Vertrekpunt van dit boek is de primaire productie van plant en dier. Wat volgt is een historisch overzicht van de ontwikkelingen, de problemen en duurzame oplossingen voor het gebruik van levende organismen en de verwerking van deze grondstoffen tot voeding of andere bio-industriële toepassingen.
Bioproductie en zijn impact op mens en milieu toont aan hoe verschillende wetenschappelijke disciplines gebruikt worden in de levenscyclus van bio- logische grondstoffen. Het schetst een kader voor een maatschappelijk debat, enerzijds over de zin en onzin van economische, technische en ethische bezwaren bij de bio-productietechnologie, anderzijds over een duurzame milieuzorg met aandacht voor biodiversiteit.
Dit boek is een aanrader voor wie een brede wetenschappelijke interesse heeft voor de biologische processen op aarde en hun toepassingen. Het wordt ingezet als verplicht studiemateriaal in de opleiding tot academische bachelor in de bio-ingenieurswetenschappen.
ELS MOYSON is deeltijds docent en praktijklector aan de Expertisecel Onderwijsverstrekking en -ondersteuning van de faculteit Bio-ingenieurs- wetenschappen van de KU Leuven. Zij is actief betrokken bij de onderwijs- ontwikkeling en -implementatie van de bacheloropleiding.
Dit boek kwam tot stand op initiatief van de Onderwijscommissie van de Bachelor Bio-ingenieurswetenschappen van de KU Leuven.
Biopr oductie e n z ijn im pa ct op mens en milieu Els Mo yson
Bioproductie
en zijn impact op mens en milieu
Bio-ingenieurswetenschappen in perspectief
ISBN: 978 90 334 9815 2
DEEL 1
Plantaardige en dierlijke productie 9
1.1 De zon als primaire en enige energiebron voor alle leven op deze planeet 9
1.2 Gewasgroeimodellen als basis voor landbouwontwikkeling? 15
1.3 Primaire productie: productiviteit in perspectief 17
1.4 Gevalstudie: de teelten van suikerbiet en suikerriet 25
1.4.1 Oppervlakte en productie 26
1.4.2 Suikergehalte en suikeropbrengst 26
1.4.3 Teelttechniek van suikerbieten 27
1.4.4 Teelttechnische vergelijking suikerbiet en suikerriet 35
1.5 Veredeling, biotechnologie en gewasproductie 37
1.5.1 Veredeling 37
1.5.2 Biotechnologie 39
1.5.3 Tegenstand tegen transgene gewassen 40
1.6 Productiesystemen 41
1.6.1 Van kleine gemengde bedrijven naar grote intensieve bedrijven
met monocultuur 41
1.6.2 Alternatieve landbouwsystemen 43
1.7 Duurzaamheid en soms tegenstrijdige doelstellingen binnen de landbouw 45
1.8 Dierlijke productie in perspectief 46
1.8.1 Spatio-temporele evolutie van de veehouderij 46
1.8.2 Dierproductie op nutteloos land 48
1.8.3 Omzetting van nutteloze eiwitten en energie 49
1.8.4 Dierproductie op basis van overschotten 50
1.8.5 Is dierproductie ineffi ciënt? 51
1.8.6 Waarom dierproductie in Vlaanderen? 54
1.9 Overzicht van de verschillende dierproductiesystemen 55
1.9.1 Pluimveehouderij in een historisch perspectief 55
1.9.2 Varkenshouderij in perspectief 58
1.9.3 Rundveeproductie in perspectief 62
1.9.4 Aquacultuur in perspectief 66
1.10 Ecologische impact van de dierproductie 70
1.10.1 De grootste uitstoter van broeikasgassen? 70
1.11 Duurzame dierproductie 73
1.11.1 Broiler breeder paradox – Pluimvee 73
1.11.2 Seksen van sperma bij melkvee 76
1.11.3 Antibiotica in de veehouderij 76
1.12 Geraadpleegde bronnen 78
DEEL 2
Bio-industriële toepassingen 83
2.1 Bron en bewerking van levensmiddelen 83
2.1.1 Plantaardige levensmiddelen 83
2.1.2 Dierlijke levensmiddelen 84
2.1.3 Bewerkte levensmiddelen 84
2.2 Samenstelling van levensmiddelen 84
2.2.1 Proteïnen 85
2.2.2 Koolhydraten 86
2.2.3 Lipiden 88
2.2.4 Variabiliteit 91
2.3 Suiker als de zoetstof 91
2.3.1 Van rietsuiker tot bietensuiker 91
2.3.2 Suikerwinning uit suikerbiet 92
2.3.3 Suikerwinning uit suikerriet 98
2.4 Technologie van vetten en oliën 102
2.4.1 Inleiding 102
2.4.2 Productie van sojaolie 102
2.5 Biobrandstoffen en chemicaliën uit hernieuwbare grondstoffen 105
2.5.1 Hernieuwbare grondstoffen en hun beschikbaarheid 106
2.5.2 De chemische waarde van biomassa 107
2.5.3 Exploitatie van planten voor chemische doeleinden 110
2.5.4 Het concept bioraffi naderij 122
2.5.5 Uitdagingen en perspectieven van bioraffi naderijen 128
2.5.6 Life cycle assessment studies voor bio-gebaseerde producten 130
2.6 Geraadpleegde bronnen 136
DEEL 3
Milieu en biodiversiteit 139
3.1 Beheer en herstel van het milieu 139
3.1.1 Milieuzorg 139
3.1.2 Milieukwaliteit en milieutechnologie 141
3.1.3 Milieubewustzijn in perspectief: de kosten 162
3.2 Biodiversiteit: koesteren, duurzaam gebruiken en inzetten voor een
meer duurzame wereld 163
3.2.1 De groeiende impact van landbouwsystemen en urbanisatie 163
3.2.2 Biodiversiteit onder druk 166
3.2.3 Ecosysteemdiensten 170
3.2.4 Een toekomst voor biodiversiteit 175
3.2.5 Besluit 187
3.3 Geraadpleegde bronnen 188
Noten 191
PLANTAARDIGE EN DIERLIJKE PRODUCTIE
1.1
De zon als primaire en enige energiebron voor alle leven op deze planeet
Bij het begin van een cursus over de bio-ingenieurswetenschappen is het essentieel stil te staan bij de belangrijkste motor van alle leven op aarde: de zon. Het is duidelijk dat alle leven (plantaardig zowel als dierlijk) afhankelijk is van de energie die de pla- neet ontvangt van de zon. Daarvan – zoals zal blijken uit onderstaande schattingen – wordt slechts een klein deel gebruikt om aan primaire productie te doen en plant- aardige (algen zowel als hogere planten) biomassa te vormen. Volgende stappen of processen, die deze biomassa gebruiken om dieren en mensen te voeden of terug om te zetten naar warmte of energie, zullen weer een effi ciëntie-factor nodig hebben die de uiteindelijke energieopbrengst zal doen dalen. Maar eerst terug naar de primaire productie die door fotosynthese wordt gerealiseerd.
Allereerste vraag is hoeveel van de beschikbare zonne-energie effectief door fotosyn- these wordt omgezet tot biomassa, en in tweede instantie tot een geoogst product.
Primaire productie (Pn) is een hoeveelheid biomassa in [kg/m2]. Om aan te geven welke fractie hiervan geoogst is, gebruiken we de zogenaamde oogstindex (HI, har- vest index) of η die het oogstbare deel uitdrukt per totale bovengrondse productie.
Naar schatting ontvangt de aarde een vermogen van 120 000 TW1 door zonne- straling (Blankenship et al., 2011). We kunnen dit getal als zeer geruststellend be- schouwen in het licht van het jaarlijks wereldwijd verbruikte vermogen, dat ‘slechts’
~15 TW bedraagt. Het ontvangen vermogen overstijgt dit met grootteordes. Afhan- kelijk van de geografi sche locatie en uiteraard ook de bewolking bedraagt het gemid- delde zonnevermogen dat de aarde bereikt ongeveer 170 W per m2.
Indien we dit omzetten naar een hoeveelheid energie die per ha jaarlijks beschik- baar is:
energie per jaar per ha
= 170 J/s/m2 × 365 dagen/jaar × 24 u/dag × 3600 s/u × 10000 m2/ha
= 53 611 GJ/ha/jaar
Voor België is dit minder; het gemiddelde zonnevermogen op deze breedteligging is in de grootteorde van 110 W/m2. Zodoende komen we aan een hoeveelheid energie per jaar en per ha van 34 689 GJ/ha/jaar.
Dit getal zullen we later vergelijken met de hoeveelheden energie die werkelijk wor- den omgezet in elektrische stroom via fotovoltaïsche cellen.
Om de primaire productie te schatten uitgaande van de beschikbare energie gebrui- ken we de formule van Monteith (1977) die de productie in verband brengt met de geïntegreerde hoeveelheid ontvangen energie:
P n = S t . e i . e c ⁄ k [kg/m2] (1)
Hierin zijn Pn de primaire productie van biomassa (op basis van droge stof) in [kg/m2], St de jaarlijkse integraal van de invallende zonnestraling in [J/m2]; ei de ef- fi ciëntie waarmee deze straling wordt gecapteerd door het bladerdek; ec de effi ciëntie waarmee de gecapteerde straling wordt omgezet tot biomassa en k de energie-inhoud van de plantaardige biomassa in [MJ/kg]. Voor dit laatste getal hanteren we een ge- middelde van 17,5 MJ/kg.
Deze waarde varieert met de verschillende plantendelen en we kunnen makkelijk begrijpen dat oliehoudende zaden een veel hogere energie-inhoud hebben. De ca- lorische waarden2 van enkele belangrijke biochemische moleculen zijn: voor kool- hydraten 4 kcal/g; voor lipiden 9 kcal/g en voor eiwitten 4 kcal/g. Uitgedrukt in SI-eenheden wordt dit gemiddeld 16,7 MJ/kg voor koolhydraten en eiwitten en ge- middeld 37,7 MJ/kg voor lipiden. Het eerder gegeven gemiddelde van 17,5 MJ/kg voor plantaardige biomassa geeft dus een waarde die de gemiddelde samenstelling van de biomassa weerspiegelt. Met een molecuulgewicht van 180 g/mol voor glucose als typisch koolhydraat kunnen we de calorische waarde van glucose in kJ/mol uit- rekenen die overeenkomt met wat we later (zie tabel 1.2) zullen uitrekenen als de enthalpiewijziging bij volledige verbranding van glucose.
Verder is ei functie van de sluiting van het bladerdek, de snelheid waarmee dit ge- beurt, de afmetingen van de planten, de duur en de architectuur van het bladerdek. ec is dan op zijn beurt bepaald door de globale fotosynthese-activiteit, verminderd met de verliezen door respiratie, door bladval of bladveroudering.
Wanneer het gaat over voedselproductie, moeten we nog rekening houden met de oogstindex en berekenen we het opbrengstpotentieel Yp (yield potential) van een be- paald gewas op een bepaalde plek op aarde als:
Yp = h . Pn [kg/m2] (2) Met η de dimensieloze oogstindex (Monteith, 1977).
Hoe staat het nu met onze betrachting om deze laatste variabele te maximaliseren?
Zoals zal blijken uit deze cursus is een van onze grote uitdagingen de voedselproduc- tie te garanderen voor een wereldbevolking die wellicht naar 9 of 10 miljard mensen zal neigen. Toename in het opbrengstpotentieel zijn in de laatste decennia vooral be- reikt door het maximaliseren van de oogstindex, waar voor deze h-factor waarden van 0,6 werden bereikt. Dit mooie resultaat danken we voornamelijk aan de veredelaars die zich hebben toegespitst op minder stro-opbrengst door kortere stengels, snellere vruchtzetting en globaal een maximaal concentreren van de fotosyntheseproducten in wat uiteindelijk geoogst zal worden. Dat daar enkele negatieve neveneffecten de kop opsteken, is hier voorlopig niet aan de orde. Men kan zich heel goed voorstellen dat meer geoogst product bij een gelijke primaire productie impliceert dat er minder stro en wortels achterblijven op het veld en er dus minder organische stof beschikbaar is om stabiele humus te vormen in de bodem. Bodems kunnen als gevolg hiervan achteruit- gaan in kwaliteit en in extreme gevallen hun opbrengstcapaciteit verliezen. Los hiervan, is de bereikte factorwaarde van 0,6 dicht bij het maximale haalbare, zodat we hier niet veel verbetering meer te verwachten hebben. Zo kan men bij granen (tarwe, rijst, maïs) onmogelijk een nog hogere fractie zaadgewicht realiseren zonder verlies aan netto-op- brengst. Zaden aanmaken vergt immers ook voldoende blad-, wortel- en steunweefsel.
Ook aan de factor ei is al heel wat gesleuteld: een snelle groei en dus een snel sluiten van het bladerdek en een verbeterde respons op stikstofmeststoffen hebben gemaakt dat ook hier met een waarde van 0,9 het maximum haalbare bereikt is.
Als het zo is dat de vorige twee factoren al maximaal zijn, is er dan nog verbetering mogelijk in de factor ec die bepaalt hoeveel van de gecapteerde energie kan benut worden om effectief biomassa te maken? Om hier een antwoord op te kunnen ge- ven, moeten we even stilstaan bij de verschillende processen die de uiteindelijke omzetting bepalen. De samenvatting hiervan staat in tabel 1.1, waarbij telkens wordt aangegeven hoeveel verlies er bij elke stap optreedt en hoeveel van de energie er uit- eindelijk nog overblijft (Blankenship et al., 2011) (Long et al., 2006).
In stap 1 wordt er slechts 50% van de zonne-energie in rekening gebracht om de eenvoudige reden dat slechts de helft ervan zogenaamd fotosynthetisch actief is. Zo is alle straling met golfl engten groter dan 700nm niet effectief omdat de energie van de betreffende fotonen te laag is en niet meer in staat de fotosynthesepigmenten te exciteren en uiteindelijk water te splitsen.
Stap 2 houdt rekening met verliezen die worden veroorzaakt door lichtverstrooiing, refl ectie en transmissie waardoor opnieuw een deel van de straling verloren gaat. Het gaat hier om 5% verlies van de gecapteerde hoeveelheid.
In stap 3 schat men dat nog 1,8% wordt gecapteerd door pigmenten die niet de foto- synthesepigmenten zijn. Bijvoorbeeld licht geabsorbeerd door anthocyanen kan als verloren worden beschouwd.
Stap 4 brengt verder in rekening dat niet alle geabsorbeerde fotonen aanleiding geven tot stabiele producten. Door een reeks van verliezen kan ook hier weer een deel van de energie verloren gaan. Het gaat om die gevallen waar geëxciteerde pigmenten terugvallen tot hun grondtoestand met verlies van de energie via warmte en/of fl uo- rescentie. Het begrip dat dit alles omvat is fotochemische ineffi ciëntie. Er gaat nog eens een 8% van de ingestraalde energie verloren.
Vanaf stap 5 maken we een verschil tussen C3 en C4-planten3 die qua fotosynthese- metabolisme van elkaar verschillen. Belangrijke verschillen zijn dat de C4-planten een nauwelijks meetbare fotorespiratie-activiteit hebben en daardoor een veel hogere netto-koolstoffi xatie (het verschil tussen de fotosynthese en de respiratie) kennen dan C3-planten. Anderzijds vraagt de C4-reactieweg meer ATP.
Voor stap 5, de koolhydraatsynthese, gaan we ervan uit dat we 8 mol fotonen nodig hebben om één mol CO2 te reduceren tot koolhydraatkoolstof.
TABEL 1.1. Effi ciëntie van de omzetting van zonne-energie naar plantenkoolhydraten via foto- synthese van het bladerdek (Long et al., 2006).
% Verlies bij elke stap (effi ciëntie bij elke stap)
Resterende energie in % 1. Invallende energie buiten de PAR1 golfl engte 50,0 (0,5) 50,0
2. Gerefl ecteerd en doorgestraald licht 5,0 (0,9) 45,0
3. Licht geabsorbeerd door niet-fotosynthetische pigmenten 1,8 (0,96) 43,2
4. Fotochemische ineffi ciëntie 8,4 (0,8) 34,8
Fotosynthese type C3 C4 C3 C4
5. Synthese van koolhydraten 22,8 (0,34) 24,8 (0,29) 12,0 10,0
6. Fotorespiratie 3,5 (0,7) 0 (1,0) 8,5 10,0
7. Donker respiratie 3,4 (0,6) 4,0 (0,6) 5,1 6,0
Finale ec 0,051 0,060
1 PAR = Photosynthetic Active Radiation
De hoeveelheid energie die hierin aanwezig is, kunnen we berekenen aan de hand van volgende vergelijking (wet van Planck) die een verband legt tussen de golfl engte van de fotonen en de energie. Hierbij nemen we een golfl engte van 690 nm als typevoorbeeld:
E = h . c___l [J] (3)
Hierin zijn h de constante van Planck, gelijk aan 6,626.10-34 J.s/foton; c de snelheid van het licht gelijk aan 2,998.108 m/s en λ de golfl engte van het foton in m. In dit geval levert het:
E = (6,626.10-34 J.s × 2,998.108 m/s)/690.10-9 m = 0,028.10-17 J in één foton van golfl engte 690 nm.
Voor één mol van deze fotonen vermenigvuldigen we met het getal van Avogadro (NA = 6,023.1023 fotonen.mol-1) en wordt dit dan:
E = 0,0287.10-17 J × 6,023.1023 = 173 kJ
In 8 mol fotonen zit dus 173 × 8 = 1 384 kJ energie. Om te kunnen vergelijken met welke effi ciëntie deze 1 384 kJ wordt omgezet naar koolhydraat-C, moeten we de energie-inhoud kennen van één koolhydraat-koolstofatoom. We weten dat de verbranding van glucose tot CO2 een enthalpiewijziging met zich meebrengt van -2 801 kJ/mol glucose. Deze berekenen we uit de standaardvormingsenthalpieën van de betrokken reactieproducten (glucose en O2) en reagentia (CO2 en H2O).
Met als waarden voor de vormingsenthalpieën (∆H°f in kJ/mol) van CO2, H2O en glu- cose zoals in tabel 1.2, kunnen we berekenen dat de enthalpiewijziging van de reactie (vergelijking 4), die je zult herkennen als de rudimentaire fotosynthesereactie gelijk is aan -2 801 kJ/mol glucose of – uitgedrukt per mol koolstof – gelijk is aan -470 kJ/mol C.
TABEL 1.2. Standaard vormingsenthalpieën [kJ/mol] van de reagentia/producten van de foto- synthese.
∆H°f [kJ/mol]
C6H12O6 -1275,0
O2 0,0
CO2 -393,5
H2O -285,8
6CO2 + 6H2O ↔ C6H12O6 + 6O2 (4)
∆H = ∆Hf°glucose + 6 ∆Hf° O2 – 6 ∆Hf°CO2 – 6 ∆Hf°H2O
= -1275,0 + 6 × 0,0 – 6 × (-393,5) – 6 × (-285,8) kJ/mol
= 2 801 kJ/mol glucose en is dus endotherm Dus per C-atoom: = 2 801/6 = 466,8 kJ/mol C
Terug naar de energie-inhoud van 8 mol fotonen, die gelijk was aan 1 384 kJ, bete- kent dit dat we voor de omzetting van één mol C van CO2 naar koolhydraten een ef- fi ciëntie kunnen berekenen van 467/1384 = 0,34 ofwel 34% (voor C3-planten). Bij C4-planten is dit nog lager (29%) zoals in tabel 1.1 aangegeven.
In stappen 6 en 7 worden de verliezen begroot die te maken hebben met fotorespira- tie – die zoals eerder gesteld afwezig is in C4-planten – en de donker respiratie. De laatste staat voor de respiratie waarbij koolhydraten worden afgebroken om synthese- reacties mogelijk te maken, nutriënten op te nemen. Globaal leiden ze tot een verlies van nog eens 40 tot 60%.
Uiteindelijk levert dit alles een ec op van 0,051 in C3-planten en 0,060 voor C4-plan- ten. Indien we alles invullen in vergelijking (1) en enkel een typisch groeiseizoen van 6 maanden bekijken, wordt dit:
P n = S t . e i . e c ⁄ k
= 170 J/s/m2 × 6 maanden/jaar × 30,5 dagen/maand × 24 u/dag × 3600 s/u × 0,9 × 0,051/17,5MJ/kg
= 2643 MJ/m2/jaar × 0,9 × 0,051/17,5 MJ/kg
= 6,93 kg/m2/jaar
Na toepassing van de oogstindex levert dit een ruwe schatting van het opbrengstpo- tentieel:
Yp = h . Pn
= 0,6 × 6,93 kg/m2 = 4,2 kg/m2
Of 42 ton/ha oogstbaar product. Hierbij herinneren we dat dit bedrag voor onze stre- ken met een factor 110/170 mag vermenigvuldigd worden, zodat we op een primaire productie van 6,93 × 114/170 = 4,65 kg/m2 uitkomen en een opbrengstpotentieel van 28 ton oogstbaar product.
Het belangrijkste in deze paragraaf is dat de omzetting van zonne-energie naar biomassa – laat staan naar voedselproducten – blijkbaar met een verrassend lage ef- fi ciëntie gebeurt. Uiteindelijk komt het erop neer dat er van alle ingestraalde zonne- energie slechts 5 tot 6% effectief wordt ingebouwd in biomassa-componenten.
In tabel 1.3 wordt aangegeven dat het in de realiteit nog iets meer tegenvalt. De tabel laat gemiddelde opbrengsten zien voor enkele belangrijke gewassen in België, gemid- deld over 5 jaren van 2008-2012.
Na omrekening van de drogestofopbrengsten via de oogstindex HI of de eerder gedefi nieerde η en via de voor biomassa gegeven gemiddelde energie-inhoud van 17,5 MJ/kg, leidt dit tot energie-hoeveelheden die we per ha en per jaar als gecap- teerd kunnen beschouwen. Vergeleken met de beschikbare hoeveelheid energie die we ook eerder berekenden als 34 689 GJ/ha/jaar levert dit de percentages op die variëren tussen 0,4 en 3%.
De gemiddelde opbrengst van zonnepanelen is in Vlaanderen 120 kWh/m2/jaar, dat is 4 320 GJ/ha/jaar. De instraling gemiddeld op aarde is 53 611 GJ/ha/jaar, maar in Vlaanderen is dat 34 689 GJ/ha/jaar. En 4 320/34 689 is ongeveer 12%. Met de ge- middelde gewasopbrengsten in Vlaanderen van 0,5 tot 0,9% (tabel 1.3) is dit toch steeds een factor 10 tot 20 keer beter.
TABEL 1.3. Gemiddelde opbrengsten (2008-2012) in vers gewicht en het % droge stof (%DS) van enkele belangrijke landbouwgewassen in België, oogstindices, energie-inhouden per ha en per jaar en effi ciëntie van captatie van de beschikbare zonne-energie (in België 34 689 GJ/ha/
jaar) (FOD Economie, 2013).
Opbrengst (t/ha)
Yp
Gehalte DS (%)
Oogstindex1 HI of η
Biomassa DS (t/ha)
Energie-inhoud2 GJ/ha/jaar
Fractie van gecap- teerde instraling3
%
Tarwe 8,6 0,9 0,6 13,3 233 0,7
Gerst 8,4 0,9 0,6 11,7 204 0,6
Korrelmaïs 11,8 0,8 0,6 18,0 316 0,9
Aardappel 45,3 0,2 0,9 10,5 184 0,5
Suikerbiet4 75,3 0,2 0,8 18,4 321 0,9
1 oogstindex = massa van het geoogste (economische) aandeel per totale biomassa
2 energie-inhoud = biomassa x gemiddelde energie-inhoud van biomassa (17,5 MJ/kg-1)
3 fractie van instraling gecapteerd = energie-inhoud van gewas per beschikbare energie geschat als 34 689 GJ/ha/jaar
4 opbrengst verwijst naar de biet, het gehalte suiker is ongeveer 16% suiker op vers gewicht, m.a.w. opbrengst suiker is 75,3 × 0,16 = 12 ton suiker/ha
1.2
Gewasgroeimodellen als basis voor landbouwontwikkeling?
Het voorgaande is een voorproefje van wat moet geleid hebben tot de droom van vele agronomen: kunnen we op basis van weergegevens, geografi sche locatie en gewas- eigenschappen oogsten voorspellen of ook hoe opbrengsten variëren met de milieu- omstandigheden? Tegelijkertijd met een snelle ontwikkeling in de informaticasector, heeft dit geleid tot vele gewasgroeimodellen, waarbij de Wageningse school van C.T.
de Wit4 toonaangevend is geweest.
De globale opbouw van de meeste modellen is gebaseerd op een hiërarchie van fac- toren die groei beïnvloeden, in drie groepen ondergebracht (fi guur 1.1). Een eerste groep omvat de factoren die de potentiële productie bepalen zoals de stralingsintensi- teit, de CO2-concentratie, de temperatuur en de eigenschappen van het gewas. De da- gelijkse CO2-assimilatiesnelheid wordt dan berekend aan de hand van de inkomende foto-actieve lichtenergie, de temperatuur en de LAI (leaf area index). Op basis van vele metingen is vastgesteld dat er een lineaire relatie bestaat tussen de hoeveelheid gecapteerde lichtenergie en de biomassaproductie. Dit leidt tot een hoeveelheid geas- simileerde koolstof die dan verdeeld wordt over de diverse plantendelen na aftrek van de hoeveelheid fotosyntheseproducten die door respiratie worden verbruikt voor onderhoud en groei (respectievelijk onderhoudsrespiratie en groeirespiratie).
In een tweede groep factoren vinden we de opbrengstbeperkende factoren, voorna- melijk water en nutriënten. In functie van een niet-optimale watervoorziening kan worden ingezien dat de fotosynthese terugloopt (sluiten van de huidmondjes), net zoals een niet optimale N-voeding aanleiding geeft tot lagere LAI of bladbiomassa door een te laag proteïnegehalte.
• CO2
• Stralingsintensiteit
• Temperatuur
• Gewaseigenschappen – Fysiologie, fenologie – Architectuur van het bladerdek
Opbrengstbepalende factoren
Potentiële productie
a: Water b: Nutriënten
• Stikstof
• Fosfor Opbrengstbepalende factoren
Opbrengstlimiterende factoren
Water- en/of nutriëntgelimiteerde productie
+
• Onkruiden
• Plagen
• Ziekten
• Verontreiniging
Actuele productie Opbrengstbepalende factoren
Opbrengstlimiterende factoren
Opbrengstreducerende factoren +
+
FIGUUR 1.1. Drie groepen factoren opgesplitst in opbrengstbepalende, opbrengstlimiterende en opbrengstreducerende factoren (van Ittersum et al., 2003).
In de meeste modellen worden dan modules voorzien die opbrengstlimitaties in re- kening brengen bij een niet-optimaal wateraanbod, een niet-optimaal stikstof/fosfo- raanbod. Bijvoorbeeld de verhouding tussen actuele en potentiële evapotranspiratie is een mogelijke factor die kan gebruikt worden om de negatieve effecten van niet- optimaal wateraanbod te kwantifi ceren.
Voor wat het aanbod aan stikstof betreft, vergt het modelleren een goede kennis van de relaties tussen het stikstofgehalte in het blad en de effecten ervan op ontwikkeling en opbrengst en ook over de relaties tussen bodemparameters en het vrijzetten van stikstof. Dit geldt uiteraard voor alle plantenvoedingsstoffen, maar in de meeste ge- vallen wordt enkel voor N en P de moeite genomen om dit te expliciteren. Deze twee elementen zijn nu eenmaal kwantitatief de belangrijkste en zullen dus ook het vaakst in te lage hoeveelheden aanwezig zijn.
De derde groep van factoren die de opbrengsten verder reduceren, zijn die waar competitie met onkruiden, ziekten en insectenschade worden begroot. Competitie met onkruiden wordt berekend op basis van dezelfde premissen waarmee het doel- gewas aan koolstof, water en nutriënten geraakt. Het in rekening brengen van de effecten van ziekten veronderstelt kennis over welke schade een bepaalde pathogeen kan veroorzaken. De effecten op energiecaptatie en fotosynthese, op allocatie van de assimilaten naar plantendelen, kunnen in dit soort modellen worden meegenomen.
Een schematische voorstelling van twee modellen wordt gegeven in fi guur 1.2. De basis van beide modellen blijft de fotosynthesemodule die in het éne geval wordt getemperd door watertekorten, in het andere door een niet-adequate N-voorziening.
Het belangrijkste voor dit inleidende hoofdstuk is dat modellen op een theoretische manier kunnen aangeven waaraan de verschillen tussen opbrengstpotentieel en de reële opbrengsten kunnen te wijten zijn. Een gevoeligheidsanalyse kan snel aandui- den welke in een bepaalde setting de belangrijkste opbrengstbeperkende factoren zijn. Dit kan belangrijk zijn om zowel de bedrijfsvoering (korte termijn) als de gewas- veredeling richting te geven.
1.3
Primaire productie: productiviteit in perspectief
De maatschappelijke verwachtingen ten opzichte van de landbouw in West-Europa zijn vandaag sterk verschillend van deze die enkele decennia geleden of in het begin van vorige eeuw leefden. Tijdens de eerste wereldoorlog heeft de bevolking in West-Europa veel voedseltekort gekend, stegen de voedselprijzen tot ongekende
EvaporatieRegen, irrigatie BodemwaterBodemwater- spanning Transpiratie Licht
Licht Ontwikkelings- snelheid
Fotosynthese Ontwikkelings- stadium
Stikstofgehalte in bladeren Bladoppervlak- index (LAI, leaf area index) Biomassa- verdeling Bladeren Fotosynthese- producten Biomassa Bloeiwijzen WortelsRespiratie voor onderhoudRespiratie voor groei Ontwikkelings- snelheid
FotosyntheseBladoppervlakte index (LAI, leaf area index) Ontwikkelings- stadium
Biomassa- verdeling Bladeren/ Stikstof Fotosynthese- productenBiomassaStengels/ Stikstof Bloeiwijzen/ Stikstof Wortels/ Stikstof
Respiratie voor onderhoud Opname van stikstof door stengel Stikstof- mineralisatie Beschikbare bodemstikstof Netto toediening van stikstofmeststof
Respiratie- voor groei Opname van stikstof door bladeren FIGUUR 1.2. Schematische voorstelling van twee gewasgroeimodellen waarbij steeds de fotosynthesemodule in het grijs wordt voorgesteld. In deel- fi guur (a) wordt productie gelimiteerd door watertekort, in (b) door stikstoftekort. De vierkante blokken bevatten toestandsvariabelen, de ‘kranen’ snelheidsvariabelen en de ovalen intermediaire variabelen. Volle lijnen geven een fl ow van materie weer, gestippelde lijnen een transfer van infor- matie (van Ittersum et al., 2003).
hoogten en zijn vele mensen van honger gestorven. Dit heeft de toenmalige over- heid ertoe aangezet om te investeren in landbouwonderzoek. De productiviteit in de landbouw begon gestaag te stijgen, vooral dankzij rasverbetering, bemesting en later de ziektebestrijding. Deze tendens heeft zich na de tweede wereldoorlog nog versterkt verdergezet en een belangrijke motor hiervoor was de oprichting van de Europese Unie.
8 7 6
Graanopbrengst (t/ha)
5 4
2 3
1
Jaar 0
1.0
0.8
0.6
Oogst index 0.4
0.2
0.0
1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000
Jaar
1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000
Geen bemesting Kunstmest
(a) (b)
Stalmest
FIGUUR 1.3. Opbrengst van wintertarwe (graan; 15% vochtgehalte) tussen 1843-2005 in het oudste veldexperiment ter wereld: Rothamsted (Engeland) met drie behandelingen: geen be- mesting (controle), kunstmest (een bepaalde dosis van N, P, K, Na, Mg en S) of stalmest. De oogstindex is overschat omdat het gewas wordt gesneden op 10-15 cm boven de grond waar- door de opbrengst stro wordt onderschat (Fan et al., 2008).
Het langstlopende veldexperiment ter wereld wordt uitgevoerd in Rothamsted (Enge- land). Figuur 1.3 (Rothamsted Research, 2006) (Fan et al., 2008) toont aan dat de pro- ductiviteit van wintergraan ongeveer een factor 7 is gestegen in de afgelopen 160 jaar.
Die stijging is vooral merkbaar vanaf 1960 toen de variëteiten met korte halm (en betere oogstindex) werden geïntroduceerd. Een factor 7 is bijzonder groot, de draag- kracht van het schaarse land verhoogt hierdoor quasi evenredig. Niet toevallig is de stijging van de wereldbevolking een gevolg van een stijgend aanbod aan voedsel. De logica gebiedt te stellen dat die relatie oorzakelijk verbonden is in die ene richting, niet in de andere richting. De fi guur toont ook aan dat die stijging in productiviteit niet mogelijk was zonder het gebruik van meststoffen. Zonder meststoffen blijft de productiviteit op ongeveer 1 ton/ha/jaar.
Voor het toenmalige Europa was het landbouwbeleid een zeer grote prioriteit. Vooral de productie van voldoende voedsel (onafhankelijkheid) en een lage prijs waren de voornaamste objectieven. Dit heeft mee geleid tot de groene revolutie tijdens de jaren 1960, waarbij de productiviteit een spectaculaire groei kende, vooral via een
intensifi ëring van het productiesysteem, waarbij naast de hoger vermelde verbete- ringen van rassen en teelttechniek, ook technologische toepassingen (bewaring van voedsel), mechanisatie en automatisatie een belangrijke rol hebben gespeeld. De in- put in de landbouw steeg sterk, maar de toename van de output was een veelvoud van de inputtoename, vanuit het energiestandpunt bekeken: de gewasproductie is dus energie-effi ciënter geworden (zie verder). De toenemende intensifi ëring heeft ook een aantal problemen aan het licht gebracht, zoals impact op milieu, overbemesting, residuproblematiek en een groeiende afhankelijkheid van de landbouwers van toele- vering (zaaizaad, meststoffen, maar ook kapitaal) en van de markt (zeer lage prijzen, volatiliteit van de prijzen).
We mogen niet vergeten dat landbouw een tegennatuurlijke activiteit is, waarbij we de natuur sturen en via grondbewerking, zaaien, onkruid- en ziektebestrijding en be- mesting naar onze hand zetten. In de meeste gebieden in de wereld is de beschaving en de welvaart vanuit de landbouwactiviteiten gegroeid. Hoe effi ciënter de landbouw werd, hoe productiever en hoe meer bijdrage tot ontwikkeling er was. De eerste productiviteitsgroei was vooral gebaseerd op gewasverbetering: men selecteerde uit de eerste graansoorten steeds de beste planten en gebruikte het zaad ervan voor het volgende groeiseizoen. Voedsel werd geruild tegen andere producten. Later werden ook andere gewassen geteeld, verbeterde de teelttechniek en gebruikte men steeds meer geperfectioneerde hulpmiddelen.
Landbouw is altijd in evolutie geweest en dit met de bedoeling meer te produceren en dit effi ciënter te doen. In het begin was de impact op de natuur relatief gering, maar naarmate de behoefte aan cultuurgrond steeg, werden ook meer gronden gebruikt, die voordien natuurlijke graslanden of bossen waren. De toename van het landbouw- areaal ten koste van natuur is de laatste eeuwen en vooral decennia enorm (Buringh
& Dudal, 1987).
Dergelijke groei kan niet verder gaan zonder het natuurlijke ecosysteem te ontwrich- ten. Bovendien is het zo dat eerst de meest vruchtbare gronden in gebruik werden genomen. Bij het in cultuur brengen van nieuw land krijgen we ook een sterke stij- ging van CO2-vrijgave vanuit de bodem, wat een bijdrage geeft aan het broeikaseffect.
Onze bekommernis voor natuurbehoud staat dus haaks op een stijgende vraag naar voedsel.
De voedselproductie zal tussen 2005 en 2050 minimaal moeten verdubbelen om aan de behoeften te voldoen. Schattingen stellen dat de wereldbevolking nog zal stij- gen tot ongeveer 9 miljard en pas dan zal stabiliseren. Lokaal zal de behoeftetoe- name sterk verschillen: ongeveer een verdubbeling in Zuid-Amerika en Azië, een lichte afname in Europa, een lichte stijging/status quo in Noord-Amerika, maar een
vervijfvoudiging in Afrika. Juist dit continent is vandaag al problematisch op ge- bied van voedselzekerheid; een belangrijk deel van de bevolking is ondervoed. We- reldwijd bedraagt het aantal ondervoede mensen bijna één miljard en dit terwijl de voedselproductie per hoofd wereldwijd zelfs stijgt. De reden voor de ondervoeding is dus niet te weinig voedsel: dikwijls wordt in landen met veel ondervoeding zelfs genoeg voedsel geproduceerd, waarvan een belangrijk deel geëxporteerd wordt. De reden voor ondervoeding is armoede. Deze armoede is een structureel probleem. De laatste 40 jaar is het aantal ondervoede mensen zelfs constant gebleven. Een andere factor die de toenemende voedingsbehoefte bepaalt, is de verwachte toename van de vleesconsumptie. Volgens de meeste prognoses zou de consumptie tegen 2050 bijna verdubbelen. De toename in absolute termen zal zich vooral situeren in Oost- en Zuidoost-Azië. Daar wonen immers de meeste mensen en de verwachting is dat hun levensstandaard zal stijgen. Het is aangetoond dat het vleesconsumptiepatroon in sterke mate bepaald wordt door het inkomen: wanneer het inkomen stijgt, zal ook de vleesconsumptie toenemen. Voor vleesproductie zijn planten nodig en de vleesconsumptiestijging zal dus moeten gebeuren door ofwel een toename van het areaal voor landbouw, ofwel door gewasproductie voor voeding te vervangen door gewasproductie voor veevoeder, ofwel door de ontwikkeling van andere vormen van veevoeder (algen, eiwitrijke organismen zoals wormen).
Kunnen we meer voedsel produceren zonder meer grond in gebruik te nemen? Theo- retisch gezien kan dit zeer zeker. Hiervoor zijn verschillende mogelijkheden:
• dichten van de productiekloof;
• verbetering van de hulpbronnen-effi ciëntie in de landbouw;
• verhoging van de voedselbeschikbaarheid door dieetverandering en vermindering van voedselverliezen.
De opbrengstkloof is een term die de laatste decennia veelvuldig gebruikt wordt (Lo- bell et al., 2009). Deze wordt gedefi nieerd als het verschil tussen de gewasopbrengst die gerealiseerd wordt op een gegeven locatie en de maximale opbrengst die kan gegenereerd worden met courant beschikbaar plantgoed en met de huidige land- bouwpraktijken en technologieën (het opbrengstpotentieel). In fi guur 1.4 wordt het verband weergegeven tussen de model-gebaseerde opbrengstkloof (YGM), een expe- riment-gebaseerde opbrengstkloof (YGE) en een landbouwer-gebaseerde opbrengst- kloof (YGF). Het maximale opbrengstpotentieel kan mogelijk bereikt worden door model-gebaseerde landbouw in ideale omstandigheden in een onderzoeksstation en door modellandbouwers.
Er is een groot verschil tussen wat vandaag reëel geproduceerd wordt en wat theo- retisch mogelijk is op basis van de gangbare landbouwpraktijken en de natuurlijke omstandigheden (fi guur 1.5).
Model- gebaseerde opbrengstpotentieel
Graanopbrengst
Experiment- gebaseerde opbrengsten
Maximale landbouwers-
opbrengsten
Gemiddelde landbouwers- opbrengsten
YGF YGEYGM
FIGUUR 1.4. De relatieve verhouding van een gemiddelde landbouwersopbrengst vergeleken met drie maatstaven van een opbrengstpotentieel. De verschillende maatstaven van de opbrengst- kloof (YG, yield gap) worden uitgedrukt als een model-gebaseerde opbrengstkloof (YGM), een experiment-gebaseerde opbrengstkloof (YGE) en een landbouwer-gebaseerde opbrengstkloof (YGF) (Lobell et al., 2009).
FIGUUR 1.5. Het verschil tussen de reële productie en de potentiële productie van de 16 belang- rijkste landbouwgewassen (productiekloof). Wanneer de verschillen zouden weggewerkt wor- den tussen de huidige productie en 95% van de potentiële productie, zou er met de beschouw- de gewassen jaarlijks 2,3 miljard ton meer kunnen geproduceerd worden (Foley et al., 2011).
De theoretisch maximale productie is afhankelijk van de plaatselijke omstandighe- den, zoals bodem, neerslag, temperatuursveranderingen tijdens het groeiseizoen, op- timale bemestingen en ziektebestrijding en het aanplanten of zaaien van de meest geschikte variëteiten. Dit verschil werd uitgerekend voor de 16 belangrijkste land- bouwgewassen en het bleek dat er een kloof bestaat die 58% bedraagt van de hui- dige productie. Dit is equivalent met 5x1015 kcal, de jaarlijkse voedselbehoefte van 5,5 miljard mensen. In feite zou een groot deel van de stijgende vraag naar voedsel tegen 2050 hiermee voldaan zijn. De grootste kloof bestaat in Afrika, Latijns-Amerika, en Oost-Europa, India en China, waar bemesting en water de grootste limiterende factoren zijn. In andere gebieden gaat het dikwijls om het ontbreken van geschikte variëteiten of gebrek aan voldoende teeltkennis. Op de plaatsen waar de productie- kloof het grootst is, hebben boeren dikwijls niet de nodige middelen om meststoffen of bestrijdingsmiddelen aan te kopen. Dit geldt eveneens voor zaaizaad, dat zij zelf moeten kweken. Soms wordt het zaad tijdens de bewaring aangetast door allerlei ziekten of insecten en is er onvoldoende zaaizaad voor de beschikbare oppervlakte.
Ook het andere uiterste kan het geval zijn: overbemesting, verzilting en achteruitgang van de bodemvruchtbaarheid. Productiekloven kunnen ook het gevolg zijn van soci- ale omstandigheden, toegang tot de markt of gebrekkige infrastructuur.
Het verleden werd steeds gekenmerkt door productiestijgingen. Zo is volgens FAO5 de productie van landbouwgewassen tussen 1985 en 2005 met 28% gestegen, terwijl de oppervlakte met nauwelijks 2,4% is toegenomen. Er zijn verschillende oorzaken van de gestegen productiviteit per ha: verbeterde teelttechnieken, verbeterde rassen, ver- beterde machines, meer opbrengsten per jaar op eenzelfde perceel. Globaal kan ge- steld worden dat wanneer de energie-input verhoogt (door bemesting, gebruik machi- nes) de productiestijging in energietermen met een veelvoud toeneemt (fi guur 1.6).
Niet alle natuurlijke hulpbronnen worden effi ciënt gebruikt. Jaarlijks wordt er 2 800 km3 water gebruikt voor irrigatie. Veel van dit water gaat verloren tijdens transport van reservoirs naar het veld, via verdamping op het veld of via drainage naar de ondergrond ingeval van te veel irrigatie. Bovendien zou er ook veel water kunnen bespaard worden door mulching, waarbij de bodem, eventueel tijdelijk, af- geschermd kan worden met plantenresten, zoals stro. Hierdoor kan de evapotranspi- ratie aanzienlijk verminderd worden. Daarnaast kan een aangepaste grondbewerking ook bijdragen tot verminderd waterverlies door beperking van de verdamping vanuit de bodem. Soms wordt ook niet geschikt water (te zout water) gebruikt voor irriga- tie. In vele gebieden wordt er niet optimaal bemest. Te weinig bemesting omwille van een tekort aan middelen om meststoffen aan te kopen werd hierboven al aan- gehaald, maar in vele delen van Noord-India, China, West-Europa en de Verenigde Staten wordt er meer bemest dan het natuurlijk ecosysteem kan verdragen. Zo zou 10% van het productieareaal in de wereld verantwoordelijk zijn voor 32% van het
stikstofteveel en 40% van het fosfaatteveel. Deze overbemesting geeft milieuproble- men voor grondwater en oppervlaktewater en kan op termijn leiden tot verlies van de bodemvruchtbaarheid. Globaal kan dus gesteld worden dat de voedselproductie op wereldniveau zou kunnen stijgen door een meer oordeelkundig gebruik van water en meststoffen.
0 2000 4000 6000
Opbrengst (kg/ha) 8000
y = 0,6413x + 1385,3 R2 = 0,5866
10000 12000
10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
Input energie (kWh/ha)
FIGUUR 1.6. Toename van de rijstproductie bij toenemende energie-input. De energie-input werd berekend aan de hand van de energie-equivalenten van machines, brandstof, zaad, bemesting, chemicaliën, arbeid en lastdieren. Eén ton rijst heeft een energie-equivalent van 4080 kWh (= 15 GJ). Daarnaast is er nog stroproductie die een energie-equivalent heeft van 3470 kWh per ton (Mushtaq et al., 2009).
Een ander probleem is het verlies en de verspilling van voedsel. In ontwikkelingslan- den gaat het dikwijls om verlies door ziekten en plagen tijdens het productieproces, het transport, de bewaring en de verwerking van het voedsel. In ontwikkelde landen gaat veel van het voedsel verloren door niet-consumptie (afval, bederf, vervaldata in de winkelketen) (fi guur 1.7). Het is niet altijd exact gekend hoeveel deze verliezen bedragen, maar men neemt aan dat dit wereldwijd in de buurt van 40% ligt.
Daarnaast kan de gewasproductie effi ciënter gebruikt worden voor de voeding via een verminderd vleesgebruik. Wereldwijd wordt er vandaag meer dan één miljard ton gewassen gebruikt voor veevoeder. Dit is equivalent met 4,2. 1015 kcal voedsel, de jaarlijkse voedselbehoefte van meer dan 4 miljard mensen.
Welke impact de klimaatsverandering op de voedselproductie tegen 2050 zal hebben, is nog niet helemaal duidelijk. Er zijn prognoses die een duidelijke achteruitgang van de productie voorspellen in Afrika, Zuid-Amerika, Zuid-Europa en de Verenigde Sta- ten, voor Noord-Afrika zelfs tot bijna 50%. In Noord-Europa, en Noordoost-Europa en grote delen van Centraal-Azië zou de productie beduidend toenemen.
50% 100%
0%
Op de boerderij Tijdens transport en verwerking
Horeca Thuis
Handel Onwikkelingslanden
VS
VK
FIGUUR 1.7. Voedselverlies en voedselverspilling in ontwikkelingslanden, in de Verenigde Staten en het Verenigd Koninkrijk volgens verliespost (totaal verlies of verspilling: 100%) (Charles et al., 2010).
1.4
Gevalstudie: de teelten van suikerbiet en suikerriet
In dit onderdeel behandelen we de productie en de teelttechniek van suikerbiet en suikerriet. Beide gewassen worden over de hele wereld geteeld, maar in verschillende klimatologische zones. Suikerbiet vraagt een gematigd klimaat, voldoende neerslag en een eerder rijke bodem. Suikerbiet wordt daarom vooral geteeld in het noordelijk halfrond: Europa, de Verenigde Staten en Canada, maar ook in China en Egypte.
Suikerriet vinden we terug in tropische en subtropische gebieden (tussen 37°N en 37°Z) met vooral veel zonneschijn en voldoende waterbeschikbaarheid (minimaal 110- 180 mm neerslag per maand gedurende de vegetatieve periode van ongeveer 8 maan- den). Oogsten van suikerriet gebeurt afhankelijk van het klimaat 10 tot 24 maanden na het planten na een drogere rijpingsfase. In principe zou suikerriet een hogere opbrengst kunnen realiseren. Als C4-plant heeft suikerriet immers een effi ciëntere fotosynthese.
Suikerriet heeft in vergelijking met suikerbiet ook een bredere toepassing: naast kristal- suiker wordt rietsuiker veel gebruikt voor siroopproductie, alcohol (rum), en de laatste jaren als energiegewas voor de productie van bio-ethanol, voornamelijk in Brazilië.
1.4.1 Oppervlakte en productie
De cultuuroppervlakte voor suikerriet in de wereld bedraagt 26,09 miljoen ha, wat ongeveer 4 maal meer is dan de oppervlakte voor suikerbiet (tabel 1.4). Voor suiker- riet nemen Brazilië en India meer dan de helft van het areaal voor hun rekening, maar ook China, Thailand en Pakistan zijn belangrijke producenten. Wereldwijd wordt er 1,66 miljard ton suikerriet geproduceerd, wat een gemiddelde productie geeft van 75,8 ton/ha, wat enorm hoog is. Suikerbieten nemen wereldwijd 4,90 miljoen ha in beslag met Rusland als voornaamste producent. Deze totale oppervlakte is minder dan deze van suikerriet in Brazilië alleen (tabel 1.4). De verschillen tussen de landen zijn niet zo uitgesproken als bij suikerriet. Belangrijke productielanden zijn naast Rusland ook Oekraïne, de Verenigde Staten, Frankrijk, Duitsland en Turkije. Suiker- bietproductie is vooral een Europese aangelegenheid. Op wereldniveau komt men aan een gemiddelde suikerbietproductie van 43,3 ton/ha (vers gewicht), wat bedui- dend lager is dan deze van suikerriet (> 75 ton/ha). Er bestaan in dit opzicht wel belangrijke verschillen volgens de landen.
TABEL 1.4. Oppervlakte suikerriet en suikerbiet (miljoen ha) wereldwijd en in de 10 voornaam- ste productielanden (op basis van FAOstat: suikerriet 2012, suikerbiet 2012).
Suikerriet Suikerbiet
Land Oppervlakte (Mha) Land Oppervlakte (Mha)
Brazilië 9,71 Rusland 1,10
India 5,09 Verenigde Staten 0,49
China 1,80 Oekraïne 0,45
Thailand 1,30 Duitsland 0,40
Pakistan 1,05 Frankrijk 0,39
Mexico 0,74 Turkije 0,28
Filipijnen 0,43 China 0,24
Verenigde Staten 0,37 Polen 0,21
Colombia 0,35 Egypte 0,18
Australië 0,34 Iran 0,11
Wereld 26,09 Wereld 4,90
1.4.2 Suikergehalte en suikeropbrengst
Omwille van verschillen in groeiomstandigheden, teelttechniek en variëteitenkeuze kunnen er belangrijke verschillen bestaan in suikeropbrengst en dit zowel bij sui- kerbiet als bij suikerriet. In tabel 1.5 worden gegevens van enkele specifi eke landen vermeld. De opbrengsten van de suikerbiet variëren tussen 20 en 60 ton/ha, die van suikerriet tussen 40 en 100 ton/ha. Het suikergehalte van de suikerbiet bedraagt ge- middeld 15%, bij suikerriet is dat gemiddeld 10%.
De verschillen in opbrengst weerspiegelen niet altijd verschillen in suikergehalte, hoewel er wel een algemene tendens bestaat dat een hoge gewasopbrengst zowel bij suikerbiet als bij suikerriet samengaat met een hoog suikergehalte. Dit wijst op goede cultuuromstandigheden (voldoende water, goede klimaatomstandigheden), maar ook op goede cultuurzorgen (voldoende bemesting, ziektebestrijding, adequate grondbe- werking). Ook de keuze van de variëteit speelt een belangrijke rol.
Bij biet is de zaadkwaliteit een belangrijk aspect: in Egypte worden dikwijls poly- germe zaden gebruikt, in België monogerme. Bij polygerme zaden zijn er per zaad meerdere kiemplanten, bij monogerme slechts één. Wanneer er meerdere kiemplan- ten uit één zaad ontstaan, is er veel concurrentie voor water, nutriënten en zonlicht tussen de kiemplanten. Hierdoor zal ook het suikergehalte dalen.
TABEL 1.5. Vergelijking van opbrengsten van suikerriet en suikerbiet (vers gewicht) tussen ver- schillende landen (naar Thelen, 2004).
Suikerbiet Polen Oekraïne VS Duitsland
Opbrengst (t/ha) 39,5 19,5 46,1 60,3
Suikergehalte (%) 13,9 11,2 14,6 16,6
Suikeropbrengst (t/ha) 5,5 2,2 6,7 10,0
Suikerriet Brazilië Australië Thailand Zuid-Afrika India VS
Opbrengst (t/ha) 68,5 97,7 42,5 53,6 73,8 74,4
Suikergehalte (%) 11,5 14,3 10,0 11,5 9,9 11,7
Suikeropbrengst (t/ha) 7,9 13,7 4,3 6,2 7,3 8,7
Uit tabel 1.5 kan afgeleid worden dat de in theorie hogere suikerproductie per ha bij suikerriet niet altijd wordt gerealiseerd. De vaak meer intense manier van landbouw in de suikerbietproducerende landen is verantwoordelijk voor de hogere opbrengsten.
1.4.3 Teelttechniek van suikerbieten
De teelttechnieken voor het produceren van suikerbietwortels kenden een evolutie waarbij het optimaliseren van het genetische materiaal (veredeling naar hogere sui- kergehalten en wortelomvang), de bemesting, de bodemgeschiktheid en ziektebe- strijding centraal stonden. Dit was nodig voor de rendabiliteit waarbij de prijs van suiker op de wereldmarkt de bepalende factor is. Suikerbiet (C3-plant) als suikerbron moet optornen tegen de productie van suiker uit suikerriet (C4-plant).
Suikerbiet is een tweejarige plant. Het eerste jaar bestaat uit de vegetatieve groei en ontwikkeling van de plant; een rozet van bladeren wordt gevormd samen met een
reservewortel (= de biet). In de reservewortel wordt de reservesuiker (sucrose = sacharose) opgeslagen. Deze suiker wordt aangeleverd uit de bladeren, waar via de fotosynthese sucrose ontstaat, dat verder naar de reservewortel wordt gestuurd. De gemiddelde wortelopbrengst kan variëren tussen 20 tot 60 ton/ha (zie tabel 1.5).
Dit vertegenwoordigt 2 tot 10 ton sucrose/ha. De bieten worden op het einde van het eerste groei-jaar geoogst en verwerkt. Een tweede groei-jaar is pas aan de orde bij planten die gebruikt worden voor zaadproductie. Na een koudeperiode (winter) zijn blootgestelde planten gevernaliseerd (= bloei geïnduceerd)6 en zullen ze in het tweede groei-jaar een bloeiwijze ontwikkelen. Deze zaaddragers vegeteren voorna- melijk op de wortelreserves voor de ontwikkeling van bloeiwijze en uiteindelijk de zaden. Planten in hun tweede groei-jaar vormen slechts een beperkt bladoppervlak.
1.4.3.1 Blad- en wortelgroei
Suikerbieten worden begin april op het veld uitgezaaid met behulp van een preci- siezaaimachine. Met geschikte rassen kan zelfs gestart worden vanaf begin maart.
Om precisiezaai effi ciënt te gebruiken moet elk zaadje dat geplant wordt tot kiemen komen. Er worden bijgevolg hoge eisen gesteld aan de kiemkracht van commerciële suikerbietzaden: in labotesten moeten ze een minimaal kiemingspercentage halen van 95%. Bij de groei en ontwikkeling van de jonge planten zal eerst een bladrozet gevormd worden en pas daarna de reservewortel (= de biet). Tijdens de aanvang van de bladontwikkeling groeit ook de wortel uit zonder de vorming van een reservewor- tel in deze eerste fase (fi guur 1.8).
Verschijnen van bovengrondse plantendelen:
25-35 dagen
Vegetatieve en opbrengstfase: 75-115 dagen Rijpingsfase: 40-50 dagen
Wortels tot meer dan 1,5 m diep Reservewortel: de biet Bladrozet
FIGUUR 1.8. Ontwikkelingsstadia van de suikerbietplant (FAO Water, 2013).
2000 1800 1600 1400 1200 1000
Straling (J/cm²) 800 Gewicht (t/ha)
600 400 200 0
70
60
50
40
30
20
10
0
1 2 3 4 5 6 7
Maand
8 9 10 11 12
Straling Blad Wortel
FIGUUR 1.9. Groeiverloop van blad en wortel van een suikerbietplant (IRS, 2012) en de gemid- delde lichtstraling op de groeiplaats (periode 1961-1990, Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut KNMI).
Verder in de veldfase zal vooral de uitgroei van de reservewortel plaatsvinden. Bij het tweebladstadium is de primaire wortel gemiddeld 30 cm lang. Bij het eindstadium van het eerste groei-jaar kunnen de wortels een diepte bereiken tot 1,5 meter. Het wortelstelsel groeit in de diepte (1,5 cm/dag) en in de breedte (0,4 cm/dag) fors uit waardoor een aanzienlijk bodemvolume kan benut worden. Van bij het tweebladsta- dium groeit de plant exponentieel.
De groei wordt bepaald door temperatuur, bodemmineralen, waterbeschikbaarheid en lichtinstraling (fi guur 1.9). De temperatuur bepaalt de snelheid waarmee nieuwe bladeren worden aangemaakt. Hoe meer blad, hoe meer verdamping, hoe meer fo- tosynthese. Onder normale groeiomstandigheden komen er per week twee bladeren bij.
Eind augustus heeft de suikerbietplant een maximale ontwikkeling van zijn blader- dek gerealiseerd (fi guur 1.9). Vanaf dan zal geleidelijk veroudering optreden van de gevormde bladeren. De reservewortel start met een zichtbare groei ongeveer één maand na de kieming. Ondanks het afsterven van de bladeren zal de groei van de reservewortel blijven doorgaan. Suikers, aminozuren en mineralen zullen dan van de bladeren naar de reservewortel getransloceerd worden.
1.4.3.2 Groei en opbrengsten
Alles start met een goede veldopkomst na het zaaien. De uitgroei van suikerbietplan- ten is een functie van verschillende factoren. De temperatuur bepaalt de bladontwik- keling, de kans op vernalisatie en de suikeropbouw in de reservewortel (0,1% sucrose per dag bij een dagtemperatuur van 20°C en koele nachten van 10°C). Tijdens de kie- mingsfase moet er voldoende water in de bovenste laag van de bodem aanwezig zijn.
Teveel aan water kan zorgen voor zuurstoftekort, wat negatief is voor de zaadkieming.
Stikstof is voor suikerbiet (zoals voor de meeste cultuurgewassen) een determine- rende factor voor de fi nale opbrengst (wortelmassa en suikeropbrengst). Een teveel aan stikstof zal resulteren in een te lang doorgroeien van de wortels op het einde van het groeiseizoen. Dit resulteert in grote bieten, maar met een laag suikergehalte. Te weinig stikstof zal de productie negatief beïnvloeden door onvoldoende plantgroei.
1.4.3.3 Bodemgeschiktheid en bodemvruchtbaarheid
De suikerbiet kan groeien in verschillende bodemsoorten. Het zaaibed moet de kie- ming en wortelgroei van de jonge plant (zaailing) optimaal laten verlopen. Bodem- compactatie (verdichting) door gebruik van zware landbouwvoertuigen wordt best vermeden (Tijink & Märländer, 1998).
Aanvullend kan door een geschikte voorteelt die diep wortelt, zoals luzerne (Medi- cago sativa), de bodemstructuur verbeterd worden. Tevens kan luzerne, als groen- bemester en vlinderbloemige, resulteren in de inbreng van organisch materiaal dat rijk is aan organische stikstof. Het achterlaten op het productieveld van gehakselde loofresten, die geproduceerd worden tijdens de bietenoogst, heeft een positief ef- fect op de bodemvruchtbaarheid. Het aanhouden van deze twee praktijken kan mee zorgen voor het behoud van voldoende organische stof in de bodem. De gemiddelde stikstofbehoefte bedraagt voor de suikerbiet 250 tot 280 kg N/ha. Stikstof is vooral noodzakelijk tijdens de bladontwikkeling en wordt vooral opgenomen tot einde juli.
Daarna is stikstof bij voorkeur in lage hoeveelheden aanwezig in de bodem. Immers, een hoge concentratie stikstof op het einde van het eerste groeiseizoen van deze tweejarige plant resulteert in een zwakke suikeraccumulatie, een verminderde wor- telgroei en een moeilijke suikerextractie uit de biet.
1.4.3.4 Watergebruik
Om te bepalen hoe effi ciënt planten met water omgaan, wordt de gewascoëffi ci- ent (crop coeffi cient; Kc) van een gewas bepaald. Deze Kc-waarde kan verkregen worden door actuele gewasevapotranspiratie (ETc) te vergelijken met de potentiële
evapotranspiratie (ET0) (waterverdamping van een vrij oppervlak uitgedrukt in mg water per eenheid oppervlak). De verhouding ETc versus ET0 geeft Kc. De waarden van Kc hangen af van het groeistadium van de plant. De veranderende Kc-waarden voor suikerbiet worden weergegeven in fi guur 1.10.
1.4 Kc
Kc ini
Kc end Kc mid
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
Gewasontwikkeling
Tijd (dagen)
Initiële groei
Midden-seizoen Laat-seizoen
FIGUUR 1.10. Kc-waarden voor suikerbiet in functie van de plantontwikkeling (FAO Water, 2013).
Deze waarden zijn variabel en zeer afhankelijk van de windsnelheid en de luchtvoch- tigheid. Uit de voorspelling van de verwachte neerslag en de berekening van de gewa- sevapotranspiratie kan bepaald worden hoeveel water er moet geïrrigeerd worden om maximale opbrengsten te bereiken. In één groeiseizoen verbruikt suikerbiet 550 tot 750 liter water per m² beteelde oppervlakte. Het verbruik is in functie van het heersende klimaat en geteelde cultivar. De WUE (water use effi ciency) van suikerbiet bedraagt 6-9 kg biet/m³ water of 0,9-1,4 kg sucrose/m³ water. De penwortel van de biet onttrekt bijna al het nodige water uit de bovenste 0,7 tot 1,2 meter van de bodem. Suikerbieten groeien in de gematigde, vochtigere klimaten. Binnen Europa (Centraal-Frankrijk en Zuid-Duitsland) wordt er ook geïrrigeerd (Pidgeon et al., 2001). Ongeveer één vijfde van de suikerbieten in de wereld wordt geteeld met behulp van irrigatie (Dunham, 1993).
Tijdens de kieming, de inworteling van de kiemplant en de prille groei is de plant het meest gevoelig voor droogte. Waterstress bij de jonge plant heeft een negatief
effect op de fi nale wortel- en sucroseopbrengst. Een jonge suikerbietplant herstelt moeilijk van een tekort aan water. Daarom is het aangewezen om te irrigeren indien waterstress zou kunnen optreden in deze fase van de plantontwikkeling (Monti et al., 2005). De suikerbiet is zouttolerant. Enkel tijdens de jeugdfase is de plant gevoeliger voor een overmaat aan zout. Irrigatie kan soms aangewezen zijn bij jonge planten om het zoutgehalte in de wortelzone te verlagen.
1.4.3.5 Ziekten en plagen
Het gebruik van beschermingsmiddelen in de suikerbietenteelt is de voorbije jaren in België sterk verminderd (fi guur 1.11). De invoering van het FAR-systeem (Federal Acquisition Regulation) heeft hier sterk toe bijgedragen. Dit is een evolutie die niet alleen geldt voor de suikerbietenteelt. Voor alle akkerbouw- en tuinbouwgewassen is deze evolutie terug te vinden.
1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0
1978 1980 1982 1984 1986 1988
Jaartal
1990 1992 1994 1996
Evolutie insecticiden : R2 = 0,7629 Evolutie totaal : R2 = 0,8143
Evolutie herbiciden : R2 = 0,7451
Evolutie fungiciden : R2 = 0,535
1998 2000 2002
kg actieve stof/ton suiker
FIGUUR 1.11. Gebruik van gewasbeschermingsmiddelen in de suikerbietenteelt (België) in de periode 1978-2001, uitgedrukt in kg actieve stof/ton gewonnen suiker (Tits & Misonne, 2002).
Tal van belagers van de suikerbietenteelt zijn gekend. Een overzicht van de planten- bescherming bij de teelt van suikerbieten illustreert de uitdaging waar suikerbieten- telers voor staan (Demeyere et al., 2010). Wanneer chemische bestrijding toegepast wordt, is het zeer aangewezen om te controleren of een bepaald product erkend is voor de suikerbietenteelt in België. Onkruiden zijn niet als een ziekte of plaag sensu stricto te bestempelen. Ze treden in competitie met de suikerbietplanten voor wa- ter, mineralen en licht. Daarnaast zijn bepaalde onkruiden mogelijk een tussenstap
