökológia fogalomköre

2. fejezet - Az agroökológia fogalomköre

Az ökológia - környezettudomány - szerteágazó ismereteket rendszerez. A növényvilág környezettel való kapcsolata rendkívül összetett és specifikus. A növények helyhez kötöttek, melynek folytán a kedvezőtlen környezeti hatások elleni védekezést elsősorban élettani folyamatok révén fejtik ki. Ökológiai ismereteink szerint a modern, civilizált világunkban a növényi élet egyre veszélyeztetettebb. A növényi környezet védelme ezért fokozottan szükséges különböző környezetmegőrző eljárások kifejlesztése segítségével. A szántóföldi növénytermesztés, a kertészet és az erdészet egyre inkább érdekelt a növényeket érő környezeti hatások mechanizmusának megismerésében. Az ökológia tudománya nemcsak a káros környezeti folyamatokat, hanem a növényi élet energia és anyagforrásait is rendszerezi. Az agroökológia az ökológia egy speciális területe, amely lehetőségek szerint számszerűen tárja fel a növény és környezete között fennálló kapcsolatokat. A növény és környezete közötti kapcsolatformákat talaj-növény-levegő rendszernek szokás nevezni. A három alrendszerből a növény-levegő, illetve a növény-talaj kapcsolat már régóta ismert. Széleskörűek az e fogalom párokhoz tartozó tapasztalatok. A tudományos ismeretek számszerűsítése érdekében szükségszerűvé válik az empirikus ismeretek és az értéktartományok számszerű kifejezése is. Az agroökológiai ismeretek nagy segítséget nyújtanak a termesztés és a növényvédelem számára. A termesztett növények a vadon élő növényekhez hasonlóan fajspecifikusan reagálnak a környezeti hatásokra és befolyásolják saját környezetüket. Az agroökológia - mezőgazdasági tudományterületként - egyre szélesebb körben bontakozik ki és fejlődik különböző irányokba.

Az agroökológia két nagy részre tagolható: a./ tapasztalati agroökológia, b./ kvantitatív agroökológia. A tapasztalati agroökológia a termesztéstanba és a növényvédelembe épült be, módszertanát tekintve önálló tudománnyá, vagy tudományággá nem fejlődött. Az éghajlat és a talaj növényi életben betöltött szerepéről már sok ismerettel rendelkezünk. Az előrehaladást az empirikus ismeretek számszerűsítése jelenti. A talaj esetében a tápanyag-gazdálkodás, a vízgazdálkodás kérdésköre, az éghajlat esetében a különböző kedvező és kedvezőtlen időjárási hatásoké, amelyek számszerűsített törvényszerűségei még csak részben feltártak. A kvantitatív agroökológiának ezért nagy a jelentősége a modern mezőgazdaság fejlesztésében, különösen a növényi életfeltételek optimalizálásában és vagy az egészséges környezeti állapot megőrzésében, fenntartásában. A növénytermesztési területek megóvása nem biztosítható a különböző hatások számszerű értékeinek ismerete nélkül. A természet védelme alapvető tudományos feladat. A növénytermesztésben is meg kell teremteni azokat az egzakt tudományos alapokat, amelyek segítségével feltárhatók a még nem ismert közvetlen és közvetett folyamatok, illetve azok következményei.

A kvantitatív agroökológia mintegy 60-70 éves múltú, vagyis nem új keletű tudomány. Tansley, A. G. 1935-ben az ökoszisztémák fogalmát az alábbiak szerint írta le: lAz élő szervezeteket nem lehet különválasztani jellegzetes környezetüktől, mivel azok egységes fizikai rendszert alkotnak. Ezek a rendszerek - az ökológusok meglátása szerint - a természet alapegységeit képezik a Földön. Az ökoszisztémák, mint ahogy ezeket nevezhetjük - a legváltozatosabb formában és kiterjedésben létezhetnek. A világegyetem nagyszámú fizikai rendszerei közül ezek egy kategóriát képviselnek, ami a világegyetemtől, mint teljestől egészen az atomig terjednek.l Mint az eredeti megfogalmazás bizonyítja, az ökoszisztéma fogalma és értelmezése nem új keletű. A Tansley-féle definíció egyértelműen fejezi ki, hogy az ökoszisztémák valójában fizikai rendszerek, amelyekre a különböző - később említendő -folyamatok ráépülnek. Kiegészítésként csupán annyi, hogy a természetben a kiinduló ok minden esetben valamilyen fizikai hatás és a fizikai tulajdonságok különbözőségeként indulnak el azok a folyamatok, amelyeket a különböző tudományterületek tárgyalnak.

A fenti megfogalmazás szerint tehát az ökoszisztéma olyan bonyolult rendszer, amelyben fizikai effektusok nyomán kémiai és biológiai folyamatok játszódnak le az élőszervezeteken belül és élőszervezetek között. Az ökoszisztémák tanulmányozásának igen gazdag irodalma van, amely elsősorban a vadon élő növénytársulásokra vonatkozik. Ezek az általános törvényszerűségek kiterjeszthetők minden növénytársulásra, amennyiben meghatározzuk a rájuk érvényes fizikai törvényszerűségeket. A kvantitatív ökológia egyik lényeges feladata az, hogy az ökoszisztémákra vonatkozó fizikai ismereteket rendszerezze. Összefoglalja a levegő és a talaj hatásait és a hatások növényi válaszait (reakcióit). A növény és környezete közötti kapcsolatok különböző úton deríthetők fel. A kapcsolatok egyik formája a valószínűségi összefüggések alapján írható le feltételezve, hogy az élőszervezet és a környezet között sztochasztikus a kapcsolat. Ekkor a kapcsolatokat különböző statisztikai, valószínűség-számítási módszerekkel fejezzük ki (korreláció- és regressziós analízis, faktoranalízis, cluster-analízis, diszkriminancia-analízis, stb.). A kvantitatív ökológia másik tipikus irányzata esetében a növény és környezet kapcsolatát fizikai összefüggések segítségével írjuk le, állapítjuk meg a peremfeltételeket és az érvényességi tartományt. A vadon élő növények kvantitatív ökológiai vizsgálatában főként a sztochasztikus összefüggések dominálnak, míg a fizikai kapcsolatok kevéssé kidolgozottak. A kvantitatív agroökológiában a fizikai kapcsolatokra épülő módszertan alkalmazása egyszerűbb, mert a folyamatok összetettsége kisebb, mint a vadon élő társulások esetében. Ennek szemléltetésére két szempont: a természetes növénytársulások többfajúak és többszintűek, míg a termesztett növények egyfajú és egyszintű állományt alkotnak, stb.

Az ökoszisztémáknak különböző típusa ismert. Az ökológiai vizsgálati módszerek pedig ökoszisztéma specifikusak. A természetes ökoszisztémák kialakulását, szerkezetét, életfolyamatait és fejlődését a környezeti tényezők határozzák meg. Emiatt a növények és környezetük kapcsolata rendkívül szoros. A termesztett növénykultúrák ezen belül az ember által létrehozott és befolyásolt kategóriát képeznek, ahol pl. a biodiverzitás is a természetes rendszerekétől eltérő. A termesztett növénykultúra általában egyetlen növényfajt és/vagy fajtát jelent. A termesztett növényfaj és környezete kapcsolatának megismerése annak ellenére kiemelten fontos, hogy a monokultúrában is számos és különböző élő szervezet fordul elő (pl. gyomok, rovarok, talajlakó lebontó szervezetek, stb.). Egy részük, pl. talajmikrobák a termesztett növény fejlődésére kedvezően, serkentőleg hatnak. Gátló hatásúak is ismertek, pl. a gyomnövények és a paraziták. A mesterséges ökoszisztémák is összetettek tehát és azokban is kedvező és a kedvezőtlen hatások érvényesülnek. Míg a természetes öko-rendszerekben a kedvező és kedvezőtlen hatások aránya többé-kevésbé kiegyensúlyozott, a mesterséges ökoszisztémákban az ember különböző beavatkozásokkal a kedvezőtlen hatások kiküszöbölésére és a kedvező hatások erősítésére törekszik.

A természetes és ember által létrehozott ökoszisztémákban egyaránt sajátos energia- és anyagforgalom megy végbe. A folyamatokban azonban a két rendszer alapvetően különbözik. A természetes ökoszisztémák ugyanis - területi kiterjedésüktől függően - zárt anyagforgalmi rendszereknek tekinthetők. A képződő növényi biomassza ugyanis helyben marad és a lebontó szervezetek által szervetlen anyaggá (mineralizáció) alakul, vagyis anyagkörforgalom történik, amely ciklikusan ismétlődik. Az anyagfelépülés energiaigényes folyamat, amelynek energiaforrása a napsugárzás. A növényi anyag felépüléséhez a CO2-ra és vízre, mint rendszeralkotó anyagokra feltétlen szükség van.

A mezőgazdasági kultúrák nyílt energia- és anyagforgalmi rendszerek. A termőhely kialakítására ugyanis tekintélyes mennyiségű fizikai, kémiai és biológiai energia fordítódik. A termőhely fizikai állapotának javítását a talajművelés, a vetőágy előkészítés, az öntözés, stb. jelenti. Kémiai állapot javítását szolgáló szerves- és műtrágyázás, valamint a növényvédelem egyaránt energia bevitelt jelent. Az ilyen módon kialakított termőhelyen a növényi produkció a napenergia, a levegő CO2-tartalma, valamint a víz hatására megy végbe. Az anyagforgalmi ciklusban a növényi biomassza nem, vagy csak részben kerül be a helyi lebontásba. A növényi biomassza jelentős hányada növényi termésként elszállításra kerül. A mezőgazdasági kultúrák is elsősorban napenergiát hasznosítanak a növényi szervesanyagok szintézisére. A természetes vízforrás a csapadék és a talajvízből történő kapilláris vízutánpótlás. Mesterséges - energia és költségigényes vízforrás - az öntözés, amely egyes növénykultúrák esetében - pl. a rizs - fontos és nélkülözhetetlen. Az input energiák a termesztéstechnológiával kerülnek az agroökológiai, vagy a növénytermesztési rendszerbe. Biológiai input energiának minősül a vetőmag. Kémiai input energia az ásványi tápanyag és a növényvédőszer. Fosszilis input energia kerül felhasználásra a talajművelés, a növényápolás, a betakarítás és általában a mezőgazdasági gépek üzemeltetésekor. Elektromos input energia kerül felhasználásra a vetőmagok és a növényi anyagok szárításakor. Az output energia elsősorban a t/ha-ban kifejezett termés biológiai energiája. A termésként a termőhelyről elszállított bioenergia és anyag az állati és az emberi táplálékláncba kerül.

A természetes és az agrár ökoszisztémák anyag- és energiaforgalmát az 1. ábra szemlélteti. Az ábra egyszerűsége ellenére jól szemlélteti a természetes ökológia rendszer zártságát, illetve az agroökológiai rendszer nyitottságát. A két rendszer hatásfokának meghatározásához a képződött biomassza tömeget érdemes figyelembe venni. A természetes ökoszisztémák hatásfokát a felhasznált napenergiához viszonyítják. A hatásfoka 0,1-1,5% közötti, ami azt jelenti, hogy a képződött szervesanyagba a napenergia 0,1-1,5%-a épül be évenként (1 g szénhidrát energiatartalma kb. 16 kJ). Ilyen módon a különböző növénytársulások energiahasznosítása, anyagprodukciója is összehasonlítható.

2.1. ábra - A tájökológusok által vizsgált rendszerkomponensek

A tájökológusok által vizsgált rendszerkomponensek


A szántóföldi növényállományok nyílt rendszerében az energiahasznosítás megállapítása már sokkal összetettebb, mert a napenergián kívül az input energiát is figyelembe kell venni a területegységen képződő bruttó növényi szárazanyag-mennyiségben, illetve a gazdaságilag hasznos nettó terméstömegben. Általában a szántóföldi kultúrák napenergia hasznosítása a természetes növényállományok energiahasznosításához hasonló. Megközelítheti esetenként a legnagyobb produktumú természetes rendszer - az erdő - produkcióját is. Ekkor a napenergia hasznosulása éves átlagban mintegy 1,5-3,5% közötti. Az input energia hasznosulása növényenként és termőhelyenként, valamint a technológiától függően változik. Magyarországon 1970 és 1980 között a szántóföldi növénytermesztés a bevitt energia háromszorosát produkálta az output energiában. Az ásványi tápanyagokkal, a növényvédő-szerekkel és az öntözéssel bevitt energia megnöveli a napenergia hasznosítást, ami így elérheti a 3,5%-ot is. A szántóföldi input-output energiahányad átlagértéke 1:3, vagyis az input energia által megnövelt napenergia hasznosulás jelentősen meghaladja a természetes ökológiai rendszer hatásfokát. Ez a hatásfok azonban csak bizonyos határig növelhető. Azon túl már a bevitt energia nem hasznosul, sőt kedvezőtlenül hat a produkció alakulására, pl. a túlzott műtrágyázás terméscsökkenést eredményez. A gyakorlati életben azonban a maximális hatásig nem szokás alkalmazni az input-energiát, mert a gazdasági marginalitás ezt már nem engedi meg. Ez alatt azt kell értenünk, hogy a marginális input-ráfordítás csak addig tekinthető gazdaságosnak, míg el nem éri a gazdaságossági egyenértéket. A marginális hatáspont feletti input-energia effektivitása már csökken, de még nem érte el a maximumát, azonban gazdasági szempontból már nem indokolt annak biztosítása. Ily módon tehát a mesterséges ökoszisztémák energiaforgalmának nemcsak mennyiségi, hanem gazdasági korlátjai is léteznek, amelyet a termelésben figyelembe kell venni.

Amikor a rendszer anyag- és energiaforgalmáról beszélünk, szigorúan el kell különíteni a talaj, a növény, valamint a levegő alrendszerét tekintettel arra, hogy ezekben az alrendszerekben az energia- és anyagmozgás jellege és törvényszerűségei különbözőek. Mivel a talaj-növény-levegő természetes rendszer, a tulajdonság-gradiensek kialakulásának törvénye érvényesül benne az anyag- és az energia körforgalomban, de az anyagmegmaradás elve szerint egyidejűleg megindul a tulajdonság-különbségek kiegyenlítődése is. Ez utóbbi tartja fenn azt az energia- és anyagmozgást, amely a talaj-növény-levegő térben kialakul. Hangsúlyozni kell, hogy az alrendszerek ún. energia- és anyagáramlási tehetetlensége jelentősen különböző. A talaj rendkívül nagy tehetetlenséggel rendelkezik. A talajban kialakuló olykor nagy értékű gradiensek azonban csak lassú áramlási folyamatokat indítanak és tartanak fenn, amely a talajnedvesség esetében, pl. különösen szembetűnő. A talajban a gradiensek túlnyomórészt függőleges irányban alakulnak ki, ezért a talajban bekövetkező áramlások többnyire a függőleges irány mentiek a kis intenzitású horizontális áramlások mellett. A talaj nagy tehetetlensége abban is megnyilvánul, hogy bizonyos talajt érő beavatkozások hatása hosszú időtartamú. A talajművelés, pl. több hónapra, esetleg több évre terjedően fejti ki hatását, vagyis a talaj lvisszaemlékező-képességel igen nagy. Ez egyaránt vonatkozik a talajok fizikai állapotára, nedvesség tárolására és tápanyag visszatartására, stb. is.

A talajtól eltérően a levegő lvisszaemlékező-képességel rendkívül csekély. Ennek magyarázata abban lehet, hogy a levegőben a horizontális mozgások válnak uralkodóvá a függőleges mozgásokhoz képest. A csekély tehetetlenség miatt a levegő minden állapotbeli tulajdonságára néhány perctől, egy-két napig terjedő lvisszaemlékező képességgell számolhatunk. A csekély tehetetlenségű levegőben az anyagáthelyeződés rendkívül gyors. A talaj és a levegő szállítóképessége tehát jelentősen különböző. Ez magyarázza, hogy a növényekben jelentős gradiens alakul ki a felvevő szervek és a felhasználó, raktározó és kibocsátó szervek között (pl. a gyökérfelvétel és a levél transzspiráció viszonya).

A növények a talajban és a levegőben kialakuló tulajdonság-gradiensekhez alkalmazkodnak, amit növényi ökológiai toleranciának neveznek. A tolerancia azt is kifejezi, hogy a növény milyen szélsőségeket képes károsodás nélkül elviselni. Fizikai értelemben szélsőségek akkor következnek be, amikor a növényben a gradiensek megszűnnek. Ekkor ugyanis leáll az energia- és anyagforgalom (pl. a csekély vagy túlzott vízellátottság, extrém magas vagy alacsony talaj- és levegőhőmérséklet, stb.). Az agroökológiai rendszerek esetében termelői feladat a növényi toleranciát meghaladó szélsőséges helyzet felszámolása, továbbá a termesztett növény normális energia- és anyagmozgás sebességének és intenzitásának a visszaállítása. Az egyensúly nélküliség biztosítja és tartja fent a növényekben a szervesanyag felépítéséhez kapcsolódó anyagtranszport folyamatokat. Szükséges ezért a növényi életteret alkotó rendszerek fizikai vizsgálata és a növény optimális gradiens-rendszerét kialakító környezeti feltételek megállapítása. A növényegyedek, és a növényállományok optimális fejlődésének környezeti igénye a tenyészidőszak folyamán dinamikusan változik. Ennek a dinamikának a felderítésével a kvantitatív ökológia foglalkozik, eredményeit pedig a fenntartható és a környezetbarát szántóföldi növénytermesztés hasznosíthatja.

2.2. ábra - Az ökológiai stabilitás és az ökonómiai produkció összefüggése

Az ökológiai stabilitás és az ökonómiai produkció összefüggése


Az agroökológia fontos kérdése az agroökológiai rendszer stabilitása. A természetes ökorendszerek önszabályozóknak és - normál körülmények között évtizedeken, évszázadokon át fennmaradó - nagy stabilitású rendszereknek tekinthetők. A szántóföldi növénykultúrák stabilitása kicsi, rendszerint emberi beavatkozás nélkül még egyetlen energia- és anyagforgalmi ciklus sem fejeződhet be. A növénytermesztési ciklus a talajelőkészítéssel és a vetéssel kezdődik, amit a vegetációs időszak követ szinte folyamatos emberi beavatkozással, pl. gyommentesítés, növényvédelem, stb. A növénytermesztési ciklust a betakarítás zárja. A betakarításkor a melléktermék egy része a termőhelyen marad, a hasznosítható termék pedig elszállításra kerül. Az agroökológiai rendszerhez az ember beavatkozása valamilyen formában mindig hozzátartozik. A beavatkozás ökológiai és ökonómiai szakszerűsége érdekében szükséges a hasznos és a káros, a szükséges és a felesleges beavatkozások megállapítása (2. ábra). Az agroökoszisztémák instabilitását a jelentős költségű, magas szintű termesztéstechnológia ellensúlyozza. Az input-energia költsége és az output értéke az agroökológiai kultúrák esetében egyaránt figyelembe veendő, mert ennek alapján ítélhető meg a termesztés gazdasági mérlege.

A szántóföldi agroökológiai növénykultúrák területi kiterjedése hazánkban rendkívül nagy, az ország mezőgazdasági területének mintegy 77%-ra terjed ki. A növénytermesztés bruttó nemzeti produktumon belüli részaránya 5,6% (1996-ban). Nem véletlen, hogy a kvantitatív agroökológia továbbfejlesztése nem csak alaptudományi feladat, hanem általános gazdálkodási igény is. A felgyorsult civilizáció azonban az elmúlt évtizedekben különösen a gazdaságossági szempontokat helyezte előtérbe és igyekezett a talajt és a növényt, mint természeti erőforrást maximális mértékben oly módon hasznosítani, hogy vele egyidejűleg a termőhely jelentősen sérült. Ennek eredményeként Magyarország szántóterületén is találhatók ún. sérült területek, ahol a helytelen területhasználat, a túlzott kemizálás és gépesítés a talajokat károsította. A talaj-növény-levegő ökológiai rendszerben történő termesztés során a növény környezetét óvni kell és ügyelni, hogy a talaj, a víz, a levegő ne szennyeződjön és károsodjon. Sajnálatos, hogy nemcsak a termesztés-technológia fejlődött az utóbbi évtizedekben, hanem ugyanakkor a természetes háttér, a levegő és a talaj leromlása, szennyeződése is végbement. A valóban modern mezőgazdaságban a fenntarthatóság érdekében a területhasználat és védelem egyensúlyát kell megteremteni. Ennek kapcsán merül fel az ökológia ökonómiája. A látszólag teljesen különálló két tudományterület nem különíthető el, mert az emberi tevékenység közvetlenül vagy közvetve hat a környezetre. A környezet állapotának megváltozása mindenkor ökonómiai, közgazdasági következményeket von maga után. Nem szélsőséges az a megállapítás, hogy az ökológia ökonómiájának mindenkori elemzése nem kerülhető el és meg kell keresni a marginális pontokat, az ún. ökológiai marginalitást, ameddig a beavatkozás megengedhető és ameddig a környezet még nem károsodik. A kvantitatív ökológiára tehát jelentős feladat hárul ebből a szempontból is. Meg kell határozni a lehetőségek és korlátok értékét.