Formy půdní organické hmoty a jejich význam pro akumulaci uhlíku v půdě
27. 12. 2024 Výživa a stimulace Zobrazeno 386x
Půdní organická hmota je tvořena velmi různorodou směsí látek od odumřelých částí rostlin v různém stupni rozkladu až po mikrobiální biomasu, která vzniká mikrobiálním rozkladem rostlinných zbytků. Půdní organická hmota má velký význam pro fungování půd a celých ekosystémů. Významně ovlivňuje fyzikální a chemické vlastnosti půd, např. schopnost půd zadržovat vodu. Udává se, že půdní organická hmota zadrží asi 10× tolik vody, kolik sama váží. Ovlivňuje pH půdy, její tepelný režim či schopnost půdy zadržovat živiny pomoci výměnných vazeb. Je významným zásobníkem živin, zejména dusíku.
V přirozených ekosystémech je největší množství dusíku uloženo v půdní organické hmotě. Ale i v půdě našich polí je v půdní organické hmotě řádově více dusíku, než které tam ročně přidáme formou minerální hnojiv. Tento dusík ovšem není přímo dostupný pro rostliny, představuje ale velký zdroj, ze kterého se může dusík postupně kontinuálně uvolňovat. Všechny tyto efekty organické hmoty na půdu přispívají k tomu, že půdní organická hmota má velký vliv na výnos. Zjednodušeně lze říci, že se ztrátou půdní organické hmoty dochází k zploštění výnosové křivky, což vede k tomu, že při stejné dávce hnojení je na půdě s menším obsahem organické hmoty dosaženo menšího výnosu.
Na globální úrovni je pak půdní organická hmota velkým zásobníkem uhlíku. Odhaduje se, že celosvětově je v půdách uloženo asi 3× více uhlíku než v atmosféře anebo rostlinné biomase. V prognózách se uvádí, že kdybychom každoročně zvýšili obsah půdní organické hmoty o 4 ‰ jejího stávajícího obsahu, zcela bychom tím kompenzovali antropogenní přídavek CO2 do atmosféry, vzniklý spalování fosilních paliv. Na druhou stranu, velká část tohoto uhlíku je uložena v půdách, které lidé využívají jen omezeně a mají jen malou možnost ho přímo ovlivnit, např. v permafrostu nebo severských rašeliništích. Jistě ale můžeme tuto zásobu uhlíku ovlivňovat negativně, třeba odvodňováním rašelinišť nebo globálním oteplováním podporujícím tání permafrostu.
I přesto, že hromadění organické hmoty v půdě patrně nebude jediným všespásným mechanizmem, který by nás ochránil před globálním oteplováním, má akumulace organické hmoty v zemědělských a lesních půdách svůj význam i z tohoto globálního pohledu. Samozřejmě, její přínos je relativně nižší v zemích s vysokou hustotou obyvatel a relativně malou rozlohou, jako je Česká republika, ale každý příspěvek se počítá. A jak již bylo uvedeno výše, hromadění půdní organické hmoty má i další benefity pro fungování půd.
Význam humusu se mění
Jak již bylo zmíněno, půdní organická hmota je velmi heterogenní. V minulosti byl vyzdvihován zejména obsah humusu, který definujeme jako skupinu tmavě zbarvených organických látek, extrahovatelných z půdy alkalickými rozpouštědly. Tyto aromatické a na dusík bohaté látky vznikají jako vedlejší produkt dekomposičních procesů a mohou ovlivňovat vlastnosti půd. V současné době je význam humusu přehodnocován. Mimo jiné i proto, že tyto extrahovatelné humusové látky tvoří zpravidla jen malou část, často pouze 5 nebo 10 % celkové organické hmoty v půdě. Co tedy tvoří většinu půdní organické hmoty?
Frakce půdní organické hmoty a jejich vznik
Současný výzkum půdní organické hmoty rozlišuje několik frakcí organické hmoty, které se liší svým původem i vazbou na minerální složky půdy. Způsobů, jak definovat tyto frakce je přitom několik. Jeden z nejrozšířenějších a nejjednodušších rozlišuje tzv. particulate organic matter (POM), představovanou drobnými úlomky rostlinného materiálu. Ty mohou být uloženy jednak volně mezi půdními agregáty nebo zapracovány do půdních agregátů (pak hovoříme o okludované POM - oPOM). Nejstabilnější složkou půdní organické hmoty je pak půdní organická hmota, vázaná na minerální částice (tzv. MAOM, z mineral associate organic matter).
Podívejme se nyní na to, jak MAOM vzniká. Do půdy se dostává organická hmota jednak v podobě rostlinného opadu, či mrtvých kořenů a také v podobě kořenových exudátů. Představme si nyní, že je drobný úlomek organické hmoty (POM) zapracován do půdního agregátu. To se může dít např. činností žížal anebo řadou fyzikálních procesů, jako je tání a mrznutí nebo bobtnání a vysychání jílových minerálů. Toto obalení drobných kousíčků organické hmoty jílem již samo o sobě ovlivní rychlost jejich rozkladu. Jílový obal totiž obsahuje velké množství kapilárních pórů, které jsou zpravidla nasyceny vodou. To znamená, že kyslík pronikající tímto jílovým obalem dovnitř půdního agregátu může pronikat pouze difuzí. Difuze je pomalý proces, a tak se může stát, že většina kyslíku je spotřebována mikroorganizmy již na povrchu půdního agregátu a střed daného agregátu je tím pádem bez kyslíku. To pak samo o sobě zpomaluje rychlost rozkladu.
Jsou zde ale i další mechanizmy. Díky rozkladným procesům se mohou hromadit látky, které zpomalují mikrobiální aktivitu. A tyto látky opět musí difundovat pryč z půdního agregátu, což je pomalý proces. Tyto a podobné procesy vedou k tomu, že oPOM, tedy drobné úlomky rostlinné biomasy obalené jílovými minerály, se rozkládá mnohem pomaleji, než kdyby tytéž fragmenty organické hmoty ležely v půdě v prostorech mezi půdními agregáty. Obalování úlomků organické hmoty má ještě další důsledek: do okolí těchto drobných úlomků difunduje ve vodě rozpuštěná organická hmota, která podporuje růst mikroorganizmů, zejména bakterií na površích jílových minerálů v okolí. Časem dojde k buněčné smrti těchto bakterií a jejich zbytky, takzvaná mikrobiální nekromasa, se v půdě hromadí přilepená na povrch jílových minerálů. Právě tato odumřelá mikrobiální biomasa představuje onu minerálně asociovanou organickou hmotu.
K prudkému nárůstu mikrobiální biomasy dochází samozřejmě i v okolí kořenů, tedy v místech, kam rostliny uvolňují kořenové výměšky, které jsou opět cenným zdrojem uhlíku pro mikroorganizmy. Shrneme-li to, můžeme říci, že většina půdní organické hmoty se nachází ve formě drobných úlomků odumřelých části rostlin, anebo ve formě minerálně asociované organické hmoty, která je ovšem mikrobiálního původu. Důležité je, že k tomu, aby se mohla tato odumřelá mikrobiální biomasa v půdě hromadit, musí být vázána na jílové minerály. Když jsou povrchy jílových minerálů zcela obsazené, a další MAOM se již v půdě hromadit nemůže, hovoříme o tzv. saturaci uhlíkem. Naopak POM není ve svém hromadění v půdě nijak limitován, nicméně se nepoměrně rychleji rozkládá a také rychlost jeho akumulace je mnohem menší než rychlost akumulace hromadění MAOM.
Kumulace organické hmoty v půdě
Představíme-li si vývoj půdy na nějakém minerálním substrátu, třeba po sesuvech půdy nebo na výsypkách, můžeme pozorovat, že iniciální hromadění uhlíku je poměrně rychlé. Např. na zalesněných výsypkách bylo sledováno, že se zde může hromadit více než 2 t uhlíku/ha ročně, zatímco na zalesněných polích se v průměru jedná jen o stovky kg/ha za stejné období. Z tohoto příkladu je vidět, že zejména v disturbovaných ekosystémech (v zemědělství zejména na půdách zasažených silnou erozí) má velký význam snažit se o podporu hromadění půdní organické hmoty. Jednak je zde největší sekvestrační potenciál a největší rychlost hromadění půdní organické hmoty, navíc má její nárůst významné positivní dopady na půdní úrodnost. Je tomu tak proto, že tyto minerální substráty jsou velmi vzdáleny od saturace uhlíkem, zatímco půdy, kde se již nějaký uhlík nahromadil, a jsou tudíž blíže saturaci, hromadí uhlík pomaleji.
Naše výzkumy z výsypek či výše zmíněných sesuvů půd ukazují, že uhlík v minerální půdě může při samovolném vývoji půd dosáhnout saturace zhruba za 50–100 let. I pak ale může docházet k malému nárůstu obsahu organické hmoty, avšak zejména v nadložních horizontech půd (vrstva částečně rozložené opadanky na povrchu půdy) nebo ve formě POM. Také podmínky, které vedou k akumulaci MAOM a POM se liší. Půdě, která je daleko od saturace, je vhodné dodávat snadno rozložitelný opad. Lehce rozložitelná organické hmota, tedy snadno rozložitelný opad, anebo např. kořenové exudáty, jsou totiž s velkou účinností využívány mikroorganizmy k budování jejich biomasy, která se po svém odumření stává mikrobiální nekromasou, tedy základem MAOM. Kromě toho může formování MAOM napomáhat bioturbace půdy, tedy její promíchávání půdními organizmy, zejména žížalami. Je tomu tak proto, že žížaly pomáhají pohlcenou organickou hmotu nadrobit na menší kousíčky, které jsou potom ve střevě žížal obaleny jíly (obr. 1). To významným způsobem podporuje tvorbu MAOM, jak již bylo popsáno výše. Je zajímavé, že mechanické promíchávání půdy nemá tak velký positivní efekt. Nejspíše proto, že podporuje spíše zapravení větších úlomků organické hmoty do půdních prostorů mezi půdní agregáty. Tento pozitivní dopad snadno rozložitelné organické hmoty na hromadění půdní organické hmoty se ale uplatňuje pouze do té doby, dokud není půda saturována uhlíkem. Jakmile k tomu dojede, je hromadění dalšího MAOM zanedbatelné.
V půdách, které jsou již saturované, může dodávání hůře rozložitelné organické hmoty vést k tomu, že se její drobné úlomky hromadí v půdě (POM), anebo v nadložních horizontech. To, co se zde hromadí, je z velké části mrtvá rostlinná biomasa a její kumulace je dána rozdílem rychlosti přísunu a rychlosti dekompozice organické hmoty. Proti nenasyceným půdám, kde snadná rozložitelnost organické hmoty podporuje její hromadění v půdě, je hromadění organické hmoty v saturovaných půdách naopak podporováno pomalým rozkladem přidávané organické hmoty. Podíl jednotlivých frakcí půdní organické hmoty se liší mezi různými ekosystémy. V lesních půdách zpravidla převládá POM, naopak v půdách lučních či orných převládá MAOM.
Obr. 1: Rentgenová tomografie půdního agregátu vytvořeného bez činnosti žížal (a) a činností žížal (b); šipky ukazují kousky organické hmoty obalené jíly (oPOM)
Možnosti navyšování organické hmoty v půdě
Jak můžeme hromadění půdní organické hmoty podporovat? Jak již bylo řečeno, způsoby, kterými chceme hromadění organické hmoty kladně ovlivňovat, se do určité míry budou lišit v závislosti na stavu půd, zejména na stupni jejich saturace uhlíkem. Maximální množství uhlíku, které se může v půdě uložit v podobě MAOM, závisí na obsahu jílu a prachu, můžeme ho tedy odhadnout z obsahu těchto dvou složek půdy. Stupeň saturace uhlíkem se dá odhadnout jako rozdíl mezi stávajícím obsahem uhlíku a touto maximální hodnotou. Nicméně se lze domnívat, že většina našich zemědělských půd není uhlíkem zcela saturována a je zde tedy prostor pro další hromadění.
To lze ilustrovat např. na tom, že průměrný obsah uhlíku v našich orných půdách udává ÚKZÚZ na úrovni 1,5 %, zatímco v lučních porostech se jedná o 2,1 %. Je zajímavé, že starší literatura, prezentující obsahy uhlíku v druhově bohatých polopřirozených loukách, udává ještě větší hodnoty (6–14 %, uvažujeme-li pouze louky s minerální půdou a nebudeme-li zohledňovat rašelinné louky, kde jsou obsahy ještě vyšší). To naznačuje, že je zde prostor pro další sekvestraci uhlíku v půdě. Samozřejmě, jak bylo popsáno výše, lze očekávat, že rychlost této akumulace bude větší u půd, které jsou v dané chvíli chudší na půdní organickou hmotu.
Co tedy dělat pro to, abychom obsah organické hmoty v půdě navýšili? Jistě nejjednodušší je zvýšit vstup organické hmoty do půdy v podobě organického hnojení a zeleného hnojení, tedy zejména zaoraných meziplodin. Zvyšování přísunu organické hmoty v podobě hnoje je v našich podmínkách limitováno snížením stavu hospodářských zvířat a z toho plynoucí sníženou produkcí hnoje. Jsou zde ale i alternativní zdroje organické hmoty, jako průmyslové komposty nebo kaly z čistíren odpadních vod. Nicméně jejich užívání přináší některá další rizika a ani jejich produkce nemůže zcela nahradit propad v produkci hnoje. Z tohoto pohledu se tedy jeví užívání meziplodin jako nejperspektivnější.
Dalším perspektivním opatřením by mohlo být zvýšení podílu víceletých pícnin na orné půdě a to proto, že jednak po sobě zanechávají velké množství kořenové biomasy, a také z toho důvodu, že produkují velké množství kořenových exudátů, které mohou přispívat ke hromadění půdní organické hmoty. Nicméně pěstování víceletých pícnin je opět limitováno využitelností produkované píce, která naráží na snížené stavy skotu. Na druhou stranu dovážíme velké množství sóji jako krmivo pro monogastrická zvířata a objevují se i technologie, jak zpracovat biomasu víceletých pícnin do krmiv vhodných pro tato zvířata.
Dalším, často zmiňovaným přístupem ke zvýšení obsahu organické hmoty jsou bezorebné technologie. Řada příkladů sledujících vliv orby na dříve neoraných půdách, např. po rozorání dlouhostébélných prérií v USA na přelomu 19. a 20. století, ukazuje, že zavedení orby vede k významné ztrátě půdní organické hmoty (graf 1). Má se za to, že to souvisí mimo jiné s rozrušováním půdních agregátů a tím rychlejší mineralizací organické hmoty (zejména oPOM), která byla do těchto agregátů zapracována. Bezorebné technologie zpravidla zvyšují obsah organické hmoty v povrchových vrstvách půdy, jejich dopad na hromadění uhlíku v hlubších vrstvách půdy však zatím není zcela jasný.
Graf 1: Změny obsahu organické hmoty v půdě po rozorání dlouhostébelných prérií na východě USA
Závěr
Uvedená fakta nás přivádí k tomu, že pro celkovou zásobu uhlíku v půdě není důležitá jen jeho koncentrace, nýbrž i hloubka organických horizontů. Zkoušely se dokonce technologie, kde byly bezorebné postupy kombinované s převrácením celého půdního horizontu tak, aby se blíže k povrchu dostaly hlubší, uhlíkem už saturované vrstvy. Tento postup může vést k akumulaci uhlíku ve větší vrstvě půdy, nicméně má zároveň za následek dočasné snížení výnosu. V literatuře existuje řada indicií ukazujících, že podpora bioturbace půdními organizmy a druhové bohatosti rostlin může mít pozitivní vliv na hromadění uhlíku v půdě. Bohužel tyto výsledky zatím nejsou na takové úrovni, aby je bylo možno převést do jednoduše použitelných zemědělských technologií.
Článek byl podpořen projektem Jedna příroda (LIFE-IP:N2K: Revisited, LIFE17/IPE/CZ/000005) podpořeného z finančního nástroje Evropské unie LIFE.
Další články v kategorii Výživa a stimulace
RSS
RSS