Půda – živý systém

Celosvětově obsahuje půda asi třikrát víc uhlíku, než je obsaženo v atmosféře. Tento uhlík je zejména v půdní organické hmotě, která má různou podobu od rozkládajícího se listu na povrchu půdy až po humusové látky vázané na jílové minerály. Organické látky v půdě se činností půdních organismů neustále rozkládají a vznikající oxid uhličitý se uvolňuje do atmosféry. Množství takto vzniklého oxidu uhličitého a uvolněného z půdy je přitom asi desetkrát větší než množství oxidu uhličitého, který vzniká spalováním fosilních paliv. Kromě toho, že půdní organická hmota a její rozklad může významně ovlivnit produkci CO₂ a dalších skleníkových plynů, ovlivňuje obsah organické hmoty v půdě i řadu dalších půdních vlastností, jako je pH, tepelný režim nebo schopnost zadržovat vodu a živiny.

Změníme-li způsob užívání půdy, může se významně změnit obsah organické hmoty. Při odvodnění rašelinišť může dojít k podstatné mineralizaci organické hmoty a podobný účinek má i orba. Jiné změny mohou mít na akumulaci uhlíku v půdě naopak pozitivní efekt, například vhodné zazelenění výsypek, pěstování víceletých pícnin na orné půdě, přechod na bezorebné technologie a v některých případech též pěstování lesa. Tato schopnost hromadit uhlík v půdě není zcela zanedbatelná, například pod výsadbami na výsypkách se může v půdě uložit ročně až jeden a půl tuny uhlíku na ha. Takové hromadění uhlíku samozřejmě nemůže pokračovat donekonečna, každá půda má svůj limit. U velké většiny našich zemědělských a lesních půd však můžeme očekávat, že nejsou uhlíkem zcela nasyceny a pro další hromadění uhlíku je zde potenciál. Kdybychom předpokládali, že se nám podaří zvyšovat obsah uhlíku v těchto půdách o 0,01 % ročně (tedy za rok přibližně o 300 kg/ha), snížily by se emise CO₂ více než desetinásobně oproti situaci, kdy by dosavadní instalovaný výkon všech fotovoltaických elektráren v České republice (k 31. 12. 2009, tj. 411 MWp) nahradil provoz stejného výkonu uhelných elektráren. (Pozn. red.: viz též Freeman Dyson, Vesmír 87, 624, 2008/9.)

Půda je místem s obrovskou rozmanitostí organismů. Při výzkumech půdní bioty na Sokolovsku jsme na jednom čtverečním metru půdy napočítali takřka 200 druhů jen eukaryotních organismů (tedy aniž bychom zahrnuli bakterie, aktinomycety a archea) a přitom víme, že i mezi eukaryoty jsme opomenuli nebo nedokázali zpracovat některé skupiny a domníváme se, že skutečný počet druhů bude dvakrát až třikrát vyšší. Půdní organismy disponují nepřebernou paletou tvarů, velikostí a životních strategií; od bakterií velkých tisícinu milimetru až po žížaly dlouhé i desítky centimetrů. Právě vzájemné interakce organismů různé velikosti hrají významnou roli při přeměnách organické hmoty v půdě.

Hlavním zdrojem organické hmoty vstupující do půdy jsou rostliny, a to jednak opad (odumřelé části rostlin), jednak kořenové výměšky. Tato organická hmota je rozkládána zejména činností půdních mikroorganismů bakterií, archeí a hub. Mikroskopičtí půdní živočichové se účastní vlastní dekompozice o poznání méně, mohou však být významnými predátory mikroflóry, ovlivňovat tak její populační dynamiku, a tím i dekompoziční účinnost. Půdní makrofauna čili velcí půdní živočichové (které můžeme bez problémů vidět pouhým okem) mají relativně malou asimilační účinnost a většinu pohlcené organické hmoty nevyužijí, pouze ji přetransformují do organické hmoty exkrementů. Ale i tato makrofauna může nepřímo významně ovlivňovat transformaci organické hmoty tím, že mění životní podmínky půdní mikroflóry, a tedy její aktivitu. Právě interakce mezi půdní mikroflórou a makrofaunou a jejich význam pro transformaci organické hmoty jsou hlavním předmětem našeho badatelského úsilí.

Souhrnně tedy můžeme říci, že půdní fauna může jak urychlovat, tak zpomalovat dekompozici organické hmoty, přitom urychlování je časté v okamžiku přímé interakce nebo krátce po ní, naproti tomu zpomalení přichází později. Co to způsobuje, zatím zcela přesně nevíme, ale předpokládáme, že se jedná o řadu souběžně působících mechanismů. Domníváme se, že rozmělnění opadu na menší kousky (fragmentace) vede k otevření buněk, které mohou být následně rychleji kolonizovány půdní mikroflórou (obr. 2). Limitující živinou v opadu je dusík, a to jednak proto, že rostliny část dusíku před opadem listů stáhnou zpět, jednak proto, že část zbylého dusíku je vázána v těžko rozpustných komplexech aminokyselin a fenolických látek. U některých skupin půdní fauny následného zpomaleni rychlosti dekompozice. dochází k výraznému vzestupu pH ve střevě. Tento nárůst pH vede k snazšímu uvolňování dusíku z jinak nerozpustných komplexů. Mikroflóra může být pro půdní faunu významným zdrojem dusíku, proto někteří zástupci fauny selektivně požírají mycelium nebo části opadu bohatě prorostlé mikroflórou. Mikroflóra je pak v střevě selektivně trávena. Například ve střední části střeva larev muchnic dochází k výraznému odumírání a trávení pohlcených bakterií, ale v zadních částech střeva, a zejména v exkrementech počty bakterií již opět rostou a nakonec jsou výrazně vyšší než jejich populace v požíraných listech. Je to jednak díky zmíněnému nárůstu pH (alkalinizaci), jednak díky tomu, že část živin, která je uvolněna z těl odumřelých bakterií a není vstřebána larvami, může být využita bakteriemi. Předpokládá se také, že konzumace části mikrobiální populace omezuje vzájemnou kompetici a umožňuje udržovat mikroorganismy v růstové fázi. Všechny tyto mechanismy přispívají k prudkému zvýšení mikrobiální aktivity, které často pozorujeme po konzumaci opadu půdní faunou. Nicméně uvolnění živin a jejich následné využití buď faunou, nebo asociovanou mikroflórou způsobuje, že pro pozdější stadia rozkladu zbývá méně živin než v neovlivněném opadu. To je jednou z příčin Někteří autoři poukazují na to, že půdní fauna může urychlovat vznik humusu, který představuje velmi rezistentní a pomalu se rozkládající složku organické hmoty. Dalším mechanismem, který může zpomalovat rychlost dekompozice, je vazba organické hmoty na minerální složku půdy. Ve střevě některých půdních živočichů, zejména řady druhů žížal, dochází k obalování malých úlomků organické hmoty jíly (obr. 3). Tyto obalené částečky se pak rozkládají daleko pomaleji, než kdyby zůstaly volně v půdě. Mechanismy zpomalující dekompozici struktur vytvářených půdními živočichy vedou k tomu, že tyto struktury, mohou tvořit velkou část celkového objemu půd. To je zvlášť významné při vzniku nových půd, například na výsypkách.

Před časem jsme se rozhodli porovnat akumulaci uhlíku v půdách vznikajících na výsypkách pod výsadbami různých druhů dřevin. Ukázalo se, že během prvních třiceti let po výsadbě může být akumulace uhlíku v půdě velmi rychlá (více jak 1000 kg/ha a rok) a u některých, zejména listnatých, porostů je celkové množství uhlíku nahromaděné v půdě porovnatelné s množstvím uhlíku v kmenech a větvích stromů. Nejzajímavější bylo pro nás ale zjištění, že množství uhlíku nahromaděného v půdě nijak nekorelovalo s přísunem opadu vstupujícího do půdy, naopak byla zde velmi úzká korelace mezi množstvím uhlíku akumulovaného v půdě a aktivitou či početností žížal. Tato korelace a další následné mikrokosmové pokusy ukazují, že vývoj půdy pod určitým typem vegetace významně určuje nejen vegetace samotná, ale i půdní organismy, které jsou na ni vázány.

Toto zabudovávání organické hmoty do různých struktur tvořených půdními živočichy mění řadu půdních vlastností. Například přeměna opadu na exkrementy zmiňovaných muchnic zvýší významně množství zadržené vody a podobný vliv mají i exkrementy žížal. Změna vlastností půd pak může výrazně ovlivnit složení rostlinného společenstva. Například na nerekultivovaných výsypkách, kam musí žížaly domigrovat často i na vzdálenost několika stovek metrů, trvá kolonizace žížalami okolo 20 let a je jedním z faktorů, který způsobuje výraznou změnu půdy a následně i zásadní změny ve složení rostlinného společenstva, které je před příchodem žížal dominováno spíše ruderálními druhy, zatímco po jejich příchodu se více uplatňují luční a lesní specialisté. Tyto příklady ukazují, že pro obnovu ekosystémů a jejich fungování je třeba vzájemné interakce různých organismů.

Na závěr můžeme říci, že půda pod našima nohama je osídlena nepřeberným množstvím druhů, které vstupují do obrovského množství nejrůznějších interakcí, a ty navzdory své nenápadnosti zásadním způsobem ovlivňují chování světa kolem nás.