Потребление продовольственных ресурсов

Московский государственный университет им.М.В.Ломоносова
Межфакультетский учебный курс
Марфенин Николай Николаевич,
профессор биологического ф-та;
Попова Людмила Владимировна,
в.н.с., к.б.н. Музея землеведения
Лекция №3:
Потребление
продовольственных ресурсов
Почтовый ящик курса: ecopro2014@mail.ru
пароль: 2014ecopro
Рекомендуемая литература:
• Марфенин Н.Н. Устойчивое развитие человечества.
– М.: Изд-во МГУ, 2007– с.172-200
• Миркин Б.М., Наумова Л.Г., Хазиахметов Р.М.
Чтобы прокормить человечество завтра // Природа,
1999. №5. – С.3-11
• Ревель П., Ревель Ч., Среда нашего обитания. Т.1.
Стр: 246-317
Основные вопросы:
1. Хватит ли продовольственных ресурсов, чтобы
обеспечить все человечество - 10,5 млрд пропитанием?
2. Можно ли увеличивать площади
сельскохозяйственных угодий?
3. Каковы возможности научно-технического прогресса
в увеличении урожайности?
4. Какие негативные последствия возрастания
интенсивности сельскохозяйственного производства
возможны?
5. Какое значение имеет Мировой океан как резерв
продуктов питания?
Может ли возрастающее человечество
себя прокормить?
• 40 лет тому назад, когда на Земле было 3-4
миллиарда людей,
• треть человечества голодала, а десятая часть
умирала ежегодно от голода.
•
•
•
•
Сейчас на Земле 7 млрд людей,
из которых примерно 1/6 хронически недоедает
а 150 млн детей страдают от недоедания,
11 млн – умирают ежегодно в возрасте до пяти
лет.
Сможет ли человечество через 30 лет
прокормить 9 млрд человек ?
• Можно ли расширить с/х угодья?
• Можно ли достичь этой цели путем
совершенствования агротехнологий?
• Каковы побочные последствия
совершенствования агротехнологий?
Природные факторы, ограничивающие
развитие сельскохозяйственного производства
Вид ограничения,
препятствующий распашке
земель
Площадь, Доля от общей
млн. га
земельной
площади, %
Ледниковое покрытие
1490
10
Низкие температуры
2235
15
Сухость климата
2533
17
Крутизна склонов
2682
18
маломощность
1341
9
бедность питательными
веществами
795
5
переувлажненность
596
4
11622
78
Свойства почв:
Всего
Источник: Максаковский В.П. Географическая картина мира. Часть III. Глобальные проблемы
человечества. Ярославль, 1996. – 160 с. (стр.92)
Структура земельного фонда Мира в 1994 г
Главные категории земель
С/х назначения:
в том числе: пашня
многолетние культуры
пастбища
Леса
Прочие земли
млн. га
4 846,1
1 345,3
105,5
3 395,3
4 138,0
4 061,3
%
37,1
10,3
0,8
26,0
31,7
31,2
Всего:
13 045,4
100,0
Изменение площади под зерновыми в мире
с 1950 по 1999 гг. (по: Worldwatch Database, 2000).
800
750
Млн гектар
700
650
600
550
500
1940
1950
1960
1970
1980
По данным: Worldwatch Institute
1990
2000
Площади пахотных земель в мире
http://www.landcommodities.com/farmland-supply-and-investment-fundamentals/
Динамика площади пахотных земель на душу
населения в мире
http://www.landcommodities.com/farmland-supply-and-investment-fundamentals/
Эффективность производства зерновых
культур в различных регионах мира
Регион
Площадь
пахотных
земель (млн
га) (1991 г)
Население
(млн чел)
1990 г.
Площадь За
население вычетом
(га/чел)
экспорта
(га/чел)
США+Канада
233,7
276,6
0,84
Зап.Европа
90,3
376,25
0,24
Нидерланды
0,9
14,94
0,06
СССР
229
281,34
0,81
0,60
Сколько человек можно прокормить на 1480
млн га ныне используемых пахотных земель,
если на всей площади будут применены
современные агротехнологии?
• по американским стандартам –
• 1480 млн га : 0,84 га/чел = 1 761 млн чел
• по европейским возможностям• 1480 мл га : 0,24 га чел = 6 166 млн чел
• по голландским возможностям –
• 1480 млн га : 0,06 га чел = 24 666 млн чел
Если не сельское хозяйство, то может быть
добыча морепродуктов даст недостаточный
объем продовольствия для растущего
человечества?
Динамика добычи рыбы в Мировом океане и
количества рыбы на душу населения с 1800 по 2000 гг.
(по данным FAO, 2004)
Год
Вылов рыбы
(млн. т)
Вылов рыбы на
душу населения
(кг)
1800
1900
1950
1960
1970
1980
1990
6
4
17
31,5 59,4 64,7
1,5
2,6
7,5
11,9 15,7 15,1 18,8 16,8
84
2000
100,8
Области высокой продуктивности Мирового
океана (выделены черным цветом)
Динамика улова рыбы за год в Мировом океане и
производства продукции на аквафермах в мире с 1950
по 1998 гг. (по: Worldwatch Database, 2000)
120
100
Всего
Млн тонн
80
Улов рыбы
60
40
Аквакультура
20
0
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
По данным: Worldwatch Institute, 2000
2010
Способы повышения
урожайности
«Зеленая революция» – основной путь
решения продовольственной проблемы
•
Под «зеленой революцией» понимают активное
использование в с/х:
1. ирригации,
2. удобрений,
3. средств защиты растений,
4. селекции,
5. механизации.
•
Зеленая революция началась в 50-х гг XX века и
позволила значительно повысить урожайность в
бедных странах, особенно африканских.
Орошение
Динамика площади орошаемых угодий в мире с 1900 по
1998 гг. (по: Worldwatch, 2000)
350
300
Млн гектар
250
200
150
100
50
0
1900
1950
2000
По данным: Worldwatch Institute
Истощение водных ресурсов – пример
Среднего Запада США
Применение удобрений
Органические удобрения
Взаимодополнительность обмена веществ у
растений и животных:
1.
2.
Растения потребляют азотистые основания и
выделяют углеводы
Животные потребляют углеводы и выделяют
азотистые основания
Последствия выпаса копытных:
1.
2.
Уничтожение многолетних кустарников и деревьев
Удобрение трав
Круговорот азота
http://vfmspb.ru/ratnikov/krugovorot.png
Применение минеральных удобрений
•
Открытие минерального питания немецким
химиком Юстусом фон Либихом (1803-1873)
Свою первую работу,
посвященную связи между
неорганической химией и
химией растений, Либих
опубликовал, будучи 20-летним
парижским студентом. За эту
работу университет в Эрлангене
присвоил ему докторскую
степень
• Либих писал, что кроме углерода, водорода,
кислорода и азота растения содержат в своем
составе такие элементы, как калий, фосфор, серу,
кальций, железо, магний и кремний.
• Если первые четыре элемента растения получают из
воды и воздуха, то единственным источником
остальных элементов является почва.
• Ежегодно вместе с урожаем с полей уносится
значительная масса химических элементов.
• В конце концов почва истощается, и урожаи
начинают снижаться.
Основные компоненты минеральных
удобрений
• Азот (N) + Фосфор (P) + Калий (K)
• Различие по растворимости в воде:
Наиболее растворимы соли азота
Наименее растворимы соли фосфора
Динамика использования минеральных
удобрений в мире с 1950 по 2000 гг.(по:
Worldwatch Database, 2000)
160
140
100
80
60
40
20
млн. тонн/год
1998
1994
1990
1986
1982
1978
1974
1970
1966
1962
1958
1954
0
1950
млн. тонн/год
120
Азотные удобрения и плодородие
почвы
• Иоганн Рудольф Глаубер в XVII в., отметил
исключительную важность азотных солей для
развития растений.
• С начала XIX в. Начали разрабатывать залежи
селитры в чилийской пустыне Атакама в предгорьях
Кордильер.
• В 1824 г. вывоз чилийской селитры составлял всего
около 1000 т в год.
«Азотный голод»
• В 1887 г. Томас Гексли предсказал скорый конец
цивилизации из-за "азотного голода", который
должен наступить после выработки месторождений
чилийской селитры (ее добыча к этому времени
составляла уже более 500 тыс. т в год).
• Через 11 лет еще один знаменитый ученый сэр Уильям
Крукс заявил в Британском обществе содействия наукам,
что не пройдет и полувека, как наступит
продовольственный крах, если численность
народонаселения не сократится. Он также
аргументировал свой печальный прогноз тем, что "в
скором времени предстоит полное истощение залежей
чилийской селитры" со всеми отсюда вытекающими
последствиями.
Синтез искусственной селитры
• Пророчества эти не оправдались - человечество не
погибло, а освоило искусственную фиксацию
элемента N 7.
• Более того, сегодня доля природной селитры - лишь
1,5% от мирового производства азотсодержащих
веществ.
Круговорот фосфора в природе:
http://vincejtremante.tripod.com/cycl
es/phosphours.htm
Способы получения фосфорных
удобрений
• Разработка
залежей
гуано
• Природные месторождения солей фосфора
Остров Науру в
Тихом океане
10-м слой
фосфоритов
Негативные последствия применения
минеральных удобрений:
1.
2.
3.
4.
Перенитрачивание – интоксикация
Канцерогенный риск
Эвтрофикация водоемов
Загрязнение почв примесями
«Перенитрачивание» - избыточное
образование нитратов.
• Нитраты - соли азотной кислоты - HNO3 нормальный продукт обмена азотистых веществ
любого организма. Поэтому «безнитратных»
продуктов в природе не бывает. Даже в организме
человека образуется и используется в обменных
процессах 100 мг и более нитратов в сутки.
• При избыточном количестве нитратов они в
пищеварительном тракте частично
восстанавливаются до нитритов, а последние при
поступлении в кровь могут вызывать
метгемоглобинемию.
Из нитритов, в присутствии аминов, могут
образовываться N-нитрозамины, которые
могут обладать канцерогенными свойствами.
R1
R1
NH + HONO
R2
Амин
Нитрит
NN -- NO + H2O
R2
N-нитрозамин
Последствия употребления N-нитрозаминов,
проявляются примерно через 10 лет.
Эвтрофикация:
• Эвтрофикация – привнесение избыточного
количества питательных веществ, необходимых
растениям для роста.
• Эвтрофикация вызывает бурный рост
микроскопических одноклеточных водорослей
(фитопланктона) в водоемах.
• Затем наступает такое же бурное отмирание
фитопланктона из-за «выедания» питательных в-в, с
последующим гниением отмершей фитомассы,
сопровождающееся обезкислороживанием воды и
замором.
Эвтрофикация
http://www.ufrrj.br/institutos/it/de/acidentes/eut
.htm
http://www.bnkomi.ru/content/
news/images/123/rybadohnet
1.jpg
Загрязнение почв примесями:
• Разнообразные примеси присутствуют в
исходной породе, из которой выделяют
полезные минеральные в-ва;
• Возрастание стоимости очистки
пропорционально ее степени;
• Наиболее чистые месторождения на
Кольском полуострове
Допустимые дозы применения
минеральных веществ:
• Безопасная концентрация минеральных
удобрений суммарно до 100 кг на га
• В Западной Европе в 70-ые гг. XX в. в
среднем вносили более 100 кг/га;
• В Нидерландах 700 кг/га;
• В Новой Зеландии более 1000 кг/га;
• В США и СССР менее 100 кг/га
Пестициды - обобщенное название
химических средств борьбы с вредными
растениями, беспозвоночными или грибами
В зависимости от цели и области использования
выделяют следующие основные группы пестицидов:
* антигельминты - для борьбы с паразитическими
червями у животных;
* антисептики - для предохранения деревянных и
других неметаллических материалов от разрушения
микроорганизмами;
* аттрактанты - для привлечения насекомых;
* гербициды - для борьбы с сорными растениями;
* дефолианты - для удаления листьев;
* инсектициды - для борьбы с вредными насекомыми;
* репелленты - для отпугивания вредных насекомых;
* фунгициды - для борьбы с грибными болезнями
растений и различными грибами;
Структура молекул некоторых
хлорированных углеводородов
(хлорорганических пестицидов: ДДТ, алдрин,
хлордан) (по: Небел, 1993)
Победное шествие ДДТ
1,1,1-Трихлор-2,2-ди(п-хлорфенил)этан
• Впервые синтезирован в 1873 году австрийским
химиком Отмаром Цейдлером
• швейцарский химик Пауль Мюллер (Paul Müller) в
1939 году открыл его инсектицидные свойства
• Борьба с комарами - переносчиками малярии
• Использование во время Второй мировой войны
• Нобелевская премия Паулю Мюллеру в 1948 г.
Негативные последствия применения
пестицидов
•
•
•
•
Опасность для животных и человека
Накапливание в почве, воде,
Увеличение концентрации по пищевой цепи
Привыкание к пестицидам
Рейчел Карсон (1907-1964)
(англ. Rachel Louіse Carson —
американский биолог, деятель в
сфере охраны природы,
писательница.
Всемирную популярность Карсон
принесла книга «Безмолвная весна»
(первое английское издание «Silent
spring», 1962), посвященная
вредному действию пестицидов на
живые организмы.
Динамика использования пестицидов в
мире с 1950 по 2000 гг.(по: Worldwatch Database, 2000)
2,00
1,80
1,60
1,40
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
в несение пестицидов , кг/га
1997
1993
1989
1985
1981
1977
1973
1969
1965
0,00
1961
к г/га
1,20
World production of formulated pesticides. Data for
year 2005 is estimated (Source: Agrochemical Service,
2000).
Снижение смертности от отравления
пестицидами в Шри-Ланка
Annual case fatality rates among those hospitalized for poisoning with
pesticides, medicines/biological substances or other, chiefly nonmedicinal substances, Sri Lanka, 1995–2008
http://www.who.int/bulletin/volumes/90/1/BLT-11-091785-F3.jpg
Механизация
Последствия механизации с/х:
• Эрозия почвенного покрова
• Уплотнение почвы
• Рост энергопотребления
Пример с деградацией целинных земель в
США
• На первом этапе освоения целинных
земель в штате Канзас в США в период с
1867 по 1874 гг. средний годовой урожай
составлял 20 ц/га
• В следующем десятилетии широкое
внедрение мощных плугов позволило
повысить урожай до 22 ц/га. Так
продолжалось до 1884 г.
• В 1885 г было собрано 14,5 ц/га.
• В 1886 г – 13,1 ц/га.
• В конце XIX в. урожай упал до 11 ц/га,
• а в 1930-х гг (пыльные бури) – до 7 ц/га.
Рост энергозатратности мирового сельского
хозяйства
(По данным State of the World, 1987, p.11)
Год
1950
Энергия в с/х
(млн барр нефт
эквивал)
276
Производство Баррель/тонна
зерна (млн
тонн)
624
0,44
1960
545
841
0,65
1970
970
1093
0,89
1980
1609
1423
1,13
1985
1903
1667
1,14
Опустынивание
• Ежегодно около 6 млн га продуктивных
угодий теряются в результате опустынивания
и еще 21 млн га становятся столь
малопродуктивными, что их перестают
использовать в сельском хозяйстве. К 2000
году опустынивания затронуло около 1,2
млрд людей
• Каждый год опустынивается территория,
равная Нидерландам
Селекция – создание новых сортов и
пород
• Возможности селекции на примере XIX в.
• Фантастические успехи селекции плодовых
культур И.В.Мичурин
• Районирование сортов
• Возможности биотехнологии – генной
инженерии
Доля трансгенных посевов сои, рапса, хлопка,
кукурузы в мире в 2003 г (по: Лебедев, 2004)
Доля трансгенны х посевов в 2003 году
160
140
120
млн.га
100
нетрансгенные
80
трансгенные
60
40
20
0
55%
21%
16%
11%
соя
хлопок
рапс
кукуруза
Динамика производства зерна в мире (А) и изменение
количества зерна на душу населения (Б) в период с
1950 по 1999 гг. (по: Vital Signs: 2000)
2000
400
1800
350
1600
300
1000
200
800
150
600
100
400
50
200
Урожай зерна
1998
1994
1990
1986
1982
1978
1974
1970
1966
1962
1958
0
1954
0
Зерна на душу населения, кг
кг/чел*год
250
1200
1950
млн. тонн/год
1400
Динамика экспорта (+) и импорта (-) зерна по основным
регионам мира с 1950 по 1998 гг. (по: Worldwatch Database, 2000)
150
100
1950
1960
яиН
. Зел
анд и
я
рали
А вс т
и Бл
. Во с
т ок
А з ия
ик а
А фр
рик а
Ла т .
А ме
+ СС
СР
Ев р о
оп а
. Ев р
В ос т
-100
З ап .
-50
па
0
Сев .
А ме
р ик а
Млн тонн
50
1970
1980
1990
1998
Динамика интенсификации сельского хозяйства в СССР
с 1950 по 1990 гг. (по: Петриков и др., 2001).
1950 1960 1970 1980 1990
Внесение минеральных удобрений, в
действующем веществе, кг/га
7,8
12,2
46,8
83,9
97,5
Площадь орошаемых земель, млн га
7,4
9,4
11,1
17,5
21,2
Площадь осушенных земель, млн га
5,4
9,4
10,2
16,8
20,3
Энерговооруженность труда, л.с./чел.
1,7
5,7
12,7
25,6
28,8
Электровооруженность труда,
кВт·час/чел.
…
160
808
2671 4855
Выводы:
1.
2.
3.
Для выращивания сельскохозяйственной
продукции человечество использует почти треть
суши. Дальнейшее расширение угодий
нецелесообразно.
Производительность сельского хозяйства
постоянно возрастает за счет использования все
более совершенных технологий, что получило
название “зеленая революция”. Интенсификация
сельского хозяйства происходит при применении
механизации, минеральных удобрений,
пестицидов, ирригации и селекции сортов.
Каждая из перечисленных агротехнологий имеет
свои негативные стороны, которые проявляются
при чрезмерном ее использовании. Поэтому
дальнейший рост производительности сельского
хозяйства на ограниченной территории не
безграничен и предел во многих странах уже
достигнут.
•
•
•
Мировой океан одно время считался спасительным
ресурсом получения животного белка, но
оказалось, что его ресурсы ограничены в большей
степени, чем ресурсы наземных экосистем.
К настоящему времени уже достигнут предел
вылова рыбы в Мировом океане, который ниже
биомассы животноводческой продукции в 2,5 раза.
Тем не менее, при сохранении разумного баланса
между производством растительной и животной
продукции, растущее человечество может быть
обеспечено пищей в обозримом будущем.
Ко вторнику (11.03.14):
Проведите расчет своего рациона в граммах:
1. Заполните таблицу потребления продуктов на 1
человека в день
2. Используя сайт WWF, рассчитайте свой
экологический след и запишите его в таблицу http://wwf.ru/recources/footprint/calculator
Мы обобщим все сведения по группе и обсудим
интегральный результат
В почтовом ящике ecopro2014@mail.ru Вы найдете
дополнительные материалы и бланк для
информации
Таблица Excel в почте группы
Среднее потребление продуктов на одного человека в день (в граммах)
Фамилия Имя (не обязательно)
Пол
Хлебные изделия (всего)
Мучные, кроме хлеба и макарон: печенье, торты
Крупы, фасоль, горох, (всего)
Макаронные изделия
Овощи, кроме картофеля
Картофель свежий
Мясные изделия (всего, кроме колбас )
Колбасы
Животные жиры: Сало-шпиг, Корейка, грудинка
Растительные жиры: масло растительное
Рыбные изделия (всего)
Молоко
Масло сливочное
Сыр
Яйцо куриное (шт)
Сахар
Конфеты
Рост
Вес
Следующая лекция:
• Какие природные ресурсы можно
рассматривать как возобновляемые ?
• Хватит ли человечеству в XXI веке
минеральных ресурсов ?
• Какими способами можно оптимизировать
водопотребление ?