zmiany klimatyczne a uprawa roślin energetycznych
advertisement
Acta Innovations, ISSN 2300-­‐5599, nr 11, 2014 Krzysztof Piotrowski, Zdzisława Romanowska-­‐Duda Uniwersytet Łódzki, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska ul. Banacha 12/16, 90-­‐237 Łódź [email protected], [email protected] Mieczysław Grzesik Instytut Ogrodnictwa ul. Konstytucji 3 Maja 1/3, 96-­‐100 Skierniewice [email protected] ZMIANY KLIMATYCZNE A UPRAWA ROŚLIN ENERGETYCZNYCH Streszczenie Cyrkulacje atmosferyczne, temperatura, cykle hydrologiczne, oddziaływanie promieniowania słonecznego, warunkują życie na ziemi wszystkich organizmów. Gwałtowne zmiany klimatyczne o pozytywnych i negatyw-­‐ nych skutkach, wymuszają na ludziach tworzenie nowych efektywnych rozwiązań w zakresie przemysłu, rolnictwa, budownictwa -­‐ we wszystkich aspektach gospodarki światowej. Opracowanie odpowiednich strategii upraw roślin energetycznych metodami ekologicznymi, przyczyni się do ograniczenia negatywnych skutków globalnych zmian środowiskowych. Słowa kluczowe klimat, zmiany klimatyczne, rośliny energetyczne Wstęp Zmiany klimatyczne w kraju i na świecie sprzyjają zwiększeniu obszarów i ich możliwości wykorzystania do pro-­‐ dukcji biomasy roślin energetycznych oraz wprowadzaniu do uprawy gatunków odpornych na biotyczne i abiotyczne zmiany środowiskowe. Mając na uwadze zmiany klimatyczne, które dokonują się w coraz szybszym tempie i niejednokrotnie zaskakują nowymi zjawiskami, należałoby wyjść od definicji klimatu, aby zrozumieć jego strukturę, wpływy czynników zewnętrznych, a co za tym idzie postępujących zmian. Klimat rozumiany jest jako charakterystyczny przebieg zjawisk pogodowych, które dokonują się cyklicznie na przestrzeni wielu lat [1]. Najczęściej brane są pod uwagę obserwacje dokonywane przez okres trzydziestoletni. Klimat ustalany jest na podstawie przebiegu pogody, w tym wielu różnorodnych czynników, takich jak temperatura, opady atmosferyczne czy też wiatr. Na Ziemi możemy wyróżnić trzy podstawowe procesy klimatotwórcze. Zaliczamy do nich obieg wody, ciepła oraz krąże-­‐ nie powietrza. Ponadto istotną rolę odgrywają czynniki geograficzne, a w tym wysokość nad poziomem morza i układ lądów oraz oceanów. Życie organizmów wraz z częstotliwością ich występowania uwarunkowane jest czynnikami ekologicznymi, do których można zaliczyć również klimat. Zmiany klimatyczne i środowiskowe, które zachodzą w ostatnich latach uwarunkowane są przyczynami natu-­‐ ralnymi. Nie można jednak zapominać o tym, że w znaczący sposób do efektów w postaci ekstremalnych warunków pogodowych przyczynia się również człowiek i jego działalność. W ostatnich dekadach naukowcy zaobserwowali, że zmiany te są znacznie większe i zachodzą dużo szybciej w wyniku wzmożonej intensywności niekorzystnych dla środowiska działań antropogenicznych. W roku 1988 6 grudnia została powołana Rezolucja nr 43/53 Zgromadzenia Ogólnego Organizacji Narodów Zjednoczonych, w której to uznano, że zmiany klimatu Ziemi i ich negatywne skutki są wspólnym problemem ludzkości. W tym samym czasie została również powoła-­‐ na specjalna komórka -­‐ Międzyrządowy Panel do spraw Zmian Klimatu, której celem jest badanie przyczyn i skutków zmian klimatycznych oraz przekazywanie uzyskanych informacji władzom różnych krajów i osobom lub instytucjom zainteresowanych tą tematyką (IPCC)[2]. Przyczyny i skutki zmian klimatycznych Czynniki wpływające w znacznym stopniu na zmiany klimatyczne dzieli się na dwie główne grupy. Zmiany wy-­‐ wołane czynnikami naturalnymi oraz te, które powstają w wyniku działalności człowieka (efekt antropogeniczny). Wielorakie, niekorzystne działania człowieka to między innymi zanieczyszczenia atmosfery. Wynika to z nadmiernej emisji CO2 podczas reakcji spalania paliw kopalnianych: węgla, ropy naftowej czy gazu 20 Acta Innovations, ISSN 2300-­‐5599, nr 11, 2014 ziemnego. Znacznie zwiększony poziom stężenia CO2 powoduje zatrzymanie ciepła w atmosferze i w efekcie skutkuje wspomnianym globalnym ociepleniem. Upowszechnienie opinii, która mówi o znaczącym wpływie emisji CO2 na proces efektu cieplarnianego, zapo-­‐ czątkowało działania mające na celu rozszerzenie idei ochrony klimatu Ziemi. Najważniejszy dokument mający wpłynąć na nałożenie ograniczeń związanych z emisją CO2 to Protokół z Kyoto z 1998 roku [3]. Uzupełnia on Ramową Konwencję Narodów Zjednoczonych oraz międzynarodowe porozumienie traktujące o przeciwdziała-­‐ niu globalnemu ociepleniu. Dokument ten wszedł w życie 12 lutego 2005 roku. Według postanowień traktatu kraje, które go ratyfikowały, zobowiązały się zmniejszyć o co najmniej 5% w stosunku do lat 90-­‐tych emisję gazów cieplarnianych do roku 2012. Wszelkie działania podjęte na ogromną skalę w tamtym czasie, nie przy-­‐ niosły oczekiwanych efektów. Wiele krajów nie podjęło żadnych zobowiązań co do redukcji emisji CO2 lub zdecydowało się jedynie na jej nie zwiększanie. Brak jakichkolwiek ograniczeń oraz sankcji doprowadziło do niezadowalających wyników związanych z walką na rzecz niekorzystnych zmian klimatycznych. Rys. 1. Dynamika emisji CO2 w latach 1965-­‐2012 Źródło: [4] Na przedstawionym powyżej wykresie widać, że w latach 60-­‐tych (stan wyjściowy) prawie 70% CO2 emitowane było przez tzw. Świat zachodni. Na dzień dzisiejszy stosunek ten uległ znacznej redukcji. Stany Zjednoczone, kiedyś odpowiedzialne za prawie 35% emisji gazów cieplarnianych, zredukowało ten proceder do jedynie 18%, podczas gdy kraje Unii Europejskiej ograniczyły emisję z 29% do 12%. Niestety w ostatnich kilkunastu latach pojawili się nowi liderzy w emisji tego gazu – Chiny czy Indie – kraje o szybkim wzroście gospodarczym, ale i tym samym gwałtownym wzroście emisji CO2. Większość emisji tego gazu pochodzi ze spalania węgla (43%), ropy (33 %), gazu (18%), z produkcji cementu (5,3%) i procesów związanych z wydobyciem gazu (0,6%). Całkowite emisje CO2 liczone od początku rewolucji przemysłowej (ok. roku 1870) sięgną do końca 2013 r. 2015 mld ton, przy czym za 70% odpowiada spalanie paliw kopalnych, a za 30% wylesianie i inne ingerencje w powierzchnię lądów [5]. Prawie 86% CO2 jest produkowany przez kraje, które nie tylko nie należą do UE, czyli nie zostaną objęte planowaną na rok 2020 dyrektywą unijną tzw. "3x20", ale również nie ratyfikowały nawet protokołu z Kyoto. Państwa te zdecydowanie zwiększają wydobycie węgla, a tym samym emisję CO2. Światowe wykorzy-­‐ stanie węgla do roku 2030 wzrośnie najprawdopodobniej ponad dwukrotnie. Dziś światowa energetyka opiera się w 41% na węglu. Do roku 2030 udział węgla w produkcji energii oraz w jego wykorzystaniu w innych gałę-­‐ ziach przemysłu ma wzrosnąć do 44% [6]. Podejmowane są badania dotyczące mechanizmów i skutków zmian klimatu. Do skutków postępujących zmian klimatycznych zalicza się topnienie powłoki lodowej na biegunach. Na Biegunie Północnym, obszar który był pokryty lodem arktycznym zmniejszył się o 10%. O 40% zmniejszyła się grubość lodu znajdującego się pod po-­‐ wierzchnią wody. Podobnym procesom uległa pokrywa lodowa na Antarktyce [7]. Według japońskiej agencji kosmicznej – Japan Aerosace Exploration Agency (JAXA), powierzchnia lodu w Arktyce jest coraz mniej-­‐ sza(Rys.2). 21 Acta Innovations, ISSN 2300-­‐5599, nr 11, 2014 Rys. 2. Zasięg lodu w Arktyce w 2014 roku na tle ostatnich lat IARC-­‐JAXA Źródło: [8] Kolejną istotną zmianą jest kurczenie się lodowców. Szacuje się, iż do 2050 roku w Alpach Szwajcarskich zniknie aż 75% lodowców. Jeszcze szybciej, bo już przed 2020 rokiem najprawdopodobniej dojdzie do stopienia się lodowca pokrywającego Kilimandżaro. Społeczności Austriackie oraz Szwajcarskie na własną rękę próbują chro-­‐ nić lodowce, przykrywając je specjalnymi foliami mającymi chronić przed całkowitym roztopieniem. W wyniku globalnego ocieplenia podnosi się poziom mórz. Ostatnie stulecie to wzrost dotychczasowego poziomu wód nawet o 25 centymetrów, a przewiduje się, że do 2100 roku będzie on dalej wzrastał i osiągnie poziom 88 cm. W efekcie może dojść do zalania nisko położonych wysp oraz obszarów przybrzeżnych. Zagrożone są również głębiej położone tereny, które może zalać woda morska niszcząc w ten sposób tereny uprawne i powodując zanieczyszczenie zasobów wody słodkiej. Postępujące zmiany klimatyczne skutkują występowaniem ekstremal-­‐ nych warunków pogodowych, takich jak huragany, powodzie, burze i susze. Na dodatek, w porównaniu do wcześniejszych dziesięcioleci (Rys. 3), ostatnia dekada obfituje w klęski żywiołowe, w szczególności w powodzie oraz huragany. Wzrastające temperatury mogą spowodować znaczne braki w dostępie do wody pitnej. Obecnie aż 1,1 miliarda ludzi nie ma stałego dostępu do tego typu źródeł. Podniesienie temperatury spowoduje wzrost liczby osób cierpiących z powodu niedostatku wody nawet do 3,4 miliarda. Rys. 3. Średnie roczne anomalie maksymalnej i minimalnej temperatury dobowej i dobowej amplitudy temperatury w okresie 1950-­‐2004 Źródło: [9] 22 Acta Innovations, ISSN 2300-­‐5599, nr 11, 2014 Zwiększenie się temperatury o 2,5°C oznacza, że dotychczasowa wartość 850 milionów osób cierpiących z po-­‐ wodu chronicznego głodu, zwiększy się aż o kolejne 50 milionów. Wyższa, niż dotychczasowa temperatura to także ogromne zagrożenie epidemiologiczne i niebezpieczeństwo ze względu na rozprzestrzenianie się chorób zakaźnych przez owady. Wyższe wartości temperatury sprzyjają rozwojowi owadów przenoszącym choroby, które w takim wypadku będą mogły dotrzeć do wielu innych rejonów i spowodują rozprzestrzenienie się malarii również tam, gdzie dotychczas nie stanowiła ona większego zagrożenia. Zmiany klimatyczne znacząco wpływają na środowisko i jego ekosystemy. Do 2050 roku szacuje się, że może wyginąć aż 1/3 obecnie żyjących gatun-­‐ ków. Szczególnie zagrożone są niedźwiedzie polarne, foki, morsy oraz pingwiny. Granice ekosystemów przesuwają się, co powoduje, że zwierzęta nie są w stanie przystosować się do nowych narzuconych im przez klimat warunków i zaczynają ginąć. Świadomość społeczeństwa i europejskie programy Brak wiedzy i lekceważenie problemów związanych ze zmianami klimatycznymi przez mieszkańców Ziemi, po-­‐ woduje ciągle niewystarczające działania w tym zakresie. Przykładem powyższego problemu może być sondaż z roku 2007 przeprowadzony przez Ipsos MORI w Wielkiej Brytanii, który ujawnił, że 56% obywateli uważa, że naukowcy wciąż kwestionują zmianę klimatu. Ankieta sugeruje, że terroryzm, graffiti i przestępstwo budzą większy niepokój, niż zmiany klimatyczne [10]. Tabela 1. Społeczna percepcja istnienia i znaczenia globalnego ocieplenia na świecie i USA Pogląd % zgadzających się Dotyczy/Rok Globalne ocieplenie prawdopodobnie ma miejsce. 85 USA/2006 Globalne ocieplenie prawdopodobnie ma miejsce. 80 USA/1998 Działalność człowieka to znacząca przyczyna zmiany klimatu. 71 USA/2007 Działalność człowieka to znacząca przyczyna zmiany klimatu. 79 Świat/2007 Zmiana klimatu to poważny problem. 76 USA/2006 Zmiana klimatu to poważny problem. 90 Świat/2006 Zmiana klimatu to poważny problem. 78 Świat/2003 Niezbędne jest prędkie podjęcie odpowiednich działań. 59 USA/2007 Niezbędne jest prędkie podjęcie odpowiednich działań. 65 Świat/2007 Źródło: Sondaż Ipsos MORI z czerwca 2007 w Wielkiej Brytanii W opublikowanym przez Europejską Agencję Środowiska sprawozdaniu pt. „Zmiany klimatu, ich skutki i podat-­‐ ność na nie w Europie 2012” stwierdzono, że w całej Europie obserwuje się podwyższenie średnich temperatur, a także zmniejszenie ilości opadów w regionach południowych i zwiększenie ilości opadów w Europie Północ-­‐ nej. Pokrywa lodowa Grenlandii, arktyczny lód morski i wiele lodowców w Europie topnieje, większość wiecznej zmarzliny ulega ogrzaniu, a zasięg pokrywy śnieżnej w znacznym stopniu się obniżył. Wszyscy jednogłośnie są pewni, że w przyszłości możemy się spodziewać dalszych negatywnych następstw zmian globalnego klimatu, co wpłynie w znacznym stopniu na gospodarkę światową [11]. Oznacza to konieczność podjęcia kroków na kilku szczeblach, zarówno lokalnym, regionalnym czy krajowym. Rozmiar oraz siła negatywnych skutków zależna jest w znacznym stopniu od warunków społeczno-­‐ekonomicznych, geograficznych czy klimatycznych danego regio-­‐ nu [12]. Z raportu Unii Europejskiej wynika, że wszystkie kraje Europy są narażone na nagłe i nieprzewidywalne zmiany klimatyczne, jednak nie wszystkie regiony w takim samym stopniu. Skutki zmiany klimatu w znacznym stopniu przyczynią się do zwiększenia różnic społecznych w całej UE. Musimy zwrócić szczególną uwagę na grupy społeczne i regiony, które są najbardziej narażone i które już teraz znajdują się w trudnej sytuacji. Dlatego w celu ograniczenia skutków zmian klimatycznych stworzono liczne wspólne projekty adaptacyjne pomiędzy krajami, regionami czy też miastami. Większość tego typu programów jest częściowo lub całkowicie finansowana przez Unię Europejską. Przykładem jest Program ramowy w zakresie badań naukowych i innowacji 2014-­‐2020 Horyzont 2020 z budżetem ponad 77 mld euro [13]. Program ten ma na celu dofinansować szcze-­‐ gólnie małe i średnie przedsiębiorstwa, które mogą być pionierami w tworzeniu projektów i usług przeciwdziałających zmianie klimatu, poprzez wykorzystanie możliwości prowadzenia działalności na całym świecie. Te innowacyjne strategie mają na celu promowanie gospodarki niskoemisyjnej, odpornej na zmiany klimatyczne, a także mają na celu rozpowszechnianie zrównoważonego rozwoju. Innym programem jest LIFE+, 23 Acta Innovations, ISSN 2300-­‐5599, nr 11, 2014 którego celem głównym jest zrównoważony rozwój środowiska poprzez wdrażanie, aktualizację wspólnotowej polityki [14]. Działania te są wspierane przez fundusze UE i międzynarodowe instytucje w tym, Europejski Bank Inwestycyjny oraz Europejski Bank Odbudowy i Rozwoju. Rys. 4. Przewidywane skutki zmiany klimatu oraz związane z nimi zagrożenia. W oparciu o sprawozdanie EEA dotyczące skutków zmian klimatu i podatności na zagrożenia w Europie (2012) Źródło: [15] Większość gałęzi przemysłu, znaczna część sektorów gospodarki, całe światowe rolnictwo, a także turystyka w sposób pośredni lub bezpośredni zależne są od warunków klimatycznych. Jednym z wielu przykładów skut-­‐ ków związanych ze zmianami są zaburzenia w gospodarce wodnej ekosystemów, wpływ intensywnych opadów deszczu na nagły wzrost poziomu wód gruntowych, a tym samym oddziaływanie tego procesu na jakość wód powierzchniowych (Rys. 4) [16]. Zmiany klimatyczne w Polsce Gwałtowne zmiany klimatyczne, niespodziewane anomalie pogodowe: huragany, trąby powietrzne, duże wa-­‐ hania temperatury, gwałtowne opady i długotrwałe susze, stały się rzeczywistością od kilkunastu lat. Polska z racji swojego położenia geograficznego znajduje się w miejscu sprzyjającym ścieraniu się różnorodnych mas powietrza, powoduje to tworzenie się skrajnie różnych stanów pogody, a w konsekwencji ma wpływ na klimat naszego kraju. Klimat Polski charakteryzuje się dużą zmiennością i znacznymi wahaniami, czego przykładem może być pogoda na przełomie ostatnich kilkunastu lat. Ciepłe zimy, upalne i deszczowe lata, brak jesieni oraz wiosny w znacznym stopniu wpływają na środowisko naturalne, a tym samym na gospodarkę. Brak opadów, niska wilgotność powietrza, susze i niespotykane dotąd temperatury mają ogromne znaczenie dla całych eko-­‐ systemów i stosunków wodnych w otaczającym je regionie. Tego typu zjawiska wyraźnie zauważalne są szczególnie w Polsce południowej i południowo-­‐wschodniej. Według naukowców z Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej głównym powodem zaistniałej sytuacji jest proces zmian klimatycznych. Globalne zmiany pogodowe wpływają na sytuację klimatyczną zarówno w skali regionalnej, jak i ogólnokrajowej. W najbliższej przyszłości wystąpią znaczne zmiany w cyklu hydrologicznym. Skutki tych zmian będą miały znaczący wpływ na środowisko naturalne całego kraju. 24 Acta Innovations, ISSN 2300-­‐5599, nr 11, 2014 Rys. 5. Scenariusz zmian sum opadów w Polsce w sezonie wiosennym, letnim i jesiennym dla okresów 2011-­‐2030 i 2081-­‐ 2100 Źródło: [17] Analiza średnich rocznych opadów w Polsce z ostatniej dekady, wskazuje na wyraźny spadek tzw. średnich rocznych opadów w południowo-­‐zachodniej części kraju o prawie 5% oraz zwiększenie średnich rocznych opa-­‐ dów na wschodzie o ok. 4% (Rys. 5). Trzeba jednak podkreślić, że w przypadku temperatury wszystkie prognozy zgodnie wskazują na tendencje wzrostowe, natomiast w przypadku opadów uzyskane wyniki w znacznym stop-­‐ niu różnią się od siebie. Mimo niejednoznaczności prognoz, konieczne jest konsekwentne ulepszanie systemu gospodarowania zasobami wodnymi w Polsce. Rośliny energetyczne, a zmiany klimatyczne Ekstremalne zjawiska klimatyczne rozpowszechnione na całym globie prowadzą do znacznego spadku plonów roślin uprawnych, w tym energetycznych. Działalność ludzi powoduje wzrost natężenia naturalnego efektu cieplarnianego. Prowadzi to do znacznych zmian wartości temperatur i związanych z tym zjawisk zachodzących w całym systemie klimatycznym. Ostatnia dekada XX wieku była najcieplejsza w całym stuleciu. Nienotowane dotychczas temperatury, gwałtowne opady, niespotykane susze, huragany, wyjątkowo ciepłe i bezśnieżne zimy, upalne lata wpływają na produkcję żywności na całym świecie. Zależność pomiędzy rolnictwem, a klimatem ma charakter bezpośredni i pośredni. Wskutek bezpośredniego oddziaływania wyższe temperatury modyfikują pobieranie składników z podłoża i zwiększają zapotrzebowanie roślin na wodę, gleba szybciej paruje i rośliny intensywniej oddychają (proces ewapotranspiracji). Wraz ze wzrostem temperatury, zmienia się także ilość pary wodnej w powietrzu, poziom zawartości materii obniża się i gleba wykazuje mniejszą zdolność magazyno-­‐ wania wody. Wskazane czynniki osłabiają wzrost roślin w tym roślin energetycznych. Zarówno pośrednie, jak i bezpośrednie działanie temperatury zagraża plonom. Jeśli w jakimś regionie zostanie przekroczony zakres temperatur optymalnych dla danej rośliny uprawnej, to zwykle reaguje ona negatywnie, co prowadzi do 25 Acta Innovations, ISSN 2300-­‐5599, nr 11, 2014 zmniejszenia plonów. Większość roślin jest wrażliwa na występowanie wysokiej temperatury powietrza. Tem-­‐ peratura utrzymująca się na poziomie 45-­‐55°C przez co najmniej 30 minut powoduje uszkodzenia liści u większości roślin. Nawet niższa temperatura (35 do 40°C) może działać destrukcyjnie na rośliny, jeśli utrzymu-­‐ je się przez dłuższy czas. Temperatura powyżej 36°C sprawia, że np. pyłek kukurydzy obumiera, natomiast temperatura około 20°C utrudnia zawiązywanie się i wzrost bulw ziemniaków. Podatność na uszkodzenia przez wysokie temperatury jest różna w poszczególnych etapach rozwoju rośliny. Rośliny we wstępnej fazie rozwoju są szczególnie wrażliwe na ekstremalne zjawiska atmosferyczne. Wysokie temperatury są bardzo szkodliwe również w fazie reprodukcji, na przykład dla kukurydzy podczas wiechowania, dla soi podczas kwitnienia, a dla pszenicy podczas wypełniania się kłosów. Z drugiej strony niewykluczone jest też, że wyższa temperatura może spowodować przyspieszenie wzrostu niektórych gatunków roślin, tak jak to się prognozuje w przypadku suma-­‐ ka octowego. W krajach Unii Europejskiej obserwuje się pogłębiający deficyt wody, a ta która już jest charakteryzuje się bar-­‐ dzo niską zawartością substancji odżywczych [20]. Susza powoduje więdnięcie i spowalnia rozwój roślin oraz zmienia proporcje zawartych w nich składników pokarmowych (węgiel/azot), obniżając tym samym odporność na nicienie i owady. Osłabione rośliny są bardziej narażone na atak patogenów grzybowych, zwłaszcza w okoli-­‐ cy pędów i korzeni. Suche i ciepłe warunki pogodowe sprzyjają wzrostowi populacji owadów oraz epidemiom chorób wirusowych np. plaga szarańczy związana z suszą w Meksyku (1999). Plony roślin energetycznych mogą najbardziej ucierpieć, jeśli okresy suszy wystąpią podczas ważnych faz rozwoju roślin, takich jak faza reproduk-­‐ cji. Większość roślin jest szczególnie wrażliwa na stres wodny w fazie kwitnienia, zapylania i wypełniania kłosów. Efektów działania suszy można uniknąć, na przykład poprzez wczesne sadzenie odmian charakteryzują-­‐ cych się szybkim tempem wzrostu. W utrzymywaniu wilgotności gleby na właściwym poziomie może też posłużyć odchwaszczanie oraz wprowadzenie mikroorganizmów korzystnie wpływających na środowisko gle-­‐ bowe [16], [17], [18], [19], [20]. Opady, które stanowią podstawowe źródło wilgoci w glebie, są prawdopodobnie najważniejszym czynnikiem decydującym o plonowaniu roślin. Modele klimatu przewidują ogólny wzrost średniej ilości opadów na świecie, ale ich wyniki sugerują również możliwość zmiany reżimów opadowych w wielu miejscach. Zmiany klimatu mogą spowodować wzrost lub spadek sum opadów w poszczególnych porach roku. Gospodarka wodna roślin energetycznych jest wrażliwa na takie czynniki, jak wyższe temperatury, bardziej suche powietrze i większą prędkość wiatru, które przyspieszają ewapotranspirację w ciągu dnia oraz zmieniają jej sezonowy przebieg. Suszę powoduje nie tylko zmniejszona ilość opadów deszczu. Jej przyczyną może też być mniejsza ilość śniegu zimą oraz wcześniejsze topnienie śniegu wiosną. W regionach suchych może to w efekcie zmniejszyć odpływ wody w rzekach i zbiornikach wodnych służących do nawadniania pól w sezonie wegetacyjnym. Okresy wyso-­‐ kiej wilgotności względnej, mrozu, czy gradu mogą również wpływać na plony. Stres termiczny i stres wodny często występują razem i działają synergistycznie. Zazwyczaj towarzyszy im wysokie natężenie promieniowania słonecznego i silne wiatry. W warunkach suszy , rośliny uprawne zamykają aparaty szparkowe, by ograniczyć transpirację. W efekcie wzrasta temperatura wewnątrz rośliny, co może być przyczyną powstawania uszkodzeń. Opady są prawdopodobnie najważniejszym czynnikiem decydującym o tym, w jaki sposób rośliny reagują na szkodniki i choroby. Bardzo mokre lata mogą spowodować obniżenie wysokości plonów. Nasiąknięta wodą gleba powoduje gnicie korzeni roślin, a wyższa wilgotność powietrza sprzyja zwiększaniu się liczebności szkod-­‐ ników i chorób, szczególnie w pierwszych fazach rozwoju. Gwałtowne ulewy mogą uszkadzać młodsze rośliny, jak też przyspieszać erozję gleby. Stopień zniszczenia płodów rolnych zależy od czasu trwania opadów i podto-­‐ pień, a także od fazy rozwoju roślin oraz od temperatury powietrza i gleby. Zwiększona wilgotność powietrza sprzyja epidemiom i rozpowszechnianiu się patogenów. Tak na przykład brązowa plamistość ryżu spowodowała klęskę głodu w Bengalu (1942), gdzie zmarło 2 mln ludzi. Epidemia żółtej rdzy pszenicy w najważniejszych re-­‐ gionach produkcyjnych Chin przyczyniła się do głodu w 1960 roku. Przemieszczanie się gleby wskutek wzmożonej erozji i równoczesny spływ powierzchniowy wody, powoduje rozprzestrzenianie się patogenów na nowe obszary. Inwazja szkodników często zbiega się w czasie ze zmianami warunków pogodowych, takich jak zbyt wczesne czy zbyt późne deszcze, susza lub nadmierne opady. Rozwojowi większości szkodników sprzyjają ciepłe i wilgotne warunki. Rośliny osłabione deficytem wody podczas suszy, łatwiej ulegają atakom szkodników (np. biedronka azjatycka), niż rośliny, które nie są narażone na taki stres. 26 Acta Innovations, ISSN 2300-­‐5599, nr 11, 2014 Klimat ma również wpływ na skuteczność pestycydów stosowanych do zwalczania lub zapobiegania inwazjom szkodników. Intensywność i czas występowania opadów deszczu decydują o tym, jak długo pestycydy pozostają aktywne i w jakim stopniu. Temperatura i światło zaś wpływają na długość czasu ich efektywnego działania poprzez przyspieszanie ich rozkładu chemicznego. Większość analiz potwierdza, że w zmieniającym się klimacie szkodniki mogą stać się bardziej aktywne, niż obecnie i mogą zwiększać swój zasięg geograficzny. Zachodzi obawa, że w przyszłości będzie się stosować coraz więcej chemikaliów w rolnictwie, a to wywoła skutki zdro-­‐ wotne, ekologiczne i ekonomiczne. Stąd konieczne jest zwrócenie uwagi na ekologiczny charakter upraw. Klimat wpływa nie tylko na rośliny uprawne, ale i na towarzyszące im chwasty. Chwasty rywalizują z roślinami uprawnymi o składniki pokarmowe zawarte w glebie, o światło i przestrzeń. Susza zwiększa współzawodnictwo między roślinami uprawnymi i chwastami, o zawartą w glebie wodę, natomiast duża wilgotność sprzyja roz-­‐ przestrzenianiu się chwastów. Zaletami inwestowania w odnawialne źródła energii jest fakt, iż uważa się je za przedsięwzięcia o najniższym stopniu ryzyka w długim okresie. Mogą także spowodować, oczywiście do pewnego stopnia, uniezależnienie się i bezpieczeństwo energetyczne danego obszaru, gmin, województw całego kraju. Mogą przyczynić się do po-­‐ prawy zaopatrzenia w energię terenów o słabo rozwiniętej infrastrukturze energetycznej – szczególnie obszary podatne na duże bezrobocie, co pozwoli również na stworzenie nowych miejsc pracy [26]. W praktyce wykorzy-­‐ stanie lokalnych źródeł energii oznacza także dofinansowanie na poziomie lokalnym gminy, powiatu czy województwa. Uprawa roślin energetycznych w znacznym stopniu redukuje CO2, korzystnie wpływa na krajo-­‐ braz, ogranicza zużycie paliw kopalnych, a tym samym minimalizuje koszty. Polska jako członek Unii Europejskiej zgodnie z wczeniejszymi ustaleniami musi ograniczyć emisje gazów cieplarnianych. Jednym z ważniejszych sposobów w realizacji tego zadania jest wprowadzenie i rozpowszechnienie odnawialnych źródeł energii, szczególnie zastępowanie części tradycyjnych paliw transportowych biopaliwami, zaś węgla biomasą roślin energetycznych. Na wysoki wzrost zainteresowania roślinami energetycznymi składa się wiele czynników. Chęć ograniczenia emisji CO2, występowanie ekstremalnych zjawisk pogodowych, szybki wzrost i odporność na te zjawiska, sto-­‐ sunkowo niskie nakłady finansowe pozyskiwania energii, liczne dofinansowania oraz projekty, pozwoliły na wykreowanie nowych kierunków w produkcji rolniczej i w samej gospodarce. Najczęściej wykorzystywanym surowcem do produkcji biopaliw jest odpadowe drewno lub słoma. Stan ten będzie utrzymywał się do momen-­‐ tu intensywnego rozwoju upraw roślin energetycznych. W Polsce do najpopularniejszych roślin wykorzystywanych w tzw. agroenergetyce zaliczane są: wierzba wiciowa (Salix viminalis), ślazowiec pensylwański (Sida hermaphrodita), kukurydza (Zea mays), słonecznik bulwiasty (Helianthus tuberosus), miskant olbrzymi (Miscanthus sinensis gigantea), rdestowiec sachaliński (Polygonum sachalinense), róża wielokwiatowa (Rosa multiflora). Najnowsze prognozy wskazują, że w najbliższej przyszłości uzupełnieniem bilansu podaży biomasy na rynku energetycznym w Polsce będą szeroko rozpowszechnione plantacje roślin energetycznych, zakładane i prowadzone na gruntach dotychczas nie wykorzystywanych przez rolnictwo. Na podstawie ostatnich badań można jednoznacznie stwierdzić, że powierzchnia uprawy wierzby energetycznej w najbliższych latach będzie rosła w stopniu znaczącym. Większość roślin wykorzystywanych w bioenergetyce to rośliny o małych wymaganiach glebowych, i w związku z tym kolejnym atutem przemawia-­‐ jącym za uprawą tego typu roślin jest szansa na zagospodarowanie wielu nieużytków w Polsce. Dotychczas zaobserwowane zmiany klimatyczne w kraju sprzyjają zwiększeniu potencjalnej przydatności obsza-­‐ rów do produkcji wymienionych wyżej gatunków roślin energetycznych oraz wprowadzaniu do uprawy gatunków ciepłolubnych (sorgo, słonecznik, soja). Wyższa temperatura, wydłużony okres wegetacyjny i wzrost sumy opadów powodują zwiększenie produktywności tych roślin i nie wpływają ujemnie na zboża i trawy, wy-­‐ korzystywane w produkcji energii odnawialnej. Obserwowany wzrost temperatury powietrza przyczynia się do wydłużenia okresu wegetacyjnego o około 10 dni. Wpływa to na zmianę terminów zakładania plantacji energe-­‐ tycznych oraz okres wykonywania pozostałych prac agrotechnicznych. Tak np. w nowych warunkach klimatycznych terminy siewu zbóż jarych będą przyspieszone, a ozimych opóźnione o ok. 3 tygodnie. Zbiór zbóż na potrzeby energetyczne może być wcześniejszy o 1-­‐4 tygodnie. Poprawa warunków termicznych i przesuwa-­‐ 27 Acta Innovations, ISSN 2300-­‐5599, nr 11, 2014 jąca się ku północy strefa cieplejsza zwiększa szansę uprawy energetycznych roślin ciepłolubnych w centralnych i północno-­‐zachodnich rejonach kraju. Wzrost temperatury o kolejny stopień spowoduje, że w Polsce nie bę-­‐ dzie barier termicznych do uprawy kukurydzy średnio późnej. Natomiast zmniejszająca się dostępność wody na niektórych obszarach i zwiększone potrzeby nawadniania w warunkach częściej występujących susz w miesią-­‐ cach letnich, wymagać będzie zmiany w asortymencie uprawianych roślin energetycznych. Konieczne będzie zastąpienie na tych areałach dotychczasowych plantacji wymagających gleb wilgotnych (wierzba wiciowa, ku-­‐ kurydza) roślinami o małych wymaganiach co do zawartości wody w glebie, jak np. sylfia, proso rózgowate, ślazowiec pensylwański, sorgo. Dotychczas przedstawiane prognozy nie są jednoznaczne, niektóre z nich wyka-­‐ zują wzrost, a inne spadek plonów w zmieniającym się klimacie. Problemem w uprawie roślin energetycznych w zmieniających się warunkach klimatycznych Polski będzie przy-­‐ spieszenie tempa rozwoju chwastów ciepłolubnych oraz pojawienie się nowych, uciążliwych w zwalczaniu, szkodników (stonka kukurydziana, słonecznica orężówka), jak również zwiększenie populacji szkodników o dotychczas małej szkodliwości (mszyce, ploniarka zbożówka, śmietka ozimówka, miniarki, wciornastki). Ła-­‐ godne zimy będą sprzyjały wzrostowi zagrożenia ze strony niektórych chorób. Wymagać to będzie intensyfikacji stosowania środków ochrony roślin energetycznych przed chorobami i szkodnikami, co w przypadku obowiązu-­‐ jącego systemu upraw integrowanych jest kosztowne i utrudnione ze względu na ograniczony asortyment pestycydów. Kolejnym problemem związanym z anomaliami pogodowymi jest zwiększająca się zmienność plo-­‐ nów roślin energetycznych, co wymaga uprawy szerokiego ich asortymentu, aby zapewnić stałe dostawy do odbiorcy. Rys. 6. Terytorium Polski według zagospodarowanych terenów Źródło: [21] Zgodnie z danymi Eurostatu na rok 2013, Polskę pokrywają głównie lasy, które stanowią prawie 36% naszego terytorium (Rys. 6). Stosunkowo duża część Polski pokryta jest też przez użytki rolne -­‐ stanowią 34% kraju. Nie-­‐ użytki w Polsce to prawie 2% powierzchni. Warto podkreślić, że średnio w Unii Europejskiej marnuje się w sumie 6% powierzchni terytorium w różnych krajach. Warto również podkreślić, że plantacje roślin energetycznych i wszelkiego rodzaju związane z nimi zabiegi są objęte wieloma programami pomocowymi, wśród których są m.in.: Program SAPARD, Fundusz PHARE, unijny program LIFE+, od roku 2014 rusza unijny program HORYZONT 2020, również wiele krajowych, regionalnych instytucji przeznacza dofinansowanie np. Wojewódzki Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej [22] czy programy typu Rozwój Obszarów Wiejskich. Przyszłość klimatu Klimat Ziemi to jeden z najbardziej skomplikowanych procesów jakie zna człowiek, aby zapoznać się z jego bar-­‐ dzo skomplikowanymi mechanizmami i zależnościami, naukowcy muszą wykorzystywać modele matematyczne, tzw. ogólne modele cyrkulacji (ang. GCM). Jest to model opisujący zachowanie się klimatu na podstawie rów-­‐ nań mechaniki płynów oraz innych równań fizyki i chemii opisujących procesy istotne z punktu widzenia zmian klimatu (Rys. 7). 28 Acta Innovations, ISSN 2300-­‐5599, nr 11, 2014 Rys. 7. Przykładowy model opisujący zachowanie się klimatu na podstawie równań mechaniki płynów oraz innych równań fizyki i chemii opisujących procesy istotne z punktu widzenia zmian klimatu Źródło: [23] Zastosowanie tego typu operacji pozwala śledzić i badać wszelkiego rodzaju procesy zachodzące w atmosferze oraz analizować ewentualne wzajemne oddziaływania. Powyższe modele pozwalają na określenie kierunków nadchodzących zmian w najbliższych latach. Przykładem tego typu symulacji jest wykorzystanie wariantu z coraz większym stężeniem gazów cieplarnianych w atmosferze. Innym przykładem symulacji uwzględniającym wzrost zawartości CO2 w atmosferze jest wpływ np. aerozoli siarczanowych. Związki te rozpraszają i odbijają promieniowanie słoneczne z powrotem w przestrzeń kosmiczną oraz powodują tworzenie się chmur, symulacja ta uwzględnia także czynnik obniżający temperaturę. W chwili obecnej opracowano kilkanaście tego typu mo-­‐ deli, znaczna ich część wykorzystywana jest do przewidywania wpływu zwiększonych stężeń gazów cieplarnianych na klimat na świecie. Wyniki GCM jednoznacznie wskazują na wzrost średniej temperatury i wyniesie on między 1,4°C a 5,8°C (Rys. 8). Zarówno wzrost aerozoli w atmosferze jak i CO2 w znacznym stopniu ograniczy ilość światła słonecznego docierającego do Ziemi i tym samym ochłodzą planetę. Rys. 8. Przewidywan wzrost temperatury według różnych ogólnych modeli cyrkulacji Źródło: [24] Ogólne modele cyrkulacji przewidują również wzrost średnich opadów na świecie o około 520%. Pozwalają one ponadto wskazać regiony na świecie, gdzie ocieplenie może być znacznie większe, niż średnie globalne. Tempe-­‐ ratury minimalne w zimie i w nocy będą nadal wzrastały szybciej, niż temperatury średnie. Zaburzenia w światowej gospodarce wodnej w znacznym stopniu zwiększą częstotliwość pojawiania się takich anomalii jak susze czy powodzie. Wzrost występowania zim bezśnieżnych, w konsekwencji spadek wiosennych roztopów, potencjalnie zwiększy skutki susz wiosennych oraz letnich. Mimo wielu wątpliwości oraz krytyki przez naukow-­‐ ców niedoprecyzowanych modeli cyrkulacji oczywisty jest fakt, że powyższe zaburzenia pogodowe 29 Acta Innovations, ISSN 2300-­‐5599, nr 11, 2014 w bezpośredni sposób wpłyną na światową gospodarkę, szczególnie na produkcję rolną. Jest bardzo prawdo-­‐ podobne, że wiele regionów świata charakteryzujących się dzisiaj wysoką produktywnością, będzie musiała zaniechać uprawy roślin. Bardzo prawdopodobne zmiany temperatury powietrza i obiegu wody w środowisku naturalnym pociągną za sobą poważne konsekwencje zarówno w odniesieniu do funkcjonowania większości ekosystemów, jak i działalności gospodarczej człowieka. W związku z powyższym częstotliwość, zakres teryto-­‐ rialny oraz siła występowania wszelkiego rodzaju kataklizmów pogodowych znacznie się zwiększy. Jedyną szansą na zminimalizowanie skutków anomalii oraz strat w produkcji żywności jest odpowiednie dostosowanie rolnictwa i jego agrotechnologii, gospodarki leśnej, wodnej oraz innych sektorów gospodarki do zmienionych warunków klimatycznych. Bibliografia [1] Szczygieł L., Powstrzymanie zmian klimatycznych – konieczność czy kosztowne fanaberie?, Energetyka, 2008. [2] Błażejczyk B., Żmudzka E., Globalne zmiany klimatu – spojrzenie po 25 lat prac IPCC, Kosmos, 2013. [3] Matczak P., Adaptacja do zmian klimatu, Kosmos, 2008. [4] BP Statistical Review of World Energy, 2013. [5] Marsz A., Changes in the sea ice cover in the Arctic at the turn of the XX and XXI centuries and their correla-­‐ tion with the atmospheric circulation, Problemy Klimatologii Polarnej, 2008. [6] Klich J., Czaja P., Rola węgla w polskiej gospodarce-­‐oczekiwania i możliwości ich spełnienia przez naukę i przemysł, 2011. [7] Raport International Arctic Research Center -­‐ Japan Aerosace Exploration Agency (IARC-­‐JAXA), Atmospheric pressure, 2013. [8] Raport International Arctic Research Center -­‐ Japan Aerosace Exploration Agency (IARC-­‐JAXA), Atmospheric pressure, 2013. [9] Wibig J., Współczesne zmiany klimatyczne -­‐ przesłanki wpływu czynników antropogenicznych, 2009. [10] Downing P., Scepticism over climate claims, BBC 2007. [11] Raport EEA nr 12/2012, Climate change, impacts and vulnerability in Europe 2012. [12] Komunikat Komisji do Parlamentu Europejskiego, Rady, Europejskiego Komitetu Ekonomiczno-­‐Społecznego I Komitetu Regionów, 2012. [13] Rosa P., Ehrenfreund P., Horneck G., Thiele G., European space research in support of international part-­‐ nership, 2013. [14] http://www.ekoportal.gov.pl/opencms/opencms/ekoportal/dla_przedsiebiorcow_i_inwestorow/fundusze_unij ne/life [15] Raport EEA nr 12/2012, Climate change, impacts and vulnerability in Europe 2012. [16] Quevauviller P., Adapting to climate change: reducing water-­‐related risks in Europe – EU policy and research considerations, Elsevier, 2011. [17] Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeń-­‐ stwo, 2012. 30 Acta Innovations, ISSN 2300-­‐5599, nr 11, 2014 [18] Grzesik M., Z. Romanowska-­‐Duda 2007. Vineyard under environmental constraints. Adaptations to climate change. Book of Abstracts COST Action Workshop 18-­‐20.10.2007 Łódź. 1-­‐54 [19] Romanowska-­‐Duda Z., M. Grzesik, P. Woźnicki, M., Andrzejczak, D. Warzecha 2007. Influence ofvarious algal species on sunflower (Helianthus L.) seed germination and development. Acta Physiol. Plant. 103. Ro-­‐ manowska-­‐Duda Z., M. Grzesik, M.E. 2007. [20] Nisha R., Kaushink A., Kaushik C.P. 2007. Effect of indigenous cyanobacterial application on structural sta-­‐ bility and productivity of an organically poor semi-­‐arid soil. Geoderma 138:49-­‐56. [21] DeLuca T.H., Zackrisson O. 2007. Enhanced soil fertility under Juniperus communis in arctic ecosystems. Plant Soil 294:147-­‐155. [22] Karthikeyan N., Prassana R., Nain L., Kaushik B.D. 2007. Evaluating the potential of plant growth promoting cyanobacteria as inoculants for wheat. European Journal of Soil Biology 43:23-­‐30. [23] Khan Z., Kim Y.H., Kim A.G., Kim H.W. 2007. Observations on the suppression of root-­‐knot nematode (Meloidogyne arenaria) on tomato by incorporation of cyanobacterial powder (Oscillatoria chlorine) into pot-­‐ ting field soil. Bioresource Technology 98:69-­‐73. [24] Janowicz L., Biomasa w Polsce, 2006. [25] Eurostat, Buildings, roads and other artificial areas cover 5% of the EU ...and forests 40%, 2013. [26] National Science Academies, http://www.globalwarmingart.com/ [27] National Centre for Atmospheric Science, 2011. [28] Intergovernmental Panel of Climate Change (IPCC) Third Assessment Report -­‐ Climate Change 2001, 2001 CLIMATE CHANGE AND GROWTH OF ENERGY PLANTS Abstract Atmospheric circulation, temperature, hydrological cycles, the impact of solar radiation, the condition of all life on earth organisms. Rapid climate change for the positive and negative effects, forcing people to create new effective solutions in the field of industry, agriculture, construction -­‐ in all aspects of the global economy. Develop appropriate strategies for this type of crop plants, organically, in a salutary way to help to reduce the negative effects of global environmental change. Key words climate change, global adaptation, energetic plants, energy demand 31
