Pracovníci Ústavu půdní biologie Biologického centra AV ČR, v. v. i., řešili a řeší několik projektů zaměřených na problematiku vzniku tzv. skleníkových plynů v půdách a na emise těchto plynů z půd. Výzkum v poslední době probíhá ve spolupráci s italskými, německými a francouzskými kolegy.
Chov skotu může při nevhodném managementu vést ke znečištění vod (zejména splachem dusíkatých látek) a ovzduší (kvůli zvýšeným emisím N2O, CH4 a dalších plynů).
FOTO: Miloslav Šimek, Archiv autora
Skleníkové plyny nejsou pro Zemi žádnou pohromou. Naopak se tu díky přítomnosti těchto plynů v atmosféře máme "jako ve skleníku", tedy máme v průměru příjemné teploučko. Kdyby atmosféra takto nefungovala, měl by povrch Země průměrnou teplotu o 30 °C nižší, místo současných asi +15 °C by to bylo pro život vražedných –15 °C. Je-li tedy atmosféra "peřinou" udržující na Zemi vcelku příjemné teplo, jsou v této terminologii některé plynné složky atmosféry "peřím", které má tak blahodárné působení.
Proč nám tedy skleníkové plyny vadí? Problém, jak už to bývá, musíme hledat u sebe. Systém atmosférické "peřiny" byl víceméně v rovnováze do té doby, než jej začal více ovlivňovat člověk. Spalováním uhlí a později ropy a zemního plynu se uhlík, který byl kdysi postupně a dlouhodobě vázaný do těchto látek, nyní relativně velmi rychle uvolňuje, a to hlavně jako oxid uhličitý, jenž se hromadí v atmosféře. Právě molekuly oxidu uhličitého jsou oním atmosférickým "peřím", a proto i v souvislosti s ním můžeme použít srovnání, že když do peřiny přisypeme peří, bude nás více hřát. Atmosféra nyní účinněji zadržuje záření a člověk způsobil a způsobuje "globální oteplování". Ano nebo ne? Striktně vzato, víme zcela jistě, že "peří" v naší atmosférické "peřině" přibylo. Koncentrace všech významných plynů s radiačními účinky (skleníkových plynů) v atmosféře narůstá. Kromě oxidu uhličitého se takto chová i metan CH4, oxid dusný N2O a kupodivu i vodní pára. Za zvyšování množství skleníkových plynů tudíž jednoznačně odpovídá člověk. To víme; co logicky předpokládáme, je, že více skleníkových plynů musí vést k nárůstu teploty. Aniž bych se chtěl na tomto místě pouštět do polemiky, zda již zažíváme éru globálního oteplování nebo ne, dodám, že i když tomu mnohé může nasvědčovat, přinejmenším někteří klimatologové jsou opatrnější a hovoří o přirozených cyklech kolísání teploty, oteplování a ochlazování... Ale vraťme se k metanu a k oxidu dusnému. Jak souvisejí jevy v atmosféře s půdní biologií, která je předmětem našeho profesionálního zájmu?
Notoricky známým zdrojem skleníkových plynů je energetika, průmysl a doprava. Dnes je však jisté, že velká množství skleníkových plynů produkují také půdy a činnost v zemědělství. Podíl zemědělství na celosvětových antropogenních emisích skleníkových plynů se odhaduje na 22 %, je tedy podobný jako celkové emise z průmyslové výroby, a dokonce vyšší než emise z dopravy. Kolem 80 % emisí produkovaných při zemědělské činnosti je spojeno s chovem hospodářských zvířat. Zemědělství je přitom jedním z hlavních zdrojů metanu a oxidu dusného, a to jak v celosvětovém měřítku, tak i v podmínkách ČR. Odhaduje se, že v tomto odvětví globálně vzniká 52 % antropogenních emisí N2O a 84 % antropogenních emisí CH4. V podmínkách ČR jsou hlavním zdrojem N2O zemědělské půdy, spalování fosilních paliv a průmyslová výroba, zatímco u metanu je nejvýznamnějším zdrojem spalování tuhých paliv následované zemědělstvím (chov dobytka, organická hnojiva) a odpadovým hospodářstvím. Struktura emisí ze zemědělství ČR je následující: 58,1 % tvoří N2O ze zemědělských půd, 31,0 % CH4 z trávicích traktů hospodářských zvířat, 6,3 % N2O a 4,6 % CH4 z organických hnojiv.
Tři komory pro měření emisí se sundanými víky. Červená pryžová zátka ve středu víka slouží k odběru vzorku plynů.
FOTO: Miloslav Šimek, Archiv autora
Skleníkové plyny vznikají v zemědělství zejména tam, kde je nadbytek dusíku (vzniká N2O) nebo kde se aktivují mikroorganismy a rozkládá se organická hmota (vzniká CO2 a CH4). Mohli bychom říci, že v podmínkách určitého nedostatku půda s dusíkem dobře hospodaří a jen velmi málo ho 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 ho může z půdy unikat. Zemědělské půdy jej mívají celkem často nadbytek. Dusík se totiž do nich přidává ve formě průmyslových i organických hnojiv, aby byla zajištěna výživa pěstovaných plodin. Plodiny ale všechen využít nemohou, a tím vznikají dobré podmínky pro tvorbu plynných forem dusíku včetně skleníkového plynu N2O. Např. v hospodářském roce 2005–2006 se v zemědělství v ČR spotřebovalo přes 215 000 tun dusíku ve formě průmyslových hnojiv a lze se oprávněně domnívat, že část jej posléze unikla do ovzduší ve formě oxidu dusného. Ovšem množství není jisté, odhady kolísají mezi několika procenty až desítkami procent v těch nejhorších případech. Kdybychom počítali s 5 % ztrát ve formě N2O, pak by jen z průmyslových hnojiv unikalo ročně do ovzduší 10 750 t N2O, což převedeno na oxid uhličitý odpovídá 3,33 milionu tun CO2ekv (ve smyslu potenciálu globálního oteplování). Navíc jsou zde organická hnojiva (hnůj, močůvka, komposty atd.), z nichž se také uvolňuje mnoho dusíkatých plynů.
V půdách je obsaženo obrovské množství uhlíku; v přepočtu na jeden hektar plochy jde o desítky až stovky tun, a to ve velké většině ve formě organických (humusových) látek. Při mikrobiálních přeměnách se část uhlíku obsaženého v organických sloučeninách a v humusu mineralizuje – vznikají jednoduché sloučeniny včetně oxidu uhličitého a metanu. Můžeme zjednodušeně říci, že pokud v dané půdě a v daném čase převažují aerobní poměry (je v ní dostatek kyslíku), vzniká převážně oxid uhličitý, zatímco při nedostatku kyslíku vzniká podstatně více metanu. Využívání půd pro zemědělství a jejich obdělávání vede ve velké většině případů ke zvýšeným emisím uhlíkatých plynů a k poklesu obsahu organické hmoty v půdě v důsledku zvýšené mineralizace organických látek. Obdělávání totiž spočívá v mnoha činnostech, které půdu celkově provzdušňují a jež zvyšují intenzitu mikrobiálních pochodů. Také dočasné zaplavení půdy při pěstování rýže a některých jiných plodin nebo špatné hospodaření, jež na čas půdy zamokřuje, vedou ke zvýšené tvorbě a následným emisím metanu.
Alice Chroňáková odebírá čerstvé kravské lejno pro mikrobiologický a chemický rozbor.
FOTO: Miloslav Šimek, Archiv autora
Druhým významným zdrojem emisí skleníkových plynů ze zemědělství je chov hospodářských zvířat. I když nelze zanedbat ani oxid uhličitý uvolňovaný respirací, jedná se hlavně o metan. Ten produkují mikroorganismy ze skupiny archae, 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 ve skládkách exkrementů, hnojištích, jímkách kejdy a močůvky apod., v průběhu jejich zrání a po jejich aplikaci i v půdě; spolu s metanem zde mikrobiálními procesy přeměn dusíkatých látek vzniká i nezanedbatelné množství N2O.
Naše skupina se v poslední době zaměřila na produkci skleníkových plynů v půdách ovlivněných skotem. Původně je studovala v rámci spoluřešitelství projektu 6. RP Evropské unie, posléze díky podpoře Grantové agentury ČR a Grantové agentury AV ČR. Za zmínku též stojí, že se na výzkumu podílejí studenti vysokých škol, zejména Přírodovědecké fakulty JU. Finanční a institucionální podpora i neotřelé myšlenky jsou nutnými předpoklady úspěšné práce.
Zaměření na pastevní půdy není náhodné. Je známo, že dobytek svou přítomností na pastvině podstatně ovlivňuje půdní vlastnosti a přímo i nepřímo i společenstvo půdních organismů. Nejde jenom o vnášení živin a obrovského množství mikroorganismů ve formě exkrementů, ale i o sešlapávání půdy a změny půdní struktury a mnoho odvozených půdních vlastností. Změna podmínek v půdě může znamenat změny v emisích skleníkových plynů z půdy. V tomto případě, na travních porostech využívaných pro pastvu, bohužel můžeme očekávat spíše zvýšení emisí. Naším cílem je detailní poznání zákonitostí mikrobiální produkce metanu a oxidu dusného v takto využívaných půdách, které by mělo umožnit hledání cest ke snížení nebo zamezení emisí. Jak? Na to není v současnosti lehké odpovědět: je evidentní, že cílená regulace mikrobiálních procesů v půdě je i teoreticky obtížná, natož pak v provozních podmínkách. Máme nicméně určité představy a v našem současném výzkumu si je začínáme ověřovat. Dobře víme, že kromě toho, že některé mikroorganismy metan vytvářejí, jiné mikroorganismy jej dokáží využít a metabolizovat na oxid uhličitý. Kdyby se tedy podařilo "ovládnout" tuto skupinu mikroorganismů a zařídit, aby se metan produkovaný v půdě ještě v téže půdě odboural, bylo by to skvělé. V případě oxidu dusného existuje možnost cílené stimulace mikroorganismů, které jej umí redukovat na zcela neškodný molekulární dusík – zde se např. nabízí regulace půdní reakce (pH). Přes určité náznaky praktického využití našich poznatků je ale zřejmé, že k efektivní a účinné regulaci mikrobiálních procesů v půdách in situ je ještě dlouhá cesta.
Pracovníci Ústavu půdní biologie odebírají vzorky plynů pro stanovení emisí z půdy ovlivněné pastvou skotu.
FOTO: Miloslav Šimek, Archiv autora
Miloslav Šimek,
Ústav půdní biologie BC AV ČR, v. v. i., a Přírodovědecká fakulta JU
English
