Vpliv podnebnih sprememb na lastnosti tal

Tla nastanejo po zelo dolgem procesu pod vplivom številnih dejavnikov, kot so podnebje, glavni material, topografija in organizmi. Pritisk na tla, ki so osnova življenja na zemlji, je iz dneva v dan večji. Pravilno upravljanje tal je zelo pomembno za trajnostno kmetijstvo.

Tla so za oceani največji ponor ogljika in pomemben uravnovešajoč dejavnik podnebnih sprememb. Vpliv podnebnih sprememb na tla je počasen in kompleksen proces. Če s tlemi ne upravljamo dobro, nanje ne vplivajo samo podnebne spremembe, ampak lahko prispevajo k podnebnim spremembam tudi kot vir toplogrednih plinov. Ker se učinki podnebnih sprememb povečujejo, je neizogibno, da bodo te razmere prizadele tla. Proučeni so bili možni učinki globalnega segrevanja na nekatere osnovne lastnosti tal.

Učinki podnebnih sprememb na vlažnost tal

Zadostna vlaga v tleh v obdobju razvoja rastlin je zelo pomembna za pridelavo rastlin. Zaradi podnebnih sprememb se pričakuje nekaj sprememb v vlažnosti tal.

Pogoji, ki jih povzročajo podnebne spremembe, kot so obilne padavine v kratkem času ter večje izhlapevanje in transpiracija zaradi povišanja temperature, lahko povzročijo vrsto nihanj vode v tleh [1]. Celostni učinek podnebno-hidroloških sprememb rabe rastlin in tal se odraža v poljski vodni bilanci in režimu vlažnosti tal. Potencialni učinki štirih možnih scenarijev podnebnih sprememb na sestavine vlage v tleh so povzeti na sliki 1.

Slika 1. Komponente poljske vodne bilance in režima vlage v tleh ter vpliv štirih možnih podnebnih scenarijev na te dejavnike: i in I: rahlo do veliko povečanje, d in D: rahlo do močno zmanjšanje, E: brez sprememb

Na primer, če vegetacija ne trpi zaradi omejene oskrbe z vodo zaradi podnebja ali suše, ki jo povzroča prst, zvišanje temperature poveča možnost za E in T. Zmanjša R, I, S in G, če visoko temperaturo spremlja malo padavin ; Blaži neugodne hidrološke posledice zmrzali in hitrega taljenja snega (nevarnost poplav) in daje več možnosti za prodor vode. Ker bo zmanjšanje atmosferskih padavin povzročilo zmanjšanje infiltracije vode (I) in shranjevanja vode (S) v tleh in rastlinah; površinski odtok (R) na nagnjenih zemljiščih bo zato povečal nevarnost vodne erozije, filtracijske izgube in obnavljanje podtalnice (G) ter izgube zaradi izhlapevanja [2].

Sprememba vode v tleh je tesno povezana s spremembo količine padavin. V trenutnih študijah je predvideno, da se lahko zaradi podnebnih sprememb zmanjša ali poveča količina padavin v različnih delih sveta (slika 2). Predvideva se, da se bo količina padavin do sredine stoletja povečala za 10 % do 40 % v nekaterih visokih zemljepisnih širinah in nekaterih gosto poseljenih tropih ter zmanjšala za 10 % do 30 % v nekaterih sušnih regijah srednje zemljepisne širine. Obstaja tudi zelo zanesljiva napoved, da bodo številne polsušne regije (na primer sredozemski bazen, zahodne Združene države Amerike, Južna Afrika in severovzhodna Brazilija) doživele zmanjšanje vodnih virov zaradi podnebnih sprememb. Naraščajoče temperature bodo vplivale tudi na značilnosti jezer in rek in bodo imele predvsem negativne učinke na kakovost vode [3].

Slika 2. Sorazmerne spremembe padavin (za obdobje 2090-2099 glede na 1980 1999). Vrednosti so povprečja več modelov, ki temeljijo na scenariju SRES A1B za december–februar (levo) in junij–avgust (desno) [3].

Podnebne spremembe in učinki spreminjanja natančnih režimov na zakisanost tal

pH tal označuje alkalnost ali kislost tal in je tesno povezan z rodovitnostjo tal. Vrednost pH talne raztopine je vrednost pH, ki je najbolj povezana z biokemičnimi procesi v tleh in rastlinah. Pričakovati je, da bo prišlo do sprememb v mineralni razgradnji tal in s tem v reakciji tal, skupaj s spremembami v naraščajoči temperaturi in intenzivnosti padavin zaradi podnebnih sprememb.

Povečanje zakisanosti tal se lahko pojavi kot posledica proizvodnje več biomase zaradi povišanih temperatur in povečanja parcialnega tlaka CO2 v zraku. Če takšen rastlinski material razpade na mestu, se alkalnost, nakopičena v tem materialu, vrne v tla in nevtralizira kislost. V primerih, ko pridelano biomaso požanjejo in odstranijo s polja, kislosti ni mogoče nevtralizirati in ostane v tleh. Po drugi strani pa je malo verjetno, da bo samo povečan parcialni tlak CO2 v talnem zraku vplival na pH tal, saj je H2CO3 šibka kislina [4].

Evans et al. [5] so v svoji študiji v Združenem kraljestvu uporabili dinamični model (model zakisljevanja podzemne vode v bazenu) in podnebne scenarije naraščajoče temperature in zmanjševanja padavin, da bi napovedali učinke podnebnih sprememb na tla in vodo. Poročali so, da naj bi visoka stopnja raztopljenega organskega ogljika in visoka organska kislost zaradi visoke temperature znižala pH tal in povečala izpiranje bazičnih kationov v površinske vode. Ob poudarjanju pomena uporabe apna za nadzor kislosti v tej vrsti kmetijskih tal so raziskovalci navedli, da so tla z visoko vsebnostjo gline in organske snovi bolj odporna na zvišanje in znižanje pH, medtem ko so peščena tla bolj občutljiva na zakisljevanje. Čeprav vsebnosti gline v tleh ni mogoče spremeniti, bi bilo primerno sprejeti ukrepe za povečanje vsebnosti organske snovi.

Učinki podnebnih sprememb na slanost in alkalnost tal

Slanost je stanje, ki rastlinam omejuje vnos vode z zmanjšanjem osmotskega potenciala. Poleg tega lahko zaradi svoje posebne ionske toksičnosti povzroči poslabšanje ravnovesja hranil v rastlinah. Je zelo pomembna lastnost v smislu zdravja tal.

Za kopičenje soli v tleh so potrebni nekateri osnovni predpogoji. Najprej mora biti vir soli. Soli lahko prihajajo iz različnih virov. Lahko nastanejo kot posledica lokalnega preperevanja z raztapljanjem topnih spojin nekaterih kamnin, mineralov in drugih geoloških usedlin. Površinska in podtalnica lahko vsebujeta sol. Poleg tega se zaradi nekaterih človeških dejavnosti, kot so namakanje, gnojenje in uporaba različnih odpadkov, zemlji dodajajo viri soli. Te soli je mogoče prenašati na različna območja s pomočjo transportnih sredstev, kot sta voda in veter, gibanje raztopine ob prisotnosti gonilne sile pa je učinkovito tudi pri transportu soli. Če je v tleh negativna vodna bilanca, to je evapotranspiracija večja od padavin in vode za namakanje, lahko pride do zasoljevanja. Omejeni drenažni pogoji so tudi dejavnik, ki olajša nastanek slanosti [2].

Sestava soli talne vode je lahko pomemben dejavnik, ki vpliva na prepustnost tal. V natrijevih tleh se struktura tal poslabša in prepustnost se močno zmanjša. Tudi zasoljevanje tal velja za gonilno silo dezertifikacije [6].

Glede na podnebne spremembe bodo morebitne višje temperature ter občasna deževna in sušna obdobja pospešila razgradnjo geoloških usedlin, ki so glavni material soli, povečala se bosta njihovo raztapljanje in transport. Tako bo prišlo do tvorbe topnih soli v raztopini tal in njihovega kopičenja skozi čas. Poleg tega bo povečana suša zaradi naraščajočih temperatur in presežnega povpraševanja po hrani, ki se bo sčasoma pojavila, povzročila povečanje števila namakanih zemljišč. To stanje bo povzročilo, da bodo tla prizadeta zaradi soli zaradi nepravilnega namakanja in gnojenja, kot je danes [2].

Preveč ali premalo padavin lahko pomembno vpliva na slanost tal v območju korenin. Podtalnica se dvigne zaradi čezmernih padavin. Če podzemna voda pade pod dva metra, bo gibanje vode proti površju potekalo kapilarno. Če ni dovolj padavin, da bi se te soli izpirale iz območja korenin, se v sušnih časih na površini tal pojavijo usedline soli. Podobno je na območjih s sušo možno kopičenje soli s kapilarnim gibanjem vode. Drug primer suše, ki povzroča kopičenje slanosti v območju korenin, je vdor vode iz vodonosnika s slano vodo v bližnji regiji zaradi prekomernega črpanja vode iz nekaterih vodnjakov. Zmanjšanje vodnih virov in uporaba večje količine odpadne vode v prihodnosti bo povzročila povečanje količine soli v območju korenin rastline. Naraščajoče gladine oceanov zaradi taljenja ledenikov zaradi globalnega segrevanja lahko povzročijo večji vdor morske vode [7]. Zlasti pri neposrednem vdoru slane vode lahko v zelo kratkem času opazimo velike spremembe vrednosti slanosti tal. Na sliki 3 so na zemljevidu [8] prikazane razlike v spremembah soli tal na obali Bangladeša v 25-letnem časovnem obdobju zaradi dviga morske gladine.

Slika 3. Karta slanosti tal, pridobljena v različnih letih z daljinskim zaznavanjem [8].

Podnebne spremembe in struktura tal

Delci v tleh, ki se združijo in združijo v skupine, tvorijo strukturo tal. Struktura velja za eno od pomembnih fizikalnih lastnosti tal zaradi vpliva na gibanje vode in plinov. Struktura tal, ki ni statična, temveč dinamična, se lahko spreminja glede na lastnosti tal.

Tekstura tal je lastnost tal, ki igra pomembno vlogo v kmetijski pridelavi. Hkrati je stopnja erozije tal tesno povezana s strukturo tal. Zdi se neizogibno, da bo prišlo do interakcije glede na podnebne spremembe na strukturo tal, na katero lahko vplivajo okoljski dejavniki. Vendar se lahko obseg teh sprememb razlikuje glede na obseg podnebnih sprememb in strukturno krhkost tal. Posledično bo dejanski vpliv specifičen za lokacijo in tla.

Na sliki 4 je možno, da bodo tla ob morebitnih spremembah podnebja včasih izpostavljena suši, včasih pa jih čakajo intenzivnejše padavine in racije. Pod temi pogoji postanejo tla bolj nagnjena k strukturnemu poslabšanju. Zaradi podnebnih sprememb se pričakuje poslabšanje strukture tal zaradi obdelave prevlažnih ali presuhih tal [9].

Podnebne spremembe bodo sprožile več požarov in poplav. Požar pogosto zmanjša stabilnost talnih agregatov in lahko povzroči, poveča ali uniči prepustnost vode, odvisno od dosežene temperature in njegovega trajanja [10].

Učinki podnebnih sprememb na talno favno lahko posredno vplivajo na strukturo tal. Talni organizmi, zlasti deževniki in termiti, pomembno vplivajo na fizikalne lastnosti tal. V odsotnosti teh organizmov lahko pride do močnih diferenciacij profila zaradi nezadostnega mešanja tal [11].

Učinki podnebnih sprememb na talno favno in talno floro

Talna favna in flora, ki sta tudi na zelo majhnem območju zastopana v zelo velikem številu, sta ena najosnovnejših sestavin tal, ki je ključnega pomena za številne dejavnosti v tleh. Tla so dom številnim bakterijam, glivam in živalskim vrstam ter številnim rastlinam. Ker je glavna naloga teh organizmov recikliranje organske snovi v tleh, so nujno potrebni za delovanje kopenskih ekosistemov.

Pričakovati je, da bodo spremembe, ki se bodo zgodile v habitatu tal zaradi podnebnih sprememb, vplivale tudi na bioto tal. V sušnih razmerah se tvori manj mikrobne biomase in pride do manjše mikrobne aktivnosti. Poleg tega lahko ekstremna suša povzroči tudi smrt nekaterih večjih organizmov v tleh. V primerih, ko podnebne spremembe povečajo dovzetnost tal za erozijo, je lahko zaradi erozije prizadeta talna biota [12].

Kot rezultat študije, ki je bila izvedena za ugotavljanje učinkov podnebnih sprememb na bioto tal, so poročali, da se je mikrobna biomasa znatno povečala zaradi povečane količine CO2, vendar je na število bakterij negativno vplivalo segrevanje [13]. V isti študiji je bilo navedeno, da se biomasa gob povečuje z naraščajočimi padavinami.

V prisotnosti visokega CO2 pride do večje rasti rastlin zaradi povečane fotosinteze, kar vodi do povečanega vnosa ogljika v tla, kar močno spremeni aktivnost in gostoto talne biote [14].

Koncentracije CO2 se povečajo v ozračju, čeprav se stopnja uporabe ogljika s strani rastlin poveča, bo to stanje omejeno na vodo in hranila, ki jih lahko dobijo iz zemlje [15]. V tem primeru imajo lahko rastline, ki lahko sobivajo z mikorizami, da pridobijo več vode in hranil, prilagodljivo prednost v razmerah, kjer ni na voljo dovolj vode in hranil.

Učinki podnebnih sprememb na dogodke mineralizacije, nitrifikacije in denitrifikacije dušika

Obstajajo različni dejavniki, ki omejujejo mineralizacijo dušika, ki je pretvorba organskega dušika v anorganske oblike N v tleh. Na mineralizacijo dušika poleg količine organske snovi v tleh pomembno vplivajo okoljski dejavniki, povezani s podnebjem.

Stopnja mineralizacije, ki ostaja zelo nizka pozimi, ko temperatura pade pod 4 °C, se pojavi v velikih količinah pozno spomladi in poleti [15]. Ker bo povečana poletna suša zaradi podnebnih sprememb zmanjšala aktivnost mikroorganizmov v tleh, se pričakuje, da se bo mineralizacija dušika v teh razmerah zmanjšala [16]. Ker so v tleh z močnimi padavinami lahko aktivni le anaerobni mikroorganizmi, pomanjkanje kisika v takih tleh omejuje mineralizacijo dušika [17].

Procesa nitrifikacije in denitrifikacije v tleh sta najpomembnejša procesa pri določanju koncentracije anorganskega dušika. Pretvorba amonijevih ionov v nitratne ione s strani nekaterih mikroorganizmov v tleh je opredeljena kot nitrifikacija. Nitrifikacija je reakcija, ki zahteva kisik.

Redukcija nitrata v prosti plinast dušik (N2) po različnih postopkih. Na koncu tega procesa lahko pride do znatnih izgub dušika iz tal v ozračje. Denitrifikacija je proces, ki poteka v prisotnosti anaerobnih organizmov, slaba prezračenost tal pa vodi do ugodnih pogojev.

Večja mineralizacija in denitrifikacija zaradi povišane temperature pod podnebnimi spremembami lahko povzročita večje emisije N2O iz tal v ozračje [18]. Zaradi podnebnih sprememb v prihodnosti bo večja količina in pogostnost padavin, ki se verjetno pojavljajo v nekaterih regijah, povečala denitrifikacijo in s tem tudi pretok N2O iz tal [19].

Podnebne spremembe in organske snovi v tleh

Organska snov v tleh, ki uravnava fizikalne, kemijske in biološke lastnosti tal, je glavni vir energije tal in je eden najpomembnejših elementov, potrebnih za ohranjanje rodovitnosti tal. Organski ogljik v tleh se nanaša na ogljik, ki nastane v organski snovi in je glavna sestavina organske snovi.

Raven ogljikovega dioksida v ozračju se je od industrijske revolucije povečala za skoraj 50 %. Poroča se, da pri visokih ravneh CO2 in zlasti v prisotnosti vode in dušika v tleh rastline C3 izvajajo fotosintezo z naraščajočo hitrostjo in proizvajajo več biomase [20]. Vendar se rastline C4 le redko odzovejo na visoke koncentracije CO2, tudi v prisotnosti visokih N [21].

Predlagano je bilo, da lahko dodatni dušik, zagotovljen z atmosferskim kopičenjem dušika, spodbuja rast rastlin. Dodatna oskrba z dušikom lahko ne le poveča učinek visoke koncentracije CO2 na organski ogljik v tleh, ampak tudi upočasni stopnjo razgradnje organske snovi v nekaterih ekosistemih [20].

Na splošno prisotnost vode v tleh skupaj s povečanimi padavinami, zlasti na območjih, kjer je voda omejena, pomembneje prispeva k kopičenju organskega ogljika v tleh kot temperatura. [21]. V študiji o podnebnih spremembah, izvedeni na to temo, v kateri so bili kot dejavniki uporabljeni ogljikov dioksid, vlaga v tleh in temperatura, so poročali, da je vlaga v tleh pomembneje vplivala na zaloge organskega ogljika v tleh kot visok CO2 in temperatura [22].

Ni veliko študij, ki bi preučevale spremembe zalog organskega ogljika v tleh zaradi podnebnih sprememb. V 25-letni študiji, izvedeni v Angliji in Walesu, so poročali, da je bila letna izguba organskega ogljika v tleh 0,6 %, kar je bilo povezano s podnebnimi spremembami [23]. Poleg tega so bile v drugi študiji, izvedeni v Združenem kraljestvu, meritve opravljene v obdobju več kot 100 let in je bilo navedeno, da ni bilo bistvenih sprememb v zalogah ogljika [24].

Viri

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.