CLIAVEПољопривредно стручно образовање усмерено на климу

Модул 2 · Поглавље 6

Ефекти употребе крeча на емисије стакленичких гасова у пољопривредном земљишту

Erdinç Uysal · 17 мин

ENTRCSROSRSL

Материјали за побољшање земљишта се увелико користе у свету за повећање приноса у пољопривредној производњи на киселим земљиштима. У употреби ових материјала углавном се тежи смањењу киселости земљишта и повећању доступности биљних хранљивих материја. На овај начин се повећава плодност земљишта и као резултат се побољшава принос и квалитет производа. Најпожељнија метода за ову сврху широм света је употреба креча на пољопривредном земљишту.

Утицај реакције земљишта на раст биљака

Постоји много фактора који утичу на усвајање хранљивих материја у тлу од стране биљака. Међу овим факторима, реакција тла је један од најважнијих. Биљке генерално треба да одржавају pH земљишта. Ако је близу неутралне реакције, они могу оптимално да искористе биљне хранљиве материје. Међутим, повећање киселог или алкалног pH у земљишном раствору значајно смањује растворљивост неких биљних хранљивих материја.

Киселост земљишта је термин који се користи за изражавање количине јона водоника (Н) и алуминијума (Аl) у земљишту. Повећање количине јона водоника или алуминијума значи закисељавање земљишта и негативно наелектрисани капацитет измене катјона (CEC) земљишта ће бити ограничен. Ово је штетна ситуација за раст корена и нормалан развој биљака. пХ земљишта је индикатор „киселости земљишта“ (слика 1). pH вредност од 7,0 је дефинисана као неутрална, док је испод ове вредности дефинисана као кисела, а изнад као алкална. Мале промене pH вредности земљишта указују на велике разлике у киселости земљишта. На пример, земљиште са pH од 5 је 100 пута киселије од земљишта са pH од 7 [1].

Слика 1. pH класификација земљишта уопштено

Земљишта могу бити кисела током свог формирања, или могу показати кисела својства под утицајем фактора средине. У областима са обилним падавинама, киселост земљишта се повећава у случајевима као што су испирање алкалних јона као што су калцијум и магнезијум у земљишту или континуирана употреба физиолошких киселих ђубрива у биљној производњи.

Киселост земљишта може негативно утицати на раст биљака на различите начине. Међутим, у зависности од повећања киселости, смањење уноса неких биљних хранљивих материја или дејство токсичних јона може се сматрати најважнијим проблемом. Док се у киселим земљиштима примећују недостаци неких хранљивих материја као што су фосфор и молибден калцијум због смањења растворљивости, јони као што су алуминијум, манган и водоник могу достићи нивое који могу изазвати токсичност [2].

Киселост је важан фактор који ограничава принос усева у земљишту и око четири милијарде хектара земљишта у свету је кисело [3]. У економској анализи пријављено је да постоји губитак од 1,6 аустралијских долара годишње губитка у производњи житарица због киселости [4].

Земљишта се закисељавају као резултат ослобађања протона током нитрификације и накнадног испирања нитрата након примене азотних ђубрива или ослобађања редукованих азотних једињења у природне екосистеме [5]. У Народној Републици Кини је забележено да се као резултат прекомерне употребе азотних ђубрива, посебно у облику урее, пХ земљишта смањује у распону од 0,13-0,80 јединица, у зависности од својстава земљишта, те су сходно томе обрађена земљишта значајно закисељена [6]. Наводи се да је скоро половина обрадивих површина у свету кисела и овај проценат се постепено повећавају [7].

Примена креча у пољопривредним земљиштима

У киселим земљиштима, употреба калцијума је најчешће коришћена метода за неутрализацију земљишта. Материјали за кречење који се обично користе у раскисељавању су једињења калцијума као што су кречњак, гашени и негашени креч и доломит [8]. Калцијум не може да повећа пХ земљишта када се користи сам, јер базични катјони у материјалима за кречење могу се неутралисати јонима водоника у киселим земљиштима [9].

Употреба креча је важна пракса која повећава продуктивност у пољопривредној производњи уклањањем киселости у земљишту. Ако се уради исправно, пружа важне предности у биљној производњи, неке од ових предности су следеће [1]:

  • Показују бољи развој корена јер ће бити изложени мање токсичности алуминијума.

  • У зависности од материјала који се користи, земљишту се додају хранљиве материје као што су калцијум и магнезијум.

  • Како ће се растворљивост хранљивих материја повећавати у зависности од повећања пХ вредности земљишта са применом ових метода, повећава се унос хранљивих материја кроз корен биљке.

  • Са употребом креча се повећава капацитет катјонске измене (CEC) земљишта и то спречава губитак основних катјона, посебно калијума, испирањем.

  • Биће поспешено формирање нодула у махунаркама, услед повећање фиксације биолошког азота.

  • Пошто ће се неки хербициди лакше разградити при оптималној пХ вредности земљишта, ризик од оштећења биљака током плодореда биће спречен. Неки нематициди ефикасније делују у областима за кречење.

У зависности од својстава земљишта, количина креча која се даје варира. Количина креча која ће неутралисати укупну киселост да би се обезбедио оптималан раст биљака у земљишту изражава се као потреба за кречом тог земљишта [10]. Иако биљке генерално показују добар раст на скоро неутралним пХ вредностима, треба напоменути да оптимални pH није исти за све биљке. Из тог разлога, потребно је знати оптималну pH вредност биљке која се гаји поред својстава земљишта током кречења. Увек се могу уочити различити проблеми у исхрани у случају наношења веће количине креча него што је потребно. Оптимални pH захтеви неких биљака дати су у табели 1.

Табела 1. Оптимални пХ захтеви неких гајених биљака [1].

Биљка Оптималан pH
Кукуруз 6,0
Соја 6,0
Памук 6,2
Аспарагус 6,5
Пасуљ 6,0
Парадајз 6,5
Детелина 6,5
Јабука 6,5
Јагода 6,0
Фир 5,5
Боровнице 4,5

Генерално, материјали за кречење су два различита типа. Прва група, названа калцитни кречњак, укључује калцијум карбонат (CaCO3), калцијум хидроксид [Ca(OH)2] или калцијум оксид (CaO). Доломитски кречњак [CaMg(CO3)2], који заједно са калцијумом садржи значајну количину магнезијума, класификован је као други тип.

Ефекат примене креча у земљишту на емисије гасова стаклене баште

Неутрализација у киселим земљиштима такође има неке утицаје на животну средину. Ови ефекти се могу разликовати у зависности од многих варијабли. Гасови CO2 и N2O, који су гасови са ефектом стаклене баште који изазивају глобално загревање, више су под утицајем примене каменца него CH4. Ови ефекти су покушани да се сумирају под следећим насловима.

Ефекти примене креча на ослобађање угљен-диоксида у земљишту

Деградација земљишта је последњих година постала главна претња на глобалном нивоу. Плодност земљишта настоји се повећати употребом ремедијалних средстава као што су креч, сумпор, гипс и различита органска једињења у циљу побољшања земљишта услед пропадања земљишта. Иако ова ситуација пружа побољшања с једне стране, може довести до тога да се сусрећемо са различитим еколошким проблемима с друге стране. Утицај креча и кречњака на залихе угљеника је питање које добија на значају последњих година.

Уопштено говорећи, ефекат каменца на концентрацију угљеника у земљишту варира у зависности од карактеристика животне средине и структуре земљишта. У студији која је испитивала ефекте дуготрајне примене креча на садржај угљеника у земљишту на травњацима, констатовано је да је већа стопа акумулације органског угљеника примећена у кречњачким земљиштима него у некречњачким [11]. Разлог за то је у повећању уноса угљеника услед повећане биомасе и биолошке активности.

У зависности од примене креча на киселим земљиштима, може се уочити повећање количине атмосферског CO2 [12]. Ова ситуација је покушана да се објасни доле приказаном једначином:

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

Повећавају се концентрације јона калцијума (Ca2+) и бикарбоната (HCO3-) у комплексу размене. Као резултат, јони Al3+ се замењују јонима Ca2+ и долази до повећања пХ земљишта услед смањења киселе хидролизе алуминијума. У међувремену, угљен диоксид (CO2) и вода (H2O) се ослобађају када формирани јони бикарбоната (HCO3-) реагују са H+ јонима присутним у земљишту. Као резултат ових процеса, H+ изазива киселост земљишта. Како концентрација опада, услови који ометају раст биљака као што су токсичност изазвана јонима Al3+ и недостатак Ca2+ се делимично елиминишу [13].

Као резултат тога, применом креча на пољопривредна земљишта, део карбоната у овим материјалима се ослобађа у атмосферу као CO2. Пољопривредни креч се може применити као калцит (CaCO3) или доломит (MgCa(CO3)2). У анализи за израчунавање доприноса пољопривредног креча емисији угљен-диоксида у Сједињеним Државама, наведено је да је нето емисија CO2 из апликација креча у пољопривреди износила 0,059 Mg C за 1 Mg калцита и 0,064 Mg C за 1 Mg доломита [14]. Док су истраживачи утврдили да се ове стопе не поклапају са факторима емисије које је дао IPCC као 0,12 за калцит и 0,13 за доломит, они су установили годишње емисије од 4,4-4,6 Тг CO2 за САД, у зависности од примене креча у пољопривреди.

Наводи се да CO2 испуштен у атмосферу услед примене калцита и доломита у САД чини 1,7% укупних пољопривредних емисија гасова стаклене баште и 0,13% укупних емисија гасова стаклене баште [15].

У студији спроведеној у Бразилу за израчунавање емисија CO2 услед кречења пољопривредних површина, објављено је да се количина емисија између 1990. и 2000. године кретала између 4,9-9,4 Тг годишње, са просеком од 7,2 Тг [16].

Оно што је потребно урадити да би се смањиле емисије гасова са ефектом стаклене баште из кречења је примена оксида као што су живи креч (CaO) или гашени креч (Ca(OH)2) уместо материјала који садрже карбонате [17].

Ослобађање азотног оксида у киселим земљиштима

Глобално, кисело земљиште чини већину обрадивог земљишта, а раст биљака је ограничен како се киселост повећава. Метода која се користи у овој врсти земљишта је обично кречење земљишта. Употреба калцијума повећава pH и сходно томе повећава продуктивност земљишта. Поред тога, утиче и на емисије гасова стаклене баште у зависности од садржаја угљеника у земљишту и циклуса елемената. У мета-анализи која испитује ефекте употребе креча на токове гасова стаклене баште, процењено је преко 1500 запажања у резултатима 121 студије и њихови резултати су подељени [18]. Према подацима процењеним у студији, позитиван ефекат кречења на повећање приноса производа био је 36%. Стопа повећања залиха органског угљеника у земљишту износила је 4,5% годишње. Дошло је до смањења емисије N2O из земљишта за 21,3% због примене креча. С друге стране, на земљиштима је дошло до смањења ослобађања CH4 за 19%. Према подацима до којих су дошли истраживачи у студији, ефекат гасова стаклене баште пронађен као резултат редовне калцификације земљишта са киселом реакцијом био је следећи: годишње 0,60-0,67 Тг у емисији N2O из земљишта и 1,75-2,21 Тг у CH4 емисије у пољима пиринча, док повећање залиха органског угљеника је процењено између 66-110 Тг. Међутим, наведено је да ће емисија CO2 услед калцификације бити између 624-656 Тг годишње. Према овим резултатима, наводи се да ће биланс гасова са ефектом стаклене баште бити неутралан, а истиче се да ће употрба креча пружити потенцијалну корист на глобалном нивоу у зависности од повећања приноса.

Констатовано је да су губици азота и емисије N2O у атмосферу употребом креча смањени, али су се директне емисије CO2 повећале [19]. У студији је наведено да су емисије гасова са ефектом стаклене баште приближно четири пута веће од количине смањење емисије N2O.

Упркос додавању материјала за побољшање киселих земљишта, ефекти промене пХ вредности земљишта на емисију N2O нису у потпуности доказани [20]. У ту сврху, истраживачи су указали на могуће ефекте четири различита врсте материјала за кречење на ослобађање N2O у тлу са пХ од 5,35. У истраживању су као материјали за кречење коришћени доломит – CaMg(CO3)2, калцит – CaCO3, калцијум хидроксид- Ca(OH)2 и калцијум оксид – CaO, а као резултат свих примена уочено је смањење ослобађања N2O. У поређењу са другим применама, највеће смањење ослобађања N2O је постигнуто при примени Ca(OH)2 и то је повезано са повећањем pH. Према добијеним резултатима, наглашено је да је pH земљишта ефикаснији од C и N динамике земљишта у смањењу ослобађања N2O.

У студији која је спроведена да би се открили ефекти емисија гасова стаклене баште у пољопривреди без обрађивања и у областима на којима се примењује креч, уочене су емисије N2O и CH4 из киселог земљишта са недовољном дренажом. [21]. Према резултатима студије током кречења, емисије N2O су се смањиле за 61% у областима где су примењене конвенционалне пољопривредне праксе, није примећен ефекат на површинама где није примењена обрада земљишта. Према резултатима истраживача, пољопривреда без обраде може побољшати физичка својства земљишта, а истовремено су истакли да је то важно средство за смањење емисије N2O и CH4.

Емисија N2O се повећава са применом азотних ђубрива током развоја биљака у полусушним регионима након летњих киша; спроведена је студија за утврђивање промене ових емисија применом креча у овим регионима [22]. У ту сврху, годину дана пре експеримента, пХ је повећан применом креча и формирано је земљиште са два различита пХ (4,21 и 6,34). У студији, емисије N2O су се промениле са 0 када је земљиште било суво на 0,065 µг N2ON g сувог земљишта-1 сат-1 након што је земљиште било влажно, а ова ситуација је била повезана са денитрификацијом и нитрификацијом. Повећање pH земљишта смањило је емисије N2O само када су губици били повезани са нитрификацијом. Истраживачи су предложили да се повећа пХ земљишта употребом креча како би се смањиле емисије N2O у полусушним земљиштима са киселим својствима, где ослобађање потиче услед нитрификације.

Штавише, нето ефекат пХ земљишта на емисије N2O често је тешко проценити [23] и може варирати у зависности од извора емисије [24]. Према резултатима добијеним у студији која се бави испитивањем могућих ефеката употребе креча на емисију N2O у земљишту са киселим својствима, кумулативне емисије N2O током денитрификације достигле су веома високе вредности у поређењу са условима нитрификације [25]. Према резултатима студије, емисија N2O током денитрификације значајно се повећавала са повећањем пХ земљишта.

Примене биоугља на емисије гасова стаклене баште

Органска једињења која су богата угљеником, отпорна на распадање и имају порозну структуру добијену термохемијском трансформацијом биомасе под високом температуром у условима без кисеоника или са ограниченим кисеоником се дефинишу као биоугаљ.

Како је произведени биоугаљ углавном алкалан, досадашње студије су углавном биле на киселим земљиштима. Био је предмет многих истраживања јер узрокује повећање доступности хранљивих материја повећањем пХ земљишта када се примењује као код кречења [26].

Биоугаљ, који је последњих година све популарнији као регенератор земљишта, даће значајан допринос смањењу глобалног загревања јер задржава атмосферски угљеник у земљишту. Међутим, студије су показале да ефекти примене биоугља могу варирати у зависности од тла, биљака и других фактора животне средине. На пример, у студији која испитује ефекте примене биоугља на принос и емисије гасова са ефектом стаклене баште у две различите области узгоја пиринча и пшенице, примена биоугља повећала је ослобађање CH4 за 37% током периода развоја у области производње пиринча. , док додатак биоугља у пшеници није утицао на ослобађање CH4 [18]. Такође, у зависности од примене биоугља, емисије N2O су смањене за 54% и 53% за пиринач и пшеницу, док су стопе повећања приноса остварене за 12% и 17%.

Могуће је наићи на многе студије које испитују ефекте примене биоугља на емисије гасова стаклене баште из тла. У мета-анализи која је спроведена у ту сврху процењени су ефекти примене биоугља на емисије CO2, CH4 и N2O на основу резултата 91 истраживања обавњених широм света [27]. Према резултатима тих студија, утврђено је да док је емисија CO2 из тла порасла за 22% у зависности од примене биоугља, дошло је до смањења емисије N2O за 31%. Међутим, примене биоугља нису показале никакав утицај на емисију CH4 из земљишта.

Референце

  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