Role uhlíku v půdě a biouhel jako možnost hospodaření v zemědělství

Obrovské množství uhlíku je obsaženo také v půdě, konkrétně v jeho organické formě neboli půdní organické hmotě. Co všechno půdní organická hmota zahrnuje? Všechny živé půdní organismy, jimiž jsou kořeny, živočichové a mikroorganismy, odumřelá organická hmota zahrnující organické zbytky v různých stupních rozkladu a látky humusové. Ačkoliv organická část půdy tvoří jen malý podíl, jen asi 5% celkové půdní hmotnosti, velice významně ovlivňuje celou řadu fyzikálních a chemických půdních vlastností i celkový půdní život. Obsah půdní organické hmoty (zkráceně POH) je závislý na množství vstupů organických látek a produktů dekompozice. Tyto vstupy jsou každoročně velmi různé a závisí na klimatických podmínkách a vegetaci. Mezi zdroje organických látek v půdě řadíme: opad (rostlinné zbytky a metabolity), kořeny (formou odumřelých tkání a exsudátů), spady či splachy různých živin a rozpuštěných organických látek a také vlastní půdní organismy (včetně jejich tkání, metabolitů a látek vzniklých činností půdního edafonu). Z uvedeného výčtu je patrné, že množství vstupů a výstupů organických látek v půdě je velice obtížně kvantifikovatelné a podléhá značným sezónním výkyvům. Nicméně rozklad a přeměny organických látek v půdě jsou procesy, jež mají stěžejní význam pro řadu půdních vlastností. Ovlivňují půdní vlhkost, provzdušnění, teplotu, fyzikální a chemické vlastnosti, půdní vodní režim a respiraci, stabilizaci humusových látek, tvorbu půdních agregátů a celkově tak i úrodnost dané půdy. Půdní organická hmota má velkou retenční schopnost, může zadržovat až šestinásobek své vlastní hmotnosti. Zejména v suchých či písčitých půdách je organická hmota pro vegetaci životně důležitá.

Půdní organická hmota je hlavní zásobárnou významných prvků, jejichž bilance je ovlivňována mikrobiálními procesy (mineralizace, imobilizace). V POH dochází k přeměnám uhlíkatých látek (tvorba CO2 a CH4), dochází k rozkladu složitějších organických sloučenin na jednodušší a uvolňuje se mnoho živin, jež se posléze stávají dostupnými pro rostliny a půdní mikroorganismy (dusík ve formě NH4+, síra, fosfor, kationty Ca2+, Mg2+, K+). Po mineralizaci organických látek na anorganické (minerální) látky mohou být tyto látky bezprostředně využívány půdními organismy a rostlinami jako živiny nebo dochází k jejich adsorbci na půdní koloidy. Adsorbované minerály pak mohou být později buďto opět uvolněny nebo tvoří nerozpustné minerální sloučeniny či dochází k jejich vyplavování. Organické látky obsažené v POH jsou schopny vázat velké množství energie, jež se rozkladnými procesy uvolňuje ve formě převážně tepelné energie, pouze malá část je využita půdními organismy. Z hlediska vzájemných vztahů v půdě jsou organické látky vytvářeny primárními producenty (převážně rostlinami), transformovány konzumenty a posléze rozkládány reducenty (mikroorganismy). Tyto různě složité organické látky jsou dále využívány v dalších rozkladných či naopak syntetických procesech. Produktem přeměn půdních organických látek jsou vysokomolekulární látky relativně odolné vůči rozkladu, jež dávají vznik půdnímu humusu, který ovlivňuje nejen půdní úrodnost, ale taktéž udržuje půdu kvalitní. Význam organického uhlíku v půdě je tedy značný.

Vlivem obhospodařování půdy ovšem dochází k postupným ztrátám organické hmoty. Tento úbytek POH, nazývaný též dehumifikace, může být způsoben vodní a větrnou erozí, zvýšenou mineralizací po odvodnění pozemků, při rozorávání luk a pastvin a další nešetrnou kultivací půdy. Zemědělská produkce, jež je intenzifikována, doplňuje kvalitní organické látky zpět do půdy jen částečně. Dochází tak k postupné degradaci půdního prostředí. Z těchto důvodů byla vytvořena různá ochranná opatření vedoucí ke zvýšení obsahu POH. Mezi tyto opatření jsou zařezny: osevní postupy zahrnující pěstování pícnin, využití rostlinného krytu pěstováním meziplodin (tzv. zelené hnojení), podplodin a ozeleňování, správný managment pesticidů, zachovávání posklizňových zbytků a systémy redukované orby (minimalizace zpracování půdy, konzervační orba či bezorebným systém). Další možností je využití dodávání organických hnojiv, jimiž jsou statková hnojiva (chlévský hnůj atp.) a průmyslové komposty. Jednou z možností zvýšení látek uhlíkaté povahy v půdě je aplikace částečně zuhelnatělé biomasy, tzv. biouhlí.

Biouhlí

je jemnozrnný materiál povahy dřevěného uhlí vzniklý procesem zvaný pyrolýza. Pyrolýza je proces, kdy je biomasa zahřívána bez přístupu či s omezeným přístupem vzduchu při teplotách 300-600°C. Obecným pojmem, který zahrnuje všechny zuhelnatělé látky vzniklé při pyrolytických či pyrolýze podobných procesech, je uhel (anglicky „char“). Ovšem takto získaný uhel se svojí strukturou i dalšími vlastnostmi značně liší od uhlí (anglicky „coal“), tedy přeměněné biomasy, která svoji podobu získala při zcela odlišných procesech za nesrovnatelně delší dobu. Od dřevěného uhlí se biouhel liší tím, že je přidán do půdy za účelem zlepšení její kvality. Výsledný produkt zuhelnatění biomasy tedy není používán jako palivo. Z těchto důvodů se vžil anglický pojem „biochar“, biouhel je českým překladem (Holan, 2009). Základní složkou je chemicky stabilní uhlík podléhající dalšímu rozkladu či oxidaci jen velice pomalu či vůbec. Podobně pomalu jsou také uvolňovány i živiny (zejména fosfor a alkalické látky), jejichž obsah je v biouhlí stejný jako v původní biomase. Dochází pouze ke snížení dusíkatých látek na poloviční množství. Samotný uhlík má dobu setrvání v půdě staletí až tisíciletí. Zájem o takto přeměněnou biomasu stoupá také skrze sledování atmosférického obsahu CO2, jednoho ze skleníkových plynů. Uhlík zachycený v biomase při fotosyntetických procesech není ve formě biouhlu zpět uvolňován do ovzduší jako při rozkladných procesech, dochází tak k jeho bezpečnému ukládání v půdě. Proces ukládání uhlíkatých látek mimo atmosféru je označován pojmem sekvestrace.

A jakým způsobem biouhlí ovlivňuje půdní kvalitu a úrodnost? Především je to změna fyzikálních vlastností. Díky svojí porézní struktuře zvyšuje provzdušnění půdy a její retenční schopnost a celkovou zpracovatelnost. Taktéž na povrchu biouhlí dochází k chemickému vázání minerálních látek, které jsou rozpuštěny v půdním roztoku. Povrch biouhlu nese negativní náboj a tudíž je schopen vázat kladně nabité ionty, zejména vápník ve formě Ca2+, hořčík Mg2+, draslík K+ a mnohé další. Tyto látky jsou významnými živinami pro rostliny a jejich zadržení na povrchu ve formě komplexů může zabránit jejich ztrátám při vyplavování z půdního profilu. Z těchto důvodu by taktéž mohly klesnout náklady na hnojení, což v zemědělství představuje jednu z nejvíce finančně náročných položek. Velký význam nese biouhel také skrze svoji členitou strukturu, která může sloužit pro mikrobiální osídlení. Jednak mohou póry biuhlu sloužit mikroorganismům jako účinné refugium proti predátorům, jednak biouhel obsahuje zbytkové množství lehce rozložitelných uhlíkatých látek, které nepodlehly pyrolytickým procesům. Mikrobiální aktivita po aplikaci biouhlu se tedy krátkodobě zvyšuje. Výsledky výzkumů účinku biouhlu jsou ovšem různé v závislosti na klimatických podmínkách, materiálu, ze kterého je biouhel vyráběn, a teplotách při spalování.

Pozitivní vliv biouhlu na půdní vlastnosti nejsou novodobou záležitostí. O jeho účincích se vědělo již v dávných kulturách jižní Ameriky a Afriky před tisíciletími. Největší oblasti, kde bylo obdoby biouhlu užíváno, se nacházejí v tropických oblastech Amazonie a nesou název Terra preta de Indio. Půdy deštného pralesa, i přes jeho bohatou biodiverzitu, podléhají velice rychlé mineralizaci a vzhledem k intenzivním srážkám dochází k vyplavování živin potřebných pro růst rostlin. Ze zemědělského hlediska jsou tedy tyto půdy pro produkci nevhodné. Ovšem v oblastech výskytu Terra preta došlo činností člověka k vytvoření černé humózní půdy s vysokým obsahem živin a hluboké někdy až 2 m, jež se po odlesnění nevyčerpala ani za několik let intenzivního hospodaření. Přesný důvod, jakým způsobem je tato trvalá úrodnost udržována i po tisíciletí není znám, ale je zřejmé, že principem byla aplikace přeměněné biomasy právě ve formě uhlí. Na existenci těchto tmavých antropogenních půd v amazonských oblastech jako první upozornil průkopník brazilské geologie Charles F. Hartt s jeho asistentem Herbertem H. Smithem na konci 19. století. Od té doby zájem o tuto „zázračnou půdu“ stoupá nejen v kruzích pedologických, ale také z environmentálního hlediska.

Nad vhodností využití biouhlu pro zvýšení půdní úrodnosti v klimatických podmínkách České republiky ale visí stále řada otazníků. Na rozdíl od půd tropických deštných pralesů, kde probíhá rychlá mineralizace, obsah bází a živin je obecně velmi nízký a naopak obsah jílovitých částic vysoký, jsou půdy mírného pásma vesměs úrodné a obsahují většinou více než 1% humusových látek. V takových půdách se nepředpokládá, že aplikace biouhlu bude mít významný účinek. Naopak v některých případech došlo po aplikaci biouhu ke snížení produkce. Biouhel v podmínkách mírného pásma nemá sloužit jako hnojivo, ale jako pomocná a podpůrná látka, jejíž účinek bude patrný v půdách chudých, kyselých či s vysokým obsahem jílovitých částic. V půdách relativně úrodných lze využít biouhlu jako nosiče živin pro rostliny. Příkladem může být spolukompostování, kdy do biomasy určené ke kompostování je přidáno 10-30% biouhlu. Vzniklý substrát může sloužit jako přísada ke zlepšení kvality půdy a forma organického hnojení. Podobně lze taktéž využít kombinace aplikace biouhlu a minerálního či organického hnojiva, kdy jsou tyto živiny sorbovány na povrchu biouhlu. Ovšem v takových případech bylo pozorováno, že v prvním roce aplikace biouhlu a hnojiva došlo ke snížení růstu plodin. Tento jev je vysvětlován tím, že živiny byly „lapeny“ biouhlem a již nebyly dostupné pro kořeny rostlin. K jejich uvolňování docházelo velmi pozvolna. Předpokládá se tedy, že aplikace biouhlu může z dlouhodobého hlediska snížit dávky minerálních hnojiv. Organické a minerální látky by se z povrchu biouhlu uvolňovaly postupně a plnily by tak potřebu rostlin pro jejich růst, ale zároveň by nedocházelo k jejich vyplavování do spodních půdních horizontů a povrchových či podzemních vod. Z publikovaných informací o účincích biouhlu ovšem vyplývají různorodé výsledky. Pořizovací cena i aplikace biouhlu jsou pro zemědělce značně finančně náročné a je tedy nutné zaručit, že jeho aplikace ponese pozitivní účinky. Proto je nutné jeho vliv na půdní prostředí nadále zkoumat. Ovšem teprve až zavedení biohlu do praxe bude rozhodovat o jeho úspěchu či neúspěchu v zemědělském využití.

Použitá literatura:
Hollan Jan, Klusák V., 2009: Biouhel, alespoň stéblo naděje, Veronica č. 5, 2009, s.1-8
Šimek Miroslav, 2003: Základy nauky o půdě, 3. Biologické procesy a cykly prvků, České Budějovice. ISBN 80-7040-630-5, s.11-24
Schmidt von Hans-Peter, 2012: 55 Anwendungen von Pflanzenkohle, Ithakajournal, č. 1, 2012, s. 99-102, ISSN 1663-0521