VERONICA - ČASOPIS PRO OCHRANU PŘÍRODY A KRAJINY

Půda a plyny?

Pro většinu lidí asi nesmysl na první pohled…, nicméně jenom na první a nepoučený pohled. Každá půda ve skutečnosti obsahuje velmi mnoho plynů. Lépe řečeno, půda se skládá ze tří základních složek: pevné (to je ta část půdy, kterou obvykle vnímáme jako půdu, když po ní chodíme nebo když si ji nabereme na dlaň; obvykle na ni připadá kolem 50 % objemu neporušené půdy), kapalné (tedy půdní vody; zabírá kolem 25 % objemu) a plynné (půdního vzduchu; připadá na něj také kolem 25 % objemu). Půdní vzduch je tvořen plyny, což je podobně jako atmosférický vzduch směs několika základních a mnoha stopových plynů. Na rozdíl od přízemní atmosféry obsahuje půdní vzduch obvykle větší množství oxidu uhličitého, metanu a oxidů dusíku a menší množství kyslíku. Proč? Složení půdního vzduchu je výsledkem mnoha biotických i abiotických procesů probíhajících v půdě. Při některých těchto procesech se spotřebovává kyslík a naopak se tvoří plyny, jejichž koncentrace se samozřejmě zvyšuje. Půda ale není izolovaná od okolí, a tak se ubývající kyslík postupně doplňuje z atmosféry a naopak se z půdy do atmosféry uvolňují vznikající plyny, tedy zejména oxid uhličitý, ale i další. Pohyb molekul plynů v půdě a vyrovnávání jejich koncentrací mezi půdou a atmosférou se děje díky difuzi a proudění. Výsledkem jsou emise plynů z půdy do atmosféry a spotřebovávání některých plynů z atmosféry v půdě. Půda je tedy jak zdrojem, tak spotřebitelem plynů.

Skleníkové plyny. Některé plyny mají zvláštní vlastnost, která se projevuje jako tzv. skleníkový efekt atmosféry. Jsou to 1. vodní pára (H2O; běžně se do skleníkových plynů nezařazuje, avšak její působení je celkově největší), 2. oxid uhličitý (CO2), 3. metan (CH4), 4. oxid dusný (N2O), 5. halogenované uhlovodíky (CFCs, HFCs), 6. ozon v troposféře (O3) a řada dalších plynů. Tyto plyny se někdy nazývají skleníkové plyny.

Skleníkový efekt. Některé normální složky vzduchu způsobují svou přítomností a svými vlastnostmi, že atmosféra omezuje únik tepelné energie do kosmického prostoru a tím významně přispívá k ohřívání zemského povrchu a udržování přijatelné teploty na Zemi. Velmi zjednodušeně si představme, že molekuly některých plynů (= radiačně aktivních plynů) mohou dočasně pohltit dlouhovlnné infračervené záření a poté jej zase uvolnit. Sluneční záření z ultrafialové, viditelné nebo infračervené oblasti spektra, které se dostane k povrchu Země, je z části pohlceno a jeho energie ohřívá půdu, vodu atd. Větší část tohoto pohlceného záření je ale zase vyzářena do prostoru, a to ve formě dlouhovlnného (infračerveného) záření. Toto Zemí vyzařované dlouhovlnné záření samozřejmě opět prochází atmosférou - a tak se dostáváme ke skleníkovým plynům. Jejich molekuly totiž zachycují procházející dlouhovlnné záření a po určité době je zase uvolňují, ale nyní všemi směry - část zachyceného záření směřujícího původně do prostoru se proto vrací zpět k povrchu a dále jej otepluje. Takto tedy molekuly některých látek přítomné v atmosféře přispívají k oteplování povrchu Země a způsobují onen skleníkový efekt. Název skleníkový efekt je mimochodem nepřesný proto, že v případě skutečného skleníku způsobuje ohřívání půdy uvnitř skleníku hlavně teplý vzduch, jemuž sklo brání uniknout prouděním z vnitřního uzavřeného prostoru - víme, že přehřívání skleníku můžeme účinně předejít větráním, kterým umožníme výměnu vzduchu mezi skleníkem a okolím.

Skleníkové plyny z půdy

Skleníkové plyny si obvykle spojujeme se spalováním fosilních paliv, s dopravou či průmyslem. Proto možná někoho překvapí, že také půdy a zemědělství produkují velké množství skleníkových plynů. Podíl zemědělství na celosvětových člověkem ovlivněných či způsobených, tedy antropogenních emisích skleníkových plynů se odhaduje na 22 %. Je tedy podobný jako celkové emise z průmyslové výroby, a dokonce vyšší než emise z dopravy. Přitom kolem 80 % emisí ze zemědělství jsou emise spojené s chovem hospodářských zvířat, zbývajících 20 % tvoří emise vyvolané nadbytkem plynů v půdním prostředí.

V odhadu emisí z půdy není započítán oxid uhličitý, protože se předpokládá, že emise CO2 jsou vyrovnávány spotřebou CO2 v procesech fotosyntézy a tvorby organických látek; celková čistá změna je tedy blízká nule a je zřejmě spíše pozitivní - o něco více CO2 se v současné době spotřebuje a uloží do biomasy a posléze do organických látek, než se ho uvolní respirací organismů.

Využívání půdy je jedním z hlavních zdrojů dvou dalších velmi účinných skleníkových plynů, metanu a oxidu dusného, a to jak v celosvětovém měřítku, tak i v podmínkách ČR. Odhaduje se, že v globálním měřítku vzniká 52 % antropogenních emisí N2O a 84 % antropogenních emisí CH4 v zemědělství. V podmínkách ČR jsou hlavními zdroji N2O zemědělské půdy, dále spalování fosilních paliv a průmyslová výroba, zatímco u metanu je nejvýznamnějším zdrojem spalování paliv (tuhých), následované zemědělstvím (chov dobytka, organická hnojiva) a odpadovým hospodářstvím.

Kde se ty plyny berou?

Skleníkové plyny vznikají v půdách zejména tam, kde je nadbytek dusíku (vzniká N2O) nebo kde se aktivují mikroorganismy a rozkládá se organická hmota (vzniká CO2 a CH4). Nadbytek dusíku je ovšem relativní pojem. Mnohé polopřirozené (např. lesní) ekosystémy zdánlivě chudé na živiny se považují za nasycené nebo dokonce přesycené dusíkem. Ten pochází hlavně ze suchých a mokrých spadů. Poté co se dusíkaté látky dostanou na povrch půdy a do půdy, jsou transformovány různými skupinami mikroorganismů a jako meziprodukt nebo i konečný produkt vzniká oxid dusný. Ten může být ještě v půdě spotřebován jinými mikroorganismy, ale většina jej uniká z půdy do ovzduší. K podobným procesům dochází v každé půdě. Pokud je ale dusíku relativně málo, zůstává jej naprostá většina v půdě: v biomase rostlin, v biomase mikroorganismů a dále v odumřelé biomase a v půdním humusu. Mohli bychom říci, že v podmínkách určitého nedostatku půda s dusíkem dobře hospodaří a jen velmi málo dusíku uniká z půdy do okolí, ať již ve formě plynů do ovzduší, nebo v jiných formách do podzemních i povrchových vod. Pokud je však dusíku více, hospodaření s ním není tak přísné a mnohem více dusíku může z půdy unikat. Právě zemědělské půdy mívají celkem často dusíku nadbytek. K zajištění výživy plodin se do nich dusík přidává ve formě průmyslových i organických hnojiv, a to v přebytku. Plodiny ale všechen dusík využít nemohou, a tím vznikají dobré podmínky pro tvorbu dusíkatých plynů včetně skleníkového plynu N2O. Zatímco tedy emise N2O z přirozených ekosystémů neovlivněných člověkem jsou nízké až zanedbatelné, ekosystémy pozměněné lidskou činností mohou oxidu dusného produkovat značné množství.

Půdy také obsahují obrovské množství uhlíku; v přepočtu na jeden hektar plochy jde o desítky až stovky tun uhlíku, a to ve velké většině 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 tzv. opad (např. listy stromů i bylin, větve, stonky rostlin atd.), nebo v agroekosystémech také posklizňové zbytky (např. sláma a kořeny obilnin apod.). Působením půdních organismů se organické látky postupně rozkládají a vznikají jednoduché sloučeniny včetně oxidu uhličitého a metanu. Můžeme zjednodušeně říci, že pokud v dané půdě a v daném čase převažují aerobní poměry (tj. je v ní dostatek kyslíku), vzniká převážně oxid uhličitý, zatímco při nedostatku kyslíku, tedy v anaerobních poměrech vzniká podstatně více metanu. V každém případě jsou však přeměny organických látek neustále probíhající v každé půdě doprovázeny tvorbou uhlíkatých plynů. Využívání půd pro zemědělství a jejich obdělávání vede ve velké většině případů k poklesu obsahu organické hmoty v půdě v důsledku zvýšené mineralizace organických látek. Obdělávání totiž spočívá v mnoha činnostech, které půdu celkově provzdušňují a které zvyšují intenzitu mikrobiálních pochodů. Např. odvodnění zamokřených půd a rašelinišť jednoznačně vede ke snížení obsahu organické hmoty v půdě (a dočasně ke zvýšení emisí CO2 a CH4). Jiným „spolehlivým“ prostředkem ke zvýšení emisí plynů je mechanická kultivace, např. orba, kypření nebo jiné analogické operace, bez nichž se klasické zemědělské technologie neobejdou. Akceleraci mikrobiálních pochodů způsobují i další technologie, např. zavlažování půd v sušších oblastech. Naopak dočasné zaplavení půdy při pěstování rýže a některých jiných plodin nebo špatné hospodaření, které umožňuje vznik dočasně zamokřených půd, vedou ke vzniku takových podmínek v půdě, které podporují tvorbu a následné emise metanu.

Druhým významným zdrojem emisí skleníkových plynů ze zemědělství je i chov hospodářských zvířat. I když nelze zanedbat ani oxid uhličitý uvolňovaný respirací, jedná se hlavně o metan. Metan produkují mikroorganismy ze skupiny archea, které tvoří normální součást mikroflóry v trávicím traktu mnoha živočichů včetně přežvýkavců. Vedle přímé produkce metanu říháním a pšoukáním vzniká metan v souvislosti s chovem dobytka i ve skládkách organických hnojiv, tedy ve skládkách exkrementů dobytka - v hnojištích, v jímkách na kejdu a močůvku apod. V průběhu jejich zrání a po aplikaci v půdě zde spolu s metanem vzniká mikrobiálními procesy přeměn dusíkatých látek i nezanedbatelné množství oxidu dusného.

Zásadní změnou, která často znamená prudké zvýšení emisí uhlíkatých plynů z půdy, je změna způsobu využívání půdy, např. převedení lesní půdy na zemědělskou nebo převedení půd trvalých travních porostů (prérie, step) na kultivovanou ornou půdu. V odborné literatuře existuje dostatek důkazů, že takové změny ve využívání půdy vedou k rapidnímu poklesu obsahu organické hmoty v půdě a současně také uhlík z humusových látek uniká ve formě oxidu uhličitého (a někdy i metanu) do ovzduší. Jiným příkladem je nadměrná pastva dobytka na rozsáhlých územích stepí a savan.

Vedle zemědělských půd, které mohou být čistým zdrojem i spotřebitelem (zásobárnou neboli sinkem) skleníkových plynů, jsou velmi významným potenciálním zdrojem emisí CO2 a CH4 půdy polopřirozených a přirozených ekosystémů, v nichž se uhlík hromadil dlouhou dobu, aniž by člověk do těchto procesů významněji zasahoval. Takové půdy nacházíme na celé zeměkouli, ale v poslední době se v souvislosti se skleníkovými plyny nejvíce hovoří o půdách v severských oblastech tajgy a tundry, tedy v oblastech s relativně nízkou teplotou a vyššími srážkami. Za těchto podmínek se v půdě dlouhodobě hromadila organická hmota. I vcelku malé zvýšení průměrné teploty by zde mohlo vést ke stimulaci rozkladných mikrobiálních procesů a tyto půdy by se rychle mohly stát velkým zdrojem uhlíkatých plynů, CO2 i CH4.

Jaké jsou možnosti snížení emisí skleníkových plynů z půd?

Možnosti snížení emisí skleníkových plynů je možné shrnout do třech kategorií:

1. Snížení stávajících emisí zvýšením efektivity toku dusíku a uhlíku v zemědělském ekosystému a snížením plynných ztrát.
2. Zvýšení ukládání uhlíku z atmosféry do zásobníků (sinků). Jedná se především o CO2 a jeho větší odčerpávání fotosyntézou rostlin a následné ukládání do organické hmoty v půdě; v menším rozsahu by mohlo jít i o zvýšení oxidace CH4 v půdě a o redukci N2O na N2.
3. Vyloučení emisí změnou technologií.

Prof. Ing. Miloslav Šimek, CSc., (*1956) působí v Ústavu půdní biologie Biologického centra AV ČR a na Přírodovědecké fakultě Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích. Zabývá se studiem mikrobiálních procesů v půdách, zejména procesy přeměn dusíku, a ekofyziologií půdních mikroorganismů. Dlouhodobě se věnuje problematice tvorby a stanovení plynných metabolitů (metan, oxid dusný, oxid uhličitý) v půdách a jejich emisí z půd do atmosféry.