Půdní organická hmota - od rostlin zpět k rostlinám

26. 02. 2025 Ing. Jindřich Černý, Ph.D. a kol. Výživa a stimulace Zobrazeno 541x

Rostliny a další živé organismy daly půdě historické dědictví v podobě půdní organické hmoty. Při hospodaření na zemědělské půdě můžeme obsah organické hmoty pomalu měnit, a to snižovat či zvyšovat. Obecně je cíleno na zvyšování jejího obsahu v půdě. S ohledem na složitost přeměn organických látek v rostlinách, v půdě či při technologických postupech získávání organických hnojiv, to však nemusí být jednoduché. V tomto příspěvku, a dalších navazujících, některé skutečnosti a souvislosti postupně vysvětlíme.

Zemědělské praxe se stále více dotýká problematika půdní organické hmoty. Tento termín rezonuje v tématech souvisejících s ochranou půd, jejich produkčními i mimoprodukčními funkcemi. Úzce také souvisí s otázkami změny klimatu, zejména produkcí CO₂, resp. jeho ukládáním do půdy (tzv. sekvestrací). Půdní organická hmota má také značný vliv na povrchové i podzemích vody, a to jak na jejich kvalitu, tak množství s ohledem na schopnost půd vodu infiltrovat (tj. vsakovat srážkovou vodu), zadržovat, transportovat do hlubších vrstev a do jisté míry také čistit, resp. nekontaminovat. Na zemědělce, kteří na půdách hospodaří, se může nahlížet jako na ochránce složek životního prostředí, nebo naopak jako na jejich poškozovatele. Bohužel, v mnoha médiích a veřejném mínění zatím spíše převládá druhá možnost.

Obecná definice organických látek

Organická hmota (organické látky, organické sloučeniny) jsou obecně definovány jako sloučeniny uhlíku (C). Výjimku tvoří oxidy (zejména uhličitý - CO₂ a uhelnatý - CO), kyselina uhličitá (H₂CO₃) a jejich soli, kyanidy apod. Avšak i s těmito látkami se v zemědělství velice často setkáváme. Významně přitom ovlivňují koloběh přírodní organické hmoty, zejména vazbou a uvolňováním CO₂ v procesech fotosyntéza -dýchání/mineralizace. Reakcí CO₂ v půdním roztoku vzniká slabá kyselina uhličitá (CO₂ + H₂O → H₂CO₃), která ovlivňuje rozpouštění anorganických látek v půdě a pH půdního roztoku. Soli kyseliny uhličité jsou uhličitany, které v zemědělství také využíváme, tj. vápence a dolomity [CaCO₃ resp. MgCa (CO₃)₂]. Diamid kyseliny uhličité je močovina [(NH₂)₂CO].

Vraťme se však k organickým látkám, ve kterých tvoří uhlík různě složité řetězce nebo cyklické sloučeniny. Různé organické látky tak mají značně odlišnou pevnost vazeb a tím rozdílnou stabilitu. Podle toho pak mohou být organické látky rozkládány nebo přeměňovány. Na uhlík, nebo vzájemně mezi sebou, se v organických látkách poutají další živiny, a to zejména tzv. základní biogenní prvky (kyslík - O, vodík - H), makroživiny (především dusík - N, fosfor - P, síra - S, hořčík - Mg), mikroživiny a další prvky. Z uvedeného je zřejmé, že už v této chvíli se vše točí kolem chemie, v případě organických látek v oblasti organické chemie, resp. biochemie. Nebudeme Vás zatahovat do hlubších souvislostí, ale základní poznatky se následně odráží i v problematice půdní organické hmoty, zejména jak rychle může vznikat, jak se přeměňuje, jak rychle zaniká (resp. je rozkládána) a jaké množství nakonec v půdě zůstane.

Vše se točí kolem uhlíku

Jak bylo uvedeno, základem organických látek je uhlík. Proto se stalo zjišťování obsahu uhlíku v různých materiálech určitým standardem pro bilancování organických látek. V nedávné historii, kdy ještě nebyly rozvinuté současné analyzátory, byly využívány jednodušší metody stanovení obsahu organických látek. Běžně využívaným postupem bylo tzv. stanovení spalitelných látek, resp. výpočet ztráty žíháním. Uhlíkaté organické látky jsou při žíhání kolem teploty 550 °C oxidovány do plynné podoby. Při zvážení původního vzorku a minerálního zůstatku po žíhání lze dopočítat hmotnost spáleného organického podílu. Jelikož u zemin je organický podíl malý, obvykle pouze 2–5 %, vyžadoval tento postup velmi přesné vážení. Přesto mohla být chyba této metody poměrně vysoká (pro zeminy), ale uplatnění našla při stanovení organické hmoty (organických látek) ve statkových hnojivech, kompostech, substrátech apod.

Pro stanovení obsahu uhlíku u zemin se častěji využívaly metody rychlé oxidace organických látek v prostředí silných oxidačních činidel a kyselin (zejm. roztok dichromanu draselného a koncentrované kyseliny sírová, resp. tzv. chromsírové směsi). Některé postupy ještě zvyšují účinnost rozkladu zahříváním vzorku v lázni. Obsah uhlíku je následně možné stanovit či dopočítat na základě titrace a stechiometrických výpočtů, nebo kolorimetricky s využitím standardů. Výsledky těchto analýz byly poměrně přesné, reprodukovatelné, ale celý postup byl časově náročnější a s ohledem na používaná činidla méně bezpečný. Bylo také určitou snahou přepočítávat obsah stanoveného uhlíku zpětně na organické látky, nebo dokonce obsah humusu (např. obsah C × 1,724 = obsah humusu). Jak ale vysvětlíme dále, využití těchto „koeficientů“ není správné, pokud neznáme složení (kvalitu) organických látek ve vzorku půdy. Na tuto skutečnost upozorňujeme záměrně, jelikož ještě dnes některé laboratorní výstupy tyto přepočty obsahují. Obdobně, pokud bychom chtěli porovnat starší výsledky rozborů půd pozemku (pokud nějaké máme k dispozici) s novějšími, je důležité se podívat, jak je obsah organické hmoty vyjadřován, resp. jaká byla použita metoda.

V současnosti jsou využívány laboratorní přístroje, které při vysokých teplotách (800–1 300 °C) prudce spalují organickou hmotu půdního vzorku za vzniku CO₂, jehož koncentrace je změřena detektorem a přepočtena na množství uhlíku. Určitou nevýhodou může být malá navážka vzorku zeminy, a tak je vyžadována naprostá bezchybnost při odběru půdního vzorku a jeho následném zpracování. Vlastní analýza je však rychlá a přesná.

Nepřímou metodou stanovení může být např. využití NIR spektroskopie (Near Infra-Red Spectroscopy - NIRS), která umožňuje rychlé stanovení velkého počtu vzorků za předpokladu, že je pro metodu dostatek referenčních vzorků, resp. správně vytvořená kalibrace. Metoda totiž neměří přímo obsah (resp. uvolňování uhlíku), ale využívá pohlcování či odrazu záření v oblasti spekter blízkých infra-červenému. V posledních letech se metody NIRS pro studium půdy využívají více, jelikož spektrální profily významně korelují s chemickými, fyzikálními i biologickými charakteristikami půd. Kalibrační a ověřovací (validační) rovnice pro stanovení obsahu C (ale i dalších prvků) v půdě dosahují poměrně vysokých hodnot regresní závislosti a lze proto předpokládat v blízké budoucnosti větší využívání NIRS nejen pro základní informace o obsahu C (resp. organické hmoty), ale např. pro hodnocení variability na pozemku a systémy precizního zemědělství.

Omlouváme se za tento analytický úvod, ale jelikož se kolotoč „atrakcí“ spojených s uhlíkem roztáčí čím dál rychleji (uhlíková stopa, ESG reporting, uhlíkové clo, emisní povolenky), lepší hospodaření s uhlíkem již dopadá i na zemědělce. Přesné stanovení obsahu uhlíku v půdě proto je, a bude, klíčovou oblastí hodnocení bilancí uhlíku, a především jeho ukládání do půdy.

Ústřední kontrolní zkušební ústav zemědělský již také stanovuje obsah C ve vzorcích půd odebíraných v systému Agrochemického zkoušení zemědělských půd a dlouhodobě zjišťuje u vzorků tzv. Bazálního monitoringu půd. Změny obsahu uhlíku v půdách při různých způsobech hnojení a hospodaření jsou také měřeny v dlouhodobých polních pokusech univerzit a výzkumných ústavů. Publikované studie ukazují působení mnoha faktorů na přeměny organických látek v půdě a rychlost jejich rozkladu nebo akumulace vyjádřené změnou obsahu C v půdě. Přitom je však důležité rozlišovat krátkodobé vstupy organických látek do půdy, které ji o C rychle obohatí, ale poměrně rychle zase dojde k jejímu úbytku (viz dále) a zdroje, které obsah C v půdě mohou ovlivnit v delším časovém horizontu. Začněme však od začátku.

Obsah uhlíku v rostlinách

Primárním producentem organických látek jsou rostliny, které mají celkem stabilní obsah uhlíku. Informace o složení rostlin patří například mezi nejzákladnější znalosti studentů v oblasti výživy rostlin. Důležité jsou 3 hodnoty, a to je obsah uhlíku, kyslíku a vodíku v sušině rostlin. Pro jednodušší zapamatování obvykle uvádíme, že obsah uhlíku a kyslíku je podobný kolem 45 % (každého), avšak u uhlíku představuje střední hodnotu jeho obvyklého intervalu (tj. 40–50 %) a u kyslíku horní hranici (obvykle 40–45 %). Obsah vodíku je obvykle kolem 6 %. Tyto 3 základní biogenní prvky tak zaujímají kolem 96 % sušiny rostlinné biomasy. Zbytek do 100 % tvoří ostatní živiny, tj. makro- a mikro-prvky, bez kterých se tvorba a přeměny organických látek v rostlinách neobejdou, a také další rostlinami přijaté prvky.

Pro účely tohoto příspěvku zůstaneme pouze o uhlíku. Jak je z uvedeného patrné, jeho zastoupení tvoří téměř polovinu sušiny rostlinné biomasy. Obsahem uhlíku v rostlinné biomase se zabývalo mnoho studií a uvedený rozsah je potvrzen napříč kontinenty. V uvedeném rozsahu obsahu uhlíku (tab. 1) se nachází většina bylin i dřevin, jejich jednotlivé orgány (s ohledem na jejich stáří). Oblasti odběru vzorků jsou znázorněny na obrázku 1.

Tab. 1: Průměrný obsah uhlíku v sušině různých orgánů rostlin a rozptyl hodnot vyjádřený směrodatnou odchylkou SD

Mapa 1: Geografická distribuce míst vzorků použitých ve studii Ma a kol. 2018

Význam ligninu

Z pohledu pozdější akumulace uhlíku v půdách může být zajímavá skutečnost, že více uhlíku obsahují rostliny, nebo jejich orgány, které v pletivech obsahují více ligninu (graf 1). Lignin je významnou součástí pletiv cévnatých rostlin, jelikož je důležitý pro růst a vývoj rostliny, mechanickou odolnost pletiv a také hraje roli v odpovědi na stresové podmínky. Lignin je přírodní polymer (makromolekula), tvořený především tzv. ligninovými jednotkami. Ligninové jednotky jsou v rostlinách vytvářeny a ukládány v různém množství a poměru, což vede k rozmanité struktuře, a to nejen na úrovni druhové, ale také na úrovni jednotlivých orgánů či typů buněk. Stabilitu ligninu zajišťují cyklické (uzavřené) uhlíkaté řetězce s pevnými dvojnými vazbami (tzv. aromatická jádra). Opět se omlouváme za tento úvod do chemie. Podstatné je, že mnoho teorií o přeměnách organických látek označuje lignin jako jednu z nejpravděpodobnějších látek, které jsou výchozí pro tvorbu stabilních organických látek v půdě, obecně nazývaných jako humus. Nejvíce ligninu (a také uhlíku) je především ve dřevní biomase (graf 2).

Mohlo by se zdát, že z pohledu zemědělské praxe jsou tyto dřevní materiály bezvýznamné. Avšak využití dřevní štěpky nebo pilin může mít velký význam při jejich přidávání do některých organických hnojiv, zejména kompostů nebo například při kompostování chlévské mrvy. Jejich využívání umožní rychleji stabilizovat obsah organických látek především na problematických místech pozemků, na které jsme již upozorňovali např. v článku k pěstování ozimé řepky (Agromanuál 7/2024) a vysvětlíme v navazujících článcích k organické hmotě.

Graf 1: Vztah mezi obsahem uhlíku v rostlinách a obsahem ligninu v rostlinných orgánech (upraveno z Maa a kol., 2018)

Graf 2: Vztah mezi obsahem uhlíku v rostlinách a obsahem ligninu v bylinách a dřevinách (upraveno z Maa a kol., 2018)

Poutání uhlíku rostlinami

Uhlík je rostlinami přijímán převážně v podobě CO₂ z atmosféry a v procesu fotosyntézy postupně zabudován do základních organických látek (s ohledem na typ fotosyntézy). Tyto základní organické látky slouží rostlinám jako zdroj stabilního organického uhlíku pro jeho další transformační procesy, tj. přeměny a vznik jiných různorodých organických látek.

Jednoduchými chemickými (stechiometrickými) výpočty je možné spočítat, že každá tuna uhlíku v rostlinné biomase sníží množství CO₂ v atmosféře o 3,66 t. Jak bylo uvedeno v úvodu, na pěstitele je (a v budoucnu čím dál více bude) vyvíjen tlak, aby snížili svou uhlíkovou stopu v produktech změnou či snížením vstupů (např. minerálních hnojiv, zpracováním půdy, spotřebou paliv apod.). Ale zatím se nezohledňuje, že v případě poklesu produkce se také sníží vazba CO₂ v rostlinné biomase. Například při dobrém výnosu zrna pšenice 8 t/ha (při vlhkost 14 %) je vlastně sklizeno 6,88 t sušiny (+1,12 t vody), což při průměrném obsahu 42,6 % C (graf 3) představuje 2,93 t uhlíku poutaného v zrnu pšenice. Při přepočtu na CO₂ tak pěstitel zachytí 10,7 t CO₂/ha (2,93 × 3,66), aniž by zatím musel uhlík uložit do půdy. Zemědělský podnik by si mohl obdobným způsobem vypočítat, kolik CO₂ zachytí při produkci jednotlivých plodin, s ohledem na jejich výnosy a sklízenou výměru.

Graf 3: Obsah uhlíku v zrnu pšenice ve 2 hodnocených letech na různých stanovištích a variantách hnojení v dlouhodobých polních pokusech KAVR

Přeměny uhlíku

Jelikož byl obsah uhlíku v rostlinách zabudován do organických vazeb s využitím přeměněné energie slunečního záření (v procesech fotosyntézy), nachází se na vyšší úrovni energetického stavu. Další přeměny, které začnou využívat energii organických vazeb a uvolňované živiny z organických látek, vedou ke snižování obsahu uhlíku v daném materiálu. Pokud je navíc původní rostlinný materiál „naředěn“ minerálním podílem, dochází k dalšímu snižování obsahu uhlíku. Například v sušině tuhých organických hnojiv je již pouze kolem 22–35 % C (v pořadí: kompost > hnůj > kal). Podobné střední hodnoty obsahu uhlíku v sušině jsou stanovovány i u tekutých hnojiv, jako kejda a digestát, avšak interval (rozpětí) hodnot je širší (hlavně u digestátů 15–40 %), s ohledem na vstupní suroviny, technologické procesy, obsah vody apod.

Významně méně uhlíku se nachází v orniční vrstvě zemědělských půd (v ČR), kde je obsah C obvykle mezi 1–2 % u orných půd a 2–3 % u TTP, může ale kolísat od <0,5 do 6 %. V podorničí je obvykle nižší obsah než 1 % C, často jen kolem 0,5 %. V půdách k úbytku uhlíku z původních vstupních surovin (zbytků rostlin, statkových a organických hnojiv) nejvíce přispívají mikroorganismy, případně mesoorganismy (nikoliv tedy zemědělec) a pochopitelně postupné mísení uhlíkatých organických látek s minerálním podílem půdy. I přes nízký obsah uhlíku v půdě si však půda zachovává největší schopnost celkového poutání C na pevnině.

Studie, které se touto problematikou v globálním kontextu zabývají, odhadují (obr. 2), že zásoba uhlíku v horních 3 m půdy je 2 500 giga tun (GT, 1 GT = 1 mld. tun), což je přibližně 3,3× více než atmosférická zásoba (760 GT). Z uvedeného množství půda obsahuje větší část (1 550 GT) v podobě organicky vázaného uhlíku a přibližně 950 GT anorganického uhlíku (např. uhličitanů). Ve vrchním 1 m půdního profilu je odhadem 1 500 GT uhlíku, přičemž na svrchních 20 cm půdního profilu (ornici) připadá odhadem 615 GT. Do rostlinné biomasy prostřednictvím fotosyntézy je asimilováno přibližně 123 GT/rok, z čehož 3 GT/rok pocházejí z antropogenní činnosti a 120 je zpětné uvolňování CO₂ z dříve fixovaného uhlíku prostřednictvím respirace rostlin (60 GT/rok) a půdních (mikro)organismů (60 GT/rok). V důsledku toho se velká část CO₂, která je zachycena jako asimilovaný C, rychle vrací do atmosféry a pouze malá část vstupuje do stabilní zásoby půdního uhlíku.

V současné době jsou tedy suchozemské ekosystémy úložištěm uhlíku v množství kolem 3 GT/rok, čímž tlumí přibližně jen jednu třetinu ročního nárůstu koncentrace CO₂ v atmosféře z emisí skleníkových plynů (9 GT/rok). Kladná uhlíková bilance půdy, byť jen o malé množství, proto může představovat významný potenciál pro snižování obsahu CO₂ v atmosféře a následné zmírnění změny klimatu. Avšak zemědělství v této snaze nemůže zůstat samo. Významný potenciál mají také lesní ekosystémy, jiné (nezemědělské) půdy apod.

Závěr

Rostliny pěstované na zemědělské půdě mají významný potenciál transformace uhlíku z CO₂ do organických vazeb. Rostlinná produkce tak významně přispívá ke snižování obsahu CO₂ v atmosféře, ale zemědělství bývá spíše trestáno za jeho produkci. Při správném hospodaření na zemědělské půdě je možné část uhlíku také ukládat do půdy. Není však jednoduché organicky vázaný uhlík udržet v půdě dlouhodobě.

Tento příspěvek byl připraven s využitím poznatků získaných při řešení projektů QK21010124 „Půdní organická hmota - hodnocení vybraných indikátorů kvality“, QK23020056 „Vytvoření a ověření modelových systémů dlouhodobé sekvestrace uhlíku v ČR“ a Specifického výzkumu „S projekt“ MŠMT ČR - GA FAPPZ.

Schéma 1: Cyklus uhlíku na pevnině - celkové odhadované zásoby jsou uvedeny v Gt a jeho toky v Gt/rok znázorňují šipky (upraveno dle Janson a kol., 2021)

Použitá literatura je k dispozici u autorů