Ефекти климатских промена на својства тла

Земљиште се формира након веома дугог процеса под интеракцијом бројних фактора као што су клима, земљиште, топографија и организми. Притисак на тло, које је основа живота на земљи, расте из дана у дан. Правилно управљање земљиштем је од великог значаја за одрживу пољопривреду.

Земљиште је највећи понор угљеника после океана и важан је фактор равнотеже против климатских промена. Утицај климатских промена на земљиште је спор и сложен процес. Ако се земљиштем не управља добро, поред климатских промена које утичу на земљиште, земљиште такође може допринети и климатским променама као извор гасова стаклене баште. Како се ефекти климатских промена повећавају, неизбежно је да ће ова ситуација утицати на земљиште. Испитани су могући ефекти глобалног загревања на нека основна својства земљишта.

Утицај климатских промена на влажност земљишта

За биљну производњу од великог је значаја довољно влаге у земљишту током периода развоја биљака. Као резултат климатских промена, очекују се извесне промене у влажности земљишта.

Услови изазвани климатским променама, као што су обилне падавине у кратком периоду и више испаравања и транспирације услед повећања температуре, могу изазвати низ флуктуација у води која се налази у земљишту [19]. Интегративни ефекат климатско-хидролошких промена вегетације-коришћења земљишта огледа се у воденом билансу и режиму влажности земљишта у пољу. Потенцијални ефекти четири могућа сценарија климатских промена на компоненте влаге у земљишту сумирани су на слици 1.

На пример, ако вегетација не пати од ограниченог снабдевања водом због климе или суше изазване земљиштем, повећање температуре повећава потенцијал за Е и Т. Смањује R, I, S и G ако је висока температура праћена ниским падавинама; Ублажује штетне хидролошке последице мраза и брзог топљења снега (опасност од поплава) и пружа више могућности за продор воде. Пошто ће смањење атмосферских падавина резултирати смањењем инфилтрације воде (I) и складиштења воде (S) у земљишту и биљкама; површинско отицање (R) на нагнутим земљиштима ће стога повећати опасност од ерозије воде, губитака филтрације и допуњавања подземних вода (G) и губитака испаравањем [27].

Промена воде у земљишту је уско повезана са променом количине падавина. У тренутним студијама, предвиђа се да може доћи до смањења или повећања количине падавина у различитим деловима света услед климатских промена (Слика 2). Предвиђа се да ће се количина падавина повећати за 10% до 40% до средине века на одређеним географским ширинама и густо насељеним тропима, и смањити за 10% до 30% у сушним регионима средњих географских ширина. Такође постоји врло поуздано предвиђање да ће многи полусушни региони (на пример, Медитерански басен, западне Сједињене Америчке Државе, Јужна Африка и североисточни Бразил) доживети смањење водних ресурса због климатских промена. Повећање температуре ће такође утицати на карактеристике језера и река и имаће претежно негативне ефекте на квалитет воде [18].

Климатске промене и ефекти промене прецизних режима на закисељавање земљишта

Вредност pH земљишта указује на алкалност или киселост земљишта и уско је повезан са плодношћу земљишта. pH вредност земљишног раствора је pH вредност која је најближа биохемијским процесима земљишта и биљака. Очекује се да ће доћи до промена у разградњи минерала земљишта уз промене у порасту температуре и интензитету падавина услед климатских промена.

Повећање киселости земљишта може настати као резултат производње веће количине биомасе услед повишених температура и повећања парцијалног притиска CO₂ у ваздуху. Ако се такав биљни материјал разложи in situ, акумулиранa алкалност у овом материјалу се враћа у земљиште, неутралишући киселост. Међутим, у случајевима када се произведена биомаса убире и уклања са поља, киселост се не може неутралисати и она остаје у земљишту. С друге стране, мало је вероватно да ће повећан парцијални притисак CO₂ у ваздуху утицати на pH земљишта, пошто је H₂CO₃ слаба киселина [24].

Evans et al. [13] су користили у својој студији динамички модел (модел закисељавања басена подземних вода) и климатске сценарије повећања температуре и смањења падавина у Великој Британији, да предвиде ефекте климатских промена на земљиште и воду. Они су утврдили да се очекује да ће високе концентрације раствореног органског угљеника и киселост услед високе температуре смањити pH земљишта и повећати испирање базних катјона у површинским водама. Наглашавајући важност употребе креча за контролу киселости у овој врсти пољопривредних земљишта, истраживачи су навели да су земљишта са високим садржајем глине и органске материје отпорнија на повећање и смањење pH, док су песковита земљишта подложнија закисељавању. Иако није могуће променити садржај глине у земљишту, било би прикладно предузети мере за повећање садржаја органске материје.

Ефекти климатских промена на салинитет и алкалност земљишта

Салинитет је стање које ограничава усвајање воде у биљкама смањењем осмотског потенцијала. Поред тога, због своје посебне јонске токсичности, може довести до погоршања равнотеже хранљивих материја у биљкама. То је веома важна карактеристика у погледу здравља земљишта.

За накупљање соли у земљишту неопходни су неки основни предуслови, пре свега извор соли. Соли могу доћи из различитих извора. Могу настати као резултат локалних временских прилика где долази до растварања растворљивих једињења одређених стена, минерала и других геолошких седимената. Површинске и подземне воде могу садржати со. Поред тога, ресурси соли се додају земљишту кроз неке људске активности као што су наводњавање, ђубрење и коришћење разних отпада. Могуће је транспортовати ове соли у различите области помоћу транспортних средстава као што су вода и ветар, а кретање раствора у присуству покретачке силе је такође ефикасно у транспорту соли. Ако постоји негативан биланс воде у земљишту, односно евапотранспирација је већа од падавина плус вода за наводњавање, може доћи до заслањивања. Ограничени услови дренаже су такође фактор који олакшава формирање салинитета [27].

Састав слане воде у земљишту може бити важан фактор који утиче на пропусност земљишта. У киселим земљиштима структура земљишта се погоршава и пропусност је у великој мери смањена. Такође, заслањивање земљишта сматра се покретачком силом дезертификације [8].

У зависности од климатских промена, могуће веће температуре и периодични кишни и сушни периоди ће убрзати разлагање геолошких седимената, који су главни материјал соли, а њихово растварање и транспорт ће се повећати. Тако ће доћи до стварања растворљивих соли у земљишту и њихове акумулације током времена. Поред тога, повећана суша због пораста температура и веће потражње за храном, која ће се појавити током времена, ће узроковати повећање броја наводњаваних површина. Ова ситуација ће довести до тога да земљиште буде презасићено солима због неправилне праксе наводњавања и ђубрења као што је данас [27].

Превише или премало падавина може имати значајан утицај на салинитет земљишта у зони корена. Подземне воде расту због превеликих падавина. Ако подземна вода падне испод два метра, кретање воде према површини ће се десити капиларно. Ако нема довољно падавина да би се ове соли излиле из зоне корена, у сушним временима на површини земљишта се виде наслаге соли. Слично, у подручјима са сушом, могуће је акумулирање соли са капиларним кретањем воде. Још један пример суше која изазива акумулацију сланости у зони корена је продор воде из водоносног слоја са сланом водом у оближњем региону због прекомерног повлачења воде из неких бунара. Смањење водних ресурса и коришћење веће количине отпадних вода у будућности ће изазвати повећање количине соли у зони корена биљке. Повећање нивоа океана због топљења глечера услед глобалног загревања може довести до већег продора морске воде [6]. Нарочито у случају директног продора слане воде, за врло кратко време се могу видети велике промене у вредностима салинитета земљишта. На слици 3, на мапи су приказане разлике у променама соли у земљишту на обали Бангладеша у периоду од 25 година услед пораста нивоа мора [23].

Климатске промене и структура земљишта

Честице у земљишту које се спајају и групишу формирају структуру тла. Структура се сматра једним од важних физичких својстава земљишта због утицаја на кретање воде и гаса. Структура земљишта, која није статична већ динамичка, може се променити у зависности од својстава земљишта.

Текстура земљишта је својство земљишта које игра важну улогу у пољопривредној производњи. Истовремено, степен ерозије земљишта је уско повезан са структуром земљишта. Чини се неизбежним да ће доћи до интеракције, у зависности од климатских промена, на структуру земљишта. Међутим, обим ових промена може варирати у зависности од величине климатских промена и структурне крхкости тла. Као резултат тога, стварни утицај ће бити специфичан за локацију и тло.

На слици 4, могуће је да ће са могућим климатским променама, земљиште понекад бити изложено суши, а некада интензивнијим падавинама и рацијама. Под овим условима, тло постаје склоније пропадању структуре. Под климатским промена, очекује се да ће се структура земљишта погоршати као резултат обраде земљишта када је тло превише влажно или превише суво [5].

Климатске промене ће изазвати више пожара и поплава. Ватра често смањује стабилност земљишног агрегата и може изазвати, повећати или смањити пропустљивост воде у зависности од висине температуре и њеног трајања [25].

Ефекти климатских промена на фауну земљишта могу индиректно утицати на структуру земљишта. Организми у земљишту, посебно глисте и термити, имају важан ефекат на физичка својства земљишта. У одсуству ових организама може доћи до јаких диференцијација профила услед недовољног мешања земљишта [20].

Ефекти климатских промена на фауну и флору земљишта

Фауна и флора земљишта, које су заступљене у веома великом броју и на веома малом простору, једна су од најосновнијих компоненти земљишта, која је од виталног значаја за многе активности у земљишту. Земљиште је дом великог броја бактерија, гљивица и животињских врста, као и многих биљака. Пошто је главна функција ових организама да рециклирају органску материју тла, они су апсолутно неопходни за функционисање копнених екосистема.

Очекује се да ће промене које ће се десити у земљишном станишту услед климатских промена утицати и на биоту земљишта. У условима суше формира се мање микробне биомасе и јавља се мања микробна активност. Поред тога, екстремна суша такође може довести до смрти неких већих организама у земљишту [9]. У случајевима када климатске промене повећавају подложност земљишта ерозији, биота земљишта може бити значајно деградирана [21].

Као резултат студије спроведене ради утврђивања утицаја климатских промена на биоту земљишта, утврђено је да се микробна биомаса значајно повећала због повећане количине CO₂, али је загревање негативно утицало на број бактерија [2]. У истој студији је констатовано да се биомаса печурака повећава са повећањем падавина.

У присуству високе концентрације CO₂ долази до већег раста биљака услед повећане фотосинтезе, што доводи до повећаног уноса угљеника у земљиште, снажно мењајући активност и густину биоте земљишта [22].

Иако се концентрација CO₂ повећавају у атмосфери, његова доступност ће бити ограничена у води и хранљивим материјама које могу добити из земљишта [15]. У овом случају, биљке које могу коегзистирати са микоризама, да би добиле више воде и хранљивих материја, могу имати предност у прилагођавању у условима у којима нема довољно воде и хранљивих материја.

Ефекти климатских промена на минерализацију азота, нитрификацију и денитрификацију

Постоје различити фактори који ограничавају минерализацију азота (претварање органског азота у неорганске N облике у земљишту). Поред саме количине органске материје у земљишту, на минерализацију азота важан утицај имају еколошки фактори везани за климу.

Стопа минерализације, која зими остаје веома ниска, када температура падне испод 4 °C, јавља се у великим количинама у касно пролеће и лето [11]. Пошто ће повећане летње суше услед климатских промена смањити активност микроорганизама у земљишту, очекује се смањење минерализације азота у овим условима [4]. Пошто само анаеробни микроорганизми могу бити активни у земљиштима са обилним падавинама, недостатак кисеоника у таквим земљиштима ограничава минерализацију N [10].

Процеси нитрификације и денитрификације у земљишту су најважнији процеси у одређивању концентрације неорганског азота. Конверзија амонијума у нитратне јоне од стране неких микроорганизама у земљишту се дефинише као нитрификација. Нитрификација је хемијска реакција која захтева кисеоник.

Редукција нитрата у слободни гасни азот (N₂) је резултат различитих процеса. На крају ових процеса може доћи до значајних губитака азота из тла. Денитрификација је процес који се одвија у присуству анаеробних организама, а лоша аерација земљишта доводи до повољних услова за овај процес.

Већа минерализација и денитрификација због повећане температуре услед климатских промена може довести до већих емисија N₂O из земљишта у атмосферу [1]. Због климатских промена у будућности, већа количина и учесталост падавина, које ће се вероватно појавити у неким регионима, повећаће денитрификацију а самим тим и проток N₂O из земљишта [12].

Климатске промене и органски материјали у земљишту

Органска материја земљишта, која регулише физичка, хемијска и биолошка својства земљишта, главни је извор енергије и један је од најважнијих елемената потребних за очување плодности земљишта. Органски угљеник у земљишту се односи на угљеник формиран у органској материји и главна је компонента органске материје.

Нивои угљен-диоксида у атмосфери порасли су за скоро 50% од индустријске револуције. Утврђено је да при високим нивоима CO₂, а посебно у присуству воде и азота у земљишту, биљке C₃ врше фотосинтезу све већом брзином и производе више биомасе [7]. Међутим, биљке C₄ ретко реагују на високе концентрације CO₂, чак и у присуству високог N [28].

Предложено је да додатни азот који се обезбеђује акумулацијом атмосферског азота може подстаћи раст биљака. Додатно снабдевање азотом може не само да повећа ефекат високе концентрације CO₂ на органски угљеник у земљишту, већ и да успори брзину разлагања органске материје у неким екосистемима [7].

Генерално, присуство воде у земљишту заједно са повећаним падавинама, посебно у подручјима где је вода ограничена, више доприноси акумулацији органског угљеника у земљишту него температура. [16]. У студији о климатским променама спроведеној на ову тему у којој су угљен-диоксид, влага у земљишту и температура коришћени као фактори, објављено је да је влага у тлу имала значајнији утицај на залихе органског угљеника у земљишту од високе концентрације CO₂ и температуре [14].

Нема много студија које испитују промене у залихама органског угљеника у земљишту услед климатских промена. У 25-годишњој студији спроведеној у Енглеској и Велсу, утврђено је да је годишњи губитак органског угљеника у земљишту био 0,6% и да је то повезано са климатским променама [3]. Поред тога, у другој студији спроведеној у Великој Британији, мерења су вршена у периоду дужем од 100 година и констатовано је да није дошло до значајне промене у залихама угљеника [17].

Референце

1. 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.

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

3. 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.

4. 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.

5. 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.

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

7. 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

8. 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.

9. De Vries F. T., &Shade A. (2013). Controls on soil microbial community stability under climate change. Frontiers in Microbiology 4:265.

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

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

12. 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.

13. 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.

14. GartenJr. 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.

15. Gifford, R.M. (1992). Interaction of carbon dioxide with growth-limiting environmental factors in vegetation productivity: implications for the global carbon cycle. Advances in Bioclimatology, 1, 24-58.

16. 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. EcolAppl 17:1352–1365.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

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

22. 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.

23. 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.

24. 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.

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

26. Várallyay, G. 1994. Climate change, soil salinity and alkalinity. In M.D.A. Sounsevell,&R.J. Loveland, (Eds.) Soil Responses to Climate Change. NATO ASI Series. Vol. 23, pp. 39–54. Springer-Verlag, London.

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

28. van Kessel C., Boots B., De Graaff M. A., Harris D., Blum H., &Six J. (2006). Total soil C and N sequestration in a grassland following 10 years of free air CO₂ enrichment. Glob Change Biol 12:2187–2199.