official magazine of CAS

 


Important links

International cooperation

 

ESO

EUSCEA

AlphaGalileo

WFSJ

Books

English books prepared for publication by Academic bulletin

 

Akademie věd České republiky / The Czech Academy of Sciences 2014 a 2015

rocenka_obalka_en.jpg
The Czech Academy of Sciences has issued a report accounting selected research results achieved by its scientific institutes in all research areas in 2014 and in early 2015.
Full version you can find here.

 

kniha
VILLA LANNA IN PRAGUE
The new english expanded edition 

 

kniha
SAYING IT ...ON PAPER


Archive

Stopy AB v jiných titulech

Stopa AB v dalších médiích a knižních titulech

EUSJA General Assembly

eusja.jpg EUSJA General Assembly
& EUSJA Study Trip

Prague, Czech Republic
March 14–17, 2013

Hledáme cesty ke snížení emisí skleníkových plynů z půd


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.

obrazek k clanku
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

Emise tzv. skleníkových plynů a hlavně účinky těchto plynů v atmosféře Země a možné globální důsledky zvyšování koncentrace skleníkových plynů v atmosféře patří v poslední době k mediálně vděčným tématům. Svými vyhraněnými stanovisky se o to stará i prezident Václav Klaus a další politici jak na domácí, tak na celosvětové scéně. Z odborného a vědeckého tématu se nenápadně, ale o to neodbytněji, stalo téma politické. Pojmy "globální oteplování", "globální změny" nebo "skleníkové plyny" tak známe díky médiím všichni, což ovšem nebrání tomu, aby se nepoužívaly často nesprávně nebo v nesprávných souvislostech.

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.

obrazek k clanku
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.

obrazek k clanku
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.

obrazek k clanku
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