Degradace půdy a emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství nutné zlo?

Transkript

1 Strategie AV21 Špičkový výzkum ve veřejném zájmu Miloslav Šimek, Jana Macková Degradace půdy a emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství nutné zlo? VÝZKUMNÝ PROGRAM ROZMANITOST ŽIVOTA A ZDRAVÍ EKOSYSTÉMŮ

2 Obsah Skleníkový efekt atmosféry, skleníkové plyny co to je? 2 Přirozené a antropogenní emise skleníkových plynů 3 Inventarizace emisí podle mezinárodních metodik 5 Globální cykly uhlíku a dusíku 7 Biologické procesy tvorby skleníkových plynů význam půd a sedimentů 10 Omezení emisí plynů z půd a agroekosystémů 17 Výzkum v Biologickém centru AV ČR přinesl nové poznatky o tvorbě a emisích skleníkových plynů i o regeneraci poškozených půd 24 Degradace půdy globální problém 32 Závěrem 41 Použitá a doporučená literatura 42 Slovníček pojmů 45

3 Rozmanitost života a zdraví ekosystémů 2 Skleníkový efekt atmosféry, skleníkové plyny co to je? Výrazy jako globální oteplování, globální změny nebo skleníkové plyny známe díky médiím všichni a staly se součástí naší reality. Tyto původně odborné termíny se však často používají nesprávně nebo v nesprávných souvislostech. Co se tedy skrývá pod pojmem skleníkový plyn? Teplota atmosféry i povrchu Země je výsledkem působení slunečního záření. To přichází k Zemi v různých vlnových délkách: část jako viditelné světlo, část jako ultrafialové záření, část jako infračervené záření atd. Molekuly plynů, vodní kapičky a částice v atmosféře účinkují jako jakýsi filtr, jehož vlivem se určitá část slunečního záření absorbuje již v atmosféře (asi 20 % záření) nebo je odražena zpět do prostoru (asi 30 %). Na povrch Země se tedy dostává jen kolem 50 % záření přicházejícího od Slunce. Toto záření Zemi ohřívá vzpomeňme si, jak se např. v předjaří rádi vystavujeme působení slunečních paprsků. Teplota Země by se tedy měla stále zvyšovat, protože neustále dochází k absorpci dalšího a dalšího záření. Jako každé teplé těleso ovšem Země teplo zároveň vyzařuje do svého okolí a zůstává-li teplota konstantní, vyzařuje se právě tolik energie, kolik se jí přijímá. Avšak molekuly některých plynů v atmosféře zachycují část tepelného záření vyzařovaného povrchem Země (mechanismus tohoto jevu je sice dobře znám, ale vůbec není jednoduchý: představme si to zjednodušeně tak, že molekuly zachycující tímto způsobem tepelné záření se rozkmitají zahřejí ; viz obrázek 1) a přijaté záření je posléze zase uvolněno, a to všemi směry, tedy Obrázek 1. Schéma skleníkového efektu atmosféry Země Molekuly skleníkových plynů v atmosféře mohou zachytit dlouhovlnné infračervené záření směřující do kosmického prostoru a vrátit jej k povrchu Země. Tím se zvyšuje povrchová teplota

4 3 Degradace půdy a emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství nutné zlo? Nabízí se otázka, v čem je ten často přetřásaný problém se skleníkovými plyny, když tyto plyny působí příznivě, zahřívají atmosféru a zabraňují pro život nepříznivému ochlazování povrchu Země? Problém, jak už to tak bývá, musíme hledat u sebe, respektive u lidských aktivit. Atmosféra na Zemi prodělala složitý vývoj a posléze se ustavila do dnešní podoby (rozuměj do podoby v posledních tisících let). Obsahuje vedle hlavních složek, tj. dusíku, kyslíku a argonu, i jisté množství stopových plynů a mj. funguje coby zmíněná účinná peřina (viz box 1). Atmosférický systém byl stabilní do té doby, než jej začal více ovlivňovat člověk. Předtím byla koncentrace stopových plynů dlouhodobě víceméně stálá, jejich produkce byla vyrovnávána spotřebou, a tak se skleníkové plyny v atmosféře nehromadily a zajišťovaly tzv. přirozený skleníkový efekt. Většina z nás již viděla obrázky znázorňující nárůst koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře v posledních několika stoletích přesněji zhruba od počátku tzv. průmyslové revoluce kolem roku 1750, kdy člověk začal ve zvýšené míře využívat fosilní paliva. Spalováním uhlí, později ropy a zemního plynu se uhlík, kdysi postupně ukládaný a dlouhodobě vázaný do těchto látek, relativně velmi rychle uvolňuje, a to hlavně jako oxid uhličitý, a hromadí se v atmosféře. Právě molekuly oxidu uhličitého a dalších skleníkových plynů jsou oním atmosférickým peřím, přičemž evidentně platí, že čím více peří přisypeme, tím více nás bude peřina hřát. Předpokládá se proto, že rostoucí koncentrace skleníkových plynů vyvolá, nebo již dokonce nyní způsobuje, nárůst teploty na povrchu Země, a tím klimatické změny. Změna klimatu, na které se možná významně podílejí i antropogenní emise skleníkových plynů, se stala tématem Valného shromáždění OSN. Jeho vyjednávací výbor sestavil Rámcovou úmluvu OSN o životním prostředí, která byla přijata na Summitu Země v Riu de Janeiro již v roce Tato úmluva zavazuje připojené země k evidenčástečně zpět k povrchu Země. Molekuly těchto plynů vlastně odrážejí část tepelného záření zpět k Zemi, a tak fungují v principu podobně jako sklo ve skleníku: umožňují nejprve průchod záření (hlavně z oblasti viditelné části spektra) k povrchu a vracejí část vyzařovaného záření (z oblasti infračervené) zpět tím se atmosféra a povrch Země více zahřívají (používané přirovnání se skleníkem není ale přesné, neboť zatímco sklo skleníku brání hlavně úniku teplého vzduchu z vnitřního prostoru prouděním, skleníkové plyny v atmosféře brání úniku energie záření). Je ovšem třeba zdůraznit, že skleníkový efekt zemské atmosféry nutně potřebujeme kdyby takto atmosféra nefungovala, byla by průměrná teplota na povrchu Země asi o 30 C nižší, a tak místo současných průměrných +15 C by to bylo pro život vražedných 15 C. Obrazně řečeno, atmosféra působí jako jakási peřina udržující na Zemi vcelku příjemné teplo, v níž některé plynné složky představují peří. Přirozené a antropogenní emise skleníkových plynů

5 Rozmanitost života a zdraví ekosystémů 4 Obrázek 2. V půdě vzniká velké množství skleníkových plynů, vhodným hospodařením lze ale jejich emise do atmosféry výrazně snížit ci a sledování emisí skleníkových plynů, k sestavování programů na redukci emisí a podporu nových technologií a výzkumu. Významným mezníkem bylo přijetí Kjótského protokolu, který zavazuje průmyslové země ke snížení emisí skleníkových plynů průměrně o 5,2 % vzhledem k referenčnímu roku České republice se podařilo snížit emise plynů zhruba o 1/3 oproti roku 1990, zejména díky restrukturalizaci průmyslu. V roce 2012 došlo v Kataru k prodloužení platnosti Kjótského protokolu až do roku 2020 s tím, že podepsané země společně sníží emise skleníkových plynů v následujících 8 letech o 18 % oproti roku Ačkoliv se nám v České republice snižování emisí poměrně daří, stále je česká emisní náročnost hospodářství (při přepočtu emisí na HDP) v mezinárodním měřítku na 5. místě mezi zeměmi EU28. Nepříliš dobře jsme na tom i v množství emisí na obyvatele, kde jsme v Evropské unii sedmí na každého Čecha připadá v současnosti kolem 13 tun přepočtených emisí oxidu uhličitého na rok.

6 5 Degradace půdy a emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství nutné zlo? Inventarizace emisí podle mezinárodních metodik Antropogenní emise skleníkových plynů se kalkulují podle mezinárodně uznávaných metodik v intencích Rámcové úmluvy OSN o změně klimatu. V České republice je pověřen touto agendou Český hydrometeorologický ústav, který spravuje tzv. národní inventarizační systém emisí skleníkových plynů (National Inventory System, NIS). Inventarizace emisí spočívá ve kvalifikovaných odhadech emisí z jednotlivých sektorů hospodářství. Pro tyto odhady se využívají statistické údaje a jiné dostupné informace. Hlavním výstupem inventarizace jsou oficiální zprávy o emisích (National Inventory Report, NIR), které jsou dostupné na internetu ( poslední z nich vyšla v březnu 2014 a týká se inventarizace emisí za období Podle této zprávy se zemědělství v České republice podílí na celkových emisích skleníkových plynů (CO 2 + CH 4 + N 2 O + freony) asi 6 % (obrázek 3). Je ale největším původcem emisí N 2 O a druhým až třetím největším původcem emisí CH 4 v ČR. energetika a doprava (81,5 %) průmyslové procesy (9,2 %) zemědělství (6,1 %) odpady (2,9 %) rozpouštědla aj. (0,3 %) Obrázek 3. Podíl jednotlivých sektorů na antropogenních emisích skleníkových plynů přepočtených na CO 2 eq. v České republice v roce 2012 V grafu nejsou uvedeny tzv. záporné emise (tedy poutání skleníkových plynů) související s využitím půdy a krajiny a lesnictvím, které dosáhly výše 7,2 Mt CO 2 eq. na rok 2012, tedy cca 5,8 % všech emisí (131,5 Mt CO 2 eq.) (podle Národní inventarizační zprávy National greenhouse gas inventory report of the Czech Republic, Praha, duben 2014) V této brožuře se zaměříme na jeden z hlavních zdrojů skleníkových plynů na půdu a na některé zemědělské aktivity, které také vedou ke tvorbě a následně i emisím obrovského množství skleníkových plynů. V celosvětovém měřítku se zemědělství podílí na ¼ celkových emisí způsobených lidskou činností. Tato skutečnost je asi pro

7 Rozmanitost života a zdraví ekosystémů 6 Box 1: Složení suchého čistého atmosférického vzduchu Koncentrace některých složek vzduchu, např. oxidu uhličitého, metanu a oxidů dusíku, se stále zvyšuje (ppmv = parts per million by volume; objemová miliontina). Složka Koncentrace (% obj., ppmv) dusík 78,084 % kyslík 20,946 % argon 0,934 % oxid uhličitý cca 390 ppmv neon 18,18 ppmv helium 5,24 ppmv metan cca 1,80 ppmv krypton 1,14 ppmv vodík 0,5 ppmv oxid dusný cca 0,32 ppmv xenon 0,087 ppmv Jako skleníkové plyny se označují plyny v atmosféře, které způsobují tzv. skleníkový efekt. Z mnoha známých plynů s těmito vlastnostmi má zejména následujících 6 praktický význam: 1. vodní pára (H 2 O; běžně se do skleníkových plynů nezařazuje, avšak její působení je největší); 2. oxid uhličitý (CO 2 ; hlavní zdroje: spalování fosilních paliv a biomasy, změny ve využívání půdy odlesňování, využívání organických půd pro zemědělství, intenzivní agrotechnika, mikrobiální rozklad organických látek v půdě, respirace organismů); 3. metan (CH 4 ; hlavní zdroje: mokřady, rýžová pole, trávicí trakty živočichů, skládky organických hnojiv, skládky odpadů, půdy, těžba a použití fosilních paliv); 4. oxid dusný (N 2 O; hlavní zdroje: průmyslová dusíkatá hnojiva, organická hnojiva, půdy, spalování fosilních paliv a biomasy, průmyslová výroba); 5. halogenované uhlovodíky, tzv. freony (CFCs, HFCs, aj.; hlavní zdroje: výroba a použití plastů, chladiva, aerosoly apod.); 6. ozon v troposféře (O 3 ; hlavní zdroje: spalovací procesy, chemické reakce v troposféře s uhlovodíky, oxidy dusíku, metanem, aj.).

8 7 Degradace půdy a emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství nutné zlo? mnoho čtenářů sama o sobě překvapivá z médií i odjinud přece známe jiné zdroje skleníkových plynů: spalování fosilních paliv i biomasy, průmyslovou výrobu, dopravu atd. Jak je to tedy s půdami? A dá se s tím něco dělat? Na tyto otázky budeme v následujícím textu hledat odpovědi. V našem přehledu, jenž je zaměřen na půdy a zemědělství, opomineme freony, ozon a vodní páru. Freony, či přesněji halogenované uhlovodíky, představují skupinu chemických sloučenin uměle vyrobených člověkem, které se pro své specifické vlastnosti používají v chladicích a klimatizačních systémech a v dalších zařízeních. Jsou to látky velmi sledované, jejich použití se momentálně silně omezuje a je kontrolováno mezinárodními dohodami. V půdě ani jinde v agroekosystémech nevznikají. Pokud jde o vodní páru, je sice největším přirozeným zdrojem skleníkového efektu, ale její množství v atmosféře se vlivem člověka zřejmě výrazně nemění a v souvislosti s antropogenním příspěvkem ke skleníkovému efektu se o vodní páře neuvažuje. Nebudeme se věnovat ani dalším plynům a látkám, které mohou mít radiační účinky, ať již oteplující, nebo ochlazující oteplující účinek se např. předpokládá u ozonu v troposféře (nejnižší vrstvě atmosféry), zatímco ochlazující účinek má ozon ve stratosféře (vyšší vrstvě atmosféry) a také například sulfáty rozptýlené ve vzduchu. V globálním měřítku mají tyto látky srovnatelný význam s jinými skleníkovými plyny, ale změny jejich koncentrace v atmosféře jsou méně zřejmé a mnohem méně závislé na zemědělské činnosti a využívání půdy. Za hlavní plyny se skleníkovým efektem v atmosféře a s přímou návazností na lidské aktivity včetně zemědělství se pokládají tři plyny (box 1): oxid uhličitý, jehož antropogenní produkce je odpovědná za 60 % globálního potenciálního oteplujícího účinku, metan (20 %) a oxid dusný (6 %). Zbývajících 14 % připadá na výše uvedené freony. Globální cykly uhlíku a dusíku Cyklus uhlíku a emise uhlíkatých plynů v suchozemských ekosystémech Dva hlavní skleníkové plyny, oxid uhličitý a metan, jsou produkty činnosti organismů jsou to koncové metabolity, jejichž tvorbou se uzavírá rozklad organických látek v přírodě. Jak ukazuje obrázek 4, hlavní procesy produkující uhlíkaté plyny jsou dýchání (respirace) rostlin i živočichů, rozklad organických látek (tedy vlastně dýchání mikroorganismů) a fyzikálně chemické procesy zahrnující zde spalování biomasy a fosilní paliva. Oxid uhličitý potřebují a využívají zelené rostliny ve složitém procesu tvorby své biomasy ve fotosyntéze. Po odumření a rozkladu biomasy je posléze uvolňován zpět do atmosféry. Takto čtvereční metr půdy vydýchává až 5 litrů CO 2 denně.

9 Rozmanitost života a zdraví ekosystémů 8 Uhlíkaté plyny v atmosféře (CO 2, CH 4, CO, aj.) ) Obrázek 4. Cyklus uhlíku v suchozemském ekosystému Během fotosyntézy je uhlík zabudován do jednoduchých organických sloučenin a následně do celé biomasy rostliny. Z ní se během dýchání (aerobní procesy) či fermentace (anaerobní procesy) uvolňuje zpět do atmosféry, ať již ze samotných rostlin nebo procesy rozkladu odumřelé organické hmoty. Velké množství uhlíku v podobě oxidu uhličitého se do atmosféry dostává také spalováním biomasy či fosilních paliv. Menší část uhlíku se metabolizuje na metan, zejména v anaerobních podmínkách, např. v zaplavených půdách nebo trávicím traktu zvířat, a uniká do atmosféry či je využita metanotrofními mikroorganismy a přeměněna opět na oxid uhličitý Obrázek 4 je sice dosti zjednodušený, nicméně dobře ukazuje na hlavní toky uhlíku (C) v přírodě. Zdůrazňuje také zásadní význam atmosféry coby největšího aktivního zásobníku C v globálním měřítku. Hlavním zdrojem emisí oxidu uhličitého je respirace organismů včetně rozkladných procesů. Odhaduje se, že v globálním měřítku protéká ze suchozemských ekosystémů do atmosféry kolem 75 miliard tun

10 9 Degradace půdy a emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství nutné zlo? C ve formě CO 2 ročně, ale tento přírůstek je vyrovnáván přibližně stejně velkou spotřebou CO 2 ve fotosyntéze rostlin. Globální bilanci uhlíku tak mohou narušit na straně produkce jen dva velké zdroje, tedy zvýšené využití fosilních paliv a vyšší rozklad organické hmoty v půdě, vodě a sedimentech. A právě to se také v současnosti mnohde děje zvýšené antropogenní emise uhlíku ve formě CO 2 ze zemědělství jsou dány změnami ve využívání půdy, které vedou k urychlování rozkladu organické hmoty. Navíc globální rovnováhu uhlíku narušuje dlouhodobé poškozování ekosystémů a jejich rostlin i mikrobů, kteří CO 2 spotřebovávají. Dříve vyrovnaná bilance CO 2 (produkce = spotřeba) se tak posunuje ke zvýšené produkci i nižší spotřebě, a tak i ke hromadění CO 2 v atmosféře. Současná koncentrace CO 2 ve vzduchu je kolem 390 ppmv v každém m 3 čistého vzduchu je tedy 390 ml oxidu uhličitého, což je přibližně o třetinu více než v polovině 18. století. Kromě CO 2 obsahuje vzduch i další uhlíkaté sloučeniny, především metan (CH 4 ) a oxid uhelnatý (CO). I když je jejich množství mnohem menší, zejména metan je jedním z plynů s vysokou radiační účinností, tedy jedním ze skleníkových plynů. Molekula metanu je dokonce relativně 10 30krát účinnější než molekula oxidu uhličitého (různé uváděné hodnoty jsou poplatné odlišnému způsobu výpočtu a interpretace). Koncentrace metanu v přízemní atmosféře byla donedávna, tedy asi do roku 1750, přibližně 0,75 ppmv to znamená, že v jednom m 3 vzduchu bylo 0,75 ml metanu. Poté se začala postupně zvyšovat a exponenciální nárůst produkce vedl k současné koncentraci kolem 1,8 ppmv (v jednom m 3 vzduchu je nyní kolem 1,8 ml metanu). Vidíme, že za 250 let se koncentrace metanu v atmosféře více než zdvojnásobila. Kde se všechen ten metan vzal? Nenechme se mýlit těmi zdánlivě malými čísly vezmeme-li v úvahu objem a hmotnost atmosféry, narostlo množství metanu v atmosféře z původních asi 2 miliard tun na dnešních 4,8 miliard tun. Ke stávajícímu množství se nyní navíc každoročně dostává do atmosféry kolem 500 milionů tun nového metanu. Naštěstí existují i mechanismy jeho oxidace, tedy spotřeby a odbourávání, a tak se čistý přírůstek metanu v současnosti odhaduje na pouhých milionů tun metanu ročně. Hlavní zdroje metanu lze rozdělit na přirozené a antropogenní, tedy člověkem způsobené. Přitom přes 50 % emisí metanu souvisí s půdou a zemědělstvím: hlavním zdrojem jsou mokřady (23 %) následované produkcí související s chovem dobytka (16 % ze zažívacího traktu a z půdy + 6 % z hnoje) a pěstováním rýže (12 %). Další významné zdroje představuje těžba a zpracování ropy a zemního plynu (10 %), uhlí (8 %), spalování biomasy (8 %), skládky atd. V půdách, mokřadech, skládkách organických hnojiv, v trávicích traktech zvířat včetně skotu a dalšího chovaného dobytka i jinde vzniká metan jako metabolit činností specializované skupiny tzv. metanogenních mikroorganismů. Proces tvorby metanu (metanogeneze) je tedy mikrobiální proces a stejně tak i proces jeho odbourávání (oxidace) může být mikrobiální, ale i fyzikálně chemický (reakce s hydroxylovými radikály v troposféře).

11 Rozmanitost života a zdraví ekosystémů 10 Cyklus dusíku a emise dusíkatých plynů v suchozemských ekosystémech Atmosféra je hlavním aktivním zásobníkem dusíku na Zemi (obrázek 5). Z atmosféry se různé dusíkaté látky dostávají na zemský povrch a do atmosféry se posléze vracejí. Molekulární dusík, tedy hlavní složka vzduchu, může být abioticky i biologickým procesem fixován (díky symbióze rhizobií a bobovitých rostlin nebo činností nesymbiotických bakterií v půdě) a v redukované amonné formě využit v metabolismu organismů. Po různých přeměnách dusíkatých látek a přenosech mezi organismy a půdou se dusík hlavně ve formě plynů navrací několika různými cestami do atmosféry a jeho cyklus se uzavírá. Skutečnost bohužel není tak idylická a přímočará, jelikož do přirozené rovnováhy přenosů dusíkatých látek v prostředí stále více zasahuje člověk. Přirozený tok dusíku z atmosféry, odhadovaný na cca milionů tun N za rok, je v současnosti doplňován přibližně stejně mohutným antropogenním vázáním dusíku. Vzdušný dusík se totiž využívá jako hlavní surovina pro výrobu amoniaku, který pak slouží k výrobě dusíkatých hnojiv a mnoha dalších výrobků. Jiným velice problematickým aspektem koloběhu N je to, že mikrobiální procesy v půdě a vodě nevytvářejí jen molekulární dusík, kterým navracejí fixací spotřebovaný N 2 do atmosféry, ale při mikrobiálních přeměnách se určitá část N uvolňuje ve formě oxidu dusného (N 2 O) a dalších dusíkatých plynů. Oxid dusný je, jak již víme, na rozdíl od neškodného molekulárního dusíku, významným skleníkovým plynem. Je ještě mnohem účinnějším skleníkovým plynem než metan, neboť jedna molekula oxidu dusného má radiační (oteplovací) účinek větší než 10 molekul metanu nebo než 300 molekul oxidu uhličitého. Oxidu dusného je ale naštěstí v atmosféře celkově mnohem méně než metanu a jeho koncentrace je nyní kolem 0,32 ppmv (v jednom m 3 vzduchu je obsaženo 0,32 ml oxidu dusného), což je přibližně o 17 % více než v polovině 18. století. Biologické procesy tvorby skleníkových plynů význam půd a sedimentů Všechny tři významné skleníkové plyny, oxid uhličitý, metan i oxid dusný, vznikají biologickými i abiotickými procesy v půdách, a to obecně bez ohledu na klimatické podmínky, typ a druh půdy a způsob jejího využití. Půdy v přirozených ekosystémech jsou tedy normálním a přirozeným zdrojem, ale i spotřebitelem skleníkových plynů. Množství a vzájemný poměr produkce a spotřeby těchto plynů v půdě a emise z půdy do atmosféry nicméně závisejí na mnoha faktorech prostředí a na mnoha vlastnostech půd a jejich společenstev organismů. Je proto logické, že tak, jak člověk obděláváním i jiným využíváním půdy ovlivňuje její vlastnosti, tak ovliv-

12 11 Degradace půdy a emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství nutné zlo? Dusíkaté látky v atmosféře (N 2, N 2 O, NO, NH 3 ) Obrázek 5. Cyklus dusíku v suchozemském ekosystému Molekulární dusík a jeho další formy se z atmosférického zásobníku dostávají do půdy biologickou fixací nebo spady. Při fixaci se N 2 redukuje na amonnou formu, která je v různých podobách zabudována do biomasy. Po jejím odumření se dusík mineralizací opět uvolňuje a slouží jako zdroj pro půdní mikroorganismy či rostliny, nebo je převeden na nitrátovou formu. Nitráty mohou být následně využity rostlinami, nebo přeměněny na plynnou formu (N 2 O, N 2 ), která se uvolňuje zpět do atmosféry, či jsou zpět redukovány na amoniak nebo vyplaveny z půdy ňuje i hospodaření půd s plyny. Poměr mezi produkcí a spotřebou jednotlivých plynů závisí na mnoha okolnostech, a proto v určitých konkrétních podmínkách může převážit produkce skleníkových plynů z půdy, zatímco v jiných podmínkách převažuje v půdě jejich spotřeba.

13 Rozmanitost života a zdraví ekosystémů 12 Oxid uhličitý Pokud uvažujeme samotnou půdu, je většinou čistým (netto) zdrojem atmosférického oxidu uhličitého (CO 2 ), jelikož, jak všichni dobře víme, půda je prostředí, kde zejména dochází k rozkladu a přeměnám odumřelé organické hmoty zbytků rostlin, živočichů i mikroorganismů. Půdy proto vždy produkují CO 2, jenž je emitován do atmosféry, i když současně se může CO 2 v té samé půdě i spotřebovávat. Spotřeba CO 2 v půdě rozmanitými mikroorganismy má sice svůj nezastupitelný význam pro tyto organismy, ale v porovnání s produkcí CO 2 v půdě je nízká. Ani jiné půdní procesy, které spotřebovávají CO 2, jako je zvětrávání křemičitanů a tvorba uhličitanů, nemají v lokální bilanci CO 2 význam. Hlavním zdrojem CO 2 v půdě, a následně zdrojem emisí CO 2 z půdy, jsou tedy respirace kořenů rostlin a rozklad organické hmoty mikroorganismy a živočichy. Protože je metodicky i prakticky obtížné tyto dva hlavní zdroje CO 2 v půdě odlišit, zahrnují se často do pojmu dýchání půdy. Respirace kořenů činí asi % respirace půdy a je různá podle typu ekosystému, využití půdy atd. (obrázek 6). Rozklad organické hmoty a navazující biologické procesy jsou tak zdrojem % CO 2 produkované- a b Obrázek 6a, b. Stanovení respirace půdy pomocí komor Víka komor jsou usazena na dobu 1 2 hodin měření na spodních částech, které mohou být instalovány na pozemku i na delší dobu (a). Měření emisí plynů z půdy tak může být prováděno opakovaně ze stejných míst pozemku. V určitých intervalech se z komory odebírají vzorky plynů k analýze (b)

14 13 Degradace půdy a emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství nutné zlo? ho v půdě. Intenzita rozkladu, a tedy i míra tvorby CO 2, je závislá hlavně na teplotě a vlhkosti půdy, na provzdušnění čili dostupnosti kyslíku, samozřejmě na dostupnosti a kvalitě rozkládané organické hmoty a na vlastnostech společenstva půdních organismů. Rozklad organické hmoty ale ovlivňuje i mnoho dalších faktorů včetně fyzikálně chemických vlastností půdy a jejího obdělávání. Nesmíme ovšem pominout, že v půdách se uhlík v organické hmotě ukládal dlouhodobě a v tomto smyslu je půda opravdu obrovským úložištěm čili zásobníkem uhlíku. Metan Půdy jsou čistým zdrojem i spotřebitelem metanu (CH 4 ). V tropických ekosystémech se nacházejí některé mohutné globální zdroje CH 4 : periodicky zaplavovaná rýžová pole, mokřady, termiti a hospodářská zvířata, spalovaná biomasa včetně tzv. vypalování pralesů, aj. Zemědělské půdy v mírném pásu jsou často spotřebitelem CH 4, ale za jistých okolností může i zde převažovat produkce nad spotřebou. Půdy mokřadů, ať již přirozených, nebo člověkem vytvořených, sedimenty a bahno či dlouhodoběji zaplavené půdy jsou významným zdrojem CH 4, zatímco v lesních půdách se CH 4 většinou spotřebovává (obrázek 7). Produkce CH 4 je mikrobiální proces probíhající v anaerobních podmínkách, které brzy převládnou např. v zaplavené půdě. Dýcháním rostlin a mikrobů zde během několika hodin až dnů dojde k vyčerpání kyslíku a nastoupí procesy fermentace, které produkují jednodušší organické sloučeniny (alkoholy, organické kyseliny, aj.) a plyny (H 2 a CO 2 ). Tehdy se mohou uplatnit metanogenní (metan produkující) mikroorganismy, dnes zařazované do skupiny archea (také archaea, jednotné číslo archeon), které jsou morfologicky podobné bakteriím, ale ovládají rozmanité transformační procesy a žijí i ve velmi extrémních podmínkách včetně např. horkých pramenů, zasolených půd aj. Metanogenní mikroorganismy např. redukují CO 2 pomocí H 2 a produkují CH 4 ; existují ale i jiné metabolické dráhy, jimiž se CH 4 vytváří. Úplně stejnými mikrobiálními procesy se metan tvoří v žaludku přežvýkavců včetně skotu a v trávicích traktech termitů a jiných živočichů ve všech těchto prostředích vytvářejí metan metanogenní archea. V půdě vytvořený metan se dostává na povrch půdy a emituje do atmosféry nebo může být ještě v půdě spotřebován. Běžnou složkou mikrobiálního společenstva mnoha půd jsou totiž metanotrofní (=metan spotřebovávající) bakterie. Pokud není produkce metanu v dané půdě příliš vysoká, metanotrofní bakterie spotřebují všechen produkovaný CH 4. Spotřebovávají dokonce CH 4 z atmosféry (a proto jsou mnohé půdy spotřebiteli atmosférického metanu, jak jsme uvedli výše). V silně organicky a živinově zatížené půdě můžeme nalézt i jiný způsob spotřeby metanu, a to za anaerobních podmínek. Provozují jej opět archea ve společenství s bakteriemi redukujícími buď síru nebo oxidy kovů či bakterie s unikátním propojením dvou procesů: denitrifikace a aerobní oxidace metanu.

15 Rozmanitost života a zdraví ekosystémů 14 Obrázek 7. Lesní půdy mírného pásma jsou obvykle spotřebitelem metanu. V určitých situacích mohou být nicméně i zdrojem emisí metanu: zaplavená lokalita na obrázku se po odtání ledu změní na malý mokřad. V půdě, která obsahuje mnoho organické hmoty a kvůli přesycení vodou málo vzduchu, a tedy i kyslíku, jsou příznivé podmínky pro metanogenní mikroorganismy. Mikrobiální rozklad organické hmoty za anaerobních podmínek povede k tvorbě metanu. Část metanu ještě v půdě využijí metanotrofní bakterie a přemění jej na oxid uhličitý, ale (neznámá) část metanu unikne do ovzduší Oxid dusný Půdy jsou zdrojem i spotřebitelem také oxidu dusného (N 2 O). Většinou převládá čistá produkce N 2 O a půdy tedy emitují N 2 O do atmosféry. Proč? V zemědělské půdě je obvykle dostatek dusíku podporujícího rozmanité mikrobiální procesy, kterými se transformují určité formy dusíku na jiné formy. Přitom vznikají i dusíkaté plyny včetně N 2 O, a to jako hlavní produkt těchto transformací (tak je tomu v procesu denitrifikace, kdy je nitrátová forma přeměňována na N 2 O a N 2 ) nebo jako vedlejší produkt (při nitrifikaci, kterou je amonná forma přeměňována na nitrátovou, ale současně se může tvořit i N 2 O). Obecně lze říci, že zvýšená produkce N 2 O nastává v situaci, kdy je v půdě nadbytek N, který mohou využít mikroorganismy. Emise N 2 O jsou tedy vysoké z půd hnojených vyššími dávkami průmyslových i statkových dusíkatých hnojiv,

16 15 Degradace půdy a emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství nutné zlo? z půd po zapravení velkého množství na dusík bohatých zbytků rostlin (např. jetelovin a luskovin), z půd pastvin, kde dobytek zanechává velké množství exkrementů, z utužených půd, kde nedostatek kyslíku stimuluje mikrobiální procesy, při nichž vzniká N 2 O, apod. (obrázek 8). Při zvýšených vstupech N v nejrůznější formě do půdy můžeme očekávat vyšší emise N 2 O z půdy. Pro úplnost dodejme, že část v půdě vytvořeného N 2 O může být v téže půdě spotřebována a zneškodněna mikrobiální přeměnou na molekulární dusík, N 2. Nový pohled na spotřebu N 2 O v půdě přinesli američtí vědci před dvěma lety, když prokázali schopnost redukce N 2 O také za přítomnosti kyslíku a gen pro příslušný enzym našli u různých skupin půdních mikroorganismů. Obrázek 8. Nadměrně utužená půda v kolejích vyježděných zemědělskými stroji a dopravními mechanismy. V půdě utužené těžkou mechanizací je nedostatek kyslíku, což podporuje mikrobiální procesy tvorby oxidu dusného i metanu Pastevní ekosystémy Zvláštním typem agroekosystému se zvýšenou produkcí skleníkových plynů jsou pastevní ekosystémy. Skleníkové plyny zde vznikají stejnými mechanismy a procesy jako v jiné půdě, ale jejich tvorba je vysoká vzhledem ke specifickým pod-

17 Rozmanitost života a zdraví ekosystémů 16 mínkám. Půdy pastevních ekosystémů bývají lokálně zatíženy velkými vstupy živin, a to jak dusíku, fosforu a jiných minerálních živin, tak i organických látek; současně dochází pasením k ovlivnění fyzikálních vlastností půd a narušení rostlinného pokryvu (obrázek 9). To vše vytváří příznivé podmínky pro rozvoj mikroorganismů a pro jejich intenzivní činnost, jejímž důsledkem je také tvorba skleníkových plynů, CO 2, CH 4 i N 2 O. Kromě pastevních půd je velkým zdrojem CH 4 samotný dobytek, tedy vlastně mikrobiální procesy v zažívacím traktu zvířat i mikrobiální procesy ve statkových hnojivech. Skladovaný hnůj, kejda či močůvka představují velké lokální zdroje emisí skleníkových plynů. Podobně zvyšuje jejich tvorbu i aplikace těchto hnojiv do půdy. Můžeme tedy shrnout, že zemědělské půdy mohou být čistým zdrojem CO 2 (zejména v případě, kdy se vlivem agrotechniky urychlí rozklad organické hmoty), CH 4 (typicky po zaplavení nebo při významném snížení provzdušnění a při nadbytku organických látek v půdě) i N 2 O (např. po hnojení vyššími dávkami hnojiv). K významným zemědělským zdrojům patří také dobytek a statková hnojiva. a b c d Obrázek 9a, b, c, d. Pastva skotu (a), ovcí (b) i dalších zvířat vede v určitých obdobích k velké kumulaci zvířat na malé ploše. Půda je pak pastvou nebo pobytem zvířat na zimovištích (c) silně ovlivněna a vytváří se podmínky pro velké ztráty živin včetně emisí plynů. Při volném chovu dobytka (d) to může nastat i v zimě

18 17 Degradace půdy a emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství nutné zlo? Omezení emisí plynů z půd a agroekosystémů Cesty ke snížení emisí plynů z agroekosystémů Zemědělské půdy jsou podle národní inventarizační zprávy za rok 2012 největším zdrojem skleníkových plynů ze zemědělství v České republice (obrázek 10). Základním principem snížení emisí skleníkových plynů z půd je již omezení jejich tvorby v půdě. Toho lze obecně dosáhnout efektivnějším využitím uhlíku a dusíku v agroekosystému. Jako příklad si uveďme zvýšení efektivity příjmu dusíku z hnojiv. Je známo, že pouze asi 1/3 a málokdy až 2/3 dusíku z aplikovaného hnojiva se využijí jako živina pro tvorbu biomasy plodin. Zbytek, tedy často i většina, jsou z hlediska využití dusíku plodinami ztráty. Část tohoto dusíku sice obvykle zůstává v půdě v biomase mikroorganismů a v půdní organické hmotě, je zde tedy uschována pro další využití, ale velká část uniká do ovzduší nebo se vyplaví do vod či odnese s půdou erozí. Vypadá to jako velké mrhání relativně drahou komoditou dusíkem v hnojivu a je to skutečně tak. V praxi ale není jednoduché zajistit vysoké výnosy plodin, aniž by se do půdy dodalo nadbytečné množství živin v hnojivech. Jiným příkladem může být tvorba metanu metanogenními mikroorganismy v žaludku přežvýkavců. Každé zvýšení stravitelnosti potravy dobytka a tím zvýšení a zefektivnění příjmu živin z pozřených krmiv vede obvykle ke snížení emisí metanu. zemědělské půdy (61 %) fermentace v trávicích traktech (25 %) organická (statková) hnojiva (14 %) Obrázek 10. Hlavní zdroje emisí skleníkových plynů ze zemědělství v ČR představují půdy, tzv. enterická fermentace v trávicích traktech chovaných zvířat a statková hnojiva (podle národní inventarizační zprávy National greenhouse gas inventory report of the Czech Republic, Praha, duben 2014)

19 Rozmanitost života a zdraví ekosystémů 18 Druhou základní možností snížení netto emisí je zvýšení ukládání C a N v půdě a celém agroekosystému i zvýšení spotřeby skleníkových plynů v půdě. Půdy představují obrovský zásobník C a N ve formě půdní organické hmoty. Podle různých odhadů je v půdách uloženo asi 1100 až 2400 miliard tun C. Bez ohledu na rozdíly v jednotlivých odhadech se jedná o množství přesahující množství veškerého C v biomase rostlin a živočichů a C v atmosféře dohromady. Půdní organická hmota se vytváří přeměnami organických látek z uhlíku fixovaného rostlinami během fotosyntézy. Paralelně se ovšem organické látky v půdě rozkládají a mineralizují na CO 2 a CH 4. Převládne-li v dané půdě ukládání C (a N) do půdní organické hmoty, hovoříme o čisté spotřebě C (i N) a zároveň se omezí produkce a emise skleníkových plynů. Toho se dá docílit i využitím minimalizačních technologií, bezorebného způsobu obhospodařování půdy či ponecháním posklizňových zbytků jako pokryvu půdy. Půdní metanotrofní bakterie také za příhodných podmínek oxidují vznikající metan i ve vzduchu obsažený atmosférický metan; jiné denitrifikační bakterie zase redukují oxid dusný na molekulární dusík. Stimulací těchto procesů, respektive příslušných skupin mikroorganismů, lze dosáhnout toho, že půda působí jako účinný spotřebitel CH 4 i N 2 O. Třetí principiální možností snížení emisí skleníkových plynů je náhrada fosilních paliv obnovitelnými zdroji energie, zejména biomasou. Při energetickém využití biomasy, ať již pro přímé spalování, nebo po transformaci na bioetanol, bionaftu, bioplyn či jiné produkty, se sice také produkují skleníkové plyny, ale ty pocházejí z uhlíku recentně fixovaného do organických látek fotosyntézou. Čistá bilance: spotřeba CO 2 produkce CO 2 tedy může být teoreticky nulová. Ve skutečnosti není, protože na produkci biomasy a na její další úpravu se spotřebuje energie, při jejíž výrobě se produkují skleníkové plyny. Tato cesta omezení emisí vyžaduje velmi pečlivou a detailní kalkulaci vstupů a výstupů a zohlednění řady souvisejících skutečností; v praxi může být snadno kontraproduktivní a vést naopak ke zvýšeným celkovým emisím skleníkových plynů, nehledě na ekonomické a sociálně politické aspekty (např. globální nedostatek potravin zpochybňuje využití biomasy pro nepotravinářské tedy energetické účely). S primární zemědělskou výrobou souvisí i následné zpracování, skladování a transport zemědělských komodit, které vytvářejí často i vyšší emisní zátěž než samotná zemědělská produkce. Ke snížení emisí může v tomto případě přispět každý člověk vlastní volbou regionálních a čerstvých potravin. O to se snaží i tzv. klimaticky udržitelná kuchyně (viz např. M. Olbrich, týdeník Ekonom, ). Vyznavači tohoto stylu vycházejí z toho, že každé jídlo má určitou uhlíkovou stopu (tedy množství emisí vyjádřené v CO 2, které vzniklo při výrobě, skladování a dopravě tohoto jídla), a pochopitelně dávají přednost jídlům s menší uhlíkovou stopou. Důležitý je již nákup potravin (cesta do obchodu pěšky, na kole či hromadnou dopravou je vhodnější než automobilem), roli hrají balicí materiály (nejvhodnější je papír nebo sklo, určitě ne

20 19 Degradace půdy a emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství nutné zlo? plasty), přednost se dává bezmasým jídlům (na výrobu jednoho kilogramu masa se spotřebuje mnohem více energie a uvolní se několikanásobně více emisí než na kilogram rostlinných produktů) a čerstvé potraviny nevyžadují další náklady (a z nich pocházející emise) na skladování, apod. Tímto způsobem může doslova každý z nás přispívat ke snižování emisí skleníkových plynů. Nutno si ale také přiznat, že toto šetření v malém může být snadno převáženo politickými nebo ekonomickými rozhodnutími velkého dosahu např. volbou zdrojů pro výrobu elektrické energie naše tepelné elektrárny spalující nekvalitní hnědé uhlí produkují mnohem více skleníkových plynů na jednotku získané energie než jaderné elektrárny, apod. Možnosti praktické agrotechniky Základní i aplikovaný výzkum v oblasti omezování tvorby a emisí skleníkových plynů již přinesl celou řadu poznatků. Shrnuli je např. P. Smith se spolupracovníky ve studii publikované v roce V dalším textu uvedeme hlavní myšlenky z těchto i dalších prací včetně vlastních výsledků. Nejvýznamnější opatření ke snížení emisí skleníkových plynů v zemědělství jsou přehledně uvedena v tabulce 1. Praktické možnosti jsou pochopitelně mnohem rozmanitější, ale zároveň i značně limitované místními podmínkami. V zemědělství se pracuje s živými organismy: každá půda a kousek pole, porost, stádo dobytka, každá hromada hnoje nebo nádrž s kejdou představuje unikátní systém obsahující společenstvo obrovského množství organismů, kde pochopitelně početně převažují mikroorganismy. Společenstva organismů mají své specifické vlastnosti, nároky, vnitřní procesy i interakce s okolím, včetně např. produkce a emisí skleníkových plynů. Co je dobré v jednom případě, je nepoužitelné v jiném případě, atp. Je tedy velmi složité zevšeobecňovat a při jakýchkoliv manipulacích a zásazích v tak složitých systémech, jako jsou agroekosystémy, je třeba postupovat velmi obezřetně. Agrotechnika plodin na orné půdě Potenciálně velké snížení emisí N 2 O a zvýšení ukládání CO 2 do biomasy mohou přinést nové odrůdy plodin, nově zavedené a dodržované osevní postupy zaměřené na snížení plynných ztrát nebo větší využívání meziplodin a vyloučení úhorů. Ke snížení emisí obvykle přispívá i snížení intenzity pěstování a přechod na ekologické zemědělství včetně vyššího využití bobovitých rostlin. Zde se ale na chvíli pozastavme, neboť jde o vhodný příklad, kdy i dobře míněné opatření může nakonec vyznít negativně. Bobovité, tedy jeteloviny a luskoviny, symbioticky fixují dusík ze vzduchu a nepotřebují tedy žádné nebo jen velmi malé hnojení dusíkem. Tím se nejen omezuje zatížení prostředí nezanedbatelnou dávkou dusíku z hnojiv, ale také se šetří dost peněz, neboť hnojiva jsou poměrně drahá. Po sklizni ale zůstává v půdě a na povrchu půdy ještě značná část biomasy těchto plodin, která je bohatá na bílkoviny, a tedy i dusík. Při nevhodném způsobu hospodaření se tato biomasa rychle rozloží, a jak již

21 Rozmanitost života a zdraví ekosystémů 20 Tabulka 1. Možnosti snížení emisí skleníkových plynů ze zemědělství (podle Smitha a kol., 2008) Snížení emisí jednotlivých plynů: + nižší emise nebo zvýšení spotřeby, vyšší emise nebo snížení spotřeby, ± nejistý efekt nebo obě předchozí možnosti podle okolností. Efektivita opatření shoda: počet hvězdiček udává míru shody podle různých autorů, např. *** udává vysokou pravděpodobnost efektu daného opatření. Efektivita opatření účinnost: počet hvězdiček udává míru účinnosti daného opatření, např. *** udává vysokou účinnost. Oblast využití Agrotechnika na orné půdě Opatření agrotechnická opatření Snížení emisí Efektivita opatření CO 2 CH 4 N 2 O shoda účinnost + ± *** ** výživa rostlin + + *** ** kultivace půdy + ± ** ** úpravy vodního režimu (závlahy, odvodnění) agrotechnika rýžovišť dřeviny na orné půdě ponechání ladem, změny ve využití půdy ± + * * + ± ** ** + ± *** * *** *** Pratotechnika, pastevní systémy intenzita pasení ± ± * * zvýšená produkce porostů + ± ** * výživa a hnojení + ± ** ** omezení požárů + ± * * Agrotechnika organických půd Zlepšení degradovaných půd skladba porostů, zastoupení leguminóz omezení odvodnění omezení eroze, zvýšení obsahu org. hmoty a živin + ± * ** + - ± ** ** + ± *** **

22 21 Degradace půdy a emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství nutné zlo? Oblast využití Opatření Snížení emisí CO 2 CH 4 N 2 O Efektivita opatření shoda účinnost Chov dobytka zlepšení výživy + *** *** Péče o organická hnojiva využití aditiv a speciálních přípravků šlechtění a jiná dlouhodobá opatření zlepšení skladování a manipulace + ** *** + ** * + ± *** ** anaerobní rozklad + ± *** * Bioenergetika efektivnější využití živin energetické plodiny, bioplyn + ± *** ** + ± *** ** víme z předchozího textu, v prostředí s nadbytkem dusíku snadno vznikne i množství dusíkatých plynů, které uniknou do atmosféry. Pěstování luskovin tedy přináší potenciální nebezpečí zvýšených emisí N 2 O uvolňovaných při rozkladu posklizňových zbytků bohatých na dusík. Snížit emise N 2 O lze omezením spotřeby dusíkatých hnojiv, popřípadě zvýšením efektivního využití živin plodinami. Zatímco omezené hnojení může znamenat i snížení výnosů, velký potenciál je ve zlepšení formy průmyslových hnojiv. Již dnes jsou na trhu dusíkatá hnojiva s postupným uvolňováním živin, popřípadě hnojiva aplikovaná spolu s inhibitory mikrobiálních procesů (inhibitory nitrifikace, inhibitory ureázy). Jejich širší použití je ale limitováno vyšší cenou. Velké rezervy ovšem stále jsou v technologické kázni (dodržení zásad správné agronomické praxe, hnojení na základě stanovené potřeby živin a s ohledem na místní podmínky, zapravení hnojiv do půdy místo rozmetení na povrch půdy, lepší péče o skladovaná hnojiva včetně hnojiv statkových obrázek 11). Lepší využití živin z hnojiv vede i k nepřímému snížení emisí CO 2 produkovaných při výrobě hnojiv. Dalším účinným opatřením je omezení mechanické kultivace, tedy náhrada klasické technologie založené na orbě technologiemi omezeného nebo minimálního zpracování půdy. To většinou vede ke snížené mineralizaci organických látek a k poklesu emisí CO 2 z půd (může se ale také zvýšit výskyt anoxických mikroprostředí v půdě, a tím pravděpodobnost tvorby CH 4, zvláště ve vlhčích oblastech; ze stejného důvodu mohou vzrůst i emise N 2 O).

23 Rozmanitost života a zdraví ekosystémů 22 Nejistý je dopad manipulací s vodním režimem. Zavlažování v sušších oblastech může jak zvýšit mineralizaci organických látek a tvorbu CH 4 i N 2 O, tak zároveň zlepšit využití půdního dusíku a ukládání CO 2 do biomasy. Je zřejmé, že vedlejší účinky zavlažování suché půdy (i odvodnění zamokřené půdy) jsou komplexní a není obecně možné jednoznačně stanovit jejich dopad na velikost emisí skleníkových plynů z půdy. Důležitým opatřením ke snížení emisí nejen CO 2 je omezení a vyloučení spalování nadbytečné biomasy slámy, natě a jiných posklizňových zbytků. Z hlediska koloběhu C jde o cenný organický materiál, který je správné zapravit do půdy. Spalování biomasy ve většině případů také generuje značné množství uhlovodíků a reaktivních sloučenin, což vede ke zvýšené tvorbě troposférického ozonu a tím ke vzniku smogu. Obrázek 11. Technologická kázeň je významným prostředkem ke snížení ztrát živin z hnojiv a ke snížení emisí skleníkových plynů. Z takto lajdácky uskladněného hnoje se za několik měsíců ztratí velké množství uhlíku, dusíku a dalších živin, a to jak do podzemních vod, tak ve formě skleníkových plynů do ovzduší

24 23 Degradace půdy a emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství nutné zlo? Pěstování rýže přináší velká rizika zvýšených emisí skleníkových plynů. Rýže je po kukuřici a pšenici třetí hlavní plodinou, jejíž produkce podle údajů FAO dosahuje v současnosti kolem 450 milionů tun ročně a na níž potravinově závisí velká část lidstva. Není tedy možné ani účelné pěstování rýže omezovat. Snížení emisí z rýžovišť lze dosáhnout účelnou manipulací s vodním režimem, využitím odrůd s nižší exkrecí látek do půdy, péčí o posklizňové zbytky aj. V oblastech s dočasným nadbytkem orné půdy je velmi účinným opatřením převedení orné půdy do lesní půdy nebo nahrazení polních plodin vytrvalými porosty travin a směsí víceletých rostlin nebo i dřevin. Z hlediska zajištění potřebné produkce potravin je ovšem tato cesta snížení emisí v globálním měřítku nepoužitelná, naopak v mnoha oblastech světa sílí tlak na zvyšování výměry zemědělské půdy. Pratotechnika obhospodařování trvalých travních porostů, zejména pastvin Pokud se trvalé travní porosty využívají k produkci zelené píce, sena nebo senáže, platí pro ně do značné míry zásady uvedené pro ornou půdu. Na pastvinách, kde biomasu trav a bylin spásá dobytek, navíc platí další pravidla specifická pro pastevní ekosystém. Dobytek produkuje exkrementy, které se obvykle hromadí u napajedel a stájí, na stezkách, v místech koncentrace zvířat při přechodu z pastviny na pastvinu ap. Z hlediska regulace mikrobiální tvorby skleníkových plynů je žádoucí, aby byly exkrementy rozloženy rovnoměrně. Snížit emise (hlavně N 2 O a CH 4 ) lze tedy rovnoměrným rozmístěním exkrementů a jejich omezeným ukládáním do půdy v době, kdy rostliny nemohou živiny efektivně využít (např. v zimním období). Teoreticky by dodržování těchto jednoduchých pravidel podstatně snížilo emise skleníkových plynů z pastevních systémů. Jejich praktické uplatnění závisí hlavně na osvětě, popřípadě kontrole dodržování zásad správné zemědělské praxe a v neposlední řadě i na ekonomických podmínkách zemědělců. Náročnější a nákladnější opatření zahrnují různé potravní doplňky pro zvířata, optimalizaci krmných dávek s ohledem na užitkovost či šlechtění (jak plodin pro pastevní využití, tak dobytka). Podstatná rezerva je v péči o organická hnojiva. Snížit emise lze především kompostováním exkrementů, ale také již třeba tím, že se hnůj překryje vrstvou půdy nebo kejda v nádrži vrstvou slámy či vhodným víkem. Použití kompostu oproti nevyzrálému hnoji výrazně napomáhá ukládání uhlíku v půdě. V neposlední řadě metan vznikající při skladování kejdy a hnoje lze dále využít pro výrobu bioplynu, a tedy energie. Další možnosti, jak omezit emise skleníkových plynů ze zemědělských půd, zahrnují např. lepší využití organických půd, které představují velké potenciální zdroje CH 4, omezení degradace půdy a rekultivaci již degradovaných půd (optimalizaci půdních vlastností a tím vytváření podmínek pro lepší využití živin, a tedy i snížení ztrát), přechod z konvenčního intenzivního zemědělství na alternativní systémy zemědělské výroby (systémy s nižšími vstupy a uzavřenějšími cykly prvků a energie,

25 Rozmanitost života a zdraví ekosystémů 24 tedy s nižšími ztrátami), zavádění nových plodin a odrůd, které lépe alokují fixovaný C a zvyšují ukládání C v půdní organické hmotě. Výzkum v Biologickém centru AV ČR přinesl nové poznatky o tvorbě a emisích skleníkových plynů i o regeneraci poškozených půd Problematika tvorby oxidu uhličitého v půdě a emisí z půdy se řeší v Ústavu půdní biologie Biologického centra AV ČR, v. v. i., již velmi dlouho. Později k tomu přibylo studium procesů vzniku a spotřeby metanu a emisí metanu a také oxidu dusného v půdách. V posledních letech se výzkum zaměřil zejména na pastevní půdy a na přehnojované orné půdy. Naše laboratoř, která pracuje v úzké součinnosti s Přírodovědeckou fakultou Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích, je nyní jedním z nejlépe vybavených pracovišť v České republice pro daný typ výzkumu. Kolegové na Přírodovědecké fakultě JU se dále specializují na emise z mokřadů a z organických půd, ve Výzkumném ústavu rostlinné výroby v Praze se vytvářejí podmínky pro studium emisí oxidu uhličitého z orných půd ve vztahu k technologiím, na dalších pracovištích Akademie věd se řeší problematika emisí zejména CO 2 z lesních ekosystémů. Jistou známkou závažnosti této problematiky a pozornosti, kterou jí společnost věnuje, je fakt, že se nám na náš výzkum zatím daří zajistit relativní dostatek prostředků, ať již formou národních, nebo mezinárodních grantů. Je vhodné zmínit, že valná část našeho výzkumu probíhá v úzké návaznosti na zahraniční, obdobně zaměřená výzkumná pracoviště, např. v italské Florencii, ve francouzském Dijonu, v německém Mnichově či v severoirském Belfastu, ve spolupráci s vědci z Kanady či Finska atd. To nám velmi pomáhá, ale zároveň nás to nutí držet krok s rychlým rozvojem oboru. Významné je i zapojení studentů do našich výzkumných aktivit. Pro výzkum využíváme pokusné plochy situované hlavně v jižních Čechách (obrázek 12). Chov skotu bez tržní produkce mléka potenciální zdroj emisí plynů Pastviny zabírají v České republice plochu asi ha a jejich výměra se spíše zvyšuje, jak se mění využívání zemědělské půdy v různých okrajových oblastech (tj. oblastech s přírodními, půdními a klimatickými podmínkami méně vhodnými pro intenzivní zemědělství) a jak se mění systémy chovu skotu. V roce 1993 byla výměra pastvin v ČR ha, zatímco v roce 2001 to bylo ha; v dalších letech již oficiální statistické přehledy uvádějí jen celkovou plochu trvalých travních porostů, tj. luk a pastvin: v roce 2002 výměru ha a v roce 2013 výměru ha, přičemž v roce 1993 byla celková výměra luk a pastvin ha (viz ČSÚ, 2015).

26 25 Degradace půdy a emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství nutné zlo? Obrázek 12. Letecký snímek farmy Borová na Českokrumlovsku Od roku 2000 zde díky pochopení a pomoci majitelů, Marcely a Vlastimila Kamírových, probíhá výzkum zaměřený na poznání příčin a mechanismů produkce skleníkových plynů v půdě a jejich emisí do atmosféry V posledních dvou desetiletích se v České republice velmi rozšířil chov skotu bez tržní produkce mléka. První farmy vznikly záhy po roce 1990 a jejich základem byla a je pastva dobytka. Zvířata se chovají v podstatě bez nutnosti ustájení, respektive na několik zimních měsíců mají k dispozici stáj a obvykle si mohou zvolit pobyt ve stáji či venku na tzv. zimovišti (zimní pastvině). Další infrastruktura je v našich klimatických podmínkách potřeba pro kvalitní zajištění porodů. Telata však velmi brzy po narození většinou dávají přednost pobytu ve venkovním prostředí, stejně jako dospělý skot, a to i v zimě (obrázek 9d). Chov skotu bez tržní produkce mléka je výhodný z několika důvodů: poskytuje kvalitní telecí a hovězí maso, je nejméně náročnou variantou živočišné výroby v méně příznivých produkčních podmínkách (např. v podhorských oblastech) a významně

27 Rozmanitost života a zdraví ekosystémů 26 přispívá k údržbě a ochraně krajiny. Je tedy velmi vítanou variantou zemědělské výroby v mnoha oblastech v České republice. Zároveň ale může znamenat i podstatné navýšení emisí skleníkových plynů jak z půd, tak z celého systému této zemědělské aktivity. V Biologickém centru jsme se zaměřili na lepší poznání dopadů chovu skotu bez tržní produkce mléka na bilanci skleníkových plynů. Zajímala nás zejména úloha zimovišť skotu. V dalším textu jsou použity výsledky jak již publikované (Šimek a Cooper, 2002; Šimek a kol., 2004; Šimek a kol., 2006; Hynšt a kol., 2007; Radl a kol., 2007; Phillipot a kol., 2009; Brůček a kol., 2009; Hynšt a Šimek, 2009; Chroňáková a kol. 2009; Jirout a kol., 2009; Čuhel a kol., 2010; Šimek a kol., 2010; Čuhel a kol., 2011; Elhottová a kol., 2012; Koubová a kol., 2012; Hynšt a Šimek, 2012; Jirout a kol. 2013; Šimek a kol., 2014; Radl a kol., 2014), tak dosud nepublikované. Zatímco během vegetačního období, respektive v období dostatku píce na okolních pastvinách, jsou chovaná zvířata postupně přemisťována mezi jednotlivými pastevními hony, v období od října do dubna jsou obvykle soustředěna na zimovištích poblíž hospodářských budov a dalšího technického zázemí. Jako vlastní zimoviště se využívá vhodný pozemek v blízkém okolí. Zimoviště skotu tedy představují zvláštní druh pastviny: oproti běžné pastevní půdě jsou půdy na zimovištích mnohem více vystaveny vlivu zvířat, půdy jsou mnohde utužené a zejména se zde hromadí velké množství tuhých i tekutých výkalů, jejichž živiny včetně dusíku nemohou být vzhledem k nízkým teplotám a absenci rostoucího porostu využity rostlinami, jako se to děje v průběhu vegetační sezóny na běžné pastvině. Přes velmi pravděpodobný významný příspěvek zimovišť k emisím skleníkových plynů je k dispozici překvapivě málo informací o emisích ze zimovišť a jim podobných ekosystémů, přestože pastevní ekosystémy patří k tradičně studovaným zdrojům emisí plynů. Soustředili jsme se na získání údajů o velikosti emisí ze zimovišť skotu, o tom co je reguluje a jak by se případně mohly emise snížit. Předpokládali jsme, že zimoviště představuje specifický typ ekosystému, v němž vlivem působení zvířat existují zvláštní podmínky pro rozvoj mikrobiálního společenstva půdy a procesy transformace živin a mikrobiální společenstva mohou doznat zásadních změn. Živiny se částečně hromadí v půdě jako organická hmota a biomasa, ale velké vstupy také výrazně zvyšují mikrobiální transformace živin, které jsou obvykle spojeny s vysokými ztrátami v různých formách. Naše hlavní pokusná plocha leží v předhůří Šumavy v CHKO Blanský les, na úpatí horského masivu Kleti, asi 10 km severozápadně od Českého Krumlova a asi 25 km jihozápadně od Českých Budějovic (zeměpisná šířka N, zeměpisná délka E). Je součástí farmy Borová (obrázek 12). Lokalita se nachází v nadmořské výšce kolem 630 m a od roku 1992 je každoročně využívána v rámci pastevního areálu jako tzv. zimoviště (zimní pastvina) skotu. Zimoviště mělo v době intenzivního výzkumu výměru asi 3,5 ha a sloužilo pro asi 90 kusů krav, které později v zimě a na jaře doplňovala nově narozená telata. Zvířata mají volný přístup do kravína i na venkovní plochu

28 27 Degradace půdy a emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství nutné zlo? zimoviště a jsou zde soustředěna zhruba od poloviny října do konce dubna až poloviny května. Plochu zimoviště však využívají velice nerovnoměrně, což nám umožnilo definovat různě zatížené plochy a studovat půdy různě ovlivněné zvířaty (tabulka 2). Tabulka 2. Příklad tří lokalit na farmě Borová různě zatížených skotem Jsou uvedeny vybrané vlastnosti svrchní 20cm vrstvy půdy silně zatížené zvířaty (půda S), středně zatížené (půda M) a kontrolní půdy (půda C). Číselné údaje jsou průměrné hodnoty z 9 opakování, v závorkách jsou uvedeny směrodatné odchylky průměrů, různá písmena označují statisticky se lišící půdy na hladině významnosti P < 0,05. C org = organický uhlík, N tot = celkový dusík, oba údaje ve hmotnostních procentech. Půda ph C org N tot S 8,96 (0,16) a 5,8 (0,3) a 1,94 (0,29) a M 7,25 (0,22) b 4,1 (0,8) b 1,21 (0,45) b C 5,91 (0,23) c 2,3 (0,3) c 0,65 (0,24) c Výsledky chemických a mikrobiologických stanovení ukazují, že vysoké vstupy živin zvyšují akumulaci C a N v půdní organické hmotě. V půdách bohatých na minerální živiny, uhlík a dusík jsou ale také podporovány mikrobiální aktivity a vysoká intenzita transformací je spojena se ztrátami C a N v různých formách. Uhlík uniká z půdy ve formě CO 2 při respiraci, která je hlavním zdrojem emisí CO 2 do atmosféry. Dynamika tvorby a oxidace CH 4 je zatím nejasná, nejvyšší emise jsme zaznamenali v prvních jarních měsících a jejich míra nebyla závislá na obsahu dusíku či uhlíku, ale na teplotě půdy. Dusík z exkrementů zvířat se v půdě hromadí během zimy a na jaře se přeměňuje na amonnou formu (NH 4 + ) při mineralizaci a následně je oxidován na nitrátovou formu (NO 3 ) při nitrifikaci. To vytváří příznivé podmínky pro další metabolismus nitrátové formy dusíku jak denitrifikací, tak jinými redukčními procesy. O vysoké intenzitě těchto procesů svědčí mj. vysoká aktivita nitrifikačních enzymů a rychlý pokles NH 4 + a nárůst obsahu NO 3 v půdě během jarních měsíců i velmi vysoké emise N 2 O a N 2 z půdy. Sledovaná denitrifikační aktivita v jednotlivých místech s různou zátěží přezimujícího skotu byla také v souladu s četností genů nirs a nirk, které se využívají jako molekulární markery přítomnosti denitrifikátorů. To se potvrdilo i při sledovaném prostorovém uspořádání denitrifikační aktivity, která odpovídala prostorovému uspořádání četnosti výskytu genu nirs. Vlivem opakovaného dlouhodobého přísunu exkrementů včetně moči a vlivem následných chemických a mikrobiálních procesů se v půdách silně zatížených zvířaty

29 Rozmanitost života a zdraví ekosystémů 28 mění i tak relativně stabilní charakteristiky, jako je půdní ph (viz např. tabulku 2, kdy je v silně zatížené půdě po asi 10 letech ph změněno o 3 jednotky!). Také další důležité chemické parametry půd, obsah uhlíku a dusíku (C org a N tot), byly poměrně výrazně pozměněny, bez ohledu na značnou rezistenci půdní organické hmoty vůči externím vlivům. Nelze se proto divit, že v půdách významně ovlivněných chovem dobytka jsou zcela změněny i podmínky pro fungování mikrobiálních společenstev. Některé tyto změny vedou i ke zvýšené produkci skleníkových plynů v půdě a v důsledku toho ke zvýšeným emisím plynů z půdy. Míra zatížení skotem a diverzita půdních mikroorganismů zodpovědných za emise skleníkových plynů Vysoký vstup živin a narušení rostlinného pokryvu na zimovištích vede i ke změně množství a složení mikroorganismů v půdě. V silně zatížených půdách dochází k redukci zooedafonu, tj. úbytku drobných půdních živočichů, zejména bezobratlých a prvoků. Zjistili jsme, že se vzrůstajícím zatížením skotem dochází k úbytku mykorhizních hub a naopak k převaze saprofytických druhů hub včetně hub produkujících N 2 O. Podobně v půdách na místech s nízkou intenzitou chovu skotu převládala archea oxidující amonné ionty nad bakteriemi, kdežto bakterie oxidující amonné ionty byly nejčastější v nejvíce zatížených částech zimoviště. Tato skupina je pravděpodobně schopnější se rychleji adaptovat na podmínky vysokého přísunu dusíku a uhlíku, zhutnění půdy a zvýšení ph. Velkou úlohu hraje i začlenění mikrobiálního společenstva trávicího traktu do půdního společenstva. Jasným příkladem je zvýšení emisí metanu v jarních měsících, za které jsou zodpovědná zejména anaerobní archea trávicího traktu. Ovšem většina anaerobních fekálních mikroorganismů v půdě nepřežije letní období. Stabilita změn v mikrobiálním složení je zejména závislá na stabilitě kvantitativních a kvalitativních změn půdní organické hmoty. Půdní ph: klíčový faktor regulace tvorby a emisí N 2 O Půdní reakce (ph) je jedním z určujících faktorů, které zásadně ovlivňují nejrůznější procesy v půdě. Založili jsme postupně celou řadu terénních experimentů, v nichž jsme ověřovali vliv ph půdy na emise skleníkových plynů (obrázek 13). Jedním z důležitých výstupů našeho výzkumu bylo posléze zjištění, že půdní reakce (ph půdy) je významným regulačním faktorem tvorby N 2 O v půdě. Při zvýšeném ph půdy (ph > 8) vlivem působení exkrementů skotu se mění množství, ale i vzájemný poměr plynů N 2 a N 2 O, které v půdě vznikají. Založili jsme mnoho laboratorních a postupně i několik polních pokusů na studovaných pastvinách, jejichž cílem bylo ozřejmit, jak ovlivňuje půdní ph tvorbu dusíkatých plynů a jejich emise. Příklad zjištěných výsledků ukazuje obrázek 14. V levém obrázku jsou uvedeny emise dusíkatých plynů (N 2 + N 2 O) v přepočtu na metr čtvereční a hodinu (mg N.m -2.h -1 )

30 29 Degradace půdy a emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství nutné zlo? Obrázek 13. Terénní experimenty umožňují ověřit pracovní hypotézy, jež jsou výsledkem laboratorního zkoumání. Na obrázku vlevo je zachycen pozemek připravený pro experiment zaměřený na studium vlivu ph na mikrobiální procesy v půdě. Obrázek vpravo ukazuje, jak se za několik měsíců změnil porost na pozemku vlivem uměle změněného ph půdy jednotlivé čtverce mají nyní různé ph. Tyto na pohled viditelné změny doprovází i řada změn v půdě. Podobné experimenty přinášejí velké množství poznatků o průběhu chemických a biologických procesů v půdě a o jejich regulačních mechanismech v průběhu 72 hodin po přídavku lehce dostupného zdroje N (dusičnanu draselného, KNO 3 ) do půdy. V pravém obrázku je uvedena aktivita denitrifikačních enzymů (které vytvářejí dusíkaté plyny) v přepočtu na gram půdy a hodinu (ng N.g -1.h -1 ); zkoumány byly půdy neutrální, kyselá a zásaditá viz též legendu obrázku 14. Celkově se výsledky dají stručně shrnout tak, že na nejvíce skotem zatížených plochách (kde dochází ke zvýšení ph půdy vlivem exkrementů skotu) převládala tvorba neškodného N 2, naopak na méně ovlivněných plochách s ph kolem 5,7 převládala produkce N 2 O. Celková produkce plynů ale byla mnohem vyšší z půd ovlivněných skotem. Pozměněné ph půdy také logicky vedlo ke změnám koncentrace minerálních forem N. Vysoká koncentrace NH 4 + a naopak nízká koncentrace NO 3 v kyselé půdě s nižším ph indikují potlačenou nitrifikační aktivitu, která již byla v kyselých půdách popsána mnohokrát (např. De Boer a Kowalchuk, 2001; Nugroho a kol., 2007). Aktivita denitrifikačních enzymů (DEA) stanovená za optimalizovaných laboratorních podmínek měla hodnoty zcela podle očekávání; se vzrůstajícím ph DEA stoupala a naopak relativní produkce N 2 O (N 2 O / [N 2 O + N 2 ]) klesala. Ačkoliv ph půdy zcela zásadně ovlivnilo relativní produkci obou z nich (N 2 O a N 2 ), na absolutní produkci N 2 O (která je z environmentálního hlediska velmi významná) již takový vliv nemělo. Nicméně je vidět, že produkce škodlivého oxidu dusného N 2 O byla v zásadité půdě nejnižší.

31 Rozmanitost života a zdraví ekosystémů 30 N2O N2 Obrázek 14. Příklad výsledků terénních experimentů na pastevní půdě Vlevo časový průběh emisí N (N 2 O + N 2 ) během 72 h po přídavku KNO 3 u jednotlivých variant ph půdy. Je zřejmé, že zásaditá půda, zde imitující půdu ovlivněnou skotem, produkuje mnohem více dusíkatých plynů; Vpravo je uvedena aktivita denitrifikačních enzymů ve třech zkoumaných půdách a je odlišena produkce N 2 a N 2 O. Je vidět, že denitrifikační enzymy jsou mnohem aktivnější v zásadité půdě, kde ale také produkují o něco méně škodlivého oxidu dusného (N 2 O). Vysoká produkce dusíku (N 2 ) nevadí z hlediska čistoty ovzduší (dusík je hlavní složkou vzduchu), ale snižuje zásobu dusíku v půdě, tedy ochuzuje půdu o důležitou živinu Časový průběh emisí N ukazuje, že půda reagovala na přídavek N (v našem případě KNO 3 ) velice rychle a že již dvě hodiny po přídavku N bylo možno pozorovat zvýšení emisí, které opět během krátké doby (po h) odeznělo. To by mohlo naznačovat, že vápnění půdy často navrhované jako prostředek pro snížení emisí N 2 O sice může posunout relativní emise N ve prospěch N 2, ovšem prakticky se jím docílí pouze snížení zásoby N v půdě a emise N 2 O zůstanou stejné jako před vápněním (obrázek 15). Půdní reakce (ph) však nemusela zvýšit denitrifikační aktivitu pouze přímo, ale také skrze zvýšené množství a biomasu mikroorganismů, resp. denitrifikátorů. Abychom lépe pochopili, jak ph ovlivňuje denitrifikační společenstvo, zaměřili jsme se na počet denitrifikátorů potenciálně schopných provádět danou denitrifikační redukci dusíku. Z našich výsledků vyplývá, že četnost bakterií obsahujících gen nosz v celkové bakteriální komunitě úzce souvisí s poměrem emisí N 2 O a N 2 a může být tedy jeho ukazatelem. V důsledku to znamená, že relativně jednoduchým rozborem a stanovením výskytu genu nosz ve společenstvu půdních mikroorganismů se dá odhadnout,

32 31 Degradace půdy a emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství nutné zlo? jaký bude poměr emisí dvou hlavních dusíkatých plynů, tedy N 2 a N 2 O, z dané půdy. Praktické využití těchto poznatků ovšem vyžaduje další testování, zejména s ohledem na velkou pestrost půd a klimatických podmínek. Jiné půdy a v jiných podmínkách mohou totiž reagovat odlišně. Obrázek 15. Vápnění pokusných ploch při zakládání polního pokusu zaměřeného na vliv vápnění na půdu. Vápnění se v praxi často používá na úpravu půdní reakce, zlepšení přijatelnosti dalších živin (např. fosforu) rostlinami a zlepšení struktury půdy. My jsme se zajímali o vliv vápnění na emise N 2 O V současné době zpracováváme informace získané během 15 let intenzivního měření emisí skleníkových plynů a studia reakce půdních mikroorganismů na silné zatížení půdy skotem a následnou revitalizaci území. Ukazuje se, že půda a její edafon (společenstvo půdních organismů) mají obecně velkou schopnost odolávat stresu a působení nepříznivých faktorů (v tomto případě dlouhodobému zatížení dobytkem). Dojde-li posléze k zásadnějšímu narušení půdy, ani pak není vše ztraceno. Po odstranění zátěže se poměry v půdě mohou teoreticky navrátit do víceméně stejného stavu, jako tomu bylo před stresem. Otázkou ale zůstává, jak rychle a zda opravdu celá půda, všechny její složky, mohou zregenerovat. Jistě to záleží na mnoha

33 Rozmanitost života a zdraví ekosystémů 32 okolnostech, a to např. na kvalitě původní půdy a zejména na obsahu a kvalitě organické hmoty v půdě, na složení a bohatosti společenstva půdních organismů, na druhu stresu, na délce jeho působení, na podmínkách pro případnou regeneraci atd. V každém případě je regenerace půdy po stresu dlouhodobější a nakonec ani její výsledek není jistý, nemluvě o finančních nákladech na regeneraci. Proto je třeba půdu chránit a zbytečně ji nevystavovat stresovým situacím tak, aby nedocházelo k degradaci půdy. Degradace půdy globální problém Specifickým projevem degradace půdy je i zvýšená tvorba skleníkových plynů v půdě a emise těchto plynů z půdy. Půda, která produkuje mnoho plynů, je půda nekvalitní, tedy degradovaná. Proto se v závěrečné části této brožury zaměříme na obecnější problém degradace půd. Půda je jedním z nejvýznamnějších přírodních zdrojů a na půdě je přímo závislá existence lidstva na Zemi. Péče o půdu a o její kvalitu a zdraví by měla být jedním z prvořadých úkolů celé společnosti, tomuto úkolu by se měli věnovat nejen odborníci, ale měl by být významným politickým tématem. S problematikou by měli být přiměřeně podrobně seznámeni všichni vždyť bez půdy nemůžeme přežít. V této souvislosti připomeňme, že experti Světové zdravotnické organizace (WHO) již před nějakým časem zařadili degradaci půdy spolu s desertifikací krajiny mezi 5 hlavních globálních rizik ohrožujících zdraví lidí a existenci lidstva (obrázek 16). Také z tohoto důvodu, tedy pro nedozírný význam půdy, byl 5. prosinec vyhlášen Mezinárodním dnem půdy a rok 2015 Mezinárodním rokem půdy. Současný rozsah a stupeň degradace půd v celosvětovém měřítku není přesně znám. Již v osmdesátých letech 20. století byl z iniciativy programu OSN UNEP zahájen rozsáhlý projekt GLASOD (Global Assessment of Soil Degradation). Z výstupů projektu vyplývá, že degradace půd je obecně rozšířeným fenoménem: experti odhadli, že některou z forem degradace je postiženo kolem 2 miliard hektarů půdy, což představuje 15 % z celkového povrchu souše čili asi 23 % výměry zemědělské a lesní půdy, jejíž celková výměra činí cca 8,74 miliard hektarů (Oldeman, 1994). Z toho více než 300 milionů hektarů (tato výměra přibližně odpovídá rozloze Indie) bylo již degradováno silně, což znamená, že případná obnova úrodnosti a kvality těchto půd by vyžadovala velké (nereálné) investice, pokud je vůbec možná. Pod pojmem degradace se totiž skrývá i nejzávažnější poškození půdy eroze. Některé lokality jsou již tak postiženy erozí, že prakticky veškerá půda byla odnesena pryč. Dnes je pravděpodobně situace ještě horší, neboť uvedené odhady byly prováděny nejméně před 30 lety a navíc vůbec nezahrnuly degradaci biologických vlastností půd. Lze se tedy oprávněně domnívat, že přičiněním člověka již došlo k degradaci nejméně 1/3 výměry půdy na Zemi.

34 33 Degradace půdy a emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství nutné zlo? Obrázek 16. Hlavní globální rizika ohrožující zdraví lidí a další rozvoj lidstva na Zemi (upraveno podle WHO: Global environmental change, viz ) Příčiny a mechanismy degradace půdy Půda, která již nemůže plnit některou ze základních funkcí, je půda degradovaná. K degradaci půdy dochází sice také působením přírodních faktorů a sil, ale degradaci zemědělských a lesních půd zásadním způsobem napomáhá a značně ji urychluje člověk. V rámci mezinárodního projektu GLASOD bylo definováno 5 hlavních mechanismů a příčin degradace půd přímo souvisejících s člověkem: 1. odlesnění a odstranění původní vegetace (odlesnění pro zemědělské účely, velkoplošné komerční lesnictví, výstavba dopravních cest a sídel); 2. nadměrné využívání půdy pro pastvu (neřízená a nadměrná pastva vede nejen k poškození vegetace, ale i k utužení půdy a jejímu vystavení erozi; obrázek 17);

35 Rozmanitost života a zdraví ekosystémů 34 a b Obrázek 17. Vysokohorské ekosystémy rovníkových And nazývané páramo patří k jedněm z nejohroženějších míst naší planety. Nadměrnou pastvou dochází k narušení travního drnu, ke zhutnění půdy a snížení schopnosti půdy zadržovat vodu. Posléze dojde k erozi, která je nenávratnou degradací půdy. Z holého svahu na obrázku (a) byla většina půdy odnesena erozí. Velké riziko pro půdu a ekosystém představuje i vypalování jak dřevin či keřů, tak trsnatých trav. Při vysoké frekvenci vypalování, zvláště v kombinaci s pastvou, nedokážou trsnaté trávy regenerovat, jsou více náchylné k poškození a v lepším případě jsou nahrazeny výběžkatými trávami (b). V horším případě se dostaví eroze půdy

36 35 Degradace půdy a emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství nutné zlo? 3. zemědělské technologie (nedostatečné nebo nadměrné používání hnojiv, používání znečistěné závlahové vody, používání těžké mechanizace, chybná aplikace agrotechnických zásahů aj.); 4. nadměrné využívání přirozené vegetace (např. jako palivo; zbylá vegetace nedostatečně chrání půdu před erozí a jinými degradačními mechanismy); 5. průmyslové technologie (zejména výroba, těžba surovin, skladování odpadů aj.). Degradace zemědělských půd vyvolaná člověkem zahrnuje celou řadu typů degradace. Z nich má asi největší význam 9 typů degradace uvedených v tabulce 3. Tabulka 3. Hlavní typy degradace půdy (upraveno podle Várallyay, 1994) Typ degradace půdy vodní a větrná eroze půdy acidifikace půdy salinizace a alkalizace půdy degradace fyzikálních vlastností půdy extrémní vodní režim biologická degradace nežádoucí změny obsahu živin v půdě snížení pufrační schopnosti znečistění půdy polutanty Poznámka nejzávažnější typ degradace, půda je odnesena z pozemku je narušena výživa plodin, snížena stabilita půdních agregátů, aj. je narušena výživa plodin a zásobování vodou poškození struktury, utužení, slévavost povrchové vrstvy atd. mají mnoho nepříznivých dopadů přemokření, zaplavení či sucho ovlivňují jak plodiny, tak půdní procesy snížení obsahu a kvality organické hmoty, poškození společenstev půdních organismů, narušení funkcí edafonu škodlivý je jak nedostatek, tak nadbytek živin či jiných prvků poškození sorpčního komplexu půdy má celou řadu nepříznivých souvislostí jak ve výživě plodin, tak ve fungování celého systému znečistění půdy brání produkci zdravých potravin, cizorodé látky se dostávají do rostlin i do produktů živočišné výroby

37 Rozmanitost života a zdraví ekosystémů 36 Jak vyplývá z tohoto přehledu, degradace postihuje fyzikální, chemické i biologické vlastnosti půdy, přičemž nejvíce informací máme o degradaci chemických vlastností (změny ph, změny v koncentraci živin atd.), neboť ty se dají relativně snadno měřit. Méně informací je k dispozici o degradaci fyzikálních parametrů (struktura půdy, objemová hmotnost, pórovitost atd.; obrázek 18) a téměř chybí informace o degradaci biologických charakteristik půdy (tedy o poškození společenstev půdních organismů). Obrázek 18. Měření rychlosti zasakování vody do půdy Tento parametr umožňuje posoudit stav půdy a míru jejího poškození. Vlivem dlouhodobé pastvy dobytka dochází při nadměrném zatížení (příliš mnoho zvířat na jednotku plochy pastviny) k trvalému poškození struktury půdy, které se jen velmi obtížně napravuje. Důsledkem je snížená schopnost půdy pojmout srážkovou vodu a zvýšená náchylnost půdy k erozi Týká se nás degradace půdy? Velkým problémem je zejména úbytek půdy, a tím její trvalá ztráta. Od čtyřicátých let minulého století ubylo v Čechách přes 800 tisíc hektarů zemědělské půdy a v posledních letech se úbytky půdy zástavbou zrychlují. V současné době u nás ročně ubývá 1 2 tisíce hektarů zemědělské půdy. Vzhledem k tomu, že jeden hektar středně kva-

38 37 Degradace půdy a emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství nutné zlo? litní půdy může v našich podmínkách uživit asi 3 lidi, ročně ubývá v České republice možnost uživit asi 3 6 tisíc lidí. Zbytek zemědělské půdy je ovšem také ohrožen, a to zejména vodní erozí (více než polovina zemědělské půdy) a utužením. Půdní eroze je sice přirozený proces, avšak pozvolný, kdežto lidskou činností dochází k jeho mnohonásobnému zrychlení. Nejčastější příčinou je nevhodné hospodaření, tj. pěstování monokultur, absence zatravněných pásů nebo teras, nerespektování svažitosti pozemku či pěstování erozně nebezpečných plodin. Skutečný stav ohrožení ale není na celém území republiky sledován, bohužel chybí i systematická ochrana zemědělské půdy před erozí. Jisté ale je, že eroze u nás působí velké škody (co jiného než splavená půda z okolních polí je ono bahno, které lidé při nedávných povodních vyváželi ze zaplavených příbytků; každý si jistě povšiml zakalené vody v potocích a řekách po intenzivnějším dešti, zejména na jaře můžeme spatřit hojné erozní rýhy na svažitých pozemcích a pod nimi; obrázek 19). Vedle vodní eroze ale známe v některých oblastech i erozi větrnou, která Obrázek 19. Po prudších deštích dochází často ke splachu svrchní vrstvy nechráněné půdy, a to zejména u širokořádkových plodin, v tomto případě kukuřice, a k tvorbě erozních rýh. Zmenšit riziko eroze a zamezit odnosu půdy lze např. využitím netradičních meziřádkových plodin, jako je svazenka vratičolistá či katrán etiopský

39 Rozmanitost života a zdraví ekosystémů 38 Obrázek 20. Stav bohužel běžně pozorovatelný na našich polích: velké nerovnosti povrchu půdy vlevo svědčí o špatném zpracování půdy po sklizni plodiny, patrně prováděném při nevhodné vlhkosti půdy. Půda ve střední a pravé části obrázku je silně utužena pojezdem dopravních prostředků nebo zemědělských strojů se často vyskytuje např. na jižní Moravě. Příčinou jsou zejména velké lány s jedním druhem plodiny, chybějící větrolamy a remízky, chybějící drobné terénní vlny a nerovnosti a další faktory vyvolané plošně aplikovaným velkovýrobním zemědělstvím, které nebere ohled na půdu a uchování její kvality. Naše zemědělské půdy trpí také degradací fyzikálních vlastností (profesor Miroslav Kutílek v nedávném příspěvku naléhavě upozorňuje na zhutnění podorničí mnoha našich půd, k němuž došlo a dochází v důsledku používání těžké mechanizace a které významně snižuje retenční schopnost půd pro zadržení vody, tedy urychluje povrchový odtok. Zároveň snižuje množství vzduchu v půdě a potlačuje biologickou aktivitu půdy viz obrázek 20). Je bohužel neméně jisté, že se nepříznivě mění i chemické vlastnosti půd jmenujme alespoň trvalý plíživý pokles ph zemědělských půd (např. v důsledku pěstování vysokého podílu obilovin bez střídání

40 39 Degradace půdy a emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství nutné zlo? s víceletými pícninami, při němž dochází k odběru vápenatých a hořečnatých iontů z půdy). Důsledkem je zhoršení kvality humusu, vyvázání fosforu do rostlinám nedostupných sloučenin a nakonec úplná dehumifikace (ztráta humusu a jeho složek, které jsou důležité pro poutání kationtů a stabilitu půdních agregátů). Intenzivní zemědělství provozované u nás v posledních cca 50 letech se podepsalo i na edafonu, tj. na společenstvech půdních organismů. Tyto změny se zjišťují nepoměrně hůře než např. změny půdní reakce, ale jsou také nepochybné. Například profesor Josef Rusek, přední půdní zoolog, již léta upozorňuje na zásadní redukci diverzity a počtů některých skupin půdních živočichů v zemědělských půdách a tyto velmi nežádoucí změny dává do souvislosti s chemizací zemědělství a s dalšími tlaky, které intenzivní zemědělství vyvolává. Uvedené negativní dopady lidské činnosti na půdu významně snižují schopnost půdy a nepřímo i celé krajiny vyrovnávat se s následky různých krizových situací včetně intenzivních srážek do poškozené půdy voda obtížně vsakuje a to spolu se zrychleným odtokem vede k erozi, záplavám a dalším škodám. Můžeme zamezit degradaci půdy? Současnou degradaci půd probíhající ve středoevropském prostoru můžeme přičíst zejména dvěma hlavním mechanismům z pěti výše zmíněných, a to jednak průmyslu, jednak samotným zemědělským technologiím (jiné mechanismy jsou určující zase v jiných oblastech). Velký problém u nás představuje fakt, že zemědělská půda není vždy obhospodařována správně, ale často je užívána nebo i bezostyšně využívána. Používání moderních technologií včetně výkonných strojů a chemizace v posledních desetiletích silně oslabily respekt člověka před přírodními silami, což se projevuje i v neurvalém přístupu k obdělávání půdy a využívání krajiny. Nicméně půda je stále stejně křehká a tenká vrstva na povrchu planety, která může být velmi snadno zničena. V tomto smyslu budeme ještě dlouho doplácet na zločinné praktiky vládnoucí komunistické strany, která v padesátých a šedesátých letech 20. století systematicky likvidovala a decimovala náš venkov. Z hlediska zachování půdní úrodnosti, jisté kvality půdy a zajištění dostatečně vysoké a kvalitní produkce potravin je třeba nejen zastavit pokračující degradaci půdy, ale i aktivně pečovat o zlepšení půdních vlastností. To si dala za cíl i Státní politika životního prostředí ČR , v jejíž tematické oblasti Ochrana a udržitelné využívání zdrojů je prioritou ochrana zemědělské půdy a posílení jejích ekologických funkcí. Opatření k omezení nebo úplnému zastavení degradace půdy nejsou ničím novým, v podstatě znamenají návrat k osvědčeným postupům dobrých hospodářů. V první řadě je to využívání osevních postupů (tedy střídání plodin) vhodných pro danou oblast. Obecně platí, že by měly být střídány plodiny rozdílně využívající půdu a různě kořenící, aby se zabránilo jednostranné zátěži půdy. Dobrý osevní postup také mj. zaručuje trvalé nebo alespoň dlouhodobé zakrytí půdy plodinami, které účinně

41 Rozmanitost života a zdraví ekosystémů 40 chrání povrchovou vrstvičku půdy před destruktivním působením silného deště, větru a jiných faktorů. Kromě toho by měl být v osevním postupu dostatek plodin, které zásobují půdu organickou hmotou v podobě rostlinných zbytků a také plodiny hnojené organickými hnojivy. Novým směrem je i setí do přemrzlé meziplodiny či do mulče z meziplodiny nebo pásové zpracování půdy (ponechání rostlinných zbytků v meziřádcích). Dostatečné hnojení organickými hnojivy je zásadní jak pro výživu půdních organismů, tak i pro udržování zásob humusu v půdě (obrázek 21). Velký prostor je také v technologii minerálního hnojení: značnou roli hraje nejen množství hnojiv, ale i jejich druh a doba i způsob aplikace (dělení dávek na několik, aplikace ve správnou dobu, výběr kvalitních hnojiv pomaleji uvolňujících živiny atd.). Nadměrné minerální hnojení může mít celou řadu negativních dopadů, např. vyplavování nadbytečných iontů Cl, NO 3 a SO 4 2 z půdy je spojeno s vyplavováním bazických iontů K+ a Ca 2 +, což Obrázek 21. Takto intenzivní hnojení je za hranicí správného a rozumného hospodaření. Starší i čerstvé exkrementy skotu pokrývají většinu povrchu této pastevní půdy. Nadbytek živin nejen zahubí nebo významně poškodí vegetaci, ale také vede k velkým ztrátám dusíku a dalších živin. Důsledkem je znečistění povrchových i podzemních vod (vymýváním rozpustných látek) a znečistění ovzduší (zvýšenými emisemi plynů)