Efectele schimbărilor climatice asupra proprietăților solului

Solul se formează după un proces îndelungat, sub interacțiunea mai multor factori cum ar fi clima, materialul principal, topografia și organismele. Presiune asupra solului, care este baza vieții pe pământ, crește în fiecare zi. În vederea adoptării unor practici sustenabile în agricultură, managementul solului este esențial.

Solul este cea mai mare sursă de carbon după oceane, fiind un factor important în ameliorarea schimbărilor climatice. Impactul schimbărilor climatice asupra solului este un proces lent și complex. Un management defectuos al solului nu duce doar la degradare acestuia dar poate rezulta și în accentuarea schimbărilor climatice ca sursă de gaze cu efect de seră. Pe măsură ce efectele schimbărilor climatice cresc, este inevitabil ca solul să fie afectat de acestea. În acest capitol sunt examinate efectele posibile ale încălzirii globale asupra unor proprietăți de bază ale solului.

Efectele Schimbărilor Climatice asupra Umidității Solului

Existența unei cantități suficiente de apă în sol în timpul dezvoltării plantelor este extrem de importantă pentru creșterea acestora. Este de așteptat ca schimbările climatice să producă modificări ale umidității solului. Evenimente apărute datorită schimbărilor climatice cum ar fi ploi de intense într-o scurtă perioadă de timp, creștere evaporației și transpirației datorită temperaturilor ridicate, pot produce o serie de fluctuații ale apei în sol [1]. Per total, efectul climatului asupra sistemului hidrologic și a sistemului vegetație-sol se reflectă prin balanța apei în câmp și regimul de umiditate a solului. Efectele potențiale a patru scenarii posibile de schimbări climatice asupra componentelor umidității solului sunt rezumate în Figura 1.

Figura 1. Componentele balanței apei și regimului de umiditate a solului și impactul celor patru scenarii posibile de schimbări climatice asupra acestora: c și C (creștere moderată la creștere puternică), d și D (descreștere moderată la descreștere puternică), E (nicio modificare).

De exemplu, dacă vegetația nu suferă datorită lipsei de apă impuse de climă sau a secetei indusă de sol, o creștere a temperaturii va duce la creșterea potențialului pentru E și T. Scăderea R, I, S și G are loc dacă temperaturile ridicate sunt însoțite de precipitații scăzute; aceasta atenuează consecințele hidrologice adverse ale înghețului și topirii rapide a zăpezii (pericol de inundații) și oferă mai multe oportunități pentru penetrarea apei. Deoarece reducerea precipitațiilor atmosferice va duce la o scădere a infiltrării apei (I) și stocării apei (S) în sol și plante; scurgerea la suprafață (R) pe terenurile în pantă va crește, astfel, pericolul de eroziune hidrică, pierderile prin filtrare și reîncărcarea a apelor subterane (G) și pierderi prin evaporare [2]. Modificarea cantității de apă din sol este strâns legată de schimbarea regimului precipitațiilor. Studiile actuale prezic posibilitatea înregistrării unei scăderi sau creșteri a cantității de precipitații care cad în diferite părți ale lumii din cauza schimbărilor climatice (Figura 2). Se prognozează că precipitațiile vor crește cu 10% până la 40% până la mijlocul secolului în unele zone de înaltă latitudine și în unele zone tropice dens populate, și vor scădea cu 10% până la 30% în unele regiuni aride de latitudini medii. Se preconizează cu o posibilitate foarte ridicată că multe regiuni semi-aride (de exemplu Bazinul Mediteraneean, vestul Statelor Unite, Africa de Sud și Brazilia de nord-st) vor experimenta o reducere a resurselor de apă din cauza schimbărilor climatice. Creșterea temperaturilor va afecta, de asemenea, caracteristicile lacurilor și râurilor și va avea efecte predominant negative asupra calității apei [3].

Schimbările Climatice și Efectele Schimbării Regimurilor de Precizie asupra Acidificării Solului

pH-ul solului indică alcalinitatea sau aciditatea solului, fiind strâns legat de fertilitatea acestuia. Valoarea pH-ului soluției solului este valoarea pH-ului cel mai strâns legată de procesele biochimice ale solului și plantelor. Odată cu modificările temperaturii și intensității precipitațiilor cauzate de schimbările climatice, este de așteptat să apară schimbări în descompunerea minerală a solului și, în consecință, în reacția solului. Creșterea acidificării solului poate apărea ca rezultat al producerii unei cantități mai mari de biomasă datorită temperaturilor crescute și creșterii presiunii parțiale a CO₂ în aer. Dacă astfel de materiale vegetale se descompun în locul unde cresc, alcalinitatea acumulată în acest material revine în sol, neutralizând aciditatea. În cazurile în care biomasa produsă este recoltată și îndepărtată din câmp, aciditatea nu poate fi neutralizată și rămâne în sol. Pe de altă parte, creșterea presiunii parțiale a CO₂ în aerul este improbabil să afecteze pH-ul solului, deoarece H₂CO₃ este un acid slab [4].

Evans și colaboratorii [5] au utilizat un model dinamic (Modelul de Acidifiere a Apelor Subterane din Bazin) și scenarii climatice de creștere a temperaturii și scădere a precipitațiilor în studiul lor efectuat în Marea Britanie pentru a prezice efectele schimbărilor climatice asupra solului și apei. Aceștia au raportat că niveluri ridicate de carbon organic dizolvat și de aciditate organică datorată temperaturii crescute sunt de așteptat să ducă la scăderea pH-ul solului și să crească trecerea cationilor bazici în apele de suprafață. Subliniind importanța folosirii varului pentru a controla aciditatea în acest tip de soluri agricole, cercetătorii au declarat că solurile cu conținut ridicat de lut și materie organică sunt mai rezistente la creșterea și scăderea pH-ului, în timp ce solurile nisipoase sunt mai vulnerabile la acidificare. Cum nu este posibil să se schimbe conținutul de argilă din sol, ar fi adecvat să se ia măsuri pentru a crește conținutul de materie organică.

Efectele Schimbărilor Climatice asupra Salinității și Alcalinității Solului

Salinitatea este o condiție care limitează absorbția apei de către plante, reducând potențialul osmotic. În plus, datorită toxicității ionilor, poate determina deteriorarea echilibrului de nutrienți în plante. Este o caracteristică foarte importantă în ceea ce privește sănătatea solului.

Sunt necesare câteva premise de bază pentru acumularea de sare în soluri. În primul rând, trebuie să existe o sursă de sare. Sărurile pot proveni din diferite surse. Ele pot fi formate ca rezultat al alterării locale prin dizolvarea compușilor solubili ai anumitor roci, minerale și alte sedimente geologice. Apele de suprafață și subterane pot conține sare. În plus, resursele de sare pot proveni din activități umane, cum ar fi irigarea, fertilizarea și utilizarea diverselor deșeuri. Este posibil ca aceste săruri să fie transportate în diferite zone prin intermediul agenților de transport precum apa și vântul, mișcarea soluției în prezența unei forțe crescând eficiența transportului sării. Dacă există un dezechilibru negativ al apei în sol, adică evapotranspirația este mai mare decât precipitațiile și apa de irigare, poate să apară salinizarea solului. Condițiile de drenaj limitate sunt, de asemenea, un factor care facilitează formarea salinității [2].

Compoziția sărurilor prezente în apa din sol poate fi un factor important pentru permeabilitatea acestuia. În solurile sodice, structura solului se deteriorează și permeabilitatea este redusă în mod semnificativ. De asemenea, salinizarea solului este considerată a fi forța motrică a deșertificării [6]. În funcție de schimbările climatice, temperaturile mai ridicate și perioadele periodice de ploaie și secetă vor accelera descompunerea sedimentelor geologice, care sunt materialul principal e producere a sărurilor, și dizolvarea și transportul acestora vor crește. Astfel, va avea loc formarea sărurilor solubile în soluția solului și acumularea lor în timp. În plus, seceta crescută datorată creșterii temperaturilor și cererea excesivă de hrană care va apărea în timp vor cauza o creștere a suprafețelor irigate. Această situație va face ca solurile să fie afectate de săruri datorită practicilor incorecte de irigare și fertilizare, așa cum se întâmplă și astăzi [2].

Cantități prea mari sau prea mici de precipitații pot afecta semnificativ asupra salinitatea solului în zona rădăcinii. Nivelul apei subterane crește datorită precipitațiilor excesive. Dacă nivelul apei subterane scade sub doi metri, capilaritatea va determina mișcarea apei spre suprafață. Dacă nu este suficientă ploaie pentru ca aceste săruri să se scurgă din zona rădăcinii, depunerile de sare pot fi vizibile la suprafața solului, ceea ce se întâmplă în perioadele secetoase. Similar, în zonele cu secetă, acumularea de sare este posibilă, sărurile fiind antrenate de mișcarea apei prin capilaritate. Un alt exemplu de secetă care cauzează acumularea de sare în zona rădăcinii este intruziunea apei dintr-un acvifer cu apă sărată situat în apropiere din cauza extragerii excesive de apă din unele puțuri. Reducerea resurselor de apă și utilizarea unei cantități mai mare de ape uzate pot duce la o creștere a cantității de sare în zona rădăcinii plantelor. Creșterea nivelurilor oceanice datorată topirii ghețarilor din cauza încălzirii globale poate duce la o intruziune mai mare a apei de mare [7]. În special în cazul intruziunii directe a apei sărate, pot fi observate schimbări mari în valorile de salinitate a solului într-un timp foarte scurt. În Figura 3 sunt prezentate diferențele în modificările concentrației sării din solurile de pe coasta Bangladeshului pe o perioadă de 25 de ani datorate creșterii nivelului mării [8].

Figura 3. Harta salinității solului determinată în ani diferiți prin teledetecție [8].

Schimbările Climatice și Structura Solului

Structura solului este dată de organizarea particulelor din sol și este considerată una dintre proprietățile fizice importante ale solului datorită efectelor sale asupra mișcării apei și a gazelor. Structura solului nu este statică, ci dinamică, putându-se schimba în funcție de proprietățile solului. Textura solului este o proprietate a solului care joacă un rol important în producția agricolă. În același timp, gradul de eroziune al solului este strâns legat de structura solului. În contextul schimbărilor climatice, este inevitabilă influența factorilor de mediu asupra structurii solului. Cu toate acestea, amploarea acestor schimbări poate varia în funcție de magnitudinea schimbărilor climatice și de fragilitatea structurală a solului. Ca rezultat, impactul real va fi specific sitului și tipului de sol.

Figura 4 indică factorii care pot influența structura solului și determina modificări ale producției; odată cu posibilele schimbări în evenimentele climatice, solurile pot să fie uneori expuse la secetă și uneori să se confrunte cu precipitații mai intense. În aceste condiții, solul devine mult mai predispus la deteriorarea structurală. Ca rezultat al schimbărilor climatice, se așteaptă ca structura solului să se deterioreze ca urmare a lucrării solului atunci când este prea umed sau prea uscat [9].

Schimbările climatice vor duce la declanșarea mai frecventă a incendiilor și inundațiilor. Focul reduce adesea stabilitatea agregatelor solului și poate induce creșterea sau distrugerea permeabilității apei în funcție de temperatura atinsă și durată [10].

Efectele schimbărilor climatice asupra faunei pot afecta indirect structura solului. Organismele din sol, în special râmele și termitele, au efecte importante asupra proprietăților fizice ale solului. În absența acestor organisme, pot apărea diferențieri puternice ale profilului datorită amestecării insuficiente a solului [11].

Efectele Schimbărilor Climatice asupra Faunei și Florei Solului

Fauna și flora solului, reprezentate în număr foarte mare chiar și într-o zonă foarte mică, sunt componente esențiale ale solului, de importanță vitală pentru multe procese care au loc în sol. Solul găzduiește o gamă largă de bacterii, fungi și specii de animale, precum și multe plante. Deoarece principala funcție a acestor organisme este de a recicla materia organică din sol, ele sunt absolut esențiale pentru funcționarea ecosistemelor terestre.

Se așteaptă ca modificările care vor surveni în habitatul solului din cauza schimbărilor climatice să afecteze și biota solului. În condiții de secetă, se formează mai puțină biomasa microbiană și apare mai puțină activitate microbiană. În plus, seceta extremă poate duce, de asemenea, la moartea unor organisme mai mari ale solului. În cazul în care schimbările climatice cresc susceptibilitatea solului la eroziune, biota solului poate fi afectată din cauza eroziunii [12].

Un studiu efectuat pentru a determina efectele schimbărilor climatice asupra biotei solului a raportat că biomasa microbiană a crescut semnificativ datorită creșterii cantității de CO₂, dar numărul de bacterii a fost afectat negativ de încălzire [13]. În același studiu s-a menționat că biomasa ciupercilor a crescut odată cu creșterea precipitațiilor.

În prezența unei concentrații de CO₂ ridicată are loc o creștere mai intensă a plantelor datorită intensificării fotosintezei, ceea ce duce la o creștere semnificativă a stocării carbonului în sol, modificând puternic activitatea și densitatea biotei solului [14].

Concentrațiile de CO₂ în atmosferă sunt ridicate chiar dacă rata de utilizare a carbonului de către plante crește, situație va limitata cantitatea de apă și substanțe nutritive pe care plantele le pot obține din sol [15]. În acest caz, vor fi avantajate adaptativ plantele care pot coexista cu micorizele pentru a obține mai multă apă și substanțe nutritive în condițiile în care aceste resurse sunt insuficiente.

Efectele Schimbărilor Climatice asupra Mineralizării Azotului, Nitrificării și Denitrificării

Există mai mulți factori care limitează mineralizarea azotului, realizată prin conversia azotului organic în forme de azot anorganice în soluri. În plus față de cantitatea de materie organică din sol, factorii de mediu legați de climă au un efect important asupra mineralizării azotului. Rata de mineralizare, care rămâne foarte scăzută în timpul iernii, când temperatura scade sub 4°C, apare în cantități mari la sfârșitul primăverii și vara [15]. Deoarece secetele de vară intensificate din cauza schimbărilor climatice vor reduce activitatea microorganismelor solului, se așteaptă ca mineralizarea azotului să se reducă [16]. Deoarece doar microorganismele anaerobe pot fi active în solurile cu condiții de precipitații abundente, lipsa de oxigen în astfel de soluri limitează mineralizarea azotului [17].

Procesele de nitrificare și denitrificare în soluri sunt cele mai importante procese în determinarea concentrației de azot anorganic. Conversia amoniacului în ioni de nitrat de către unele microorganisme din sol este definită ca nitrificare. Nitrificarea este o reacție care necesită oxigen. Reducerea nitraților la azot liber (N₂) poate avea loc după diferite procese. La sfârșitul acestora, pot exista pierderi semnificative de azot din soluri către atmosferă. Denitrificarea este un proces care are loc în prezența organismelor anaerobe, iar aerarea deficitară în soluri produce condiții favorabile în acest sens. Intensificarea mineralizării și denitrificării datorate creșterii temperaturii ca rezultat al schimbărilor climatice poate duce la intensificarea emisiilor de N₂O din sol în atmosferă [18]. Se așteaptă intensificarea denitrificării și creșterea fluxului de N₂O din sol ca urmare a creșterii cantității și frecvenței precipitațiilor în unele regiuni [19].

Schimbările Climatice și Materiile Organice ale Solului

Materia organică a solului, care reglează proprietățile fizice, chimice și biologice ale solului, reprezintă principala sursă de energie a solului și este unul dintre cele mai importante elemente necesare pentru menținerea fertilității solului. Carbonul organic din sol se referă la carbonul format în materia organică fiind componenta principală a acesteia.

Nivelurile dioxidului de carbon din atmosferă au crescut cu aproape 50% de la începutul Revoluției Industriale. Se raportează că la niveluri ridicate de CO₂ și mai ales în prezența apei și azotului din sol, la plantele C3 fotosinteza este intensificată, acestea producând mai multă biomasă [20]. Cu toate acestea, plantele C4 răspund rar la concentrații ridicate de CO₂, chiar și în prezența unui conținut ridicat de azot [21].

S-a sugerat că azotul suplimentar furnizat prin acumularea de azot atmosferic poate promova creșterea plantelor. Aportul suplimentar de azot poate nu numai să intensifice efectul concentrațiilor ridicate de CO₂ asupra carbonului organic din sol, ci și să încetinească rata de degradare a materiei organice în unele ecosisteme [20].

În general, prezența apei în soluri împreună cu creșterea precipitațiilor, în special în zonele cu resurse reduse de apă, contribuie semnificativ mai mult decât temperatura la acumularea carbonului organic în sol [21]. Într-un studiu privind schimbările climatice în care dioxidul de carbon, umiditatea solului și temperatura au fost folosite ca factori, s-a raportat că umiditatea solului a avut un efect mai important asupra cantității de carbon organic acumulată în sol decât concentrația ridicată de CO₂ și temperatura [22].

Nu există multe studii care să examineze schimbările în resursele de carbon organic al solului cauzate de schimbările climatice. Într-un studiu desfășurat pe o perioadă de 25 de ani în Anglia și Țara Galilor, s-a raportat că pierderea anuală de carbon organic din sol a fost de 0,6%, acest lucru fiind corelat cu schimbările climatice [23]. În plus, într-un alt studiu realizat în Regatul Unit, s-au făcut măsurători pe o perioadă de peste 100 de ani și s-a constatat că nu au existat schimbări semnificative în resursele de carbon din sol [24].

Bibliografie

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.