Zdroje dusíku pro budoucnost najdeš v minulosti

02. 12. 2024 Ing. Antonín Kintl, Ph.D. a kol. Hnojení Zobrazeno 559x

Zkušenosti z let dávno minulých se střídáním pěstovaných plodin vyústily v sestavení osevních postupů se základním kamenem v podobě rostlin z čeledi bobovitých (Fabaceae). Právě tyto rostliny jsou charakteristické svou schopností biologické fixace dusíku, tedy zapojením vzdušného dusíku do biochemických procesů v rostlině, a poté jeho využitím při pěstování následných plodin.

Po popsání postupu průmyslové výroby amoniaku, dnes označované jako Haber-Boschův proces, spatřila světlo světa přímá konkurence přírodních zdrojů dusíku, které dokázala nahradit, viz schéma 1.

Při hledání moderních zemědělských systémů, ať už pojmenovaných jakkoliv, je cílem šetrné využívání přírodních zdrojů, jako je půda a efektivní spotřeba bez nežádoucích vlivů na životní prostředí. Výhodnější by tedy mohl být návrat k přirozeným zdrojům, tzn. k využívání procesu biologické fixace dusíku a zařazení dusík fixujících druhů rostlin do osevních sledů. To podporuje i Hardy (2002), podle něhož by měla, a může být, biologická ekonomika pro 21. století tím, čím byla ekonomika založená na fosilních palivech pro století 20.

Již v 19. století bylo zjištěno, že významná část rostlinné hmoty obsahuje dusík, který je považován za základní stavební prvek samotného života. Je nepostradatelný v syntéze proteinů a proteidů (bílkoviny), chlorofylu, vitaminů, hormonů i DNA. Dusík je stavební jednotkou veškerých enzymů, které se podílejí na látkové výměně u rostlin i živočichů včetně člověka. Dusík je také součástí naší atmosféry, v níž ho najdeme ve značném množství, tj. přibližně 78 %. Proto by se mohlo zdát, že zásob dusíku máme vcelku hodně. Tato plynná forma je ale pro většinu rostlin z důvodu jejich neschopnosti atmosférický dusík fixovat prakticky nedostupná, to však neplatí pro rostliny z čeleď bobovitých. Otázkou tak zůstává, jak nejvhodněji můžeme dusík z atmosféry získat a poskytnout rostlinám, které ho pro dosažení požadované produkce potřebují.

Biologická fixace dusíku

Uvádí se, že biologická fixace N₂ je po fotosyntéze druhý nejdůležitější biologický proces na Zemi, neboť většina dusíku dnes vázaného v biomase organizmů, v odumřelé organické hmotě, v humusových látkách i v nerostech organického původu (např. uhlí a živice) byla v minulosti fixována z atmosféry právě tímto významným procesem (Šimek, 2003). Biologická fixace dusíku byla popsána poprvé v 80. letech 19. století a stala se tématem mnoha výzkumných činností.

Rostliny z čeledi Fabaceae - leguminózy

Biologická fixace dusíku (BFN) je nejčastěji spojována s hospodářsky významnými rostlinami z čeledi bobovitých (Fabaceae). Na jejich kořenech probíhá symbióza hostitelské rostliny s bakteriemi rodu Rhizobium, při níž dochází k tvorbě kořenových hlízek (obr. 1) a následně již ke zmíněné BFN. Obecně lze za efektivně fixující hlízky považovat takové, které jsou velké, dobře vyvinuté, na řezu růžové, zbarvené leghemoglobinem. Bílé a zelené hlízky jsou málo efektivní až parazitické (fixují velmi málo dusíku a odebírají organické látky od rostliny). Hnědé hlízky odumírají a rozpadají se, uvolňují tedy dusík obsažený v pletivech (Möllerová, 2006). Autoři Mikanová a Šimon (2013) uvádějí, že porosty jetelovin jsou schopné fixovat 200–300 kg N/ha. Podle autorů Carlsson a Huss-Danell (2003) může využití biologické fixace dusíku dosahovat u jetele červeného (Trifolium pratense L.) až 373 kg N/ha/rok, u jetele bílého (Trifolium repens L.) 545 kg N/ha/rok a u vojtěšky seté (Medicago sativa L.) 350 kg N/ha/rok.

Biologická fixace dusíku je sama o sobě složitý děj a je závislá na mnoha faktorech. Musíme si uvědomit, že ovlivněny mohou být jak rostliny, tak i bakterie v půdě. Rostliny jsou ovlivňovány celou řadou stresových faktorů, ať biotického či abiotického charakteru a značný význam můžeme přisoudit i výživě rostlin. Zde bylo např. prokázáno, že hladina fosforu a draslíku má vliv na růst hlízek a intenzitu fixace dusíku. Dále se uvádí, že i samotná příprava půdy může výrazně ovlivnit mikrobiální svět, a tím zlepšit či zhoršit podmínky pro biologickou fixaci dusíku. Rovněž existují rozdíly v účinku biologické fixace u různých typů zpracovaných půd. Např. orba dopadla nejhůře, protože při ní byly negativně ovlivněny populace bakterií rodu Rhizobium (Coventry a Hirth, 2003). Samotná agrotechnika může tedy ovlivnit řadu půdních faktorů, které se mohou promítnout do intenzity biologické fixace dusíku, neboť dochází nejen ke změnám ve složení mikrobiálních společenstev, ale i jejich činnosti.

Luskoviny v osevním postupu mohou přispět ke značnému zvýšení výnosu neleguminózních druhů, které nelze vysvětlit pouze tím, že luštěniny mají pozitivní vliv na bilanci dusíku v půdě. Podle Mayer et al. (2003), Jensen et al. (1996) a Jensen et al. (2015) totiž leguminózy ovlivňují i další půdní parametry, především pak mikrobiální aktivity v půdě, které se následně podílejí na zvýšení půdní úrodnosti.

McKenna et al. uvádí, že N získaný z porostů jetelovin může být rozdělen do dvou kategorií: produkce N založená na rhizodepozici během fáze růstu a zisk N prostřednictvím uvolnění během mineralizace rostlinných zbytků a kultivace následujících plodin. Předpokládá se, že rhizodepozice N je u leguminóz vyšší než už jiných rostlin, protože biologická fixace zvyšuje celkovou rychlost asimilace dusíku. Výsledky prezentované v publikacích Sutton et al., Elbl et al. a Kintl et al. poukazují na význam ponechání zbytků biomasy na orné půdě ke zvýšení imobilizace N_min a následnému postupnému uvolňování, viz schéma 2.

V rámci současného zemědělství je komplikované najít prostor pro zařazení jetelovin do osevního postupu alespoň v takové míře, aby došlo k minimální regeneraci půdní úrodnosti. Jednou z možností je využití jetelovin jako meziplodin obzvláště v období mezi pšenicí či ječmenem a kukuřicí v následném roce. Ve výčtu druhů povolených v rámci greeningu jsou uvedeny jetel nachový (inkarnát) - Trifolium incarnatum L., jetel alexandrijský - Trifolium alexandrinum L., jetel perský - Trifolium resupinatum L. a jetel šípovitý - Trifolium vesiculosum Savi. Jedná se o jetele jednoleté, v případě inkarnátu o jetel s krátkou vegetační dobou v příštím roce. Druhou skupinu tvoří jetele vytrvalé, které přezimují a v následném roce brzy na jaře začnou opět tvořit nadzemní i podzemní biomasu. Jako příklad můžeme uvést jetel zvrhlý (Trifolium hybridum L.), viz obr. 2.

Stejně jako v ekologickém zemědělství může být N získáván díky biologické fixaci dusíku (BFN), také ostatní živiny musí být pro udržení dlouhodobé půdní úrodnosti dodávány externě. Část živin může být recyklována přes živočišnou výrobu nebo díky využití biomasy v bioplynových stanicích a následné aplikaci digestátu. Malé množství potřebných živin se může vracet na farmy zpátky z měst. Bohužel ve většině evropských měst, ani ve světě, ale není dostatečně organizován sběr separovaného organického odpadu využitelného v zemědělství. A tak stále převažuje jednosměrný tok živin z farem do měst. Ostatní živiny, jako jsou P, K, S a Mg, představují limitní prvek pro získávání dusíku pro potřeby zemědělské produkce. Vzhledem k tomu, že jsou substráty pro výrobu fosforečných a draselných hnojiv získávány těžbou a dopravovány na velké vzdálenosti, bude jejich využitelnost stále diskutabilní. Získávání dusíku cestou biologické fixace z nevyčerpatelného zdroje bude časem limitující vzhledem k potřebě dalších živin.

Využívání rostlin z čeledi bobovitých má svá specifická úskalí, předem nelze stanovit kolik dusíku bude fixováno, a ještě obtížněji lze určit, kdy a v jakém množství bude tato významná živina poskytnuta např. právě kukuřici. Dusík je nejčastější faktor, který omezuje mnoho zemědělských systémů po celém světě. V ČR je účinnost využití dusíku často limitována jinou deficitní živinou, např. draslíkem, fosforem, hořčíkem nebo sírou. Přesto je pro každého zemědělce velmi obtížné stanovit a zajistit optimální dávku dusíkatých hnojiv, která zabezpečí jak dostatečné výnosy a kvalitu, tak současně minimalizaci ztrát živin vyplavením.

Schéma 1: Dusík na miskách vah

Schéma 2: Role meziplodiny a organické hmoty při fixaci a uvolňování N

Obr. 1: Kořenové hlízky na jeteli zhruba 2 měsíce po vysetí

Obr. 2: Porost jetele zvrhlého (Trifolium hybridum L.)

Závěr

Dusík fixující plodiny nám mohou při správném zařazování do osevních sledů podat pomocnou ruku v rámci řešení otázek správné výživy dusíkem, a to z pohledu agronoma, případně i celosvětového úsilí o snížení množství produkovaného CO₂ do atmosféry při výrobě a dopravě dusíkatých hnojiv. Asi by bylo naivní očekávat, že se bez minerálních hnojiv obejdeme. Zvýšení efektivnosti jejich využití by se ale mohlo projevit při ekonomickém hodnocení zemědělské činnosti, stejně jako na snížení ztrát dusíku např. vyplavením, které způsobuje problémy v životním prostředí. Hledejme proto možnosti pro renezanci pícnin a leguminóz v rámci osevních postupů. Zemědělství je totiž živé a stále proměnlivé.

Článek byl uveřejněn za podpory projektu č. QK21010161 Význam lignocelulózového komplexu z biomasy meziplodin pro zlepšení půdního prostření.

Ing. Antonín Kintl, Ph.D., Ing. Julie Sobotková, Ing. Igor Huňady; Zemědělský výzkum, spol. s r. o. Troubsko,
Ing. Martin Brtnický; Mendelova univerzita v Brně
foto: A. Kintl