Vliv změny klimatu na vlastnosti půdy

Půda vzniká po velmi dlouhém (tzv. “půdotvorném”) procesu za interakce řady faktorů, jako je klima, horniny a minerály, topografie a organismy. Tlak na půdu, která je základem života na zemi, se den ode dne zvyšuje. Správné hospodaření s půdou má velký význam pro udržitelné zemědělství.

Půda je po oceánech největším úložištěm uhlíku a je důležitým vyrovnávacím faktorem proti změně klimatu. Dopad změny klimatu na půdu je pomalý a složitý proces. Pokud nejsou půdy dobře obhospodařovány, jsou nejen ovlivněny změnou klimatu, ale mohou také přispívat ke změně klimatu jako zdroj skleníkových plynů. Vzhledem k tomu, že dopady změny klimatu narůstají, je nevyhnutelné, že touto situací bude ovlivněna i půda. Proto byly zkoumány možné účinky globálního oteplování na některé základní vlastnosti půdy.

Vliv klimatické změny na vlhkost půdy

Dostatečná vlhkost v půdě během období vývoje rostlin je pro rostlinnou produkci velmi důležitá. V důsledku klimatických změn se očekávají určité změny půdní vlhkosti.

Podmínky způsobené změnou klimatu, jako jsou silné srážky v krátké době a větší výpar a transpirace v důsledku zvýšení teploty, mohou způsobit řadu výkyvů v obsahu vody v půdě [1]. Integrační efekt klimaticko-hydrologických změn vegetace-využití půdy se odráží v polní vodní bilanci a režimu půdní vlhkosti. Potenciální účinky čtyř možných scénářů změny klimatu na složky půdní vlhkosti jsou shrnuty na obrázku 1 .

Obrázek . Složky polní vodní bilance a režimu vlhkosti půdy a dopad čtyř potenciálních klimatických scénářů na tyto faktory: i a I: mírný až velký nárůst, d a D: mírný až silný pokles, E: žádná změna

Pokud například vegetace netrpí omezeným přísunem vody v důsledku klimatu nebo sucha vyvolaného půdou, zvýšení teploty zvyšuje potenciál pro E a T. Snižuje R, I, S a G, pokud je vysoká teplota doprovázena nízkými srážkami; zmírňuje nepříznivé hydrologické následky mrazů a rychlého tání sněhu (nebezpečí povodní) a poskytuje více příležitostí pro vsak vody. Protože snížení atmosférických srážek bude mít za následek snížení infiltrace vody (I) a akumulace vody (S) v půdě a rostlinách; povrchový odtok (R) na svažitých pozemcích proto zvýší nebezpečí vodní eroze, filtračních ztrát a doplňování podzemní vody (G) a ztrát výparem [2].

Změna obsahu vody v půdě úzce souvisí se změnou srážek. V současných studiích se předpokládá, že může docházet k poklesu nebo zvýšení množství srážek spadajících v různých částech světa v důsledku změny klimatu (obrázek 2). Předpokládá se, že v některých vysokých zeměpisných šířkách a hustě obydlených tropech se srážky do poloviny století zvýší o 10 až 40 % a v některých suchých oblastech středních šířek poklesnou o 10 až 30 %. Existuje také předpověď, že mnoho polosuchých oblastí (například Středomoří, západ Spojených států, Jižní Afrika a severovýchodní Brazílie) zažije omezení vodních zdrojů v důsledku změny klimatu. Rostoucí teploty ovlivní také vlastnosti jezer a řek a budou mít převážně negativní dopady na kvalitu vody [3].

Změna klimatu a dopady změn na acidifikaci půdy

Půdní pH udává zásaditost nebo kyselost půdy a úzce souvisí s úrodností půdy. Hodnota pH půdního roztoku je hodnota pH, která nejvíce souvisí s půdními a rostlinnými biochemickými procesy. Očekává se, že dojde ke změnám v rozkladu půdních minerálů a tím i v půdní reakci, spolu se změnami rostoucí teploty a intenzity srážek v důsledku klimatických změn.

Ke zvýšení acidifikace půdy může dojít v důsledku produkce většího množství biomasy v důsledku zvýšených teplot a zvýšení parciálního tlaku CO₂ ve vzduchu. Pokud se takový rostlinný materiál rozloží in situ, zásaditost nahromaděná v tomto materiálu se vrátí do půdy a neutralizuje kyselost. V případech, kdy je vyprodukovaná biomasa sklizena a odvezena z pole, však kyselost nelze neutralizovat a zůstává v půdě. Na druhou stranu zvýšený parciální tlak CO₂ v půdním vzduchu sám o sobě pravděpodobně neovlivní pH půdy, protože H₂CO₃ je slabá kyselina [4].

Evans et al. [5] ve své studii ve Spojeném království použili dynamický model (Bain Groundwater Acidification Model) a klimatické scénáře rostoucí teploty a klesajícího množství srážek, aby předpověděli dopady změny klimatu na půdu a vodu. Uvedli, že se očekává, že vysoký obsah rozpuštěného organického uhlíku a vysoká organická kyselost v důsledku vysoké teploty sníží pH půdy a zvýší vyplavování bazických kationtů do povrchových vod. Zdůraznění důležitosti používání vápna pro kontrolu kyselosti v tomto typu zemědělských půd výzkumníci uvedli, že půdy s vysokým obsahem jílu a organické hmoty jsou odolnější vůči zvyšování a snižování pH, zatímco písčité půdy jsou náchylnější k acidifikaci. I když není možné změnit obsah jílu v půdě, bylo by vhodné přijmout opatření ke zvýšení obsahu organické hmoty.

Účinky změny klimatu na salinitu a alkalitu půdy

Zasolení půdy je stav, který omezuje příjem vody rostlinami snížením osmotického potenciálu. Kromě toho může kvůli své speciální iontové toxicitě způsobit zhoršení rovnováhy živin v rostlinách. Je to velmi důležitá vlastnost z hlediska zdraví půdy.

Pro akumulaci solí v půdách jsou nezbytné některé základní předpoklady. V první řadě musí být zdrojem soli. Soli mohou pocházet z různých zdrojů. Mohou vznikat v důsledku místního zvětrávání rozpouštěním rozpustných sloučenin některých hornin, minerálů a jiných geologických sedimentů. Povrchové a podzemní vody mohou obsahovat sůl. Kromě toho se zásoby soli do půdy přidávají prostřednictvím některých lidských činností, jako je zavlažování, hnojení a využívání různých odpadů. Tyto soli je možné transportovat do různých oblastí pomocí prostředků, jako je voda a vítr, a pohyb roztoku za přítomnosti hnací síly je také účinný při transportu soli. Pokud je v půdě negativní vodní bilance, to znamená, že evapotranspirace je vyšší než srážky plus závlahová voda, může dojít k zasolování. Omezené odvodňovací podmínky jsou také faktorem, který usnadňuje tvorbu salinity [2].

Složení solí půdní vody může být důležitým faktorem ovlivňujícím propustnost půdy. V zásaditých půdách se struktura půdy zhoršuje a propustnost je značně snížena. Také salinizace půdy je považována za hnací sílu dezertifikace [6].

Případné vyšší teploty a periodická období dešťů a sucha v závislosti na klimatických změnách urychlí rozklad geologických sedimentů, které jsou hlavním materiálem solí, a zvýší se jejich rozpouštění a transport. Dojde tak k tvorbě rozpustných solí v půdním roztoku a jejich akumulaci v průběhu času. Navíc zvýšené sucho v důsledku zvyšujících se teplot a nadměrné poptávky po potravinách, které se časem objeví, způsobí nárůst počtu zavlažovaných pozemků. Tato situace způsobí, že půda bude ovlivněna solemi v důsledku nesprávných postupů zavlažování a hnojení, jak je tomu dnes [2].

Příliš mnoho nebo příliš málo srážek může mít významný vliv na salinitu půdy v kořenové zóně. Podzemní voda stoupá kvůli nadměrným srážkám. Klesne-li spodní voda pod dva metry, dojde k pohybu vody směrem k povrchu vzlínavostí. Pokud není dostatek srážek, aby se tyto soli mohly vyluhovat z kořenové zóny, během sucha se na povrchu půdy objevují usazeniny soli. Podobně v oblastech se suchem je možná akumulace soli s pohybem vody s kapilaritou. Dalším příkladem sucha, které způsobuje akumulaci slanosti v kořenové zóně, je pronikání vody z vodonosné vrstvy se slanou vodou v blízké oblasti v důsledku nadměrného odběru vody z některých studní. Úbytek vodních zdrojů a využívání většího množství odpadních vod v budoucnu způsobí zvýšení množství soli v kořenové zóně rostliny. Stoupající hladiny oceánů v důsledku tání ledovců v důsledku globálního oteplování mohou vést k většímu pronikání mořské vody [7]. Zejména v případě přímého pronikání slané vody lze ve velmi krátké době pozorovat velké změny hodnot salinity půdy. Na obrázku 3 jsou na mapě znázorněny rozdíly ve změnách solí v půdách na Bangladéšském pobřeží během 25 let v důsledku vzestupu hladiny moře [8].

Klimatická změna a půdní struktura

Částice v půdě se spojují a shlukují do skupin tvoří půdní strukturu. Struktura je považována za jednu z důležitých fyzikálních vlastností půdy kvůli jejím účinkům na pohyb vody a plynu. Struktura půdy, která není statická, ale dynamická, se může měnit v závislosti na vlastnostech půdy.

Textura půdy je vlastnost půdy, která hraje důležitou roli v zemědělské výrobě. Stupeň eroze půdy přitom úzce souvisí se strukturou půdy. Zdá se nevyhnutelné, že v závislosti na změně klimatu dojde k interakci na půdní struktuře, která může být ovlivněna faktory prostředí. Rozsah těchto změn se však může lišit v závislosti na velikosti klimatických změn a strukturální křehkosti půdy. V důsledku toho bude skutečný dopad specifický pro dané místo a půdu.

Obrázek 4, je možné, že s možnými změnami klimatických jevů budou půdy někdy vystaveny suchu a někdy budou čelit intenzivnějším srážkám. Za těchto podmínek se půda stává náchylnější ke strukturálnímu poškození. V důsledku klimatických změn se očekává, že se půdní struktura zhorší v důsledku kultivace půdy, když je příliš vlhká nebo příliš suchá [9].

Změna klimatu způsobí další požáry a záplavy. Oheň často snižuje stabilitu půdního agregátu a může vyvolat, zvýšit nebo zničit propustnost vody v závislosti na dosažené teplotě a době jejího trvání [10].

Dopady změny klimatu na půdní faunu mohou nepřímo ovlivnit půdní strukturu. Půdní organismy, zejména žížaly a termiti, mají významný vliv na fyzikální vlastnosti půdy. Při absenci těchto organismů může docházet k silným profilovým diferenciacím v důsledku nedostatečného promíchání půdy [11].

Vlivy změny klimatu na půdní faunu a půdní flóru

Půdní fauna a flóra, které jsou i na velmi malé ploše zastoupeny ve velmi hojném počtu, jsou jednou z nejzákladnějších složek půdy, která je životně důležitá pro řadu činností v půdě. Půda je domovem celé řady bakterií, hub a živočišných druhů, stejně jako mnoha rostlin. Vzhledem k tomu, že hlavní funkcí těchto organismů je recyklace půdní organické hmoty, jsou naprosto nezbytné pro fungování suchozemských ekosystémů.

Očekává se, že změny, které nastanou v půdním biotopu v důsledku klimatických změn, ovlivní i půdní biotu. V podmínkách sucha se tvoří méně mikrobiální biomasy a dochází k menší mikrobiální aktivitě. Navíc extrémní sucho může mít za následek i úhyn některých větších půdních organismů. V případech, kdy změna klimatu zvyšuje náchylnost půdy k erozi, může být půdní biota ovlivněna erozí [12].

Ve studii provedené za účelem stanovení účinků změny klimatu na půdní biotu bylo uvedeno, že mikrobiální biomasa výrazně vzrostla v důsledku zvýšeného množství CO₂, ale počet bakterií byl negativně ovlivněn oteplováním [13]. Ve stejné studii bylo konstatováno, že biomasa hub rostla s rostoucími srážkami.

V přítomnosti vysoké koncentrace CO₂ dochází k intenzivnějšímu růstu rostlin v důsledku zrychlené fotosyntézy, což vede ke zvýšenému vstupu uhlíku do půdy, což mění aktivitu a hustotu půdní bioty [14].

Koncentrace CO₂ v atmosféře rostou, i když rychlost využívání uhlíku rostlinami roste, tato situace bude omezena dostupností vody a živin, které mohou získat z půdy [15]. V tomto případě rostliny, které mohou koexistovat s půdními houbami, aby získaly více vody a živin, mohou mít adaptační výhodu v podmínkách, kdy je k dispozici nedostatek vody a živin.

Vliv změny klimatu na mineralizaci dusíku, nitrifikaci a denitrifikaci

Existují různé faktory, které omezují mineralizaci dusíku, což je přeměna organického dusíku na anorganické formy N v půdách. Kromě množství organické hmoty v půdě mají na mineralizaci dusíku důležitý vliv faktory prostředí související s klimatem.

Míra mineralizace, která zůstává velmi nízká v zimě, kdy teplota klesne pod 4 °C, se vyskytuje ve velkém množství koncem jara a léta [15]. Vzhledem k tomu, že zvýšená letní sucha v důsledku změny klimatu sníží aktivity mikroorganismů v půdě, očekává se, že mineralizace dusíku v těchto podmínkách klesne [16]. Protože v půdách vystavených silným srážkám mohou být aktivní pouze anaerobní mikroorganismy, nedostatek kyslíku v takových půdách omezuje mineralizaci dusíku [17].

Nitrifikace a denitrifikace v půdách jsou nejdůležitějšími procesy při stanovení koncentrace anorganického dusíku. Přeměna amonia na dusičnanové ionty některými mikroorganismy v půdě je definována jako nitrifikace. Nitrifikace je reakce, která vyžaduje kyslík.

Redukce dusičnanů na volný plynný dusík (N₂) probíhá po různých procesech. Na konci tohoto procesu může dojít k významným ztrátám dusíku z půd do atmosféry. Denitrifikace je proces, který probíhá za přítomnosti anaerobních organismů a špatné provzdušňování půd vede k příznivým podmínkám.

Vyšší mineralizace a denitrifikace v důsledku zvýšené teploty při změně klimatu může vést k vyšším emisím N₂O z půd do atmosféry [18]. V důsledku klimatických změn v budoucnu, vyššímu množství a četnosti srážek, které se pravděpodobně vyskytnou v některých regionech, dojde ke zvýšení denitrifikace, a tedy i uvolňování N₂O z půdy [19].

Změna klimatu a půdní organická hmota

Půdní organická hmota, která reguluje fyzikální, chemické a biologické vlastnosti půdy, je hlavním energetickým zdrojem půdy a je jedním z nejdůležitějších prvků potřebných pro zachování úrodnosti půdy. Půdní organický uhlík označuje uhlík vytvořený v organické hmotě a je hlavní složkou organické hmoty.

Od průmyslové revoluce se hladiny oxidu uhličitého v atmosféře zvýšily téměř o 50 %. Uvádí se, že při vysokých hladinách CO₂ a zejména v přítomnosti vody a dusíku v půdě provádějí rostliny C3 fotosyntézu ve zvýšené míře a produkují více biomasy [20]. Rostliny C4 však zřídka reagují na vysoké koncentrace CO₂, a to i v přítomnosti vysokého obsahu dusíku [21]._.

Bylo navrženo, že další dusík poskytovaný prostřednictvím jeho akumulace z atmosféry může podporovat růst rostlin. Dodatečný přísun dusíku může nejen zvýšit účinek vysoké koncentrace CO₂ na půdní organický uhlík, ale také zpomalit rychlost rozkladu organické hmoty v některých ekosystémech [20].

Obecně platí, že přítomnost vody v půdách spolu se zvýšenými srážkami, zejména v oblastech, kde je voda omezená, přispívá k akumulaci půdního organického uhlíku výrazněji než teplota. [21]. Ve studii klimatických změn provedené na toto téma, ve které byly jako faktory použity oxid uhličitý, půdní vlhkost a teplota, bylo uvedeno, že půdní vlhkost měla na zásobu organického uhlíku v půdě významnější vliv než vysoký obsah CO₂ a teplota [22].

Neexistuje mnoho studií, které by zkoumaly změny v zásobách organického uhlíku v půdě v důsledku změny klimatu. V 25leté studii provedené v Anglii a Walesu vědci uvedli, že roční ztráta organického uhlíku v půdě byla 0,6 % a to v souvislosti se změnou klimatu [23]. Navíc v jiné studii provedené ve Spojeném království byla měření prováděna po dobu více než 100 let a bylo konstatováno, že nedošlo k žádné významné změně v zásobách uhlíku [24].

Zdroje

1. Karmakar R., Das I., Dutta D., & Rakshit A., (2016). Potential Effects of Climate Change on Soil Properties: A Review. Sci. Int., 4 (2): 51-73, 2016.

2. Varallyay, G., 2010. The impact of climate change on soils and on their water management. Agron. Res., 8: 385-396.

3. IPCC. (2007). Climate Change 2007: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Core Writing Team, R. K. Pachauri, & A. Reisinger (Eds.)]. IPCC, Geneva, Switzerland, 104 pp.

4. Rengel Z. (2011), ‘Soil pH, soil health and climate change’, in B. P. Singh, A. L. Cowie, & K. Y. Chan (Eds.), Soil Health and Climate Change, Soil Biology vol.28, Springer-Verlag GmbH, Berlin, pp. 69–85. https://doi.org/10.1007/978-3-642-20256-8_4.

5. Evans C. D., Monteith D. T., & Cooper D. M. (2005). Long-term increases in surface water dissolved organic carbon: Observations, possible causes and environmental impacts. Environmental Pollution 137: 55-71.

6. D’Odorico, P., Bhattachan, A., Davis, K. F., Ravi, S. & Runyan, C. W. (2013). Global desertification: Drivers and feedbacks. Adv. Water Resour., 51, 326-344.

7. Corwin, D. L. (2020). Climate change impacts on soil salinity in agricultural areas. European Journal of Soil Science. 72(2):842-862.

8. Rahman, M. S., Di, L., Yu, E. G., Tang, J., Lin, L., Zhang, C., & Gaigalas, J. (2018). Impact of Climate Change on Soil Salinity: A Remote Sensing Based Investigation in Coastal Bangladesh. 2018 7th International Conference on Agro-Geoinformatics (Agro-Geoinformatics). https://doi.org/10.1109/agro-geoinformatics.2018.8476036.

9. Chan K. Y., (2011). Climate Change on Soil Structure and Soil Health: Impacts and Adaptation. in B. P. Singh, A. L. Cowie, & K. Y. Chan (Eds.), Soil Health and Climate Change, Soil Biology vol.28, Springer-Verlag GmbH, Berlin, pp. 49-68 https://doi.org/10.1007/978-3-642-20256-8_4.

10. Shakesby R. A., & Doerr S. H. (2006). Wildfire as a hydrological and geomorphological agent. Earth Sci Rev 74:269–307.

11. Lavelle P., Bignell D., Lepage M., Wolters V., Roger P., Ineson P., Heal O. W., & Dhillion S. (1997). Soil function in a changing world: the role of invertebrate ecosystem engineers. Eur J Soil Sci 33:159–193.

12. Nearing, M. A., Pruski F. F., & O'Neal M. R., (2004). Expected climate change impacts on soil erosion rates: A review. J. Soil Water Conserv., 59: 43-50.

13. Blankinship J., Niklaus P., & Hungate B. (2011). A meta-analysis of responses of soil biota to global change. Oecologia 165:553-565.

14. Phillips R. P., Meier I. C., Bernhardt E. S., Grandy A. S., Wickings K., & Finzi A. C. (2012). Roots and fungi accelerate carbon and nitrogen cycling in forests exposed to elevated CO2. Ecology Letters 15:1042-1049.

15. Defra (2011). Evaluation of the Occurrence of Soils with pH Higher than 8.3 Observed Within the Countryside Survey.

16. Borken W., & Matzner E. (2009). Reappraisal of drying and wetting effects on C and N mineralization and fluxes in soils. Global Change Biology 15:808-824.

17. Deenik J. (2006). Nitrogen Mineralization Potential in Important Agricultural Soils of Hawai‘i. Soil and Crop Management SCM-15.

18. Abdalla, M., Jones M., & Williams, M. (2010). Simulation of nitrous oxide emissions from Irish arable soils: effects of climate change and management. Biology and Fertility of Soils 46:247-260.

19. Dobbie K. E., & Smith K. A. (2001). The effects of temperature, water filled pore space and land use on N2O emissions from an imperfectly drained gleysol. European Journal of Soil Science 52: 667-673.

20. Dalal R. C., Allen D. E., Chan K. Y., & Singh B. P. (2011). Soil Organic Matter, Soil Health and Climate Change. in B. P. Singh, A. L. Cowie, & K. Y. Chan (Eds.), Soil Health and Climate Change, Soil Biology vol.28, Springer-Verlag GmbH, Berlin, pp. 87-106 https://doi.org/10.1007/978-3-642-20256-8_4

21. Hungate B. A., Hart S. C., Selmants P. C., Boyle S. I., & Gehring C. A. (2007) Soil responses to management, increased precipitation, and added nitrogen in ponderosa pine forests. Ecol Appl 17:1352–1365.

22. Garten Jr. C. T., Classen A. T., & Norby R. J. (2009). Soil moisture surpasses elevated CO2 and temperature as a control on soil carbon dynamics in a multi-factor climate change experiment. Plant Soil 319:85–94.

23. Bellamy P. H., Loveland P. J., Bradley R. I., Murray Lark R., & Kirk G. (2005). Carbon losses from all soils across England and Wales 1978–2003. Nature 437:245–248.

24. Hopkins D. W., Waite I. S. , McNicol J. W., Poulton P. R., MacDonald A. J., & O’Donnell A. G. (2009). Soil organic carbon contents in long-term experimental grassland plots in the UK (Palace Leas and Park Grass) have not changed consistently in recent years. Glob Change Biol 15:1739–1754.