Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Půda a bilance CO2 v ovzduší

Rezervoár organického uhlíku
 |  5. 3. 2001
 |  Vesmír 80, 153, 2001/3

Půda tvoří rozhraní mezi litosférou a atmosférou, které oproti kapalnému nebo pevnému prostředí umožňuje větší koncentraci biologických druhů a zároveň jejich větší rozmanitost. Půdy jsou dynamickým otevřeným systémem, který se skládá ze tří fází: pevné, kapalné a plynné. Jejich vzájemný poměr závisí především na vlastnostech půdy, na způsobu jejich využití a na vývoji počasí. Vlastnosti systému se proto mění jak v prostoru, tak v čase. Právě dynamika třífázového systému umožňuje velké soustředění mikroorganizmů, zejména když je v půdě dostatek organických rozložitelných látek. Jako příklad si představme pastvinu, která uživí tři krávy na rozloze 1 ha. V půdě téže pastviny o stejné rozloze se uživí organizmy o hmotnosti 15 až 30 krav.

Obsah uhlíku v organických látkách v půdě pevnin je zhruba trojnásobný oproti obsahu uhlíku v nadzemních částech vegetace. V půdních typech polopouští je ve svrchních 20 cm v průměru pouze 0,8 % uhlíku v organických látkách, v černozemích 4 %, v trvale zamokřených půdách (glejích) 10 % a v rašelinných půdách dokonce přes 50 %. V přepočtu na 1 ha jsou v půdách obsaženy desítky až stovky tun organického uhlíku. Tato obrovská zásobárna organického uhlíku spolu s biologickým oživením půdy umožňuje neustálé přeměny půdních organických látek – humifikaci. Nejvýrazněji probíhá ve vrchním humusovém horizontu, v epipedonu (ř. epi – nad, na povrchu, pedon – půda), jehož mocnost je od centimetrů až po několik desítek centimetrů u různých půdních taxonů.

Přeměna půdních organických látek v humus

Odumřelé organické látky podléhají za spolupůsobení mikrobiální složky půdy rozkladným a syntetickým procesům, kondenzaci, polymerizaci ad. Humifikace tedy nikdy není „pouhým rozkladem“. Termín humus zahrnuje všechny odumřelé i přeměněné organické látky, bez ohledu na jejich živočišný, rostlinný nebo mikrobiální původ. Přitom jsou v různé míře promíchány s minerální složkou půdy a vytvářejí také složité organominerální sloučeniny a komplexy. Humusové látky dělíme do dvou skupin:

  • Nespecifické (primární), které jsou snadno a rychle odbourávány mikroorganizmy a mohou být z větší či menší části mineralizovány. Čas rozkladu těchto látek závisí na jejich charakteru a na klimatu oblasti, zhruba se pohybuje v rozmezí měsíců až let. V tropech se organické látky rozkládají pětkrát rychleji než v mírném pásmu.
  • Specifické (sekundární), k nimž patří např. huminové kyseliny, fulvokyseliny a jejich sole (viz Vesmír 78, 438, 1999/8). Jsou v různém stupni polymerizovány a v půdách jsou velmi stabilní. Způsobují tmavé až černavé zabarvení vrchního horizontu a podle intenzity zabarvení půdy můžeme přibližně odhadnout obsah humusu v půdě.
  • Jedním z produktů humifikace je CO2, který se hromadí ve vzduchu obsaženém v půdních pórech. K vzrůstu koncentrace CO2 v půdním vzduchu přispívají v malé míře také kořeny rostlin. Koncentrace CO2 v půdním vzduchu je 10–100násobná oproti koncentraci CO2 v přízemní části atmosféry. Koncentrace CO2 v půdním vzduchu kolísá i na jednom stanovišti v závislosti na momentálních poměrech podmiňujících rozkladné procesy (zdroje CO2) a difuzi CO2 půdou do atmosféry (dýchání půdy).

    Nepříliš velká část CO2 produkovaného v půdě je využita při opětné syntéze huminových látek a malá část se rozpouští v půdní vodě. Tyto „ztráty“ CO2 z půdního vzduchu jsou (podle modelů dynamiky CO2) v celkové bilanci zanedbatelné.

    Dýchání půdy

    Vysoký rozdíl koncentrací CO2 v půdním a atmosférickém vzduchu je hnací silou difuzního přenosu oxidu uhličitého z půdy do atmosféry. Přenos konvekcí (prouděním veškerého půdního vzduchu) je vesměs řádově menší než přenos difuzí. Difuze závisí na objemu půdních pórů nezaplněných vodou (na provzdušenosti půdy), protože difuzní koeficient CO2 je ve vzduchu řádově větší než ve vodě (difuzi CO2 ve vodě tedy zanedbáváme). Difuzní transport CO2 v půdě potom závisí na pórovitosti a vlhkosti půdy a na gradientu koncentrace CO2. Výhodné podmínky pro difuzní tok jsou tehdy, když je vzduchem zaplněno alespoň 30 % objemu půdních pórů. Jestliže obsah vzduchu v pórech klesne na 10 % a méně, póry přestanou být spojité a difuzní tok se blíží nule. Kolísání teploty ovlivňuje hodnotu difuzního koeficientu jen mírně, proto se jím tentokrát nebudeme zabývat.

    Únik CO2 do atmosféry se často nazývá dýchání půdy (není to příliš výstižné, protože půda se na procesu podílí pasivně). Půdním dýcháním se každoročně uvolňuje do atmosféry 4 až 5 % ze zásob uhlíku v půdních organických hmotách. Odhaduje se, že půdním dýcháním se dostává do atmosféry desetkrát větší množství CO2 než spalováním fosilních paliv. V rovnovážném systému se CO2 uvolněný půdním dýcháním spotřebuje na produkci biomasy.

    Vliv lidské činnosti na dýchání půdy

    Velká část půdního uhlíku může podléhat ztrátám vlivem lidské činnosti. Například za posledních padesát let se v půdách mírného pásu v důsledku kultivace snížil obsah uhlíku v organických látkách o 20 až 40 %. Převážná část ztrát je způsobena rozkladem, jímž se CO2 uvolňuje do půdního vzduchu a odtud do atmosféry.

    Rychlost rozkladu organických látek je ovlivněna jednak způsobem kultivace, jednak vlastnostmi půdy. Výsledky výzkumů o rozkladu organických látek na jednom typu půdy nelze mechanicky přenášet na jiný typ půdy, i když jde o totožný způsob kultivace ve stejném klimatickém pásmu. Vodní eroze půdy se na ztrátě uhlíku v organických látkách podílí jen malým procentem, ale významný vliv má odvodnění rašelinišť a zamokřených minerálních půd, které přispívá k snížení zásob půdního uhlíku i k uvolnění CO2 do atmosféry.

    V obdělávaných půdách jsou nejvyšší ztráty CO2 do ovzduší bezprostředně po orbě. Tato tendence bývá narušena vývojem počasí, hlavně výskytem srážek. U půd s degradovanou strukturou se však po silné srážce vytváří na povrchu škraloup, který difuzi CO2 brzdí. Závlaha v polosuchých oblastech má přibližně stejný vliv na půdní dýchání jako orba.

    Značné rozdíly ve ztrátách CO2 v různých pedologických regionech, v meteorologických situacích i ve způsobu zemědělského užití půdního fondu způsobují potíže v globálním bilancování. Jestliže porovnáme hodnoty uváděné na konferenci „Půdy a skleníkový efekt“ r. 1989 s údaji shromážděnými r. 1998 G. Spositem, zjistíme, že se některé odhadnuté hodnoty dílčích procesů úniku CO2 z půdy a bilancování liší v posledních deseti letech až trojnásobně.

    Celkově však je zřejmé, že změny v zemědělském užití půdního fondu mohou globální rovnováhu mezi produkcí biomasy a půdním dýcháním narušit. Podle dvou současných odhadů toto narušení rovnováhy způsobuje zvýšení koncentrace CO2 v atmosféře v množství odpovídajícím 20 až 30 % současné produkce CO2 ze spalování fosilních paliv. Je tedy zřejmé, že by veřejnost měla způsobu využívání půdního fondu věnovat stejnou pozornost, jakou věnuje snaze omezit spalování fosilních paliv.

    Fosilní půdy a změny klimatických poměrů za poslední milion let

    Dnes jsou rozšířené teorie o tom, že příčinou oteplování klimatu je zvýšená koncentrace „skleníkových plynů“, která je zaviněna lidskou činností. Tyto úvahy je však třeba konfrontovat s poznatky o změně klimatu v období čtvrtohor. V tomto období následovalo po sobě několik glaciálů (ledových dob), vzájemně oddělených interglaciály (viz článek V. Ložka 80, 146, 2001/3).

    V ledových dobách (glaciálech) se na našem území utvářely naváté sedimenty plavých spraší, které pokrývají velké souvislé plochy a někdy jsou ve formě návějí a závějí. V dobách meziledových (interglaciálech) vznikaly na těchto sprašových sedimentech půdy, které na některých lokalitách byly v následujícím glaciálu překryty nánosem nových spraší. Na svislých stěnách hlinovníků cihelen proto dodnes můžeme najít vodorovné pásy tmavší zeminy uprostřed plavé spraše. Podle půdních taxonů lze odhadnout klimatické poměry v jednotlivých interglaciálech a fázích. Například v jedné z fází posledního interglaciálu (v eemu) nacházíme pohřbené půdy odpovídající submediteránnímu klimatu, které bylo teplejší a vlhčí než dnešní klima. Podobné „pohřbené půdy“ byly identifikovány v mnoha lokalitách, jmenujme alespoň Sedlec u Prahy nebo cihelnu poblíž Řeporyjí a Modřice u Brna. Staré fosilní a pohřbené půdy nejsou omezeny jen na sprašové útvary, ve spraších jsou však rozpoznatelné i pro laika. Je na nich vidět, že v geologicky nedávné historii bylo vícekrát klima v Čechách teplejší a vlhčí než dnes, teplá období však byla přerušována dlouhodobým velmi chladným klimatem.

    Všechny faktory, které způsobují ledové a meziledové doby, dosud nebyly objasněny. Uvažuje se o vlivech astronomických a o postupném ochlazování oceánů v terciéru. O těchto jevech mohou veřejnost podrobněji informovat odborníci pracující v paleoklimatologii. Rozhodně však nemůžeme tento – zatím krátkodobý – trend oteplení vysvětlovat jako důsledek zvýšené koncentrace „skleníkových plynů“. Stupeň významnosti antropogenního vlivu bude možné stanovit tehdy, až se zjistí, které faktory a jakou měrou se podílely na změnách klimatu v kvartéru. Samotná korelace mezi koncentrací CO2 v ovzduší a zvyšováním „průměrné“ teploty za posledních několik desítek let nevypovídá o ničem – pro tak složitý systém, jako je atmosféra, je nepoužitelná. Nemá smysl vytrhávat jeden z mnoha působících faktorů a stavět na něm jednoduché a jednostranné studie. Nesprávnost můžeme osvětlit na příkladu: Na zahradě jsem sklidil jablka, hrušky, švestky, broskve a meruňky, dohromady 100 kg. Jestliže vím, že jablek bylo 40 kg, můžu pouze z těchto údajů vypočítat, kolik bylo hrušek?

    Literatura

    G. Sposito: The Aims of Soil Science. Introductory Lecture at 16. Congress of Soil Science, Proceedings, p. 41–48, 1998 (přehled o současných globálních odhadech publikovaných v Science, Nature ad.)
    Soil and Tillage Research (Elsevier), informace o vlivu využití půdního fondu, půdní technologie a orby na půdní dýchání a procesy s ním spojené


    Cílek V.: Milankovičův cyklus zpochybněn, Vesmír 72, 137, 1993/3

    Cílek V.: Mořské proudění a klima ve střední Evropě, Vesmír 72, 368, 1993/7

    Cílek V.: Náhlé změny klimatu šok na pokračování, Vesmír 72, 707, 1993/12

    Charvátová I.: Sluneční aktivita, klima, výbuchy sopek, zemětřesení, Vesmír 72, 365, 1993/7

    Cílek V.: Heinrichovy vrstvy v severním Atlantiku, Vesmír 72, 175, 1993/3

    Cílek V.: Sezonní a roční variace obsahu kyslíku v atmosféře, Vesmír 72, 235, 1993/4

    Cílek V.: Změny oceánu, oceán změn, Vesmír 72, 310, 1993/6

    Bednářová J.: Spraše, fosilní měkkýši a datování, Vesmír 72, 365, 1993/7

    Cílek V.: Jedle a tektonika, Vesmír 73, 507, 1994/9

    Cílek V.: Katastrofální deště ve 14. století v Německu, Vesmír 73, 175, 1994/3

    Cílek V.: Kolik zbývá budoucnosti? CO2 opět na scéně, Vesmír 73, 55, 1994/1

    Cílek V.: Konec skleníkové války?, Vesmír 73, 266, 1994/5

    Cílek V.: Možnost klimatické katastrofy, Vesmír 73, 37, 1994/1

    Cílek V.: Ozonová díra, Vesmír 73, 37, 1994/1

    Cílek V.: Ozonová díra a rakovina kůže, Vesmír 73, 370, 1994/7

    Charvátová I.: Má antropogenní činnost vliv na skleníkový efekt?, Vesmír 73, 115, 1994/2

    Cílek V.: El Niño jezulátko, Vesmír 74, 257, 1995/5

    Cílek V.: Milankovičovy cykly, Vesmír 74, 488, 1995/9

    Cílek V.: Změny hydrologického režimu v západní Evropě, Vesmír 74, 254, 1995/5

    Ložek V., Cílek V.: Klimatické změny a vývoj krasových sedimentů, Vesmír 74, 16, 1995/1

    Cílek V.: O vlku a oxidu uhličitém, Vesmír 75, 314, 1996/6

    Cílek V.: Dva sborníky o klimatu a jeho nebezpečích, Vesmír 75, 696, 1996/12

    Cílek V.: Až nám vítr a déšť poručí, Vesmír 76, 5, 1997/1

    Svoboda J.: Tvrdé zimy v Evropě za uplynulé tisíciletí, Vesmír 76, 96, 1997/2

    Svoboda J.: Nad srážkami v Čechách, Vesmír 76, 512, 1997/9

    Cílek V.: Dialog mezi mořem a větrem, Vesmír 77, 367, 1998/7

    Cílek V.: Klimatický stres, Vesmír 77, 157, 1998/7

    Cílek V.: Severoatlantická oscilace (NAO) v poslední době ledové, Vesmír 78, 196, 1999/4

    Cílek V.: Velikost genitálií indikuje klimatické změny, Vesmír 78, 375, 1999/7

    Pokorný P.: Teplomilné rostliny v chladných dobách, Vesmír 78, 367, 1999/7

    Šesták Z.: Rostoucí koncentrace CO2 v ovzduší, Vesmír 79, 7, 2000/1

    Cílek V.: Minulost ještě neskončila, Vesmír 79, 7, 2000/1

    Markoš A.: Většina oxidu uhličitého bydlí v karbonátech, Vesmír 79, 7, 2000/1

    v atmosféře

    I když u naprosté většiny využívaných zemědělských půd je podíl organických látek vůči látkám minerálním velmi malý, přesto mají rozhodující vliv na základní půdní vlastnosti, především na přirozenou úrodnost. (Souvislostmi mezi přeměnou organických látek v půdě a změnami přirozené úrodnosti se zabývá práce M. Whitneye Půda a civilizace (1925).) Po celou historii lidstva býval rozkvět i úpadek civilizací provázen zásadními změnami obsahu organických látek a živin v zemědělsky využívaných půdách. Podle různých pramenů se celkové světové zásoby uhlíku v půdním prostředí odhadují v rozmezí 14,6.1014 až 30.1014 kg. Toto množství podstatně převyšuje obsah uhlíku vázaného v živých organizmech nebo množství atmosférického uhlíku z oxidu uhličitého (viz tabulku).

    Celková dynamika uvolňování organického uhlíku z půd není dosud přesně známa. Časové kvantitativní stanovení je navíc komplikováno tím, že se uhlík do atmosféry dostává i jinak, např. spalováním fosilních paliv nebo ničením tropických lesů. Je zřejmé, že změny v uvolňování CO2 z organických substancí půdy do atmosféry mohou být velice významné.

    Upozornil na to ostatně již A. T. Wilson, který r. 1978 porovnal letokruhy borovice osinaté (Pinus aristata) s diagramem koncentrace izotopu 13C v celulóze kmene a zjistil, že někdy od konce 18. století do roku 1890 výrazně vzrostla koncentrace CO2 v ovzduší. Pokusil se to logicky vysvětlit tím, že v tomto období probíhaly radikální intenzifikační proměny v zemědělství (viz Vesmír 74, 313, 1995/6) a po celém světě se rozšiřovaly výměry zemědělské, především orné půdy. Podle jeho názoru se tyto změny musely projevit výrazným zvýšením intenzity rozkladu organických látek v půdě, a tudíž zvýšeným přenosem CO2 z půdy do ovzduší. (Závěry získané využitím výsledků laboratorních rozborů provedených při Komplexním průzkumu zemědělských půd (1961-1971) a laboratorních analýz uskutečněných v rámci podrobných hydropedologických průzkumů pro jednotlivé meliorační stavby potvrzují, že na odvodněných lučních pozemcích se po dvaceti až třiceti letech polního hospodaření snížil obsah organických látek v půdě v průměru o 40 až 60 %.)

    Uvedené skutečnosti se staly podnětem k formulaci jedné z hypotéz o příčinách konce poslední malé doby ledové. Stojí i na počátku tvrzení, že podmínky pro ukončení současného interglaciálu, tedy počátku vývoje postupného zhoršování podnebí, který zákonitě vyústí v další kvartérní glaciál, nastanou teprve až praktickým vyčerpáním fosilních paliv.

    OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Klimatologie

    O autorovi

    Miroslav Kutílek

    Prof. Ing. Miroslav Kutílek, DrSc., (*1927) vystudoval vodní hospodářství na Fakultě inženýrského stavitelství ČVUT v Praze. Dlouhodobě přednášel na univerzitách v Bayreuthu, Davisu (v Kalifornii), Chartúmu a na ČVUT v Praze. Zabývá se především pedologií a je čestným členem Mezinárodní pedologické unie.

    Doporučujeme

    Tajemná „Boží země“ Punt

    Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

    Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
    Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
    Hmyz jako dokonalý létací stroj

    Hmyz jako dokonalý létací stroj

    Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
    Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
    Hranice svobody

    Hranice svobody uzamčeno

    Stefan Segi  |  4. 12. 2017
    Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

    Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

    Tištěná i elektronická
    verze časopisu
    Digitální archiv
    od roku 1994
    Speciální nabídka
    pro školy a studenty

     

    Objednat předplatné