CLIAVEOdborné zemědělské vzdělávání zaměřené na klima

Modul 2 · Kapitola 6

Vliv aplikace vápna na emise skleníkových plynů ze zemědělských půd

Erdinç Uysal · 17 min

ENTRCSROSRSL

Materiály zlepšující půdu jsou ve světě široce používány ke zvýšení výnosu v zemědělské výrobě na půdách s kyselou reakcí. Použití těchto materiálů je zaměřeno především na snížení acidity půdy a zvýšení dostupnosti živin pro rostliny. Tímto způsobem se zvyšuje úrodnost půdy a v důsledku toho se zlepšuje výnos a kvalita produktu. Celosvětově nejpreferovanější metodou pro tento účel je vápnění zemědělských půd.

Vliv pH na růst rostlin

Celá řada faktorů ovlivňuje příjem živin rostlinami. Mezi těmito faktory je jedním z nejdůležitějších půdní reakce. Rostliny obecně potřebují udržovat pH půdy. Pokud se blíží neutrální reakci, mohou optimálně využít živiny. Kyselé nebo zásadité pH v půdním roztoku však významně snižuje dostupnost některých rostlinných živin.

pH půdy je termín používaný k vyjádření množství vodíkových (H) a hliníkových (Al) iontů v půdách. Zvýšení množství vodíkových nebo hliníkových iontů znamená okyselení půdy a bude omezena záporně nabitá kapacita výměny kationtů půdy. To je nepříznivá situace pro růst kořenů a normální vývoj rostlin. pH půdy je indikátorem „kyselosti půdy“ (obrázek 1). Hodnota pH 7,0 je definována jako neutrální, zatímco pod touto hodnotou je definována jako kyselá a nad ní jako zásaditá. Malé změny hodnot pH pro půdu ukazují na velké rozdíly v kyselosti půdy. Například půda s pH 5 je 100x kyselejší než půda s pH 7 [1].

Obrázek 1. Klasifikace pH půd obecně

Půdy mohou být při svém vzniku kyselé, nebo mohou vykazovat kyselé vlastnosti pod vlivem faktorů prostředí. V oblastech se silnými srážkami se kyselost půdy zvyšuje v případech, jako je vymývání alkalických iontů (vápník a hořčík) z půdy nebo používání kyselých hnojiv v rostlinné produkci.

Kyselost půdy může mít negativní vliv na růst rostlin různými způsoby. V závislosti na zvýšení kyselosti však lze za nejdůležitější problém považovat snížení příjmu některých živin nebo působení toxických iontů. Zatímco nedostatky některých živin, jako je fosfor a molybden vápníku, jsou pozorovány na kyselých půdách kvůli snížení rozpustnosti, ionty, jako je hliník, mangan a vodík, mohou dosáhnout úrovní, které mohou způsobit toxicitu [2].

pH je důležitým faktorem omezujícím výnos plodin, kdy přibližně čtyři miliardy hektarů půdy na světě jsou kyselé [3]. V publokavané ekonomické analýze bylo uvedeno, že dochází ke ztrátě 1,6 miliard australských dolarů ročně kvůli ztrátě produkce při pěstování obilovin kvůli okyselní půd [4].

K okyselení půdy dochází v důsledku uvolňování protonů při nitrifikaci a následného vyplavování dusičnanů po aplikacích dusíkatých hnojiv nebo uvolňování redukovaných sloučenin N do přírodních ekosystémů [5]. V Číně bylo zjištěno, že v důsledku nadměrného používání dusíkatých hnojiv, zejména ve formě močoviny, klesá pH půdy v rozmezí 0,13-0,80 jednotek v závislosti na vlastnostech půdy [6]. Uvádí se, že téměř polovina orné půdy na světě je kyselá a tyto plochy se postupně zvětšují [7].

Vápnění zemědělských půd

Na kyselých půdách je vápnění nejběžněji používanou metodou k úpravě pH půdy. K vápnění půd jsou používány sloučeniny vápníku, jako je mletý a dolomitický vápenec [8]. Zatímco vápník nemůže zvýšit pH půdy, pokud se používá samostatně, bazické kationty ve vápnění mohou být neutralizovány vodíkovými ionty v kyselých půdách [9].

Vápnění zvyšuje efektivitu zemědělské produkce snížením kyselosti v půdě. Pokud se provádí správně, poskytuje benefity v rostlinné produkci [1]:

  • Zlepšení vývoje kořenů v důsledku snížení toxicity hliníku.

  • V závislosti na použitém hnojivu při vápnění se do půdy přidávají rostlinné živiny jako vápník a hořčík.

  • Vzhledem k tomu, že se rozpustnost živin bude zvyšovat v závislosti na zvýšení pH půdy s aplikací, zvyšuje se příjem živin kořeny rostlin.

  • Vápněním se zvyšuje kationtová výměnná kapacita půd a tím se zabrání ztrátě bazických kationtů, zejména draslíku vyplavováním.

  • Podpora tvorby hlízkových bakterií u leguminóz, kdy dochází ke zvýšení biologické fixace dusíku.

  • Protože některé herbicidy se při optimálním pH půdy snadněji rozloží, zabrání se riziku poškození následně pěstovaných plodin. Některé nematocidy působí účinněji v oblastech vápnění.

Množství aplikovaného vápna se liší v závislosti na vlastnostech půdy. Množství vápna, které zneutralizuje celkovou kyselost, aby se zajistil optimální růst rostlin v půdě, je vyjádřeno jako potřeba vápnění [10]. Přestože rostliny obecně vykazují dobrý růst při hodnotách pH blízkých neutrálním, je třeba poznamenat, že optimální požadavek na pH není pro všechny plodiny stejný. Z tohoto důvodu by kromě vlastností půdy při vápnění měla být známa i optimální potřeba pH pěstované rostliny. V případě aplikace většího množství vápna, než je nutné, je vždy možné pozorovat různé problémy ve výživě rostlin. Optimální požadavky na pH některých plodin jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1. Optimální nároky na pH některých rostlin [1].

Rostlina Cílové pH
Kukuřice 6.0
Sója 6.0
Bavlna 6.2
Chřest 6.5
Fazole 6.0
Rajčata 6.5
Jetel 6.5
Jabloně 6.5
Jahody 6.0
Jedle 5.5
Borůvky 4.5

Obecně lze rozdělit vápna používaná na úpravu pH do dvou kategorií. První skupina, nazývaná mletý vápenec, zahrnuje uhličitan vápenatý (CaCO3), hydroxid vápenatý [Ca(OH)2] nebo oxid vápenatý (CaO). Dolomitický vápenec [CaMg(CO3)2], který obsahuje spolu s vápníkem značné množství hořčíku, je klasifikován jako druhý typ.

Vliv úpravy pH půdy na emise skleníkových plynů

Snížení pH kyselých půd má také určité environmentální účinky. Tyto efekty se mohou lišit v závislosti na mnoha proměnných. Plyny CO2 a N2O, což jsou skleníkové plyny způsobující globální oteplování, jsou více ovlivněny aplikacemi vápnění než CH4.

Vliv vápnění na uvolňování oxidu uhličitého v půdách

Degradace půdy se v posledních letech stala hlavní hrozbou v celosvětovém měřítku. Úrodnost půdy se zemědělci snaží zvýšit pomocí činidel, jako je vápno, síra, sádra a různé organické sloučeniny. I když tato snaha na jedné straně přináší zlepšení, na druhé straně může způsobit, že se setkáme s různými environmentálními problémy. Vliv vápna a vápnění na zásoby uhlíku je problém, který v posledních letech nabývá na významu.

Obecně platí, že vliv vápnění na koncentraci uhlíku v půdě se liší podle charakteristik prostředí a struktury půdy. Ve studii zkoumající vlivy dlouhodobé aplikace vápna na obsah půdního uhlíku v travních porostech bylo konstatováno, že na vápenitých půdách byla pozorována vyšší rychlost akumulace organického uhlíku než v půdách nevápenatých [11]. Důvodem je nárůst uhlíkových vstupů v důsledku zvýšené biomasy a biologické aktivity.

V závislosti na aplikaci vápna na kyselých půdách lze pozorovat nárůsty množství atmosférického CO2 [12]. Tuto situaci jsme se pokusili vysvětlit pomocí níže uvedené rovnice:

CaCO 3 + 2H + Ca +2 + CO 2 + H 2 O

Koncentrace iontů vápníku (Ca2+) a hydrogenuhličitanu (HCO3-) ve výměnném komplexu se zvyšují. V důsledku toho jsou ionty Al3+ nahrazeny ionty Ca2+ a dochází ke zvýšení pH půdy v důsledku poklesu kyselé hydrolýzy hliníku. Mezitím se oxid uhličitý (CO2) a voda (H2O) uvolňují, když vznikající ionty hydrogenuhličitanu (HCO3-) reagují s ionty H+ přítomnými v půdě. V důsledku těchto procesů H+ způsobuje kyselost v půdě. Jak koncentrace klesá, podmínky, které brání růstu rostlin, jako je toxicita způsobená ionty Al3+ a nedostatek Ca2+, jsou částečně eliminovány [13].

Výsledkem je, že při aplikaci vápna na zemědělské půdy se část uhličitanu v těchto materiálech uvolňuje do atmosféry jako CO2. V zemědělství používané vápno lze aplikovat jako kalcit (CaCO3) nebo dolomit (MgCa(CO3)2). V analýze pro výpočet příspěvku vápna k emisím oxidu uhličitého ve Spojených státech bylo uvedeno, že čisté emise CO2 z aplikací zemědělského vápna byly 0,059 Mg C pro 1 Mg kalcitu a 0,064 Mg C pro 1 Mg dolomitu [14]. Zatímco výzkumníci uvedli, že tyto hodnoty neodpovídají emisním faktorům stanoveným IPCC jako 0,12 pro kalcit a 0,13 pro dolomit, uváděli roční emise 4,4-4,6 Tg CO2 pro USA, v závislosti na aplikacích vápna.

Uvádí se, že CO2 uvolněný do atmosféry v důsledku aplikací kalcitu a dolomitu v USA tvoří 1,7 % celkových zemědělských emisí skleníkových plynů a 0,13 % celkových emisí skleníkových plynů [15].

Ve studii provedené v Brazílii za účelem výpočtu emisí CO2 v důsledku vápnění zemědělské půdy bylo uvedeno, že množství emisí se mezi lety 1990 a 2000 pohybovalo mezi 4,9-9,4 Tg za rok, s průměrem 7,2 Tg [16].

Co je třeba udělat pro snížení emisí skleníkových plynů z vápnění, je použití oxidů, jako je nehašené vápno (CaO) nebo hašené vápno (Ca(OH)2) místo materiálů obsahujících uhličitany [17].

Uvolňování oxidu dusného z kyselých půd

V globálním měřítku tvoří kyselé půdy většinu orné půdy a růst rostlin je se zvyšující se kyselostí omezený. Metodou používanou v tomto typu půdy je obvykle vápnění půdy. Vápnění zvyšuje pH a tím zvyšuje produktivitu rostlinné produkce. Kromě toho také ovlivňuje emise skleníkových plynů v závislosti na obsahu uhlíku v půdě a koloběhu prvků. V metaanalýze zkoumající účinky vápnění na toky skleníkových plynů bylo vyhodnoceno více než 1500 pozorování uváděných ve výsledcích 121 studií a jejich výsledky byly sdíleny [18]. Podle údajů hodnocených ve studii byl vliv vápnění na zvýšení výnoů 36% a pozitivní. Míra nárůstu zásob organického uhlíku v půdě byla 4,5 % ročně. V důsledku aplikace vápna došlo ke snížení emisí N2O z půd o 21,3 %. Na druhé straně v rýžových polích došlo k 19% poklesu uvolňování CH4 vápněním. Podle údajů získaných výzkumníky ve studii byl rozpočet skleníkových plynů zjištěný v důsledku pravidelného vápnění půd s kyselou reakcí následující: Ročně 0,60-0,67 Tg v emisích N2O z půd a 1,75-2,21 Tg v CH4 emise na rýžových polích a zároveň nárůst zásob organického uhlíku. Množství bylo odhadnuto mezi hodnotami 66-110 Tg. Bylo však uvedeno, že emise CO2 v důsledku kalcifikace se budou vyskytovat mezi hodnotami 624-656 Tg ročně. Podle těchto výsledků je konstatováno, že bilance skleníkových plynů bude neutrální a je zdůrazněno, že vápnění poskytne potenciální přínos globálně v závislosti na nárůstu výnosů.

Bylo konstatováno, že ztráty dusíku a emise N2O do atmosféry vápněním se snížily, ale přímé emise CO2 v důsledku vápnění vzrostly [19]. Ve studii bylo konstatováno, že emise skleníkových plynů z vápnění jsou přibližně čtyřikrát vyšší než množství ušetřené snížením emisí N2O.

Přes přídavek vápnitých materiálů pro zlepšení kyselých půd nebyly účinky změn pH půdy s přídavkem těchto materiálů na emise N2O plně prokázány [20]. Za tímto účelem výzkumníci zkoumali možné účinky čtyř různých materiálů pro vápnění na uvolňování N2O v půdě s pH 5,35. Ve studii byly jako vápenaté materiály použity dolomit - CaMg(CO3)2, kalcit - CaCO3, hydroxid vápenatý - Ca(OH)2 a oxid vápenatý - CaO a v důsledku všech aplikací byl pozorován pokles uvolňování N2O. V porovnání s jinými aplikacemi bylo dosaženo nejvyššího poklesu uvolňování N2O při aplikaci Ca(OH)2 a to bylo spojeno s vyšším nárůstem pH. Podle získaných výsledků bylo zdůrazněno, že pH půdy bylo při snižování uvolňování N2O účinnější než dynamika C a N půdy.

Ve studii provedené s cílem analyzovat emise skleníkových plynů v oblastech bez orby a v oblastech s aplikací vápna byly pozorovány emise N2O a CH4 z kyselé půdy s nedostatečným odvodněním [21]. Podle výsledků studie při vápnění se emise N2O snížily o 61 % v oblastech, kde byly aplikovány konvenční zemědělské postupy, žádný účinek nebyl pozorován v oblastech, kde se nepracovalo. Podle výsledků výzkumníků může bezorebné zemědělství zlepšit fyzikální vlastnosti půdy a zároveň zdůraznili, že jde o důležitý nástroj pro snižování emisí N2O a CH4.

Emise N2O se zvyšují s aplikací dusíkatých hnojiv během vývoje rostlin v semiaridních oblastech po letních deštích; byla provedena studie s cílem určit změnu těchto emisí při aplikaci vápna v těchto oblastech [22]. Za tímto účelem bylo rok před experimentem zvýšeno pH aplikací vápna a byla vytvořena půda se dvěma různými pH (4,21 a 6,34). Ve studii se emise N2O změnily z 0, když byla půda suchá, na 0,065 µg N2O N g suché půdy-1 hodinu-1 poté, co byla půda mokrá, a tato situace byla spojena s denitrifikací a nitrifikací. Zvýšení pH půdy snížilo emise N2O pouze v případě, že ztráty byly spojeny s nitrifikací. Vědci navrhli zvýšit pH půdy vápněním, aby se snížily emise N2O v polosuchých půdách s kyselými vlastnostmi, kde úniky pocházejí z nitrifikace.

Navíc je často obtížné odhadnout čistý vliv pH půdy na emise N2O [23] a může se lišit v závislosti na zdroji emisí [24]. Podle výsledků získaných ve studii zkoumající možné vlivy vápnění na emise N2O v půdě s kyselými vlastnostmi dosahovaly kumulativní emise N2O při denitrifikaci velmi vysokých hodnot ve srovnání s podmínkami nitrifikace [25]. Podle výsledků studie se emise N2O během denitrifikace významně zvyšovaly se zvyšujícím se pH půdy.

Aplikace biouhlu (biocharu) na emise skleníkových plynů

Organické sloučeniny, které jsou bohaté na uhlík, odolné proti rozkladu a mají porézní strukturu získanou termochemickou přeměnou biomasy za vysoké teploty, bez kyslíku nebo s omezeným kyslíkem, jsou definovány jako biouhel.

Vzhledem k tomu, že vyrobené biouhly jsou převážně alkalické, byly dosud provedené studie většinou na kyselých půdách. Jsou předmětem mnoha výzkumů, protože způsobují zvýšení dostupnosti živin zvýšením pH půdy při aplikaci jako při vápnění [26].

Biouhel, který je v posledních letech stále populárnější jako půdní kondicionér, významně přispěje ke snížení globálního oteplování, protože zadržuje atmosférický uhlík v půdě. Studie však ukázaly, že účinky aplikací biouhlu se mohou lišit v závislosti na půdě, rostlinách a dalších faktorech životního prostředí. Například ve studii zkoumající účinky aplikací biouhlu na výnosy a emise skleníkových plynů ve dvou různých oblastech pěstování rýže a pšenice zvýšila aplikace biouhlu během vývojového období v oblasti produkce rýže uvolňování CH4 o 37 %, zatímco přidání biouhlu při pěstování pšenice neovlivnilo uvolňování CH4 [18]. Kromě toho, v závislosti na aplikaci biouhlu, se emise N2O snížily o 54 % a 53 % u rýže a pšenice, zatímco míra zvýšení výnosu byla realizována jako 12 % a 17 %.

Je možné nalézt na mnoho studií zkoumajících vliv aplikací biouhlu na emise skleníkových plynů do půdy. V metaanalýze provedené za tímto účelem se pokusily vyhodnotit účinky aplikací biouhlu na emise CO2, CH4 a N2O na základě výsledků 91 článků publikovaných po celém světě [27]. Podle výsledků studie bylo huvedeno, že zatímco emise CO2 z půdy vzrostly o 22 % v závislosti na aplikacích biouhlu, došlo k poklesu emisí N2O o 31 %. Aplikace biouhlu však neprokázaly žádný vliv na emise CH4 v půdě.

Zdroje

  1. Crozier, C., & Hardy D. (2018). Soil Acidity and Liming: Basic Information for Farmers and Gardeners. NC State Extension Publications. https://content.ces.ncsu.edu/soil-acidity-and-liming-basic-information-for-farmers-and-gardeners#section_heading_7189 (Access date: 05.07.2023).

  2. Robson, A. (Ed.). (2012). Soil acidity and plant growth. elsevier

  3. Baligar , VC, Fageria , NK, & He, ZL, (2001). Nutrient use efficiency in plants. Commun . Soil Sci. Plant Anal. 32, 921–950.

  4. Petersen, E., (2015). Economic Analysis of the Impacts and Management of Subsoil Constraints. Report for the Grains Research and Development Corporation Funded Project: DAW00242 Subsoil Constraints-Understanding and Management. Department of Primary Industries and Regional Development, Western Australia. https://agric.wa.gov.au/n/5226 (accessed 7 July 2023).

  5. Wang, Y., Yao, Z., Zhan, Y., Zheng, X., Zhou, M., Yan, G., … Butterbach‐Bahl , K. (2021). Potential benefits of liming to acid soils on climate change mitigation and food security. Global Change Biology, 27(12), 2807–2821. doi:10.1111/gcb.15607

  6. Guo , J., Liu, X., Zhang, Y., Shen, J., Han, W., Zhang, W., Christie, P., Goulding, KWT, Vitousek, PM, & Zhang, F. ( 2010 ). Significant acidification in major Chinese croplands significant acidification in major Chinese croplands. Science, 327, 1008–1010. https://doi.org/10.1126/science.1182570

  7. Dai, Z., Zhang, X., Tang, C., Muhammad, N., Wu, J., Brookes, PC, & Xu, J. (2017). Potential role of biochars in decreasing soil acidification – A critical review. Science of the Total Environment, 581–582, 601–611. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.12.169

  8. Özyazıcı G., Özdemir O., Özer SP, & Kalcıoğlu Z., (2014). calcification material Aspect Used Sugar Industry waste slam Tea of the plant Yield , Quality and Soil What properties effect . Turk J Agric Res (2014) 1: 43-54 TUTAD ISSN: 2148-2306.

  9. Anderson, NP., Hart, JM., Sullivan, DM., Christensen, NW., Horneck, DA. & Pirelli, GJ. (2013). Applying lime to raise soil ph for crop production (Western Oregon).

  10. Kacar , B. (1984). Herb feeding . Ankara University . Agriculture fac . Arrow. No: 899, p. 169-175.

  11. Fornara , DA, Steinbeiss , S., McNamara, NP, Gleixner , G., Oakley, S., Poulton , PR, … Bardgett , RD (2011). Increases in soil organic carbon sequestration can reduce the global warming potential of long-term liming to permanent grassland. Global Change Biology, 17(8), 2762–2762. doi:10.1111/j.1365-2486.2011.02445.x

  12. Majumder , SP, Krishna Chaitanya, A., Datta , A., Padhan , D., Badole , S., & Mandal, B. (2018). Dynamics of Carbon and Nitrogen in Agricultural Soils: Role of Organic and Inorganic Sources. Soil Management and Climate Change, 151–169. doi:10.1016/b978-0-12-812128-3.00011-2

  13. Kalkhoran , SS, Pannell, DJ, Thamo , T., White, B., & Polyakov , M. (2019). Soil acidity, lime application, nitrogen fertility, and greenhouse gas emissions: Optimizing their joint economic management. Agricultural Systems, 176, 102684. doi:10.1016/j.agsy.2019.10268

  14. West, TO, & McBride, AC (2005). The contribution of agricultural lime to carbon dioxide emissions in the United States: dissolution, transport, and net emissions. Agriculture, Ecosystems & Environment, 108(2), 145–154. doi:10.1016/j.agee.2005.01.002

  15. EPA, 2004. Inventory of US Greenhouse Gas Emissions and Sinks: 1990–2002, EPA 430-R-04-003. US Environmental Protection Agency, Washington, DC.

  16. Bernoux , M., Volkoff , B., Carvalho , M. also CS, & Cerri , CC (2003). CO2emissions from liming of agricultural soils in Brazil. Global Biogeochemical Cycles, 17(2), n/a–n/a. doi:10.1029/2001gb001848

  17. Kayıkçıoğlu , HH, & Okur , N., (2012). greenhouse gas in the release agriculture role . Adnan Menderes University . zir . fac . Magazine , 9(2): 25-38

  18. Wang, J., Pan, X., Liu, Y :, Zhang, X. & Xiong , Z., (2012). Effects of biochar amendment in two soils on greenhouse gas emissions and crop production. Plant and Soil volume 360, pages287–298 (2012)

  19. Gibbons, JM, Williamson, JC, Williams, AP, Withers, PJA, Hockley, N., Harris, IM, … Healey, JR (2014). Sustainable nutrient management at field, farm and regional level: Soil testing, nutrient budgets and the trade-off between lime application and greenhouse gas emissions. Agriculture, Ecosystems & Environment, 188, 48–56. doi:10.1016/j.agee.2014.02.016

  20. Shaaban , M., Wu, Y., Wu, L., Hu, R., Younas , A., Nunez-Delgado, A., … Jiang, Y. (2020). The Effects of pH Change through Liming on Soil N2O Emissions. Processes, 8(6), 702. doi:10.3390/pr8060702

  21. García -Marco, S., Abalos , D., Espejo , R., Vallejo, A., & Mariscal -Sancho, I. (2016). No tillage and liming reduce greenhouse gas emissions from poorly drained agricultural soils in Mediterranean regions. Science of The Total Environment, 566, 512-520.

  22. Barton, L., Gleeson, DB, Maccarone , LD, Zúñiga , LP, & Murphy, DV (2013). Is liming soil a strategy for mitigating nitrous oxide emissions from semi-arid soils ?. Soil Biology and Biochemistry, 62, 28-35.

  23. Page, KL, Allen, DE, Dalal , RC, Slattery, W., (2009). Processes and magnitude of CO2, CH4, and N2O fluxes from liming of acidic Australian soils: a review. Australian Journal of Soil Research 47, 747e762.

  24. Clough, TJ, Kelliher , FM, Sherlock, RR, Ford, CD, 2004. Lime and soil moisture effects on nitrous oxide emissions from a urine patch. Soil Science Society of America Journal 68, 1600e1609.

  25. Feng, K., Yan, F., Hütsch , BW, & Schubert, S. (2003). Nitrous oxide emission as affected by liming an acidic mineral soil used for arable agriculture. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 67, 283-292.

  26. Gunal , M, Erdem , H., (2018). Biochar ; Definition , Usage and Agriculture in their land Effects . ADÜ ZİRAAT JOURNAL, 2018;15(2):87-93 — doi : 10.25308/aduziraat.405858

  27. He, Y., Zhou, X., Jiang, L., Li, M., Du, Z., Zhou, G., … Xu, C. (2016). Effects of biochar application on soil greenhouse gas fluxes: a meta-analysis. GCB Bioenergy, 9(4), 743–755. doi:10.1111/gcbb.12376