Skleníkové plyny v půdě

Jako skleníkové plyny se označují plyny v atmo sféře, které způsobují skleníkový efekt. Známe více než 35 plynů s těmito vlastnostmi, ale jen 6 jich má praktický význam (obrázek tab. I.). Obvykle je spojujeme s průmyslem, energetikou nebo dopravou. Proto možná někoho překvapí, že velké množství skleníkových plynů vzniká také v půdě a v důsledku zemědělských aktivit. Podíl zemědělství na celosvětové antropogenní emisi skleníkových plynů se odhaduje na 22 %, a je tedy podobného rozsahu jako emise z průmyslové výroby, a dokonce vyšší než emise z dopravy. Kolem 80 % emisí v zemědělství je spojeno s chovem hospodářských zvířat [2].

Emise skleníkových plynů v ČR dnes Podle oficiální inventury, kterou každoročně vydává Český hydrometeorologický ústav, činily celkové emise (obrázek 1) související s lidskou činností r. 2005 téměř 146 milionů tun ekvivalentu CO₂>p1> (bez započítání sektoru využití půdy a lesnictví).

Naše zemědělství má poměrně malý podíl na emisích skleníkových plynů (čili na tvorbě celkového potenciálu globálního oteplování). V odhadu není započítán oxid uhličitý, protože se předpokládá, že jeho emise z půd, hnojiv a dalších zdrojů jsou vyrovnávány spotřebou v procesech fotosyntézy a tvorby organických látek. Celková čistá změna je blízká nule a je zřejmě spíše pozitivní – o něco více CO₂ se spotřebuje a uloží do biomasy, a posléze do organických látek, než se ho uvolní dýcháním organizmů.

Bilanci emisí skleníkových plynů ze zemědělství v ČR ovlivňují hlavně metan a oxid dusný (obrázek 2). V porovnání s emisemi pocházejícími z energetiky a průmyslu by se mohlo zdát, že skleníkové plyny ze zemědělství nemají téměř žádný význam. Skutečně 5,5 % v relativních hodnotách mnoho neznamená. Je ale třeba si uvědomit, že oněch několik procent představuje v absolutních číslech asi 7,8 milionu tun ekvivalentu CO₂, což je velké množství.

Zemědělství je jedním z hlavních zdrojů dvou velmi účinných skleníkových plynů, metanu a oxidu dusného, a to jak v celosvětovém měřítku, tak v podmínkách ČR. Odhaduje se, že v zemědělství globálně vzniká 52 % antropogenních emisí N₂O a 84 % antropogenních emisí CH₄ [3]. V ČR jsou hlavním zdrojem N₂O zemědělské půdy, spalování fosilních paliv a průmyslová výroba. Nejvýznamnějším zdrojem metanu je spalování tuhých paliv, zemědělství (chov dobytka, organická hnojiva) a odpadové hospodářství [1].

Odkud se plyny berou?

Skleníkové plyny vznikají v zemědělství zejména tam, kde je buď nadbytek dusíku (vzniká N₂O), nebo kde mikroorganizmy rozkládají organickou hmotu (vzniká CO₂ a CH₄). Nadbytek dusíku je ovšem relativní pojem. Mnohé polopřirozené (např. lesní) ekosystémy ve střední Evropě i jiných oblastech jsou zdánlivě chudé na živiny. Přesto se považují za nasycené, nebo dokonce přesycené dusíkem, jenž pochází hlavně ze suchých a mokrých spadů. Jakmile se dusíkaté látky dostanou na povrch půdy a do půdy, přeměňují je různé skupiny mikroorganizmů. Jako meziprodukt nebo i konečný produkt vzniká oxid dusný. Ten může být ještě v půdě spotřebován jinými mikroorganizmy, ale většinou z půdy uniká do ovzduší. Podobné procesy se odehrávají v každé půdě; pokud je ale dusíku poměrně málo, zůstává ho většina v půdě: v rostlinách a mikroorganizmech, v odumřelé biomase a v půdním humusu. Mohli bychom říci, že v podmínkách určitého nedostatku půda s dusíkem dobře hospodaří a jen velmi málo ho uniká do okolí. Pokud je však dusíku více, hospodaření s ním není tak přísné a hojněji z půdy uniká.

Zemědělské půdy mívají celkem často dusíku nadbytek. Přidává se do nich ve formě průmyslových i organických hnojiv, aby se zajistila dobrá výživa pěstovaných plodin. Rostliny ale většinou všechen dusík nemohou využít, a tím vznikají dobré podmínky pro tvorbu plynných forem dusíku včetně skleníkového plynu N₂O. Zatímco tedy emise N₂O z přirozených ekosystémů neovlivněných člověkem jsou nízké až zanedbatelné, ekosystémy pozměněné lidskou činností ho mohou produkovat značné množství. Nejde jenom o zemědělské systémy, protože např. spady dusíkatých sloučenin ovlivňují všechny ekosystémy. Avšak vstupy dusíku do agroekosystémů jsou přece jen celkově mnohem vyšší než vstupy dusíku do jiných ekosystémů.

Např. v hospodářském roce 2005–2006 se v zemědělství ČR spotřebovalo přes 215 000 tun dusíku ve formě průmyslových hnojiv [4]. Lze se oprávněně domnívat, že část posléze unikla do ovzduší ve formě oxidu dusného. Jaká část to byla, není jisté. Odhady kolísají mezi několika procenty až desítkami procent. Kdybychom počítali s 5 % ztrát ve formě N₂O, pak by jen z průmyslových hnojiv unikalo ročně do ovzduší 10 750 t N₂O, což odpovídá 3,33 milionu tun CO₂. Kromě průmyslových hnojiv se ovšem využívají i organická hnojiva (hnůj, močůvka, komposty atd.), z nichž se také do prostředí uvolňuje mnoho dusíku.

V půdách je obsaženo rovněž obrovské množství uhlíku. Na jeden hektar plochy ho bývají desítky až stovky tun, většinou ve formě organických (humusových) látek. Půdní humus vzniká ze směsí organických látek, které se dostávají do půdy hlavně jako odumřelá biomasa rostlin i živočichů – buď jako opad (listy, větve či stonky rostlin), nebo jako posklizňové zbytky v agroekosystémech (sláma, kořeny obilnin ap.). Odumřelé organické látky podléhají v půdě mnoha složitým a navzájem provázaným procesům rozkladu a syntézy, které souhrnně nazýváme humifikace. Účastní se jich mikroorganizmy a enzymy v půdě a zahrnují i různé chemické a fyzikální přeměny organických látek. Při mikrobiálních přeměnách se část uhlíku obsaženého v organických sloučeninách mineralizuje – vznikají jednoduché sloučeniny včetně oxidu uhličitého a metanu. Můžeme zjednodušeně říci, že pokud je v dané půdě dostatek kyslíku, vzniká převážně oxid uhličitý. Při nedostatku kyslíku se tvoří podstatně víc metanu. V každé půdě však přeměny organických látek probíhají neustále a jsou doprovázeny tvorbou uhlíkatých plynů. V některých ekosystémech se uhlík hromadí (převládá ukládání do organických molekul v biomase a do humusových látek) a půdy těchto ekosystémů vystupují jako zásobník (sink). Globálním spotřebitelem uhlíku je většina lesních půd, půdy v tundře, rašeliniště a další.

Obdělávání půd vede ve většině případů k zvýšené mineralizaci organických látek, a tedy k snížení obsahu organické hmoty v půdě. Obdělávání spočívá v mnoha činnostech, které půdu provzdušňují a zvyšují intenzitu mikrobiálních pochodů. Např. odvodnění zamokřených půd a rašelinišť jednoznačně snižuje obsah organické hmoty v půdě (a dočasně zvyšuje emise CO₂ a CH₄). Jiným spolehlivým prostředkem k zvýšení emise plynů je mechanická kultivace – orba, kypření nebo jiné obdobné operace, bez nichž se klasické zemědělské technologie neobejdou. Mikrobiální pochody urychluje například zavlažování v sušších oblastech. Dočasné zaplavení půdy při pěstování rýže a některých jiných plodin nebo špatné hospodaření, při němž se na čas zamokřuje půda, naopak podporuje tvorbu a následné emise metanu.

Druhým významným zdrojem emisí skleníkových plynů v zemědělství je chov hospodářských zvířat. I když nelze zanedbat ani oxid uhličitý uvolňovaný při dýchání, důležitý je hlavně metan. Produkují ho mikroorganizmy ze skupiny Archaea v trávicím traktu mnoha živočichů včetně přežvýkavců. ²⁾ Vedle přímé produkce metanu říháním a pšoukáním dobytka vzniká metan na skládkách exkrementů, v hnojištích, v jímkách kejdy a močůvky ap., ale i během zrání organických hnojiv a po jejich aplikaci v půdě. Spolu s metanem zde vzniká i nezanedbatelné množství N₂O.

Zásadní změnou, která téměř vždy znamená prudké zvýšení emisí uhlíkatých plynů z půdy, je změna způsobu využívání půdy, např. převedení lesní půdy na zemědělskou nebo půd trvalých travních porostů na kultivovanou ornou půdu. Takové změny vedou k podstatnému poklesu obsahu organické hmoty v půdě a zároveň uniká do ovzduší uhlík z humusových látek ve formě oxidu uhličitého a někdy i metanu.

Jiným příkladem je nadměrná pastva dobytka na rozsáhlých územích, např. v Jižní i Severní Americe, v Austrálii, Asii i jinde. Vedle zemědělských půd, které mohou být čistým zdrojem i úložištěm (sinkem) skleníkových plynů, jsou významným potenciálním zdrojem emisí CO₂ a CH₄ půdy polopřirozených a přirozených ekosystémů, v nichž se uhlík hromadil dlouhou dobu, aniž člověk do těchto procesů významněji zasahoval. Takové půdy nacházíme na celé zeměkouli, ale v poslední době se nejvíc hovoří o půdách v severské tajze a tundře, tedy o místech s poměrně nízkou teplotou a vyššími srážkami. Za těchto podmínek se v půdě dlouhodobě hromadila organická hmota. I vcelku malé zvýšení průměrné teploty by zde mohlo posílit mikrobiální procesy rozkladu a tyto půdy by se rychle mohly stát významným zdrojem CO₂ i CH₄.

Jak snížit emise skleníkových plynů v zemědělství?

Možnosti jak snížit emise skleníkových plynů lze shrnout do tří kategorií: 1. Snížit nynější emise (zvýšit efektivitu toku dusíku a uhlíku v zemědělském ekosystému a snížit plynné ztráty). 2. Zvýšit ukládání uhlíku z atmosféry do zásobníků (především CO₂, více jej odčerpávat fotosyntézou a ukládat do organické hmoty v půdě; v menším rozsahu zvýšit také oxidaci CH₄ v půdě). 3. Vyloučit emise změnou technologie [3]. Konkrétní opatření spadají do několika různých skupin:

• Agrotechnika plodin na orné půdě. Snížit emise N₂O lze omezením dusíkatých hnojiv, popřípadě zvýšením efektivního využití živin plodinami. Zatímco omezené hnojení může znamenat i snížení výnosů, velký potenciál je v 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, zapravení hnojiv do půdy ihned po aplikaci ap.).

  Potenciálně velké snížení emisí N₂O a zvýšené ukládání CO₂ do biomasy mohou přinést nové odrůdy plodin, nově zavedené a dodržované osevní postupy zaměřené na snížení plynných ztrát, menší hnojení nebo větší využívání meziplodin. ³⁾ Dalším účinným opatřením je omezit mechanické kultivace, tedy nahradit klasické technologie založené na orbě technologiemi omezeného nebo minimálního zpracování půdy. To většinou vede k snížené mineralizaci organických látek a poklesu emisí CO₂ z půd (může se ale také zvýšit výskyt anoxického mikroprostředí v půdě, a tím pravděpodobnost tvorby metanu, zvláště ve vlhčích oblastech; podobně mohou vzrůst i emise N₂O).

  Nejistý je dopad manipulací s vodním režimem.

  Zavlažování v sušších oblastech může jak zvýšit mineralizaci organických látek a tvorbu metanu i oxidu dusného, tak zároveň zvýšit využití půdního dusíku a ukládání CO₂ 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.

• Pratotechnika – obhospodařování trvalých travních porostů, zejména pastvin. Pokud se trvalé travní porosty využívají k produkci zelené píce, sena, senáže ap., 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 a z hlediska regulace mikrobiální tvorby uhlíkatých a dusíkatých plynů je žádoucí, aby byly na pastvině rozloženy rovnoměrně a nikde se nehromadily. Obvykle se hromadí u napajedel a stájí, na stezkách, v místech koncentrace zvířat při přechodu z pastviny na pastvinu ap.

  Snížit emise (hlavně N₂O a CH₄) lze tedy ro vnoměrným rozmístěním exkrementů a jejich omezeným ukládáním do půdy v do bě, 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 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 již třeba tím, že hnůj překryjeme vrstvou půdy, kejdu v nádrži pokryjeme vrstvou slámy nebo uzavřeme vhodným víkem, a především kompostujeme.

• Další možnosti jak omezit emise skleníkových plynů ze zemědělských půd jsou např.: lépe využívat organické půdy (velké potenciální zdroje metanu), omezit degradaci půdy a degradované půdy rekultivovat (optimalizovat půdní vlastnosti, a tím vytvářet podmínky pro lepší využití živin, a tedy i snížení ztrát), přejít z konvenčního intenzivního zemědělství na alternativní systémy zemědělské výroby (systémy s nižšími vstupy a uzavřenějšími cykly prvků a energie, tedy s nižšími ztrátami).

Je 5,5 % hodně, nebo málo?

Má smysl se zabývat problematikou emisí v zemědělství, když se podle oficiální inventarizace podílí v ČR na celkových emisích pouhými 5,5 %? Znamená to sice skoro 8 milionů tun CO₂ (včetně přepočtených emisí N₂O a CH₄), ale pořád jde o pouhých několik procent naší „produkce“. Odpověď může být různá. Pokud přijmeme názor, že každá troška je dobrá, pak usilovat o snížení emisí nějaký smysl má. Zároveň je ale třeba zdůraznit, že naše zemědělství určitě není hlavním přispěvatelem k nárůstu koncentrací skleníkových plynů v atmosféře a že by se pozornost měla věnovat hlavním zdrojům: elektrárnám, výtopnám, dopravním prostředkům a průmyslovým podnikům.

Situace v mnoha zemích je ale naprosto odlišná a zemědělství tam patří k hlavním producentům skleníkových plynů. To naznačuje i průměrný podíl zemědělství na celosvětových antropogenních emisích skleníkových plynů (22 %). Je tedy legitimní zabývat se otázkou jejich snížení, což také znamená zabývat se vlastními původci těchto plynů – mikroorganizmy a mikrobiálními procesy. Na ně se zaměříme v příštím čísle Vesmíru.